Ny forståelse af magnetisme kan fremme superledere og kvantecomputere

Ny materiale til nye magnetiske teorier

Den mest lovende forskning inden for materialvidenskab kan være alt, der relaterer sig til elektromagnetisme på kvanteniveau. Dette skyldes, at den har potentialet til radikalt at ændre, hvordan vi fremstiller materialer til mange højteknologiske anvendelser, som hver især kan ændre verden:

• Kvanteregning.
• Kernefusion.
• Superledere ved stuetemperatur.

Og vi lærer stadig meget om, hvad magnetisk materiale kan bestå af. For eksempel var det først i 2022, at et forskerteam fra Rice University opdagede, at “kagome-materialet“, en type metallisk krystal, havde overraskende magnetiske egenskaber.

Den 18^th oktober 2024 annoncerede de samme forskere et nyt gennembrud inden for dette område og offentliggjorde deres resultater i Nature Communications under titlen “Vedvarende fladbåndsplittelse og stærk selektiv båndrenormering i en kagome-magnetisk tyndfilm¹”.

The work was done in collaboration with researchers at the University of West Bohemia (Czech Republic), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA), and Los Alamos National Laboratory (USA).

Kagome-material

Før vi diskuterer den seneste publikation, skal vi kort forklare, hvad kagome-materialer er.

Den får sit navn fra kagome-vævemønsteret, der bruges i traditionelt japansk håndværk, eller trihexagonal flisning, med overlappende trekanter og store hexagonale huller.

Kilde: Research Gate

På lignende måde er kagome-materialer, som for eksempel magnetiske jern-germaniumkrystaller, organiseret i dette mønster på atomart niveau. Siden de første opdagelser er det blevet indset, at jern-tin-tyndfilm (FeSn) udviser en struktur, der er meget tættere på den ideelle kagome-gitter.

Kilde: Rice University

Unikke magnetiske egenskaber

Allerede i 2022 blev de unikke egenskaber ved kagome-materialet bemærket:

• Magnetiske effekter kræver, at elektroner strømmer omkring kagome-trekantene, svarende til superledning.
  • Selvom det adskiller sig fra andre former for “ægte” superledning, er det med sikkerhed kendt, at denne effekt kan vedvare ved stuetemperatur og normale trykforhold.
• Tilstedeværelsen af en “ladningsdensitetsbølge”, hvor elektronerne “smelter” sammen til en kollektiv bølge, som samlet bærer en elektrisk strøm.
  • I modsætning til “normal” superledning forekommer dette i spidser, som vand, der drypper fra en hane, snarere end en kontinuerlig elektronstrøm.
• På trods af at vise ladningsdensitetsbølge udviser kagome-materialet også magnetiske egenskaber, som normalt er to uforenelige egenskaber.

Generelt kan den meget organiserede natur af kagome-materialer gøre dem lettere at studere fænomener på grænsen af vores forståelse af elektromagnetisme, såsom “ukonventionel superledning” eller “de vedvarende udsving mellem magnetiske tilstande i kvante‑spinvæsker”.

“På et tidspunkt vil du kunne sige: ‘Jeg vil lave et materiale med bestemte adfærd og egenskaber.’

Jeg tror, kagome er en god platform i den retning, fordi der er måder at lave direkte forudsigelser på, baseret på krystalstrukturen, om hvilken slags båndstruktur du vil få, og dermed om de fænomener, der kan opstå baseret på den båndstruktur. Det har mange af de rette ingredienser.

Ming Yi – Lektor, fysik og astronomi ved Rice University

Nye indsigter i kagome-materialet

Indtil videre antog de eksisterende teorier om magnetisme i kagome-metaller, at itinerante elektroner drev den magnetiske adfærd. Den nye publikation afslører dog, at FeSn’s magnetiske egenskaber stammer fra lokaliserede elektroner, ikke de mobile elektroner, som forskerne tidligere antog var ansvarlige for.

For at opnå denne indsigt brugte forskerne avancerede værktøjer som molekylær stråleepitaksi og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi til at fremstille og analysere højkvalitets FeSn‑tyndfilm.

Kilde: Nature

Opdagelsen indikerer også, at magnetismen og elektronkorrelationerne i kagome-magneter arbejder sammen i et komplekst samspil.

Anvendelser

I første omgang er implikationerne af denne opdagelse lidt svære at forstå for ikke‑fysikere.

Den første konsekvens er, at den åbner vejen til bedre forståelse af lignende materialer, som det stadig ikke fuldt forståede potentiale højtemperatur-superledere. Dette er et felt, hvor praksis er foran teorien på mange måder.

“Stærkt korrelerede materialer er mere udfordrende. Der mangler en forbindelse mellem teori og måling.

Således er det ikke kun svært at finde materialer, der både er stærkt korrelerede og topologiske, men når du finder dem og måler dem, er det også meget svært at forbinde, hvad du måler, med en teoretisk model, der forklarer, hvad der foregår.

Ming Yi – Lektor, fysik og astronomi ved Rice University

Et andet område, der kunne drage stor fordel af denne forskning, er kvantecomputing.

Mere specifikt kunne det bruges til at skabe “kvante‑logikporte”, en nøglekomponent i kvantecomputere, som i øjeblikket er svære at fremstille og udnytte.

“For svagt korrelerede materialer som de oprindelige topologiske isolatorer fungerer første‑princip beregninger virkelig godt.

Baseret alene på hvordan atomerne er arrangeret, kan du beregne, hvilken slags båndstruktur du kan forvente. Der er en virkelig god vej fra et materialedesignperspektiv. Du kan endda forudsige materialernes topologi.

Ming Yi – Lektor, fysik og astronomi ved Rice University

Investering i avanceret magnetisk materiale

Superledning og tilknyttede fysiske fænomener vil sandsynligvis blive en stor sag inden for både videnskab og teknologibranchen i de kommende år. Dette skyldes, at der er sket enorm eksperimentel fremgang i de sidste fem år, som vi beskrev i “Fremskridt inden for superledning baner vejen for en ny teknologisk revolution”.

Dette inkluderer ikke kun kagome-materialerne, vi har diskuteret her, men også pyrolytisk grafit, 2D‑grænseflade‑superleder, og rumtemperatur‑superleder LK‑99.

Du kan investere i superlederrelaterede virksomheder gennem mange mæglere, og du kan finde vores anbefalinger til de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, UK, og mange andre lande på securities.io.

Du kan også lære mere om virksomheder, der er aktive inden for dette felt, i vores artikler “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies” og “Top 10 Nanotechnology Stocks”.

Kvanteregnerfirmaer

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledende kraft bag kommercialiseringen af den første mainframe‑computer. Dog er den faldet bagud i produktionsvolumen i forhold til andre teknologigiganter som Apple (AAPL ), TSMC og NVIDIA (NVDA ).

Det er dog i spidsen for udviklingen af kvantecomputere. For eksempel udviklede de deres 127‑qubit “Eagle” kvantecomputer, som blev efterfulgt af et 433‑qubit system kendt som “Osprey”.

Og dette er nu fulgt af “Condor”, en 1.121‑superledende qubit‑kvanteprocessor baseret på cross‑resonance gate‑teknologi, sammen med “Heron”, en kvanteprocessor i spidsen af feltet.

Kvantecomputere kunne drage fordel af forbedret magnetisk kontrol, hvilket øger qubit‑stabilitet og pålidelighed, som er essentielt for behandlingskraft.

På samme måde kan fremskridt inden for superledere, som er afhængige af kontrollerede magnetfelter, føre til mere effektiv energioverførsel og kølesystemer, især ved højere temperaturer.

IBM er involveret i de fleste af de andre banebrydende innovationer inden for computing og halvlederindustrien. Disse inkluderer ledende organiske materialer, neuromorfisk computing, photonics, osv.

Til en vis grad er IBM blevet et “patent‑firma” med ekspertise i at udvikle nye beregningsmetoder og licensere dem til industrien.

Indtil videre ser det ud til, at de er meget besluttede på at holde så mange nøglepatenter som muligt inden for alle de ikke‑silicium‑computing‑metoder, de kan få, hvilket gentager deres tidligere succes, da de i høj grad bidrog til at udvikle halvlederindustrien til den gigant, den er i dag.

NVIDIA har udviklet sig fra en niche‑halvledervirksomhed, der specialiserer sig i grafikkort, til en teknologigigant i spidsen for AI‑revolutionen og den enorme mængde hardware, den har brug for.

Dette blev opnået gennem udviklingen af CUDA, et generelt programmeringsinterface for NVIDIAs GPU‑er, som åbnede døren for andre anvendelser end gaming.

“Forskere indså, at ved at købe dette gaming‑kort kaldet GeForce, tilføjer du det til din computer, og du har i bund og grund en personlig supercomputer. Molekylær dynamik, seismisk behandling, CT‑rekonstruktion, billedbehandling – en hel række forskellige ting.”

Jensen Huang, i et interview med Sequoia

Denne bredere adoption af GPU‑er, og mere specifikt NVIDIAs hardware, skabte en positiv feedback‑loop baseret på netværkseffekter: jo flere anvendelser, jo flere slutbrugere og programmører, der er fortrolige med den, jo flere salg, jo større FoU‑budget, jo hurtigere acceleration i computerhastighed, jo flere anvendelser osv.

Kilde: Nvidia

I dag omfatter den installerede base hundredvis af millioner af CUDA‑GPU‑er.

En anden bemærkelsesværdig ting ved udviklingen af AI‑computerkraft er, at den følger en eksponentiel lov i stedet for den mere lineære Moores lov for CPU. Dette skyldes, at ikke kun GPU‑hardwaren bliver bedre, men også den nødvendige behandlingskraft er faldet på grund af radikale forbedringer i, hvordan neurale netværk trænes.

Kilde: NVIDIA

Mens en leder inden for GPU og AI, NVIDIA er også meget aktiv i at udvikle kvantecomputing til en ny vækstmotor.

Ligesom de implementerede CUDA til neurale netværksapplikationer, har Nvidia frigivet CUDA‑Q til kvantecomputing, som tilbyder et kvante‑cloud‑system, hvor du kan leje NVIDIAs kvantecomputing‑kapacitet via en cloud‑tjeneste.

Kilde: NVIDIA

Dette inkluderer også teknologi som NVIDIAs cuQuantum til forskere, der vil emulere kvantecomputere, cuPQC til kvantekryptering, og DGX Quantum til integration af både klassisk og kvantecomputing.

Samlet set er NVIDIA i spidsen for at bygge et kvantecomputing‑økosystem, der udnytter deres position som leder inden for AI og AI‑hardware.

Kilde: NVidia

Hvis NVIDIA formår at skabe et helt nyt segment inden for kvantecomputing ud over deres eksisterende GPU‑ og AI‑forretning, kan de fortsætte med at vokse i takt med den eksponentielle anvendelse af kvantecomputing i mange flere år.

Studierreferencer:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Vedvarende fladbåndsplittelse og stærk selektiv båndrenormering i en kagome-magnetisk tyndfilm. Nature Communications, 15, Artikel 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}