Skyrmion-Dynamik für unkonventionelle Computer

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Kläui; Professor Dr. Peter Virnau
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568748825

In diesem Projekt werden Theorie und Experiment kombiniert, um quantitative Quasiteilchen-Simulationen der Dynamik von magnetischen Skyrmionen bei endlichen Temperaturen zu entwickeln. Diese werden dann zusammen mit magnetischer Echtzeit-Bildgebung verwendet, um ausgewählte Ansätze aus dem Bereich "Unconventional Computing", die sich für thermisch induzierte stochastische Skyrmionen-Dynamik eignen, zu erforschen, zu entwickeln und zu analysieren. Logik-Schaltungen aus dem Bereich "Unconventional Computing", die auf thermischen Fluktuationen basieren, sind grundsätzlich energieeffizient. Magnetische Skyrmionen sind in diesem Zusammenhang besonders vielversprechend wegen ihrer topologischen Stabilität, sowie ihrer starken nicht-linearen Dynamik und regelbaren stochastischen Dynamik. Experimentelle Skyrmionen-Systeme werden typischerweise auf Längenskalen von Mikrometern und auf Zeitskalen von Sekunden untersucht. Dies liegt Größenordnungen außerhalb des zugänglichen Bereiches von gewöhnlichen mikromagnetischen Simulationen. Um diese Systeme zu modellieren, werden wir daher ein quantitatives numerisches Modell auf Grundlage der Thiele-Gleichung entwickeln, welches die tatsächliche experimentelle Dynamik nachbildet. Eine Schlüsselkomponente, die in diesem Rahmen noch fehlt, ist die Abbildung von Simulationszeit auf Echtzeit. Sobald dieses Problem gelöst ist, werden wir numerische Simulationen durchführen, die die gleichen Zeit- und Längenskalen abdecken wie entsprechende Experimente. Dies ermöglicht es den Parameterraum und verschiedene experimentelle Bedingungen zu testen, um geeignete Szenarien für Experimente zu identifizieren. Insbesondere möchten wir das komplexe Zusammenspiel von Skyrmionen-Dynamik, nicht-flachen Energielandschaften und auftretende Korrelationen in Experimenten besser verstehen. Dabei werden wir über die natürlich vorkommenden Variationen in der Skyrmionenenergie hinausgehen und die Energielandschaft der Skyrmionen so gestalten, dass die Dynamik geregelt werden kann. In einem zweiten Schritt werden wir ausgewählte Paradigmen aus dem Bereich "Unconventional Computing" erforschen. Basierend auf unserer früheren Realisierung von "Brownian Reservoir Computing" werden wir "Time-multiplexed Reservoir Computing" mit Skyrmionen-Systemen realisieren, die mit Hilfe von In-silico-Vorhersagen optimiert werden. Anschließend werden mit Skyrmionen zufällige Knoten-Störungen im Zusammenhang mit "Constrained Parameter Inference Learning" Algorithmen untersuchen. Schließlich werden wir ein Markov-Modell erstellen, das die Skyrmionen-Dynamik in einer nicht-flachen Energielandschaft nachbildet mit dem Ziel die Dynamik in Form einer Ising-Maschine zu analysieren. Hierzu werden wir die zuvor etablierten Ansätze zur statistischen und dynamischen Regelbarkeit der Energielandschaft nutzen, um zu verstehen welche Energiefunktionen natürlich realisiert werden und welche durch Änderung der Wechselwirkungen verwirklicht werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen