Développement d’un concept pour un nouveau support de stockage

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Dans un monocristal antiferromagnétique, des régions d’orientation différe

Dans un monocristal antiferromagnétique, des régions d’orientation différente de l’ordre antiferromagnétique ont été créées (régions bleues et rouges), qui sont séparées par une paroi de domaine. Leur trajectoire peut être contrôlée en structurant la surface. C’est la base d’un nouveau concept de support de stockage (Image: Département de physique, Université de Bâle).

Des physiciens de Suisse, d’Allemagne et d’Ukraine ont élaboré une proposition de nouveau support de stockage. Cette approche est basée sur les propriétés particulières des matériaux antiferromagnétiques, que les chercheurs ont étudiées expérimentalement pour la première fois.

Une équipe de recherche internationale a réussi pour la première fois à étudier certaines propriétés physiques d’un antiferro-aimant en utilisant des capteurs quantiques à l’échelle du nanomètre. Sur la base de leurs résultats, ils présentent un concept pour un nouveau support de stockage dans la revue "Nature Physics". Les travaux ont été dirigés par des scientifiques du Département de physique et de l’Institut suisse des nanosciences de l’Université de Bâle.

Les antiferromagnétiques représentent 90 % de tous les matériaux commandés magnétiquement. Contrairement aux ferromagnétiques comme le fer, où le moment magnétique des atomes est aligné en parallèle, dans les antiferromagnétiques, l’orientation du moment magnétique alterne entre les atomes voisins. Par conséquent, les matériaux antiferromagnétiques ne produisent pas de champ magnétique externe et semblent être non magnétiques car l’orientation alternée des moments annule le moment magnétique.

Les antiferro-aimants promettent des applications passionnantes dans le traitement de l’information car, contrairement aux ferro-aimants des supports de stockage classiques, l’orientation de leur moment magnétique ne peut pas être accidentellement écrasée par les champs magnétiques. C’est pourquoi un nouveau domaine de recherche, la spintronique antiferromagnétique, a vu le jour ces dernières années, dans lequel de nombreux groupes de recherche sont actifs dans le monde entier.

Les capteurs quantiques apportent de nouvelles connaissances

En collaboration avec les groupes de recherche de Denys Makarov (Centre Helmholtz de Dresde, Allemagne) et Denis D. Sheka (Université nationale Taras Shevchenko de Kiev, Ukraine), l’équipe de Patrick Maletinsky de Bâle a étudié un monocristal d’oxyde de chrome(III) (Cr2O3). Le monocristal est un système presque parfaitement ordonné, avec très peu de défauts, où les atomes sont disposés dans un réseau cristallin régulier. Nous pouvons modifier le monocristal pour créer deux régions (domaines) qui diffèrent dans l’orientation de l’ordre antiferromagnétique", explique Natascha Hedrich, premier auteur de l’étude.

Ces deux domaines sont séparés par un mur de domaines. Jusqu’à présent, de telles parois de domaines dans les antiferromagnétiques ne pouvaient être étudiées que de manière expérimentale dans des cas individuels et non en détail. Comme nos capteurs quantiques sont très sensibles et ont une excellente résolution, nous avons maintenant pu montrer expérimentalement que la paroi du domaine se comporte de manière similaire à une bulle de savon", explique M. Maletinsky. Comme une bulle de savon, la paroi du domaine est élastique et s’efforce de minimiser son énergie de stress. Son parcours fournit donc des informations sur les propriétés des matériaux antiferromagnétiques et peut être prédit avec précision, comme l’ont également montré les simulations des chercheurs de Dresde.

L’architecture de surface influence le parcours

Les chercheurs ont utilisé cette propriété pour manipuler le cours de la paroi du domaine et ainsi développer une proposition de nouveau support de stockage. Pour ce faire, l’équipe de Maletinsky structure sélectivement la surface du monocristal à l’échelle nanométrique de manière à ce qu’il reste de minuscules élévations carrées. Ceux-ci modifient ensuite le cours de la paroi du domaine dans le cristal de manière contrôlée.

En arrangeant ces bosses, les chercheurs peuvent orienter le mur du domaine de manière à ce qu’il coure d’un côté ou de l’autre d’une bosse. Et c’est sur cette base que le concept du nouveau support de stockage a été élaboré : si le mur du domaine se trouve "à droite" d’une élévation, cela pourrait signifier 1, tandis que s’il se trouve "à gauche", cela pourrait signifier 0.

Cependant, en le chauffant localement avec un laser, le cours de la paroi du domaine peut toujours être décalé, ce qui constitue la base d’un support de stockage réutilisable.

Nous allons maintenant étudier si les murs du domaine peuvent également être déplacés par des champs électriques", explique Maletinsky. Si cela réussit, nous disposerons d’un support de stockage sous la forme d’un antiferromagnétique qui est plus rapide que les systèmes ferromagnétiques classiques et qui consomme également beaucoup moins d’énergie.

Publication originale

Natascha Hedrich, Kai Wagner, Oleksandr V. Pylypovskyi, Brendan J. Shields, Tobias Kosub, Denis D. Sheka, Denys Makarov, and Patrick Maletinsky
Nanoscale mechanics of antiferromagnetic domain walls
Nature Physics (2021), doi: 10.1038/s41567-020-01157-0