Hanayani’s Blog

Dalam bahan ferromagnetik, kita mengenai kata ‘magnetic domain’ dan ‘domain wall’. Magnetik domain atau lebih sering disebut domain saja adalah suatu daerah dalam bahan ferromagnetik yang memiliki magnetisasi spontan yang sama atau istilahnya momen magnetik mempunyai arah yang sama. Tiap magnetic domain mempunyai arah magnetisasi yang berbeda-beda. Daerah yang membatasi domain yang satu dengan domain yang lain disebut dengan domain wall. Umumnya tebalnya ukuran dari domain wall kira-kira bernilai 5 nm sampai dengan 100 nm dan tergantung pada material ferromagnetiknya.

Sekarang ini, riset mengenai magnetic domain dalam bahan ferromagnetic terutama dalam skala nano yang disebut dengan ferromagnetic nanowire, menjadi perhatian yang sangat besar bagi saintis di seluruh dunia. Dengan perkembangan teknologi yang cukup fantastik, pengamatan dalam ukuran nano bukan suatu masalah. Sejak ditemukan Giant Magneto Resistance effect (GMR), telah membuka mata para saintis bahwa dengan mengontrol  domain dalam material ferromagnetic mempunya potensi sebagai  magnetic memory dan magnetic devices.

Salah satu perkembangan yang cukup signifikan pada riset struktur domain dalam ferromagnetic nanowire adalah dikembangkan magnetic memory berdasarkan dinamika domain wall dalam nanowire yang dikenal dengan Racetrack magnetic memory (RM) [lihat postingan saya mengenai racetrack memory]. Secara sederhana, domain wall digerakan dengan memberikan injeksi arus pada batas tertentu atau dibawah dari arus kritis. Pergerakan domain wall ini dapat didefinisikan sebagai bit ‘1’ untuk domain wall bergerak dan ‘0’ jika domain wall tidak bergerak.

Dari ide bergeraknya domain wall yang satu dengan domain yang lain, pasti tidak akan terelakan, yaitu akan bertabrakan antara domain-domain dan efek tumbukan ini akan menghilangkan domain tersebut. Tetapi bagaimana mekanismenya, ternyata masih kurang yang menyinggung masalah tersebut. Kemudian, dengan menggunakan software micromagnetic yang gratis, saya mencoba membuat suatu model yang melibatkan tumbukan antara domain dengan domain. Pertama-tama saya membuat model ferromagnetic nanowire dimana domain akan bergerak jika diberikan medan magnet luar. Ada dua model yaitu model S dan model C.

Pada model S ditempatkan domain dalam bentuk transverse domain wall dengan arah parallel atau sama arahnya dan pada model C dengan arah anti-parallel. Agar transverse domain wall bertumbukan satu dengan lainya, tetap menjaga strukturnya, maka pemberian medan magnet luar harus dibawah dari medan magnet kritis atau yang dikenal dengan Walker breakdown. Yang sangat menarik sekali dari dua jenis tumbukan itu adalah, untuk model parallel, dua domain bertumbukan satu dengan yang lainnya akan menyebabkan kedua domain tersebut hilang atau annihilation dan untuk model yang anti-parallel, dua domain bertumbukan, tidak saling meniadakan dan dua domain tetap terjaga atau creation. Secara umum untuk menghindari tumbukan dua domain bertumbukan dalam ferromagnetic nanowire disarankan untuk memberikan injeksi arus yang optimal sehingga membentuk pergantian domain wall atau dikenal dengan shift train domain wall.

Referensi

Dede Djuhana et al, Journal Applied Physics, 106, 103926 (2009).

Kemarin tanggal 19-20 Januari, saya mengikuti workshop tentang ‘Ultrafast science worksop 2010’ yang diadakan oleh Pohang Accelerator Laboratory (PAL) atau juga sering di sebut dengan Postech. Dalam  workshop tersebut dipresentasikan beberapa hasil riset tentang pemanfaatan ultrafast science pada berbagai disiplin ilmu seperti kimia, fisika, biologi, instrumentasi, dsb. Dari semua presentasi yang dibawakan semua berfokus pada riset yang berhubungan dengan ukuran waktu  ‘femtosecond’ dan ‘toward to attosecond’. Teknologi femtosecond dan attosecond, sekarang ini sudah mulai menjadi perhatian para saintis dalam usaha untuk mengerti proses dan mekanisme dinamika dalam atom atau molekul.

Secara definisi ‘femtosecond’ adalah ukuran waktu sepuluh pangkat minus 15 dan attosecond adalah sepuluh pangkat minus 18. Ukuran waktu yang sangat kecil mendekati ukuran waktu proses dinamika electron dalam atom hydrogen. Dalam bidang magnetik, ukuran femtosecond sangat berhubungan dengan ukuran energi magnetik yaitu exchange energy. Tentunya dengan ukuran tersebut, sampel secara geometri diprediksi secara detil. Hal lain lagi dari pemanfaatannya untuk interpretasi dinamika dari magnetisasi pada bahan ferromagnetik, sehingga bisa diketahui kondisi suatu keadaan tertentu seperti domain tunggal (single domain state ) atau vortex state. Perkembangan ini juga tidak terlepas dari kebutuhan pasar yang kedepan menginginkan suatu teknologi dalam ukuran mini dan beroperasi dengan cepat atau ‘smaller dan faster’. Laser dan pump-probe magnetic optic menjadi pilihan utama dalam riset yang berhubungan dengan ukuran skala femtosecond. Tentunya dalam bidang magnetik adalah bagaimana mengontrol magnetisasi dalam ukuran waktu yang sangat pendek dan ukuran panjang yang sangat kecil. Pada Gbr.1 menjelaskan hubungan antara skala waktu dan energy magnetik.

Dalam material ferromagnet, energy eksitasi dapat disimpan dalam tiga bentuk yaitu energi electron, energy phonon dan perubahan energy magnetik itu sendiri (lihat Gbr.2). Sebagai contoh kita dapat mengeksitasi phonon dengan menggunakan sinar infra merah yang akan menghasilkan perubahan magnetisasi melalui aplikasi medan magnet atau injeksi arus. Energy dan momentum angular menjadi faktor yang penting dalam proses perubahan energi dalam material ferromagnetik yang berhubungan dengan skala waktu dari ketiga bentuk energy tersebut.

Referensi

1. Magnetism from fundamentals to Nanoscale dynamics, J. Stohr and H.C.Siegmann, 2006.

2. www. wikipedia.com

Switching magnetisasi dengan menggunakan medan listrik adalah suatu yang menarik dalam bidang nanomagnetik terutama dalam bahan ferromagnetik. Umumnya   untuk melakukan proses pembalikan arah magnetisasi pada bahan ferromagnetik digunakan medan magnet atau pulsa arus listrik (current pulse). Ide ini merupakan adalah sangat fundamental untuk merealisasikan suatu piranti magnet ( magnetic device)  yang kedepan sebagai  alat penyimpan data atau memory device.

Sekarang ini sudah dikembangkan alat penyimpan data yang berbasis bahan ferromagnet dalam bentuk nanowire  untuk MRAM (Magnetic Random Acces Memory)  yang dikenal dengan Racetrack memory oleh ilmuwan dari IBM, USA. Racetrack memory diprediksi akan menjadi alat penyimpan data masa depan karena bersifat nonvolatile (dapat bekerja walaupun arus listrik berhenti), mudah diproduksi dan mempunyai kapasitas yang besar. Prinsip dari Racetrack memory menggunakan pulsa arus listrik untuk menggerakan domain-domain yang adalah dalam bahan ferromagnetik seperti Permalloy nanowire.

Masalah utama dalam proses tersebut adalah dibutuh densitas arus listrik dibawah nilai kritis. Jika melebihi dari nilai tersebut maka akan menghancurkan domain-doman yang berada dalam bahan ferromagnet. Proses ini dikenal dengan kelebihan panas (termal) dari pulsa arus listrik atau Joule heating. Salah satu cara untuk mengatasi kelebihan panas untuk meningkat performa dari suatu alat mikroelektrik yang berbasis magnet adalah dengan mengontrol medan listrik atau magnetolectric. Material multiferroic BiFeO3 pada substrat BFO menjanjikan sebagai piranti penyimpan yang dikenal sebagai Magnetoelectric Random Acces Memory (MERAM). Kesimpulannya adalah bagaimana mengotrol proses switching pada bahan magnetik dengan medan listrik dan material yang mendukung masih banyak belum terjawab.

Sumber:

http://prl.aps.org

D. Lebeugle, A. Mougin, M. Viret, D. Colson, and L. Ranno, Phys. Rev. Lett. 103, 257601 (2009) – Published December 14, 2009

Gambar diatas adalah kontrol tegangan untuk menbaca “head” pada suatu lintasan hardisk, dimana medan magnet dihasilkan dari medan listrik pada bahan magnetoelectric melalu momen magnet  Δm_ME dan fluk magnet membantu dalam proses penulisan

Di dalam riset, saya sering menggunakan persamaan Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) . Persamaan  ini secara sederhana  menjelaskan tentang dinamika spin elektron dalam bahan ferromagnetik akibat pengaruh medan magnet luar. Jika suatu spin elektron (dalam bentuk  momen magnetik ) diberikan medan magnet luar, maka akan terbentuk torka (torque) yang merupakan hasil perkalian vektor cross antara moment magnet dengan medan magnet luar yang berhubungan dengan suatu konstanta gyromagnetic ratio adalah suatu nilai ang unik dari suatu presesi elektron pada porosnya.  Selain itu juga menjelaskan mengenai  phenomena efek damping dari dinamika spin  saat berpresesi akibat medan magnet luar dalam ferromagnetik.

Ada suatu pengalaman menarik, dalam setiap penulisan yang menyinggung tentang persamaan LLG selalu mencantumkan referensi yang terkenal yaitu

T. L. Gilbert, ”A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field”, Phys. Rev., vol. 100, p.1243, 1955.”

Tetapi  jika kita mencari paper tersebut di  : http://publish.apsorg/,  maka akan muncul pesan sebagai berikut :

We were unable to resolve the citation information provided:
Phys. Rev. 100 1243
No data available for this citation

Sehingga membuat kita bertanya-tanya  kira-kira di mana paper tersebut?

T.L. Gilbert. Phys. Rev., 100:1243, 1955. [Abstract only; full report, Armor Research Foundation Project No. A059, Supplementary Report, May 1, 1956] (unpublished).

dan isi abstraknya adalah sbb :

D6. A Lagrangian formulation of the gyromagnetic equation of the magnetization field. T. L. Gilbert, Armour Research Foundation of Illinois Institute of Technology.–The gyromagnetic equation, , for the motion of the magnetization field , in a ferromagnetic material can be derived from a variation principle, as first shown by Doering.¹ Here is the effective internal field, including the magnetic field and contributions from exchange, anisotropy, and magnetoelastic effects. Using the variational principle, the equations of motion can be recast into a Lagrangian form. This makes possible a consistent derivation of the equations of motion of the magnetization field and other fields to which it may be coupled (e.g., the displacement field of the lattice and the electromagnetic field). It also permits the introduction of viscous damping effects in a consistent manner using the Rayleigh dissipation function. It is shown that viscous damping of the magnetization fields leads to an equation of motion which reduces to the Landau-Lifshitz equation only when the damping is small. It is also shown that this Lagrangian formalism permits the introduction f damping due to disaccomodation in a consistent and very general way.

¹ W. Doering, Z. Naturforsch. 3a, 374 (1948)

Jadi sekarang saya mengerti bahwa  hanya abstraknya saja  yang ditampilkan tetapi isi papernya tidak di publish.

Tetapi tidak perlu kuatir pada tahun  2004, kemudian Thomas. L. Gilbert menulis ulang kembali mengenai  persamaan LLG secara lengkap.  Hasil tulisan tersebut dipublikasikan pada jurnal  IEEE Transaction on Magnetic  Vol. 40 No. 6 November 2004 (http://mogadalai.wordpress.com/2007/10/11/the-case-of-the-curious-reference/).

Semoga bermanfaat 🙂

Secara umum suatu material berdasarkan sifat kemagnetannya dapat dikelompokkan menjadi tiga bagian yaitu diamagnet, paramagnet, dan ferromagnet. Superparamagnet adalah material yang mirip dengan paramagnet tetapi mengandung juga sifat material ferromagnet atau mengadung domain magnet dalam ukuran kecil yang berbentuk kelompok (cluster) seperti crystallite.

Sifat superparamagnet timbul pada material yang berukuran kecil (1-10 nm). Dalam kondisi dibawah temperatur Curie, energi termal tidak cukup memisahkan interaksi gaya antara atom-atom tetapi hanya cukup untuk mengubah arah magnetisasi di dalam domain tersebut. Proses ini menyebabkan medan magnet menjadi nol dan material akan menyerupai material paramagnet.

Apa implikasinya dari sifat superparamagnet?

Saat ini kebutuhan pada piranti penyimpan data dengan kapasitas yang besar semakin meningkat seperti dalam bentuk tape, hard disk, disc optic, dll. Teknologi berusaha memenuhi kebutuhan pasar dengan meningkatkan kapasitasnya agar dapat menyimpan informasi (bit) yang lebih banyak yaitu dengan cara meningkatkan kerapatannya atau area density di dalam suatu disc memory. Timbul pertanyaan sejauh mana batas kerapatannya sehingga maksimal data dalam bentuk bit dapat disimpan? Dan berapa kapasitas yang dapat dicapai?

Kita mengetahui proses penyimpanan data sudah dilakukan kira-kira 30 tahun yang lalu. Proses penyimpanan data pada media magnetik dilakukan dengan metode longitudinal recording atau searah bidang magnetisasi. Bit pada sebuah disc berubah secara sejajar (parallel) atau anti-parallel terhadap arah ’head’ yang bergerak relatif terhadap disc. Untuk meningkatkan kerapatannya tentukan ukuran data bit di dalam disc harus di buat kecil.

Bagaimanapun juga proses ini mempunya batas-batas tertentu. Makin kecil ukuran bitnya otomatis energi magnetisasi pada bit itu juga mengecil. Akibatnya dengan perubahan sedikit temperatur akan menyebabkan proses demagnetisasi pada bit tersebut. Efek ini yang dikenal dengan superparamagnetic effect karena pengaruh ukuran yang kecil. Untuk mengatasi efek ini dilakukan dengan meningkatkan medan koersivitas magnetisasi tetapi ini juga mempunyai keterbatasan.  Artinya dengan mengubah ukuran bit menjadi kecil, signal to noise ratio atau S/N ratio juga mengalami kesulitan untuk mendeteksi signal dan menyebabkan menjadi tidak stabil. Sampai saat ini metode longitudinal recording maksimum mencapai sekitar 100 Gbit per square inch.

Sekarang ini sedang dikembangkan proses penyimpanan bit dengan metode perpendicular recording atau arah tegak lurus magnetisasi. Dengan metode ini diharapkan efek superparamagnet akan berkurang dan kapasitas penyimpanan data akan bertambah dapat melebihi dari 100 Gbit per square inch. Perusahaan besar seperti Seagate dan Hitachi sedang mengembangkan metode tersebut untuk meningkatkan kapasitas menjadi 1 Tbit (1024 Gbit ) per square inch.

Hasil-hasil riset yang dipublikasikan dalam jurnal-jurnal international khususnya bidang magnet dalam skala mikro dan nano memperlihatkan juga hasil simulasi dari micromagnetic simulator selain hasil pengamatan dan pengukuran di laboratorium. Sehingga dapat diartikan begitu penting peranan simulasi micromagnetik sebelum melakukan eksperimen yang sebenarnya. Dengan hasil-hasil yang didapatkan dari simulasi, kita bisa menyiapkan dengan cermat apa yang seharusnya dilakukan agar suatu eksperimen dapat berjalan sukses. Apalagi eksperimen dilakukan menyangkut dalam ukuran mikro/nano yang tentunya dibutuh peralatan yang presisi tinggi, waktu yang lama, dan biaya yang besar. Simulasi micromagnetic yang ada dikembangkan berdasarkan persamaan dinamik dari spin dari suatu material ferromagnet karena pengaruh medan magnet luar yang dikenal persaman Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG). Perkembangan selanjutnya simulasi micromagnetic juga mengikutsertakan pengaruh injeksi arus (induced-current) pada bahan ferromagnetik yang dikenal dengan fenomena spin-transfer-torque (STT).

Simulasi micromagnetic secara umum dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu pertama adalah yang dikembangkan secara individu bertujuan untuk menganalisis dinamika spin pada bagian tertentu, dan kedua adalah program yang dikembangkan secara group dari suatu lembaga riset baik bersifat freeware (gratis) atau commercial (membayar lisensi). Berikut ini beberapa micromagnetics simulator yang sering digunakan dalam riset magnetik.

A. Open Source/Freeware

1. PC Micromagnetics Simulator Release Beta 2.0 (SimulMag)

PC Micromagnetic Simulator (SimulMag) dikembangkan oleh John Oti dari Electromagnetic Technology Division of EEEL, NIST (National Institute of Standards and Technology).

Website : http://math.nist.gov/oommf/contrib/simulmag/simulmag.html.

Operation System : Windows.

2. OOMMF (Object Oriented Micromagnetic Framework)

OOMMF micromagnetics dikembangkan oleh Mike Donahue and Don Porter dari Mathematical and Computational Sciences Division (MCSD) , ITL, NIST bekerja sama dengan μMAG (Micromagnetic Modeling Activity Group).

Website: http://math.nist.gov/oommf, http://www.ctcms.nist.gov/~rdm/mumag.org.html

Operation System : Windows dan Unix.

3. NMag Micromagnetic Simulation

NMag dikembangkan oleh Hans Fangohr dan Thomas Fischbacher dari School of Engineering Sciences, Universitas Southampton. Algoritma yang digunakan menggunakan metode finite element.

Website : http://nmag.soton.ac.uk/nmag/

Operation System : Unix.

4. General Dynamic Micromagnetics (GDM2)
Program ini dikembangkan oleh Bo Yang
Website : http://physics.ucsd.edu/~drf/pub/

B. Commercial-ware

1. LLG Micromagnetic Simulators

Micromagnetic simulator ini dikembangkan oleh M. Scheinfein dengan simulasi 3 dimensi dan menggunakan integrasi persamaan Landau-Lifshitz-Gilbert-Langenvin.

Website : http://llgmicro.home.mindspring.com/

Operation system : Windows.

2. MagFEM3D
Program ini dikembangkan oleh K. Ramstöck
Website : http://www.ramstock.de/
Operation System : Unix dan Windows

3. Magsimus
Program ini dikembangkan oleh perusahaana Euxine Technologies
Website : http://www.euxine.com/
Operation System : Unix dan Windows

4. MicroMagus
Program ini dikembangkan oleh D. V. Berkov, N. L. Gorn
Website : http://www.micromagus.de/
Operation System : Unix dan Windows

Semoga bermanfaat.

Sepanjang dekade ini, isu manipulasi dan pengontrolan arus spin (spin-current) merupakan isu yang hangat dalam bidang spintronics. Isu ini timbul karena  berkaitan dengan kebutuhan teknologi media penyimpanan data, atau data storage, terutama piranti yang berbasis bahan magnet atau magnetic device.

Suatu lapisain tipis dengan bahan ferromagnetik yang diinjeksi dengan arus akan menyebabkan perubahan orientasi arah spin. Perubahan arah spin ini sangat penting pada pengukuran hambatan atau yang dikenal dengan magnetoresistance.  Spin yang berorientasi secara sejajar pada permukaan lapisan tipis lebih mudah mengalir dibandingkan yang berlawan (karena efek hamburan lebih dominan). Eksperimen menunjukan bahwa perubahan orientasi spin (switching spin) membutuh energy yang lebih kecil dibandingkan dengan energi muatan listrik itu sendiri (current-charge). Perubahan orientasi spin dalam bahan ferromagnetic menjadi perhatian yang cukup besar dalam perkembangan pada piranti penyimpan magnetik (magnetic memory devices) di masa depan.

Perubahan orientasi arus spin  ini sangat berhubungan dengan pergerakkan domain dalam bahan ferromagnetik  yang kita kenal dengan  fenomena Giant Magnetoresistance (GMR).  Secara sederhana  arus listrik yang diinjeksikan akan  mengalir pada dua lapisan tipis ferromagnetik yang diselingi bahan bahan non-magnetik. Ketika domain magnet dalam lapisan ferromagnetik berorientasi sejajar, arus listrik mengalir lebih mudah dibandingkan berlawan arah. Ini konsep dasar mengenai GMR yang banyak dikembangkan untuk sensor magnetik, MRAM, dan read-heads pada hard-disk drive. Dalam beberapa kasus lapisan antara dua ferromagnetik disisipi dengan bahan seperti MgO (magnesium oxside) berfungsi sebagai tunner barrier yang dikenal dengan Tunneling Magnetoresistance (TMR) dan perubahan hambatannya lebih besar dibandingkan dengan GMR.  Saat ini pengembangan MRAM dengan menggunakan orientasi arus spin baru pada tahap ”reading”  dengan menggunakan efek GMR atau TMR. Untuk dapat melakukan tahap ”writing” dibutuh medan magnet luar (magnetic-induced) sehingga orientasi spin pada salah satu lapisan ferromagnetic dapat berubah yang dikenal dengan ”soft-layer”. Secara sederhana ketika diinjeksi arus listrik terjadi proses aliran momentum angular menyertai arus spin yang menghasilkan sebuah spin transfer torque (STT) sehingga dapat merubah orientasi spin pada soft-layer dan proses ”writing” dalam berjalan. Lebih jauh efek STT dapat digunakan untuk menggerakan struktur magnetik domain wall pada ferromagnetic wire contohnya adalah Racetrack memory.

Kemudian yang menjadi pertanyaan bagaimana mengontrol arus-spin tersebut? dan bagaimana mengamati?.  Salah satu riset yang dikembangkan oleh Vlaminck dan Bailleiul adalah dengan menggunakan sifat efek Doppler untuk mengamati aliran arus-spin. Mereka mengamati aliran arus-spin dalam bahan ferromagnetic nanowire.  Saat ferromagnetic nanowire diinjeksi arus maka akan menggerakan domain wall dengan disertai perubahan arus-spin dan eksitasi spin wave. Dengan menggunakan prinsip efek Doppler, pengukuran osilasi frekuensi dari spin wave pada panjang gelombang tertentu dapat dilakukan. Selanjutnya frekuensi ini  dapat diaplikasi menentukan kecepatan aliran dari medium magnetik, yaitu spin wave yang merambat dalam medium tersebut.  Pengukuran kecepatan aliran ini sangat fundamental karena dapat menentukan mengontrol berapa besar kerapatan injeksi arus  listrik yang dapat digunakan untuk menggerakan domain wall dalam bahan ferromagnet.

Referensi

V. Vlaminck and M. Baielleul, Science 322, 410 (2008).