Un traitement thermique spécial améliore le nouveau matériau magnétique – Technoguide

Les Skyrmions – de minuscules vortex magnétiques – sont considérés comme des candidats prometteurs pour les dispositifs de mémoire d’information de demain, capables d’atteindre d’énormes capacités de stockage et de traitement de données. Une équipe de recherche dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a mis au point une méthode pour cultiver un matériau à couche mince magnétique particulier qui héberge ces tourbillons magnétiques. Un aspect central de cette nouvelle méthode est le chauffage brusque du matériau avec de courts éclairs de lumière très brillants, comme l’équipe internationale, composée de scientifiques du HZDR, du Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden (TUD) , et des partenaires chinois, décrit dans la revue Advanced Functional Materials.

En 2009, une équipe de recherche avait fait une découverte remarquable: ils ont découvert que de minuscules vortex magnétiques peuvent se former dans un matériau appelé siliciure de manganèse – un alliage de manganèse et de silicium. Depuis lors, ces skyrmions, du nom du physicien britannique Tony Skyrme, sont considérés comme des candidats prometteurs pour les futurs dispositifs de stockage magnétique. Ils peuvent être facilement formés et effacés des surfaces et ne dépassent pas quelques nanomètres (milliardièmes de mètre), ce qui les rend beaucoup plus petits que les bits magnétiques des disques durs actuels qui mesurent environ 50 nanomètres.

«De plus, les skyrmions peuvent être mieux ciblés avec l’électricité qu’avec les champs magnétiques, comme c’est le cas avec les disques durs actuels», explique le Dr Shengqiang Zhou, physicien à l’Institut de recherche sur les matériaux et la physique des faisceaux ioniques du HZDR. “Le ciblage avec un courant électrique nous permet d’obtenir une meilleure évolutivité, ce qui pourrait nous permettre de construire des périphériques de stockage beaucoup plus denses et plus rapides à l’avenir.” Mais il reste encore des obstacles à surmonter en cours de route. Entre autres choses, le silicium et le manganèse présentent une propriété défavorable lorsqu’ils forment des cristaux de siliciure de manganèse: au lieu de produire systématiquement une phase spécifique et bien définie, les deux éléments peuvent former de nombreuses phases cristallines différentes. Les films minces d’un alliage Mn-Si, connu sous le nom de phase B20, sont particulièrement adaptés à la formation de skyrmions.

Phases cristallines indésirables

La production de cet alliage est tout sauf facile, car une autre phase cristalline indésirable, appelée MnSi1.7, se forme inévitablement pendant le processus de production, empêchant ou empêchant la formation de skyrmions. Plus précisément, des températures plus basses et un refroidissement plus lent du matériau favorisent MnSi1.7. L’équipe de Shengqiang Zhou a maintenant développé une méthode qui empêche sa formation, ne laissant que de fines couches de B20-MnSi sans défaut.

L’élément central du nouveau procédé est un traitement thermique spécial. «C’est un peu comme faire une crêpe», explique Zhou. “Il a meilleur goût quand il est croustillant à l’extérieur et aussi doux que possible à l’intérieur.” Lorsque vous versez la pâte dans une poêle chaude, elle cuit si vite que l’intérieur reste agréable et moelleux. Cependant, lorsque vous faites cuire la pâte au four, elle chauffe beaucoup plus uniformément et durcit partout – et vous obtenez une crêpe plutôt médiocre.

Chauffage avec flashs

Les experts ont donc utilisé cette stratégie de crêpes de chauffage rapide et intense comme modèle. «Lorsque nous chauffons très brièvement un mince film de manganèse placé sur une tranche de silicium, nous introduisons très peu d’énergie dans le matériau», explique Zhou. “Cela signifie qu’il va se refroidir rapidement – si vite, en fait, que le MnSi1.7 indésirable n’aura pas le temps de se former.” Le défi est de savoir comment chauffer quelque chose rapidement et vigoureusement en même temps. Le groupe de recherche a trouvé la solution dans des flashs lumineux et intenses de lumière blanche.

Ces flashs peuvent être générés au «BlitzLab», un laboratoire d’innovation Helmholtz situé sur le campus de Rossendorf. Différentes séries de mesures ont confirmé l’hypothèse: “En faisant varier la puissance des flashs, nous avons pu ajuster le rapport des différentes phases cristallines avec une grande précision”, rapporte Shengqiang Zhou. “Lorsque nous avons appliqué des puissances relativement fortes, des films minces de B20-MnSi pur se sont formés comme nous l’avions espéré.”

En conséquence, les skyrmions qui peuvent être générés dans ces couches sont désormais stables sur une plage de température et de champ magnétique beaucoup plus large que celle observée précédemment dans ce matériau. Il est peu probable que le siliciure de manganèse lui-même convienne à une utilisation pratique car il ne fonctionne qu’à des températures très basses. Mais cela pourrait servir de modèle important pour d’autres matériaux plus pratiques. “De nombreux alliages posent le problème qu’ils ont des phases différentes”, explique Zhou. “Et notre approche pourrait aider à séparer ces phases à l’avenir.”

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