Neues Verständnis von Magnetismus könnte Supraleiter und Quantencomputer voranbringen

Neues Material für neue magnetische Theorien

Die vielversprechendste Forschung im Bereich der Materialwissenschaft könnte alles sein, was mit Elektromagnetismus im Quantenmaßstab zu tun hat. Dies liegt daran, dass es das Potenzial hat, radikal zu verändern, wie wir Materialien für viele High-Tech-Anwendungen bauen, die jeweils die Welt verändern könnten:

• Quantencomputing.
• Kernfusion.
• Supraleiter bei Raumtemperatur.

Und wir lernen immer noch viel über das, was magnetisches Material sein kann. Zum Beispiel entdeckte ein Team von Forschern an der Rice University erst 2022, dass “Kagome-Material“, eine Art metallisches Kristall, überraschende magnetische Eigenschaften aufweist.

Am 18. Oktober 2024 kündigten die gleichen Forscher einen neuen Durchbruch in diesem Bereich an und veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications unter dem Titel “Persistentes flaches Band-Splitting und starke selektive Band-Renormierung in einer Kagome-Magnet-Dünnschicht¹“.

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Forschern an der Universität Westböhmen (Tschechische Republik), dem Rehovot-Institut für Wissenschaft (Israel), dem Brookhaven National Laboratory (USA) und dem Los Alamos National Laboratory (USA) durchgeführt.

Kagome-Material

Bevor wir die neueste Veröffentlichung besprechen, müssen wir ein wenig über das erklären, was Kagome-Materialien sind.

Es trägt seinen Namen von dem Kagome-Webmuster, das in traditioneller japanischer Handwerkskunst verwendet wird, oder der trihexagonalen Pflasterung, mit überlappenden Dreiecken und großen sechseckigen Hohlräumen.

Quelle: Research Gate

In ähnlicher Weise sind Kagome-Materialien wie z. B. magnetische Eisen-Germanium-Kristalle auf atomarer Ebene in diesem Muster organisiert. Seit den ersten Entdeckungen wurde festgestellt, dass Eisen-Zinn-Dünnschicht (FeSn) eine Struktur aufweist, die der idealen Kagome-Gitterstruktur sehr nahe kommt.

Quelle: Rice University

Eigene magnetische Eigenschaften

Bereits 2022 wurden einzigartige Eigenschaften von Kagome-Materialien festgestellt:

• Magnetische Effekte erfordern, dass Elektronen um die Kagome-Dreiecke fließen, ähnlich wie bei Supraleitung.
  • Obwohl es sich von anderen Formen der “wahren” Supraleitung unterscheidet, ist es bekannt, dass dieser Effekt bei Raumtemperatur und Normaldruckbedingungen bestehen kann.
• Die Anwesenheit einer ” Ladungsdichtewelle“, bei der die Elektronen “verschmelzen” und eine kollektive Welle bilden, die einen elektrischen Strom trägt.
  • Im Gegensatz zu “normaler” Supraleitung tritt dies in Spitzen auf, ähnlich wie Wasser, das aus einem Hahn tropft, anstatt ein kontinuierlicher Elektronenfluss.
• Trotz der Anzeige einer Ladungsdichtewelle zeigt Kagome-Material auch magnetische Eigenschaften, normalerweise zwei unvereinbare Eigenschaften.

Insgesamt könnte die sehr organisierte Natur von Kagome-Materialien es einfacher machen, Phänomene am Rande unseres Verständnisses von Elektromagnetismus wie “nichtkonventionelle Supraleitung” oder ” kontinuierliche Fluktuationen zwischen magnetischen Zuständen in Quantenspinnflüssigkeiten” zu untersuchen.

“Irgendwann möchte man in der Lage sein, zu sagen: ‘Ich möchte ein Material mit bestimmten Verhaltensweisen und Eigenschaften herstellen.‘

Ich denke, Kagome ist eine gute Plattform in diese Richtung, weil es Wege gibt, direkte Vorhersagen auf der Grundlage der Kristallstruktur über die Art der Bandstruktur zu treffen, die man erhält, und daher über die Phänomene, die auf der Grundlage dieser Bandstruktur entstehen können. Es hat viele der richtigen Zutaten.”

Ming Yi – Associate Professor, Physik und Astronomie an der Rice University

Neue Erkenntnisse über Kagome-Material

Bisher gingen die bestehenden Theorien über Magnetismus in Kagome-Metallen davon aus, dass sich bewegliche Elektronen das magnetische Verhalten antreiben. Die neue Veröffentlichung zeigt jedoch, dass die magnetischen Eigenschaften von FeSn aus lokalisierten Elektronen stammen, nicht aus den beweglichen Elektronen, die die Wissenschaftler zuvor für verantwortlich hielten.

Um diese Erkenntnis zu erzielen, verwendeten die Forscher fortschrittliche Werkzeuge wie Molekularstrahlepitaxie und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, um hochwertige FeSn-Dünnschichten zu erstellen und zu analysieren.

Quelle: Nature

Die Entdeckung zeigt auch, dass der Magnetismus und die Elektronenkorrelationen in Kagome-Magneten in einem komplexen Zusammenspiel zusammenarbeiten.

Anwendungen

Zunächst sind die Auswirkungen dieser Entdeckung für Nicht-Physiker ein wenig schwer zu verstehen.

Die erste Konsequenz ist, dass sie den Weg zu einem besseren Verständnis ähnlicher Materialien wie die noch nicht vollständig verstandenen Hochtemperatur-Supraleiter ebnet. Dies ist ein Bereich, in dem die Praxis in vielen Aspekten der Theorie vorausgeht.

“Stark korrelierte Materialien sind schwieriger. Es gibt einen Mangel an Verbindung zwischen Theorie und Messung.

So ist es nicht nur schwierig, Materialien zu finden, die sowohl stark korreliert als auch topologisch sind, sondern wenn man sie findet und misst, ist es auch sehr schwierig, das, was man misst, mit einem theoretischen Modell zu verbinden, das erklärt, was passiert.”

Ming Yi – Associate Professor, Physik und Astronomie an der Rice University

Ein weiterer Bereich, der von dieser Forschung profitieren könnte, ist das Quantencomputing.

Insbesondere könnte es verwendet werden, um “Quanten-Logikgatter” zu erstellen, ein wichtiger Bestandteil von Quantencomputern, der derzeit schwierig zu erstellen und zu nutzen ist.

“Für schwach korrelierte Materialien wie die ursprünglichen topologischen Isolatoren funktionieren Erstprinzipienberechnungen sehr gut.

Nur auf der Grundlage, wie die Atome angeordnet sind, kann man berechnen, welche Art von Bandstruktur man erwarten kann. Es gibt einen wirklich guten Weg von einem Material-Design-Perspektive. Man kann sogar die Topologie des Materials vorhersagen.”

Ming Yi – Associate Professor, Physik und Astronomie an der Rice University

Investitionen in fortgeschrittene magnetische Materialien

Supraleitung und damit verbundene physikalische Phänomene werden wahrscheinlich in den nächsten Jahren in Wissenschaft und Technologieindustrie zu einem großen Thema werden. Dies liegt daran, dass in den letzten fünf Jahren enorme experimentelle Fortschritte erzielt wurden, wie wir in “Fortgeschrittene Supraleitung macht den Weg für eine neue technologische Revolution” beschrieben haben.

Dies umfasst nicht nur Kagome-Materialien, über die wir hier diskutiert haben, sondern auch pyrolytisches Graphit, 2D-Interface-Supraleiter und Supraleiter LK-99 bei Raumtemperatur.

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Quantencomputing-Unternehmen

International Business Machines Corporation (IBM) war die treibende Kraft hinter der Kommerzialisierung des ersten Mainframe-Computers. Es ist jedoch gegenüber anderen Technologie-Giganten wie Apple (AAPL ), TSMC und NVIDIA (NVDA ) im Produktionsvolumen zurückgefallen.

Es ist jedoch an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern. Zum Beispiel entwickelte es seinen 127-Qubit-„Eagle“-Quantencomputer, der von einem 433-Qubit-System namens „Osprey“ gefolgt wurde.

Und dies wird jetzt durch „Condor“, einen 1.121-Qubit-Quantenprozessor, der auf Cross-Resonanz-Gatetechnologie basiert, zusammen mit „Heron“, einem Quantenprozessor an der Spitze des Feldes, fortgesetzt.

Quantencomputer könnten von verbesserter magnetischer Kontrolle profitieren, die die Stabilität und Zuverlässigkeit der Qubits erhöht, was für die Verarbeitungsleistung unerlässlich ist.

Ähnliche Fortschritte bei Supraleitern, die auf kontrollierten magnetischen Feldern basieren, könnten zu effizienterer Energieübertragung und Kühlungssystemen führen, insbesondere bei höheren Temperaturen.

IBM ist an den meisten anderen Spitzeninnovationen in der Computertechnik und der Halbleiterindustrie beteiligt. Dazu gehören leitfähige organische Materialien, neuromorphe Rechnertechnik, Photonik usw.

In gewissem Maße ist IBM zu einem “Patent-Unternehmen” mit Expertise in der Entwicklung neuer Rechenmethoden und der Lizenzierung an die Industrie geworden.

Bisher scheint es sehr entschlossen, so viele Schlüsselpatente in allen nicht-siliziumbasierten Rechenmethoden zu halten, wie es kann, und damit seinen früheren Erfolg zu wiederholen, als es massiv zur Entwicklung der Halbleiterindustrie beitrug, die heute ein Riese ist.

NVIDIA hat sich von einem Nischen-Halbleiterunternehmen, das sich auf Grafikkarten spezialisiert hat, zu einem Technologie-Giganten an der Spitze der KI-Revolution und der enormen Hardware, die es benötigt, entwickelt.

Dies wurde durch die Entwicklung von CUDA, einer allgemeinen Programmierschnittstelle für NVIDIAs Grafikprozessoren, erreicht, die die Tür für andere Anwendungen als Gaming öffnete.

“Forscher erkannten, dass sie, indem sie diese Gaming-Karte namens GeForce kauften, sie ihrem Computer hinzufügten, sie im Wesentlichen einen persönlichen Supercomputer hatten. Molekulardynamik, seismische Verarbeitung, CT-Rekonstruktion, Bildverarbeitung – eine ganze Reihe verschiedener Dinge.”

Jensen Huang, in einem Interview mit Sequoia

Diese breitere Anwendung von Grafikprozessoren, insbesondere NVIDIAs Hardware, schuf eine positive Rückkopplungsschleife, die auf Netzwerkeffekten basiert: Je mehr Anwendungen, desto mehr Endbenutzer und Programmierer, die damit vertraut sind, desto mehr Verkäufe, desto mehr Forschung und Entwicklung, desto mehr Beschleunigung der Rechengeschwindigkeit, desto mehr Anwendungen usw.

Quelle: Nvidia

Heute umfasst die installierte Basis Hunderte von Millionen CUDA-Grafikprozessoren.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der Evolution von KI-Rechenleistung ist, dass sie einem exponentiellen Gesetz folgt, anstatt des linearen Mooreschen Gesetzes für CPU. Dies liegt daran, dass nicht nur die Grafikprozessor-Hardware besser wird, sondern die erforderliche Rechenleistung über radikale Verbesserungen bei der Ausbildung von neuronalen Netzen abgenommen hat.

Quelle: NVIDIA

Während es ein Leader in GPU und KI ist, ist NVIDIA auch sehr aktiv in der Entwicklung von Quantencomputing zu einem neuen Wachstumsmotor.

Ähnlich wie es CUDA für neuronale Netzanwendungen bereitgestellt hat, hat Nvidia CUDA-Q für Quantencomputing veröffentlicht und bietet ein Quanten-Cloud-System an, bei dem Sie NVIDIAs Quantencomputing-Kapazität über einen Cloud-Service mieten können.

Quelle: NVIDIA

Dies umfasst auch Technologien wie NVIDIAs cuQuantum für Forscher, um Quantencomputer zu emulieren, cuPQC für Quantenverschlüsselung und DGX Quantum für die Integration von klassischer und Quantencomputing.

Insgesamt ist NVIDIA an der Spitze des Aufbaus eines Quantencomputing-Ökosystems, indem es seine Position als Leader in KI und KI-Hardware nutzt.

Quelle: NVidia

Wenn NVIDIA es schafft, ein ganz neues Segment im Quantencomputing jenseits seines bestehenden GPU- und KI-Geschäfts zu schaffen, könnte es weiterhin über viele Jahre hinweg mit der exponentiellen Anwendung von Quantencomputing wachsen.

Studienreferenz:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Persistentes flaches Band-Splitting und starke selektive Band-Renormierung in einer Kagome-Magnet-Dünnschicht. Nature Communications, 15, Artikel 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}