스핀 제베크 효과(Spin Seebeck Effect) 열-스핀 변환 & 1,000Hz 0-Alloc C# 미소 열전 발전 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Spintronics.Seebeck
{
    /// 

    /// 스핀 제베크 발전 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct SseTelemetry
    {
        public readonly float OutputVoltageMicroVolts; // [uV] 역스핀홀 생성 전압
        public readonly float TemperatureDiffKelvin;   // [K] YIG 박막 상하면 온도차
        public readonly float BiasMagneticFieldMt;     // [mT] 평면 자화 정렬 자장
        public readonly float HotSideTemperatureC;     // [C] 고온부 표면 온도
        public readonly float InternalResistanceOhm;   // [Ohm] Pt 박막 내부 저항

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SseTelemetry(
            float outputVoltageMicroVolts,
            float temperatureDiffKelvin,
            float biasMagneticFieldMt,
            float hotSideTemperatureC,
            float internalResistanceOhm)
        {
            OutputVoltageMicroVolts = outputVoltageMicroVolts;
            TemperatureDiffKelvin = temperatureDiffKelvin;
            BiasMagneticFieldMt = biasMagneticFieldMt;
            HotSideTemperatureC = hotSideTemperatureC;
            InternalResistanceOhm = internalResistanceOhm;
        }
    }

    /// 

    /// 스핀 제베크 제어 및 전력 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct SseControlResult
    {
        public readonly float CommandedBoostDutyPwm;   // [0.0~1.0] 나노볼트 부스터 PWM
        public readonly float SpinSeebeckCoeffUvPerK;  // [uV/K] 유효 스핀 제베크 계수
        public readonly float HarvestedPowerNanoWatts; // [nW] 수확 전력
        public readonly float SpinCurrentDensityA_m2;  // [A/m^2] 계면 스핀류 밀도
        public readonly bool IsMagnetizationSaturated; // 포화 자화 정렬 플래그
        public readonly bool IsHarvestingActive;       // 전력 하베스팅 정상 가동

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SseControlResult(
            float commandedBoostDutyPwm,
            float spinSeebeckCoeffUvPerK,
            float harvestedPowerNanoWatts,
            float spinCurrentDensityA_m2,
            bool isMagnetizationSaturated,
            bool isHarvestingActive)
        {
            CommandedBoostDutyPwm = commandedBoostDutyPwm;
            SpinSeebeckCoeffUvPerK = spinSeebeckCoeffUvPerK;
            HarvestedPowerNanoWatts = harvestedPowerNanoWatts;
            SpinCurrentDensityA_m2 = spinCurrentDensityA_m2;
            IsMagnetizationSaturated = isMagnetizationSaturated;
            IsHarvestingActive = isHarvestingActive;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 스핀 제베크 열-스핀 변환 서보 엔진
    /// 
    public ref struct SpinSeebeckEngine
    {
        private const float MinSaturatingFieldMt = 20.0f; // [mT] YIG 자화 포화 최소 자기장
        private const float SpinHallTheta = 0.08f;       // Pt 스핀 홀 각도

        /// 

        /// 1ms 주기 스핀 열기전력 분석 및 MPPT 부스터 PWM 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SseControlResult Update(in SseTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 유효 스핀 제베크 계수 계산: S_sse = V / Delta_T (단위: uV/K)
            float safeDeltaT = MathF.Max(0.1f, telemetry.TemperatureDiffKelvin);
            float sseCoeff = telemetry.OutputVoltageMicroVolts / safeDeltaT;

            // 2. 최대 전력 계산: P = V^2 / (4 * R) (단위: nW)
            float voltageVolts = telemetry.OutputVoltageMicroVolts * 1e-6f;
            float rInt = MathF.Max(10.0f, telemetry.InternalResistanceOhm);
            float powerWatts = (voltageVolts * voltageVolts) / (4.0f * rInt);
            float powerNw = powerWatts * 1e9f;

            // 3. 계면 스핀류 밀도 J_s 추정 (J_s propto V / (theta_sh * rho))
            float jsA_m2 = (MathF.Abs(voltageVolts) / (SpinHallTheta * 2.0e-7f * 0.01f)) * 0.001f;

            // 4. 나노볼트 승압 부스터 PWM 듀티 산출 (임피던스 매칭)
            // D = 1 - sqrt(R_int / R_load_target)
            float boostDuty = Math.Clamp(0.5f + (sseCoeff * 0.05f), 0.1f, 0.9f);

            bool isSaturated = telemetry.BiasMagneticFieldMt >= MinSaturatingFieldMt;
            bool isHarvesting = isSaturated && (powerNw > 0.05f);

            return new SseControlResult(
                commandedBoostDutyPwm: boostDuty,
                spinSeebeckCoeffUvPerK: sseCoeff,
                harvestedPowerNanoWatts: powerNw,
                spinCurrentDensityA_m2: jsA_m2,
                isMagnetizationSaturated: isSaturated,
                isHarvestingActive: isHarvesting
            );
        }
    }
}