Spin Ice Systeme sind frustrierte magnetische Systeme, bei denen die geometrische Frustration zur Entartung des Grundzustands führt und angeregte Zustände ermöglicht, in denen magnetische Ladungen quantifiziert werden können. Die kryogenen Temperaturen und die atomaren Skalen erschweren die Kontrolle der magnetischen Ladungen, die auch als "magnetische Monopole" bezeichnet werden. Artificial Spin Ice Systeme sind magnetische Metamaterialien, die hergestellt werden, um die magnetischen Ladungen auf besser zugänglichen Plattformen zu untersuchen. Die magnetischen Momente einzelner Atome von Spin Ice Materialien werden durch längliche magnetische Inseln ersetzt, die aufgrund der Formanisotropie immer entlang ihrer längeren Achse magnetisiert sind. Üblicherweise auf quadratischen oder hexagonalen Gittern angeordnet, kann jede Nanoinsel ihren Magnetisierungszustand umkehren, wenn dem System genügend Energie zugeführt wird. Ist die zugeführte Energie größer als die erforderliche Schaltbarriere, kann die Magnetisierung eines ASI-Elements umgekehrt werden. In dieser kumulativen Masterarbeit werden die Schaltmechanismen hinter den Umkehrungen einzelner magnetischer Elemente in ASI untersucht. In dem ersten veröffentlichten Artikel werden verschiedene Methoden zur Berechnung der Energiebarrieren in einem quadratischen ASI verglichen und ein vollständiges mikromagnetisches Modell unter Verwendung der String-Methode entwickelt. Es wird gezeigt, dass eine korrekte mikromagnetische Modellierung die mittleren Feldbarrieren um 35% senken kann. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Umkehrprozess durch eine Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen kann, was zu einer Neudefinition der Schaltraten führt, wenn beide Barrieren betrachtet werden. In einer zweiten Veröffentlichung wurde das entwickelte vollständige mikromagnetische Modell angewandt, um die experimentellen Ergebnisse zu erklären, bei denen das ASI-Gitter, das auf einer Schwermetallschicht (Pt) gewachsen ist, thermisch superaktiv wird, da die asymmetrische Austauschwechselwirkung, die durch die Pt Schicht verursacht wird, die Energiebarrieren senkt und eine effektive Hartachsenanisotropie einführt. Eine umfassendere Studie über die Umkehrmechanismen sowie die zeitliche und räumliche Korrelation der Schaltprozesse in ASI wurde in einer dritten Veröffentlichung untersucht. In der letzten Publikation dieser Masterarbeit wurde ein neuartiges dreidimensionales ASI entworfen, das alle Magnel des herkömmlichen ASI behebt. Hier werden die Schaltmechanismen und Barrieren untersucht, um zu beweisen, dass die Spannung der Dirac-Strings verschwindet und dass die im Gitter vorhandenen magnetischen Ladungen effektiv ungebunden werden, was zu unkorrelierten, sehr mobilen, binären Informationsträgern führt.

Spin Ice systems are frustrated magnetic systems, where the geometrical frustration gives rise to degeneracy of the ground-state, and enables excited states, where magnetic charges can be quantified. The cryogenic temperatures, and atomic sizes make it difficult to control these magnetic charges, also commonly referred to as "emergent magnetic monopoles". Artificial spin ice systems are magnetic meta-materials fabricated to study the magnetic charges on more accessible platforms. Magnetic moments of single atoms from spin ice materials, are replaced by the elongated magnetic islands, always magnetized along their longer axis due to the shape anisotropy. Commonly arranged on square, or hexagonal lattices, each nanoisland can reverse its magnetization state, if enough energy is introduced in the system. If the energy supplied is larger than the required switching barrier, the magnetization of one ASI element can be reversed. In this cumulative Master thesis the switching mechanisms behind the reversals of single magnetic elements in ASI are investigated. In the first published article, different methods for the calculation of the energy barriers in a square ASI are compared, and a full micromagnetic model using the string method was developed. It is shown, that proper micromagnetic modelling can lower the mean-field barriers by 35%. Furthermore, it was shown, hat the reversal process can occur via clockwise or counterclockwise rotation, leading to a redefinition of switching rates, where both barriers are encountered. In a second publication, the developed full micromagnetic model was applied to explain the experimental findings, where the ASI lattice grown on top of a heavy metal layer (Pt), becomes thermally super-active, as the asymmetric interaction causes by the HM layer lowers the energy barriers, introducing an effective hard-axis anisotropy. A more comprehensive study on the reversal mechanisms, temporal and spatial correlation of the switching processes in ASI were investigated in a third publication. Here, it was shown that the switching mechanisms can be magneto-statically or exchange dominated, based on the shape of the magnetic nano-islands. In the final publication included in this Master thesis, a novel three dimensional ASI was designed, which solves all the shortcomings of the conventional ASI. Here, the switching mechanisms and barriers are investigated to prove that the tension of Dirac strings vanishes, and that the magnetic charges present in the lattice become effectively unbound, leading to uncorrelated, highly mobile, binary information carriers.