Magnet-Wirbel-Simulation in Echtzeit

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Magnetooptische Mikroskopaufnahme eines Skyrmions in einem Ring magnetischen Materials: Die wegen Materialfehlern ortsabhängige Energie wird von den Simulationen hervorragend reproduziert und ist im äußeren Graphen hochaufgelöst dargestellt. | Copyright: Abb./©: Maarten A. Brems und Tobias Sparmann | Download

Skyrmionen sind nanometer- bis mikrometergroße magnetische Wirbel, die sich wie Teilchen verhalten und durch elektrische Ströme bewegt werden können. Diese Eigenschaften machen Skyrmionen zu einem hervorragenden System für neuartige Datenspeicher oder Computer. Um solche Geräte zu optimieren, ist es jedoch meist zu rechenaufwendig, die komplizierte interne Struktur der Skyrmionen zu simulieren. Ein möglicher Ansatz ist die effiziente Simulation dieser magnetischen Wirbel als Teilchen, ähnlich der Simulation von Molekülen in der Biophysik. Bisher fehlte jedoch eine Umrechnung zwischen Simulationszeit und Echtzeit im Experiment.

Kooperation von Theorie und Experiment

Um dieses Problem zu lösen, haben sich an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die theoretische Gruppe von Prof. Dr. Peter Virnau und die experimentelle Gruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui zusammengetan. Das Vorgehen zur Bestimmung der Zeitumrechnung vereint experimentelle Messtechniken mit Analysemethoden der Statistischen Physik. „Wir können jetzt nicht nur die Dynamik der Skyrmionen quantitativ vorhersagen, die Simulationen sind auch ähnlich schnell wie die Experimente“, sagt der theoretische Physiker Maarten A. Brems, der die Methode entwickelt hat. „Die Vorhersagekraft der neuen Simulationen wird die Entwicklung von Skyrmion-basierten Anwendungen entscheidend beschleunigen“, freut sich Mathias Kläui, „gerade in Bezug auf neuartige, alternative energiesparende Computerarchitekturen, die unter anderem im Profilbereich TopDyn der Johannes Gutenberg-Universität im Fokus stehen.“ Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und als „Editors‘ Suggestion“ ausgezeichnet.

Bildmaterial:
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Magnetooptische Mikroskopaufnahme eines Skyrmions in einem Ring magnetischen Materials: Die wegen Materialfehlern ortsabhängige Energie wird von den Simulationen hervorragend reproduziert und ist im äußeren Graphen hochaufgelöst dargestellt.
Abb./©: Maarten A. Brems und Tobias Sparmann

Weiterführende Links:
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de - Kläui-Lab am Institut für Physik
https://www.komet1.physik.uni-mainz.de/ - Statistische Physik und Theorie der Weichen Materie am Institut für Physik
https://topdyn.uni-mainz.de/ - JGU-Profilbereich TopDyn – Dynamics and Topology

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Peter Virnau
Statistische Physik und Theorie der Weichen Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-20493
E-Mail: virnau@uni-mainz.de
https://www.komet1.physik.uni-mainz.de/people/peter-virnau/

Prof. Dr. Mathias Kläui
Physik der Kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/homepage-prof-dr-mathias-klaeui/

Originalpublikation:
Maarten A. Brems et al.
Realizing Quantitative Quasiparticle Modeling of Skyrmion Dynamics in Arbitrary Potentials
Physical Review Letters, 28. Januar 2025
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.046701
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.046701