Nanofabrication and investigation of ground state degeneracy in artificial spin ice lattices

Abstract

Arrays of geometrically frustrated nanomagnets known as artificial spin ices (ASIs) have been proposed as an intriguing system for investigating collective excitations that behave as emergent magnetic monopoles at room temperature. This was only made possible due to advances in lithography techniques, enabling the nanofabrication of two-dimensional lattices with potential use in devices. However, in general, in these artificial systems, emergent magnetic monopoles cannot move freely as in their natural counterpart because energy strings connecting monopoles of opposite charges arise. Furthermore, the energy of the string connecting them is strictly related to the non-degeneracy of the ground state. Therefore, several theoretical works have proposed that two-dimensional lattices with specific geometries could exhibit a highly degenerate ground state and, consequently, free monopoles in the lattice. Such specific geometries are rectangular arrays of disconnected nanomagnets, where the ratio between the horizontal and vertical distances between them is equal to square root of three; and connected square arrays of nanomagnets. In this context, the present work aimed to experimentally investigate the proposed degeneracy in such ASI geometries through characterization techniques such as magnetic force microscopy and magnetoresistance. Additionally, these systems are usually fabricated by nanofabrication processes involving expensive and time-consuming physical vapor deposition techniques. As a possible solution to this problem, we present a new nanofabrication route using the electrodeposition technique for the growth of Permalloy, offering an alternative to manufacture ASIs quickly and affordably. Keywords: artificial spin ice; ground state degeneracy; electrodepositionMatrizes de nanomagnetos geometricamente frustrados, denominadas spin ices artificiais (ASIs), foram propostas como um sistema interessante para investigar excitações coletivas que se comportam como monopolos magnéticos emergentes à temperatura ambiente. Isso só foi possível devido à avanços nas técnicas de litografia, que possibilitaram a nanofabricação de redes bidimensionais com potencial uso em dispositivos. Porém, em geral, nesses sistemas artificiais os monopolos magnéticos emergentes não podem se mover livremente como em sua contraparte natural, uma vez que surgem cordas energéticas conectando os monopolos de cargas opostas. Ademais, a energia da corda que os conecta está estritamente relacionada à não degenerescência do estado fundamental. Por isso, diversos trabalhos teóricos propuseram que redes bidimensionais com geometrias específicas poderiam apresentar um estado fundamental altamente degenerado e, consequentemente, monopolos livres na rede. Tais geometrias específicas são as redes retangulares de nanomagnetos não conectados, cuja razão entre as distâncias horizontal e vertical entre eles é igual a raiz quadrada de três; e redes quadradas de nanomagnetos conectados. Neste aspecto, o presente trabalho pretendeu investigar experimentalmente a degenerescência proposta em tais geometrias de ASIs através de técnicas de caracterização por microscopia de força magnética e magnetorresistência. Além disso, esses sistemas são usualmente fabricados por processos de nanofabricação envolvendo técnicas caras e demoradas de deposição física de vapor. Como possível solução para este problema, também apresentamos uma nova rota de nanofabricação usando a técnica de eletrodeposição para crescimento de Permalloy, oferecendo uma alternativa para fabricar ASIs de forma rápida e de baixo custo. Palavras-chave: gelo de spin artificial; degenerescência do estado fundamental; eletrodeposição