DS07 - Société de l'information et de la communication

Propriétés topologiques des skyrmions magnétiques et opportunitiés pour le dévelopement de nouveaux dispositifs spintroniques – TOPSKY

Skyrmions magnétiques : topologie et nouveaux dispositifs

Les objectifs scientifiques nous permettrons de mieux maîtriser la génération, la manipulation, l'excitation et la détection des skyrmions de très petite taille dans les systèmes magnétiques multicouches. Il s'agit d'objectifs techniques obligatoires car ils correspondent aux fonctions de base nécessaires à tout type de dispositifs basés sur skyrmion tels que les dispositifs de mémoire, de radiofréquence ou de logique, tels que ceux qui seront conçus, fabriqués et évalués dans TOPSKY.

Propriétés topologiques des skyrmions magnétiques et opportunités pour de nouveaux dispositifs spintroniques

Dans l’ANR TOPSKY, nous concentrons nos efforts sur l'identification et la caractérisation approfondie de nouveaux systèmes optimisés à partir de différents types de multicouches magnétiques, permettant l'observation et l'utilisation de skyrmions de tailles de l’ordre de 10 nm, se déplaçant à des vitesses supérieures à 100 m/s avec, si possible, des densités de courant plus faibles (<0.1 TA/m²). Au-delà des nouvelles percées scientifiques concernant la physique du skyrmion que nous espérons obtenir grâce à nos recherches, le principal objectif technique de TOPSKY est de contribuer à une révolution potentielle dans les technologies de l’information en apportant ces objets magnétiques topologiques fascinants dans une nouvelle génération de dispositifs topologiques et électroniques fonctionnant à température ambiante.

Pour atteindre les ambitieux objectifs de TOPSKY, une ingénierie intelligente et optimisée du matériau et des propriétés interfaciales sera sans aucun doute nécessaire. Il sera alors essentiel d'approfondir la compréhension des propriétés de transport et des propriétés dynamiques des skyrmions magnétiques ultra-petits. Bien qu'il s'agisse de questions clés du point de vue de la science fondamentale et des applications, elles n'ont été que peu abordées jusqu'à présent, notamment avec les skyrmions à température ambiante. Nous ambitionnons de faire le pont entre les propriétés fondamentales des skyrmions (WP1) et les applications (WP2). Par conséquent, nous avons identifié cinq lacunes dans les connaissances scientifiques qui seront largement traitées dans le programme de travail de TOPSKY :
1 - Réduction de la taille des skyrmions et contrôle de leur interaction avec les défauts.
2 - Mécanismes de nucléation et/ou d'annihilation des skyrmions.
3 - Couplage entre les électrons de conduction et les textures de spin skyrmionic.
4 - Mouvement des skyrmions induit par le transfert de rotation.
5 - Dynamique des textures skyrmionic.
Ces avancées définies comme les objectifs scientifiques du premier WP «Investigation et optimisation des propriétés du skyrmion« devraient permettre de mieux maîtriser la génération, la manipulation, l'excitation et la détection des skyrmions ultra petits dans les systèmes MML. Il s'agit d'objectifs techniques obligatoires car ils correspondent aux fonctions de base nécessaires à tout type de dispositifs basés sur skyrmion, tels que les dispositifs de mémoire, de radiofréquence ou logiques, tels que ceux qui seront conçus, fabriqués et évalués dans le deuxième WP du projet TOPSKY intitulé «Vers des applications basées sur les skyrmions«.

Voir liste des publications.

Le projet est en bonne voie, avec la stabilisation de petit skyrmions réalisée dans divers systèmes.

1. A. Hrabec et al, Phys. Rev. Lett. 120, 227204 (2018)
2. W. Akhtar et al, Phys. Rev. Appl. 11, 034066 (2019)
3. J. Miltat et al, Phys. Rev. B 97, 214426 (2018)
4. W. Legrand et al, Phys. Rev. Appl. 10, 064042 (2018)
5. D. de Souza Chaves et al, Phys. Rev. B 99, 144404 (2019)
6. L. Desplats et al, arXiv:1902.09915, à paraître dans Phys. Rev. B (2019)

Les défis auxquels sont confrontées les nanotechnologies pour le traitement et le stockage de l'information à haute densité et à haute vitesse sont bien reconnus. Des stratégies pour faire face à ces défis à court terme définissent des feuilles de route pour l'industrie électronique, cependant, il est prévu que des solutions alternatives devront être explorées et certaines d'entre elles seront finalement mises en place afin de relever ces différents défis. L'objectif du projet TOPSKY est d'étudier et de valider une de ces approches alternatives basées sur l'utilisation de skyrmions magnétiques pour transformer profondément la manière dont les données peuvent être stockées et manipulées. Le paradigme repose ici sur leur caractère topologique qui les rend adapté aux applications de type « abaque » dans le stockage ou le traitement de l'information.

Au cours des dernières années, l'étude des propriétés des skyrmions magnétiques est devenue un sujet brûlant de la physique de la matière condensée. Plusieurs raisons expliquent cette « passion » pour les skyrmions. Tout d'abord, en raison de leur texture magnétique topologiquement distincte de l’état ferromagnétique uniforme, ils devraient être immunisés contre des transitions vers d’autres configurations magnétiques, et présenter une influence réduite aux défauts (même si des études récentes suggèrent un impact significatif de l’ancrage). Un autre avantage dû à la topologie est qu'ils peuvent être stables même avec une taille inférieure à quelques nanomètres, ils sont donc considérés comme candidats ultimes pour le stockage de données dans des films magnétiques. Enfin, comme démontré en 2010 déjà, ils peuvent être déplacés avec des densités de courant extrêmement faibles grâce à aux couples de transfert de spin. Peu de temps après ces observations, principalement réalisées dans des matériaux massifs non centro-symétriques, il a été proposé de tirer parti de ces propriétés fascinantes des skyrmions magnétiques, ouvrant un monde d'opportunités pour une nouvelle génération de dispositifs spintroniques pour diverses applications des TIC. Cependant une étape cruciale manquait : la démonstration que ces skyrmions magnétiques peuvent exister à température ambiante et à champs magnétiques faibles (ou nul) dans des matériaux industriellement pertinents. Cette réalisation clé a abouti en 2015, simultanément par quelques groupes à travers le monde (dont deux font partie de TOPSKY), en montrant que des skyrmions d'environ 100 nm de diamètre peuvent être imagés à température ambiante dans des multicouches magnétiques avec une interaction chirale d’interface importante, telles que Pt/Co/Ir, Pt/Co/Ta ou Pt/Co/MgO.

Dans TOPSKY, nous allons poursuivre cette stratégie et concentrer nos efforts, comme décrit dans le programme de travail, sur l'identification et la caractérisation étendue de nouveaux systèmes optimisés à partir de différents types de multicouches magnétiques et permettant l'observation et l'utilisation de skyrmions de tailles bien plus petites et plus mobiles encore, dépassant l'état de l'art. Au-delà des nouvelles avancées scientifiques concernant la physique du skyrmion que nous espérons réaliser lors de nos recherches, le principal objectif technique de TOPSKY vise à contribuer à une révolution potentielle des TIC pour amener ces fascinants objets magnétiques dans une nouvelle génération de dispositifs électroniques topologiques à température ambiante. L'ambition est en effet de concevoir et fabriquer des dispositifs à base de skyrmions : des preuves de concept qui vont des mémoires encore hautement compatibles avec le silicium, telles que les MRAM multi-niveaux ou les mémoires « skyrmion race-track » à des technologies disruptives « beyond CMOS » telles celle basées sur des architectures neuro-inspirées. Nous croyons avoir une occasion unique de joindre les phénomènes topologiques et la démonstration de certaines fonctions de base pour de futurs nanodispositifs.

Coordinateur du projet

Monsieur Nicolas Reyren (Unité Mixte de Physique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPSud/C2N Université Paris-Sud/Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Unité Mixte de Physique
LPS Laboratoire de Physique des Solides
INEEL Institut Néel - CNRS
L2C Laboratoire Charles Coulomb
SPEC Service de physique de l'état condensé

Aide de l'ANR 735 348 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 42 Mois

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