Investigating hysteresis in deformed 45° pinwheel artificial spin ices by magnetic force microscopy

Abstract

Kunstig spinnis er magnetiske metamaterialer bestående av vekselvirkende nanomagneter som viser stort potensial for bruk i fremtidens dataanalyseteknologier. Nanomagnetene er plassert i mønstre som introduserer geometriske frustrasjoner i systemet, noe som fører til nye magnetiske egenskaper som ikke finnes i de individuelle komponentene. Dette åpner for å kunne skreddersy de magnetiske egenskapene til metamaterialet for bruk i spesifikke applikasjoner.

I denne oppgaven undersøker vi hysterese i fem deformerte 45° "pinwheel" spinnis-strukturer. Deformasjonene er alle varianter av en kardinalstrekk, hvor spinnis-strukturen er fabrikkert med ulik avstand mellom de horisontale komponentene i mønsteret. Vi har gjennomført hysteresemålinger ved tre ulike vinkler, 30° på både x- og y-aksen til systemet, samt 10° på x-aksen. Oppførselen til spinnisen endrer seg basert på vinkelen til det eksterne feltet, hvor en stegvis endring i magnetisering er tydelig i målingene ved 30° vinkel, mens magnetiseringen endres tilnærmet samtidig ved 10° vinkel. Vi ser tydelige forskjeller i hystereseoppførselen til de deformerte strukturene, hvor det gjennomsnittlige koersive feltet til komponentene i spinnisen generelt sett øker med kardinalstrekk. Noen trender, spesielt angående standardavviket til det koersive feltet, lar seg ikke forklare av enkle fysiske modeller, men kan delvis tilskrives systematiske fabrikasjonsdefekter.

Vi har gjennomført hysteresemålingene ved magnetisk kraftmikroskopi, ved å avbilde magnetiseringen til strukturene ved remanens etter at de har blitt utsatt for et magnetfelt med stegvis økende styrke. Vi har utviklet to bildebehandlingsprosedyrer, som begge leser verdifull magnetiseringsinformasjon fra de eksperimentelle bildene. En grundig evaluering av begge metodene er også tatt med i oppgaven. Bildebehandlingsprosedyrene er ikke perfekte, men er raske og sparer oss for både tiden og arbeidet involvert i manuell analyse av enkeltbilder. Videre utvikling av prosedyrene er nødvendig for å muliggjøre både mer nøyaktig og pålitelig bildebehandling for bruk i fremtidig forskning.

Geometrically frustrated arrays of interacting nanomagnets, known as artificial spin ices (ASIs), show promise in creating novel neuromorphic computational devices. The geometric frustrations give rise to emergent magnetic behavior, depending on the geometries of the interacting arrays. This makes it possible to tailor the magnetic properties of ASIs for use in specific applications, by placing the components in different patterns. The number of possible ASI geometries are huge, and fundamental properties of many types of ASI are yet to be explored.

This thesis focuses on the hysteretic behavior of five deformed 45° pinwheel ASIs. The investigated deformations were all variations of the cardinal stretch, where the pinwheel ASIs have been fabricated with varying distances between the horizontal components of the array. Hysteresis measurements have been performed with external fields applied at three different angles, 30° to both the x- and y-axes of the system, as well as 10° to the x-axis. The behavior of the ASIs were seen to change based on the angle of the applied external field. Stepped switching behaviors were observed in both 30° measurements, whereas almost simultaneous switching was observed at 10°. The cardinal stretches are also seen to affect the hysteretic behavior, generally showing trends of increasing average switching field of the components of the ASIs with increases in cardinal stretch. Some trends, especially related to the standard deviation of the switching fields, may partially be attributed to fabrication defects, but further research is necessary to reach definite conclusions.

We have performed the hysteresis measurements using magnetic force microscopy (MFM), by capturing images at remanence after applying external fields of stepwise increasing magnitude. We have developed two image processing procedures, which both manage to extract valuable information from the MFM-images. A thorough investigation of their performance is included in this thesis. The processes are far from perfect, but are fast and save both time and effort as compared to manually processing MFM-data. Further development is needed to improve image processing of MFM-images to provide more accurate and reliable results in the future.