Data driven magnet design through combinatorial synthesis and micromagnetic graph networks

Die Verringerung der Treibhausgasemissionen, insbesondere von CO2, hat auf der weltweiten Agenda oberste Priorität erlangt. Die Elektrifizierung des Verkehrs und erneuerbare Energien sind in hohem Maße auf Permanentmagnete angewiesen. Die Anpassung von Dauermagneten an die spezifischen Anforderungen einer Anwendung bei gleichzeitiger Reduzierung des Gehalts an kritischen Elementen ist für die notwendige Ausweitung grüner Technologien von entscheidender Bedeutung. Dieses Projekt zielt auf den Einsatz von datengesteuertem maschinellem Lernen ab, um das grundlegende Verständnis der Magnetisierungsumkehr zu verbessern und das inverse Design von magnetischen Materialien zu erleichtern. Obwohl sie bei der Entwicklung von Materialien für die magnetische Datenspeicherung und Spinelektronik eine wichtige Rolle spielen, sind mikromagnetische Simulationen kaum skalierbar, um Fragen der Entwicklung von Massenmaterialien zu beantworten. Eine alternative Methode für das inverse Design ist der Einsatz von datengesteuertem maschinellem Lernen. Durch Assimilation von Daten aus Hochdurchsatzmessungen an kombinatorischen gesputterten magnetischen Filmen und aus mikromagnetischen Graphennetzwerken werden Modelle erstellt, die Hystereseeigenschaften aus der chemischen Zusammensetzung, der Struktur und den Verarbeitungsbedingungen vorhersagen. Auf dem Gebiet der Strömungsdynamik und der Strukturmechanik wurde festgestellt, dass Graphennetzwerke die herkömmlichen Simulationen um Größenordnungen beschleunigen. Die Musterung der Filmstrukturen ergibt Inseln, die klein genug sind, um mit genauen mikromagnetischen Simulationen behandelt zu werden. Auf diese Weise können Daten aus Experimenten und Simulationen für die Erstellung robuster und zuverlässiger maschineller Lernmodelle verwendet werden. Das Projekt konzentriert sich auf die Anpassung der Eigenschaften von (Nd,Dy,La,Ce)FeB-Magneten mit stark reduziertem Nd- und Dy-Gehalt durch Änderung der chemischen Zusammensetzung und die Erforschung mehrphasiger Strukturen, die durch Korngrenzendiffusion erreicht werden.

Im Rahmen der IEEE AIM 2025 Konferenz (9.-12. Februar 2025, Brixen, IT) präsentierte Leoni Breth in ihrem Vortrag die neuesten Fortschritte in der dimensionsreduzierten Modellierung von Permanentmagneten: Reduced order micromagnetics of permanent magnets. Das sogenannte Reduced Order Model (ROM) kommt zum Einsatz für Generierung von Trainingsdaten für graphenbasierten neuronale Netze. Zur weiteren Verbesserung dieser Trainingsdaten wird das ROM aktuell erweitert um die Abbildung von weichmagnetischen Defekten in der Mikrostruktur. Erste Ergebnisse eines direkten Vergleichs mit einem kompletten mikromagnetischen Modell zeigen, dass realistische Materialeigenschaften von Dickschicht-Permanentmagneten mit Dimensionen im Bereich von einigen 10 µm zukünftig in minimaler Rechenzeit simuliert werden können.

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IEEE-AIM 2025

Vom 9. bis 12. Dezember 2024 besuchten William Rigaut und Pierre Le Berre vom Neel-Institut Wiener Neustadt, um den aktuellen Fortschritt unseres DataMag-Projekts zu besprechen. Die Gespräche konzentrierten sich auf potenzielle gemeinsame Veröffentlichungen, Erklärungen der für die Datenanalyse verwendeten maschinellen Lerncodes und Fortschritte in der reduzierten ordnungsbasierten Mikromagnetik. Weitere Themen waren der Fortschritt der Mikrostrukturierung magnetischer Filme, die Details der geplanten Durchführung von Mikrostrukturmessungen und der anschließende Vergleich dieser Messungen mit simulierten Streufeldmustern.

Vom 15. bis 18. September 2024 fand das 21^st International IGTE Symposium 2024 on Computational Methods in Electromagnetics and Multiphysics in Graz in Österreich statt. Heisam Moustafa nahm am Minisymposium Micro-to Macroscopic Hysteresis Modeling teil und hielt einen Vortrag über Predicting Coercivity Across Scales: Graph Neural Networks for Magnetic Structures.

Er präsentierte seine Arbeit über die Vorhersage der Koerzitivfeldstärke hartmagnetischer Mikrostrukturen mithilfe von Graph-basierten neuronalen Netzen (GNN). Heisam erläuterte die Eigenschaften und Analyse der erzeugten Trainingsdaten, ging genauer auf den Aufbau des entwickelten GNN ein und bewertete dessen Vorhersagegenauigkeit.

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TU Graz

Vom 27. August bis 6. September 2024 besuchte Heisam Moustafa die European School on Magnetism (ESM) in York, UK welche jährlich von der European Magnetism Association (EMA) organisiert wird. Das Thema der Sommerschule war Magnetism for Energy-Efficient Devices. In den zwei Wochen wurden Kurse zu den Grundlagen, Techniken sowie Funktionen und Anwendungen im Magnetismus angeboten. Des Weiteren gab es Tutorials und eine Poster-Session, bei der Heisam seine Arbeit an Graph-basierten neuronalen Netzen für hartmagnetische Mikrostrukturen ausstellte (poster_ESM2024.pdf)  

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University of York, EMA

Am 24. Mai 2024 fand die Lange Nacht der Forschung an verschiedenen Veranstaltungsorten in Österreich statt. An unserem Forschungsstand in Krems wurde gezeigt, wie mikromagnetische Simulationen und künstliche Intelligenz die Entwicklung umweltfreundlicher, nachhaltiger und kostengünstiger Dauermagnete beschleunigen können (Poster). Die Besucher nahmen aktiv an der Forschung teil, indem sie mit Filzstiften Magnete mit verschiedenen Phasenverteilungen und Kristallstrukturen zeichneten (Poster). Unsere trainierte KI analysierte dann ihre Entwürfe und sagte ihre potenzielle Leistung voraus. In Diskussionen betonten wir die Bedeutung der Magnetforschung für die grüne Energiewende und den Kampf gegen den Klimawandel.

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Harald Özelt

Vom 5. bis 10. Mai 2024 fand die IEEE International Magnetics Conference INTERMAG 2024 in Rio de Janeiro in Brasilien statt. Heisam Moustafa zeigte, wie wir graphische neuronale Netze trainieren und verwenden, um die Koerzitivfeldstärke von hartmagnetischen Filmen vorherzusagen. Die Trainingsdaten wurden mit unserem schnellen Modell reduzierter Ordnung generiert und zur Definition der Merkmale der Knoten und Kanten der Graphen verwendet. Eine Korrelationsmatrix wird verwendet, um wichtige unabhängige Merkmale auszuwählen, und eine Kreuzvalidierung wurde durchgeführt, um die Anzahl der Trainingsepochen abzustimmen.

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Harald Özelt, Heisam Moustafa

Im März 2024 trat Leoni Breth dem Projekt bei und konzentriert sich seither auf die Modellierung von Korngrenzen und Defekten in hartmagnetischen Filmen für ein Modell reduzierter Ordnung. Das derzeitige Modell hat sich bereits als sehr nützlich für die Untersuchung großer Mehrkornsysteme erwiesen, wie in unserer jüngsten Veröffentlichung beschrieben. Allerdings beruht es auf der Annahme idealer Korngrenzen ohne Defekte. Leoni arbeitet aktiv an der Verbesserung des Modells, um realistischere Mikrostrukturen einzubeziehen, die bei den Messungen unserer Projektpartner beobachtet wurden.

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Leoni Breth

Im Februar 2024 wurde unser Artikel über Reduced order model for hard magnetic films in AIP Advances veröffentlicht.  In diesem Artikel untersuchen wir mikrostrukturelle Parameter zur Verbesserung der Koerzitivfeldstärke für große Mehrkornsysteme. Durch den Einsatz eines Modells mit reduzierter Ordnung, das auf der eingebetteten Stoner-Wohlfarth-Methode basiert, sind wir in der Lage, makroskopische Eigenschaften von magnetischen Materialien auf Längenskalen zu berechnen, die für klassische mikromagnetische Simulationen nicht zugänglich sind. Die vollständige Arbeit ist eine Open-Access-Publikation und kann ohne jegliche Einschränkungen gelesen werden: H. Moustafa et al., "Reduced order model for hard magnetic films", AIP Advances, vol. 14, no. 2, p. 025001, Feb. 2024, doi: 10.1063/9.0000816.

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Authors

https://doi.org/10.1063/9.0000816

Am 8. Jänner 2024 fand ein Projekttreffen in Wr. Neustadt statt. Nora Dempsey, William Rigaut, Yuan Hong und Thibaut Devillers besuchten uns in unserer Abteilung, um den aktuellen Fortschritt des Projekts zu besprechen. Die vorläufigen Ergebnisse eines trainierten Graph-Neuralen Netzwerks für hartmagnetische Filme wurden präsentiert. Wir haben die Ergebnisse ausgewertet, die Trainingsdaten diskutiert und wichtige Parameter für das Training identifiziert. Die Implementierung von periodischen Randbedingungen für das reduzierte Modell wurde in Betracht gezogen. Die Möglichkeiten der Herstellung und Messung von Variationen in Korngröße und -form wurden überprüft.

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Harald Özelt

Vom 30. Oktober bis zum 3. November 2023 fand die 68th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials in Dallas, Texas, USA statt. Heisam Moustafa präsentierte unsere Arbeit zur schnellen Berechnung der Entmagnetisierung von hartmagnetischen Materialien unter Verwendung unseres entwickelten “reduced order” Modells . Er präsentierte die Fähigkeiten des Modells, indem er den Einfluss der Korngrenzdicke in hartmagnetischen Filmen auf die Koerzitivfeldstärke untersuchte. Ein zunehmender Abstand zwischen den magnetischen Körnern führt zu höheren Koerzitivfeldern, möglicherweise aufgrund der verringerten Auswirkungen des Streufelds der Körner.

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IEEE

Vom 16. bis 27. Oktober 2023 besuchte Heisam Moustafa das CNRS Institut Neél in Grenoble, Frankreich. Der Besuch, organisiert von unserem Projektpartner Nora Dempsey, diente dazu, Einblicke in die verschiedenen Prozesse zur Synthese von mikrostrukturierten hartmagnetischen Filmen zu gewinnen. Es war auch eine Gelegenheit, sich mit Messverfahren wie dem MOKE (Magneto-optischer Kerr-Effekt) vertraut zu machen, die häufig zur Charakterisierung dieser Materialien verwendet werden. Dieser zweiwöchige Forschungsaufenthalt fördert die Verbindung zwischen theoretischen Erkenntnissen und praktischen Fähigkeiten, bereichert das Fachwissen der Forscher und trägt zur interdisziplinären Natur unseres gemeinsamen Projekts bei.

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Logo: CNRS, Neel Institute, Photos: Alexander Kovacs

Am 28. September 2023 fand ein Online-Projekttreffen statt. Dabei haben wir neue Hochdurchsatz-Messergebnisse des Neel Instituts zu NdLaCeFeB-Filmen diskutiert und wie die Dicke von Korngrenzen effizient gemessen werden kann. Der Stand der Datenanalysewerkzeuge wurde vorgestellt, und der Einsatz von graphischen neuronalen Netzwerken wurde erörtert. Es wurden mögliche Strategien zur Verbesserung der Datenanalyse entwickelt, die Querschnittsvermessungen und maschinelles Lernen nutzen.

Am 22. September 2023 haben wir im Rahmen des Forschungsfest Niederösterreich 2023 mehrere Workshops für Schulklassen veranstaltet. In den kostenfreien Workshops mit dem Titel "Magnetism in Motion: Hands-on Electric Motor Workshop" konnten Schülerinnen und Schüler nicht nur etwas über die Rolle starker Magneten in Elektromotoren und Generatoren erfahren, sondern auch ihren eigenen einfachen Elektromotor bauen.

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(c) Abteilung Wissenschaft und Forschung, Land Niederösterreich

Am 17. Juli 2023 wurde auf scilog, dem Magazin des Wissenschaftsfonds FWF, ein Interview mit Harald Özelt veröffentlicht. Der Artikel befasst sich mit der Anwendung von künstlicher Intelligenz zur Optimierung starker Magnete für die Energiewende. Harald erläutert das Ziel des Teams, die Abhängigkeit von Seltenen Erden zu verringern und gleichzeitig die Leistung von Magneten für Elektromotoren und Generatoren zu verbessern. Das Interview hebt Haralds zwei Projekte hervor, DeNaMML und DataMag, die die Nanostruktur einzelner magnetischer Körner und ihre Wechselwirkungen in magnetischen Systemen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen untersuchen. Der Artikel fand auch bei anderen Zeitungen und Plattformen wie ORF, APA, Die Presse, Bild, Jungfrauzeitung, Studium.at, Salzburger Nachrichten, Nau.ch Beachtung und wurde in verschiedenen Versionen veröffentlicht. Das Forschungsteam bedankt sich beim Österreichischen Wissenschaftsfonds für die Bereitstellung einer Plattform zur Präsentation ihrer Forschung.

Heisam Moustafa besuchte vom 19. bis 23. Juni 2023 die 16th Madrid UPM Machine Learning and Advanced Statistics Summer School (MLAS), hier besuchte er die Kurse 'Bayesian Networks' und 'Neural Networks and Deep Learning'. Beide Kurse dienen dazu, das Wissen in den genannten Bereichen mittels Theorie und auch Anwendungsbeispielen zu vertiefen. Dieses findet seinen Einsatz im Entwickeln von ML-Methoden für das Magnetdesign.

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Universidad Politécnica de Madrid

Am 18. April 2023 fand ein Online Kickoff Meeting statt. Vom Institut Néel nahmen Yuan Hong, William Rigaut und Nora Dempsey teil. Von der UWK waren Heisam Moustafa, Harald Özelt und Thomas Schrefl dabei. Es wurden die Strukturmessungen und Querschnittbilder von hartmagnetischen Filmen besprochen. Parameter wie Korngrößen und Formen für die Erstellung von synthetischen Strukturen für die Simulation wurden festgelegt.

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Heisam Moustafa

Mitte April 2023 startete Heisam Moustafa als Doktorand in unserem Zentrum und arbeitet seither an mikromagnetischen Simulationen, Modellen reduzierter Ordnung und neuronalen Netzen. Heisam hat zuvor an der Universität Bremen den Master of Science in Space Engineering abgeschlossen und bei der Firma ZARM TECHNIK AG im Bereich Magnetismus und Strukturdesign gearbeitet.

Bereits Ende September 2022 besuchten Projektpartner des Instituts Néel der Université Grenoble Alpes, Nora Dempsey und Yuan Hong das Zentrum für Modellierung und Simulation in Wr. Neustadt. Es wurde ein vorgezogenes Projektmeeting abgehalten in dem die ersten Schritte bezüglich Herstellung von hartmagnetischen Filmen und deren Charakterisierung abgestimmt wurden.