Investigating domains in modified square artificial spin ice using magnetic force microscopy and simulations
Abstract
Kunstige spinn-is er magnetiske metamaterialer med unike emergente egenskaper, som gjør de til gode kandidater for nye typer datamaskiner. Å forstå mer av oppførselen til disse materialene er essensielt for å utvikle de videre.
Målet med denne oppgaven var å studere en annulus-formet firkantet kunstig spinn-is med en topologisk gitterdefekt som tvinger frem en domenevegg. Både strukturer med og uten gitterdefekten ble studert for å kunne gjøre sammenligninger. Strukturene ble utforsket ved å simulere kunstige spinn-is-systemer, og gjennom å studere fysiske prøver ved hjelp av et magnetkraftmikroskop.
Alle fysiske strukturer hadde domenevegger etter fabrikasjon, som la seg diagonalt på strukturene. Strukturene uten en gitterdefekt hadde alltid et partall vegger som strakk seg fra den indre til den ytre kanten, mens strukturene med en defekt hadde et oddetall vegger.
Koblingsstyrken til magnetene i den kunstige spinn-isen påvirket hvor lett det var å bytte magnetiseringsretning i en magnet. Magneter snur magnetiseringen under lavere felt og temperatur dersom koblingsstyrken er liten. I simuleringer av firkantede kunstig spinnn-is-systemer med høy koblingsstyre var det mulig å flytte på domeneveggene.
Det er fremdeles magne fundamentale egenskaper hos kunstig spinn-is som ikke har blitt utforsket enda. Å fortsette å undersøke spesialdesignede kunstig spinn-is-strukturer kan være nyttig for bruk i nye databehandlingsmetoder. Artificial spin ices (ASIs) are magnetic metamaterials with emergent properties that make them interesting candidates for new computing materials. Understanding more of their behavior is crucial for development of these materials for such purposes.
The goal of this thesis was to investigate properties and frustration of an annulus-shaped square ASI with a topological lattice defect enforcing the presence of a domain wall.For comparison, both structures with and without the lattice defect were studied. Investigations were performed through simulations of ASI systems using the simulator "flatspin", and through studying fabricated samples using Magnetic Force Microscopy (MFM).
All physical structures were shown to retain a number of domain walls after fabrication, which tended to form diagonally across the sample. The structures without the lattice defect always had an even number of domain walls stretching from the inner square to the outer edge, while the structures with the defect had an odd number of domain walls.
The coupling strength between the magnets in the ASI influenced how easy it was to switch the magnetization of the magnets. A weaker applied field and less applied temperature is needed to flip the magnets if their coupling strength is low. Square ASI systems with a high coupling strength showed rich domain wall dynamics in simulations.
There are still many fundamental properties of ASIs that are not yet explored. Further exploration of particularly designed ASIs and understanding such meticulously tuned structures can be useful for applications in new computational methods.