Project

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Thermodynamics of Artificial Two-Dimensional Frustrated Systems

English title Thermodynamics of Artificial Two-Dimensional Frustrated Systems
Applicant Farhan Alan
Number 167642
Funding scheme Advanced Postdoc.Mobility
Research institution Lawrence Bekeley National Lab Advanced Light Source
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.12.2016 - 30.11.2017
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Keywords (1)

Nanomagnetism, microscopy, scattering, frustration

Lay Summary (German)

Lead
Frustration ist ein Phänomen, dass in vielen Systemen in der Natur eine tragende Rolle spielt und tritt immer dann auf, wenn Wechselwirkungen innerhalb eines Systems nie gleichzeitig erfüllt werden können. Wir untersuchen das thermodynamische Verhalten magnetisch frustrierter Systeme, bestehend aus dipolar gekoppelten ferromagnetischen Elementen. Hierzu werden modernste lithographische methoden angewandt, um Nanomagnete auf Oberflächen zu erzeugen deren magnetische Momente spontan fluktuieren. Durch die Anwendung von Röntgenbasierter Mikroskopie, ist es dann möglich diese Fluktuationen direk Sichtbar zu machen und erlaubt es uns Frustration direkt in Echtzeit zu beobachten.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojeckts

 

Im Rahmen unserer Spin-Eis-Forschung tendiert unser Forschungsprojekt in zwei Richtungen. Erstens, möchten wir die thermodynamik klassischer Spin-Eis-Strukturen, die aus wesentlich kleineren Magneten bestehen untersuchen. Zweitens, werden wir neue exotische Geometrien entwerfen, die ebenfalls Frustration aufweisen und deren Thermodynamik untersuchen. Dies werden wir hauptsächlich mit synchrotronbasierter Röngten-Mikroskopie und Streuung durchgeführen. Für beide Projektrichtungen ist das Ziel einen tieferen Einblick in die Eigenschaften dieser frustrierten Systeme als Funktion der Temperatur zu erhalten. Dies wird uns ermöglichen, Rückschlüsse auf die Signifikanz kollektiver phenomäne in diesen Systemen zu ziehen. Dies reicht von Phasenübergängen bis hin zu den sogenannten magnetischen Monopolen.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Auf fundamentaler Ebene zielt das Projekt darauf ab ein tieferes Verständnis einfacher Vorgänge in frustrierten Systemen zu erhalten.

Weiters besteht die Möglichkeit, dass die Optimierung der oben genannten Untersuchungsmethoden zu deren zukünftigen Anwendung in neue Forschungsgebiete einhergeht.

Direct link to Lay Summary Last update: 17.06.2016

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Tuning magnetic ordering in a dipolar square-kite tessellation
Petersen Charlotte F., Farhan Alan, Dhuey Scott, Chen Zuhuang, Alava Mikko J., Scholl Andreas, van Dijken Sebastiaan (2018), Tuning magnetic ordering in a dipolar square-kite tessellation, in Applied Physics Letters, 112, 092403.
Emergent dynamic chirality in a thermally driven artificial spin ratchet
Gliga Sebastian, Hrkac Gino, Donnelly Claire, Büchi Jonathan, Kleibert Armin, Cui Jizhai, Farhan Alan, Kirk Eugenie, Chopdekar V. Rajesh, Masaki Yusuku, Bingham S. Nicholas, Scholl Andreas, Stamps L. Robert, Heyderman J. Laura (2017), Emergent dynamic chirality in a thermally driven artificial spin ratchet, in Nature Materials, 1.
Nanoscale control of competing interactions and geometrical frustration in a dipolar trident lattice
Farhan Alan, Petersen F. Charlotte, Dhuey Scott, Anghinolfi Luca, Qin Qi Hang, Saccone Michael, Velten Sven, Wuth Clemens, Gliga Sebastian, Mellado Paula, Alava J. Mikko, van Dijken Sebastiaan (2017), Nanoscale control of competing interactions and geometrical frustration in a dipolar trident lattice, in Nature Communications, 8, 995.
Magnetic charge and moment dynamics in artificial kagome spin ice
Farhan A., Derlet P. M., Anghinolfi L., Kleibert A., Heyderman L. J. (2017), Magnetic charge and moment dynamics in artificial kagome spin ice, in Physical Review B, 96(6), 064409-064409.
Phase coexistence and electric-field control of toroidal order in oxide superlattices
Damodaran A. R., Clarkson J. D., Hong Z., Liu H., Yadav A. K., Nelson C. T., Hsu S.-L., McCarter M. R., Park K.-D., Kravtsov V., Farhan A., Dong Y., Cai Z., Zhou H., Aguado-Puente P., García-Fernández P., Íñiguez J., Junquera J., Scholl A., Raschke M. B., Chen L.-Q., Fong D. D., Ramesh R., Martin L. W. (2017), Phase coexistence and electric-field control of toroidal order in oxide superlattices, in Nature Materials, 16(10), 1003-1009.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
APS March Meeting 2017 Talk given at a conference Thermodynamics of Polaronic States in Artificial Spin Ice 13.03.2017 New Orleans, United States of America Farhan Alan;


Awards

Title Year
Rückkehr CH Advanced Postdoc.Mobility 2017

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
174306 Emergent Phenomena in Artificial Frustrated Systems and Oxide Superlattices 01.12.2017 Return CH Advanced Postdoc.Mobility
158793 Thermodynamics of Artificial Two-Dimensional Frustrated Systems 01.06.2015 Early Postdoc.Mobility

Abstract

The goal of this project is to perform further exploration of the thermodynamics in two-dimensional artificial frustrated systems. Taking advantage of state-of-the-art nanofabrication tools, we will design and fabricate novel geometrically frustrated magnetic metamaterials. Then, using synchrotron-based sample characterizations methods such as photoemission electron microscopy (PEEM), we aim to investigate the thermodynamics of these systems with the main goal to explore a variety of emergent phenomena ranging from emergent magnetic monopoles, magnetic charge screening effect, to novel types of emergent frustration.
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