Fabrication of Supermagnetic Metamaterials

Abstract

De siste årene har studier innen magnetiske metamaterialer funnet tegn på supermagnetisme i enkelte magnetsystemer, noe som gjør feltet attraktivt både for forskning og framtidig teknologi. For å muliggjøre bruken av disse materialene i teknologi behøves forskning i hvordan man kan utvikle og skreddersy supermagnetiske egenskaper til å passe utallige krav og parametere. Frem til nå har mesteparten av forskningen foregått på liten skala, som kun gir informasjon om lokal mikrostruktur. Målet for dette arbeidet er å lage prøver som inneholder nok magnetisk materiale til å karakterisere prøven med større tradisjonelle måleverktøy. Disse resultatene vil kunne gi informasjon om den generelle magnetiske makrostrukturen.

Dette arbeidet fabrikerer og undersøker monodomene disker mønstret i kvadratisk gittergeometri som danner et todimensjonalt XY-spin system. Større områder med mønstret Permalloy ble fabrikkert med elektronlitografi og resist avløftning, og senere undersøkt med et Foner-magnetometer ved romtemperatur. Fabrikasjonsprosessen ble optimalisert for de ønskede parameterne ved det magnetiske mønsteret.

Vi observerer at det utvidede kvadratgitteret ikke avgir magnetisk respons som passer med den forventede superantiferromagnetiske tilstanden, men heller ser ut til å være i den superferromagnetiske tilstanden. Nærmere undersøkelser tilsier at det er mulig en elliptisitet i diskene interagerer med gitterstrukturen for å danne en uforventet magnetisk respons. Som følge av disse resultatene anbefales det videre forskning i supermagnetiske XY-spin system som inkluderer introduserte defekter for å undersøke hvordan disse kan brukes som vilkår for å lage skreddersydde magnetiske responser og muligens nye supermagnetiske tilstander.

In recent years, it has been found that a magnetic metamaterial can display signs of supermagnetism, making them a point of interest for both research and possible technological applications. To facilitate the use of these materials in future technologies, investigations into the engineering and tailoring of supermagnetic properties are necessary. Through these investigations, important parameters and requirements for specific properties can be identified. Until now, most research has been devoted to small-scale experiments, which only describes local microscopic composition. The goal of this project is to create samples containing sufficient magnetic material to be characterized by larger-scale traditional methods of magnetic measurement. These measurements will produce data that regards the macroscopic, effective, magnetic arrangement.

This work creates and studies larger patterns of square lattice nanodisks in the single-domain state, which forms a 2D XY-spin system. Large arrays of square lattice single-domain Permalloy disks were fabricated by electron beam lithography and a lift-off process, and subsequently measured in a vibrating sample magnetometer at room temperature. The fabrication process was fine-tuned to the desired parameters of the magnetic system.

We observe that the extended square lattice does not produce the expected superantiferromagnetic state but rather displays signs of superferromagnetism. Investigations suggest that the disk ellipticity and the lattice anisotropy may be interacting to form an unpredicted supermagnetic response. Following this finding, we suggest that further research into magnetic XY-spin systems should include deliberate pattern defects to understand how these may be utilized as a tailoring parameter to create novel magnetic responses and possibly new supermagnetic states.