Nanopatterning of chiral textures via direct laser writing

Nanomagnetism is a rapidly advancing field with potential applications in medicine, electronics, data storage, and more. This thesis focuses on the use of phase nanoengineering to pattern chiral textures via Direct Laser Writing. This work was conducted on a magnetic multilayer characterized by perpendicular magnetic anisotropy and an exchange bias out-of-plane. The sample also presents the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which sets the chirality of the domain walls. The phase nanoengineering exploits the exchange bias through Direct Laser Writing (DLW) to stabilize chiral textures. This work started by simulating the patterning of the sample and the resulting MFM phase image. The simulation proved the possibility of tuning the chirality of the domain walls via phase nanoengineering, with a visible difference in the MFM phase between a left- and a right-handed Néel wall. The work continues with the characterization of the sample response to patterns at different laser powers, analyzing the variation of the magnetic properties via $\mu$MOKE measurements and via MFM. Studying the modification of magnetic properties in structures with out-of-plane magnetization reveals distinct regimes in which various energy contributions can be selectively tuned. A further study was conducted to verify the reversibility of the patterning, finding a threshold laser power over which the sample properties are permanently changed. Finally, it was experimentally attempted to replicate the tuning of the chirality of the domain walls via phase nanoengineering. The sample was patterned by Direct Laser Writing and then analyzed via MFM imaging, where a difference in the chirality of the domain walls was not identified. A more complex simulation of the patterning that includes the temperature changes may be needed. Furthermore, techniques like the NV center magnetometry could be promising in detecting the tuning of the chirality of the domain walls via Direct Laser Writing. In conclusion, the identification of different regimes as a function of the laser power allows control over the magnetic characteristics of the sample at the nanoscale

Il nanomagnetismo è un campo in rapido sviluppo con potenziali applicazioni in medicina, elettronica, archiviazione dati e altro ancora. Questa tesi si concentra sull'uso del phase nanoengineering al fine di realizzare texture chirali tramite scrittura diretta con laser su un multistrato magnetico caratterizzato da un'anisotropia magnetica perpendicolare e da un bias di scambio fuori dal piano. Il campione è caraterizzato anche dall'interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), che imposta la chiralità delle pareti del dominio. Il phase nanoengineering sfrutta il bias di scambio per modificare il materiale tramite scrittura diretta con laser al fine di stabilizzare texture chirali. La prima parte del lavoro consiste nella simulazione della scrittura diretta con laser sul campione e l'immagine di fase MFM risultante. La simulazione ha dimostrato la possibilità di regolare la chiralità delle pareti del dominio tramite phase nanoengineering, con una differenza visibile nella fase MFM tra una parete Néel sinistrorsa e una destrorsa. Il lavoro prosegue con la caratterizzazione della risposta del campione a pattern realizzati a diverse potenze, analizzando la variazione delle proprietà magnetiche tramite misure $\mu$MOKE e MFM. Lo studio della modifica delle proprietà magnetiche in strutture con magnetizzazione fuori piano consente di identificare diversi regimi, in cui i vari contributi energetici possono essere selettivamente scelti. È stato condotto un ulteriore studio per verificare la reversibilità del patterning, trovando una potenza laser di soglia oltre la quale le proprietà del campione vengono modificate in modo permanente. Infine, è stato tentato sperimentalmente di replicare il controllo della chiralità delle pareti del dominio tramite phase nanoengineering. Il campione è stato modificato tramite scrittura diretta con laser e successivamente analizzato tramite MFM, dove non è stata identificata alcuna differenza nella chiralità delle pareti del dominio. Tecniche come la nitrogen vacancy magnetometry potrebbero essere promettenti nel rilevare il controllo della chiralità delle pareti del dominio tramite scrittura diretta con laser. In conclusione, l'identificazione di diversi regimi in funzione della potenza laser consente il controllo delle caratteristiche magnetiche del campione alla scala nanometrica.