Hönnun örvunarpúlsa fyrir skilvirkar segulbreytingar - verkefni lokið

Fréttatilkynning verkefnisstjóra

16.8.2022

Í hvert sinn sem segulmögnuninni er breytt - ferlið sem notað er við skráningu einnar einingar - er notuð orka. Markmiðið er að minnka orkunotkunina eins og mögulegt er. Í verkefninu var kannað hvernig hægt er að lágmarka orkunotkunina með því að hanna ferlið við umseglun. Við höfum þróað kenningu sem gerir okkur kleift að þróa segulsviðspúlsa eða rafstraum sem lágmarkar orkunotkun. Aðferðin okkar er byggð á bestunarfræði fyrir stýringu - öfluga aðferðafræði sem hefur áður verið notuð á ýmsum sviðum í grunnvísindum og verkfræði, til dæmis lágmörkun á eldsneytisnotkun geimskipa með því að velja rétta virkni aflgjafanna.
Við höfum notað aðferðafræðina á ýmis segulkerfi, t.d. umseglun segulkorna sem nú eru notuð í diskum tölva en einnig flóknari kerfum svo sem skyrmeindum - staðbundnum segulmyndunum sem von stendur til að nota í endurbættri tækni í framtíðinni. Við höfum spáð fyrir um orkunýtna ferla fyrir notkun slíkra kerfa, tengt þá við eiginleika efnanna og fundið hver lágmarks orkunotkunin þarf að vera. Grundvallarniðurstaða verkefnisins er að það er hægt að nota innri krafta kerfisins til að ná fram þeirri breytingu í segluninni sem óskað er. Ytra áreitið er lágmarkað með því að ná fram innri ferlum sem færa kerfið í rétt ástand.
Verkefnið hefur bætt þekkingu okkar á þeim takmörkunum sem orkunotkuninni eru sett í umseglunum og opnað nýjar leiðir til að hanna orkusparandi ferla fyrir upplýsinga- og samskiptatækni með því að besta umseglunarferlana. Það hefur einnig hjálpað til við þróun á lögun segulsviðspúlsa og rafstraum.

Niðurstöður verkefnisins verða notaðar til að skipuleggja tilraunamælingar á orkunýtinni stjórnun segulkerfa. Grundvallar aðferðafræðin verður einnig notuð til að besta stýringu annarra kerfa t.d. með ljóspúlsum. Þetta mun vonandi leggja grunninn að fræðilegri nálgun til að hanna segulkerfi fyrir upplýsingatækni og úrvinnslu gagna sem krefst lágmarks orkunotkunar

English:

There is a vast amount of data generated and processed in modern society and this motivates the development of information and communication technologies. The challenge is to make sure that these processes are energy-efficient and sustainable. Encoding information using magnetization patterns has proved successful and is currently used in various devices for data transmission, storage, and processing. For each act of magnetization change – a physical implementation of a bit operation – a certain amount of energy is used. The challenge is to minimize the energy cost for the control of magnetization. In our project, we explored how the energy cost minimization can be achieved by proper design of control stimuli. We developed a special theoretical technique that makes it possible to predict energy-efficient control pulses of external magnetic field or electric current. Our method is based on the optimal control theory – a powerful theoretical approach which has previously been applied to various problems of fundamental science and engineering, e.g. minimization of fuel expenditure of a spacecraft by choosing the right operation mode of rocket thrusters.
We applied our methodology to various magnetic systems, from magnetization switching in magnetic grains, which are currently used as memory elements in computer hard disks, to manipulation of more complex objects such as skyrmions – novel localized swirls of magnetization praised to be information carriers in future technologies. We predicted energy-efficient protocols for these processes, linked them to materials properties, and revealed fundamental limits of the energy cost minimization. A central fundamental result of our project is the notion of using the system’s internal forces to achieve the desired change in the magnetic structure: the influence of the external stimulus is minimal; it only triggers the process, while the system reaches the desired state by itself.
Our project advances understanding of energy limits involved in magnetization dynamics and opens up a new avenue for the development of energy-efficient information and communication technologies by optimization of external stimuli involved in bit operations. It also facilitates development of experimental techniques for shaping of pulses of magnetic field and electric current.

Information on how the results will be applied
The results of the project will be used to design experiments on energy-efficient control of magnetic systems. The ideas behind the prediction of optimal control pulses of external magnetic field and electric current will be applied to other means of control of magnetization, e.g. to pulses of light. Ultimately, the results of the project will become a theoretical background for the design of energy-efficient information storage and processing devices based on magnetic elements.
Icelandic

∙ A list of the project’s outputs
The project’s outputs include a new theoretical method for the prediction of energy-efficient control of magnetic patterns, new knowledge in the field of magnetization switching and topological magnetic textures, energy-efficient solutions for the control of various magnetization patterns, 15 scientific articles published in open access.

Útkoman úr verkefninu er einkum ný fræðileg nálgun til að spá fyrir um orkunotkun við stýringu segulkefa, ný þekking á sviði umseglunar og grenndavarinna segulmynstra, orkunýtinna lausna fyrir ýmis segulkerfi, 15 greinar í vísindaritum sem birtar eru í opnum aðgangi.

Heiti verkefnis: Hönnun örvunarpúlsa fyrir skilvirkar segulbreytingar / Design of control stimuli for efficient magnetization switching
Verkefnisstjóri: Pavel Bessarab, Háskóla Íslands
Tegund styrks: Verkefnisstyrkur
Styrktímabil: 2018-2020
Fjárhæð styrks: 50,877 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís: 184949