Recent theoretical and experimental advances show that the inertia of magnetization emerges at sub-picoseconds and contributes to the ultrafast magnetization dynamics which cannot be captured intrinsically by the LLG equation. Therefore, as a generalization, the inertial Landau-Lifshitz-Gilbert (iLLG) equation is proposed to model the ultrafast magnetization dynamics. Mathematically, the LLG equation is a nonlinear system of parabolic type with (possible) degeneracy. However, the iLLG equation is a nonlinear system of mixed hyperbolic-parabolic type with degeneracy, and exhibits more complicated structures. It behaves like a hyperbolic system at the sub-picosecond scale while behaves like a parabolic system at larger timescales. Such hybrid behaviors impose additional difficulties on designing numerical methods for the iLLG equation. In this work, we propose a second-order semi-implicit scheme to solve the iLLG equation. The second temporal derivative of magnetization is approximated by the standard centered difference scheme and the first derivative is approximated by the midpoint scheme involving three time steps. The nonlinear terms are treated semi-implicitly using one-sided interpolation with the second-order accuracy. At each step, the unconditionally unique solvability of the unsymmetric linear system of equations in the proposed method is proved with a detailed discussion on the condition number. Numerically, the second-order accuracy in both time and space is verified. Using the proposed method, the inertial effect of ferromagnetics is observed in micromagnetics simulations at small timescales, in consistency with the hyperbolic property of the model at sub-picoseconds. For long time simulations, the results of the iLLG model are in nice agreements with those of the LLG model, in consistency with the parabolic feature of the iLLG model at larger timescales.


翻译:最近的理论和实验进步表明磁化的惯性出现在亚相光秒中,有助于超快磁化动态,而超快磁化的惯性无法被LLG方程式内嵌。 因此,作为一般化,提议将惯性Landau-Lifshitz-Gilbert(iLLLG)方程式用于模拟超快磁化动态。 从数学角度讲,LLLG方程式是一个具有(可能)分光度的非线性系统。 然而, iLLLG方程式是一个非线性磁化系统, 由双双双双双双双对流型和分光性, 并展示更复杂的结构。 它表现为二进制超双双级双级双级双级双级双级双级超双级磁磁磁化系统, 在更大的时间尺度中, 这种混合行为在设计 iLLLLG方程式的数值方法上增加了更多的困难。 在这项工作中, 我们提出一个二级半隐含 IMLLLG方方程式内, 的二级双级双级双级双级双级双级双级双级双级变变。 在标准模型中, 模拟模型中, 和双级模型中, IM IM IM IM IM IMLLILLLLLLLILLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 的二级的双级的双级的模拟的二等的双轨性协议的第二级和双级和双级的双级的双级和双级的双级的双级和双级的双级的双级的双级的双级 。

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