HERALDO, la technique d’holographie qui permet d’imager en trois dimensions, des textures magnétiques
Il est aujourd’hui possible d’imager en trois dimensions des textures magnétiques de 100 nanomètres, voire moins. C’est ce que démontrent des équipes du Laboratoire Albert Fert et de la ligne SEXTANTS du Synchrotron SOLEIL, en collaboration avec le Helmholtz-Zentrum Berlin, l’Université d’Augsbourg et le Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids de Dresde, dans une publication parue le 21 mai 2026 dans Physical Review B : « Three-dimensional tomographic imaging of skyrmionic cocoons using HERALDO ».
Reconstructed magnetization texture. The out-of-plane magnetization mz of the bottommost layer is represented in red (mz < 0) and blue (mz > 0). Zero mz isosurfaces appear as ghosty gray surfaces and a pair of cocoons (about 150 nm in diameter) are highlighted with the in-plane magnetization direction displayed as colored arrows.
Le contexte scientifique
Les textures magnétiques tridimensionnelles sub-microniques suscitent depuis plusieurs années un intérêt croissant, porté par les progrès des techniques d’imagerie. Certaines de ces textures présentent une topologie non triviale : elles ne peuvent pas être déformées continûment vers un état uniforme. Cette propriété est à l’origine d’effets physiques remarquables, comme l’effet Hall des skyrmions ou l’effet Hall topologique. Mieux comprendre les interactions chirales qui stabilisent ces textures, et pouvoir imager leur structure interne en 3D, permet de contrôler ces effets.
Parmi les outils d’imagerie disponibles, les techniques basées sur les rayons X mous sont particulièrement efficaces : en ajustant l’énergie des photons, l’absorption devient dépendante de l’état magnétique de l’échantillon, ce qui offre un contraste magnétique à haute résolution spatiale.
La technique HERALDO
C’est sur la ligne SEXTANTS du Synchrotron SOLEIL que les mesures ont été réalisées grâce à une technique de diffusion cohérente, HERALDO, une méthode d’holographie qui se distingue par l’usage de fentes plutôt que de trous comme sources de référence. Cette fente présente un avantage clé : elle permet d’incliner l’échantillon dans le faisceau de rayons X, et donc d’enregistrer plusieurs projections de l’échantillon et de son état magnétique.
Ces différentes projections sont ensuite combinées numériquement grâce à un algorithme récursif. Après un traitement d’image complexe, incluant un alignement de précision nanométrique, l’aimantation de l’échantillon est reconstruite en trois dimensions.
L’étude des « skyrmionic cocoons »
Grâce à cette méthode, les équipes scientifiques ont étudié une texture particulière : le « skyrmionic cocoon ». Ces structures sont stabilisées par un jeu précis d’interactions magnétiques : l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), l’anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), et l’énergie Zeeman induite par un champ magnétique externe. La DMI et la PMA reposent sur des effets interfaciaux que l’équipe de spintronique du Laboratoire Albert Fert maîtrise de longue date, dans des multicouches à base de Pt|Co|Al.
Ces multicouches sont habituellement conçues de façon périodique, avec des répétitions régulières des mêmes bi- ou tri-couches, afin d’accroître la stabilité des textures ou du signal. Depuis 2020, les chercheurs explorent une autre voie : des multicouches apériodiques, permettant de moduler l’intensité des interactions à travers l’épaisseur de l’empilement. En réduisant l’anisotropie dans la partie centrale de la structure (via l’épaisseur du cobalt), ils sont parvenus à stabiliser des skyrmionic cocoons, une version discrétisée des torons, aussi appelés « dipole strings ».
Une confirmation grâce à la sélectivité chimique
Pour aller plus loin, les scientifiques ont imagé deux multicouches apériodiques hébergeant ces cocoons, couplées à une multicouche périodique à plus forte PMA, une configuration qui permet aux textures de s’étendre potentiellement à travers tout l’empilement. En intégrant une couche d’alliage NiFel dans la région à forte PMA, ils ont pu exploiter la sélectivité chimique de HERALDO pour déterminer si cette région centrale avait basculé ou non, confirmant ainsi la fiabilité des reconstructions 3D obtenues.
Co-auteurs et autrices : Jhon J. Chiliquinga-Jacome , Matthieu Grelier , Riccardo Battistelli , William Bouckaert , 1 Krishnanjana Puzhekadavil Joy , 2,3 Sophie Collin,1 Florian Godel,1 Marisel Di Pietro Martínez , 4,5 Claire Donnelly , Felix Büttner ,Horia Popescu , Vincent Cros Nicolas Reyren , and Nicolas Jaouen
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