Première observation en temps réel d’un processus de fusion bidimensionnel

Des chercheurs de l’université de Mayence dévoilent de nouvelles connaissances sur les structures de vortex magnétiques

Que se passe-t-il pendant le processus de fusion dans les systèmes bidimensionnels au niveau microscopique ? Des chercheurs de l’université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont étudié ce phénomène dans des couches magnétiques minces. « En utilisant des skyrmions, c’est-à-dire des vortex magnétiques miniatures, nous avons pu observer directement, pour la première fois, la transition d’une structure cristalline bidimensionnelle ordonnée vers un état désordonné au niveau microscopique en temps réel », indique Raphael Gruber, qui a mené ces recherches au sein du groupe de travail du professeur Mathias Kläui à l’Institut de physique de la JGU.

Les résultats, publiés dans Nature Nanotechnology, sont fondamentaux pour une meilleure compréhension des processus de fusion en deux dimensions et du comportement des skyrmions, qui pourraient révolutionner les futures technologies de stockage de données.

Fusion en deux étapes des réseaux de skyrmions

Si le concept de la fonte de la glace en eau est familier à la plupart des gens d’un point de vue macroscopique, les aspects microscopiques des processus de fusion restent étonnamment mal compris. « Cette transition de phase est particulièrement intrigante dans les systèmes bidimensionnels, où apparaissent des phénomènes distincts, différents de ceux observés dans leurs homologues tridimensionnels », explique M. Gruber.

Dans un premier temps, les chercheurs ont généré des skyrmions, qui sont des structures magnétiques tourbillonnaires analogues à des ouragans microscopiques, en calibrant précisément la température et les champs magnétiques. Grâce à leur remarquable stabilité, les skyrmions peuvent être considérés comme des entités individuelles. Lorsqu’ils sont densément compactés, ces vortex magnétiques s’auto-organisent en une structure réticulaire régulière.

« Notre question principale était la suivante : que se passe-t-il lorsque nous faisons passer cet état ordonné à un état désordonné, c’est-à-dire lorsque nous faisons fondre le système ? », ajoute M. Gruber.

À l’aide d’un microscope magnéto-optique Kerr, les chercheurs ont observé ce processus en temps réel pour la première fois. Contrairement aux structures cristallines tridimensionnelles, telles que la glace, le réseau bidimensionnel de skyrmions fond selon un processus distinctif en deux étapes. Au cours de la première étape, l’ordre translationnel est perdu, les skyrmions individuels restant dans le réseau, mais présentant des distances irrégulières par rapport à leurs voisins les plus proches. Ce n’est que lors de l’étape suivante que l’orientation est également compromise, aboutissant à la dissolution complète du réseau – un processus de fusion.

« L’élucidation de cette transition de fusion a été grandement facilitée par notre collaboration avec nos collègues du Centre de spintronique quantique de l’Université norvégienne des sciences et technologies », a noté le professeur Mathias Kläui.

Fusion induite par un champ magnétique : une approche novatrice

Un aspect distinctif de cette conception expérimentale réside dans la méthode utilisée pour induire la fusion. En général, on augmenterait la température. Cependant, cette approche n’est pas optimale dans ce contexte, car elle modifierait les conditions donnant naissance aux vortex magnétiques. « Au lieu de cela, nous avons réduit la taille des skyrmions en modulant le champ magnétique. Cette approche a permis aux skyrmions d’avoir une plus grande mobilité au sein du réseau, ce qui a facilité leur mouvement », précise M. Gruber. « Cette stratégie, similaire à l’augmentation de la température, conduit à un désordre progressif de la structure du réseau, aboutissant finalement à sa dissolution complète. »

Ces résultats ouvrent la voie à une application potentielle des skyrmions dans les futures technologies de stockage de données, offrant une densité de données considérablement améliorée, un accès rapide en lecture/écriture et une efficacité énergétique exceptionnelle.

« Ces travaux révolutionnaires ont été soutenus par la bourse ERC Synergy Grant 3D MAGiC et, notamment, par l’initiative de recherche TopDyn – Center for Dynamics and Topology, financée par la Rhineland-Palatinate Research Initiative. La topologie et la dynamique des propriétés topologiques constituent un axe de recherche central pour de nombreux scientifiques à Mayence, cette étude contribuant à un nombre croissant de publications passionnantes dans ce domaine », a conclu Kläui, directeur de TopDyn.

Publication : R. Gruber et al., Real-time observation of topological defect dynamics mediating two-dimensional skyrmion lattice melting, Nature Nanotechnology, 4 August 2025, 10.1038/s41565-025-01977-2