Proposta para realização de correntes magnéticas em gelos de spin artificiais

Abstract

Gelo de spin é uma substância que não possui um único estado de mínima energia. Mesmo a temperaturas muito baixas, esses compostos apresentam uma entropia residual, assim como no gelo da água. O ordenamento magnético de um gelo de spin se assemelha a posição dos átomos de hidrogênio no gelo da água, dispostas em um tetraedro e obedecendo a chamada regra do gelo. Os gelos de spin naturais mais comuns são compostos de titanato de hólmio e titanato de disprósio. Este sistema é sujeito à frustração geométrica, quando todas as interações entre pares não são satisfeitas simultaneamente. Os gelos de spin artificiais são estruturas que possuem monodomínios magnéticos sujeitos a frustração geométrica gerando pares monopolo­antimonopolo (ou cargas magnéticas) ligados por uma string observável. Assim como o fluxo de cargas elétricas produz corrente elétrica, monopolos magnéticos podendo andar livremente, geram algo parecido com uma corrente magnética nesses sistemas frustrados. Neste trabalho fabricamos e caracterizamos estruturas de gelos de spin artificiais, produzidas por técnicas de nanolitografia, dispostas em uma rede retangular unidirecional e caracterizadas por Microscopia de Força Atômica (AFM) e Microscopia de Força Magnética (MFM). Observamos que para esta rede em particular, resultados experimentais do estado fundamental condizem com os resultados teóricos também apresentados neste trabalho. Assim, estes sistemas de gelos de spin artificiais são uma proposta para uma utilização prática de correntes magnéticas, causadas pela aplicação de um campo magnético externo. Este sistema pode ser utilizado a temperatura ambiente e seus parâmetros, como tamanho das nanoilhas e espaçamento de rede, podem ser ajustados a vontade.

Spin ice is a substance that does not have a single minimal­energy state. Even at very lower temperatures, these compounds shows a residual entropy as well as the water ice. The magnetic ordering of a spin ice resembles the position of hydrogen atoms in water ice, arranged in a tetrahedron and obeying the the ice rule. The most prominent ice spin compounds are holmium titanate and dysprosium titanate. This system is subject to geometrical frustration, when all interactions between pairs are not satisfied simultaneously. The artificial spin ice are structures that have magnetic monodomains subject to geometrical frustration generating mono pole ­ antimonopole pairs (or magnetic charges ) connected by an observable string. As the flow of electrical charges produces electric current, magnetic monopoles that can walk freely generate something like a magnetic current in these frustrated systems. In this work we manufacture and characterize structures of artificial spin ice, produced by nanolithography techniques, arranged in a rectangular unidirectional lattice and characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and Magnetic Force Microscopy (MFM). We note that for this particular lattice, the experimental results of ground state are consistent with the theoretical results also presented in this dissertation. Thus, these systems of artificial spin ice are a proposal for a practical use of magnetic currents caused by application of an external magnetic field. This system can be used at room temperature and its parameters, as nanoislands size and lattice spacing can be turned at will.