Une équipe de recherche de la Florida State University a récemment synthétisé un tout nouveau matériau cristallin. Ses spins atomiques internes ne sont plus soigneusement disposés comme des aimants traditionnels, mais forment une « texture de spin » semblable à un vortex qui se répète régulièrement. Il présente un comportement magnétique complètement différent des matériaux magnétiques conventionnels. On considère qu’il servira au stockage de données à haute densité, aux appareils électroniques à faible consommation d’énergie et aux futures technologies de l’information quantique.
Les chercheurs ont utilisé une ingénieuse stratégie de « compétition de structure » : mélanger deux composés ayant des compositions chimiques similaires mais des symétries cristallines différentes - l'un composé de manganèse, de cobalt et de germanium, et l'autre composé de manganèse, de cobalt et d'arsenic, qui sont voisins dans le tableau périodique. Les deux structures cristallines ne peuvent pas rester complètement stables en même temps à la jonction des composants, ce qui entraîne ce que l'on appelle une « frustration structurelle ». Cette instabilité se « traduit » en « frustration » magnétique au niveau microscopique, forçant les spins atomiques à se déformer et finalement à s'organiser spontanément en modèles de vortex périodiques à l'intérieur du cristal.
Dans les aimants conventionnels, un grand nombre de spins atomiques pointent clairement dans la même direction, comme de petites flèches, ou selon un simple arrangement anti-parallèle, créant le magnétisme macroscopique familier utilisé dans des appareils tels que les disques durs d'ordinateurs et les smartphones. Dans les nouveaux matériaux découverts par l'équipe de recherche scientifique dans le cadre de ces travaux, les spins ne s'alignent plus simplement, mais forment des structures plus complexes en forme d'anneaux et de vagues, appelées « textures de spin », comprenant des configurations en spirale ou cycloïdales similaires aux « skyrmions ». Ce type de structure de spin topologique constitue un point chaud de recherche de pointe dans les domaines de la physique de la matière condensée et de la chimie des matériaux.
Afin de déterminer cette structure magnétique semblable à un skyrmion, l'équipe a utilisé l'installation utilisateur "Splash Neutron Source" du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département américain de l'énergie pour effectuer des mesures précises sur l'échantillon sur le diffractomètre à neutrons monocristallin TOPAZ, et l'a combiné avec des outils de traitement de données et d'apprentissage automatique récemment développés pour analyser la structure magnétique complexe avec une grande confiance. Les chercheurs ont souligné que cette capacité leur permet non seulement de « découvrir » d’étranges textures de spin, mais également de progresser vers « la conception et l’optimisation » de ces structures magnétiques à la demande, ouvrant ainsi une nouvelle voie à la conception de matériaux dans le domaine de l’information et de la technologie quantique.
Du point de vue des perspectives d’application, ce type de matériau porteur d’une texture de spin de type skyrmion est considéré comme prometteur pour développer des disques durs ou des supports de stockage avec une densité d’informations plus élevée et pour améliorer l’efficacité de la transmission électronique. Étant donné que l’énergie requise pour contrôler les skyrmions via des champs magnétiques est extrêmement faible, leur introduction dans des dispositifs électroniques ou spintroniques devrait réduire considérablement la consommation d’énergie. En particulier dans les grands systèmes de calcul intensif dotés de milliers, voire de dizaines de milliers de processeurs, les économies en termes de coûts d'alimentation et de refroidissement peuvent être extrêmement considérables.
En outre, les chercheurs pensent que cette idée de conception basée sur la « frustration structurelle » pourrait également fournir des indices pour trouver des matériaux pouvant être utilisés pour construire des qubits « tolérants aux pannes ». L'informatique quantique dite tolérante aux pannes fait référence à l'utilisation d'une conception matérielle et structurelle pour permettre aux informations quantiques d'être stockées et exploitées de manière stable dans des environnements réels avec du bruit et des erreurs. Il est considéré comme le « Saint Graal » du traitement de l’information quantique, et les matériaux complexes à texture de spin sont considérés comme une voie potentielle pour réaliser une telle solution.
Différente de la voie précédente qui reposait davantage sur la « chasse aux matériaux », cette recherche met l'accent sur une sorte de « pensée chimique » : non plus simplement « rechercher » des candidats présentant une symétrie spécifique dans la bibliothèque de matériaux connue, mais partir de la relation intrinsèque entre structure et spin, en concevant activement la combinaison d'ingrédients et la structure cristalline pour induire la texture magnétique attendue. L'équipe de recherche a déclaré qu'elle espérait construire une capacité prédictive : en définissant à l'avance la combinaison d'éléments et de structures, elle pourrait déduire d'éventuels nouveaux matériaux et leurs caractéristiques magnétiques sur papier, plutôt que de s'appuyer uniquement sur des essais et des erreurs expérimentaux.
Un avantage supplémentaire important de cette méthode est qu’elle devrait élargir considérablement la sélection de matières premières pouvant être utilisées pour produire des textures de spin de type skyrmion, trouvant ainsi un système de matériaux avec des coûts inférieurs, une croissance cristalline plus facile et une chaîne d’approvisionnement plus robuste, plus propice aux futures applications technologiques à grande échelle. Les résultats correspondants ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society sous le titre "L'émergence de textures de spin de type skyrmion dans les matériaux provenant d'une frustration structurelle". Les installations de recherche utilisées comprennent la plate-forme expérimentale de la Florida State University et l'installation de diffusion de neutrons du Oak Ridge National Laboratory, et ont été financées par la National Science Foundation.
Compilé à partir de /ScitechDaily