Nuevo entendimiento del magnetismo puede impulsar superconductores y computadoras cuánticas

Nuevo material para nuevas teorías magnéticas

La investigación más prometedora que involucra la ciencia de materiales podría ser cualquier cosa relacionada con el electromagnetismo a escala cuántica. Esto se debe a que tiene el potencial de cambiar radicalmente la forma en que construimos materiales para muchas aplicaciones de alta tecnología que cada una podría cambiar el mundo:

• Computación cuántica.
• Fusión nuclear.
• Superconductores a temperatura ambiente.

Y todavía estamos aprendiendo mucho sobre de qué puede estar hecho el material magnético. Por ejemplo, solo en 2022 un equipo de investigadores de la Universidad de Rice descubrió que “material kagome“, un tipo de cristal metálico, tenía propiedades magnéticas sorprendentes.

El 18^th de octubre de 2024, los mismos investigadores anunciaron un nuevo avance en este campo y publicaron sus resultados en Nature Communications bajo el título “División persistente de banda plana y fuerte renormalización selectiva de banda en una película delgada de imán kagome¹”.

El trabajo se realizó en colaboración con investigadores de la Universidad de Bohemia Occidental (República Checa), el Instituto de Ciencia de Rehovot (Israel), el Laboratorio Nacional Brookhaven (EE. UU.) y el Laboratorio Nacional de Los Álamos (EE. UU.).

Material Kagome

Antes de discutir la publicación más reciente, debemos explicar un poco qué son los materiales kagome.

Su nombre proviene del patrón de tejido kagome utilizado en la artesanía tradicional japonesa, o teselado trihexagonal, con triángulos superpuestos y grandes vacíos hexagonales.

Fuente: Research Gate

De manera similar, los materiales kagome, como por ejemplo los cristales magnéticos de hierro-germanio, están organizados en este patrón a nivel atómico. Desde los descubrimientos iniciales, se ha comprendido que la película delgada de hierro-estaño (FeSn) exhibe una estructura mucho más cercana a la red kagome ideal.

Fuente: Rice University

Propiedades magnéticas únicas

Ya en 2022, se habían observado propiedades únicas del material kagome:

• Los efectos magnéticos requieren que los electrones fluyan alrededor de los triángulos kagome, similar a la superconductividad.
  • Aunque a diferencia de otras formas de “verdadera” superconductividad, se sabe con certeza que este efecto puede persistir a temperatura ambiente y bajo condiciones de presión normales.
• La presencia de una “onda de densidad de carga”, donde los electrones se “fusionan” entre sí en una onda colectiva, transportando colectivamente una corriente eléctrica.
  • A diferencia de la superconductividad “normal”, esto ocurre en picos, como agua goteando de un grifo más que un flujo continuo de electrones.
• A pesar de mostrar onda de densidad de carga, el material kagome también muestra propiedades magnéticas, usualmente 2 propiedades incompatibles.

En general, la naturaleza muy organizada de los materiales kagome podría facilitar el estudio de fenómenos en el límite de nuestra comprensión del electromagnetismo, como “superconductividad no convencional” o “las fluctuaciones continuas entre estados magnéticos en líquidos de espín cuántico“.

“En algún momento, querrás poder decir, ‘Quiero crear un material con comportamientos y propiedades particulares.’

“Creo que kagome es una buena plataforma hacia esa dirección, porque existen formas de hacer predicciones directas, basadas en la estructura cristalina, sobre el tipo de estructura de bandas que obtendrás y, por lo tanto, sobre los fenómenos que pueden surgir a partir de esa estructura de bandas. Tiene muchos de los ingredientes correctos.”

Ming Yi – Profesor asociado, Física y Astronomía en la Universidad de Rice

Nuevas ideas sobre el material kagome

Hasta ahora, las teorías existentes sobre el magnetismo en los metales kagome asumían que los electrones itinerantes impulsaban el comportamiento magnético. Sin embargo, la nueva publicación revela que las propiedades magnéticas de FeSn provienen de electrones localizados, no de los electrones móviles que los científicos pensaban previamente que eran responsables.

Para lograr esta visión, los investigadores utilizaron herramientas avanzadas como epitaxia por haces moleculares y espectroscopía de fotoemisión angularmente resuelta para crear y analizar películas delgadas de FeSn de alta calidad.

Fuente: Nature

El descubrimiento también indica que el magnetismo y las correlaciones electrónicas en los imanes kagome trabajan juntos en una interacción compleja.

Aplicaciones

Al principio, las implicaciones de este descubrimiento son un poco difíciles de comprender para los no físicos.

La primera consecuencia es que abre el camino para comprender mejor materiales similares, como el potencial aún no totalmente comprendido de los superconductores de alta temperatura. Este es un campo donde la práctica está por delante de la teoría en muchos aspectos.

“Los materiales fuertemente correlacionados son más desafiantes. Falta una conexión entre la teoría y la medición.

Así que, no solo es difícil encontrar materiales que sean tanto fuertemente correlacionados como topológicos, sino que cuando los encuentras y los mides también es muy difícil conectar lo que estás midiendo con un modelo teórico que explique lo que está ocurriendo.”

Ming Yi – Profesor asociado, Física y Astronomía en la Universidad de Rice

Otro campo que podría beneficiarse enormemente de esta investigación es la computación cuántica.

Más específicamente, podría usarse para crear “puertas lógicas cuánticas”, un componente clave de las computadoras cuánticas que actualmente son difíciles de crear y utilizar.

“Para materiales débilmente correlacionados como los aislantes topológicos originales, los cálculos de primeros principios funcionan muy bien.

Solo basándose en cómo están dispuestos los átomos, puedes calcular qué tipo de estructura de bandas esperar. Hay una vía realmente buena desde la perspectiva del diseño de materiales. Incluso puedes predecir la topología de los materiales.

Ming Yi – Profesor asociado, Física y Astronomía en la Universidad de Rice

Invertir en material magnético avanzado

La superconductividad y los fenómenos físicos asociados probablemente se convertirán en un tema importante tanto en la ciencia como en la industria tecnológica en los próximos años. Esto se debe a que se ha logrado un tremendo progreso experimental en los últimos cinco años, como describimos en “Progreso en la superconductividad allanando el camino para una nueva revolución tecnológica”.

Esto incluye no solo los materiales kagome que discutimos aquí, sino también grafito pirolítico, superconductor de interfaz 2D, y superconductor a temperatura ambiente LK-99.

Puedes invertir en empresas relacionadas con superconductores a través de muchos corredores, y puedes encontrar nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, y muchos otros países en securities.io.

Puedes también aprender más sobre las empresas activas en este campo en nuestros artículos “Top 10 de empresas de computación no basada en silicio” y “Top 10 de acciones de nanotecnología”.

Empresas de computación cuántica

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) fue la fuerza líder detrás de la comercialización de la primera computadora mainframe. Sin embargo, ha quedado rezagada en el volumen de producción frente a otros gigantes tecnológicos como Apple (AAPL ), TSMC y NVIDIA (NVDA ).

Sin embargo, está a la vanguardia del desarrollo de computadoras cuánticas. Por ejemplo, desarrolló su computadora cuántica de 127 qubits “Eagle”, que fue seguida por un sistema de 433 qubits conocido como “Osprey”.

Y esto ahora es seguido por “Condor”, un procesador cuántico superconductivo de 1.121 qubits basado en la tecnología de puertas de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el borde más avanzado del campo.

Las computadoras cuánticas podrían beneficiarse de un control magnético mejorado, aumentando la estabilidad y fiabilidad de los qubits, lo cual es esencial para la potencia de procesamiento.

De manera similar, los avances en superconductores, que dependen de campos magnéticos controlados, podrían conducir a una transmisión de energía y sistemas de refrigeración más eficientes, particularmente a temperaturas más altas.

IBM está involucrada en la mayoría de las demás innovaciones de vanguardia en computación y la industria de semiconductores. Estas incluyen materiales orgánicos conductores, computación neuromórfica, fotónica, etc.

En cierta medida, IBM se ha convertido en una “empresa de patentes” con experiencia en desarrollar nuevos métodos de computación y licenciarlos a la industria.

Hasta ahora, parece estar muy decidida a poseer tantas patentes clave en todos los métodos de computación no basados en silicio que pueda obtener, replicando su éxito pasado al contribuir masivamente al desarrollo de la industria de semiconductores hasta convertirla en el gigante que es hoy.

NVIDIA ha evolucionado de una empresa de semiconductores de nicho especializada en tarjetas gráficas a un gigante tecnológico a la vanguardia de la revolución de IA y la enorme cantidad de hardware que necesita.

Esto se logró mediante el desarrollo de CUDA, una interfaz de programación de propósito general para las GPU de NVIDIA, abriendo la puerta a usos más allá de los videojuegos.

“Los investigadores se dieron cuenta de que al comprar esta tarjeta de juego llamada GeForce, la añades a tu computadora y esencialmente tienes una supercomputadora personal. Dinámica molecular, procesamiento sísmico, reconstrucción de TC, procesamiento de imágenes: un montón de cosas diferentes.”

Jensen Huang, en una entrevista con Sequoia

Esta mayor adopción de GPU, y más específicamente del hardware de NVIDIA, creó un bucle de retroalimentación positivo basado en efectos de red: cuantas más aplicaciones, más usuarios finales y programadores familiarizados con él, más ventas, más presupuesto de I+D, más aceleración en la velocidad de cómputo, más usos, etc.

Fuente: Nvidia

Hoy, la base instalada incluye cientos de millones de GPU CUDA.

Otra cosa notable sobre la evolución del poder de cómputo de IA es que sigue una ley exponencial en lugar de la más lineal Ley de Moore para CPU. Esto se debe a que no solo el hardware de GPU está mejorando, sino que la potencia de procesamiento requerida ha disminuido gracias a mejoras radicales en cómo se entrenan las redes neuronales.

Fuente: NVIDIA

Aunque líder en GPU y IA, NVIDIA también está muy activa en desarrollar la computación cuántica como un nuevo motor de crecimiento.

De manera similar a cómo desplegó CUDA para aplicaciones de redes neuronales, Nvidia ha lanzado CUDA-Q para la computación cuántica, ofreciendo un sistema de nube cuántica donde puedes alquilar capacidad de computación cuántica de NVIDIA a través de un servicio en la nube.

Fuente: NVIDIA

Esto también incluye tecnología como cuQuantum de NVIDIA para que los investigadores emulen computadoras cuánticas, cuPQC para encriptación cuántica y DGX Quantum para la integración de la computación clásica y cuántica.

En general, NVIDIA está a la vanguardia de la construcción de un ecosistema de computación cuántica, capitalizando su posición como líder en IA y hardware de IA.

Fuente: NVidia

Si NVIDIA lograra crear un segmento completamente nuevo en la computación cuántica más allá de su negocio existente de GPU e IA, podría seguir creciendo con la aplicación exponencial de la computación cuántica durante muchos años más.

Referencia del estudio:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). División persistente de banda plana y fuerte renormalización selectiva de banda en una película delgada de imán kagome. Nature Communications, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}