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Mikromagnetismus sehr großer Systeme auf verteilten Rechnern

Very Largescale Distributed Micromagnetic Research Tools

Claas Willem Abert (ORCID: 0000-0002-4999-0311)
  • Grant-DOI 10.55776/P34671
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status laufend
  • Projektbeginn 15.11.2021
  • Projektende 14.08.2026
  • Bewilligungssumme 330.188 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Informatik (34%); Mathematik (33%); Physik, Astronomie (33%)

Keywords

    Micromagnetics, Numerical Methods, High Performanc

Abstract

Computergestützter Mikromagnetismus hat eine lange Geschichte als wertvolles Werkzeug für die theoretische Untersuchung von magnetischen Systemen auf der Mikrometerskala. Während die ersten mikromagnetischen Berechnungen in den 1960er Jahren an kleinen zweidimensionalen Systemen mit nur wenigen Freiheitsgraden durchgeführt wurden, hat die enorme Steigerung der Rechenleistung und die Entwicklung verbesserter numerischer Algorithmen zu einer breiten Landschaft von mikromagnetischen Codes geführt, die in der Lage sind, Millionen von Freiheitsgraden in einer angemessenen Zeit zu verarbeiten. Trotz dieser Fortschritte sind die heutigen mikromagnetischen Simulationen immer noch auf Systeme im Mikrometerbereich beschränkt, da das mikromagnetische Modell eine sehr feine räumliche Diskretisierung im einstelligen Nanometerbereich erfordert. In diesem Projekt sollen die Grenzen der Größenbeschränkung und der Simulationsgeschwindigkeit deutlich verschoben werden, indem Algorithmen eingesetzt werden, die besonders für verteilte Berechnungen geeignet sind, und indem Software-Frameworks verwendet werden, die auf den Umgang mit großen Datenmengen spezialisiert sind. Konkret soll das zeitparallele Integrationsschema Parareal implementiert werden, das bereits in anderen wissenschaftlichen Disziplinen zu signifikanten Beschleunigungen der Berechnungen geführt hat. In einem weiteren Teilprojekt werden die Möglichkeiten moderner Finite- Elemente-Bibliotheken genutzt, um einen verteilten mikromagnetischen Code höherer Ordnung zu implementieren, der für Hochleistungs-Rechencluster geeignet ist. Im dritten Teilprojekt soll die hochoptimierte Tensor-Bibliothek TensorFlow verwendet werden, um eine neuartige Finite-Differenzen- Formulierung zu implementieren, die auf Grafikprozessoren gelöst werden kann. Diese neuartige Formulierung wird die rigorose und genaue Beschreibung von Verbundwerkstoffen ermöglichen, was insbesondere für die Simulation von granularen Medien, wie sie in zahlreichen magnetischen Anwendungen eingesetzt werden, von Vorteil sein wird. Lange Zeit wurde die Entwicklung der Rechenleistung durch die Erhöhung der Prozessortaktrate vorangetrieben. Aufgrund physikalischer Beschränkungen wurde diese Steigerung in den letzten Jahren gestoppt, was zu einer stagnierenden Leistung von seriellen Codes führte. Seitdem ist die Ausnutzung paralleler Rechenarchitekturen zu einer entscheidenden Aufgabe für die Entwicklung wissenschaftlicher Software geworden. Die Übertragung etablierter Techniken für verteiltes Rechnen aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen auf mikromagnetische Simulationswerkzeuge soll den Weg zu realistischen makroskopischen Simulationen ebnen.

Forschungsstätte(n)
  • Universität Wien - 100%

Research Output

  • 122 Zitationen
  • 18 Publikationen
  • 2 Software
  • 3 Wissenschaftliche Auszeichnungen
Publikationen
  • 2025
    Titel Reconstruction of magnetic structures and material parameters with convolutional neural network and bias field-constrained micromagnetic relaxation
    DOI 10.1038/s41598-025-27151-1
    Typ Journal Article
    Autor Suess D
    Journal Scientific Reports
    Seiten 42867
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Reconfigurable 3D Magnetic Nanoarchitectures
    DOI 10.1002/adfm.202515338
    Typ Journal Article
    Autor Koraltan S
    Journal Advanced Functional Materials
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Origin of noncollinear magnetization coupling across RuX layers
    DOI 10.1103/physrevb.106.054401
    Typ Journal Article
    Autor Abert C
    Journal Physical Review B
    Seiten 054401
    Link Publikation
  • 2025
    Titel NeuralMag: an open-source nodal finite-difference code for inverse micromagnetics
    DOI 10.1038/s41524-025-01688-1
    Typ Journal Article
    Autor Abert C
    Journal npj Computational Materials
    Seiten 193
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Micromagnetic simulations with periodic strayfield calculation of soft magnetic composite-materials
    DOI 10.1038/s41598-025-01881-8
    Typ Journal Article
    Autor Ducevic A
    Journal Scientific Reports
    Seiten 17782
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Inverse-design topology optimization of magnonic devices using level-set method
    DOI 10.1038/s44306-025-00082-3
    Typ Journal Article
    Autor Voronov A
    Journal npj Spintronics
    Seiten 19
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Parallel-in-time integration of the Landau–Lifshitz–Gilbert equation with the parallel full approximation scheme in space and time
    DOI 10.1016/j.jmmm.2024.171998
    Typ Journal Article
    Autor Kraft R
    Journal Journal of Magnetism and Magnetic Materials
    Seiten 171998
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Field-free switching of perpendicular magnetic elements by using two orthogonal sub-nanosecond spin–orbit torque pulses
    DOI 10.1063/5.0211072
    Typ Journal Article
    Autor Suess D
    Journal Applied Physics Letters
    Seiten 032401
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Energy landscape of noncollinear exchange coupled magnetic multilayers
    DOI 10.1103/physrevb.109.224421
    Typ Journal Article
    Autor Lertzman-Lepofsky G
    Journal Physical Review B
    Seiten 224421
  • 2023
    Titel Accurate finite-difference micromagnetics of magnets including RKKY interaction: Analytical solution and comparison to standard micromagnetic codes
    DOI 10.1103/physrevb.107.104424
    Typ Journal Article
    Autor Suess D
    Journal Physical Review B
    Seiten 104424
  • 2024
    Titel Steerable current-driven emission of spin waves in magnetic vortex pairs
    DOI 10.1126/sciadv.ado8635
    Typ Journal Article
    Autor Koraltan S
    Journal Science Advances
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Transition from ferromagnetic to noncollinear to paramagnetic state with increasing Ru concentration in FeRu films
    DOI 10.1103/physrevb.110.104429
    Typ Journal Article
    Autor Lisik J
    Journal Physical Review B
    Seiten 104429
  • 2024
    Titel Topological Phase Transformation and Collapse Dynamics of Spin Textures in a Non-Centrosymmetric D2d System
    DOI 10.1002/adfm.202403358
    Typ Journal Article
    Autor Jena J
    Journal Advanced Functional Materials
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Generation and annihilation of skyrmions and antiskyrmions in magnetic heterostructures
    DOI 10.1103/physrevb.108.134401
    Typ Journal Article
    Autor Koraltan S
    Journal Physical Review B
    Seiten 134401
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Single-device offset-free magnetic field sensing with tunable sensitivity and linear range based on spin-orbit torques
    DOI 10.1103/physrevapplied.20.044079
    Typ Journal Article
    Autor Koraltan S
    Journal Physical Review Applied
    Seiten 044079
  • 2023
    Titel magnum.np: a PyTorch based GPU enhanced finite difference micromagnetic simulation framework for high level development and inverse design
    DOI 10.1038/s41598-023-39192-5
    Typ Journal Article
    Autor Bruckner F
    Journal Scientific Reports
    Seiten 12054
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Laser-Induced Real-Space Topology Control of Spin Wave Resonances
    DOI 10.1002/adfm.202313619
    Typ Journal Article
    Autor Titze T
    Journal Advanced Functional Materials
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature
    DOI 10.1038/s41567-023-02358-z
    Typ Journal Article
    Autor Hassan M
    Journal Nature Physics
    Seiten 615-622
    Link Publikation
Software
  • 2024 Link
    Titel NeuralMag
    DOI 10.1038/s41524-025-01688-1
    Link Link
  • 2023 Link
    Titel magnum.np
    DOI 10.1038/s41598-023-39192-5
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2025
    Titel Invited talk at HMM 2025
    Typ Personally asked as a key note speaker to a conference
    Bekanntheitsgrad Continental/International
  • 2024
    Titel Invited talk at ICM 2024
    Typ Personally asked as a key note speaker to a conference
    Bekanntheitsgrad Continental/International
  • 2022
    Titel Invitied talk at IEEE NAP 2022
    Typ Personally asked as a key note speaker to a conference
    Bekanntheitsgrad Continental/International

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