Математическое моделирование сверхпроводящих наноструктур с магнетиком для исследования возможностей контроля намагниченности и магнитных возбуждений с использованием высокопроизводительных вычислительных систем

Работа выполнена при поддержки гранта РНФ в рамках проекта № 22-71-10022

Участники проекта

---

Цели проекта

В рамках совместного проекта ЛИТ им. М.Г. Мещерякова и ЛТФ ОИЯИ разрабатывается информационно-вычислительная среда для исследования систем, основанных на джозефсоновских переходах на базе Jupyter с использованием Python-библиотек и с размещением материалов средствами Jupyter Book. Целью настоящего проекта является разработка единой среды для моделирования гибридных наноструктур сверхпроводник/магнетик, предоставляющей доступ к решателям и разработанным алгоритмам, и базирующейся на гетерогенной парадигме вычислений, а также проведение актуальных теоретических исследований с ее использованием.

Разработанная вычислительно-информационная среда развернута на базе экосистемы ML/DL/HPC Гетерогенной платформы HybriLIT (ЛИТ ОИЯИ). На этом ресурсе добавлены реализованные модели, с подробным описанием всех этапов математического моделирования и реализации вычислительных схем. В том числе приведены вспомогательные материалы по численному решению возникающих задач, примеры использования библиотек для символьных и численных расчетов, библиотек для организации параллельных вычислений.

Проект направлен на математическое моделирования гибридных джозефсоновских структур состоящих из сверхпроводников и магнетиков. Актуальность проведенных работ связано с приложением гибридных джозефсоновских структур в сверхпроводниковой спинтронтронике. Примерами таких структур может быть S/F/S джозефсоновский переход или молекулярные наномагниты, связанные с джозефсоновскими переходами. Теоретические исследования динамики подобных структур требует численного решения большого количества нелинейных уравнений, поэтому для их решения целесообразно использовать специализированные программные среды и пакеты программ. Для численного моделирования гибридных наноструктур сверхпроводник/магнетик, в первую очередь, необходимо определить тип специфического взаимодействия между магнитной и сверхпроводящей подсистемами. В ряде случаев это подразумевает расчет магнитной динамики под действием внешнего эффективного поля, свойства которого напрямую от нее зависят. Следовательно, пользователь должен иметь возможность задавать внешнее поле, зависящее не только от времени и положения в пространстве, но и от намагниченности в каждой расчетной точке, что многократно увеличивает сложность и времязатратность таких вычислений.

Проведенные исследования и решенные задачи

Учебные курсы в рамках Школы по информационным технологиям ОИЯИ

Школа по информационным технологиям ОИЯИ направлена на вовлечение молодых специалистов в решение задач различных областей науки с применением высокопроизводительных и распределенных вычислений, методов и алгоритмов анализа данных, современных информационных технологий.

В рамках Осенней школы был проведен практическое занятие по результатам проведенных исследований в рамках проекта:

• «Инструментарий для исследования систем, основанных на джозефсоновских переходах» (скачать буклет).
• Хакатон по математическому моделированию.

---

Инструментарий для математического моделирования джозефсоновских структур

В рамках проекта был разработан пакет инструментов в виде Jupyter Notebook, которые размещены в формате электронных публикаций Jupyter Book на ресурсах Платформы HybriLIT. Подготовленные материалы позволяют проводить учебные курсы для пользователей, сотрудников ОИЯИ и студентов.

1. Инструментарий для моделирования гибридных наноструктур сверхпроводник/магнетик (перейти на studhub.jinr.ru).
2. Практическое занятие в рамках Осенней ИТ-школы ОИЯИ-2024 — HLIT Jupyter book (перейти на studhub.jinr.ru).
3. Инструментарий для моделирования ступеньки Шапиро на вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода, и моделирования динамики сверхпроводникого квантового интерферометра с двумя джозефсоновскими переходами (перейти на studhub.jinr.ru).

---

Сотрудничество с ТвГУ

• Нестерова Валерия Юрьевна
  Подходы к ускорению вычислений на Python при моделировании структур, основанных на джозефсоновских переходах
  Бакалаврская работа
  Научный руководитель: Стрельцова О.И.
  Научные консультанты: Бежанян Т.Ж., Зуев М.И.
• Луковников Данил Игоревич
  Разработка программного модуля в среде Jupyter для исследования системы «джозефсоновский переход-наномагнит»
  Бакалаврская работа
  Научный руководитель: Стрельцова О.И.
  Научный консультант: Зуев М.И.

Сотрудничество с университетом «Дубна»

• Кокаев Дмитрий
  Исследование резонансных свойств  Фи-0 джозефсоновского перехода
  Магистерская диссертация
  Научный руководитель: Рахмонов И.Р.

Научно-исследовательская работа и подготовка магистерских диссертаций

• Вильданова Лилиана
  Исследование динамики одноконтактного сверхпроводникового квантового интерференционного устройства на основе структуры сверхпроводник/ферромагнетик/сверхпроводник на поверхности топологического изолятора
  Магистерская диссертация
  Научный руководитель: Рахмонов И.Р.
  Научный консультант: Рахмонова А.Р.
• Шиврина Каролина
  Исследование динамики двухконтактного квантового интерференционного устройства на основе структуры сверхпроводник/ферромагнетик/сверхпроводник на топологическом изоляторе
  Магистерская диссертация
  Научный руководитель: Рахмонов И.Р.
  Научный консультант: Рахмонова А.Р.

---

Публикации по теме проекта

1. А. Рахмонова, И. Рахмонов, О. Стрельцова и М. Зуев. Toolkit in Python for Simulation of Shapiro Step on the Current–Voltage Characteristic of a Josephson Junction // Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei, V.55, №3, 528–531, 2024 (год публикации — 2023).
2. А.Р. Рахмонова, О.И. Стрельцова, М.И. Зуев, И.Р. Рахмонов, А.В. Нечаевский. Моделирования динамики сверхпроводникового квантового интерферометра с двумя джозефсоновскими переходами на основе Python в среде Jupyter Book // Материалы Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии и матмоделирование — 2024», Москва, Российский университет дружбы народов, c 347-353 (год публикации — 2024).
3. К. В. Куликов, С. В. Лобановская, Ю. М. Шукринов. ЗАХВАТ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМЕ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПЕРЕХОД – НАНОМАГНИТ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО СИГНАЛА // Письма в ЭЧАЯ, Т. 20, № 5(250). С. 1256–1260 (год публикации — 2023).
4. К.В. Куликов, Д.В. Ангел, М. Нашаат, М. Долинеану, М. Самех, Ю. М. Шукринов. Resonance phenomena in a nanomagnet coupled to a Josephson junction under external periodic drive // Phys. Rev. B, 109, 014429 (год публикации — 2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.014429.
5. М. В. Башашин, Е. В. Земляная, А. В. Волохова. Практический анализ возможностей инструментария Python для ресурсоемких вычислений на примере задачи расчета вольтамперных характеристик в системе длинных джозефсоновских переходов // Сборник материалов конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии и матмоделирование — 2023», РУДН, 167-170 (год публикации — 2023).
6. М. В. Башашин, И.Р. Рахмонов Е. В. Земляная. Численное исследование влияния индуктивной связи на вольт‐амперную характеристику в системе длинных джозефсоновских переходов // Сборник материалов конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии и матмоделирование — 2024», РУДН, с. 341-346 (год публикации — 2024).
7. М. Р. Пуркарими, С. Хаддади, М. Нашаат, К. В. Куликов, Ю. М. Шукринов. Thermal local quantum uncertainty in a two-qubit-superconducting system under decoherence // Alexandria Engineering Journal, 83, 27-34 (год публикации — 2023). DOI: 10.1016/j.aej.2023.10.035.
8. М. Самех, Ю.М. Шукринов, А.Ю. Эллити, Т.М. Эль-Щербини и М. Нашаат.  Josephson current-assisted reversal of a single-domain nanoscale ferromagnet driven by cosine chirp pulse // J. Phys.: Condens. Matter, J. Phys.: Condens. Matter, 35, 345804 (год публикации — 2023). DOI: 10.1088/1361-648X/acd73a.
9. М.В. Башашин, Е.В. Земляная, И.Р. Рахмонов. Simulation of the magnetization reversal effect depending on the current pulse duration within the φ0 Josephson junction model using MPI and OpenMP parallel computing techniques // Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei, V.55, №3, 498-501, 2024 (год публикации — 2024).
10. Нечаевский А.В., Стрельцова О.И., Куликов К.В., Башашин М.В., Бутенко Ю.А., Зуев М.И. Разработка вычислительной среды для математического моделирования сверхпроводящих наноструктур с магнетиком // Компьютерные исследования и моделирование, т. 15, № 5, с. 1349-1358 (год публикации — 2023). DOI: 10.20537/2076-7633-2023-15-5-1349-1358.
11. С. А. Абдельмонейм, М. Нашаат, Ю. М. Шукринов. New region of nonlinearity in the IV curve of SFS Phi-0 JJ under radiation // Phys.Part.Nucl.Lett., 20 (2023) 6, 1429-1432. (год публикации — 2023).
12. Ю. М. Шукринов, Е. Коваленко, Я. Текич, К. Куликов и М. Нашаат. Buzdin, Shapiro, and chimera steps in Phi-0 Josephson junctions // Phys. Rev. B, 109, 024511 (год публикации — 2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.024511.
13. Ю. М. Шукринов, М. Нашаат. Сотрудничество ОИЯИ с научными учреждениями Египта в области теоретических исследований сверхпроводящих джозефсоновских наноструктур // Физика элементарных частиц и атомного ядра» (ЭЧАЯ), Том: 54, №2, pp. 342–376 (год публикации — 2023). DOI: 10.1134/S1063779623020053.
14. Андре Э. Бота, Вероника Эклерова, Ю. М. Шукринов, Мохаммад Реза Колахчи. Effects of Frustrated Interactions on Synchronicity in Electrical Power Grids // 15th Chaotic Modeling and Simulation International Conference, Springer Proceedings in Complexity, страницы 53–61 (год публикации — 2023). DOI: 10.1007/978-3-031-27082-6_5.
15. А.Э. Бота, Ю. М. Шукринов, Ю. Текич, М. Р. Колахчи. Chaotic dynamics from coupled magnetic monodomain and Josephson current // Phys. Rev. E, Phys. Rev. E 107, 024205 (год публикации — 2023). DOI: 10.1103/PhysRevE.107.024205.
16. Башашин М.В. , Земляная Е.В. Сравнительный анализ производительности MPI- и OpenMP-программ на примере параллельных расчетов в рамках модели ядро-ядерного потенциала и модели φ0-спинтроники // Современные информационные технологии и ИТ-образование, Современные информационные технологии и ИТ-образование. Том 18 № 3 (2022) (год публикации — 2022).
17. М. Нашаат, М. Самех, А. Бота, К. Кулилов и Ю. Шукринов. Bifurcation structure and chaos in dynamics of nanomagnet coupled to Josephson junction // Chaos, Chaos 32, 093142 (2022) (год публикации — 2022). DOI: 10.1063/5.0095009.
18. Ю. Бутенко, М. Кочич, А. Нечаевский, Д. Подгайный, И. Рахмонов, А. Стадник, О. Стрельцова и М. Зуев. ML/DL/HPC Ecosystem of the HybriLIT Heterogeneous Platform (MLIT JINR): New Opportunities for Applied Research // Proceedings of science, Procceedings of The 6th International Workshop on Deep Learning in Computational Physics (DLCP2022). URL: https://pos.sissa.it/429/027/pdf (год публикации — 2022).

---

Конференции

1. Куликов К.В., Resonance phenomena in nanomagnet + Josephson junction system under external periodic drive, Modern Problems of Condensed Matter Theory, JINR, Dubna, Russia (устный доклад).
2. Куликов К.В., Resonance phenomena in nanomagnet + Josephson junction system under external periodic drive, The XXVI International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2022), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia (устный доклад).
3. Куликов К.В., Resonance phenomena in the system of nanomagnet — Josephson junction under an external periodic signal, XXVII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород (стендовый доклад).
4. Yuri Butenko, Computing environment for developing and deploying applications for spintronics tasks, 10th International Conference «Distributed Computing and Grid Technologies in Science and Education» (GRID-2023), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 3-7 July 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3505/sessions/2244/  (устный доклад).
5. М. В. Башашин, Практический анализ возможностей инструментария Python для ресурсоемких вычислений на примере задачи расчета вольтамперных характеристик в системе длинных джозефсоновских переходов, Information and Telecommunication Technologies and Mathematical Modeling of High-Tech Systems 2023 (ITTMM 2023), Москва, 17-21 апреля 2023. URL: https://events.rudn.ru/event/198/contributions/1183/ (устный доклад).
6. M.V. Bashashin, E.V. Zemlyanaya, I.R. Rahmonov, Parallel computer simulation of the implementation of the magnetization flip in φ0 Josephson junctions depending on the amplitude and duration of the current pulse, 10th International Conference «Distributed Computing and Grid Technologies in Science and Education» (GRID-2023), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 3-7 July 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3505/contributions/21972/ (устный доклад).
7. M.V. Bashashin, A.R. Rahmonova, E.V. Zemlyanaya, I.R. Rahmonov, Yu. M. Shukrinov, Simulation of magnetization reversal by pulse of magnetic field in RF-SQUID with φ0 junction, International workshop «Superconducting and Magnetic Hybrid Structures», Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 11- 15 July 2023, (стендовый доклад).
8. Yu. Butenko, Инструментарий и сервисы для разработки и развертывания веб-сервисов для задач спинтроники (устный) XIII Всероссийская конференция с международным участием «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (ITTMM 2023), Москва, 17-21 апреля 2023. URL: https://events.rudn.ru/event/198/contributions/1201/ (устный доклад).
9. M.V. Bashashin, A.R. Rahmonova, E.V. Zemlyanaya, Yu. M. Shukrinov, I.R. Rahmonov, Numerical simulation of the magnetization reversal within the RF-SQUID model with φ0 junction depending on the external magnetic field pulse, The XXVII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2023), Dubna, Russia, 30 October- 3 November 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3792/contributions/23056/ (устный доклад).
10. M.V. Bashashin, Yu.A. Butenko, K.V. Kulikov, A.V. Nechaevskiy, O.I. Streltsova, M.I. Zuev, Information and computing system for spintronics tasks at JINR, International workshop «Superconducting and Magnetic Hybrid Structures», Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 11- 15 July 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3615/ (стендовый доклад).
11. Башашин М.В., Земляная Е.В., Рахмонов И.Р., Численное исследование влияния индуктивной и емкостной связи на вольт-амперную характеристику в системе длинных джозефсоновских переходов, Information and Telecommunication Technologies and Mathematical Modeling of High-Tech Systems 2024 (ITTMM 2024), 8-12 апреля, Москва, РУДН. URL: https://events.rudn.ru/event/236/contributions/1346/ (устный доклад).
12. Рахмонова А. Р.,  Инструментарий для моделирования динамики сверхпроводникового квантового интерферометра с двумя джозефсоновскими переходами, Information and Telecommunication Technologies and Mathematical Modeling of High-Tech Systems 2024 (ITTMM 2024), 8-12 апреля, Москва, РУДН. URL: https://events.rudn.ru/event/236/contributions/1354/ (устный доклад).
13. A.R. Rahmonova, Разработка инструментария с использованием возможностей параллельных вычислений Python для моделирования ступеньки Шапиро, 10th International Conference «Distributed Computing and Grid Technologies in Science and Education» (GRID-2023), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 3-7 July 2023. URL: https://indico.jinr.ru/event/3505/contributions/21987/ (устный доклад).
14. Нашаат М., Peculiarities of the magnetic moment dynamics in hybrid superconducting systems, «Superconducting and Magnetic Hybrid Structures», Jul 11 – 15, 2023,  Dubna, Russia  (устный доклад).
15. Нашаат М., Bifurcations and hysteresis in a ϕ0 Josephson junction under the influence of external radiation, «XXVIII Symposium “Nanophysics and Nanoelectronics” March 11 to 15, 2024,  Nizhny Novgorod,  (стендовый доклад).
16. Куликов К.В., The influence of external periodic signal on the nanomagnet + Josephson junction system, International workshop «Superconducting and Magnetic Hybrid Structures», Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, 11- 15 July 2023, (устный доклад).
17. Куликов К.В., Buzdin, Shapiro and Chimera Steps in Phi-0 Josephson Junctions, KAZAN SCIENCE WEEK, “Spin Physics, Spin Chemistry and Spin Technology  2023” (SPCT 2023), September 25–30, 2023 (устный доклад).
18. Куликов К.В., JINR-India collaborative investigations of Josephson nanostructures, India-JINR workshop on elementary particle and nuclear physics, and condensed matter research, Dubna, Russia, 16 — 19 October 2023, (устный доклад).
19. Куликов К.В., Influence of external electromagnetic radiation on ϕ0 Josephson junction, «XXVIII Symposium “Nanophysics and Nanoelectronics” March 11 to 15, 2024,  Nizhny Novgorod, (стендовый доклад).
20. Yu.M. Shukrinov, Dynamics and Resonance Phenomena in anomalous Josephson junctions, International workshop “Superconducting and Magnetic Hybrid Structures, SMHS 2023, Dubna, 11 – 15 July 2023. (пленарный доклад).
21. Шукринов Ю.М., Особенности динамики и вольт-амперных характеристик джозефсоновских СФС-структур во внешнем электромагнитном поле, «Сверхпроводимость в наноструктурах 2023», Москва, Сколтех, 17-22 сентября, 2023. (приглашенный доклад).
22. Ю.М. Шукринов, Перспективы исследования джозефсоновского SFS φ0 перехода, XXVIII Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника, Нижний Новгород, 11-15 марта 2023 года (приглашенный доклад).
23. Куликов К.В., Properties of Buzdin steps in φ 0 Josephson junction, The International Conference «Modern Problems of Condensed Matter Theory», Дубна, 15–19 июля 2024 г. (секционный доклад).
24. Нечаевсский А.В., Computational environment for the numerical modelling of hybrid superconductor / magnetic nanostructures, The International Conference Mathematical Modeling and Computational Physics, 2024 (MMCP2024), 20–25 Oct 2024, Yerevan, Armenia (секционный доклад).
25. Рахмонова А.Р., Simulation of a Controllable Magnetization Reversal in a Chain of Phi-0 Junctions by an Alternating Voltage Pulse, The International Conference Mathematical Modeling and Computational Physics, 2024 (MMCP2024), 20–25 Oct 2024, Yerevan, Armenia (секционный доклад).
26. Рахмонова А.Р., Toolkit in Python for simulation of controllable magnetization reversal in a chain of Phi-0 junctions by an alternating voltage pulse, 28th International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2024), 27 Oct–01 Nov 2024, Dubna, Russia (секционный доклад).
27. Зуев М.И., A Python-based analytical computing module for automating the representation of equations for further numerical simulation of a chain of nanomagnets coupled to a Josephson junction, The International Conference Mathematical Modeling and Computational Physics, 2024 (MMCP2024), 20–25 Oct 2024, Yerevan, Armenia (секционный доклад).
28. Башашин М.В., Modelling the phase dynamics of long superconductor-ferromagnet-superconductor φ0 Josephson junction, 28th International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2024), 27 Oct–01 Nov 2024, Dubna, Russia (секционный доклад).