Курс Микромагнетизм
Курс создан для систематизации и изложения материала по микромагнетизму на русском языке (в перспективе и на английском). В этих видео хочу скомпоновать информацию, большая часть которой разрознена, и доступна только на английском. При создании курса опирался на свой личный опыт и опыт коллег использования микромагнитных расчетов в научных исследованиях (релевантные статьи).
Курс охватывает как теоретические, так и практические аспекты микромагнетизма, то есть Теория дополняет Практику: нахождение аналитического решения задачи с последующим её решением современными методами численного расчета.
Также тут публикую и обновляю список лекций с кратким описанием, чтобы вам было удобнее ориентироваться в курсе с его нестандартной нумерацией 😊 А также делюсь планами на будущие лекции.
Про нумерацию. Некоторые видео имеют двойной номер. Это значит, что тема разбита на два и более видео: теория+практика. Видео #0 является вводным и содержит основные источники информации (книги, видео, презентации). Также в некоторых лекциях появляются дополнительные источники, которые лучше раскрывают конкретный вопрос.
Вы всегда можете поддержать работу над курсом и просто сказать «спасибо» цитированием полезных статей и донатами на Boosty.
План курса
0. Введение. Источники информации
1. Масштабы в микромагнетизме и его место в магнетизме
2. Практический микромагнетизм (самая важная лекция курса)
3.1. Магнитный гистерезис, теория
3.2. Практикум. Гистерезис в Boris Spintronics
4.1. Доменные границы, теория
4.2. Практикум. Доменные стенки в Boris Spintronics
5.1. Методы визуализации магнитных доменов
Планы на будущее:
5.2 Топологические магнитные дефекты и структуры
5.3 Практикум: микромагнитное моделирование многодоменного состояния
6.1. Ферромагнитный резонанс (ФМР), теория
6.2. Расчет ФМР в Boris Spintronics
7.1. Спиновые волны, теория
7.2. Расчет спиновых волн и их дисперсии
8.1. Введение в спинтронику
8.2. Моделирование спинового тока в Boris Spintronics
… что-то еще 🙂
0. Введение. Источники информации
Пилотная серия: о чем этот курс, какие источники информации были использованы, что будет дальше.
Ссылки на ресурсы из презентации
1. Масштабы в микромагнетизме и его место в магнетизме
Когда и зачем появился микромагнетизм, что было раньше, где он сейчас, какие типичные масштабы пространства и времени в нем. Интересное видео про китайского императора и магнитные ворота
00:00 — введение
00:47 — краткая история магнетизма
09:07 — место микромагнетизма в магнетизме
12:42 — пространственные масштабы в микромагнетизме
16:00 — временнЫе масштабы в микромагнетизме
17:23 — численный микромагнетизм сегодня (примеры)
26:12 — заключение
2. Практический микромагнетизм
Самая важная лекция
Рассказываю про подводные камни практических расчетов, даю обзор пакетов и подходов к микромагнитному моделированию, немного показываю виды уравнения Ландау-Лифшица, делюсь полезными ссылками и наработками в лаборатории, сравниваю реальную физику и компьютерную модель.
01:17 — уравнение Ландау-Лифшица
02:29 — свободная энергия
08:04 — расширения уравнения ЛЛ
13:00 — ПО для микромагнитного моделирования
17:28 — классификация задач для микромагнитного моделирования
20:16 — решение динамических и статических задач
25:17 — расчет дисперсии спиновых волн и обратные задачи
27:32 — выбор размера и количества ячеек
36:52 — нарушение симметрии
39:14 — шаг по полю и критерии остановки
41:02 — критерий правильности решения
3.1 Магнитный гистерезис, теория
Теоретически рассмотрена задача минимизации энергии магнитной частицы в монодоменном состоянии в модели Стонера-Вольфарта, получено выражение для поля коэрцитивности, качественно определены размеры частицы для устойчивого много-, моно-доменного и суперпарамагнитного состояний
00:00 Введение
01:09 Энергия магнетика
03:18 Магнитные домены
04:24 Монодоменная частица
06:10 Анизотропия формы
10:20 Гистерезис Стонера-Вольфарта
20:10 Поле анизотропии
21:44 Многодоменный образец
25:25 Суперпарамагнетизм
3.2 Гистерезис в Boris Spintronics
Обзор программы Boris Spintronics и расчет гистерезиса для NIST Standart Problem 1.
03:56 Обзор пакета Boris
06:16 Расчет равновесного состояния для Standart Problem 1
10:47 Задание геометрии
13:55 Параметры материала: намагниченность, анизотропия и тп
16:48 Вклады в свободную энергию
18:58 Сохранение данных
21:54 Параметры решателя
24:11 Этапы расчета
25:32 Запуск симуляции
26:28 Display
27:19 Начальная конфигурация намагниченности
32:26 Расчет гистерезиса
45:47 Энергия размагничивания
50:29 Построение данных
4.1 Доменные границы
В континуальном приближении микромагнетизма рассмотрено образование магнитных доменных границ в зависимости от соотношения параметров обмена и магнитной анизотропии, выведена формула для толщины доменных стенок типа Блоха и Нееля, выявлены условия возникновения того или иного типа в тонких магнитных пленках.
00:05 Введение про магнитные домены
03:40 эффект Баркгаузена
06:59 уравнения магнитостатики / магнитостатические заряды
10:01 домены Вейса
13:09 структура Ландау-Лифшица
13:43 наблюдение доменных границ
16:20 структура доменной границы
24:17 ширина доменной границы
26:37 доменные границы в тонких пленках
4.2 Доменные стенки в Boris Spintronics
Практическое занятие в Boris Spintronics по моделированию магнитных доменных границ в тонкой ферромагнитной полоске. Учтены энергии обмена, магнитной анизотропии и размагничивания. Стабилизация доменной границы произведена двумя внешними магнитными диполями с соответствующими граничными условиями
00:05 Введение, повторение
05:23 Доменные границы в микрополосках
06:42 План практикума
09:09 Задание геометрии
10:25 Задание доменной границы
15:26 Добавление фиксированных диполей
25:17 Сохранение и построение пространственного профиля намагниченности
30:24 Задание магнитного вихря (вортекса / vortex)
5.1 Методы визуализации магнитных доменов
В этом видео мы рассмотрим различные методы визуализации магнитных доменов и границ, в том числе и экзотические для самых сложных магнитных структур. Откройте для себя силу магнитооптики и других техник, позволяющих увидеть невидимое! Обсуждаем методы от настольно-домашних до синхротронов, от лазеров до кантилеверов. Лекция получилась довольно обзорная, идеально подходит для студентов, исследователей и всех, кто интересуется магнетизмом и его приложениями.
03:36 Классификация методов и их характеристики
05:56 Метод порошковых фигур
07:00 Магнитооптические эффекты
11:43 Магнитооптическая микроскопия
16:52 Ультрафиолетовый диапазон
19:01 Рентгеновский магнитный дихроизм (XMCD, XMLD)
21:51 Просвечивающая электронная микроскопия Лоренца
26:13 Электронная голография
28:51 Сканирующая электронная микроскопия с анализом поляризации (SEMPA)
30:58 Дифракция электронов
32:30 Магнитная силовая микроскопия
37:06 Сканирующая ближнепольная оптическая микроскомия (СБОМ / SNOM)
39:05 Магнитометрия на NV-центре в алмазе
45:02 Спинтронные эффекты, экзотика
Источники информации по курсу Микромагнетизм
Micromagnetics by Selman Berk Özkurt https://youtu.be/tayU1QnxcaU?si=ca4W9Seh8DMzfoFq
OOMMF Tutorial https://youtu.be/DYyx9wdiO_A?si=0tb1cL4JLdgjxn1U
OOMMF Tutorial (официальный сайт): https://math.nist.gov/oommf/oommf_tutorial/tutorial.html
Ubermag workshop https://youtu.be/YvONq0dSWsI?si=b-3bpxafa4FnkgLH
Introduction to Spintronics https://youtube.com/playlist?list=PLF1h7eFXS6AhfC0APUq6YoFh8zoQCs2QV&si=0OVZUBHzLxv2aPiL
Introduction to Spintronics (официальный сайт) https://physiquemanchon.wixsite.com/research/spintronics-lectures
Micromagnetism by Lukas Exl, Dieter Suess and Thomas Schrefl https://homepage.univie.ac.at/lukas.exl/files/mic_intro.pdf
Статьи с применением микромагнитных расчетов
I. A. Filatov, P. Gerevenkov, N. E. Khokhlov, and A. M. Kalashnikova, “Tunable quasi-discrete spectrum of spin waves excited by periodic laser patterns,” Journal of Applied Physics, vol. 136, no. 6, 2024. doi: 10.1063/5.0216091.
N. E. Khokhlov, I. A. Filatov, and A. Kalashnikova, “Spatial asymmetry of optically excited spin waves in anisotropic ferromagnetic film,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 589, p. 171 514, 2024. doi: 10.1016/j.jmmm.2023.171514.
A. Fedianin, N. E. Khokhlov, and A. Kalashnikova, “Propagation of a laser-induced magnetostatic wave packet in a pseudo spin valve in the presence of spin pumping,” Journal of Experimental and Theoretical Physics, vol. 137, no. 4, pp. 453–462, 2023. doi: 10.1134/S1063776123100035.
P. Gerevenkov, I. A. Filatov, A. Kalashnikova, and N. E. Khokhlov, “Unidirectional propagation of spin waves excited by femtosecond laser pulses in a planar waveguide,” Physical Review Applied, vol. 19, no. 2, p. 024 062, 2023 doi: 10.1103/PhysRevApplied.19.024062.
N. E. Khokhlov, A. Khramova, I. A. Filatov, P. Gerevenkov, B. Klinskaya, and A. Kalashnikova, “Néel domain wall as a tunable filter for optically excited magnetostaticwaves,” Journal of Magnetism and Magnetic aterials, vol. 534, p. 168 018, 2021. doi: 10.1016/j.jmmm.2021.168018.