Fabrication and Characterisation of an on-chip Microheater for artificial spin ices

Abstract

Kunstige spinnis er et magnetisk metamateriale som består av vekselvirkende nanomagneter arrangert i spesielle geometrier. Slike systemer har kompleks dynamikk og egenskaper man ofte ser i databehandlingssystemer [1]. Temperatur er en viktig parameter for å kontrollere kunstige spinnis systemer ettersom det kontrollerer egenskapene til systemet [2]. For å få en dypere forståelse av kunstige spinnis kreves det ytterligere forskning og temperaturkarakterisering av kusntig spinnis er en viktig del av dette [3]. I denne oppgaven har vi utviklet og karakterisert en mikrovarmer designet for termisk kontrol av kunstige spinnis. Designet er basert på ohmsk oppvarming og består av en varmer og et termometer som omgir et område hvor spinnis kan plasseres. Fabrikasjonen av mikrovarmeren involverte fotolitografi og metallisering. Både gull- og kobbermikrovarmere ble fabrikert og temperaturkoeffisientene ble funnet eksprimentelt. Videre brukte vi et testkammer for å kontrollere mikrovarmeren slik at temperaturen kunne reguleres. Resultatet er en mikrovarmer som kan øke temperaturen til spinnis systemenes nøyaktig fra romtemperatur og opp til 130 ◦C. Fremtidig arbeid innebærer ytterligere karakterisering av mikrovarmeren, skape et tilbakekoblingssystem som justere strømmen i sanntid og optimerer testkammeret slik at det er kompatibelt med instrumenter som er i stand til å observere magnetiske kontraster.

Artificial spin ice (ASI) is a magnetic metamaterial which consists of interacting nanomagnets arranged in various geometries. Such ASI ensembles exhibit complex dynamics and may be utilized in computing [1]. Temperature is an important parameter to control in ASIs as it dictates the complicity and characteristics of the system [2]. The temperature characterisation of ASIs requires further exploration and is significant for a deeper understanding of these systems [3]. In this thesis, we have developed and characterised an onchip microheater designed for thermal characterisation of ASI systems. The microheater design is based on ohmic heating and consists of a heater and a thermometer, surrounding an area where ASI structures may be placed. The fabrication of the microheater involved photolithography, metalization, and lift-off. Both gold and copper microheaters were successfully fabricated and the temperature coefficients for the thin films were obtained experimentally. In addition, a test chamber provided precise control of the microheater, thereby allowing us to increase and regulate the temperature. The result is a microheater surrounding ASIs capable of heating ASIs accurately from room temperature up to 130 ◦C. Future work involves further characterisation of the microheater, creating a feedback system which provides a stable temperature and optimize the test chamber such that it can utilized by instruments capable of observing magnetic contrasts.