Neues Verständnis des Magnetismus könnte Supraleiter und Quantencomputer voranbringen

Neues Material für neue magnetische Theorien

Der vielversprechendste Forschungsbereich in der Materialwissenschaft könnte alles sein, was mit Elektromagnetismus auf Quantenebene zu tun hat. Denn er hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Materialien für zahlreiche High‑Tech‑Anwendungen herstellen, radikal zu verändern – jede einzelne könnte die Welt verändern:

• Quantencomputing.
• Kernfusion.
• Supraleiter bei Raumtemperatur.

Und wir lernen immer noch viel darüber, woraus magnetische Materialien bestehen können. Zum Beispiel entdeckte ein Forscherteam der Rice University erst 2022, dass das Kagome‑Material, ein Typ von Metallkristall, überraschende magnetische Eigenschaften aufweist.

Am 18.^ten Oktober 2024 kündigten dieselben Forscher einen neuen Durchbruch in diesem Feld an und veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications unter dem Titel “Persistente Flachbandspaltung und starke selektive Bandrenormierung in einem Kagome‑Magnet‑Dünnfilm¹“.

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Forschern der University of West Bohemia (Tschechien), des Rehovot Institute of Science (Israel), des Brookhaven National Lab (USA) und des Los Alamos National Laboratory (USA) durchgeführt.

Kagome‑Material

Bevor wir die jüngste Veröffentlichung diskutieren, müssen wir kurz erklären, was Kagome‑Materialien sind.

Der Name stammt von dem Kagome‑Webmuster, das in traditionellem japanischem Handwerk verwendet wird, bzw. von der trihexagonalen Kachelung mit überlappenden Dreiecken und großen hexagonalen Lücken.

Quelle: Research Gate

Auf ähnliche Weise sind Kagome‑Materialien, zum Beispiel magnetische Eisen‑Germanium‑Kristalle, auf atomarer Ebene in diesem Muster angeordnet. Seit den ersten Entdeckungen hat man erkannt, dass das Eisen‑Zinn‑Dünnfilm (FeSn) eine Struktur aufweist, die dem idealen Kagome‑Gitter viel näher kommt.

Quelle: Rice University

Einzigartige magnetische Eigenschaften

Bereits 2022 wurden einzigartige Eigenschaften des Kagome‑Materials bemerkt:

• 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 sicher, dass dieser Effekt bei Raumtemperatur und Normaldruckbedingungen bestehen kann.
• Das Vorhandensein einer „Ladungsdichtewelle“, bei der die Elektronen zu einer kollektiven Welle verschmelzen und gemeinsam einen elektrischen Strom tragen.
  • Im Gegensatz zur „normalen“ Supraleitung tritt dies in Spitzen auf, ähnlich wie tropfendes Wasser aus einem Hahn, statt eines kontinuierlichen Elektronenflusses.
• Trotz der Ladungsdichtewelle zeigt das Kagome‑Material auch magnetische Eigenschaften – meist zwei inkompatible Eigenschaften.

Insgesamt könnte die stark organisierte Natur von Kagome‑Materialien das Studium von Phänomenen an der äußersten Grenze unseres Verständnisses des Elektromagnetismus erleichtern, etwa unkonventionelle Supraleitung oder die kontinuierlichen Fluktuationen zwischen magnetischen Zuständen in Quanten‑Spin‑Flüssigkeiten.

„Irgendwann möchte man sagen können: ‚Ich will ein Material mit bestimmten Verhaltensweisen und Eigenschaften herstellen.‘

Ich denke, Kagome ist eine gute Plattform in diese Richtung, weil man basierend auf der Kristallstruktur direkte Vorhersagen über die zu erwartende Bandstruktur und damit über die daraus entstehenden Phänomene treffen kann. Es hat viele der richtigen Zutaten.“

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Neue Erkenntnisse zum Kagome‑Material

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

Um diese Erkenntnis zu gewinnen, nutzten die Forscher fortschrittliche Werkzeuge wie Molekularstrahlepitaxie und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, um hochwertige FeSn‑Dünnfilme zu erzeugen und zu analysieren.

Quelle: Nature

Die Entdeckung weist zudem darauf hin, dass Magnetismus und Elektronenkorrelationen in Kagome‑Magneten in einem komplexen Zusammenspiel wirken.

Anwendungen

Zunächst sind die Implikationen dieser Entdeckung für Nicht‑Physiker etwas schwer zu erfassen.

Die erste Konsequenz ist, dass sie den Weg eröffnet, ähnliche Materialien besser zu verstehen, wie das noch nicht vollständig verstandene Potenzial von Hochtemperatur‑Supraleitern. Dies ist ein Feld, in dem die Praxis in vielerlei Hinsicht der Theorie voraus ist.

„Stark korrelierte Materialien sind schwieriger zu handhaben. Es fehlt an einer Verbindung zwischen Theorie und Messung.

Es ist also nicht nur schwer, Materialien zu finden, die sowohl stark korreliert als auch topologisch sind, sondern wenn man sie findet und misst, ist es ebenfalls sehr schwierig, das Messresultat mit einem theoretischen Modell zu verknüpfen, das erklärt, was vor sich geht.“

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Ein weiteres Feld, das stark von dieser Forschung profitieren könnte, ist das Quantencomputing.

Genauer gesagt könnte es zur Herstellung von „Quanten‑Logik‑Gattern“ verwendet werden, einem Schlüsselbaustein von Quantencomputern, der derzeit schwer zu erzeugen und zu nutzen ist.

„Für schwach korrelierte Materialien wie die ursprünglichen topologischen Isolatoren funktionieren erstprinzips‑Berechnungen sehr gut.

Allein anhand der Anordnung der Atome kann man berechnen, welche Bandstruktur zu erwarten ist. Es gibt einen wirklich guten Weg aus der Material‑Design‑Perspektive. Man kann sogar die Topologie der Materialien vorhersagen.“

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Investitionen in fortschrittliche magnetische Materialien

Supraleitung und damit verbundene physikalische Phänomene werden in den nächsten Jahren sowohl in der Wissenschaft als auch in der Technologiebranche eine große Rolle spielen. Das liegt an dem enormen experimentellen Fortschritt der letzten fünf Jahre, wie wir in „Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“ beschrieben haben.

Dies umfasst nicht nur die hier diskutierten Kagome‑Materialien, sondern auch pyrolytisches Graphit, 2D‑Schnittstellen‑Supraleiter und Raumtemperatur‑Supraleiter LK‑99.

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Sie können zudem mehr über Unternehmen in diesem Feld in unseren Artikeln „Top 10 Non‑Silicon Computing Companies“ und „Top 10 Nanotechnology Stocks“ erfahren.

Quantencomputer‑Unternehmen

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) war die treibende Kraft hinter der Kommerzialisierung des ersten Mainframe‑Computers. Allerdings ist das Unternehmen im Produktionsvolumen hinter anderen Technologieriesen wie Apple (AAPL ), TSMC und NVIDIA (NVDA ) zurückgefallen.

Dennoch steht IBM an der Spitze der Entwicklung von Quantencomputern. Beispielsweise entwickelte das Unternehmen den 127‑Qubit‑„Eagle“-Quantencomputer, dem ein 433‑Qubit‑System namens „Osprey“ folgte.

Und das wird jetzt von „Condor“, einem 1.121‑Supraleitung‑Qubit‑Quantenprozessor gefolgt, der auf Cross‑Resonance‑Gate‑Technologie basiert, zusammen mit „Heron“, einem Quantenprozessor am äußersten Rand des Feldes.

Quantencomputer könnten von einer verbesserten magnetischen Kontrolle profitieren, die die Stabilität und Zuverlässigkeit der Qubits erhöht – entscheidend für die Rechenleistung.

Ähnlich könnten Fortschritte bei Supraleitern, die auf kontrollierten Magnetfeldern beruhen, zu effizienteren Energieübertragungen und Kühlsystemen führen, insbesondere bei höheren Temperaturen.

IBM ist an den meisten anderen bahnbrechenden Innovationen in der Computer‑ und Halbleiterindustrie beteiligt. Dazu gehören leitende organische Materialien, neuromorphes Computing, Photonik usw.

In gewissem Maße hat sich IBM zu einem „Patent‑Unternehmen“ entwickelt, das Expertise im Entwickeln neuer Rechenmethoden besitzt und diese an die Industrie lizenziert.

Bis jetzt scheint das Unternehmen sehr entschlossen, so viele Schlüssel‑Patente wie möglich in allen nicht‑Silizium‑Computing‑Methoden zu halten, und repliziert damit seinen früheren Erfolg, als es maßgeblich zur Entwicklung der Halbleiterindustrie beitrug.

NVIDIA hat sich von einem Nischen‑Halbleiterunternehmen, das sich auf Grafikkarten spezialisierte, zu einem Technologieriesen an der Spitze der KI‑Revolution und des enormen Hardware‑Bedarfs entwickelt.

Dies wurde durch die Entwicklung von CUDA erreicht, einer generischen Programmierschnittstelle für NVIDIAs GPUs, die die Tür für andere Anwendungsbereiche als Gaming öffnete.

„Forscher erkannten, dass man durch den Kauf dieser Grafikkarte namens GeForce, sie in den Computer einbaut, im Grunde genommen einen persönlichen Supercomputer hat. Molekulardynamik, seismische Verarbeitung, CT‑Rekonstruktion, Bildverarbeitung – eine ganze Reihe verschiedener Dinge.“

Jensen Huang, in einem Interview mit Sequoia

Diese breitere Akzeptanz von GPUs und insbesondere von NVIDIA‑Hardware schuf eine positive Rückkopplungsschleife, die auf Netzwerkeffekten beruht: je mehr Anwendungsfälle, desto mehr End‑User und Entwickler, desto mehr Verkäufe, desto größer das F&E‑Budget, desto schnellere Beschleunigung der Rechenleistung, wiederum mehr Anwendungsfälle usw.

Quelle: Nvidia

Heute umfasst die installierte Basis Hunderte Millionen von CUDA‑GPUs.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der Entwicklung der KI‑Rechenleistung ist, dass sie einem exponentiellen Gesetz folgt statt dem eher linearen Mooreschen Gesetz für CPUs. Das liegt nicht nur daran, dass die GPU‑Hardware besser wird, sondern auch daran, dass der erforderliche Rechenaufwand durch radikale Verbesserungen im Training von neuronalen Netzen stark gesunken ist.

Quelle: NVIDIA

Während NVIDIA führend bei GPU und KI ist, ist NVIDIA auch sehr aktiv in der Entwicklung von Quantencomputing als neuem Wachstumsmotor.

Ähnlich wie CUDA für neuronale Netzwerke eingesetzt wurde, hat Nvidia CUDA‑Q für Quantencomputing veröffentlicht, das ein Quanten‑Cloud‑System bietet, über das man NVIDIA‑Quantencomputing‑Kapazität über einen Cloud‑Dienst mieten kann.

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 klassischem und Quanten‑Computing.

Insgesamt steht NVIDIA an der Spitze beim Aufbau eines Quanten‑Computing‑Ökosystems und nutzt seine Position als Marktführer in KI und KI‑Hardware.

Quelle: NVidia

Würde NVIDIA es schaffen, ein völlig neues Segment im Quantencomputing jenseits seines bestehenden GPU‑ und KI‑Geschäfts zu schaffen, könnte das Unternehmen dank der exponentiellen Anwendung von Quantencomputing noch viele Jahre weiter wachsen.

Studienreferenz:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nature Communications, 15, Artikel 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}