Des chercheurs de l’Université d’État de Floride ont créé un nouveau matériau cristallin présentant des motifs magnétiques inhabituels qui pourraient être utilisés pour des avancées dans le stockage de données et les technologies quantiques.
Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society, l’équipe de recherche a montré que lorsque deux matériaux de compositions chimiques voisines mais de types structuraux différents sont combinés, ils peuvent former un nouveau matériau qui présente un troisième type de structure avec des propriétés magnétiques très inhabituelles.
Les atomes dans les matériaux magnétiques agissent comme des aimants extrêmement petits, en raison de la propriété connue sous le nom de spin atomique. Le spin peut être imaginé comme une flèche indiquant la direction du minuscule champ magnétique produit par chaque atome. Lorsque de nombreux spins s’additionnent, ils peuvent produire un magnétisme global en alignant leurs champs magnétiques dans la même direction ou dans des directions opposées. C’est ce qui se passe dans les aimants traditionnels, comme ceux utilisés dans nos ordinateurs et nos téléphones portables.
L’équipe de recherche de la FSU a montré que son approche pouvait être utilisée pour générer des motifs de spins bien plus complexes. Ces motifs sont importants car ils déterminent les propriétés magnétiques globales d’un matériau. Contrairement aux aimants traditionnels, les spins dans ce nouveau matériau forment des tourbillons répétitifs, également connus sous le nom de textures de spin.
Comment ça marche ?
Les chercheurs ont combiné deux composés chimiquement similaires avec des symétries différentes dans leurs structures cristallines. Cette inadéquation structurelle conduit à une frustration, ce qui indique que les deux types de structures deviennent intrinsèquement instables à la frontière entre les deux compositions chimiques.
« Nous pensions que peut-être cette frustration structurelle se traduirait par une frustration magnétique », a expliqué le co-auteur Michael Shatruk, professeur au département de chimie et de biochimie de la FSU. « Si les structures sont en compétition, peut-être que cela fera tourner les spins. Trouvons des structures qui sont chimiquement très proches mais qui ont des symétries différentes. »
Ils ont combiné un composé de manganèse, de cobalt et de germanium avec un composé de manganèse, de cobalt et d’arsenic. Le germanium et l’arsenic sont voisins dans le tableau périodique.
Après que le mélange se soit solidifié en cristaux, l’équipe de recherche a examiné le produit et a trouvé les textures de spin cycloïdales distinctives qu’elle recherchait. De tels tourbillons de spins sont connus sous le nom de textures de spin de type skyrmion, et la recherche de plus de moyens pour trouver et manipuler des matériaux hébergeant des skyrmions est un domaine de recherche de pointe en chimie et en physique.
Pour déterminer cette structure magnétique de type skyrmion, l’équipe a collecté des données de diffraction neutronique sur monocristal sur l’instrument TOPAZ à la Source de neutrons à spallation, une installation utilisateur du Bureau des sciences du département américain de l’Énergie au Oak Ridge National Laboratory.
Pourquoi c’est important ?
Cette recherche pourrait être utilisée pour développer des disques durs avec une densité d’information plus grande ou améliorer l’efficacité du transport des électrons. Parce qu’utiliser des aimants pour déplacer les skyrmions demande peu d’énergie, incorporer des matériaux avec ces motifs magnétiques dans les appareils électroniques pourrait réduire la consommation d’énergie. Dans les superordinateurs massifs avec des milliers de processeurs, ces charges énergétiques plus faibles peuvent conduire à d’énormes économies en coûts électriques et de refroidissement.
La recherche pourrait aussi aider à orienter les scientifiques et les ingénieurs vers des matériaux prometteurs qui peuvent contribuer au développement de l’informatique quantique tolérante aux pannes, qui peut protéger l’information quantique fragile et fonctionner de manière fiable malgré les erreurs et le bruit — le Graal du traitement de l’information quantique.
« Avec les données de diffraction neutronique sur monocristal de TOPAZ et les nouveaux outils de réduction des données et d’apprentissage automatique de notre projet LDRD, nous pouvons maintenant résoudre des structures magnétiques très complexes avec beaucoup plus de confiance », a souligné Xiaoping Wang, un scientifique émérite en diffusion neutronique au Oak Ridge National Laboratory. « Cette capacité nous permet de passer de la simple découverte de textures de spin inhabituelles à leur conception et optimisation intentionnelles pour les futures technologies de l’information et quantiques. »
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« La pensée chimique » et les matériaux par conception
Les recherches précédentes sur les skyrmions et les textures de spin complexes apparentées ressemblaient plus à une chasse : on considérait différents matériaux où ces formes magnétiques étaient susceptibles d’être présentes et on mesurait leurs propriétés pour les confirmer.
Cette étude a adopté une approche différente. En créant un nouveau matériau et en tirant parti de l’idée innovante de la frustration structurelle, les chercheurs ont cherché à mieux comprendre les principes qui conduisent au développement de nouveaux motifs magnétiques.
« C’est de la pensée chimique, car nous réfléchissons à la manière dont l’équilibre entre ces structures les affecte et la relation entre elles, et comment cela pourrait se traduire dans la relation entre les spins atomiques », a commenté Shatruk.
Cette compréhension de la science fondamentale à l’œuvre pourrait indiquer des directions prometteuses pour les recherches futures.
« L’idée est de pouvoir prédire où ces textures de spin complexes apparaîtront », a indiqué le co-auteur Ian Campbell, un étudiant diplômé du laboratoire de Shatruk. « Traditionnellement, les physiciens chassent les matériaux connus qui présentent déjà la symétrie qu’ils recherchent et mesurent leurs propriétés. Mais cela limite l’éventail des possibilités. Nous essayons de développer une capacité prédictive pour dire : ‘Si nous ajoutons ces deux choses ensemble, nous formerons un matériau complètement nouveau avec ces propriétés souhaitées.’ »
Un avantage de cette approche est la capacité à élargir la liste des ingrédients pour fabriquer des matériaux contenant des textures de spin de type skyrmion, permettant des cristaux moins chers, plus faciles à cultiver et une chaîne d’approvisionnement plus robuste pour les technologies futures qui pourraient bénéficier de tels matériaux.
Bourse du Oak Ridge National Laboratory
Campbell a effectué une partie de ces travaux au Oak Ridge National Laboratory, ou ORNL, dans le cadre d’une bourse soutenue par la FSU. « Cette expérience a été déterminante pour cette recherche », a-t-il déclaré. « Être à Oak Ridge m’a permis d’établir des liens avec les scientifiques sur place et d’utiliser leur expertise pour aider à résoudre certains des problèmes que nous devions résoudre pour mener à bien cette étude. »
La FSU est un membre sponsor de l’Oak Ridge Associated Universities depuis 1951 et est également un partenaire universitaire principal du laboratoire national.
Grâce à ce partenariat, les membres du corps professoral de la FSU, les boursiers postdoctoraux et les étudiants diplômés ont l’opportunité de visiter l’ORNL pour utiliser leurs installations et développer des collaborations de recherche avec les membres du personnel de l’ORNL.
Les autres co-auteurs de cet article étaient YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark, Jacnel Graterol du département de chimie et de biochimie de la FSU ; Andrei Rogalev et Fabrice Wilhelm du Synchrotron européen ; Hu Zhang et Yi Long de l’Université des sciences et technologies de Pékin ; Richard Dronskowski de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle ; et Xiaoping Wang du Oak Ridge National Laboratory.
Article : Skyrmion-like Spin Textures Emerging in the Material Derived from Structural Frustration – Journal : Journal of the American Chemical Society – DOI : Lien vers l’étude
