一个自动生成面向对象且用于结果分析的微框架配置文件和MATLAB脚本的图形用户界面#外文翻译资料

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MAGE（M或MIF文件自动生成器）：

一个自动生成面向对象且用于结果分析的微框架配置文件和MATLAB脚本的图形用户界面^#

雅各伯·彻斯爱斯金 ^[1],[2],* ； 马立克·弗兰克沃斯基¹

摘要： 我们提出了一个工具，能够完全自动化地生成用于自动数据分析的模拟配置文件(MIF)和MATLAB脚本文件，专用于面向对象的微磁结构(OOMMF)。我们引入一款扩展了的图形用户界面（GUI），这允许我们快速、无误差并且容易地生成微磁输入文件，无需任何编程技能，通常在手动MIF编写过程中非常必要。利用MAGE，我们可以提供面向对象的微架构，通过磁电阻和自旋转移力矩的计算以及输出局部磁化数据选择来进行结构的扩展补充。我们的软件允许创建先进的模拟条件，如同步参数扫描和同步激励应用。此外，由于这种模拟的输出可能是漫长和复杂的，我们提供了另一个GUI允许自动创建适用于分析这些数据与傅立叶和小波变换以及用户定义的操作MATLAB脚本。

关键词： 面向对象的微磁结构(OOMMF)；微磁学模拟仿真；微磁输入文件(MIF)；MATLAB；电流引起的自旋转移力矩（STT）；电压控制的磁各向异性（VCMA)

一、项目概要：

项目名称: MAGE (M或MIF文件自动生成器)

目录标识符: AFAZ_v1_0

程序网页地址: http://cpc.cs.qub.ac.uk/summaries/AFAZ_v1_0.html

程序获取: CPC Program Library, Queenrsquo;s University, Belfast, N.Ireland

许可规定: GNU GPL v3

分布式程序中的线路数目（包括测试数据等）：104926

分布式程序中的字节数目（包括测试数据等）：13228229

分布格式: tar.gz

编程语言: Matlab

计算机： 任何安装了Matlab 的计算机

操作系统： 任何安装了Matlab 的系统

分类： 4.14,7.7.

问题本质： 铁磁纳米元件可以使用面向对象的微磁结构(OOMMF)实现微磁模拟来进行研究。研究需要连续参数和条件的变化，同时运行大量的模拟随时间变化的参数。这意味着用户必须有编程经验，而且要花费大量时间来创建许多扩展的模拟配置文件。更重要的是，当模拟完成后，大量的结果文件的分析往往是一个严格的和相对耗时的过程。此外，尽管结构不断扩展，获得模拟新现象的可能性，这种扩展往往遭受开源模式的不足即缺乏文档和高度特定的接口。

解决方法： MAGE提供了一个易于使用的图形用户界面（GUI），它克服了所有高度复杂的系统和外部随时间变化条件下快速无差错发展的编程障碍。该程序包含的工具适用于大部分最新现象的建模，如自旋传递转矩、电压引起的各向异性磁电阻变化和计算以及局部磁化变化自动记录的可能性。我们提供了一个方便的GUI来进行快速、高效和自动化的数据分析，包括经典的傅立叶分析以及更为先进的小波方法。

运行时间： 配置和数据处理文件创建可以忽略不计。对于所生成的脚本文件的评估强烈地依赖于被调查的样本大小和时间跨度，但一般在一个典型案例中不应超过几分钟。

二、正文

1、介绍

微磁学是一个纳米材料磁性的研究方面大力发展的科学分支。因为微磁学模拟能够处理那些分析计算并不适用的空间非齐次系统，所以被广泛应用以支持研究和制定独立的理论预测[ 1-8 ]。 微磁学方法的一种常见实现方式就是面向对象的微磁结构[ 9,10 ]。 最近开发了一种灵活开放源代码的计划，其中提出了多个扩展，提供新的分析工具以及添加新的物理现象模型[ 11-13 ]。基于OOMMF的软件结构的进一步发展对自旋电子器件的未来的研究中具有很高的重要性如微波发生器和检测器[ 14–16,4 ]，非挥发性随机存取存储器单元[17,18]或探测器[19,20]。

微软件的用户必须仔细规划整个仿真，在得到最佳结果之前，往往需要运行不同参数的多次测试。譬如时变磁场效应[ 4,21 ]、电流引起的自旋转移力矩（STT）[ 22 - 24 ]或电压控制的磁各向异性（VCMA）[ 25 - 27 ]等复杂的多层结构和动力学现象，特别是当它们同时使用随时间变化的外部条件时，对它们进行建模可能看起来会非常耗时。另一方面，OOMMF提供过多的输出数据，可能处理起来会有些费力。

在这项工作中，我们提出了MAGE（M或MIF文件自动生成器）：一个用于产生所谓的微磁输入文件(MIF文件)[ 28 ]的问题说明文件以及为自动先进的时域和频域研究提供的MATLAB脚本文件(.m文件)[ 29 ]的图形用户界面（GUI）工具。

此外，我们提供的OOMMF扩展结构来实现STT模型、磁阻[ 30 - 32 ]并支持VCMA建模，该结构连同MAGE一起，允许执行端到端的辅助和自动化的磁化动力学模拟和结果分析，并且在各种激励作用的情况下通常用在自旋电子器件。

在第2节中，我们会快速回顾微磁场模拟的理论背景和相关的物理现象；第3节详细介绍了程序结构；第4节介绍了具有MAGE选择功能的使用示例；最后，我们在第5节介绍一个程序摘要。

2、理论背景

2.1 微磁法

布朗和拉邦特[ 33 ]引入了微磁学以便对纳米级材料的磁化行为进行计算。这是一种连续介质的模型，用空间能量分布决定基于有效场H_eff局部磁化向量均衡。因此，与单域模型中的分析计算相比，微磁方法的主要优点是处理不均匀性、复杂结构和非线性效应的可能性。每个离散单元i中的H_eff(i)由下式给出：

， （1）

其中m_i是单元i的磁化单位向量，V_i是单元体积，mu;₀M_s是饱和磁化值，E_i是单元有效能。因此，发现每个细胞的能量对于微观磁场是至关重要的。以下能量术语在OOMMF中实现：塞曼能量、各向异性能量、交换能量、层间耦合能量和去磁能。OOMMF为其中的每一个提供不同类型的声明，以及一些子类型，例如Oxs_CubicAnisotropy或Oxs_UniaxialAnisotropy能量。OOMMF功能的完整列表可以在项目网站上找到[ 34]。

H_eff(i)的公式允许随着时间的推移进行微磁化调查磁化演化。动力学方程[36,37]首先由朗道和利弗席兹[ 35 ]提出，可以作为一种吉尔伯特替代形式。连同用于阻尼的吉尔伯特术语，其描述了能量耗散，可以以常用的形式获得所谓的LLG方程：

， （2）

其中gamma;₀是等于2.21times;10⁵m / As的电子回旋磁比，alpha;是无量纲阻尼参数，在大多数情况下，实际的微磁计算被视为现象常数。

2.2 STT和VCMA

随着自旋电子学的发展，越来越复杂的磁化控制方法正在被提出和研究。除了相对简单和低效的仅限磁场的设备，两个非常有希望的现象引起了广泛关注：20世纪90年代的STT和2000年代的VCMA效应。第一种理论正在被不断地优化和应用于目前以来最为先进的设备和最为有效的方式[38-40]之中。同样，VCMA最近也提出了新的想法[41,42,16]。

被施加到高阻自旋电子元件的电压可以改变界面处的电子带结构，从而影响界面对磁各向异性的贡献[43,44]。因此，VCMA可以通过简单的各向异性值的交替直接引入H_eff。

在STT的情况下，如果对薄铁磁层施加自旋极化电流，则会发生传播电子之间的角矩的转移和铁磁性膜的磁化。如果施加电流的幅度足够大，则会导致受影响层中的激发激发或完全翻转其磁化。 我们假设和是电流流过的两个铁磁电极的磁化矢量，在后者中偏向自身。LLG方程的修改形式LLGS方程的引入了两个术语，一个是所谓的平面内STT（平行于包含和的平面），另一个是平面外的STT（垂直于包含和的平面）：

， （3）

其中面内扭矩因子书写如下：

， (4)

其中M_s是自由层饱和磁化强度，t是自由层厚度，eta; 是有效的自旋电流极化，J是电流密度。平面外扭矩因子由下式给出：b_J = b₀ b₁J b₂J²，其中参数b₀，b₁和b₂的值通常来自实验[45,16,32]。

3.方案结构和原则

MAGE是一个图形用户界面程序，旨在帮助最终用户创建用于模拟的OOMMF配置文件（.mif文件）和MATLAB文件，以分析获得的结果。该程序由两个模块组成，第一个负责OOMMF部分，第二个模块负责MATLAB部分。

为了运行任何模块，您可以使用MATLAB环境，并从MATLAB窗口运行相应的.m文件（mage.m或mfile_generator.m）。 或者您可以使用MATLAB的GUIDE添加，并通过GUIDE运行这些文件。MAGE的第一部分部分独立于MATLAB环境，并且可以作为独立程序（mage.exe）运行，前提是您免费安装Mathworks公司提供的各自的MCR软件包。由于第二部分需要一个工作的MATLAB环境才能使用分析文件，因此不能作为独立程序单独运行。

3.1 Mif生成模块

第一个模块包括一个主窗口和几个按钮，将指引你打开允许创建.mif代码的子窗口。有关OOMMF种类划分的描述，请参阅：http://math.nist.gov/oommf/doc/userguide12a5/userguide/

Standard_Oxs_Ext_Child_Clas.html。通常，MAGE功能列表对应于OOMMF种类的列表，用户应参考上面所述的描述，以了解和使用该程序。当前版本的MAGE不完全支持一些较不通用且相当不常见的类。如果要将其中一个添加到文件中，则必须将更改手动引入最终.mif文件或程序编辑窗口。此外，该程序支持不包括在基本OOMMF列表中的多个类，例如允许引入自旋极化电流或磁阻级的演进。有关这些的详细说明，请参见第3.1.5和3.1.6段。

MAGE Mif模块主窗口的GUI界面如图1所示。

图1 MAGE中mif模块的主界面

新建MIF

地图集

标量和矢量字段

激励

内部能量

计划输出

其他

3.1.1 新建Mif

New Mif按钮创建新的mif，首先请求用户确认是否已经存在。此按钮没有其他选项或参数。

3.1.2 地图集

“Atlases”按钮负责创建Oxs_Atlas课程。一共有五种类型的地图集：矩形长方体，椭圆体和三种类型的圆盘状圆柱体（以x，y或z轴为主轴）。矩形立方体案例主要由Oxs_BoxAtlas对象实现，其他情况由Oxs_ScriptAtlas对象实现，脚本文件由MAGE程序自动生成。用户只需指定所需类型的图集、尺寸大小（x，y和z轴跨度以纳米为单位且必须为正值）、所使用的多维数据集的名称和可选的待创建的图集的名称。请注意，MAGE仅支持将创建的地图集放在多数据集中的那种仿真架构，从而有效地成为该多维数据集的分区。如果您不确定如何使用不同的多格式，建议保留此选项不变

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