Un aimant sur un réfrigérateur tient parce que les minuscules flèches atomiques à l'intérieur sont alignées dans une même direction. Mais si ces flèches commencent à se disputer – certaines tirent à gauche, d'autres à droite, d'autres tournent comme des toupies – on obtient une frustration magnétique. Ce désordre engendre des motifs étranges : bandes, spirales, tourbillons. Des scientifiques ont étudié comment contrôler cette frustration dans un mince film d'oxyde de ruthénate de strontium à l'aide d'un champ électrique.
Dans ce travail, ils ont combiné des calculs sur ordinateur et la simulation du comportement de millions de flèches atomiques. Il s'est avéré que si l'on retire des électrons du film (dopage de type p), les interactions magnétiques entre les couches voisines cessent de s'accorder et la frustration augmente. En revanche, si l'on ajoute des électrons, le magnétisme ne change presque pas. À l'interface entre deux oxydes – le titanate de baryum et le ruthénate de strontium – le champ électrique dû à la polarisation du titanate de baryum appauvrit en électrons les couches supérieures du ruthénate. Cela modifie la force des interactions entre les couches et déclenche la frustration.
Selon l'épaisseur du film et le champ magnétique externe, la frustration stabilise toute une séquence de phases. On voit apparaître des domaines en bandes, des états spirales, puis des objets topologiques : des mérous, des bimérons et divers skyrmions. Ces tourbillons ressemblent à de minuscules nœuds magnétiques qui ne se défont pas d'eux-mêmes. On peut les déplacer par un champ électrique, et non par un courant, ce qui promet une mémoire et une logique économes en énergie.
Ainsi, le champ électrique devient un outil qui fait basculer le matériau entre un simple aimant et un kaléidoscope magnétique. Le même oxyde de ruthénate de strontium, qui en volume se comporte comme un ferromagnétique ordinaire, se transforme en mince film sous tension en une fabrique de textures topologiques. Et cette fabrique peut être contrôlée simplement en modifiant la tension sur la grille.
Les skyrmions doivent leur nom au physicien britannique Tony Skyrme, qui les a proposés dans les années 1960 comme modèle mathématique de particules en physique nucléaire, bien avant leur découverte dans les matériaux magnétiques.
Dans le roman de Greg Egan « Diaspora », les dispositifs informatiques utilisent des états topologiques pour protéger l'information contre les perturbations – une idée qui fait écho à l'espoir placé dans la mémoire à skyrmions.