Contrôle de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moryia par champ électrique – ADMIS

Un domaine de recherche très actif est actuellement consacré aux skyrmions magnétiques. Ceux-ci sont des candidats potentiels pour dépasser les problèmes de consommation énergétique des architectures microélectroniques classiques de type Von Neuman où la mémoire et les fonctions logiques sont physiquement séparées. En raison de leur petite taille et de leur grande mobilité sous courant, les skyrmions magnétiques sont prometteurs pour être utilisés dans des dispositifs combinant au même endroit la mémoire et la logique. Cette nouvelle architecture avec un fonctionnement versatile, à grande vitesse et à haute densité permettrait d’atteindre une très faible consommation électrique. De plus, en raison de leur comportement spécifique telle une particule, ils ont été envisagés comme candidats potentiels pour des applications bio-inspirées.
Ces skyrmions magnétiques sont stabilisés par une interaction d'échange antisymétrique, l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), qui favorise l'apparition de textures de spin non colinéaires. Dans les tricouches très fines de type métal lourd/ferromagnétique/oxyde métallique, la stabilité des skyrmions est très sensible à tous les paramètres magnétiques, en particulier l'anisotropie magnétique, le champ magnétique et également le DMI. Pour créer ces phases topologiques, il est nécessaire d’ajuster finement les paramètres magnétiques, et en particulier le DMI. Toutefois, ces méthodes ne servent généralement qu'à préparer l'échantillon et il ne peut pas être ajusté de manière dynamique.
Trouver une méthode locale, dynamique et réversible bien contrôlée pour modifier en temps réel le DMI et donc les propriétés des skyrmions serait donc une percée technologique pour utiliser ces solitons topologiques dans des dispositifs spintroniques efficaces, rapides, fiables et versatiles. Le but du projet ADMIS est de démontrer que cet objectif ambitieux peut être atteint en utilisant des tensions de grille. Les effets de champ électrique dans les films minces et ultrafins ont déjà permis de modifier localement, dynamiquement et de manière réversible les paramètres magnétiques d'origine interfaciale, telle que l’anisotropie magnétique d’interface.
Ce champ électrique pourrait donc être utilisé pour moduler une autre propriété magnétiques d’interface, le DMI, afin d’ajuster localement les propriétés des skyrmions. Puisque les champs électriques peuvent être appliqués sans que du courant continu ne passe, ces effets de pourraient permettre un changement de paradigme dans la manipulation de l'aimantation avec une efficacité ultime. Notre objectif est d'ouvrir la voie vers des dispositifs spintronique à base de skyrmion (ou skyrmionique) reprogrammables, à très faible puissance et à haute fonctionnalité.
Dans ce contexte, nous avons combiné les effets de champ électrique avec la skyrmionique et nous avons montré un contrôle de la nucléation et de l'annihilation des skyrmions à température ambiante. De plus, nous avons observé très récemment que le DMI peut être modifié de manière réversible sous l'application d'une tension de grille.
Pour aller au-delà de ces résultats et exploiter cette méthode à faible consommation énergétique pour contrôler les skyrmions, les principaux objectifs du projet ADMIS sont donc : (1) mieux comprendre l'origine du DMI dans les tricouches ultraminces métal lourd/ferromagnétique/oxyde, et en particulier étudier le Rashba-DMI, sa dépendance au type d'oxyde, à l’état d'oxydation de l'interface ferromagnétique/oxyde et sa sensibilité aux champs électriques, (2) atteindre un contrôle local réversible ou irréversible du DMI et en particulier de son signe et (3) étudier et mettre en œuvre dans des dispositifs le contrôle par tension de grille du DMI local, dynamique et volatil ou rémanent, pour obtenir localement des variations de DMI de manière pré-programmable ou reprogrammable pour des utilisations de type mémoire et/ou logique ou encore pour développer la skyrmionique neuromorphique.