Optimalisatie van magnetische nano-oscillatoren

Groep: DyNaMat
Promotor: Prof. Bartel Van Waeyenberge, Prof. Luc Dupré (faculteit ingenieurswetenschappen EA08)
Begeleiding: Jasper Vandermeulen

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden: micromagnetisme, nanotechnologie, numerieke simulatie

Probleemstelling

Voor de verschillende communicatiestandaarden (bijvoorbeeld GPS, GSM, Bluetooth, WiFi,…) worden verschillende frequentie-banden toegekend. Systemen die met verschillende van deze standaarden werken (zoals onze smartphones) moeten dan ook verschillende oscillatoren voorzien voor elke frequentieband. In toekomstige telecommunicatiesystemen wil men dit beperken tot één enkele oscillator die alle frequentie banden kan aansturen op een betrouwbare manier. Dit zou de complexiteit van de communicatiemodules sterk vereenvoudigen en de batterij levensduur verhogen door de afnamen in stroomverbruik.
‘Spin torque nano-oscillators (STNO’s)’ bieden de mogelijk om een oscillator te creëren die deze verschillende frequentiebanden aan kan. Zo een oscillator bestaat uit een cilindrische stack (diameter 200 nm) van verschillende lagen (zie figuur), waaronder 2 magnetische lagen. Terwijl een van deze lagen een uniforme magnetisatie heeft, heeft de tweede laag een magnetische vortex structuur. Door middel van een elektrische stroom kan deze magnetische vortex in een gyratiebeweging gebracht worden waarbij de gyratiefrequentie afhangt van de stroomsterkte. Als gevolg van de magnetoweerstand resulteert deze gyratie in een spanning die met dezelfde frequentie oscilleert. Het extreem kleine formaat, het ruime frequentiebereik en de compatibiliteit met CMOS technologie maakt STNO een ideale kandidaat voor toekomstige RF zender-ontvangers. Er is echter nog onderzoekswerk nodig om spectrale zuiverheid en de signaalsterkte te verbeteren.
Thesis 2015-2016 dynamat2

Doelstelling

Afhankelijk van de persoonlijke interesse van de student kan zowel een numerieke of theoretische studie uitgevoerd worden om (i) de fundamentele kennis van de dynamica van een vortex in een STNO te verhogen en om (ii) de parameters te onderzoeken die leiden tot het grootste frequentiebereik en de hoogste spectrale zuiverheid.
De student zal beroep kunnen doen op uitgebreide computationele faciliteit en de ervaring met micromagnetische simulaties die opgebouwd werd binnen de samenwerking tussen de groep DyNaMat van de vakgroep Vastestofwetenschappen en de vakgroep EESA van de faculteit Ingenieurswetenschappen. Binnen deze samenwerking werd de code MuMax ontwikkeld. Met deze code kan de magnetisatiedynamica berekend worden op een cluster van GPU’s (‘Graphical Processing Units’), waardoor de simulatie-tijd met factor 100 versneld wordt.
In dezelfde samenwerking worden ook theoretische modellen ontwikkeld voor het beschrijven van magnetische domeinwanden in nanodraden, dewelke uitgebreid zouden kunnen worden voor een magnetische vortex in een STNO.