Νέα Κατανόηση του Μαγνητισμού Μπορεί να Προωθήσει τους Υπέρυθρους και τους Κβαντικούς Υπολογιστές

Νέο Υλικό για Νέες Μαγνητικές Θεωρίες

Η πιο υποσχόμενη έρευνα που αφορά την επιστήμη των υλικών μπορεί να είναι οτιδήποτε σχετικό με το ηλεκτρομαγνητισμό στην κβαντική κλίμακα. Αυτό οφείλεται στο ότι έχει τη δυνατότητα να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που κατασκευάζουμε υλικά για πολλές υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές, καθεμία από τις οποίες θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο:

• Κβαντική υπολογιστική.
• Πυρηνική σύντηξη.
• Υπέρυθροι σε θερμοκρασία δωματίου.

Και συνεχίζουμε να μαθαίνουμε πολλά για το από τι μπορεί να αποτελείται το μαγνητικό υλικό. Για παράδειγμα, μόνο το 2022 μια ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Rice ανακάλυψε ότι το «υλικό kagome», ένας τύπος μεταλλικού κρυστάλλου, είχε εκπληκτικές μαγνητικές ιδιότητες.

Στις 18 Οκτωβρίου^th 2024, οι ίδιοι ερευνητές ανακοίνωσαν μια νέα πρόοδο σε αυτόν τον τομέα και δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Nature Communications με τίτλο «Μόνιμη διάσπαση επίπεδης ζώνης και ισχυρή επιλεκτική ανακανονικοποίηση ζώνης σε λεπτό φιλμ μαγνήτη kagome¹».
Η εργασία πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με ερευνητές του Πανεπιστημίου West Bohemia (Τσεχία), του Ινστιτούτου Επιστήμης Ρεχοβότ (Ισραήλ), του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven (ΗΠΑ) και του Εθνικού Εργαστηρίου Los Alamos (ΗΠΑ).

Υλικό Kagome

Πριν συζητήσουμε τη πιο πρόσφατη δημοσίευση, πρέπει να εξηγήσουμε λίγο τι είναι τα υλικά kagome.
Το όνομά του προέρχεται από το μοτίβο ύφανσης kagome που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή ιαπωνική τέχνη, ή τριεξαγωνική πλακόστρωση, με επικαλυπτόμενα τρίγωνα και μεγάλες εξάγωνες κενότητες.

Με παρόμοιο τρόπο, τα υλικά kagome, όπως για παράδειγμα τα μαγνητικά κρυστάλλια σιδήρου-γερμανίου, οργανώνονται σε αυτό το μοτίβο σε ατομικό επίπεδο. Από τις αρχικές ανακαλύψεις, διαπιστώθηκε ότι η λεπτή ταινία σιδήρου-χαλκού (FeSn) παρουσιάζει μια δομή πολύ πιο κοντά στο ιδανικό πλέγμα kagome.

Μοναδικές Μαγνητικές Ιδιότητες

Ήδη το 2022, παρατηρήθηκαν μοναδικές ιδιότητες του υλικού kagome:

• Τα μαγνητικά φαινόμενα απαιτούν τα ηλεκτρόνια να ρέουν γύρω από τα τρίγωνα kagome, παρόμοια με την υπέρυθρη αγωγιμότητα.
  • Αν και διαφορετικά από άλλες μορφές «πραγματικής» υπέρυθρης αγωγιμότητας, είναι βέβαιο ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να παραμείνει σε θερμοκρασία δωματίου & κανονικές συνθήκες πίεσης.
• Η παρουσία ενός «κύματος πυκνότητας φορτίου», όπου τα ηλεκτρόνια «συγχωνεύονται» μεταξύ τους σε ένα συλλογικό κύμα, μεταφέροντας συλλογικά ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
  • Σε αντίθεση με την «κανονική» υπέρυθρη αγωγιμότητα, αυτό εμφανίζεται σε σπασίματα, όπως το νερό που στάζει από τη βρύση, αντί για συνεχή ροή ηλεκτρονίων.
• Παρά την παρουσία κυματος πυκνότητας φορτίου, το υλικό Kagome εμφανίζει επίσης μαγνητικές ιδιότητες, συνήθως 2 ασυμβίβαστες ιδιότητες.

Γενικά, η πολύ οργανωμένη φύση των υλικών kagome θα μπορούσε να τα κάνει πιο εύκολα στη μελέτη φαινομένων στα όρια της κατανόησής μας για τον ηλεκτρομαγνητισμό, όπως η «μη συμβατική υπέρυθρη αγωγιμότητα» ή «οι συνεχείς διακυμάνσεις μεταξύ μαγνητικών καταστάσεων σε κβαντικά υγρά σπινθήρων».

“Σε κάποια στιγμή, θέλεις να μπορείς να πεις, ‘Θέλω να δημιουργήσω ένα υλικό με συγκεκριμένες συμπεριφορές και ιδιότητες.’

Πιστεύω ότι το kagome είναι μια καλή πλατφόρμα προς αυτή την κατεύθυνση, επειδή υπάρχουν τρόποι να γίνονται άμεσες προβλέψεις, βασισμένες στη δομή του κρυστάλλου, για το είδος της ζώνης που θα προκύψει και, συνεπώς, για τα φαινόμενα που μπορούν να εμφανιστούν με βάση αυτή τη ζώνη. Διαθέτει πολλά από τα σωστά συστατικά.

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

Νέες Αντιλήψεις για το Υλικό Kagome

Μέχρι τώρα, οι υπάρχουσες θεωρίες για τον μαγνητισμό στα μεταλλικά kagome υποθέτησαν ότι τα ιπτάμενα ηλεκτρόνια οδηγούσαν τη μαγνητική συμπεριφορά. Ωστόσο, η νέα δημοσίευση αποκαλύπτει ότι οι μαγνητικές ιδιότητες του FeSn προέρχονται από εντοπισμένα ηλεκτρόνια, όχι από τα κινητά ηλεκτρόνια που οι επιστήμονες θεωρούσαν προηγουμένως υπεύθυνα.
Για να επιτύχουν αυτή την αντίληψη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένα εργαλεία όπως η μοριακή εκπομπή (molecular beam epitaxy) και η φασματική φωτοέκλυση με γωνιακή ανάλυση (angle-resolved photoemission spectroscopy) για τη δημιουργία και ανάλυση υψηλής ποιότητας λεπτών φιλμ FeSn.

Η ανακάλυψη επίσης υποδεικνύει ότι ο μαγνητισμός και οι ηλεκτρονικές συσχετίσεις στα μαγνήτες kagome λειτουργούν μαζί σε μια σύνθετη αλληλεπίδραση.

Εφαρμογές

Αρχικά, οι συνέπειες αυτής της ανακάλυψης είναι λίγο δύσκολο να κατανοηθούν από μη φυσικούς.
Η πρώτη συνέπεια είναι ότι ανοίγει το δρόμο για καλύτερη κατανόηση παρόμοιων υλικών, όπως το ακόμη μη πλήρως κατανοητό δυναμικό υπέρυθρων υψηλής θερμοκρασίας. Αυτός είναι ένας τομέας όπου η πρακτική είναι μπροστά από τη θεωρία σε πολλές πτυχές.

«Τα υλικά με ισχυρές συσχετίσεις είναι πιο προκλητικά. Υπάρχει έλλειψη σύνδεσης μεταξύ θεωρίας και μέτρησης.

Έτσι, δεν είναι μόνο δύσκολο να βρεθούν υλικά που είναι ταυτόχρονα ισχυρά συσχετισμένα και τοπολογικά, αλλά όταν τα βρεις και τα μετρήσεις είναι επίσης πολύ δύσκολο να συνδέσεις ό,τι μετράς με ένα θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί τι συμβαίνει.

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

Ένας άλλος τομέας που θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από αυτή την έρευνα είναι η κβαντική υπολογιστική.
Πιο συγκεκριμένα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία «πυλών κβαντικής λογικής», ένα βασικό στοιχείο των κβαντικών υπολογιστών που αυτή τη στιγμή είναι δύσκολο να δημιουργηθούν και να αξιοποιηθούν.

«Για αδύναμα συσχετισμένα υλικά όπως οι αρχικοί τοπολογικοί μονωτές, οι υπολογισμοί πρώτης αρχής λειτουργούν πολύ καλά.

Απλώς με βάση τη διάταξη των ατόμων, μπορείτε να υπολογίσετε τι είδους δομή ζώνης να περιμένετε. Υπάρχει μια πολύ καλή διαδρομή από την άποψη του σχεδιασμού υλικών. Μπορείτε ακόμη και να προβλέψετε την τοπολογία των υλικών.

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

Επένδυση σε Προηγμένα Μαγνητικά Υλικά

Η υπέρυθρη αγωγιμότητα και τα συναφή φαινόμενα της φυσικής είναι πιθανό να γίνουν σημαντικά τόσο στην επιστήμη όσο και στη βιομηχανία τεχνολογίας τα επόμενα χρόνια. Αυτό οφείλεται στην τεράστια πειραματική πρόοδο που σημειώθηκε τα τελευταία πέντε χρόνια, όπως περιγράψαμε στο «Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution».
Αυτό περιλαμβάνει όχι μόνο τα υλικά kagome που συζητήσαμε εδώ, αλλά και το πυρολυτικό γραφίτη, τον υπέρυθρο διεπαφής 2Δ, και τον υπέρυθρο σε θερμοκρασία δωματίου LK-99.
Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με υπέρυθρους μέσω πολλών χρηματιστών, και μπορείτε να βρείτε τις συστάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις ΗΠΑ, Καναδά, Αυστραλία, Ηνωμένο Βασίλειο, και πολλές άλλες χώρες στο securities.io.
Μπορείτε επίσης να μάθετε περισσότερα για τις εταιρείες που δραστηριοποιούνται σε αυτόν τον τομέα στα άρθρα μας «Top 10 Non-Silicon Computing Companies» και «Top 10 Nanotechnology Stocks».

Εταιρείες Κβαντικής Υπολογιστικής

Η International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ήταν η ηγετική δύναμη πίσω από την εμπορευματοποίηση του πρώτου υπολογιστή mainframe. Ωστόσο, έχει υστερήσει σε όγκο παραγωγής σε σχέση με άλλους τεχνολογικούς γίγαντες όπως η Apple (AAPL ), η TSMC και η NVIDIA (NVDA ).
Είναι, ωστόσο, στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών. Για παράδειγμα, ανέπτυξε τον κβαντικό υπολογιστή 127-κβιτ “Eagle”, ο οποίος ακολουθήθηκε από ένα σύστημα 433-κβιτ γνωστό ως “Osprey”.
Και αυτό είναι τώρα ακολουθούμενο από το “Condor”, έναν κβαντικό επεξεργαστή 1.121 υπέρυθρων κβιτ βασισμένο στην τεχνολογία πύλης διασταυρούμενης αντήχησης, μαζί με το “Heron”, έναν κβαντικό επεξεργαστή στην πολύ άκρη του πεδίου.
Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να ωφεληθούν από βελτιωμένο μαγνητικό έλεγχο, ενισχύοντας τη σταθερότητα και την αξιοπιστία των κβιτ, που είναι απαραίτητα για την επεξεργαστική ισχύ.
Ανάλογα, οι προόδους στους υπέρυθρους, που βασίζονται σε ελεγχόμενα μαγνητικά πεδία, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποδοτική μετάδοση ενέργειας και συστήματα ψύξης, ιδιαίτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Η IBM συμμετέχει στις περισσότερες άλλες καινοτομίες αιχμής στην υπολογιστική και στη βιομηχανία ημιαγωγών. Αυτές περιλαμβάνουν αγώγιμα οργανικά υλικά, νευρομορφική υπολογιστική, φωτονική, κ.λπ.
Σε κάποιο βαθμό, η IBM έχει γίνει μια «εταιρεία πατεντών» με εξειδίκευση στην ανάπτυξη νέων μεθόδων υπολογισμού και την αδειοδότησή τους στη βιομηχανία.
Μέχρι τώρα, φαίνεται πολύ αποφασισμένη να κατέχει όσο το δυνατόν περισσότερες βασικές πατέντες σε όλες τις μη-σιλικόπλακες μεθόδους υπολογισμού, επαναλαμβάνοντας την προηγούμενη επιτυχία της όταν συνέβαλε μαζικά στην ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών σε γιγαντιαίο μέγεθος.

Η NVIDIA έχει εξελιχθεί από μια εξειδικευμένη εταιρεία ημιαγωγών που εστιάζει σε κάρτες γραφικών σε έναν τεχνολογικό γίγαντα στην πρώτη γραμμή της επανάστασης AI και του τεράστιου εξοπλισμού που απαιτεί.
Αυτό επιτεύχθηκε μέσω της ανάπτυξης του CUDA, μιας γενικής διεπαφής προγραμματισμού για τις GPU της NVIDIA, ανοίγοντας το δρόμο για άλλες χρήσεις εκτός του gaming.

«Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι αγοράζοντας αυτήν την κάρτα gaming που ονομάζεται GeForce, την προσθέτουν στον υπολογιστή τους, και ουσιαστικά έχουν έναν προσωπικό υπερυπολογιστή. Μοριακή δυναμική, σεισμική επεξεργασία, ανακατασκευή CT, επεξεργασία εικόνας—μια σειρά διαφορετικών πραγμάτων.»

Jensen Huang, σε συνέντευξη με τη Sequoia
Αυτή η ευρύτερη υιοθέτηση των GPU, και πιο συγκεκριμένα του υλικού NVIDIA, δημιούργησε έναν θετικό βρόχο ανάδρασης βασισμένο σε εφέ δικτύου: όσο περισσότερες χρήσεις, τόσο περισσότεροι τελικοί χρήστες και προγραμματιστές εξοικειώνονται με αυτό, τόσο περισσότερες πωλήσεις, τόσο μεγαλύτερος προϋπολογισμός R&D, τόσο μεγαλύτερη επιτάχυνση στην ταχύτητα υπολογισμού, τόσο περισσότερες χρήσεις, κ.λπ.

Σήμερα, η εγκατεστημένη βάση περιλαμβάνει εκατοντάδες εκατομμύρια GPU CUDA.
Ένα ακόμη αξιοσημείωτο πράγμα σχετικά με την εξέλιξη της υπολογιστικής ισχύος AI είναι ότι ακολουθεί έναν εκθετικό νόμο αντί για τον πιο γραμμικό νόμο του Moore για τις CPU. Αυτό συμβαίνει επειδή όχι μόνο το υλικό GPU βελτιώνεται, αλλά η απαιτούμενη υπολογιστική ισχύς έχει μειωθεί λόγω ριζικής βελτίωσης στον τρόπο εκπαίδευσης των νευρωνικών δικτύων.

Ενώ είναι ηγέτης σε GPU και AI, η NVIDIA είναι επίσης πολύ ενεργή στην ανάπτυξη της κβαντικής υπολογιστικής ως νέο μοχλό ανάπτυξης.
Παρόμοια με το πώς υλοποίησε το CUDA για εφαρμογές νευρωνικών δικτύων, η Nvidia έχει κυκλοφορήσει το CUDA-Q για κβαντική υπολογιστική, προσφέροντας ένα κβαντικό σύστημα cloud όπου μπορείτε να νοικιάσετε την κβαντική υπολογιστική δυνατότητα της NVIDIA μέσω μιας υπηρεσίας cloud.

Αυτό περιλαμβάνει επίσης τεχνολογία όπως το cuQuantum της NVIDIA για ερευνητές να προσομοιώνουν κβαντικούς υπολογιστές, το cuPQC για κβαντική κρυπτογράφηση, και το DGX Quantum για ενσωμάτωση τόσο κλασικής όσο και κβαντικής υπολογιστικής.
Συνολικά, η NVIDIA βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της δημιουργίας ενός οικοσυστήματος κβαντικής υπολογιστικής, αξιοποιώντας τη θέση της ως ηγέτης στην AI και το υλικό AI.

Αν η NVIDIA καταφέρει να δημιουργήσει ένα ολοκαίνουργιο τμήμα στην κβαντική υπολογιστική πέρα από την υπάρχουσα επιχείρηση GPU και AI, θα μπορούσε να συνεχίσει να αναπτύσσεται με την εκθετική εφαρμογή της κβαντικής υπολογιστικής για πολλά ακόμη χρόνια.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Μόνιμη διάσπαση επίπεδης ζώνης και ισχυρή επιλεκτική ανακανονικοποίηση ζώνης σε λεπτό φιλμ μαγνήτη kagome. Nature Communications, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}