Skyrmion

Cet article est une ébauche concernant la physique des particules et la physique des matériaux.

Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants.

Consultez la liste des tâches à accomplir en page de discussion.

Le skyrmion est une particule théorisée en 1962 par le physicien britannique Tony Skyrme et dont la découverte a été annoncée en 2009 par des physiciens de l'Université technique de Munich^[1].

Représentation du champ vectoriel de deux skyrmions magnétiques bidimensionnels :
a) un skyrmion « en hérisson »
b) un skyrmion « en spirale ».

Son antiparticule est l'antiskyrmion.

Description

Un skyrmion est une superposition quantique de baryons et d'états de résonance^[2].

Récemment, on appelle aussi skyrmion magnétique une structure de spin similaire à un vortex ou tourbillon de spin.

C'est sous la forme du vortex de spin que les physiciens allemands ont fait leur découverte^[1].

Un skyrmion peut être approché par un soliton de l'équation Sine-Gordon ; après quantification par la méthode de l'ansatz de Bethe^[3], il devient un fermion interagissant selon le modèle de Thirring.

Localisation

Des skyrmions ont été détectés dans des condensats de Bose-Einstein^[4], des supraconducteurs^[5], des couches minces aux propriétés magnétiques^[6] et des cristaux liquides chiraux nématiques^[7]. L'étude des skyrmions a connu un regain d'intérêt au début du XXI^e siècle, compte tenu de potentielles applications en microélectronique^[8].

Applications envisagées

Comparés aux configurations en domaines magnétiques pour le stockage usuel d'information, les skyrmions magnétiques peuvent être formés et déplacés avec un faible coût énergétique, et sont plus stables face aux perturbations extérieures telles que des fluctuations de température ou de champ magnétique.

La charge topologique locale, représentant la présence ou l'absence de skyrmions, peut permettre de représenter des bits à l'état « 1 » et « 0 ». Des physiciens de l'université de Hambourg, après avoir découvert les skyrmions, ont ainsi réussi à les lire et les écrire^[9]. La petite taille des skyrmions peut permettre un stockage de données à très forte densité^[10] : un disque dur d'ordinateur de 3,5 pouces en technologie standard pourrait avoir la taille d'une pièce d'un centime s'il stockait l'information avec des skyrmions adjacents.

En 2015, des chercheurs de l'UCLA et de laboratoire national d'Argonne du Département de l'Énergie estiment disposer d'une nouvelle méthode leur permettant de créer à température ambiante, à des coûts raisonnables et avec un équipement classique de laboratoire et des matériaux communs des « bulles de skyrmions magnétiques ». Ces îlots magnétiques peuvent être formés dans certaines matières et on peut les déplacer et les organiser en utilisant des courants électriques, ce qui pourrait permettre de les utiliser pour former les 1 et 0 d'une mémoire d'ordinateur^[11].

Une technologie exploitant les skyrmions et les anti-skyrmions pourrait bientôt contribuer à stabiliser les systèmes spintroniques et à accroître la miniaturisation et le pouvoir de traitement des ordinateurs, au-delà même des limites de la loi de Moore^[12]^,^[13].

Fin 2020, une équipe de chercheurs du laboratoire suisse de l'Empa a réussi pour la première fois à réaliser un système multicouche complexe dans lequel deux skyrmions différents — les futurs bits pour « 0 » et « 1 » — peuvent exister à température ambiante^[14].

Notes et références

↑ ^{a et b} Skyrmion Lattice in a chiral Magnet, 12 février 2009.
↑ (en) Stephen Wong, « What exactly is a Skyrmion? », 2002..
↑ [1]
↑ Usama Al Khawaja et Henk Stoof, « Skyrmions in a ferromagnetic Bose–Einstein condensate », Nature, vol. 411, n^o 6840,‎ 2001, p. 918–20 (PMID 11418849, DOI 10.1038/35082010, Bibcode 2001Natur.411..918A)
↑ (en) G. Baskaran, « Possibility of Skyrmion Superconductivity in Doped Antiferromagnet K$_2$Fe$_4$Se$_5$ », 2011..
↑ N. S. Kiselev, A. N. Bogdanov, R. Schäfer et U. K. Rößler, « Chiral skyrmions in thin magnetic films: New objects for magnetic storage technologies? », Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, n^o 39,‎ 2011, p. 392001 (DOI 10.1088/0022-3727/44/39/392001, Bibcode 2011JPhD...44M2001K, arXiv 1102.2726).
↑ J.-I. Fukuda et S. Zumer, « Quasi-two-dimensional Skyrmion lattices in a chiral nematic liquid crystal », Nature Communications, vol. 2,‎ 2011, p. 246 (PMID 21427717, DOI 10.1038/ncomms1250, Bibcode 2011NatCo...2E.246F).
↑ (en) Saving data in vortex structures: New physical phenomenon could drastically reduce computer energy consumption, phys.org.
↑ N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. Von Bergmann, A. Kubetzka et R. Wiesendanger, « Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions », Science, vol. 341, n^o 6146,‎ 8 août 2013, p. 636–9 (PMID 23929977, DOI 10.1126/science.1240573, lire en ligne).
↑ (en) Magnetic vortices could form the basis for future high-density, low-power magnetic data storage, phys.org.
↑ Modèle:Rn Louise Lerner, Scientists announce first room-temperature magnetic skyrmion bubbles, phys.org, 2015 (consulté le 13 juin 2015).
↑ (en) J. M. Jallon, Y. Risler et M. Iwatsubo, « Magnetic antiparticle expands strange field of swirling science », Nature, vol. 548, n^o 7668,‎ août 2017, p. 371–371 (ISSN 1476-4687, PMID 1038, DOI 10.1038/548371b)
↑ (en) Ajaya K. Nayak, Vivek Kumar, Tianping Ma et Peter Werner, « Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials », Nature, vol. 548, n^o 7669,‎ août 2017, p. 561–566 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/nature23466).
↑ « Empa - Communication - Skyrmions », sur Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche (consulté le 21 décembre 2020).

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

Skyrmion, sur Wikimedia Commons

Bibliographie

(en) Aitchison, I. J. R., & Fraser, C. M. (1984). Fermion loop contribution to skyrmion stability. Physics Letters B, 146(1), 63-66 (résumé)
(en) Braaten, E., & Carson, L. (1988). Deuteron as a toroidal Skyrmion. Physical Review D, 38(11), 3525 (résumé)
(en) Castillejo, L., Jones, P. S. J., Jackson, A. D., Verbaarschot, J. J. M., & Jackson, A. (1989). Dense skyrmion systems. Nuclear Physics A, 501(4), 801-812 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0375947489901619 résumé])
(en) Jackson, A., Jackson, A. D., Goldhaber, A. S., Brown, G. E., & Castillejo, L. C. (1985). A modified skyrmion. Physics Letters B, 154(2), 101-106 (résumé)
(en) Gooding, R. J. (1991). Skyrmion ground states in the presence of localizing potentials in weakly doped CuO 2 planes. Physical review letters, 66(17), 2266 (résumé)
(en) Iwasaki, J., Mochizuki, M., & Nagaosa, N. (2013). Universal current-velocity relation of skyrmion motion in chiral magnets. Nature communications, 4, 1463
(en) Jackson, A., Jackson, A. D., & Pasquier, V. (1985). The skyrmion-skyrmion interaction. Nuclear Physics A, 432(3), 567-609 (résumé)
(en) Kugler, M., & Shtrikman, S. (1988). A new skyrmion crystal. Physics Letters B, 208(3), 491-494 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0370269388906533 résumé])
(en) Lee, H. J., Park, B. Y., Min, D. P., Rho, M., & Vento, V. (2003). A unified approach to high density: pion fluctuations in skyrmion matter. Nuclear Physics A, 723(3), 427-446
(en) Lee, D. H., & Kane, C. L. (1990). Boson-vortex-Skyrmion duality, spin-singlet fractional quantum Hall effect, and spin-1/2 anyon superconductivity. Physical review letters, 64(12), 1313 (résumé)
(en) Luckock, H., & Moss, I. (1986). Black holes have skyrmion hair. Physics Letters B, 176(3), 341-345 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0370269386901759 résumé])
(en) Mühlbauer, S., Binz, B., Jonietz, F., Pfleiderer, C., Rosch, A., Neubauer, A., ... & Böni, P. (2009). Skyrmion lattice in a chiral magnet. Science, 323(5916), 915-919
(en) Münzer, W., Neubauer, A., Adams, T., Mühlbauer, S., Franz, C., Jonietz, F., ... & Pfleiderer, C. (2010). Skyrmion lattice in the doped semiconductor Fe 1− x Co x Si. Physical Review B, 81(4), 041203 (résumé)
(en) Rößler, U. K., Bogdanov, A. N., & Pfleiderer, C. (2006). Spontaneous skyrmion ground states in magnetic metals. Nature, 442(7104), 797-801
(en) Tretiakov, O. A., & Tchernyshyov, O. (2007). Vortices in thin ferromagnetic films and the skyrmion number. Physical Review B, 75(1), 012408
(en) Yang, K., Sarma, S. D., & MacDonald, A. H. (2006). Collective modes and skyrmion excitations in graphene S U (4) quantum Hall ferromagnets. Physical Review B, 74(7), 075423
(en) Yu, X. Z., Onose, Y., Kanazawa, N., Park, J. H., Han, J. H., Matsui, Y., ... & Tokura, Y. (2010)Real-space observation of a two-dimensional skyrmion crystal. Nature, 465(7300), 901-904
(en) Yu, X. Z., Kanazawa, N., Onose, Y., Kimoto, K., Zhang, W. Z., Ishiwata, S., ... & Tokura, Y. (2011). Near room-temperature formation of a skyrmion crystal in thin-films of the helimagnet FeGe. Nature materials, 10(2), 106-109
Yu, X. Z., Kanazawa, N., Zhang, W. Z., Nagai, T., Hara, T., Kimoto, K., ... & Tokura, Y. (2012). Skyrmion flow near room temperature in an ultralow current density. Nature communications, 3, 988
(en) Zang, J., Mostovoy, M., Han, J. H., & Nagaosa, N. (2011). Dynamics of skyrmion crystals in metallic thin films. Physical review letters, 107(13), 136804
(en) Börge Göbel, Ingrid Mertig et Oleg A. Tretiakov, « Beyond skyrmions: Review and perspectives of alternative magnetic quasiparticles », Physics Reports, vol. 895,‎ 12 février 2021, p. 1-28 (DOI 10.1016/j.physrep.2020.10.001)

Articles connexes

Liens externes

Portail de la physique

[TUM-1] {a et b} Skyrmion Lattice in a chiral Magnet, 12 février 2009.

[2] (en) Stephen Wong, « What exactly is a Skyrmion? », 2002..

[3] [1]

[4] Usama Al Khawaja et Henk Stoof, « Skyrmions in a ferromagnetic Bose–Einstein condensate », Nature, vol. 411, n^o 6840,‎ 2001, p. 918–20 (PMID 11418849, DOI 10.1038/35082010, Bibcode 2001Natur.411..918A)

[5] (en) G. Baskaran, « Possibility of Skyrmion Superconductivity in Doped Antiferromagnet K$_2$Fe$_4$Se$_5$ », 2011..

[6] N. S. Kiselev, A. N. Bogdanov, R. Schäfer et U. K. Rößler, « Chiral skyrmions in thin magnetic films: New objects for magnetic storage technologies? », Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, n^o 39,‎ 2011, p. 392001 (DOI 10.1088/0022-3727/44/39/392001, Bibcode 2011JPhD...44M2001K, arXiv 1102.2726).

[7] J.-I. Fukuda et S. Zumer, « Quasi-two-dimensional Skyrmion lattices in a chiral nematic liquid crystal », Nature Communications, vol. 2,‎ 2011, p. 246 (PMID 21427717, DOI 10.1038/ncomms1250, Bibcode 2011NatCo...2E.246F).

[8] (en) Saving data in vortex structures: New physical phenomenon could drastically reduce computer energy consumption, phys.org.

[9] N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. Von Bergmann, A. Kubetzka et R. Wiesendanger, « Writing and Deleting Single Magnetic Skyrmions », Science, vol. 341, n^o 6146,‎ 8 août 2013, p. 636–9 (PMID 23929977, DOI 10.1126/science.1240573, lire en ligne).

[10] (en) Magnetic vortices could form the basis for future high-density, low-power magnetic data storage, phys.org.

[11] Modèle:Rn Louise Lerner, Scientists announce first room-temperature magnetic skyrmion bubbles, phys.org, 2015 (consulté le 13 juin 2015).

[12] (en) J. M. Jallon, Y. Risler et M. Iwatsubo, « Magnetic antiparticle expands strange field of swirling science », Nature, vol. 548, n^o 7668,‎ août 2017, p. 371–371 (ISSN 1476-4687, PMID 1038, DOI 10.1038/548371b)

[13] (en) Ajaya K. Nayak, Vivek Kumar, Tianping Ma et Peter Werner, « Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials », Nature, vol. 548, n^o 7669,‎ août 2017, p. 561–566 (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/nature23466).

[14] « Empa - Communication - Skyrmions », sur Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche (consulté le 21 décembre 2020).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]