Titelaufnahme

Titel
Thermische Effekte in Mikromagnetimus : von ultraschnellen Schaltprozessen zu Langzeitstabilitäten / von Christoph Vogler
VerfasserVogler, Christoph
Begutachter / BegutachterinSüss, Dieter
Erschienen2015
UmfangVIII, 125, XIII Bl. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Magnetische Datenaufzeichnung / thermische Stabilität / Mikromagnetismus
Schlagwörter (EN)magnetic recording / thermal stability / micromagnetics
Schlagwörter (GND)Festplatte / Datenaufzeichnung / Mikromagnetismus / Langzeitverhalten / Temperaturverhalten
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-89705 Persistent Identifier (URN)
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Thermische Effekte in Mikromagnetimus [15.11 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Magnetische Prozesse umfassen einen großen Bereich von Zeitskalen, welcher von Jahrzehnten, in denen sich typischerweise die thermische Stabilität von magnetischen Speicherkörnern in Festplatten befindet, bis zu wenigen Pikosekunden, in welchen ultraschnelle Ummagnetisierungsprozesse ablaufen, reicht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten magnetischer Nanostrukturen zu beschreiben. Im Speziellen wird der Einfluss der Temperatur sowohl auf deren Langzeitstabilität als auch auf ihre Dynamik während sehr kurzer Zeiten untersucht. Festplatten bestehen aus zahlreichen magnetischen Körnern mit Größen im Nanometerbereich. Um Information binär auf eine Festplatte codieren zu können, muss die Magnetisierung jedes Korns entsprechend ausgerichtet werden. Aufgrund von thermischen Fluktuationen kann sich der magnetische Zustand nach genügend langen Zeiten willkürlich ändern. Da jedoch sehr lange Wartezeiten zwischen aufeinanderfolgenden Ummagnetisierungsprozessen liegen, ist eine Abschätzung der Stabilität der gespeicherten Information durch direkte Aufintegration der stochastischen Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) Gleichung, welche die grundlegende Bewegungsgleichung der magnetischen Momente in Rahmen des Mikromagnetismus beschreibt, praktisch nicht realisierbar. Die vorliegende Arbeit adaptiert die statistische Methode des Forward Flux Samplings (FFS) für den Mikromagnetismus. FFS erlaubt es die Raten von seltenen Ereignissen effizient zu berechnen, ohne dabei die langen Wartezeiten zwischen den Übergängen simulieren zu müssen. Daher ist es möglich thermische Stabilitäten von Jahren mit Simulationen im Nanosekundenbereich vorherzusagen. Zur Veranschaulichung wird die Stabilität eines Korns mit abgestufter Anisotropiekonstante mit den entsprechenden Stabilitäten von Körnern mit homogenem Material und unterschiedlichen Eigenschaften verglichen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird hitzeunterstützes magnetisches Schreiben von Daten behandelt. Bei dieser erst kürzlich entwickelten Technik erhitzt ein Laserpuls lokal und im Bruchteil einer Nanosekunde die Körner einer Festplatte nahe an oder über die Curie-Temperatur. Bei der Curie-Temperatur verschwindet die makroskopische Magnetisierung eines ferromagnetischen Teilchens und es wird paramagnetisch. Unter diesen Voraussetzungen verliert die mikromagnetische Annahme einer konstanten Magnetisierungslänge ihre Gültigkeit, wodurch das System direkt mit dem Heisenberg Modell beschrieben werden muss. Die stochastische Landau-Lifshitz-Bloch (LLB) Gleichung erweitert den Mikromagnetismus in der Weise, dass es nun auch zu einer longitudinalen Relaxation der Magnetisierung kommen kann, wodurch die Magnetisierungsdynamik auch bei hohen Temperaturen weiterhin korrekt repräsentiert werden kann. In dieser Arbeit wird ein grobkörniges Modell, welches auf der LLB Gleichung basiert, entwickelt, um magnetische Körner mit möglichst wenig Rechenaufwand zu beschreiben. Spezielles Augenmerk wird dabei auf die korrekte Behandlung der Austauschwechselwirkung zwischen Lagen mit unterschiedlichen Materialien eines Korns gelegt. Mit diesem Modell können somit magnetische Körner für den Einsatz im hitzeunterstützten magnetischen Schreiben schnell und zuverlässig optimiert werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Magnetic processes cover a large range of time scales varying from decades, which is typically the thermal stability of magnetic recording grains, to picoseconds where ultrafast reversal processes take place. This work describes the behavior of magnetic nanostructures in the whole time range. In particular, it investigates the influence of temperature on both, the long-term stability and responses during very short time intervals. Hard disk drives (HDDs) consist of various magnetic grains on the scale of nanometers. In order to encode binary information on a HDD the magnetization of each grain has to be aligned. Due to thermal fluctuations such a magnetic particle can randomly change its state after some time. Since there exist long waiting times between two magnetization reversals, it is infeasible to predict the stability of the stored information, by directly integrating the stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation, which represents the equation of motion of magnetic moments in the context of micromagnetism. This work adapts the statistical method of forward flux sampling (FFS) to micromagnetism. FFS allows to efficiently calculate the rate constants of rare events, without the necessity of simulating the system during the long waiting times between the transitions. Thus, it is possible to predict thermal stabilities of years with simulations in the nanosecond regime, without any free parameters. As an example, the stability of one graded media grain is compared with those of single phase grains with different properties. The second part of this work addresses the modelling of heat-assisted recording. This is a recently developed technique, where a laser pulse locally heats the grains of a HDD near to or above the Curie temperature in a fraction of a nanosecond. At the Curie temperature the macroscopic magnetization of a ferromagnetic particle vanishes and it becomes paramagnetic. Under these conditions the micromagnetic assumption of a constant magnetization length fails and the magnetic system has to be described directly by the Heisenberg model. The stochastic Landau-Lifshitz-Bloch (LLB) equation extends micromagnetism, because it also considers the longitudinal relaxation of the magnetization, and thus correctly describes the magnetization dynamics at high temperatures. In this work a coarse-grained model based on the LLB equation is developed to describe whole magnetic grains with little computational effort. Special emphasis is put on the correct treatment of the exchange coupling between different material layers in a grain. With this model it is possible to optimize magnetic grains for heat-assisted recording fast and reliably.