Propriétés du réseau kagomé artificiel : micromagnétisme, chiralités et cristaux de charges émergents

Properties of artificial Kagomé network : micromagnetism, chiralities and emergent charge crystals

• Auteur / Autrice : Hanna Riahi
• Direction : Michel Hehn, Daniel Lacour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Dragi Karevski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laura Heyderman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Holdsworth, Mathias Klaui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chiralité (physique)

Réseaux cristallins

Basses températures

Ferromagnétisme

Spin

Mots clés libres

Micromagnétisme

Frustration magnétique

Monopoles

Microscopie de force magnétique

Cristal de charges

Couplage dipolaire

Résumé

Cette thèse traite des propriétés des glaces de spins artificielles de type kagomé. Il s'agit de réseaux de nano-aimants magnétiques que nous avons fabriqués par dépôt d'un film mince, lithographie électronique et gravure ionique. Les éléments de la maille appelés brins possèdent des tailles typiques que 500 nm de long, 100 nm de large et 10nm d'épaisseur. L'intérêt de ces brins mésoscopiques repose sur la possibilité d'en déterminer la configuration magnétique par imagerie. Les caractérisations réalisées après désaimantation nous ont permis de mettre en évidence l'impact des différents types de désaimantation et de faire apparaître pour la première fois un polycristal de charges. Pour approfondir notre compréhension de ce système, nous avons aussi réalisé une étude numérique. Nous avons montré que les brins ne se comportent pas comme des spins d'Ising. En effet, la configuration d'aimantation d'un brin peut s'apparenter à une configuration homogène avec un domaine de fermeture aux deux extrémités. Nous avons étudié l'impact de ces configurations de bout de brins dans le renversement de l'aimantation des réseaux. Nous montrons également expérimentalement que le renversement peut être très anisotrope. L'origine de cette anisotropie a été étudiée. Enfin, nous montrons numériquement que lorsqu'une configuration interdite est stabilisée, les domaines de fermeture ferment le flux laissant apparaître deux chiralités qui possèdent des champs de disparition différents lorsque le champ est appliqué hors axe de la nanostructure. D'un point de vue expérimental, nous avons tenté de mettre en évidence l'existence de cette chiralité des monopoles

The subject of this thesis is the study of artificial kagome spin ices which are frustrated networks of nanomagnets. These arrays are made using thin film deposition, electron beam lithography and ion beam etching. The typical sizes of each nanomagnet are a length of 500nm, a width of 100nm and a thickness of 10nm with a separation between nanomagnets of 50nm. The interest of these frustrated networks relies on the possibility to measure the magnetic configurations by imagery and extract the macrospin configurations. In this work we have especially compared different demagnetization procedures (field and thermal) that allowed us to highlight their impact on the configurations and we have shown for the first time an emergent polycristal of charges. To have a better understanding of our system, we have also conducted a numerical study using finite difference methods. We have shown that nanomagnets do not behave like Ising spin. Indeed, the magnetic configuration is shown to be homogeneous with domains at extremities. In the array, the domains close the flux at a vertex and the effects of those domains on the magnetization reversal of our networks have been studied. We have also shown experimentally that the reversal can be anisotropic. The origin of this anisotropy has been studied. Finally, we have numerically shown that, when a forbidden configuration is stabilized, the closure of the flux at the vertex leads to chiralities of the forbidden state. These chiralities possess different annihilation fields when the fields are applied out of the nanostructure axis. From an experimental point of view, we tried to show the existence of this monopole chirality using adapted field histories