|
Field demagnetised artificial square ice magnets: long-range interactions, origin of stochasticity and effective thermodynamics
Brunn, Ondřej ; Lacour, Daniel (referee) ; Lassailly,, Yves (referee) ; Kolařík, Vladimír (advisor)
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.
|