Νέα Κατανόηση του Μαγνητισμού Μπορεί να Προωθήσει τους Υπερ αγωγούς και τους Υπολογιστές Κβάντου

Νέλο Υλικό για Νέες Μαγνητικές Θεωρίες

Η πιο υποσχόμενη έρευνα που αφορά την επιστήμη των υλικών μπορεί να είναι όλα όσα σχετίζονται με τον ηλεκτρομαγνητισμό σε κβαντικό επίπεδο. Αυτό συμβαίνει γιατί έχει το潜 να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζουμε υλικά για πολλές υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές που κάθε μια από αυτές θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο:

• Υπολογιστές κβάντου.
• Πυρηνική σύντηξη.
• Υπερ αγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου.

Και ακόμη μαθαίνουμε πολλά για το τι μπορεί να αποτελέσει ένα μαγνητικό υλικό. Για παράδειγμα, ήταν μόνο το 2022 που μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Rice ανακάλυψε ότι το “υλικό kagome”, ένα είδος μεταλλικού κρυστάλλου, έχει εκπληκτικές μαγνητικές ιδιότητες.

Στις 18 Οκτωβρίου του 2024, οι ίδιοι ερευνητές ανακοίνωσαν μια νέα επέκταση σε αυτό το πεδίο και δημοσίευσαν τα αποτελέσματα τους στο Nature Communications με τον τίτλο “Μόνιμη διάσπαση πεδίου και ισχυρή επιλεκτική ανακανονικοποίηση σε một λεπτό φιλμ μαγνητικού υλικού kagome¹“.

Το έργο πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βοημίας (Τσεχία), το Ινστιτούτο Επιστημών Rehovot (Ισραήλ), το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven (ΗΠΑ) και το Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos (ΗΠΑ).

Υλικό Kagome

Πριν συζητήσουμε τη πιο πρόσφατη δημοσίευση, πρέπει να εξηγήσουμε λίγο τι είναι τα υλικά kagome.

Πήρε το όνομά του από το μοτίβο πλέξης kagome που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή ιαπωνική τέχνη, ή τριεξαγωνική πλακόστρωση, με επικαλυπτόμενες τριγωνικές και μεγάλες εξαγωνικές κενές περιοχές.

Πηγή: Research Gate

Σε παρόμοιο τρόπο, τα υλικά kagome, όπως για παράδειγμα μαγνητικά κρυστάλλους σιδήρου-γερμανίου, οργανώνονται σε αυτό το μοτίβο σε ατομικό επίπεδο. Από τις αρχικές ανακαλύψεις, έχει γίνει αντιληπτό ότι το λεπτό φιλμ σιδήρου-κασσιτέρου (FeSn) παρουσιάζει μια δομή πολύ πιο κοντά στο ιδανικό πλέγμα kagome.

Πηγή: Rice University

Μοναδικές Μαγνητικές Ιδιότητες

Ηδη από το 2022, είχαν παρατηρηθεί μοναδικές ιδιότητες του υλικού kagome:

• Οι μαγνητικές επιδράσεις απαιτούν ηλεκτρόνια να κυκλοφορήσουν γύρω από τα τρίγωνα kagome, παρόμοια με την υπεραγωγιμότητα.
  • Αν και αντίθετα με άλλες μορφές “αληθινής” υπεραγωγιμότητας, είναι γνωστό ότι αυτή η επίδραση μπορεί να διαρκέσει σε θερμοκρασία δωματίου και κανονικές συνθήκες πίεσης.
• Η παρουσία ενός “κύματος πυκνότητας φορτίου“, όπου τα ηλεκτρόνια “ενώνουν” σε μια συλλογική κυματική κίνηση, μεταφέροντας συλλογικά einen ηλεκτρικό ρεύμα.
  • Αν και αντίθετα με την “κανονική” υπεραγωγιμότητα, αυτό εμφανίζεται σε σπικάκια, όπως το νερό που σταγόνωνε από einen κρουνό hơn από μια συνεχής ροή ηλεκτρονίων.
• Παρά την εμφάνιση ενός κύματος πυκνότητας φορτίου, το υλικό kagome εμφανίζει επίσης μαγνητικές ιδιότητες, συνήθως 2 ασυμβίβαστες ιδιότητες.

Συνολικά, η πολύ οργανωμένη φύση των υλικών kagome θα μπορούσε να τα κάνει πιο εύκολα να μελετηθούν φαινόμενα στο άκρο της κατανόησής μας για τον ηλεκτρομαγνητισμό, όπως η “μη συμβατική υπεραγωγιμότητα” ή η “συνεχής μεταβολή μεταξύ μαγνητικών καταστάσεων σε κβαντικά υγρά σπιν“.

“Σε κάποιο σημείο, θέλετε να μπορέσετε να πείτε, ‘Θέλω να φτιάξω ένα υλικό με συγκεκριμένες συμπεριφορές και ιδιότητες.‘

Νομίζω ότι το kagome είναι μια καλή πλατφόρμα προς αυτή τη κατεύθυνση, γιατί υπάρχουν τρόποι να κάνετε άμεσες προβλέψεις, με βάση τη δομή του κρυστάλλου, για το είδος της δομής ζωνών που θα πάρετε και, επομένως, για τα φαινόμενα που μπορούν να προκύψουν με βάση αυτή τη δομή ζωνών. Έχει πολλά από τα σωστά συστατικά.”

Ming Yi – Αναπληρωτής Καθηγητής, Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Rice

Νέες Επεικασίες για το Υλικό Kagome

Μέχρι τώρα, οι υπάρχουσες θεωρίες για τον μαγνητισμό στα υλικά kagome υποθέτουν ότι τα ιόντα που κινητοποιούνται οδηγούν τη μαγνητική συμπεριφορά. Ωστόσο, η νέα δημοσίευση αποκαλύπτει ότι οι μαγνητικές ιδιότητες του FeSn προκύπτουν από τοπικά ηλεκτρόνια, όχι τα κινητά ηλεκτρόνια που οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν υπεύθυνα.

Για να επιτύχουν αυτή την επέκταση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένα εργαλεία όπως η επιταξία μοριακού στρώματος και η φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με γωνιακή ανάλυση για να δημιουργήσουν και να αναλύσουν υψηλής ποιότητας λεπτά φίλμ FeSn.

Πηγή: Nature

Η ανακάλυψη επίσης υποδηλώνει ότι ο μαγνητισμός και οι συσχετίσεις ηλεκτρονίων στα μαγνητικά υλικά kagome συνεργάζονται σε μια σύνθετη αλληλεπίδραση.

Εφαρμογές

Στην αρχή, οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης είναι λίγο δύσκολο να κατανοηθούν για μη φυσικούς.

Η πρώτη συνέπεια είναι ότι ανοίγει τον δρόμο για meilleure κατανόηση παρόμοιων υλικών, όπως οι ακόμη μη πλήρως κατανοητοί υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό είναι ένα πεδίο όπου η πρακτική είναι μπροστά από τη θεωρία σε πολλά аспέκτες.

“Τα υλικά με ισχυρή συσχετίση είναι πιο δύσκολα. Υπάρχει έλλειψη σύνδεσης μεταξύ θεωρίας και μέτρησης.

Έτσι, όχι μόνο είναι δύσκολο να βρεθούν υλικά που είναι και ισχυρά συσχετισμένα και τοπολογικά, αλλά όταν τα βρείτε και τα μετρήσετε, είναι επίσης πολύ δύσκολο να συνδέσετε τι μετράτε με ένα θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί τι συμβαίνει.”

Ming Yi – Αναπληρωτής Καθηγητής, Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Rice

“Για τα υλικά με ασθενή συσχετίση, όπως οι αρχικοί τοπολογικοί μόνιμοι, οι πρώτες αρχικές υπολογισμοί λειτουργούν πραγματικά καλά.

Μόνο με βάση τον τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα, μπορείτε να υπολογίσετε ποιο είδος δομής ζωνών να περιμένετε. Υπάρχει ένας πραγματικά καλός δρόμος από μια προοπτική σχεδιασμού υλικών. Μπορείτε ακόμη και να προβλέψετε την τοπολογία των υλικών.

Ming Yi – Αναπληρωτής Καθηγητής, Φυσικής και Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο Rice

Επένδυση σε Προηγμένα Μαγνητικά Υλικά

Η υπεραγωγιμότητα και τα σχετικά φαινόμενα είναι πιθανό να γίνουν ένα μεγάλο ζήτημα tanto στις επιστήμες όσο και στη βιομηχανία τις επόμενες χρόνια. Αυτό συμβαίνει γιατί έχει γίνει τεράστια πειραματική πρόοδος τα τελευταία πέντε χρόνια, όπως περιγράψαμε στο “Πρόοδος στην Υπεραγωγιμότητα που Ανοίγει τον Δρόμο για μια Νέα Τεχνολογική Επανάσταση“.

Αυτό περιλαμβάνει όχι μόνο τα υλικά kagome που συζητήσαμε εδώ, αλλά και πυρολυτικό γραφίτη, υπεραγωγοί διεπαφής 2D, και υπεραγωγοί θερμοκρασίας δωματίου LK-99.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες που σχετίζονται με υπεραγωγοούς μέσω πολλών μεσιτών και μπορείτε να βρείτε τις συστάσεις μας για τους καλύτερους μεσιτές στην ΗΠΑ, Καναδά, Αυστραλία, Ηνωμένο Βασίλειο, και πολλές άλλες χώρες στο securities.io.

Μπορείτε επίσης να μάθετε περισσότερα για εταιρείες που είναι ενεργές σε αυτό το πεδίο στα άρθρα μας “Top 10 Εταιρείες Υπολογιστών μη-Πυριτίου” και “Top 10 Μετοχές Νανοτεχνολογίας”.

Εταιρείες Υπολογιστών Κβάντου

Η International Business Machines Corporation (IBM) ήταν η κύρια δύναμη πίσω από την εμπορική эксплуатация του πρώτου υπολογιστή mainframe. Ωστόσο, έχει μείνει πίσω στην παραγωγή όγκου από άλλους τεχνολογικούς γίγαντες όπως η Apple (AAPL ), η TSMC και η NVIDIA (NVDA ).

Είναι, ωστόσο, στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης των υπολογιστών κβάντου. Για παράδειγμα, ανέπτυξε τον 127-qubit “Αετός” υπολογιστή κβάντου, που ακολούθησε από ένα 433-qubit σύστημα γνωστό ως “Οςprey.”

Και αυτό είναι τώρα ακολουθούμενο από τον “Κόνδορα”, einen 1,121 υπερ αγωγό κβαντικό επεξεργαστή με βάση την τεχνολογία πύλης διασταύρωσης, μαζί με τον “Ερμή”, einen κβαντικό επεξεργαστή στο άκρο του πεδίου.

Οι υπολογιστές κβάντου θα μπορούσαν να επωφεληθούν από βελτιωμένο μαγνητικό έλεγχο, ενισχύοντας την σταθερότητα και την αξιοπιστία των qubit, που είναι απαραίτητες για την επεξεργαστική ισχύ.

Παράλληλα, οι προόδους στους υπεραγωγοούς, οι οποίοι βασίζονται σε ελεγχόμενους μαγνητικούς πεδία, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποτελεσματικές μεταδόσεις ενέργειας και συστήματα ψύξης, ιδιαίτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η IBM είναι εμπλεκόμενη σε hầu hết των άλλων καινοτόμων καινοτομιών στην υπολογιστική και την βιομηχανία ημιαγωγών. Αυτά περιλαμβάνουν αγωγοί οργανικοί, υπολογιστική νευρομορφική, φωτονική, κ.λπ.

Μέχρι τώρα, φαίνεται ότι η IBM έχει γίνει μια “εταιρεία πατεντών” με εξειδίκευση στην ανάπτυξη νέων μεθόδων υπολογισμού και αδειοδότηση τους στην βιομηχανία.

Η NVIDIA έχει εξελιχθεί από μια εταιρεία ημιαγωγών σε einen τεχνολογικό γίγαντα στην πρώτη γραμμή της επανάστασης του AI και του τεράστιου όγκου υλικού που χρειάζεται.

Αυτό επιτεύχθηκε μέσω της ανάπτυξης του CUDA, ενός γενικού προγραμματιστικού διεπαφής για τις GPU της NVIDIA, ανοίγοντας την πόρτα για άλλες χρήσεις πέρα από τα παιχνίδια.

“Οι ερευνητές κατάλαβαν ότι αγοράζοντας αυτή την κάρτα παιχνιδιών που ονομάζεται GeForce, την προσθέτουν στο υπολογιστή σας, έχετε ουσιαστικά einen προσωπικό υπερυπολογιστή. Δυναμική μοριακής, σεισμικής επεξεργασίας, ανακατασκευής ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑΣ, επεξεργασίας εικόνας—ένα σύνολο διαφορετικών πραγμάτων.”

Jensen Huang, σε μια συνέντευξη με Sequoia

Αυτή η ευρύτερη υιοθέτηση των GPU, και πιο συγκεκριμένα του υλικού της NVIDIA, δημιούργησε einen θετικό κύκλο ανατροφοδότησης με βάση εφfects δικτύου: οι περισσότερες χρήσεις, οι περισσότεροι τελικοί χρήστες και προγραμματιστές που είναι εξοικειωμένοι με αυτό, οι περισσότερες πωλήσεις, το μεγαλύτερο προϋπολογισμό έρευνας και ανάπτυξης, η ταχύτερη επιτάχυνση της ταχύτητας υπολογισμού, οι περισσότερες χρήσεις, κ.λπ.

Πηγή: Nvidia

Σήμερα, η εγκατεστημένη βάση περιλαμβάνει εκατοντάδες εκατομμύρια CUDA GPU.

Ένα άλλο αξιοσημείωτο πράγμα για την εξέλιξη της υπολογιστικής ισχύος του AI είναι ότι ακολουθεί einen εκθετικό νόμο αντί του πιο γραμμικού νόμου του Moore. Αυτό συμβαίνει γιατί όχι μόνο το υλικό GPU βελτιώνεται, αλλά η απαιτούμενη επεξεργαστική ισχύς έχει μειωθεί σημαντικά μέσω της ριζικής βελτίωσης του τρόπου με τον οποίο εκπαιδεύονται τα νευρωνικά δίκτυα.

Πηγή: NVIDIA

Ενώ είναι ηγέτης στην GPU και στο AI, η NVIDIA είναι επίσης πολύ ενεργή στην ανάπτυξη υπολογιστών κβάντου ως einen νέου κινητήρα ανάπτυξης.

Παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο έχει αναπτύξει το CUDA για εφαρμογές νευρωνικών δικτύων, η Nvidia έχει κυκλοφορήσει το CUDA-Q για υπολογισμό κβάντου, προσφέροντας einen σύστημα κβαντικού σύννεφου όπου μπορείτε να νοικιάσετε την ικανότητα υπολογισμού κβάντου της NVIDIA μέσω einesクラουν υπηρεσίας.

Πηγή: NVIDIA

Αυτό περιλαμβάνει επίσης τεχνολογίες όπως το cuQuantum της NVIDIA για ερευνητές να μιμηθούν υπολογιστές κβάντου, το cuPQC για κβαντική κρυπτογράφηση και το DGX Quantum για ενοποίηση κλασικής και κβαντικής υπολογιστικής.

Συνολικά, η NVIDIA είναι στην πρώτη γραμμή της δημιουργίας eines οικοσυστήματος υπολογιστών κβάντου, εκμεταλλευόμενη την θέση της ως ηγέτη στο AI και το υλικό AI.

Πηγή: NVidia

Θα καταφέρει η NVIDIA να δημιουργήσει einen νέο τομέα στην υπολογιστική κβάντου πέρα από την υπάρχουσα επιχείρηση GPU και AI; Αυτό θα μπορούσε να τη κρατήσει να μεγαλώνει με την εκθετική εφαρμογή της υπολογιστικής κβάντου για πολλά περισσότερα χρόνια.

Αναφορά Μελετών:

^{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, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}