Réseaux artificiels de nanostructures magnétiques

Artificial arrays of magnetic nanostructures

• Auteur / Autrice : Vojtech Schanilec
• Direction : Nicolas Rougemaille, Tomáš Šikola
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 12/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Brno University of Technology (MAIS)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble) - Brno University of Technology (MAIS)
• Jury : Président / Présidente : Elsa Lhotel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lacour, Ales Hrabec, Laurent Ranno, Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Radimir Vrba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Mougin, Julian Carrey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanostructures

Mots clés libres

Systèmes de spin artificiel

Frustration géométrique

Micromagnétisme

Système de spin dipolaire kagome

Système de spin carré

Artificial spin systems

Geometrical frustration

Micromagnetism

Kagome dipolar spin system

Square spin system

Résumé

Les réseaux artificiels bidimensionnels de nanoaimants en interaction sont un terrain de jeu puissant pour sonder la physique des modèles de spin du réseau. Des systèmes de spin artificiellement conçus ont été introduits pour imiter le comportement des cristaux de pyrochlore frustrés. L'amélioration récente des techniques de nano-fabrication nous permet de fabriquer n'importe quel système artificiel souhaité dans l'environnement de contrôle du laboratoire. Ainsi, des simulateurs artificiels de la matière peuvent être réalisés et utilisés pour une étude plus poussée du phénomène recherché.L'avantage d'utiliser des objets nanomagnétiques comme blocs de construction de réseaux artificiels est que de petites structures magnétiques peuvent effectivement être considérées comme des spins d'Ising classiques géants. Par conséquent, élever le problème des spins frustrés dans les cristaux de pyrochlore à de telles dimensions afin que le système puisse être étudié avec des techniques d'imagerie spatiale réelle.Avec des techniques d'imagerie telles que la microscopie à force magnétique, l'ordre de chaque macrospin d'Ising peut être visualisé dans l'espace réel, ce qui nous permet non seulement d'examiner la propriété globale du système dans son ensemble, mais aussi de voir comment les interactions locales sont adaptées.Être capable de fabriquer des systèmes artificiels capturant la physique souhaitée et la comparant à la contrepartie réelle de la nature mesure notre compréhension du problème. Il peut également offrir une information manquante. De plus, certaines propriétés des systèmes sont émergentes et non codées dans les hamiltoniens théoriques décrivant les systèmes. De telles propriétés semblent sortir de nulle part, et avec des systèmes artificiels et la capacité de visualiser ces systèmes, nous pouvons analyser ces propriétés.Cette thèse porte sur l'étude de deux types de systèmes : les systèmes de spin kagome et dipolaire carré. Ces deux systèmes sont le résultat des projections des cristaux tridimensionnels de pyrochlore dans un plan. De plus, les deux systèmes présentent un comportement assez inhabituel, qui reste à mesurer à grande échelle dans l'espace réel. Le système de spin dipolaire kagome a une phase à faible énergie appelée liquide de spin 2, qui héberge un comportement de spin inhabituel. Les spins de cette phase sont ordonnés et désordonnés simultanément, une propriété émergente unique du système sans équivalent.D'autre part, le système de spin carré est un terrain de jeu parfait pour étudier la physique exotique des liquides de spin et de la phase de Columb et le comportement des quasi-particules magnétiques de type monopôle.L'approche habituelle lors de la fabrication de systèmes de spin artificiels consiste à les construire à partir de nanoaimants à domaine unique qui interagissent via des interactions dipolaires à longue portée. Par conséquent, les systèmes tentent de minimiser les interactions entre toutes les paires de macrospins d'Ising. Cependant, l'idée centrale de cette thèse est de connecter tous les nanoaimants en un seul réseau macro, introduisant ainsi les effets micromagnétiques dans les systèmes. La magnétisation essaie de satisfaire les énergies micromagnétiques au site du vertex. Par conséquent, nous remplaçons efficacement le degré de liberté de spin par un bouton micromagnétique qui peut être utilisé pour régler l'énergie de chaque sommet en introduisant des défauts topologiques spécialement conçus.Même si les deux systèmes sont au centre des préoccupations des chercheurs depuis près de vingt ans, nous pensons que nos modifications ouvrent une porte d'entrée pour accéder pleinement à la physique exotique encore à découvrir.

Two-dimensional artificial arrays of interacting nanomagnets are a powerful playground for probing the physics of the lattice spin models. Artificially designed spin systems were introduced to mimic the behaviour of the frustrated pyrochlore crystals. Recent improvement in nano-fabrication techniques allows us to fabricate any desired artificial system in the lab control environment. Therefore artificial simulators of the matter can be produced and used for more advanced study of the desired phenomenons.The advantage of using nanomagnetic objects as building blocks of artificial lattices is that small magnetic structures can effectively be considered giant classical Ising spins. Therefore elevating the problem of frustrated spins in pyrochlore crystals into such dimensions so the system can be studied with real space imaging techniques.With imaging techniques such as magnetic force microscopy, the ordering of each Ising macrospin can be visualised in real space, enabling us to look not only at the global property of the system as a whole but to see how local interactions are accommodated.Being able to fabricate artificial systems capturing the desired physics and comparing it to the real nature counterpart measures our understanding of the problem. It can also offer a missing piece of information. Furthermore, there are properties of the systems which are emergent and not encoded in the theoretical Hamiltonians describing the systems. Such properties seem to come out of nowhere, and with artificial systems and the ability to visualise these systems, we can analyse such properties.This thesis focus on studying two types of systems: kagome and square dipolar spin systems. Both these systems are the results of the projections of the three-dimensional pyrochlore crystals into a plane. Moreover, both systems exhibit rather unusual behaviour, which is still to be measured on a large scale in real space. The dipolar kagome spin system has a low energy phase called textit{spin liquid 2}, which hosts unusual spin behaviour. The spins in this phase are ordered and disordered simultaneously, a unique emergent property of the system with no equivalent.On the other hand, the square spin system is a perfect playground for studying the exotic physics of spin liquids and the Columb phase and the behaviour of magnetic monopole-like quasi-particles.The usual approach when fabricating artificial spin systems is to build them up out of single-domain nanomagnets which interact via long-range dipolar interactions. Therefore the systems try to minimise the interactions between all pairs of the Ising macrospins. However, the central idea of this thesis is to connect all the nanomagnets into one macro lattice, therefore introducing the micromagnetic effects into the systems. Magnetisation tries to satisfy the micromagnetic energies at the vertex site. Hence, we effectively replace the spin degree of freedom with a micromagnetic knob which can be used to tune each vertex's energy by introducing specially designed topological defects.Even though both systems have been the focus of researchers for almost twenty years, we believe that our modifications open a gateway to fully accessing the exotic physic yet to uncover.