Magnétisme, vortex et écho de spin neutronique : une combinaison gagnante

Au-delà de paramètres tels que la charge ou la masse, le spin – un moment angulaire intrinsèque – caractérise les particules subatomiques, les atomes et les noyaux. Lorsque plusieurs spins s'organisent, ils peuvent former des vortex atomiques appelés skyrmions.

Bien qu'étant un phénomène fascinant pour la recherche académique fondamentale, les skyrmions deviennent des candidats de plus en plus attractifs pour les dispositifs spintroniques. Ces derniers exploitent le spin des électrons pour stocker des quantités d'informations considérablement plus importantes, et ce, de manière bien plus efficace que les technologies de stockage actuelles.

Les prédictions théoriques suggèrent que des ondes de différentes énergies peuvent se propager dans les cristaux de skyrmions en fonction de l'application d'un champ magnétique parallèle ou antiparallèle. Une équipe de recherche internationale, s'intéressant au MnSi (manganèse-silicium), un candidat spintronique magnétique très prometteur, a étudié la dynamique de ses skyrmions en utilisant des techniques neutroniques, notamment l'écho de spin.

« La dynamique de ces skyrmions magnétiques se situe dans une gamme d'énergie très basse, de seulement quelques µeV. Par conséquent, la seule technique qui pouvait nous aider à mener des expériences pour confirmer cette hypothèse était l'écho de spin neutronique », explique Hazuki Furukawa, chercheuse principale du projet. L'équipe a récemment publié ses résultats dans la prestigieuse revue Nature Physics.

En effet, l'écho de spin neutronique (NSE) exploite le spin intrinsèque des neutrons. En résumé, lors d'une expérience NSE, des neutrons polarisés – qui précessionnent dans un champ magnétique selon leur propre spin – sont guidés vers l'échantillon à travers ce champ. Après avoir été diffusés par l'échantillon, les neutrons sont guidés à travers un second champ magnétique et précessionnent dans la direction opposée au premier. Si les neutrons détectent un léger mouvement moléculaire – comme celui des skyrmions – au sein de l'échantillon, leur polarisation changera légèrement après avoir traversé l'échantillon. L' instrument IN15 de l'ILL, le spectromètre NSE avec  la plus haute résolution au monde, est idéalement adapté aux expériences réalisées par Hazuki Furukawa et son équipe.

Les expériences NSE ont confirmé qu'une dynamique asymétrique était bien présente dans la phase de skyrmion du MnSi, ce qui implique qu'il s'agit d'un candidat exceptionnellement prometteur pour les dispositifs spintroniques et les technologies durables. Le rôle clé de la NSE souligne en outre l'importance des techniques neutroniques dans le développement de la prochaine génération de technologies durables.