Magnetic Force Microscopy and Micromagnetic Simulations of Nanoscale Magnetic Structures and Modified Artificial Spin Ices

Kunstige spinnis betegner magnetiske metamaterialer som består av koblede nanomagneter plassert i et gitter. De utgjør interessante system fordi de gir mulighet til å skreddersy magnetiske egenskaper. Videre har de et potensial i applikasjoner som energieffektiv dataanalyse. Hovedhensikten med denne oppgaven var å undersøke effekten av å modifisere en kvadratisk kunstig spinnis ved å inkludere sirkulære magnetiske nanodisker i gitteret. I forbindelse med dette ble det utført studier av magnetiske ringer, og av de enkelte nanomagnetene som utgjør byggesteinene til de kunstige spinnisene, for å bestemme viktige og nyttige eksperimentelle parametere. Undersøkelsene ble utført både gjennom mikromagnetiske simuleringer, og gjennom avbildning av fabrikkerte prøver ved bruk av et magnetisk kraftmikroskop. Prøvene i mikroskopet ble holdt på kryogeniske temperaturer og utsatt for varierende magnetfelt. Fabrikasjon av de fysiske strukturene ble gjennomført med elektronstrålelitografi ved renromsfasilitetene til NTNU NanoLab. Fra studiet av de magnetiske ringene ble retningen på magnetfeltet i det magnetiske kraftmikroskopet bestemt. Videre ble det koersive feltet til 2100 enkeltnanomagneter bestemt, hvilket ga et standardavvik på 1.8 mT relativt til et gjennomsnitt på 46 mT, som demonstrerer hvordan fabrikasjonsimperfeksjoner forårsaker variasjon i egenskapene til nominelt identiske magneter. Simuleringer avdekket at å inkludere en magnetisk disk med tilstrekkelig stor diameter i de kunstig spinnis-gitterne gir en markert effekt ved påtrykning av et magnetfelt, ved at disken assisterer reversing av magnetiseringen til nabomagnetene. Den samme effekten ble også delvis sett i de magnetiske kraftmikroskopibildene av fysiske prøver med påføring av magnetiske felt. Bilder av magnetiseringstilstandene til fabrikkerte gitter, før påtrykning av felt, viste store områder med grunntilstandsording, og tilstandene deres så ikke ut til å bli endret av tilstedeværelsen av disker. Kunstige spinnis har et stort potensial når det gjelder å skreddersy egenskaper, og her vises muligheten til å delvis kontrollere hvor magnetiseringsreversering starter i gitteret, noe som kan være nyttig med tanke på anvendelse av disse systemene.