Etude des skyrmions 3D partiels discrétisés dans des multicouches magnétiques : propriétés statiques et leur rôle dans la dynamique des transitions de phase topologiques. – Topo3D

L'un des phénomènes les plus fascinants de la physique est la possibilité qu'un comportement qualitativement nouveau (nouveaux états de la matière) puisse émerger de grands ensembles d'entités simples, en particulier en présence d'interactions concurrentes. Le magnétisme offre un terrain de jeu particulièrement riche à cet égard car une multitude d'interactions, parfois concurrentes (par exemple, des interactions à courte et longue portée, axiales, directionnelles, colinéaires et chirales) rencontre un degré de liberté vectoriel par lequel des états collectifs complexes et topologiquement non triviaux peuvent être construits. Les skyrmions magnétiques sont un excellent exemple d'une telle texture de spin topologique, qui présente un comportement collectif quasi-particulaire très différent de la physique des spins constitutifs individuels (par exemple, mouvement gyrotropique, inertie, amortissement topologique, etc.)
Cependant, alors que la « famille » des états de spin topologiques émergents en 2D (vortex, skyrmions, skyrmions cibles, etc.) est déjà bien exploré, la richesse attendue en 3D commence tout juste à devenir accessible. Dans ce projet Topo3D, nous proposons d'étudier la physique des tubes de skyrmions partiels discrétisés en 3D - la « fratrie » la plus simple de skyrmions dans les matériaux magnétiques multicouches. Ces états 3D sont caractérisés par une structure skyrmion dans certaines des couches magnétiques et une configuration topologique triviale dans d'autres et en tant que tels, ils représentent une nouveauté conceptuelle par rapport à toute texture en 2D puisque la charge topologique devient un nombre quasi-continu. Nous qualifions ces états de "discrétisés" en raison de l'empilement alterné de couches magnétiques et non magnétiques dans les matériaux magnétiques multicouches, ce qui est important car cela permet l'existence de ces états sans points de Bloch énergétiquement coûteux.

Ce projet Topo3D s’appuie sur des observations préliminaires de tels états 3D dans des multicouches empilées apériodiquement, et par notre hypothèse que ces mêmes états sont responsables du phénomène de transitions de phase topologiques ultrarapides induites par laser en servant de catalyseurs pour surmonter les barrières énergétiques topologiques autrement prohibitives dans les systèmes 2D. Notre objectif est de valider cette hypothèse et de découvrir les propriétés physiques fondamentales des skyrmions partiels 3D discrétisés et en particulier leurs rôles dans le régime de transition. Notre approche est caractérisée par l'interdisciplinarité entre les domaines de la science des matériaux (exploration de l'espace des phases de stabilité), de l'imagerie par rayons X cohérente très avancée (résolution des textures de spin 2D et 3D), de la spintronique (confirmation des propriétés quasi-particulaires des skyrmions partiels 3D grâce à leur mouvement entraîné par le couple spin-orbite) et de la science ultrarapide (suivi du gradient transitoire des propriétés magnétiques et de la propagation verticale de la commutation topologique après une exposition laser ultrarapide). La faisabilité de ce projet découle de l'expertise unique de cette collaboration franco-allemande. En explorant en profondeur les quasi-particules magnétiques topologiques 3D les plus simples, notre projet Topo3D deviendra un jalon dans notre compréhension du domaine du magnétisme 3D.