Micromagnetic Modeling by Computational Science Integrated Development Environments (CSIDE)

Abstract

Nowadays micromagnetic simulations are the third pillar for the investigation of micro and nanostructured ferromagnetic materials. Micromagnetic simulations are used, where analyical calculations are too complex or experimental measurements are not available. Recently the influence of electric currents and temperature on the local magnetization has become a research priority, as these two phenomena led to novel memory devices like the the STTRAM or the racetrack memory. Generally the research interest is changing to the simulation of experimental setups including more and more physical phenomena. Therefore micromagnetic simulators are required that allow conveniently to perform simulations and to include new phenomena. The present work deals with the design of the finite-difference-method based micromagnetic simulator M³S. The computational science focus of this design is the evaluation of computational science integrated development environments (CSIDEs) as the development basis combined with advanced software engineering concepts like object-oriented programming (OOP) and test-driven design (TDD). Important requirements for a micromagnetic simulator are identified and their realization possibilities using CSIDEs are evaluated by comparing three different CSIDE basedM³S prototypes. The evaluation revealed that using actual CSIDEs reduces the software complexity of a simulator significantly compared to pure C/C++ or FORTRAN solutions, while maintaining a competitive runtime performance. The physical focus of the design of M³S is the investigation of ferromagnetic systems effected by a current flow. Therefore the spin-transfer torque and the anisotropic magnetoresistivity (AMR) effect as two important phenomena are integrated into M³S. The validation of the former extension has been addressed by proposing a new standard problem. The high sensibility of the proposed problem to errors is shown on the basis of typical error cases. Further the simulation results of different micromagnetic simulators are compared with an experimentally validated analytical model. It turns out that the proposed problem can discriminate errors larger than 3 %. The simulation experiment used for the proposed standard problem further revealed good properties for the measurement of the degree of non-adiabaticity. As a result a robust measurement scheme for this value has been proposed. The measurement scheme is robust against typical falsifying uncertainties occuring in experimental measurements. The scheme thus allows an estimation of the degree of non-adiabaticity with an accuracy of 5 %.

Heutzutage stellt die mikromagnetische Simulation die dritte Säule bei der Untersuchung mikro- und nanostrukturierter ferromagnetischer Materialien dar. Mikromagnetische Simulationen werden dort eingesetzt, wo analytische Berechnungen zu komplex und experimentelle Messungen nicht realisierbar sind. Die Einflüsse von elektrischem Strom und Temperatur auf die lokale Magnetisierung sind aktuelle Forschungsschwerpunkte, da diese beiden Phänomene erfolgreich zur Entwicklung neuartiger Speichermedien, wie z.B. dem STTRAM oder dem Racetrack Speicher führten. Generell lässt sich ein Wandel des Forschungsinteresses zur Simulation experimenteller Versuchsaufbauten unter Berücksichtigung von immer mehr physikalischen Phänomenen feststellen. Dies erfordert mikromagnetische Simulatoren, die sowohl das Durchführen von Simulationen als auch das Einarbeiten neuer Phänomene komfortabel ermöglichen. Die vorliegende Arbeit behandelt den Entwurf des mikromagnetischen Simulators M³S auf Basis der finiten Differenzen Methode. Aus Sicht der rechnergestützten Naturwissenschaften wird bei diesem Entwurf der neue Ansatz der “computational science integrated development environments” (CSIDEs) kombiniert mit fortschrittlichen Software-Entwurfstechniken, wie objektorientierter Programmierung und testgetriebenem Entwurf, verfolgt. Zunächst werden hierzu wichtige Anforderungen an einen mikromagnetischen Simulator identifiziert und darauffolgend die Realisierungsmöglichkeiten anhand dreier M³S Prototypen miteinander verglichen. Diese Analyse zeigt, dass der Einsatz aktueller CSIDEs die Softwarekomplexität eines Simulators im Vergleich zu reinen C/C++ oder FORTRAN Lösungen signifikant reduziert und zeitgleich zu einer vergleichbaren Laufzeitperformanz führt. Aus Sicht der Physik steht beim Entwurf von M³S die Untersuchung von stromgetriebenen ferromagnetischen Systemen im Fokus. Hierzu wurden das Spintransfermoment und der anisotropische Magnetowiderstandeffekt (als zwei wichtige Phänomene) in M³S integriert. Zur Validierung der erstgenannten Erweiterung, wurde ein neues Standardproblem vorgeschlagen. Die hohe Fehlersensibilität des Vorschlags wird anhand typischer Fehler demonstriert. Weiterhin werden die Simulationsergebnisse verschiedener Simulatoren mit einem experimentell validierten, analytischen Modell verglichen. Es zeigt sich, dass das Problem Fehler größer als 3 % aufdecken kann. Das im Standardproblem genutzte Simulationsexperiment zeigte weiterhin gute Eigenschaften für die Messung des Grades der Nichtadiabatizität. Als Ergebnis wurde eine Messmethode zur Bestimmung dieser Größe vorgeschlagen, die robust gegen typische verfälschende Einflüsse, die bei bisherigen Experimenten auftraten, ist. Sie ermöglicht daher die Bestimmung des Grades der Nichtadiabatizität mit einer Genauigkeit von 5 %.