Quasi-particule au nom insolite, le skyrmion pourrait être le constituant-clé, dans un futur encore indéfini, de dispositifs de stockage et de traitement d’information beaucoup moins énergivores. C’est en tout cas la conviction qui anime les partenaires académiques du projet ciblé Chirex, dévoilé à l’occasion du lancement du PEPR (programme et équipements de recherche prioritaire) Spin, fin janvier 2024 à Grenoble.
Le caractère exploratoire de ce PEPR, lié à la spintronique, s’accorde avec l’aspect assez spéculatif de ce projet de recherche, qualifié de « risqué » par Stefania Pizzini qui le coordonne. « A la fin du projet, dans quatre ans, l’idée serait de montrer de premières applications », espère cette directrice de recherche CNRS, à l’Institut Néel de Grenoble. Autrement dit, il s’agit de passer du TRL 3 actuel, celui de la preuve de concept, à un TRL 4, celui de la validation expérimentale des fonctions.
Un noeud magnétique localisé et chiral
Mais qu’est-ce qu’un skyrmion ? Théorisé par le physicien Tony Skyrme dès le début des années 60, il est illustré la plupart du temps par un vortex de spins – les pseudo-moments magnétiques intrinsèques associés aux électrons – dont l’orientation varie progressivement, du haut vers le bas ou inversement, par exemple
« C’est une configuration magnétique très localisée qui possède une chiralité, précise Stefania Pizzini. La chiralité signifie que la rotation des spins se fait suivant la même direction, dans un sens horaire ou anti-horaire. »
Olivier Boulle, chercheur CNRS au laboratoire Spintec de Grenoble – autre partenaire du projet -, compare le skyrmion à une « petite bulle de savon aplatie, qui mesure typiquement d’une centaine de nanomètres jusqu’à un micron. C’est un nœud magnétique très stable. » Dans un matériau, ce noeud magnétique se propage comme une vague, sans déplacement de matière. Le concept rappelle celui des mémoires à bulles commercialisées dans les années 1980, objets qui étaient cependant beaucoup plus gros.
Des skyrmions obtenus dans des couches minces
La découverte expérimentale du skyrmion magnétique remonte à 2009. A l’époque, cette curieuse structure de spins se manifeste dans des cristaux massifs, à très basse température et en présence d’un champ magnétique intense.
En 2016, trois partenaires du projet Chirex (le laboratoire Albert Fert s’ajoutant aux deux précédemment cités) font une percée. « Nous avons mis au jour des skyrmions pour la première fois dans des couches métalliques minces, à température ambiante et sans champ fort, rappelle Stefania Pizzini. C’est une technique de préparation industrialisée dans l’électronique. »
A l’origine de cette prouesse : de la subtile ingénierie de matériaux, qui se solde par un « sandwich » de couches épaisses d’une dizaine d’atomes, voire moins. « Les skyrmions se déplacent typiquement dans une couche de cobalt, un matériau ferromagnétique à température ambiante », poursuit-elle.
Pour des mémoires très denses et non volatiles
Les très petites dimensions en jeu et les conditions expérimentales accessibles confortent les auteurs de l’étude scientifique : les skyrmions pourraient composer des mémoires très denses et non volatiles, comme le suggéraient de précédentes simulations.
Ces structures sont par ailleurs contrôlables grâce à de petits courants électriques, grâce à l’effet de couple spin-orbite (à l’œuvre dans les mémoires magnétiques de type SOT-MRAM). « Un courant de spin permet de déplacer les skyrmions en fonction de leur chiralité », indique Nicolas Reyren, chercheur au laboratoire Albert Fert.
En ce qui concerne la création des skyrmions, les scientifiques du projet Chirex vont étudier diverses techniques alternatives au magnétisme : injection d’un petit courant électrique très localisé, interaction avec une impulsion laser ultra-courte... « Mais ce qui est prometteur, c’est l’utilisation de champs électriques comme dans les transistors, observe Olivier Boulle. La consommation énergétique est très faible. »
Une vélocité élevée synonyme de grande bande passante
Les chercheurs imaginent un dispositif de lecture/écriture d’informations, dans lequel les skyrmions défilent à l’intérieur d’une piste magnétique immobile. La présence d’un skyrmion correspond à 1, son absence à un 0.
Albert Fert Exemple de dispositif de lecture/écriture de skyrmions pour mettre un système de mémoire magnétique. La lecture s'effectue par l'intermédiaire d'une jonction tunnel magnétique.
Les vitesses constatées pour les skyrmions sont de l’ordre de la centaine de mètres par seconde. Et même 1 kilomètre par seconde, dans un matériau anti-ferromagnétique, résultat qui sera publié dans quelques semaines dans la revue Science. Ces grandes vitesses pourraient aboutir à des systèmes mémoire – des mémoires de cache en particulier - bénéficiant de très grandes bandes passantes.
La lecture serait opérée par l’intermédiaire d’une jonction tunnel magnétique, brique majeure de la spintronique. L’intégration avec des matériaux qui transportent des skyrmions est un « défi », selon Stefania Pizzini. La fonction de détection électrique a été montrée de façon expérimentale récemment, selon Olivier Boulle, et fera l’objet d’une publication dans la revue Nano Letters.
Le neuromorphique, une autre voie
Mais le skyrmion pourrait aussi mettre au ban la classique architecture de Von Neumann, qui impose la séparation entre unités de mémoire et unités logiques. « Naturellement, les skyrmions se repoussent, informe Olivier Boulle. On peut donc exploiter cette interaction pour créer des portes logiques. On a simulé des opérations de calcul sur des trains de skyrmions et on voudrait le montrer expérimentalement d’ici à la fin du projet. »
A la fois porteur et opérateur de l’information, le skyrmion pourrait ainsi composer des synapses artificielles, capables de réaliser des calculs en mémoire, au sein d’architectures neuromorphiques. Le projet Chirex a pour mission de confirmer si toutes ses vertus peuvent déboucher ou non sur des applications concrètes.
