Réseaux artificiels à frustration géométrique

par Yann Perrin

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Benjamin Canals et de Nicolas Rougemaille.

Soutenue le 21-10-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Virginie Simonet.

Le jury était composé de Daniel Lacour.

Les rapporteurs étaient André Thiaville, Peter Holdsworth.


  • Résumé

    Les réseaux de nanoaimants à frustration géométrique font l'objet d'investigations depuis maintenant une décennie. Ils permettent de réaliser expérimentalement des modèles de spins théoriques qui n'ont parfois pas d'équivalent naturel. Ces réseaux présentent, entre autres, l'intérêt d'offrir un accès direct aux configurations locales de spin. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à réaliser expérimentalement le modèle dit de "glace carrée" dans un réseau nanoaimants. Ce modèle hautement frustré présente un état fondamental massivement dégénéré, à l'origine de son entropie résiduelle à basse température. Dans ce travail, nous allons présenter deux approches permettant de réaliser le modèle de glace carrée.La première consiste à introduire dans le réseau carré conventionnel des nanoaimants supplémentaires. Sous certaines conditions, ceux-ci agissent en modifiant les couplages effectifs entre les aimants du réseau principal. Pour cela, les aimants additionnels doivent se comporter passivement vis à vis du réseau principal. Dans une étude théorique, nous montrerons que l'analyse du hamiltonien dans l'espace réciproque échoue à saisir les propriétés essentielles de ce nouveau modèle. C'est en calculant l'énergie de configurations aléatoires de spins que nous prouverons que notre système présente les caractéristiques recherchées. Nous porterons une attention particulière à l'effet de la portée et de la nature des interactions entre aimants. Grâce à des simulations micromagnétiques par différences finies, nous déterminerons les géométries pertinentes à employer pour une réalisation expérimentale. Grâce aux outils de microfabrication disponibles au laboratoire, nous avons pu fabriquer de tels réseaux. Les aimants sont constitués de permalloy mince, ce qui leur permet d'atteindre un régime superparamagnétique lors d'un recuit thermique. Nous avons observé que les aimants additionnels influencent comme prévu la physique du réseau carré. Un biais expérimental a cependant engendré une aimantation rémanente élevée dans certains réseaux. Cet effet a malheureusement masqué les corrélations caractéristiques attendues dans le modèle de glace carrée. Mais ces travaux ont permis de mettre en évidence un effet inattendu des aimants additionnels. Ceux-ci semblent stimuler les fluctuations thermiques dans les réseaux qui en sont pourvus.La seconde approche consiste à surélever les aimants orientés dans l'une des deux directions du réseau carré. Nous emploierons une méthodologie similaire à celle décrite précédemment pour l'étude de ce nouveau système. Théoriquement, le contrôle de la surélévation permet d'explorer trois modèles de spins différents, dont le modèle de glace carrée. Nous avons fabriqué des réseaux avec plusieurs surélévations, estimées au moyen de simulations micromagnétiques. Pour des raisons techniques, nous avons cette fois travaillé avec des nanoaimants de permalloy épais. Ils présentent la caractéristique d'être athermiques. Les fluctuations sont alors introduites grâce à un champ magnétique tournant et décroissant. Nous montrerons par des simulations que cette dynamique particulière stimule l'apparition de corrélations ferromagnétiques. La désaimantation réduit alors les surélévations nécessaires à la réalisation du modèle de glace carrée. Nous avons observé expérimentalement que l'effet de la surélévation est parfaitement cohérent avec nos prévisions. Les facteurs de structure que nous avons obtenus prouvent que nous avons réussi à réaliser le modèle de glace avec des nanoaimants. Cette approche nous a permis d'observer pour la première fois une phase de Coulomb dans l'espace direct. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l'étude des excitations existant dans cette phase, analogues à des monopoles magnétiques classiques.

  • Titre traduit

    Artificial geometrically frustrated arrays


  • Résumé

    Since a decade, a big interest has grown about geometrically frustrated nanomagnets arrays. They allow experimental realisation of theoretical spin models, that sometimes have no natural counterpart. In addition to their high flexibility, these networks provide a direct access to local spin configurations. The work presented in this manuscript aims to realise experimentally the so-called "square ice" model, using nanomagnets array. This highly frustrated model has already been theoretically studied. It is found to have a massively degenerated ground state, associated to a residual entropy at low temperature. In this thesis, we present two approaches that should achieve the square ice model.The first one consists to introduce additional magnets in the conventional square nanomagnets array. They can act through an effective coupling between the magnets of the initial network. The condition required is that additional magnets should behave passively against main magnets. We will show in a theoretical study that a reciprocal space analysis of the Hamiltonian fails to grasp the essential properties of the new model. By computing the energy of a number of random spins configurations, we will show that the square ice model can be achieved. A special attention will be paid to the influence of the range and the nature of magnets interactions. Using finite-difference micromagnetic simulations, we will determine the geometries adapted to an experimental realisation. We were able to make such networks using the microfabrication tools available in the laboratory. Our magnets are made of thin permalloy films. This allows the magnets to reach a superparamagnetic regime during a thermal annealing. We observed that additional magnets have the expected influence on square nanomagnets arrays. However, an experimental bias caused a high residual magnetisation in some networks. This effect has unfortunately hided the correlations expected in the square ice model. But this work shown an unexpected effect. Additional magnets appear to enhance thermal fluctuations in the networks.The second approach is to raise the magnets oriented in one of the two directions of the square lattice. For the study of this new system, a methodology similar to that described above will be used. Theoretically, the control of the elevation can explore three different spins models, including the square ice model. We made arrays for different elevations, estimated by micromagnetic calculations. For technical reasons, we worked with thick permalloy nanomagnets. Their thickness makes them insensitive to thermal fluctuations. Fluctuations are then introduced using a decreasing rotating magnetic field. Our simulations show that this particular dynamic stimulates emergence of ferromagnetic correlations. The field demagnetisation then reduce the elevations required for achieving the square ice model. We have experimentally observed that the elevation has an effect perfectly consistent with our previsions. Experimental structure factors show that we succeed to achieve the square ice model with nanomagnets. This approach allowed us to observe, for the first time, a Coulomb phase in the real space. This work opens interesting perspectives for studying the excitations of this phase. It has previously been shown that they are similar to classical magnetic monopoles.


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