Modélisation de la dynamique de l’aimantation par éléments finis

Modelling of magnetisation dynamics

• Auteur / Autrice : Evaggelos Kritsikis
• Direction : Jean-Christophe Toussaint, Liliana-Daniela Buda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 24/01/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Meunier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Toussaint, Liliana-Daniela Buda, François Alouges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Ledue, Nicolas Vukadinovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Domaines magnétiques

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Micromagnetisme

Elements finis

Magnetostatique

FFT hors reseau

Multipole rapide

Simulation

Micromagnetism

Finite elements

Magnetostatic

Non equispaced FFT

Fast multipole

Simulation

Résumé

On présente ici un ensemble de méthodes numériques performantes pour lasimulation micromagnétique 3D reposant sur l’équation de Landau-Lifchitz-Gilbert, constituantun code nommé feeLLGood. On a choisi l’approche éléments finis pour sa flexibilitégéométrique. La formulation adoptée respecte la contrainte d’orthogonalité entre l’aimantationet sa dérivée temporelle, contrairement à la formulation classique sur-dissipative.On met au point un schéma de point milieu pour l’équation Landau-Lifchitz-Gilbert quiest stable et d’ordre deux en temps. Cela permet de prendre, à précision égale, des pas detemps beaucoup plus grands (typiquement un ordre de grandeur) que les schémas classiques.Un véritable enjeu numérique est le calcul du champ démagnétisant, non local. Oncompare plusieurs techniques de calcul rapide pour retenir celles, inédites dans le domaine,des multipôles rapides (FMM) et des transformées de Fourier hors-réseau (NFFT). Aprèsavoir validé le code sur des cas-tests et établi son efficacité, on présente les applications àla simulation des nanostructures : sélection de chiralité et résonance ferromagnétique d’unplot monovortex de cobalt, hystérésis des chapeaux de Néel dans un plot allongé de fer.Enfin, l’étude d’un oscillateur spintronique prouve l’évolutivité du code.

Here is presented a set of efficient numerical methods for 3D micromagneticsimulation based on the Landau-Lifchitz-Gilbert equation, making up a code named feeLLGood.The finite element approach was chosen for its geometrical flexibility. The adoptedformulation meets the orthogonality constraint between the magnetization and its time derivative,unlike the over-dissipative classical formulation. A midoint rule was developed forthe Landau-Lifchitz-Gilbert equation which is stable and second order in time. This allowsfor much bigger time steps (typically an order of magnitude) than classical schemes at thesame precision. Computing the nonlocal demagnetizing interaction is a real numerical challenge.Several fast computation techniques are compared. Those selected are novel to thefield : the Fast Multipole Method (FMM) and Non-uniform Fast Fourier Transforms (NFFT).After the code is validated on test cases and its efficiency established, applications to the simulationof nanostructures are presented : chirality selection and ferromagnetic resonanceof a cobalt monovortex dot, Neel caps hysteresis in an iron dot. Finally, the study of a spintronicoscillator proves the code’s upgradability.