Etude de Skyrmion - Applications AFM du centre Quantum Diamond NV

Pouvez-vous imaginer un disque dur d’ordinateur portable de la taille d’un grain de riz ? Skyrmion, une mystérieuse structure de quasiparticules dans le champ magnétique, pourrait faire de cette idée apparemment impensable une réalité, avec plus d'espace de stockage et des taux de transfert de données plus rapides pour ce « grain de riz ». Alors, comment observer cette étrange structure de particules ? Le CIQTEK Quantum Diamond Atomic Le microscope à force (QDAFM), basé sur le centre de vacance d'azote (NV) en imagerie à balayage diamant et AFM, peut vous donner la réponse.

 

 

Qu'est-ce que Skyrmion

 

Avec le développement rapide des circuits intégrés à grande échelle, le processus de puce à l'échelle nanométrique, l'effet quantique est progressivement mis en évidence et la « loi de Moore » a rencontré des limites physiques. Dans le même temps, avec une telle densité de composants électroniques intégrés sur la puce, le problème de la dissipation thermique est devenu un défi de taille. Les gens ont un besoin urgent d'une nouvelle technologie pour surmonter les goulots d'étranglement et promouvoir le développement durable des circuits intégrés.

 

Les dispositifs spintroniques peuvent atteindre une plus grande efficacité dans le stockage, le transfert et le traitement des informations en exploitant les propriétés de spin des électrons, ce qui constitue un moyen important de résoudre le dilemme ci-dessus. Ces dernières années, les propriétés topologiques des structures magnétiques et leurs applications associées devraient devenir les supports d'informations des dispositifs spintroniques de nouvelle génération, qui constituent l'un des points chauds de la recherche actuelle dans ce domaine.

 

Le skyrmion (ci-après appelé skyrmion magnétique) est une structure de spin topologiquement protégée avec des propriétés de quasi-particules, et en tant que type particulier de paroi de domaine magnétique, sa structure est une distribution de magnétisation avec des vortex. Semblable au mur du domaine magnétique, il existe également un retournement de moment magnétique dans le skyrmion, mais contrairement au mur de domaine, le skyrmion est une structure vortex, et son retournement de moment magnétique se fait du centre vers l'extérieur, et les plus courants sont de type Bloch. skyrmions et skyrmions de type Neel.

 

Figure 1 :  Diagramme schématique de la structure du skyrmion. (a) Skyrmions de type Neel (b) Skyrmions de type Bloch

 

Le skyrmion est un support d'informations naturel doté de propriétés supérieures telles qu'une manipulation facile, une stabilité facile, une petite taille et une vitesse de conduite rapide. Par conséquent, les appareils électroniques basés sur les skyrmions devraient répondre aux exigences de performances des futurs appareils en termes de capacité non volatile, élevée, de vitesse élevée et de faible consommation d'énergie.

 

Quelles sont les applications des Skyrmions

 

Mémoire de l'hippodrome de Skyrmion

La mémoire Racetrack utilise des nanofils magnétiques comme pistes et des parois de domaine magnétique comme supports, le courant électrique entraînant le mouvement des parois de domaine magnétique. En 2013, les chercheurs ont proposé la mémoire de piste Skyrmion, qui constitue une alternative plus prometteuse. Comparé à la densité de courant d'entraînement d'un mur de domaine magnétique, le skyrmion est 5 à 6 ordres de grandeur plus petit, ce qui peut entraîner une consommation d'énergie et une génération de chaleur inférieures. En comprimant les skyrmions, la distance entre les skyrmions adjacents et le diamètre du skyrmion peut être du même ordre de grandeur, ce qui peut conduire à une densité de stockage plus élevée.

 

Figure 2 : Mémoire de piste basée sur Skyrmion

 

Transistor Skyrmion

Les skyrmions peuvent également être utilisés dans la direction des transistors, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles idées pour le développement de semi-conducteurs. Comme le montre la figure 3, un skyrmion est généré à une extrémité du dispositif à l'aide d'une MTJ (jonction tunnel magnétique), suivi d'un courant de polarisation de spin pour conduire le skyrmion vers l'autre extrémité. Pour atteindre l'état de commutation du transistor, une grille est installée au milieu de l'appareil. En appliquant une tension à la grille, un champ électrique est généré, ce qui peut modifier l'anisotropie magnétique perpendiculaire du matériau et ainsi contrôler l'activation/désactivation du skyrmion. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée, le skyrmion peut traverser la porte jusqu'à l'autre extrémité de l'appareil, et cet état est défini comme l'état activé ; lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, le skyrmion ne traverse pas la porte et cet état est défini comme l'état éteint.

 

Figure 3 : Transistor Skyrmion

 

Informatique non conventionnelle basée sur Skyrmion

Par rapport aux unités informatiques conventionnelles, les unités informatiques neuromorphiques présentent les avantages d'une faible consommation d'énergie et d'un calcul à grande échelle en termes de réseaux neuronaux. Pour fabriquer des unités de calcul neuromorphiques, il faut répondre aux exigences de taille nanométrique, de non-volatilité et de faible consommation d'énergie. Skyrmion apporte de nouvelles possibilités pour de tels appareils. Skyrmion a une mobilité contrôlée, ce qui peut bien simuler les nerfs biologiques, et en même temps, skyrmion peut se débarrasser plus efficacement de l'effet d'ancrage des impuretés, ce qui les rend plus robustes.

 

Figure 4 :  (a) Dispositif informatique neuronal basé sur Skyrmion (b) Dispositif informatique stochastique basé sur Skyrmion

 

Les Skyrmions peuvent également être utilisés dans des appareils informatiques aléatoires. Alors que les techniques informatiques traditionnelles codent les valeurs au format binaire conventionnel, l’informatique aléatoire peut traiter en continu un flux aléatoire de bits. Les circuits semi-conducteurs conventionnels utilisent une combinaison de générateurs de nombres pseudo-aléatoires et de registres à décalage pour générer des signaux, ce qui présente l'inconvénient d'un coût matériel élevé et d'une faible efficacité énergétique. Les chercheurs ont récemment découvert une génération de skyrmions induite thermiquement, à la fois théoriquement et expérimentalement, qui constitue la base des dispositifs informatiques aléatoires basés sur les skyrmions.

 

Microscope à force atomique à diamant quantique CIQTEK dans l'application de la recherche Skyrmion

 

L'étude des skyrmions ne peut être réalisée sans techniques d'observation adaptées, et les techniques suivantes sont couramment utilisées pour observer les skyrmions dans l'espace réel :

la microscopie électronique à transmission de Lorentz (LTEM), dont le principe est d'utiliser un faisceau d'électrons pour pénétrer dans l'échantillon et enregistrer la force de Lorentz sur les électrons ; la microscopie à force magnétique (MFM), qui utilise une pointe magnétique pour enregistrer les forces du champ magnétique sur la surface de l'échantillon à l'aide de techniques de microscopie à force atomique ; La microscopie à rayons X dont le principe est que le taux d'absorption des rayons X peut refléter le champ magnétique de l'échantillon ; et la microscopie magnéto-optique Kerr (Moke), qui utilise l'effet Kerr magnéto-optique pour mesurer la distribution de magnétisation. Chacun de ces outils d'observation a ses limites, telles que les exigences exigeantes en matière de taille d'échantillon du LTEM, la faible résolution spatiale de Moke et les propriétés magnétiques de la pointe MFM qui peuvent affecter l'imagerie des skyrmions.

 

Ces dernières années, l'existence d'une structure de défauts particulière dans les diamants, le centre Nitrogen-Vacancy (NV), a attiré l'attention des chercheurs. L'intensité de la composante du champ magnétique dans l'axe NV peut être obtenue en manipulant et en lisant l'état quantique du spin électronique du centre NV par micro-ondes et laser.

 

La microscopie à sonde à balayage central NV (SPM) est l'intégration du centre NV en diamant dans la pointe de la sonde AFM, combinée à la technique de balayage AFM pour obtenir des résultats de domaine magnétique sur la surface de l'échantillon, avec les avantages d'une très haute sensibilité (1 uT/ Hz1/2), résolution spatiale (10 nm) et caractère non invasif. Le NV SPM est utilisé pour étudier diverses structures magnétiques d'intérêt, telles que le balayage des champs hétérodynes de vortex magnétique, permettant la détermination de la polarité et de la chiralité des noyaux de vortex magnétiques ; mesurer la conformation des parois de domaines magnétiques et observer la dynamique des parois de domaines sous modulation.

 

Les chercheurs visent à étudier de nouveaux matériaux et à préparer du skyrmion stable à température ambiante avec des champs nuls, de petite taille et facile à manipuler. Le centre Diamond NV SPM est bien adapté à l’imagerie magnétique quantitative haute résolution des skyrmions à température ambiante. 

 

Actuellement, NV SPM a réussi à étudier la structure de magnétisation des  skyrmions  et les processus physiques associés. Par exemple:

1) Reconstruire la structure de magnétisation basée sur la distribution du champ parasite du skyrmion.

Figure 5 : Microscopie à sonde à balayage NV pour résoudre la structure de magnétisation du skyrmion 

(Barre d'échelle : 500 nm)

2) Etude de la morphologie structurale des skyrmions. Par exemple, le groupe de Jacques a étudié la morphologie du skyrmion dans des multicouches ferromagnétiques Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

Figure 6 :  Microscope à sonde à balayage NV pour l'étude de la morphologie du skyrmion

 

3) Observation de l'évolution cinétique intrinsèque du skyrmion. Par exemple, le groupe Ania a étudié le développement du skyrmion dans le système Ta/CoFeB/MgO sous la variation du champ magnétique externe.

 

Figure 7 :  Microscope à sonde à balayage NV pour l'étude du skyrmion sous champ magnétique externe

 

 

4) Etude du processus cinétique des skyrmions entraînés par le courant.

 

Figure 8 :  Microscope à sonde à balayage NV utilisé pour étudier la dynamique des skyrmions entraînés par le courant

 

Microscope à sonde à balayage CIQTEK NV - Le microscope à force atomique en diamant quantique (QDAFM), présente les avantages uniques d'être non invasif, peut couvrir une large plage de température et une large plage de mesure du champ magnétique. Il peut être appliqué à l'imagerie magnétique matérielle bidimensionnelle, à l'imagerie à nano-courant, à l'imagerie magnétique à vortex supraconducteur et à l'imagerie magnétique cellulaire, et a une large gamme d'applications dans les sciences quantiques, la chimie et la science des matériaux, ainsi que dans les domaines biologique et médical. domaines de recherche.

 

Microscope à force atomique à diamant quantique CIQTEK

(La version ambiante et la version cryogénique)