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Des tourbillons magnétiques en trois dimensions ont été conçus par des scientifiques du Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR, Saxe) en collaboration avec l'Institut Paul Scherrer (Suisse).
"Jusque là, seuls des tourbillons magnétiques en deux dimensions avaient été observés", explique Sebastian Wintz, chercheur au HZDR. Ceux-ci se produisent généralement dans les disques magnétiques à l'échelle nanométrique. Le chercheur a étudié les systèmes de couches magnétiques en trois dimensions. Son équipe a empilé deux disques magnétiques, séparés par une couche de métal non magnétique mince. Grâce à cette conception, les matériaux magnétiques entourant la couche intermédiaire se retrouvent orientés en formant un vortex tridimensionnel.
Les vortex en 3D se forment entre deux couches magnétiques autour d'une couche séparatrice non-magnétique
De manière générale, les tourbillons magnétiques aident les chercheurs à améliorer la compréhension des matériaux magnétiques. Ils offrent également des applications très prometteuses, dans les technologies de l'information et de la communication par exemple. "Ces vortex en trois dimensions pourraient par exemple permettre de concevoir des antennes haute performance stables pour la transmission sans fil ultrarapide, comme les communications mobiles ou le Wifi", indique Sebastian Wintz.
Afin de produire des disques magnétiques avec des couches intermédiaires métalliques très minces, l'équipe a utilisé le principe de la lithographie à faisceau d'électrons. "Nous avons utilisé le métal rare rhodium et obtenu les propriétés souhaitées en modifiant l'épaisseur et la rugosité des couches". Les tourbillons magnétiques ont été révélés à la Source de lumière suisse (SLS), l'installation de rayonnement synchrotron de l'Institut Paul Scherrer. Le rayonnement synchrotron est une forme particulièrement intense de la lumière, ses propriétés peuvent être ajustées aux besoins spécifiques d'une expérience. Le groupe de travail dirigé par Jörg Raabe à l'Institut Paul Scherrer utilise un microscope électronique à balayage par transmission de la SLS, capable d'afficher directement des directions d'aimantation avec une résolution de 20 nanomètres, ainsi que d'isoler les signaux de deux matériaux magnétiques différents.
La direction de magnétisation à l'intérieur du tourbillon est stable, et ce même à des fréquences très élevées. Il serait possible de travailler dans le domaine du gigahertz, qui est le domaine de fonctionnement des réseaux Wifi. La prochaine étape pour les chercheurs sera donc d'étudier de plus près, avec la même méthode, le comportement de ces disques magnétiques en tant qu'antennes vortex à haute fréquence.
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