Optimal Control of Magnetization Reversal in a Monodomain Particle by Means of Applied Magnetic Field.
Optimal Control of Magnetization Reversal in a Monodomain Particle by Means of Applied Magnetic Field.
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通过施加磁场对单畴粒子磁化反转的优化控制
DOI：
10.1103/physrevlett.126.177206
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发表时间：
2021
影响因子：
8.6
通讯作者：
P.F. Bessarab
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
G.J. Kwiatkowski;M.H.A. Badarneh;D.V. Berkov;P.F. Bessarab
本文给出了易轴各向异性大自旋最优反转的完整解析解。一个最佳的控制路径，最大限度地减少能源成本的逆转被确定，并用于推导出时间依赖的方向和幅度的最佳开关场。反转的最小能量成本与快速切换的切换时间成反比，慢切换遵循指数渐近性，并在无限长的切换时间达到与目标状态之间的能量势垒和阻尼参数成比例的下限。对于给定的开关时间，能量成本永远不会小于自由宏自旋。可以通过添加硬各向异性轴来绕过这一限制，该轴可以在所需的切换方向上激活内部扭矩，从而显着降低能源成本。计算出的最佳控制路径和最小能量路径之间的比较表明，最佳控制并不转化为能量势垒的最小化，但意味着有效地利用系统的内部动态，以帮助所需的磁过渡。
A complete analytical solution to the optimal reversal of a macrospin with easy-axis anisotropy is presented. An optimal control path minimizing the energy cost of the reversal is identified and used to derive the time-dependent direction and amplitude of the optimal switching field. The minimum energy cost of the reversal scales inversely with the switching time for fast switching, follows exponential asymptotics for slow switching, and reaches the lower limit proportional to the energy barrier between the target states and to the damping parameter at infinitely long switching time. For a given switching time, the energy cost is never smaller than that for a free macrospin. This limitation can be bypassed by adding a hard anisotropy axis that activates the internal torque in the desired switching direction, thereby significantly reducing the energy cost. A comparison between the calculated optimal control path and minimum energy path reveals that optimal control does not translate to the minimization of the energy barrier but signifies effective use of the system’s internal dynamics to aid the desired magnetic transition.
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