مطالعه پاشندگی اسپینی در نانوساختار های مغناطیسی

فیزیک آزمایشگاهی شاخه ای از علم فیزیک بوده که در آن با مشاهده پدیده های طبیعی و جمع آوری داده و انجام آزمایش سعی در شرح پدیده های مشاهده شده و پیشبینی پدیده های جدید بر اساس از آزمایش ها و مدل های ریاضی است. آزمایشات و روش ها در این رشته بسیار متنوع بوده و مشاهده های ساده ای نظیر آزمایش کاوندیش[۱] که در آن به مطالعه نیروی گرانش بین اجسام پرداخته می شود را شامل شده و همچنین مشاهدات بسیار پیچیده تری مانند برخورد دهنده هادرونی بزرگ[۲] را در بر گرفته که یک شتاب دهنده ذره مستقر در مرکز تحقیقاتی سرن[۳] می باشد.

داده های علمی تولید شده در فرایند های مختلف مربوط به آزمایشات فیزیکی داری حجم و تنوع زیادی بوده و در بسیاری از آزمایشات مربوط به شتاب دهنده های ذرات از سرعت و نرخ تولید بسیار زیادی نیز برخوردار می باشند.

داده های علمی را به داده‌های خام ایجاد شده از آزمایشات، داده های ساخت یافته‌ی بدست آمده از فیلتر نمودن داده های خام، داده‌های انتشار یافته و داده‌های مرتبط با مقالات دسته بندی نمود [۱]. داده های خام در برخی از آزمایشات به صورت جریانی از داده ها در کسری از ثانیه توسط حسگرها دریافت می شوند، فیزیک‌دانان در تاسیسات های فیزیک آزمایشگاهی با چالش هایی برای مدیریت داده ها از جنبه های مختلفی نظیر ذخیره سازی و پردازش روبرو می باشند.

سالیانه حدود ۱۵ ترابایت داده توسط برخورد دهنده هاردونی بزرگ مستقر در سرن تولید می شود. رایانه های معمولی امکان نگهداری و پردازش چنین داده هایی را ندارند و به همین دلیل یک راه حل مناسب می تواند استفاده از چندین سامانه کامپیوتری به صورت خوشه ای جهت انجام پردازش و ذخیره داده ها باشد.

هدوپ[۴]  به عنوان یک چارچوب و محیطی برای کلان داده می باشد که با ارائه ابزار های متن باز مختلف امکان ذخیره سازی و پردازش داده های با حجم بسیار بالا را فراهم نموده است. فایل سیستم توزیع شده هدوپ[۵] با ایجاد یک سیستم فایل یکپارچه امکان استفاده از فضای ذخیره سازی رایانه های مختلف متصل به شبکه را فراهم نموده و همچنین با پیاده سازی الگوریتم نگاشت-کاهش[۶] باعث شده تا بتوان برنامه های پردازشی را بین گره های مختلف برای تحلیل داده های حجیم توزیع نمود]۲[.

پس از هدوپ پروژه اسپارک[۷] با ارائه امکان پردازش داخل حافظه سعی در بهبود عملکرد و سرعت پردازش کلان داده نمود، این ابزار نیز می تواند در کنار سایر ابزار های محیط هدوپ استفاده شود]۳[.

ما در این پایان نامه سعی داریم با استفاده از ابزارهای کلان داده راه حل هایی را برای مدیریت داده های علمی تولید شده در تاسیسات فیزیک آزمایشگاهی[۸] بپردازیم.

مطالعه نانوساختارهای مغناطیسی در طیف گسترده ای از کاربردها قابل استفاده است که ازجمله آنها می توان به ساخت حافظه های مغناطیسی (MRAM)، ساخت سنسورهای میدان مغناطیسی بسیار حساس، ایجاد منطق اسپینی قابل برنامه نویسی و ساخت فصای ذخیره سازی بسیار فشرده اشاره نمود.

در این آزمایش ما با استفاده از چارچوب میکرومغناطیس شی گرا (OOMMF) اقدام به شبیه سازی جهت گیری ممان مغناطیسی (M) در یک نانوساختار به ابعاد ۲۰۰۰ در ۵۰ در ۱ نانومتر مطابق شکل یک پرداختیم.

برای این منظور می بایست ابعاد نانو ساختار و همچنین ابعاد شبکه (mesh) را مشخص سازیم. ما در این مرحله شبکه را با اندازه های ۱x2x2‌نانومتر و همچنین ۱x1x1 نانومتر انتخاب نموده و شبیه سازی نموده ایم. برنامه شبیه ساز برآیند نیروهای مغناطیسی (M) مانند شکل ۲ را در هر شبکه بر اساس رابطه ۱ محاسبه نموده و اندازه آن را در راستای محور های x,y,z ذخیره می نماید. حال بر اساس میزان داده تولید شده و همچنین مدت زمان اجرای هر یک از این دو آزمایش می توان میزان فضای مورد نیاز برای ذخیره سازی داده ها و زمان لازم برای تولید آنها را با دقت زیاد و در مقیاس انگستروم برآورد نمود. این نتایج در جدول ۱ نشان داده شده است.

این آزمایشات در دو مرحله انجام شده ابتدا در مرحله استاتیک وضعیت اولیه ماده و جهت گیری ممان های مغناطیسی محاسبه شده و سپس این وضعیت اولیه به برنامه دینامیک داده شده تا وضعیت ممان های مغناطیسی در حضور یک موج تابیده شده محاسبه گردد.

اندازه مشتعداد مشحجم فایل استاتیکمدت زمان اجراحجم فایل داینامیکمدت زمان اجرا
۱x2x2 nm۲۵۰۰۰۴٫۵۷ MB۵۳ دقیقه۲۷٫۴ GB۲ ساعت و ۴۶ دقیقه
۱x1x1 nm۱۰۰۰۰۰۳۱٫۵ MB۱۶ ساعت و ۲۸ دقیقه۳۳۴ GB۵۹ ساعت و ۴۹ دقیقه
۵x5x5 angstrom۸۰۰۰۰۰~ ۲۵۶ MBحدود ۵ روز~ ۲۶ TBحدود ۲۰ روز
۱x2x2 angstrom۲۵۰۰۰۰۰۰~ ۴٫۵ GBحدود ۳۶ روز~ ۸۳۳ TBحدود ۲ ماه

جدول ۱- تخمین مدت زمان اجرای آزمایش و حجم فضای ذخیره سازی مورد نیاز

ب : فرضيات

داده های علمی تولید شده در تاسیسات فیزیک آزمایشگاهی دارای مشخصه های کلان داده هستند.

ابزار های کلان داده می توانند برای مدیریت داده های علمی مورد استفاده قرار گیرند.

استفاده از ابزار کلان داده می تواند برخی از چالش های مرتبط با ذخیره سازی و پردازش داده های آزمایشات فیزیکدانان را حل نماید.

ج : هدف از اجراء

آزمایشات مختلف علمی از جمله آزمایشات فیزیکی صورت گرفته در تاسیسات فیزیک آزمایشگاهی داده های عظیمی را ایجاد نموده که شامل مشخصه های متنوع و زیادی هستند، نگهداری حجم زیاد داده های ایجاد شده در برخی از این آزمایشات و پردازش آنها نیازمند توان محاسباتی بالایی بوده که معمولا از حد توان یک رایانه یا سرویس دهنده خارج می باشد. ما در این تحقیق سعی داریم تا با استفاده از ابزار محیط کلان داده  امکانی را فراهم سازیم تا نیازهای فیزیک دانان برای ذخیره سازی داده و پردازش داده ها را برطرف ساخته و بدین وسیله دقت و کیفیت تحلیل‌ها و نتایج آزمایشات را ارتقاء بخشیم.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *