Polem demagnetizované umělé systémy spinového ledu na čtvercové mřížce: dalekodosahové interakce, původ stochasticity a efektivní termodynamika
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
V posledních dvou desetiletích se umělé systémy spinového ledu staly významnou experimentální platformou pro zkoumání kooperativních magnetických jevů často spojených s vysoce frustrovanými magnety. Ve srovnání se svými přirozenými protějšky nabízejí umělé systémy spinového ledu vytvořené z vzájemně interagujících magnetických nanostruktur několik klíčových výhod. Díky tomu, že jsou připravovány pomocí mikro nanotechnologických procesů, lze vytvářet rozsáhlou paletu geometrií. Kromě toho lze jejich magnetickou konfiguraci přímo vizualizovat na úrovni spinového stupně volnosti pomocí magnetických zobrazovacích technik. Lokální a globální veličiny lze pak pohodlně měřit v reálném prostoru a čase, a to při téměř libovolné teplotě. Tato doktorská práce se zaměřuje na takové umělé spinové systémy, konkrétně na čtvercovou geometrii, která byla původně navržena jako dvourozměrný (2D) protějšek trojrozměrné (3D) krystalové struktury pyrochlorů. Tento 2D přístup však odstraňuje magnetickou frustraci přítomnou ve 3D a systém se uspořádává konvenčním antiferomagnetickým způsobem, místo aby vykazoval vysoce degenerovaný základní stav podobný spinové kapalině. Na základě strategie navržené v literatuře byla vyrobena pole nanostruktur sestávajících ze dvou vertikálně posunutých submřížek, aby se obnovil účinek frustrace, což umožnilo experimentálně dosáhnout režimu spinové kapaliny. Zachycení magnetických konfigurací získaných po protokolu demagnetizace magnetickým polem odhalilo následující: analýza párových spinových korelací vykazuje odchylky od toho, co předpovídá model čtvercového ledu (krátkého dosahu). Srovnáme-li experimentální zjištění se simulacemi Monte Carlo, naše výsledky ukazují, že magnetostatické interakce dlouhého dosahu nejsou v našich polích, na rozdíl od původního názoru, potlačeny. Poté byly tyto umělé struktury čtvercového ledu použity k pochopení toho, do jaké míry je námi aplikovaný protokol demagnetizace polem stochastickým procesem. Za tímto účelem jsme studovali magnetické konfigurace získané po jednotlivých aplikacích demagnetizačního protokolu. Naše výsledky ukazují, že každý zachycený magnetický mikrostav se podstatně liší od předchozího, ale ne zcela. Analýzou odpovídajících spinových a vertexových konfigurací jsme prokázali, že náš demagnetizační protokol je stochastický proces, ačkoli jsme také pozorovali jednoznačné známky magnetického determinismu, které přisuzujeme přítomnosti drobných nedokonalostí našich umělých systému. Následně diskutujeme možné zdroje náhodnosti v našem experimentu. Nakonec zkoumáme chování řady konvenčních (vertikálně neposunutých) čtvercových mřížek demagnetizovaných magnetickým polem, u nichž se postupně mění parametr mřížky, aby se ladila síla interakcí mezi elementy tvořící systém. Srovnáním experimentálních populací vertexů a párových spinových korelací s předpověďmi Monte Carlo ukazujeme, že mřížková řada je dobře aproximována jedinečným spinovým hamiltoniánem krátkého dosahu zkoumaným při různých efektivních teplotách. Jinými slovy, mřížkový parametr může sloužit jako jistý ovladač pro zkoumání termodynamiky daného spinového modelu.
In the past two decades, artificial spin ice systems have become a powerful experimental platform to investigate cooperative magnetic phenomena often associated with highly frustrated magnets. Compared to their natural counterparts, artificial spin ice systems made of interacting magnetic nanostructures offer several key advantages. Being engineered through nanofabrication processes, an extensive palette of geometries can be designed. In addition, their magnetic configuration can be visualised directly, at the scale of the spin degree of freedom, using magnetic imaging techniques. Local and global quantities can then be measured conveniently, in real space and time, at almost any desired temperature. This PhD work focuses on such artificial spin systems, and more specifically on the square geometry, which was initially proposed as a two-dimensional (2D) counterpart of the three-dimensional (3D) pyrochlore crystal structure. However, this 2D approach removes the magnetic frustration present in 3D, and the system orders in a conventional antiferromagnetic fashion rather than exhibiting a highly degenerate, liquid-like ground state. Following a strategy proposed in the literature, arrays of nanostructures consisting of two vertically offset sub-lattices were fabricated to restore frustration, enabling to reach a spin liquid regime experimentally. Imaging the magnetic configurations obtained after a field demagnetisation protocol, the analysis of the spin-spin correlations reveals deviations from what is predicted by the (short-range) square ice model. Comparing the experimental findings to Monte Carlo simulations, our results indicate that long-range magnetostatic interactions are not washed out in our arrays, contrary to what was initially thought. Then, these artificial square ice structures were used to understand to what extent the field demagnetisation protocol we apply is a stochastic process. To do so, we studied the magnetic configurations obtained after successive field protocols. Our results show that each captured magnetic micro-state differs substantially from the previous one, but not entirely. Analysing the corresponding spin and vertex configurations, we demonstrate that our field protocol is a stochastic process, although we also observe unambiguous signatures of magnetic determinism that we attribute to the presence of quenched disorder. The possible sources of randomness in our experiment are discussed. Finally, we explore the behaviour of a series of field-demagnetised conventional (non-offset) square arrays, in which the lattice parameter is gradually varied to tune the interaction strengths. Comparing the experimental vertex populations and spin-spin correlations to Monte Carlo predictions, we show that the lattice series is well approximated by a unique short-range spin Hamiltonian probed at different effective temperatures. In other words, the lattice parameter can serve as a knob to probe the thermodynamics of a given spin model.
In the past two decades, artificial spin ice systems have become a powerful experimental platform to investigate cooperative magnetic phenomena often associated with highly frustrated magnets. Compared to their natural counterparts, artificial spin ice systems made of interacting magnetic nanostructures offer several key advantages. Being engineered through nanofabrication processes, an extensive palette of geometries can be designed. In addition, their magnetic configuration can be visualised directly, at the scale of the spin degree of freedom, using magnetic imaging techniques. Local and global quantities can then be measured conveniently, in real space and time, at almost any desired temperature. This PhD work focuses on such artificial spin systems, and more specifically on the square geometry, which was initially proposed as a two-dimensional (2D) counterpart of the three-dimensional (3D) pyrochlore crystal structure. However, this 2D approach removes the magnetic frustration present in 3D, and the system orders in a conventional antiferromagnetic fashion rather than exhibiting a highly degenerate, liquid-like ground state. Following a strategy proposed in the literature, arrays of nanostructures consisting of two vertically offset sub-lattices were fabricated to restore frustration, enabling to reach a spin liquid regime experimentally. Imaging the magnetic configurations obtained after a field demagnetisation protocol, the analysis of the spin-spin correlations reveals deviations from what is predicted by the (short-range) square ice model. Comparing the experimental findings to Monte Carlo simulations, our results indicate that long-range magnetostatic interactions are not washed out in our arrays, contrary to what was initially thought. Then, these artificial square ice structures were used to understand to what extent the field demagnetisation protocol we apply is a stochastic process. To do so, we studied the magnetic configurations obtained after successive field protocols. Our results show that each captured magnetic micro-state differs substantially from the previous one, but not entirely. Analysing the corresponding spin and vertex configurations, we demonstrate that our field protocol is a stochastic process, although we also observe unambiguous signatures of magnetic determinism that we attribute to the presence of quenched disorder. The possible sources of randomness in our experiment are discussed. Finally, we explore the behaviour of a series of field-demagnetised conventional (non-offset) square arrays, in which the lattice parameter is gradually varied to tune the interaction strengths. Comparing the experimental vertex populations and spin-spin correlations to Monte Carlo predictions, we show that the lattice series is well approximated by a unique short-range spin Hamiltonian probed at different effective temperatures. In other words, the lattice parameter can serve as a knob to probe the thermodynamics of a given spin model.
Description
Citation
BRUNN, O. Polem demagnetizované umělé systémy spinového ledu na čtvercové mřížce: dalekodosahové interakce, původ stochasticity a efektivní termodynamika [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
Lhotel Elsa (předseda)
Lacour Daniel (člen)
Lassailly Yves (člen)
Hehn Michel (člen)
Ranno Laurent (člen)
doc. Ing. Alexandr Knápek, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
Defence
Ondřej Brunn presented his PhD work entitled "Field demagnetised artificial square ice magnets: long-range interactions, origin of stochasticity and effective thermodynamics" in a fluid, dynamical and highly professional way. The jury unanimously appreciated the exceptional quality of the presentation which was didactic and pedagogical. His choice to follow a different plan from the manuscript highlighted the most original results of his thesis. As such he successfully conveyed the points, which were significant for him. During his presentation Ondřej Brunn delivered a very clear message about the state of the art of the outstanding square ice physics. He covered all the aspects of his PhD thesis, from sample fabrication, measurements to data analysis and modeling. The jury was impressed by the quantity and the quality of his work. There was a wide range of questions covering lithography, MFM, pattern recognition, micromagnetism and Monte Carlo simulations as well as the state of the art. Ondřej Brunn was able to discuss all these points demonstrating that he clearly dominates his subject. He gave very relevant answers regarding all the addressed topics from bibliography to experimental details and modeling. His very good communications skills were revealed in the responses to the questions reflecting his ability to collaborate. Through the discussion, the jury appreciated his scientific skills and is fully convinced that Ondřej Brunn has all the requested qualities to pursue an academic career. The jury unanimously endorses awarding Ondřej Brunn a PhD degree of the University Grenoble Alpes in the speciality "Physique des Materiaux" and a PhD degree of the Brno University of Technology in the study programme "Advanced Materials and Nanosciences", all based on the "Agreement for Joint Thesis Supervision of Mr. Ondřej Brunn" dated on the 15 November 2019.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení