Nous avons vu hier que les noyaux des atomes, puis les atomes entiers sont constituées de particules qui ont des spins. Selon leurs arrangements, il est possible de calculer pour un atome, un spin résultant du groupe de particules qui le constituent.
            Aujourd’hui, je vais essayer de vous expliquer ce que sont les skyrmions, petits aimants microscopiques.

           Parlons d’abord d’un aimant ferromagnétique.
           Ce métal est constitué de « domaines magnétiques », qui sont des régions dans lesquelles les spins des atomes voisins sont alignés dans la même direction. Si tous les domaines magnétiques du matériau pointent dans la même direction, on obtient un aimant.
            Dans un métal ferromagnétique qui n’est pas un aimant, les domaines magnétiques pointent dans des directions différentes. On peut réaliser des couches  ultrafines (d’environ un nanomètre d’épaisseur), pù les spins sont orientés de façon préférentielle perpendiculairement au plan de la couche, et pointant soit vers le bas soit vers le haut.
         Mais à la frontière entre un domaine où les spins pointent vers le haut et un domaine où ils sont orientés vers le bas, l’orientation des spins tourne progressivement autour d’un axe pour réaliser une transition d’un domaine à l’autre.
         Les skyrmions présentent des phénomènes analogues.

            Contrairement à l’électron, le skyrmion n’est pas une particule individuelle.
Il résulte d’un comportement collectif d’un groupe d’atomes (quelques centaines), dont les spins ont une orientation spécifique. L’ensemble de ces atomes présente la forme d’un disque ou d’un minuscule cylindre avec un agencement particulier. Mais sans être une particule, le skyrmion en a certaines caractéristiques : par exemple, cette « bulle magnétique » peut être déplacée comme un ensemble cohérent.
           La figure ci-dessous représente différents types de skyrmions. 

           Ces derniers sont représentés par leur spin (les petites flèches), qui indique la direction et le sens de l'aimant. Dans un skyrmion, le spin central est orienté, par exemple vers le haut, et à mesure que l'on s’en éloigne, les spins basculent pour se retrouver la tête en bas.
            Il existe deux configurations principales : si les spins basculent de façon radiale, en
« hérisson», on a alors des skyrmions de Néel. S'ils basculent en formant une spirale, on parle de skyrmions de Bloch.  
            En outre les spins peuvent basculer dans un sens ou dans l’autre; Les coupes au niveau du diamètre montrent la différence, en B et C pour le skyrmion de Néel et en E et F pour celui de Bloch.
            Le figures ci-dessous représentent les coupes le long du diamètre des skyrmions qui montre le basculement des spins.

              La taille d’un skyrmion est de quelques nanomètres (quelques centaines d’atomes) Si un skyrmion est équivalent à un bit informatique, il serait donc possible d’avoir une densité de données stockées en mémoire, proche de celle des disques durs magnétiques actuels, mais avec l’avantage de pouvoir réaliser aussi des calculs, un gain important pour la consommation électrique.
             Au début des recherches, pour créer des skyrmions, il fallait des couches de quelques nanomètres ferromagnétiques, à très basse température (- 263 d°C) et les soumettre à un fort champ magnétique.
              En 2016, un laboratoire de Grenoble a réussi à en produire dans une couche de cobalt de un nanomètre d’épaisseur, à température ambiante et  avec un champ magnétique faible.
               Par la suite ont été réalisées des structures comprenant  plusieurs couches ultrafines (un nanomètre) empilées les unes sur les autres, notamment une couche inférieure de métal lourd, une couche centrale de métal magnétique et une couche supérieure d’oxyde. (Par exemple iridium, cobalt, platine). Les couches étaient empilées pour produire un skyrmion de petite taille.
                Les chercheurs ont ensuite cherché à ajuster les propriétés et l’agencement des skyrmions, en utilisant des impulsions laser ultracourtes (10 ^-15 secondes).

               Il a fallu ensuite, après les créer et les effacer, pouvoir les manipuler, les déplacer dans des directions choisies, rapidement et avec une consommation d’énergie très faible. Des vitesses d’un km / seconde ont été atteintes, sous l’effet d’un courant électrique.
               Le courant électrique qui circule dans la couche de métal lourd produit une force qui agit sur le skyrmion (qui se trouve dans la couche magnétique juste au-dessus) et le déplace dans une certaine direction. Un skyrmion de Néel sera poussé dans la direction du courant alors qu’un skyrmion de Bloch sera poussé de façon perpendiculaire au courant.
               Les laboratoires ont ensuite essayé de manipuler des suites de syrmions pour leur faire faire des opérations logique (comme par exemple et , ou) puis pour créer des bascules, comme dans les transistors, en utilisant des grilles électriques produisant des tensions perpendiculaires au plan de la couche magnétique qui contient les skyrmions.
              La figure en tête de l’article schématise un interrupteur à smyrkions, réalisé au CEA.

               Ces bulles magnétiques aux propriétés ajustables en termes de taille, stabilité, structure, sens du spin, offrent de nombreuses possibilités, avec toujours cet objectif de diminuer la consommation d’énergie dans des structures de traitement de l’information.
                Mais de nombreuses recherches restent encore à faire avant d’envisager une utilisation pratique, en particulier augmenter la stabilité  et la fiabilité des skyrmions  qui sont actuellement trop sensibles aux variations de température.
               Les skyrmions ont une structure plane, en couches minces, ce qui limite leur utilisation. L’idée des skyrmions peut être généralisée à une structure tridimensionnelle, les hopfions. En 2023, l’université d’Uppsala, en Suède, vient de mettre en évidence par l’expérience, de tels hopfions.