Nytt från. Teoretiska studier av komplexa magnetiska material. Ny nationell helpdesk

Transkript

1 Nytt från Nationellt Superdatorcentrum vid Linköpings universitet nr 24 december 2005 Figur 1: Mangankluster på en kopparyta. Pilarna indikerar riktningen på atomernas moment. Om klustergeometrin orsakar magnetisk frustration kan icke-kolinjära magnetiska strukturer uppkomma. Teoretiska studier av komplexa magnetiska material Ända sedan den kretensiske fåraherden Magnes upptäckte att järnspetsen på hans stav fastnade mot vissa klippblock har magnetiska fenomen fascinerat oss. Från att först ha betraktats som något närmast övernaturligt med påstådda medicinska effekter har magnetism kommit att spela en allt större roll i våra vardagliga liv. Kompassen var en av de första viktiga tillämpningarna och nu är magnetiska material kanske mest använda inom elkraftområdet och för datalagring, där atomernas magnetiska tillstånd Ny nationell helpdesk En ny helpdeskfunktion, gemensam för alla de sex SNIC-centrumen (NSC, PDC, HPC2N, UPPMAX, UNICC och LUNARC), håller i skrivande stund på att tas i drift. Den utåt sett största nyheten är att en användare som har en fråga som inte rör ett specifikt centrum kan skicka den till den nya nationella adressen support@snic.vr.se. I övrigt sker en samordning av adresserna, så att man alltid kan kontakta ett centrum på adressen support@<centrum>. NSC-användare kommer att känna igen sig, eftersom det underliggande systemet är av samma sort som tidigare, en Request används för att lagra information, som i t.ex. hårddiskar och magnetiska minneskretsar (MRAM). Den senaste tidens experimentella utveckling inom syntetisering och karakterisering av nya magnetiska material har tillsammans med den potentiella tekniska användningen av dessa material gjort magnetism till ett hett forskningsområde. Med förfinade deponeringsmetoder går det nu att bygga material atomlager för atomlager, kluster Tracker-server, om än av en nyare version än den NSC använt hittills. Internt är skillnaderna desto större. Eftersom alla centrum kommer att använda samma system kommer handläggarna enkelt att kunna flytta ärenden mellan centrumen och den nationella helpdesken. Handläggarna kommer också att kunna söka bland alla centrums ärenden för att se om någon haft liknande problem tidigare. Mer information om den nationella helpdesken och de olika kontaktadresserna finns på för kluster eller till och med atom för atom. Detta ger möjlighet att skräddarsy materialegenskaper så att de passar så bra som möjligt för det önskade ändamålet. Som exempel är magnetiskt mjuka material, dvs material där magnetiseringsriktningen kan ändras snabbt och med minimal energiförlust, eftersökta som transformatormaterial medan motsatsen, magnetiskt hårda material, används som lagringsmedia i hårddiskar. För att på detta sätt kunna anpassa materialegenskaper så optimalt som möjligt krävs noggrann förståelse för hur de magnetiska egenskaperna påverkas av materialets sammansättning och struktur. Vår forskning grundar sig på elektronstrukturberäkningar som har blivit ett allt kraftfullare verktyg för beräkning av i stort sett alla sorters materialegenskaper. Ett materials magnetiska tillstånd, som i grunden härrör från elektronernas spinn och rörelsemängdsmoment, beror helt på dess elektronstruktur. Baserat på täthetsfunktionalteorin (DFT), som gav Walther Kohn Nobelpriset i kemi 1998, kan elektronstrukturer beräknas, för varierande approximationsnivåer, utifrån rent kvantmekaniska egenskaper utan hänsyn till experimentella data. DFT kallas ofta för en ab initio-metod eftersom teorin i princip inte innehåller någon fri parameter. Den enda egentliga fysiska storhet som går in i beräkningarna är atomnumren för atomerna i systemet. De flesta material som i vanlig mening är magnetiska är kolinjära, d.v.s. alla magnetiska moment ligger längs samma axel. Materialet kan då vara ferromagnetiskt så att alla moment pekar åt samma håll, eller antiferromagnetiskt där momenten är antiparallella. Vissa material har dock mer komplexa, icke-kolinjära magnetiska strukturer som t.ex. spinnspiraler och vinklade antiferromagnetiska tillstånd. De vanliga magnetiska metallerna järn, nickel och kobolt är i naturligt tillstånd ferromagnetiska och metaller med ickeforts sid 3

2 Roadmap 2006 Sven Stafström föreståndare NSC Mörkret och kylan har smugit sig på, och innan man riktigt har hunnit fatta det så är det snart jul och nytt år. Det är dags att summera det gångna året och även att blicka framåt. Vi kan se tillbaka på ett mycket givande år, en ny serie klusterresurser står i vår och SMHI:s datorhallar: Blixt, Dunder och Tornado! Vi har förresten precis genomfört en snabb utbyggnad av Blixt genom ett samarbete med Svenska Strålskyddsinstitutet och SMHI. Hela kedjan från initiativ, ansökan om medel, avtal, till beställning och leverans klarades av på under 2 månader; Blixt gör på många sätt skäl för sitt namn. Våra lagringsresurser är också kraftigt utbyggda tack vare en gemensam finansiering från Swegrid, SNIC, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse samt SMHI. Framför oss ligger ett nytt spännande år, fokus kommer att ligga på SNIC-resurser. Anslag för en ny SMP-resurs är redan beviljat och vi är nu inne i ett intensivt skede med benchmarking och diskussioner med leverantörer. Förhoppningsvis skall våra användare som nu kör på SGI3K kunna slussas över till en ny SMP-resurs utan något glapp. Här kommer vi i början att satsa på ett fåtal grupper med speciella minnesbehov och ge dessa en unik möjlighet till stora kapabilitetskörningar, som vi hoppas kommer att resultera i nya spännande forskningsresultat. Vi arbetar också för att ersätta Monolith under 2006, även ett av Monoliths småsyskon, Maxwell, som används av Saab kommer förmodligen att ersättas under nästa år. Kanske mest spännande men också mest osäker är utvecklingen inom grid. På den europeiska scenen har vi EGEE- och LCG-projekten som utvecklas i allt snabbare takt. Inom Norden kommer med största sannolikhet en satsning på Nordic Datagrid Facility, och nationellt diskuteras en utbyggnad av Swegrid. Sett ur ett NSC-perspektiv har vi intresse i alla dessa initiativ och vi kommer att arbeta stenhårt för att bidra till gridutvecklingen på alla fronter. Huvudartikeln i detta nummer av Nytt från NSC kommer från en av våra allra största användargrupper, Teoretisk Magnetism i Uppsala. Vi sammanfattar också vår årliga konferens Linux Clusters for Supercomputing och användarkonferensen SNIC Interaction samt vårt deltagande i Service Challenge 3. Detta är det sista numret av Nytt från NSC i denna tappning, för att stärka vår internationella prägel kommer vi från och med 2006 att ge ut vårt nyhetsblad på engelska, Nytt från NSC blir då NSC News. Avslutningsvis vill jag på hela NSC:s vägnar önska all våra användare och läsare en riktigt God Jul och ett Gott Nytt År! Norden i Service Challenge 3 Som ett led i arbetet att bygga upp lagringsoch analysinfrastrukturen för den kommande nya LHC-acceleratorn vid CERN, genomförs under sommaren och hösten Service Challenge 3 (SC3). Under SC3 sätts en prototyp av det kommande produktionssystemet upp av CERN och de deltagande tier 1-siterna, och används för simulerade körningar och prestandatester. För Nordens räkning deltar NSC tillsammans med Parallelldatorcentrum vid KTH och Niels Bohr-institutet vid Köpenhamns universitet i arbetet, som en del i samarbetet inom NDGF (Nordic Datagrid Facility). SC3 inleddes under sommaren med dataöverföringstester, där målet var att under en längre tidperiod kunna upprätthålla en sammanlagd överföringshastighet av 1 GB/s från CERN till tier 1-siterna. Överföringstesterna pågick kontinuerligt under flera veckor. För NDGF:s del användes maskiner i Köpenhamn, Linköping och Stockholm, till vilka överföringarna lastbalanserades på roundrobin-basis. Under testperioden stod SC3 för mer än hälften av all inkommande trafik till hela Nordunet! Under den andel av testperioden där alla siter var aktiva noterades ett dygnsgenomsnitt på 129 MB/s till NDGF, bara slaget av Fermilab (FNAL) i USA (se diagram). Under perioder där det var mindre konkurrens om bandbredd i CERNänden uppnådde NDGF mer än 180 MB/s under lång tid. Under våren vidtar Service Challenge 4, som gradvis kommer att övergå till den slutliga produktionsinfrastrukturen för LHC:s skarpa drift. LEIF NIXON SNAC-tilldelningar Vid höstens SNAC-ansökningstillfälle var antalet ansökningar ovanligt lågt och sökt tid på NSC-resurser beviljades i stort sett fullt ut. Alla projekt med tid beviljad av SNAC på NSC:s SGI 3800-system kommer att få sin tid överförd till ersättningssystemet så fort som det satts i produktion. 2

3 riktning mot sina närmsta grannar (t.ex. triangeln i fig 1) ger det upphov till magnetisk "frustration" och den magnetiska strukturen blir istället icke-kolinjär. Resultaten från den här studien visar på en grundläggande orsak till icke-kolinjär ordning och den utvecklade metoden kan även användas för att studera växelverkningar mellan kluster vilket kan ha stor betydelse för framtida datalagringsapplikationer där magnetiska ytkluster kan användas som databitar. Figur 2: Bilden visar spinnflödet (lila pilar) kring en atom i metallen erbium. Nettospinnflödet genom en sfär kring erbiumatomen ger upphov till ett kraftmoment (grön pil). Kraftmomentet, i sin tur, medför en ändring av atomens magnetiska moment (röd pil). forts fr sid 1 kolinjär magnetisk struktur finns i lantanidserien i det periodiska systemet, ex. erbium och tulium. Huvuddelen av vår forskning behandlar system som kan vara ickekolinjära. I en tidigare studie visade vi att de flesta metaller i princip kan fås att bli ickekolinjära genom att ändra materialets volym och tryck. 1 En utmaning inom den teoretiska forskningen kring magnetiska material ligger i att förstå magnetismen i de nanostrukturmaterial som t.ex. multilager och klustrade material som idag kan tillverkas och som har börjat få användning inom industrin. Ett exempel på det är de multilager som används i läshuvuden för just hårddiskar. Ett annat viktigt område är förståelsen av dynamiken i magnetiseringsprocesser, som handlar om att förstå hur magnetiseringstillstånd ändras vid pålagt fält eller ström. Som exempel på vår forskning presenterar vi nedan nya resultat för den magnetiska strukturen för små ytkluster samt dynamikberäkningar för ett spinnspiralmaterial. Magnetiska nanostrukturer Ett relativt enkelt sätt att styra materialegenskaper är att variera storleken och geometrin på materialet. Genom att minska dimensionerna på ett material kan brutna symmetrier och yteffekter ändra de magnetiska egenskaperna. Exempelvis kan små kluster av metaller som palladium och rodium, vilka normalt är omagnetiska, bli ferromagnetiska under vissa förhållanden. Den minskade symmetrin gör det också möjligt för ferromagnetiska material att bilda mer komplexa magnetiska strukturer. I många vanliga DFT-metoder används translationssymmetrin hos oändliga perfekta kristaller för att förenkla beräkningarna. Eftersom man måste bryta translationssymmetrin för att studera små kluster blir det paradoxalt nog mer krävande att studera de mindre klustren än mer bulklika material. Vi har utvecklat en metod, baserad på Haydocks rekursionsmetod, som kan hantera ickekolinjär magnetism. Metoden är formulerad i det reella rummet och är därför väl lämpad för system där translationssymmetrin saknas såsom inbäddade kluster och kluster på ytor. Tidsåtgången för metoden ökar dessutom linjärt med systemets storlek till skillnad från konventionella DFT-metoder där beräkningstiden växer med systemets storlek i kubik. Med den nya metoden har vi undersökt den magnetiska strukturen hos små kluster av järn, mangan och krom på en kopparyta. 2 Den kristallografiska (111) kopparytan som används som substrat i den här studien medför att klustren på ytan har en tendens att ordna upp sig i triangulära mönster (se figur 1). Det visar sig att järnatomerna kopplar ferromagnetiskt till varandra och de har därför en kolinjär ferromagnetisk struktur, oberoende av klusterstorlek och geometri. För mangan- och kromklustren blir resultatet dock ett annat. Både mangan och krom kopplar antiferromagnetiskt till sina närmsta grannar. Det leder till att om geometrin är sådan att det går att ordna varannan atom upp och varannan atom ned (triatomära raden i figur 1), kommer både mangan- och kromklustren inta en kolinjär antiferromagnetisk struktur. Om klustergeometrin dock är sådan att inte alla atomer kan ha sitt spinn i motsatt Spinndynamik Spinndynamik handlar om studiet av tidsvariationen av magnetiseringen. På mesoskopisk nivå studeras spinndynamik inom mikromagnetismen och då i studiet av den fenomenologiska Landau-Lifshitz-Gilbertekvationen (LLG-ekvationen) där magnetiseringen kan betraktas som ett kontinuum. För att studera spinndynamik på atomär nivå måste man utgå från kvantmekanik. Tillsammans med diverse approximationer, som att magnetiseringen i material kan tillskrivas de enskilda atomerna samt att relaxationstiden för magnetiseringsrikningen hos atomerna är betydligt långsammare än relaxationstiden för elektronerna, kan man härleda ett uttryck på samma form som LLG-ekvationen. Vi har utvecklat en kod för att beräkna spinndynamik på atomär nivå, baserad på parametrar erhållna från ab initio-beräkningar. Här använder vi Langevin-dynamik, d.v.s. dynamiken beskrivs genom en stokastisk differentialekvation. Dock kvarstår ett flertal utmaningar innan rena ab initio-spinndynamikberäkningar kommer att kunna utföras. I konventionella metoder för att ändra det magnetiska tillståndet i ett material används ett pålagt fält. Den senaste tiden har intresset ökat för studier av hur magnetisering ändras med en pålagd ström. Modeller har visat att när en ström passerar en gränsyta mellan ett omagnetiskt material och ett material med ett ferromagnetiskt tillstånd, utsätts magnetiseringen för ett kraftmoment. Denna effekt kan beräknas med hjälp av ab initio-metoder kombinerat med elektrontransportmetoder. I referens [3] visar vi att detta fenomen också uppstår i material med icke-kolinjär magnetism. Istället för att studera gränsskikt mellan omagnetiska och ferromagnetiska material har vi undersökt hur ett material, vars magnetiska grundstruktur är en spinnspiral, påverkas av en pålagd ström. I ett gränsskikt ändras magnetiseringen abrupt, medan den i ett spinnspiralmaterial ändras kontinuerligt. Beräkningarna gjordes på den sällsynta jordartsmetallen erbium (Er) och visar att en inducerad ström i detta material leder till ett kraftmoment och därmed forts sid 4 3

4 LCSC och SNIC Interaction För sjätte året i rad arrangerade NSC konferensen Linux Clusters for Supercomputing, LCSC, den oktober. I år samarrangerades dessutom LCSC med SNIC:s användarkonferens, SNIC Interaction. Totalt samlades c:a 140 deltagare. Mötet inleddes med en tutorial-dag med tre parallella kurser: VASP, a periodic electronic structure program, som gavs av dr. Doris Vogtenhuber vid universitetet i Wien, Matlab for parallel computing, av prof. Alan Edelman, Massachusetts Institute of Technology samt Linux Clusters, av Peter Kjellström och Niclas Andersson, NSC. Konferensdelen sträckte sig över två dagar med presentationer av såväl teknisk karaktär som med mer inriktning mot applikationer. Totalt gavs 25 föredrag, flera av dessa var inbjudna internationella talare: prof. Kenneth Ruud (Tromsö) Computational challenges in quantum chemistry, prof. Alan Edelman (MIT), Parallel Matlab doing it right, dr. John Easton (IBM), Exposing the myths of desktop scavenging grids, dr. Patricia Mendez Lorenzo (CERN), The grid challenges for the LHC deployment at CERN, dr. Jacko Koster (Bergen), High performance computing and e-science in Norway, dr. Lars Fischer (Köpenhamn), Research Networking Supporting e-science with Advanced Networking. Dessa föredrag blandades med bidrag från några av de mest framträdande svenska HPDanvändarna inom fysik, flödesdynamik, bioinformatik och numeriska väderprognoser samt presentationer av nya resurser som Ra på UPPMAX, Tornado på NSC, Lenngren på PDC. Erik Hagersten presenterade en översikt över utvecklingen av processorkärnor och multitrådning. På konferensens avslutande session presenterades tilldelning och användning av HPD-resurser ur ett SNAC-perspektiv följt av en presentation av SNIC:s landskapsdokument med efterföljande diskussion kring hur vi på bästa sätt använder de resurser vi har för högpresterande beräkningar. Samtliga presentationer finns SNIC:s föreståndare, Anders Ynnerman, i talarstolen under SNIC Interaction. tillgängliga och går att ladda ner från Från arrangörshåll kände vi oss mycket nöjda med programmet och med konferensen som helhet. Det är naturligtvis av stort värde för HPD-verksamheten i landet att ha en mötesplats där alla personer som är inblandade i denna verksamhet kan träffas. Med SNIC Interaction fick vi också en givande koppling mellan användare och de organisationer som leder den svenska HPD-verksamheten. Denna koppling förstärktes ytterligare under konferensen genom inrättandet av en styrgrupp för en nationell HPD-användarförening, SNUG. Vi är också mycket tacksamma för uppslutningen från leverantörer av HPDutrustning. Presentationer av hårdvara hör definitivt hemma i detta sammanhang och vi kan säkert utveckla detta konferensinslag mer. Vi vill framföra vårt stora tack till IBM, Southpole, Litech, Myricom, Next, Gridcore och Dell för deras sponsorstöd, samt även för bidrag från Linköpings kommun. SVEN STAFSTRÖM forts fr sid 3 en rotation av spiralmagnetiseringen. Betydelsen av detta arbete är tvåfaldig. Dels har vi visat hur man med ab initio-metoder kan studera ströminducerat kraftmoment i material, dels att fenomenet inte bara förekommer i gränsskikt utan också i kan förekomma i bulk. ANDERS BERGMAN, BJÖRN SKUBIC, OLA WESSELY OCH LARS NORDSTRÖM LARS.NORDSTROM@FYSIK.UU.SE FYSISKA INSTITUTIONEN UPPSALA UNIVERSITET Referenser 1 Raquel Lizarraga et al.: Conditions for Noncollinear Instabilities of Ferromagnetic Materials, Phys. Rev. Lett. 93, (2004) 2 Anders Bergman et al.: Magnetic interactions of supported magnetic clusters, cond-mat/ Ola Wessely et al.: Current driven magnetization dynamics in helical spin density waves, cond-mat/ Kalendarium Kalendariet hittar du på nätet: conferences Nationellt Superdatorcentrum, Linköpings universitet, Linköping Tel: , fax: , e-post: info@nsc.liu.se

5 Nationellt Superdatorcentrum, Linköpings universitet, Linköping Tel: , fax: , e-post: