Les skyrmions magnétiques, minuscules structures tourbillonnaires d'aimantation, attirent l'attention comme candidats pour une mémoire ultra-dense et économe en énergie. Mais la plupart des matériaux où ils apparaissent ne fonctionnent qu'à basse température ou dans une fenêtre étroite. Les aimants centrosymétriques à anisotropie facile hors du plan, comme Fe3Sn2, ont ouvert une piste pour élargir cette fenêtre, mais réunir à la fois une température de Curie élevée, une large stabilité des skyrmions et une anisotropie modulable restait rare. Fe3Ge, avec son réseau kagome, se distingue de ses voisins de la même famille : là où, dans Fe3Sn2, les skyrmions sont stables sur une large plage, ici ils coexistent en plus avec des fermions de Dirac et un fort effet Hall anormal. Ce travail comble le fossé entre topologie dans l'espace réel et topologie dans l'espace des impulsions au sein d'un même matériau.
Les monocristaux de Fe3Ge ont été élaborés par la méthode du flux d'étain. La composition a été confirmée par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, la structure par diffraction de Laue et par microscopie électronique en transmission à haute résolution. Les propriétés magnétiques ont été mesurées sur un magnétomètre SQUID, et le transport par la méthode standard à quatre pointes dans un système cryogénique. Pour visualiser les textures de spin, on a utilisé la microscopie électronique en transmission de Lorentz sur une lamelle d'environ 100 nm d'épaisseur, découpée au faisceau d'ions focalisé. La structure électronique a été calculée par la méthode des ondes planes augmentées linéarisées dans le logiciel WIEN2k, et la conductivité Hall anormale à l'aide d'un modèle de liaison forte fondé sur les fonctions de Wannier. Le facteur démagnétisant a été pris en compte d'après la géométrie de l'échantillon.
À 300 K, la conductivité Hall anormale de Fe3Ge atteint 380 Ohm⁻¹cm⁻¹, ce qui est comparable aux meilleurs matériaux kagome topologiques. Les mesures magnétiques ont révélé une transition de réorientation de spin à 375 K : en dessous de cette température, l'axe facile est dans le plan, au-dessus, il est perpendiculaire au plan. La constante d'anisotropie change de signe, passant de −4,1×10⁵ J/m³ à 2 K à +0,36×10⁵ J/m³ à 400 K. La microscopie de Lorentz a montré que, dans la phase à axe facile hors du plan, des champs de 727 à 1200 mT font apparaître des skyrmions de Bloch d'environ 250 nm de diamètre, avec une occupation égale des deux chiralités, ce qui indique un mécanisme de stabilisation d'origine dipolaire. Les skyrmions subsistent sur tout l'intervalle de 375 à 650 K : c'est l'une des fenêtres les plus larges parmi les matériaux connus. À 650 K, le contraste de domaines disparaît, ce qui confirme la température de Curie.
Ce travail montre que l'aimant kagome de Dirac Fe3Ge réunit la topologie dans l'espace réel (les skyrmions) et dans l'espace des impulsions (un fort effet Hall anormal). Contrairement aux études voisines, où les skyrmions étaient examinés dans des matériaux dépourvus de topologie de bandes marquée ou à fenêtre de stabilité étroite, ici les deux phénomènes coexistent dans un même cristal jusqu'à 650 K. Cela ouvre la voie à des dispositifs où les textures de spin pourraient être contrôlées par des champs électriques via les états électroniques topologiques. Le résultat explique aussi l'amplification observée auparavant de l'effet Hall topologique et de l'effet Nernst topologique en dessous de 375 K : à ces températures, la contribution vient de structures de spin microscopiques non coplanaires, et au-dessus, de skyrmions mésoscopiques.
La prochaine étape consiste à abaisser la température de réorientation de spin par substitution chimique, afin d'obtenir des skyrmions dès la température ambiante. Des travaux antérieurs ont montré que remplacer une partie des atomes de fer ou de germanium décale la transition sous 300 K. Une autre piste est l'optimisation de l'épaisseur et de la géométrie des échantillons : les skyrmions dipolaires sont sensibles au confinement, et un réglage fin permettra de contrôler leur taille, leur densité et leur nucléation. Il est également prometteur d'étudier l'interaction des skyrmions avec les fermions de Dirac dans des expériences de transport sur films minces, où la contribution des skyrmions à l'effet Hall topologique pourrait devenir mesurable.
Les résultats sont importants pour la spintronique, qui a besoin de skyrmions stables à haute température pour la mémoire et la logique. Le matériau présente aussi un intérêt pour la caloritronique, grâce à un fort effet Nernst anormal, et pour l'étude des phases topologiques dans les aimants frustrés.
Mener une substitution systématique dans Fe3Ge pour abaisser la température de réorientation de spin et vérifier la stabilité des skyrmions à température ambiante. Fabriquer des films minces d'épaisseur contrôlée et étudier la contribution des skyrmions aux propriétés de transport.
En physique des skyrmions magnétiques, la question des mécanismes de stabilisation dans les systèmes centrosymétriques sans interaction de Dzyaloshinskii-Moriya reste ouverte. Ce travail montre que les interactions dipolaires et la compétition entre anisotropies suffisent à créer une large fenêtre de stabilité. Autre problème non résolu : le lien entre topologie de l'espace réel et topologie de l'espace des impulsions dans un même matériau, et Fe3Ge offre une occasion rare de l'étudier expérimentalement.
Les skyrmions doivent leur nom au physicien britannique Tony Skyrme, qui les a proposés en 1962 comme modèle pour décrire les particules nucléaires. Aujourd'hui, ces « particules » vivent dans des cristaux magnétiques et peuvent mesurer moins de cent nanomètres.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « La Cité et les Astres », l'information est stockée dans des réseaux cristallins qui se réorganisent presque sans dépense d'énergie. Les skyrmions magnétiques dans Fe3Ge constituent un pas réel vers une telle mémoire : ils sont minuscules, robustes et se déplacent sous des courants extrêmement faibles.