Magnetic non-contact friction from domain wall dynamics actuated by oscillatory mechanical motion

Magnetic friction is a form of non-contact friction arising from the dissipation of energy in a magnet due to spin reorientation in a magnetic field. In this paper we study magnetic friction in the context of micromagnetics, using our recent implementation of smooth spring-driven motion [Phys. Rev. E. 97, 053301 (2018)] to simulate ring-down measurements in two setups where domain wall dynamics is induced by mechanical motion. These include a single thin film with a domain wall in an external field and a setup mimicking a magnetic cantilever tip and substrate, in which the two magnets interact through dipolar interactions. We investigate how various micromagnetic parameters influence the domain wall dynamics actuated by the oscillatory spring-driven mechanical motion and the resulting damping coefficient. Our simulations show that the magnitude of magnetic friction can be comparable to other forms of non-contact friction. For oscillation frequencies lower than those inducing excitations of the internal structure of the domain walls, the damping coefficient is found to be independent of frequency. Hence, our results obtained in the frequency range from 8 to 112 MHz are expected to be relevant also for typical experimental setups operating in the 100 kHz range.Comment: 19 pages, 8 figure

Bursty magnetic friction between polycrystalline thin films with domain walls

Two magnets in relative motion interact through their dipolar fields, making individual magnetic moments dynamically adapt to the changes in the energy landscape and bringing about collective magnetization dynamics. Some of the energy of the system is irrevocably lost through various coupling mechanisms between the spin degrees of freedom and those of the underlying lattice, resulting in magnetic friction. In this work, we use micromagnetic simulations to study magnetic friction in a system of two thin ferromagnetic films containing quenched disorder mimicking a polycrystalline structure. We observe bursts of magnetic activity resulting from repeated domain wall pinning due to the disorder and subsequent depinning triggered by the dipolar interaction between the moving films. These domain wall jumps result in strong energy dissipation peaks. We study how the properties of the polycrystalline structure such as grain size and strength of the disorder, along with the driving velocity and the width of the films, affect the magnetization dynamics, average energy dissipation, and the statistical properties of the energy dissipation bursts.Peer reviewe

Viskoelastisuus ja kontaktin ikääntyminen yksinkertaistetussa kitkamallissa

Dry friction (friction between solid surfaces in the absence of lubrication) is a complex phenomenon, involving effects from multiple time and length scales. The interplay of these effects in turn gives rise to interesting dynamical behavior depending on the surface materials and various other parameters, such as the relative velocity of the surfaces. One of the intriguing properties of dry friction in the low-velocity regime is the emergence of so-called ''stick-slip'' motion. The name ''stick-slip'' originates from the observed jerky movement of rigid bodies on rough surfaces. This kind of motion has been linked with wear, and thus has been the subject of considerable scientific attention, especially in the field of nanotribology. However, factors related to stick-slip are plentiful, and many aspects still lack comprehensive explanation. Stick-slip motion is often characterized by power law distributed quantities. The critical exponents of these distributions divide stick-slip dynamics into different universality classes, meaning that systems with seemingly little in common can exhibit similar fundamental dynamics. In this thesis, a numerical simulation was conducted to investigate the properties of the stick-slip motion of a 1D elastic chain on a disordered substrate in the presence of viscoelastic effects and contact aging. The characteristic distributions and the critical exponents were determined from the avalanche statistics and compared to the experimental and computational values from existing research papers. Additionally, the onset of motion and the phenomena related to it were studied. It was observed that extending the model with viscoelasticity and contact aging both have both qualitative and quantitative consequences, introducing new kinds of avalanches and altering the critical exponents of the avalanche distributions. However, the results obtained with the extended model still differ from those found in laboratory experiments on dry friction. Possibilities for future improvements of the model are discussed at the end of this thesis.Voitelemattomien pintojen välinen kitka (kuiva kitka) on monimutkainen ilmiö, johon usean aika- ja pituuskaalan tapahtumat vaikuttavat. Näiden tapahtumien vuorovaikutus puolestaan saa aikaan dynamiikkaa, joka riippuu pintojen materiaaleista ja useista muista parametreista, kuten pintojen suhteellisesta nopeudesta toisiinsa nähden. Yksi kuivan kitkan mielenkiintoisista ominaisuuksista on niin sanotun ''stick-slip''-liikkeen syntyminen alhaisilla nopeuksilla. Stick-slip -liikkeen nimi juontaa juurensa kokeista, joissa jäykän kappaleen havaittiin liikkuvan nykivästi karhealla pinnalla. Tällainen liike on yhdistetty pintojen kulumiseen ja siksi sitä on tutkittu huomattavasti etenkin nanotribologiassa. Tästä huolimatta kaikkia stick-slip -liikkeeseen liittyvistä lukuisista ilmiöistä ei ole vielä kyetty täydellisesti selittämään. Yleinen Stick-slip -liikkeelle tunnusomainen piirre on potenssilakien mukaan jakautuneet suureet. Näiden potenssilakien kriittiset eksponentit jakavat stick-slip liikkeen erilaisiin universaalisuusluokkiin: systeemeihin, jotka voivat olla näennäisesti suurista eroista riippumatta fundamentaaliselta dynamiikaltaan samanlaisia. Tässä työssä tutkittiin numeerisen simulaation avulla yksiulotteisen elastisen ketjun stick-slip liikettä epäjärjestyneen substraatin päällä, sekä kahden ilmiön, viskoelastisuuden ja kontaktin vanhenemisen, vaikutusta ko. liikkeeseen. Stick-slip-ilmiön kannalta keskeiset jakaumat ja niiden kriittiset eksponentit määritettiin vyörystatistiikasta ja niitä verrattiin olemassaoleviin kokeellisiin ja laskennallisiin arvoihin. Lisäksi tutkittiin liikkeen alkua ja siihen liittyviä ilmiöitä. Työssä havaittiin viskoelastisuuden ja kontaktin vanhenemisen muuttavan elastisen ketjun liikettä sekä kvantitatiivisesti että kvalitatiivisesti: uudentyyppisiä vyöryjä havaittiin, ja vyöryjakaumien eksponentit muuttuivat. Muutoksista huolimatta simulaatioista saadut tulokset eroavat laboratoriokokeiden tuloksista. Parannusehdotuksia malliin esitetään työn lopussa

Moving magnets in a micromagnetic finite-difference framework

We present a method and an implementation for smooth linear motion in a finite-difference-based micromagnetic simulation code, to be used in simulating magnetic friction and other phenomena involving moving microscale magnets. Our aim is to accurately simulate the magnetization dynamics and relative motion of magnets while retaining high computational speed. To this end, we combine techniques for fast scalar potential calculation and cubic b-spline interpolation, parallelizing them on a graphics processing unit(GPU). The implementation also includes the possibility of explicitly simulating eddy currents in the case of conducting magnets. We test our implementation by providing numerical examples of stick-slip motion of thin films pulled by a spring and the effect of eddy currents on the switching time of magnetic nanocubes.Peer reviewe

Magnetisaation dynamiikka ja energiahäviöt magneettisissa ohutkalvoissa

Magnetic thin films are layers of magnetic material ranging from ultrathin films, consisting of only a few atomic layers, up to few micrometers in thickness. The magnetization configurations of magnetic thin films display a wide variety of complex patterns, including bubbles domains, maze patterns and topological solitons or defects. Under the influence of e.g. external magnetic field, the magnetization exhibits rich dynamics, from avalanche-like domain wall jumps in Barkhausen noise to nucleation and annihilation of vortices and antivortices in in-plane anisotropy films. Magnetic thin films are researched extensively due to their unique properties and potential for nano- and microscale applications, such as magnetic memory devices and microelectromechanical systems (MEMS). When the magnetization of a magnet goes through a change due to e.g. domain wall motion in the aforementioned Barkhausen noise, the elementary magnetic moments of the system experience motion called Larmor precession, which slowly winds down as the magnetization relaxes into a new configuration. This relaxation results from couplings between magnetic, electric and phononic degrees of freedom, which transfer energy from the magnetic moments to the lattice, where the energy is then dissipated as heat. These magnetic losses are relevant in applications where there are alternating electromagnetic fields or components moving in such fields, such as transformers, electric motors and magnetic bearings. In this dissertation, we study magnetic losses in thin films using micromagnetic simulations, with emphasis on the magnetization dynamics and dissipation resulting from the motion of a magnetic thin film in an external field or relative to another film. Publication I focuses on the dynamics of topological defects and energy dissipation in a Permalloy thin film experiencing a relaxation from an initially random magnetization state. In publication II, we develop an extension capable of simulating moving thin films to an existing micromagnetic simulation code. Publications III and IV use the extension to investigate domain wall dynamics and the resulting losses in response to motion in thin films with perpendicular magnetic anisotropy. Publication III investigates the damping of high-frequency mechanical oscillation due to magnetic dynamics, while publication IV considers magnetic losses due to domain wall motion in films with disorder.Magneettiset ohutkalvot ovat magneettisesta materiaalista valmistettuja kerroksia, joiden paksuus vaihtelee kalvosta riippuen muutamasta atomikerroksesta (ns. ultraohut kalvo) muutamaan mikrometriin. Magneettisissa ohutkalvoissa esiintyy monipuolisia magnetisaatiorakenteita, kuten magneettisia kuplia, sokkelomaisia kuvioita ja topologisia solitoneja tai defektejä. Magnetisaation dynamiikka, joka voidaan saada aikaan esimerkiksi ulkoista magneettikenttää käyttäen, on mag-neettisissa ohutkalvoissa hyvin monimuotoista, sisältäen muun muassa magneettisten seinämien vyörymäisiä liikkeitä (niin kutsuttua Barkhausenin kohinaa) sekä vorteksien ja antivorteksien synty- ja annihilaatioprosesseja tasoon magnetoituneissa ohutkalvoissa. Magneettisia ohutkalvoja tutkitaan paljon niiden erityisten magneettisten ominaisuuksien sekä potentiaalisten sovellusten, kuten magneettisten muistien ja mikroelektromekaanisten systeemien (MEMS) vuoksi. Magnetisaation muutos, esimerkiksi magneettisen seinämän liikkuessa edellämainitussa Barkhausenin kohinassa, saa materiaalin alkeismagneeteissa aikaan pyörimisliikkeen, joka tun-netaan Larmorin prekessiona. Tämä prekessioliike vaimenee nopeasti, ja magnetisaatio mukautuu uuteen konfiguraatioon. Liikkeen vaimeneminen johtuu kytkennöistä aineen magneettisten, sähköisten ja fononisten vapausasteiden välillä, jotka muuntavat magneettisten momenttien liike-energiaa hilarakenteen lämpövärähtelyiksi. Tämänkaltaiset magneettiset häviöt ovat oleellisia sovelluksissa, joissa on muuttuvia sähkömagneettisia kenttiä tai liikkuvia komponentteja sähkömagneettisissa kentissä, kuten muuntajissa, sähkömoottoreissa ja magneettisissa laakereissa. Tässä työssä tutkitaan magneettisia häviöitä ohutkalvoissa mikromagnetismisimulaatioiden avulla. Tutkimuksen painopisteenä ovat magnetisaation dynamiikka ja häviöt, jotka johtuvat ohutkalvon liikkeestä joko ulkoisessa kentässä tai suhteessa toiseen ohutkalvoon. Julkaisu I keskittyy topologisten defektien dynamiikkaan ja energiahäviöihin Permalloy-ohutkalvossa, joka relaksoituu satunnaisesta magneettisesta konfiguraatiosta. Julkaisussa II kehitämme olemassaolevaan mikromagnetismisimulaatio-ohjelmistoon laajennuksen, jolla voimme tutkia liikkuvia ohutkalvoja. Julkaisut III ja IV käyttävät laajennusta magneettisten seinämien dynamiikan ja siitä johtuvien häviöiden tutkimiseen kohtisuoran magneettisen anisotropian ohutkalvoissa. Julkaisussa III syvennytään magnetisaatiodynamiikan aiheuttamaan korkeataajuisen mekaanisen oskillaation vaimenemiseen, ja julkaisussa IV keskitytään magneettisiin häviöihin, jotka johtuvat magneettisten seinämien liikkeestä epäjärjestystä sisältävissä ohutkalvoissa

PTS ohjaamassa kampuskehitystä : Tamk B-rakennus kuntoarvio ja PTS

Opinnäytetyössä tuotetaan Tampereen ammattikorkeakoulun B-rakennuksesta kuntoarvio ja sen perusteella korjaus- ja parannusehdotuksia. Kuntoarvion pohjalta laaditaan myös pitkän tähtäimen suunnitelmaehdotus. Lisäksi tutkitaan pitkän tähtäimen suunnitelman vaikutusta kampuskehityksen suunnitteluun ja toteuttamiseen, ja pohditaan, miten sitä voitaisiin hyödyntää tulevaisuudessa. Opinnäytetyössä suoritetaan kuntoarvio TAMK:n pääkampuksen B-rakennuksesta, jonka perustella laaditaan PTS-ehdotus. Pitkän tähtäimen suunnitelmasta ja siihen liittyvästä tiedonkeruupohjasta tehtiin jokaiselle kampuksen rakennukselle oma lomakepohjansa, jolle kirjataan tulevaisuudessa toteutettavat toimenpiteet. Kiinteistönhoitajien on tarkoitus päivittää ja täydentää lomakkeita työnsä ohessa. Kuntoarvio on laadittu saatavilla olevien ajantasaisten RT- ja KH-korttien ohjeistuksen mukaan. Rakennuksen lähtötiedot ja korjaushistoria on saatu TAMK:n arkistoista, tiedostoista, ja kiinteistöhoitajien tiedoista. Opinnäytetyön tarkoitus on antaa kattava kuvaus tutkittavan rakennuksen LVI-järjestelmien nykyisestä kunnosta ja toimia ohjeena kuntoarvion ja PTS:n laatimisesta. Tarkoituksena myös tutkia, miten PTS vaikuttaa kampuskehitykseen, ja miten sitä voitaisiin hyödyntää paremmin.In this thesis a condition assessment is produced of Building B at Tampere University of Applied Sciences (TAMK) along with repair and improvement suggestions based on the assessment. Based on the condition assessment a long-term plan is drafted. Additionally, the impact of the long-term plan on campus development planning and implementation is examined, and considerations are given to how it could be utilized in the future. The thesis conducts a condition assessment of Building B on TAMK's main campus, based on which a long-term plan proposal is generated. For the long-term plan and its related data collection template, a separate template was created for each campus building. This template allows for the documentation of future actions and is intended to be updated and supplemented by property managers as part of their daily work. The condition assessment is prepared according to the guidelines of the available up-to-date RT and KH cards. The building's initial information and repair history were obtained from TAMK's archives, files, and property managers' records. The purpose of the thesis is to provide a comprehensive assessment of the current condition of the HVAC systems in the examined building and to serve as a guide for preparing the condition assessment and the long-term plan. Another aim is to investigate how the long-term plan affects campus development and how it could be better utilized

Coarsening dynamics of topological defects in thin permalloy films

We study the dynamics of topological defects in the magnetic texture of rectangular permalloy thin-film elements during relaxation from random magnetization initial states. Our full micromagnetic simulations reveal complex defect dynamics during relaxation towards the stable Landau closure domain pattern, manifested as temporal power-law decay, with a system-size-dependent cutoff time, of various quantities. These include the energy density of the system and the number densities of the different kinds of topological defects present in the system. The related power-law exponents assume nontrivial values and are found to be different for the different defect types. The exponents are robust against a moderate increase in the Gilbert damping constant and introduction of quenched structural disorder. We discuss details of the processes allowed by conservation of the winding number of the defects, underlying their complex coarsening dynamics.Peer reviewe