Local magnetic field device forartificial spin ice

Abstract

En kunstig spinn-is er en er et system som består av en sampling koblede dipolmagneter. Individuelt har magnetene en helt vanlig oppførsel, men kollektivt utøver de en rekke komplekse og interessante oppførsler. I det siste tiåret har disse systemene vært et aktivt forskningstema, ettesom de har mulige bruksområder på tvers av mange industrier.

Et bruksområde som er spesielt relevant for dette arbeidet er beregning. Kunstig spinn-is kan være en passende kandidat for lavstrøms- eller reservoar-beregning, ettersom de kan produseres slik at de har en ekstremt kompleks respons til et gitt inngangssignal. For å kunne brukes til dette må det være mulig å påtrykke signaler på inngangen av dette systemet, og dette arbeidet undersøker en metode for å gjøre nettopp dette.

Ettersom magnetene i isen er veldig tett koblet, vil det å endre magnetiseringsretningen til en magnet også påvirke de nærliggende magnetene, noe som vil bre seg videre utover i gitteret. Magnetene kan snus ved å påtrykke et magnetfelt, typisk ved bruk av en sterk ekstern magnet. Dette arbeidet vil se på hvordan dette heller kan gjøres med det lokale magnetfeltet fra en leder, slik at man kan snu en enkeltmagnet eller en gruppe magneter.

I første omgang ble lederens egenskaper undersøkt via simuleringer i Comsol® Multiphysics. Simuleringene viste at at det er mulig å produsere en leder har dimensjoner som gjør det mulig å generere et magnetfelt av passende størrelse med rimelig strøm, mens den fortsatt er stor nok til å deponere nanomagneter oppå.

Resultatene fra simuleringene ble brukt til å produsere et sett med prøver på NTNU Nanolab, som ble testet for strømkapasitet og inspisert med magnetisk domenavbildning. Grunnet produksjonsvanskeligheter var ikke prøvene brukbare for karaktisering av feltstyrken, så simuleringene krever fortsatt verifisering.

An artificial spin ice is a system that is made up of a collection of coupled dipole nanomagnets. Although the magnets individually do not behave in any special way, the lattice as a whole has a range of complex and interesting behaviors. In the last decade, they have been the subject of a significant amount of research, as they have potential applications across many industries.

One application which is especially relevant for this work is computing. Artificial spin ices have been suggested as candidates for low-power and reservoir computing, as they can be tailored to have very complex responses to a given input signal. To use them in this fashion, a signal has to be applied to the input of the system, and this work will examine a method for doing this.

As the magnets are tightly coupled, changing the magnetization direction of a nanomagnet will affect its neighbors, and propagate throughout the lattice. This can be done by applying a magnetic field to the magnet, typically by using a powerful external magnet. This work examines whether it is possible to use a simple wire, or a stripline, as a small magnetic field generator which affects only one or a small group of nanomagnets.

The properties of the stripline and the magnetic field were initially investigated through simulations using Comsol® Multiphysics. The simulations showed that a stripline can be manufactured which is of a suitable size for the deposition of nanomagnets, while still generating a sufficient magnetic field with a reasonable current supply.

The results of the simulations were used to manufacture samples at NTNU Nanolab, which were tested for current capacity and inspected under magnetic force microscopy. Due to manufacturing problems, the samples were not suitable for measurement of the magnetic field strength, so the simulation results still require verification.