Onderzoek Rai Maciel de Menezes

Abstract

Moderne Artificiële Intelligentie (AI) maakt gebruik van artificiële neurale netwerken die de functionaliteit van het menselijk brein proberen te imiteren door middel van een reeks onderling geconnecteerde nodes, die de rol van artificiële neuronen spelen, en die mogelijk de manier waarop wij met technologie omgaan zullen revolutioneren. De meest robuuste hedendaagse artificiële neurale netwerken worden geconstrueerd via gepaste software modellen voor besturing de CMOS hardware. De manier waarop een computer berekeningen uitvoert verschilt, echter, significant van hoe het menselijk brein informatie verwerkt. Een prominent alternatief zijn fysische systemen gebaseerd of golven, waar recent voor is aangetoond dat ze kunnen opereren als neurale netwerken, en waarin interferentie patronen van de voortbewegende golven leiden tot de realisatie van een alle-tot-alle onderlinge connectie tussen infopunten in het systeem, waarbij de rijke niet-lineaire dynamica die de actie van artificiële neuronen imiteert kan gebruikt worden, door het verstrooien en recombineren van ingestuurde golven, om de meegedragen informatie te extraheren. In het bijzonder worden spin-golven (magnonen) in magnetische filmen gezien als een veelbelovende kandidaat voor praktische toepassingen, door hun laag energieverbruik, hun sterke niet-lineariteit die voorkomt uit de magnetisatie dynamica, en de reeds vastgestelde mogelijkheden voor het schalen en integreren van magnetische nanostructuren. Spin golven worden reeds gebruikt voor het uitvoeren van logische operaties, en recent is er ook progressie gemaakt voor de ontwikkeling van magnonische artificiële intelligentie met onderzoek naar verschillende nano-ontworpen magnon verstrooiingsreservoirs. Vooraleer het volledige potentieel van deze ideeën kan worden benut, moet men spin-golven in nanostructuren precies kunnen manipuleren, een uitdaging waar een onmiddellijke vooruitgang noodzakelijk is ten behoeve de ontwikkeling van functionele magnonische apparaten. In dit project, dragen we magnonica in de snel opkomende 2D magnetische materialen voor als een geschikt platform voor neuromorfe en reservoir-gebaseerde rekentoepassingen. De magnetische eigenschappen van deze atomair-dunne, kristallijne materialen zijn extreem gevoelig aan elektromechanische manipulatie door bijvoorbeeld rooster strain of deformatie, het aanleggen van een spanning, atomistisch patroon van defecten en/of het stapelen van lagen en heterostructurering. Bovendien zijn, door de recente observaties van hoge-frequentie terahertz (THz) spin-golven in monolaag CrI3, en kamertemperatuur ferromagnetisme in verschillende andere materialen, alle ingrediënten beschikbaar voor het gebruik van 2D magnetische materialen als een technologisch platform voor spin-golf-gebaseerde neuromorfe rekentoepassingen. Dit gezegd zijnde, is er een aanzienlijke achterstand op gebied van theoretische inzichten en reële simulaties in dit onderzoeksveld, wat we in dit project trachten recht te trekken. We zullen verschillende strategieën ontwikkelen om magnonische excitaties en hun voortplanting in een selectie van 2D materialen actief te kunnen manipuleren door middel van nano-ontworpen structurele en elektronische stimuli, en engageren ons om verschillende mogelijke realisaties van neuromorfe rekensystemen in zulke materialen in kaart te brengen, waarvoor we gedetailleerde recepten en in silico demonstraties zullen voorzien. Gegeven de nauwe overeenkomst tussen de data uit de simulatie omgeving en de meetbare grootheden in kristallijne 2D materialen, is het onomstotelijk dat onze resultaten en voorspellingen een inspiratiebron zullen zijn voor experimentele replicatie en verdere vooruitgang van magnonische technologie.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Co-promotor: Maciel de Menezes Rai
• Mandaathouder: Oliveira da Silva Jean Felipe

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Magnetische skyrmionen, topologische spintexturen op nanoschaal, zijn veelbelovend als informatiedragers voor de volgende generatie zuinige spintronische apparaten. Het verbeteren van hun dichtheid, stabiliteit en het gemak van hun creatie, manipulatie en detectie zijn de belangrijkste uitdagingen. De recente ontdekking van intrinsiek magnetisme in tweedimensionale (2D) van der Waals (vdW) materialen heeft de verwachtingen voor skyrmionische toepassingen sterk verhoogd. Het vermogen om eigenschappen van 2D-materialen af te stemmen door spanning, gating, heterostructurering, maakt ze een ideaal platform voor het beheersen van opkomende magnetische fasen, inclusief skyrmionen. De recentste experimentele waarneming van ferromagnetische skyrmionen in vdW-heterostructuren heeft de behoefte aan een skyrmionica-roadmap in 2D-materialen sterk doen toenemen, wat alleen theoretische simulaties kunnen bieden, en dat is het hoofddoel hier. Dit vraagt het ontwikkelen van een geavanceerde meerschalige methodologie om manipulaties in vdW-systemen in rekening te brengen, de fysica te begrijpen tot bij de bron van concurrerende magnetische interacties, en magnetische fasediagrammen van 2D-materialen te detailleren als functie van mechanische, structurele en elektronische vrijheidsgraden, evenals aangelegd magnetische veld en stroom. Onze roadmap zal ook gewenste antiferromagnetische skyrmionen bevatten, die skyrmionica in 2D-materialen verder tot het technologische summum kunnen brengen.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Mandaathouder: Maciel de Menezes Rai

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Nauwkeurige controle van de magnetische fasen van materie heeft de afgelopen decennia een revolutie teweeggebracht in de technologie. De ontdekking van nieuwe magnetische materialen heeft de verwachtingen ten aanzien van ultrasnelle spintronische toepassingen met een laag stroomverbruik radicaal verhoogd. Vooral numerieke simulaties van magnetische materialen hebben een onbetwistbare rol gespeeld bij het voorspellen en begrijpen van niet-triviale magnetische toestanden voor toepassingen. Hoewel verschillende numerieke benaderingen gemakkelijk kunnen worden geverifieerd om het magnetische gedrag in verschillende scenario's nauwkeurig weer te geven, vereist een volledige beschrijving van magnetische fasen vaak een moeizame verbinding tussen talrijke simulatiepakketten die op verschillende tijd- en lengteschalen werken. In dit project zullen we samenwerken met belangrijke specialisten om een ​​open-source geïntegreerd multischaalraamwerk te ontwikkelen voor ultramoderne magnetische simulaties, van de eerste principes tot micromagnetische regimes. Dit vereist het bevorderen van een nauwkeurige onderlinge verbinding tussen verschillende (reeds bestaande) numerieke benaderingen om magnetische fasen op verschillende tijd- en lengteschalen nauwkeurig te beschrijven, waardoor magnetische simulaties naar een ongekend en extreem veelzijdig niveau worden gebracht.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Maciel de Menezes Rai

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Via dit DOCPRO1-project zal de doctorandus zijn thesis over heterochirale magnetische films afronden, gebaseerd op de zojuist ontwikkelde veralgemeende Heisenberg-methode voor een willekeurig rooster, waardoor hij het magnetische fasediagram van mono- en bilaag spin-rooster-systemen ruim kan verkennen met ruimtelijk niet-uniforme chiraliteit. Deze studie wordt gemotiveerd door recent ontdekte 2D magnetische materialen, hun roosterstructuur, anisotropie, opkomende chiraliteit en geometrische manipulaties die bekend zijn bij van der Waals engineering. Naast de generieke topologische karakterisering en classificatie van de mogelijke spinstructuren, zal ook aandacht worden besteed aan de emergente spin-golf (magnonische) eigenschappen in het gegeven spinlandschap en aan de nieuwe concepten voor spintronische apparaten.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Mandaathouder: Maciel de Menezes Rai

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project website

Project type(s)

• Onderzoeksproject