Energy-efficient control of magnetic states

Abstract

Encoding data with magnetic states is currently used in various devices for data transmission, storage, and processing. The operating principle in these devices is often based on controlled switching, e.g., using a pulse of an external magnetic field, between stable magnetic states characterized by a certain direction of magnetization. However, for each act of magnetization change, a certain amount of energy is used. The challenge is to ensure that this operation is energy-efficient. In this thesis, we present the development and implementation of a theoretical framework for energy-efficient control of magnetization using an external magnetic field. The theory makes it possible to identify optimal control paths (OCPs) -- dynamical transition trajectories in the configuration space connecting the target states in the magnetic system and minimizing the energy cost -- from which all properties of optimal control pulses, including spatial and temporal distribution are systematically obtained without the need for an exhaustive scan over a range of amplitudes, frequencies or shapes. Therefore, the theory provides fundamental knowledge about the optimal manipulation of magnetization and solutions for low-power digital technologies based on magnetic materials. The theory is applied to the problem of energy-efficient control of magnetization switching in uniaxial and biaxial nanoparticles, as well as nanowires. For these systems, we show that following an OCP involves the rotation of magnetic moments in a manner that minimizes the impact of external stimuli while effectively harnessing the system's internal dynamics to facilitate the desired change in magnetization. Additionally, we show that the derived optimal switching protocols are robust with respect to thermal fluctuations in the technologically relevant regime and when the perturbation in the material parameters is not too large. Finally, we develop a method for enhancing the thermal stability of energy-efficient magnetization switching by applying an additional longitudinal magnetic field. The time-dependence of the stabilizing field can be obtained in a definite way by demanding bound dynamics of local perturbations induced by the thermal bath. The work presented in this thesis facilitates the development of energy-efficient information technology based on magnetic materials.

Skráning gagna með segulástöndum er nú notuð í ýmiskonar tækni fyrir gagna utning, geymslu og úrvinnslu. Þessi tækni byggist á því að geta stjórnað breytingum á seguástöndum, t.d. með púls af ytra segulsviði sem breytir stefnu seglunar. Hver segulbreyting krefst orku og það er mikilvægt að minnka þessa orkunotkun eins mikið og mögulegt er. Þessi ritgerð lýsir þróun og innleiðingu á kennilegri umgjörð fyrir stjórn segulástanda með segulsviði þar sem orkunotkunin er lágmörkuð. Með þessari aðferð er hægt að nna bestu stjórn ferla (BSF), þ.e. ferla fyrir breytingu í segulstefnu milli ge nna segulástanda þannig að lágmarksorku er kra st, og leiða út bestu stjórnpúlsa, bæði í tíma og rúmi, á ker sbundinn hátt, án þess að skanna útslag, tíðni og lögun púlsanna. Þessi aðferðafræði veitir því grundvallarþekkingu fyrir bestu stjórn á seglun og lausnum fyrir lág-orku stafræna tækni sem byggist á seglandi efnum. Aðferðafræðinni er beitt á stjórn segulbreytinga í nanóögnum með einum og tveimur segulásum, sem og nanóvírum. Fyrir þessi ker er sýnt fram á að BSF fela í sér snúnig segulvigra á þann hátt sem krefst lágmarksáhrifa af ytra sviðinu á meðan eiginleg tímaframvinda kerfanna nýtist sem best til að fá fram breytingarnar úr einu segulástandi í annað. Þar að auki er sýnt fram á að lausnirnar sem fást fyrir bestu aðferðirnar fyrir seglunarbreytingar eru ekki næmar fyrir áhrifum hitastigs innan þeirra marka sem eru eðlileg fyrir notkun í tækni eða fyrir frávikum í efnaeiginleikum svo lengi sem þau eru ekki of stór. Að lokum, er þróuð aðferð til að auka enn frekar stöðulgeika bestu ferlanna með því að bæta við segulsviði langsum. Tímaframvindu stöðgunarsviðsins er hægt að ákvarða með því að stja mörk á staðbundnar tru anir frá varmabaðinu. Aðferðafræðin sem lýst er í ritgerðinni auðveldar þróun á upplýsingatækni byggða á segulástöndum þar sem orkunotkunin er lágmörkuð.