Neuromorfní počítání pomocí magnetických skyrmionů

• Název práce v češtině: Neuromorfní počítání pomocí magnetických skyrmionů
• Název v anglickém jazyce: Neuromorphic computing using magnetic skyrmions
• Klíčová slova: neuromorfní počítání|strojové učení|magnetická dynamika|magnetické skyrmiony
• Klíčová slova anglicky: neuromorphic computing|machine learning|magnetization dynamics|magnetic skyrmions
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Pavel Baláž, Ph.D.
• Řešitel: Marko Čechovič - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 25.10.2022
• Datum zadání: 25.10.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 28.01.2024
• Oponenti: Mgr. Martin Víta

Zásady pro vypracování

(i) zoznámenie sa so základnými konceptami neuromofických výpočtov a ich možnými fyzikálnymi implementáciami
(ii) oboznámenie sa so základmi mikromagnetických simulácií a atomistickej spinovej dynamiky
(iii) numerické simulácie systémov magnetických skyrmiónov a analýza ich vlastností pomocou metód strojového učenia

Seznam odborné literatury

1. P. Baláž, M. Paściak, J. Hlinka, Melting of Neel Skyrmion Lattice, Phys. Rev. B 103, 174411 (2021)
2. P. Baláž, Interaction of In-Plane Magnetic Skyrmions with 90-degrees Magnetic Domain Walls: Micromagnetic Simulations, Phys. Rev. Applied 17, 044031 (2022)
3. D. Prychynenko, Magnetic Skyrmion as a Nonlinear Resistive Element: A Potential Building Block for Reservoir Computing, Phys. Rev. Applied 9, 014034 (2018)
4. D. Pinna, G. Bourianoff, and K. Everschor-Sitte, Reservoir Computing with Random Skyrmion Textures, Phys. Rev. Applied 14, 054020 (2020)
5. K. M. Song et al., Skyrmion-based artificial synapses for neuromorphic computing, Nature Electronics 3, 148–155 (2020)

Předběžná náplň práce

Neuromorfické počítanie je časťou fyziky, ktorá sa zaoberá implementáciou nových výpočtových paradigiem, často inšpirovaných biologickými systémami, do reálnych fyzikálnych systémov. Typickým príkladom je vytvorenie fyzikálneho systému, ktorý by sa správal analogicky, ako biologický neurón: svoje dynamické vlastnosti by dokázal adaptovať na základe predchádzajúcich vstupov a zároveň by bolo možné takéto zariadenia navzájom prepájať do komplexu neurónových sietí. Magnetické nanoštruktúry vykazujú mnohé vlastnosti, vďaka ktorým by mohli byť vhodnou platformou pre implementáciu neuromorfických výpočtov. Jednou z hlavných vlastností je existencia magnetických skyrmiónov, ktoré sú stabilné v magnetických materiáloch s asymetrickou výmennou interakciou typu Dzyaloshinskii-Moriya. Magnetické skyrmióny sú vírovité topologické defekty v poli magnetizácie, ktoré sa vďaka svojej vysokej stabilite správajú ako kvázičastice. Cieľom tejto bakalárskej práce je výskum dynamických vlastností magnetických skyrmiónov pomocou numerických simulácií a hľadanie ich možných aplikácií v neuromorfických výpočtových zariadeniach.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Neuromorphic computing is a part of physics that deals with the implementation of new computational paradigms, often inspired by biological systems, into real physical systems. A typical example is creation of a physical system that would behave analogously to a biological neuron: it would be able to adapt its dynamic properties based on previous inputs, and it would be possible to connect such devices to each other into a complex neural network. Magnetic nanostructures exhibit many properties that could make them a suitable platform for implementing neuromorphic computing. One of the main properties is the existence of magnetic skyrmions, which are stable in magnetic materials with an asymmetric exchange interaction of the Dzyaloshinskii-Moriya type. Magnetic skyrmions are vortex-like topological defects in the magnetization field, which behave like quasi-particles due to their high stability. The aim of this thesis is to study the dynamic properties of magnetic skyrmions using numerical simulations and to find their possible applications in neuromorphic computing devices.