Computational and Algorithmic Approaches for Studying Exotic Spin Textures
Tid: Fr 2024-05-24 kl 13.00
Plats: 4204, Albanovägen 29, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Material- och nanofysik SRA - E-vetenskap (SeRC) Teoretisk fysik
Respondent: Qichen Xu , Tillämpad fysik, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Anna Delin
Opponent: Sébastien Lebègue, Université de Lorraine and CNRS
Handledare: Anna Delin, Materialvetenskap, SeRC - Swedish e-Science Research Centre, Material- och nanofysik; Pawel Herman, Beräkningsvetenskap och beräkningsteknik (CST), SeRC - Swedish e-Science Research Centre; Olle Eriksson, Uppsala University; Erik Sjöqvist, Uppsala University; Alexander Edström, Material- och nanofysik
QC 2024-05-07
Abstract
Exotiska spinntexturer såsom skyrmioner, är lovande kandidater för utvecklingen av nästa generations, hållbara spinntronik-enheter. Trots omfattande forskning inom detta område är sökandet efter effektiva beräkningsmetoder för den automatiserade upptäckten av nya funktionella magnetiska material och identifiering av de komplexa topologiska spintexturer de kan hysa, fortfarande en formidabel utmaning inom fasta tillståndets fysik. Detta avhandlingsarbete introducerar en lovande helhetslösning för beräkning, som använder Heisenberg spinn Hamiltonian-modellen, inriktad på att öve-rvinna denna utmaning och upptäcka nya exotiska spintexturer. Våra meto- der omfattar ett automatiserat arbetsflöde för beräkningar med täthetsfunkt- ionalteori (DFT) som är utformat för att förutsäga kandidatmaterial för funktionella magnetiska material som kan hysa spinntexturer, med dessa kandidatmaterial beräknar vi deras magnetiska utbytesväxelverkan för att konstruera spinn-Hamiltonoperatorer. Därefter används ett beräkningsarbet- sflöde som integrerar nyligen utvecklade metaheuristiska optimeringsalgoritmer med atomistisk spinndynamik (ASD) simuleringar för att identifiera spinntexturer i riktade system. Vidare presenteras ett efterbehandlingsverktyg för visualisering av dessa texturer.
I den beräkningsmässiga delen av detta arbete har vi utvecklat flera verktyg, inklusive programvara för arbetsflöden med hög genomströmning, samt för vetenskaplig visualisering, tillägnad studier exotiska spintexturer. På den algoritmiska sidan introducerar vi det metaheuristiska villkorade neuronnätverket och en metod för kontrollerad sammansättning för att undersöka de långlivade metastabila tillstånden hos magnetiska system med växelverkan av lång räckvidd. Genom dessa nya metoder har vi identifierat konstruktionsvägar till flera nya högre ordningens antiskyrmioner och tre typer av skyrmioniska metamaterial (dvs. gitterliknande, flagliknande och celliknande). Dessutom var vi i tillämpningen av evolutionära algoritmer för att identifiera grundtillstånden hos skyrmioniska system, och utvecklade både den genetiska tunneloptimeraren (GTO) och en neuroevolutionär algoritm.
Sammanfattning av de huvudsakliga resultaten:
1. Upptäckt och analys av bildningsmekanismen för nya högordnings antiskyrmioner i PdFeIr-systemet.
2. Förutsägelse av skyrmioner i 4d- och 5d-dopade B20-system.
3. Första introduktionen av evolutionära algoritmer till atomistiska spinn-Hamiltonoperator, kombinerat med Markovkedje Monte Carlo och atomistiska spinndynamiksimuleringar.
4. Upptäckt av konstruktionsvägen för nya skyrmioniska texturer, exempelvis 2D skyrmioniska metamaterial.
5. Utveckling av en allmän visualiserings- och efterbehandlingskod för beräkningsmagnetism, vilket erbjuder nya möjligheter för analys av komplexa spinntexturer.