Nanomagnetische realisatie van Brownse motoren

Groep: DyNaMat

Promotoren en begeleiding: Bartel Van Waeyenberge en Jonathan Leliaert

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

Probleemstelling

Onze fysische intuïtie, gevormd door onze observaties op de macroschaal, volstaat niet altijd om gedrag op de nanoschaal te begrijpen omdat dit gedrag niet enkel bepaald wordt door deterministische wetten, maar vooral door de willekeur van thermische- en kwantumfluctuaties. Op deze schaal zijn de krachten die een proces in de juiste richting drijven namelijk minuscuul in vergelijking met de willekeurige krachten die de omgeving erop uitoefent. Toch vinden gerichte processen op de nanoschaal constant plaats in biologische systemen, bv. in het menselijk lichaam waar cellen materiaal verplaatsen, eiwitten vormen, enz... 

Systemen die in staat zijn om energie te halen uit hun omgevingsruis worden Brownse motoren genoemd.  Ze werken door de willekeurige krachten die ze niet nodig hebben te filteren ten voordele van de krachten die nuttig gebruikt kunnen worden. Om niet tegen de tweede wet van de thermodynamica te zondigen kan dit natuurlijk niet zonder externe energietoevoer.

Toch zijn zo’n systemen grootteordes efficiënter in het gebruik van deze extern toegevoegde energie in vergelijking met hun tegenhangers die die energie volledig gebruiken om tegen de willekeur te vechten.

Het idee achter deze thesis is om dit principe toe te passen op de beweging van magnetische structuren door een dunne film. Zo’n structuren worden gezien als veelbelovende kandidaten om data voor te stellen in toekomstige informatietechnologie zoals geheugenapplicaties. De meeste huidige implementaties van zulke systemen negeren de thermische fluctuaties op de nanoschaal volledig en leggen extreem sterke elektrische stromen aan om de data voort te bewegen, waardoor het potentieel om de energie-efficiëntie van deze systemen te verhogen nog zeer groot is.

dynamat1

Doelstelling

Het doel van deze thesis, op het snijpunt tussen fundamentele fysica en technologische toepassingen,  is om een magnetische implementatie van een Brownse motor te onderzoeken om de beweging van data in een geheugen efficiënter dan ooit te voren te maken.

Concreet zul je vertrekken van de “klassieke” beweging van een magnetische structuur doorheen een dunne film waarbij thermische fluctuaties verwaarloosd worden. In een tweede stap zullen we een zaagtandpotentiaal verwezenlijken door middel van lokale variaties in de materiaalparameters. Het zwaartepunt van de thesis zal liggen in het onderzoek naar welke combinatie van deze potentiaal, thermische fluctuaties  en elektrische stroom het efficiëntste transport van de informatie oplevert.

In de context van deze thesis zul je deze dynamica onderzoeken aan de hand van micromagnetische simulaties die een zeer grote rekenkracht vergen en daarom op grafische kaarten worden gedraaid. Hiertoe zul je het micromagnetische softwarepakket, MuMax3, gebruiken dat binnen onze groep ontwikkeld werd en onlangs uitgebreid werd met de mogelijkheid om thermische fluctuaties mee te nemen in grootschalige berekeningen.

Dit onderwerp kan ook opgenomen worden binnen de educatieve master. Aan dit onderwerp is geen mobiliteitsaspect verbonden.