Uusi magnetismin ymmärrys voi edistää superjohtimia ja kvanttitietokoneita

Uusi materiaali uusille magneettiteorioille

Kvanttitason sähkömagneettisten ilmiöiden tutkimus voi auttaa suunnittelemaan uusia toiminnallisia materiaaleja. Mahdollisia pitkän aikavälin sovellusaloja ovat esimerkiksi seuraavat:

• Kvanttitietokoneet.
• Ydinfuusio.
• Huoneenlämpöiset superjohtimet.

Magneettisten materiaalien elektronien käyttäytymisestä opitaan edelleen uutta. Ricen yliopiston tutkijat tarkastelivat vuonna 2022 myös “kagome-materiaaleja”, joiden metallisissa kiderakenteissa havaittiin kiinnostavia magneettisia ominaisuuksia. Kagome-materiaalit eivät kuitenkaan olleet vuonna 2022 kokonaan uusi löytö.

Vuonna 2024, lokakuun ^30. päivänä, tutkijat julkaisivat Nature Communications -lehdessä tutkimuksen “Pysyvä tasaisen energiavyön jakautuminen ja voimakas valikoiva vyön renormalisaatio kagome-magneetin ohutkalvossa¹”.

Yhteistyöhön osallistui tutkijoita Länsi-Böömin yliopistosta Tšekistä, Weizmannin tiedeinstituutista Israelista sekä Brookhavenin ja Los Alamosin kansallisista laboratorioista Yhdysvalloista.

Kagome-materiaali

Tulosten ymmärtämiseksi on hyödyllistä tarkastella ensin kagome-hilan rakennetta.

Nimi tulee japanilaisten korien punontakuviosta. Hilassa vuorottelevat kärjistään liittyvät kolmiot ja kuusikulmaiset aukot.

Lähde: Research Gate

Esimerkiksi rauta–germanium-yhdisteissä atomit voivat järjestyä kagome-kuvioksi. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin rauta–tina-yhdisteen FeSn ohutkalvoja.

Lähde: Rice University

Ainutlaatuiset magneettiset ominaisuudet

Kagome-hilan geometria ja elektronien väliset vuorovaikutukset voivat synnyttää monia erilaisia ilmiöitä.

• Joissakin kagome-järjestelmissä tarkastellaan kolmioiden ympärillä kiertäviin virtoihin liittyviä ilmiöitä. Niitä ei pidä samastaa sähkövastuksen katoamiseen eli suprajohtavuuteen.
  • Huoneenlämmössä havaittu magneettisuus tai elektronirakenne ei osoita huoneenlämpöistä suprajohtavuutta.
• Eräissä materiaaleissa esiintyy “varaustiheysaalto”, jossa sähkövarauksen tiheys vaihtelee avaruudellisesti jaksollisella tavalla. Elektronit eivät siinä yksinkertaisesti sulaudu yhdeksi vastuksettomaksi virraksi.
  • Varaustiheysaallon kuvaaminen hanasta tippuvan veden kaltaiseksi katkonaiseksi suprajohtavaksi virraksi on virheellistä.
• Magneettisuus ja varaustiheysaallot voivat vaikuttaa toisiinsa ja esiintyä samassa materiaalissa. Ne eivät ole yleisesti yhteensopimattomia.

Kagome-materiaalit tarjoavat tutkimusalustan elektronirakenteen ja vuorovaikutusten suhteelle. Tutkimuskohteita ovat muun muassa “epätavanomainen suprajohtavuus” ja “kvanttispinnesteiden jatkuvat magneettiset vaihtelut”.

“Jossakin vaiheessa haluamme voida sanoa: haluan valmistaa materiaalin, jolla on tietyt käyttäytymistavat ja ominaisuudet.”

“Mielestäni kagome on hyvä alusta tähän suuntaan, koska on olemassa tapoja tehdä suoria ennusteita kiteen rakenteen perusteella siitä, millaisen kaistorakenteen saat, ja siten siitä, millaisia ilmiöitä voi syntyä kyseisen kaistorakenteen perusteella. Siinä on monia oikeita ainesosia.”

Ming Yi — fysiikan ja tähtitieteen apulaisprofessori, Ricen yliopisto

Uusia oivalluksia kagome-materiaalista

FeSn-tutkimus tuotti näyttöä paikallisten magneettisten momenttien merkityksestä verrattuna yksinkertaiseen liikkuvien elektronien selitykseen. Tasaisen energiavyön jakautuminen säilyi magneettisen järjestymislämpötilan yläpuolella. Tulos ei ratkaise kaikkien kagome-metallien magneettisuuden alkuperää yhdellä mallilla.

Tutkijat valmistivat laadukkaita FeSn-ohutkalvoja molekyylisuihkuepitaksialla ja tutkivat elektronirakennetta kulmaerotteisella fotoemissiospektroskopialla.

Lähde: Nature

He havaitsivat myös voimakasta energiavyön renormalisaatiota tietyssä spinni- ja orbitaalikanavassa. Tulokset korostavat magneettisuuden ja elektronien korrelaatioiden monimutkaista yhteyttä.

Sovellukset

Tutkimuksen välitön merkitys on vastaavien materiaalien teoreettisen kuvauksen kehittämisessä. Tähän liittyy myös vielä osin puutteellisesti ymmärrettyjen korkean lämpötilan suprajohteiden tutkimus. Kokeellisten havaintojen yhdistäminen niitä selittäviin malleihin on keskeinen haaste.

“Voimakkaasti korreloituneet materiaalit ovat haastavampia. Teorian ja mittausten välinen yhteys on puutteellinen.

On vaikeaa löytää materiaaleja, jotka ovat sekä voimakkaasti korreloituneita että topologisia. Löydettyjen materiaalien mittaustulosten yhdistäminen ilmiöitä selittävään teoreettiseen malliin on sekin vaikeaa.”

Ming Yi — fysiikan ja tähtitieteen apulaisprofessori, Ricen yliopisto

Materiaalien parempi ymmärtäminen voi pitkällä aikavälillä auttaa myös kvanttitietotekniikkaa. Tutkimuksessa ei kuitenkaan valmistettu kvanttilogiikkaporttia eikä osoitettu kaupallisen kvanttitietokoneen suorituskyvyn paranemista.

“Heikosti korreloituneissa materiaaleissa, kuten alkuperäisissä topologisissa eristeissä, ensimmäisistä periaatteista tehtävät laskelmat toimivat hyvin.

Atomien järjestyksen perusteella voidaan laskea odotettavissa oleva energiavyörakenne. Tämä tarjoaa hyvän lähtökohdan materiaalien suunnittelulle, ja jopa niiden topologiaa voidaan ennustaa.”

Ming Yi — fysiikan ja tähtitieteen apulaisprofessori, Ricen yliopisto

Sijoittaminen kehittyneisiin magneettisiin materiaaleihin

Suprajohtavuuden ja muiden kvanttimateriaalien tutkimus voi vaikuttaa tuleviin teknologioihin. Kokeellisista edistysaskelista kerrotaan artikkelissa “Suprajohtavuuden edistysaskeleet avaavat tietä uudelle teknologiselle murrokselle”.

Aihepiiriin kuuluvat myös pyrolyyttisen grafiitin diamagnetismi, kaksiulotteisten rajapintojen suprajohtavuus ja LK-99:n huoneenlämpöistä suprajohtavuutta koskeneen väitteen arviointi. Grafiitin diamagnetismi ei ole suprajohtavuuden todiste, eikä LK-99:ää pidä esitellä vahvistettuna huoneenlämpöisenä suprajohteena.

Aiheeseen liittyvien pörssiyhtiöiden osakkeita voi ostaa välittäjien kautta. Välittäjien valintaan liittyvät oppaat löytyvät Yhdysvalloille, Kanadalle, Australialle, Yhdistyneelle kuningaskunnalle ja monille muille maille Securities.io-sivustolta.

Yrityksiä käsitellään myös artikkeleissa “Kymmenen piihin perustumatonta tietotekniikkaa kehittävää yritystä” ja “Kymmenen nanoteknologiaosaketta”.

Kvanttitietokoneyritykset

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) oli keskeinen toimija keskustietokoneiden kaupallistamisessa. Sen, Applen (AAPL ), TSMC:n ja NVIDIA:n (NVDA ) tuotantomääriä ei voi suoraan verrata, sillä yritysten tuotteet ja liiketoimintamallit poikkeavat toisistaan.

IBM on kehittänyt suprajohtaviin kubitteihin perustuvia kvanttiprosessoreita. 127 kubitin Eaglea seurasi 433 kubitin Osprey.

Vuonna 2023 yhtiö esitteli myös 1 121 suprajohtavan kubitin Condorin ja 133 kubitin Heronin. Kyse on tuolloin julkistetuista prosessorisukupolvista.

Materiaalien ja häiriöiden parempi ymmärtäminen voi auttaa kubittien vakauden ja ohjauksen kehittämistä. FeSn-tutkimuksen ja käytännön prosessoriparannusten välille tarvitaan kuitenkin lisätutkimusta.

Suprajohteiden kehitys voi hyödyttää esimerkiksi magneetteja ja sähkönsiirtoa. Kokonaishyötysuhteeseen vaikuttavat kriittinen lämpötila, virta ja magneettikenttä sekä jäähdytys ja järjestelmän suunnittelu.

IBM tutkii myös muita tietotekniikan ja puolijohteiden uusia lähestymistapoja, kuten sähköä johtavia orgaanisia materiaaleja, neuromorfista laskentaa ja fotoniikkaa.

IBM harjoittaa tutkimusta ja patenttien lisensointia sekä ohjelmisto-, infrastruktuuri- ja palveluliiketoimintaa. Sitä ei voi kuvata pelkästään patenttiyhtiöksi.

Patentit voivat tukea kilpailuasemaa, mutta niiden määrä ei takaa tietyn uuden laskentatekniikan kaupallista menestystä.

NVIDIA on kasvanut näytönohjaimiin erikoistuneesta puolijohdeyrityksestä merkittäväksi tekoälylaskennan laitteistojen ja ohjelmistojen toimittajaksi.

CUDA-alusta mahdollisti NVIDIA:n grafiikkasuorittimien laajemman käytön yleisessä rinnakkaislaskennassa pelien lisäksi.

“Tutkijat huomasivat, että GeForce-pelikortin lisääminen tietokoneeseen antaa käytännössä henkilökohtaisen supertietokoneen. Sovelluksia ovat molekyylidynamiikka, seismisten aineistojen käsittely, tietokonetomografian rekonstruktio ja kuvankäsittely sekä monet muut tehtävät.”

Jensen Huang, haastattelussa Sequoialle

GPU-laskennan ja NVIDIA:n ekosysteemin laajenemiseen liittyy verkostovaikutuksia: käyttäjien ja kehittäjien lisääntyminen voi kasvattaa ohjelmistotarjontaa ja käyttökohteita. Se ei kuitenkaan takaa myynnin tai laskentanopeuden jatkuvaa kasvua.

Lähde: Nvidia

Yhtiö on kuvannut CUDA-yhteensopivien GPU:iden asennuskannan olevan satoja miljoonia. Luku riippuu laskenta-ajankohdasta ja käytetystä määritelmästä.

Tekoälylaskennan kehitykseen vaikuttavat sekä laitteistot että algoritmit. Mooren laki kuvaa itsessään transistorimäärän eksponentiaalista kasvua, ei lineaarista kehitystä. Algoritmien tehostuminen ei tarkoita, että kaikkien tekoälymallien koulutuksen kokonaislaskentatarve vähenisi.

Lähde: NVIDIA

GPU- ja tekoälyliiketoiminnan ohella NVIDIA kehittää kvanttilaskennan työkaluja ja ekosysteemiä.

CUDA-Q on kvantti- ja klassista laskentaa yhdistävien ohjelmien kehitysalusta. Pilvipalvelut voivat tarjota GPU-pohjaista simulointia ja pääsyn kumppanien kvanttilaitteisiin. Tämä ei tarkoita, että NVIDIA vuokraisi oman fyysisen kvanttitietokoneensa laskentaa.

Lähde: NVIDIA

cuQuantum tukee kvanttipiirien simulointia klassisilla laitteistoilla. cuPQC on kvanttiuhkiin varautuvaa postkvanttisalausta, ei kvanttisalausviestintää. DGX Quantum yhdistää klassisen kiihdytetyn laskennan ja kvanttiohjauksen.

NVIDIA hyödyntää GPU- ja ohjelmisto-osaamistaan kvanttitutkimuksen ja hybridilaskennan työkalujen kehittämisessä.

Lähde: NVidia

Kvanttiteknologia voi tarjota tulevia liiketoimintamahdollisuuksia. Kaupallistumisen aikataulu ja sen vaikutus NVIDIA:n kasvuun ovat kuitenkin epävarmoja.

Tutkimusviite:

^{1. Ren, Z., Huang, J., Tan, H., et al. (2024). Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nature Communications, 15, Artikkeli 9376. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}