नई समझ से चुंबकत्व सुपरकंडक्टर्स और क्वांटम कंप्यूटर्स को आगे बढ़ा सकता है

नई सामग्री नई चुंबकीय सिद्धांतों के लिए

सामग्री विज्ञान से जुड़ा सबसे आशाजनक शोध क्वांटम स्तर पर विद्युतचुंबकत्व से संबंधित कुछ भी हो सकता है। इसका कारण यह है कि यह कई हाई‑टेक अनुप्रयोगों के लिए सामग्री निर्माण के तरीके को मूल रूप से बदलने की क्षमता रखता है, जो प्रत्येक दुनिया को बदल सकते हैं:

• क्वांटम कंप्यूटिंग।
• न्यूक्लियर फ्यूजन।
• कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर्स।

और हम अभी भी यह सीख रहे हैं कि चुंबकीय सामग्री किस चीज़ से बनी हो सकती है। उदाहरण के लिए, केवल 2022 में ही राइस विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने पाया कि “कागोमे सामग्री“, एक प्रकार का धातु क्रिस्टल, अचंभित करने वाले चुंबकीय गुण रखती है“।

18 अक्टूबर^th 2024 को, वही शोधकर्ता इस क्षेत्र में एक नई उपलब्धि की घोषणा की, और अपने परिणाम नेचर कम्युनिकेशन्स में “कागोमे मैग्नेट पतली फिल्म में स्थायी फ्लैट बैंड विभाजन और मजबूत चयनात्मक बैंड पुनर्नॉर्मलाइज़ेशन¹” शीर्षक के तहत प्रकाशित किए।

यह कार्य पश्चिम बोहेमिया विश्वविद्यालय (चेक गणराज्य), रेहवोट विज्ञान संस्थान (इज़राइल), ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला (यूएसए), और लॉस अलामोस राष्ट्रीय प्रयोगशाला (यूएसए) के शोधकर्ताओं के सहयोग से किया गया।

कागोमे सामग्री

सबसे हालिया प्रकाशन पर चर्चा करने से पहले, हमें यह समझाना होगा कि कागोमे सामग्री क्या हैं।

यह नाम पारंपरिक जापानी शिल्प में उपयोग किए जाने वाले कागोमे बुनाई पैटर्न, या त्रिहेक्सागोनल टाइलिंग से आया है, जिसमें ओवरलैपिंग त्रिकोण और बड़े षट्कोणीय अंतराल होते हैं।

स्रोत: Research Gate

इसी प्रकार, कागोमे सामग्री जैसे कि उदाहरण के तौर पर चुंबकीय आयरन-जर्मेनियम क्रिस्टल एटॉमिक स्तर पर इस पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। प्रारंभिक खोजों के बाद यह समझा गया है कि आयरन-टिन पतली फिल्म (FeSn) आदर्श कागोमे लैटिस के बहुत करीब संरचना प्रदर्शित करती है।

स्रोत: Rice University

विशिष्ट चुंबकीय गुण

2022 में ही, कागोमे सामग्री के विशिष्ट गुणों को नोट किया गया था:

• चुंबकीय प्रभावों के लिए इलेक्ट्रॉनों को कागोमे त्रिकोणों के चारों ओर प्रवाहित होना आवश्यक है, जो सुपरकंडक्टिविटी के समान है।
  • हालांकि यह अन्य प्रकार की “सच्ची” सुपरकंडक्टिविटी से अलग है, यह निश्चित रूप से ज्ञात है कि यह प्रभाव कमरे के तापमान और सामान्य दबाव स्थितियों में बना रह सकता है।
• एक “चार्ज डेंसिटी वेव” की उपस्थिति, जहाँ इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे में “मिलते” हैं और एक सामूहिक तरंग बनाते हैं, जो सामूहिक रूप से विद्युत धारा ले जाती है।
  • “सामान्य” सुपरकंडक्टिविटी के विपरीत, यह स्पाइक्स के रूप में आता है, जैसे नल से पानी की बूंदें गिरना, निरंतर इलेक्ट्रॉन प्रवाह के बजाय।
• चार्ज डेंसिटी वेव दिखाने के बावजूद, कागोमे सामग्री भी चुंबकीय गुण प्रदर्शित करती है, जो आमतौर पर दो असंगत गुण होते हैं।

समग्र रूप से, कागोमे सामग्री की अत्यधिक व्यवस्थित प्रकृति उन्हें विद्युतचुंबकत्व की हमारी समझ के किनारे पर स्थित घटनाओं का अध्ययन करने में आसान बना सकती है, जैसे “अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी” या “क्वांटम स्पिन लिक्विड्स में चुंबकीय अवस्थाओं के निरंतर उतार-चढ़ाव“।

“किसी न किसी बिंदु पर, आप यह कहने में सक्षम होना चाहते हैं, ‘मैं एक ऐसी सामग्री बनाना चाहता हूँ जिसमें विशिष्ट व्यवहार और गुण हों।’

मुझे लगता है कि कागोमे इस दिशा में एक अच्छा मंच है, क्योंकि क्रिस्टल संरचना के आधार पर सीधे भविष्यवाणियाँ करने के तरीके हैं, कि आपको किस प्रकार की बैंड संरचना मिलेगी और इसलिए उस बैंड संरचना के आधार पर कौन सी घटनाएँ उत्पन्न हो सकती हैं। इसमें कई सही घटक मौजूद हैं।

Ming Yi – सहायक प्रोफेसर, भौतिकी और खगोल विज्ञान, Rice University

कागोमे सामग्री में नई अंतर्दृष्टि

अब तक, कागोमे धातुओं में चुंबकत्व के बारे में मौजूदा सिद्धांत मानते थे कि प्रवासी इलेक्ट्रॉन चुंबकीय व्यवहार को संचालित करते हैं। हालांकि, नई प्रकाशन दर्शाती है कि FeSn के चुंबकीय गुण स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनों से उत्पन्न होते हैं, न कि उन मोबाइल इलेक्ट्रॉनों से जिन्हें वैज्ञानिक पहले जिम्मेदार मानते थे।

इस अंतर्दृष्टि को प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने उन्नत उपकरणों जैसे कि मोलेक्यूलर बीम एपिटैक्सि और एंगल-रिजॉल्व्ड फोटोइमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया ताकि उच्च गुणवत्ता वाली FeSn पतली फिल्में बनाई और उनका विश्लेषण किया जा सके।

स्रोत: Nature

यह खोज यह भी संकेत देती है कि कागोमे मैग्नेट में चुंबकत्व और इलेक्ट्रॉन सहसंबंध जटिल अंतःक्रिया में साथ काम करते हैं।

अनुप्रयोग

शुरुआत में, इस खोज के निहितार्थ गैर‑भौतिकविदों के लिए समझना थोड़ा कठिन होते हैं।

पहला परिणाम यह है कि यह समान सामग्री को बेहतर समझने का मार्ग खोलता है, जैसे अभी तक पूरी तरह समझा न गया संभावित उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स। यह एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ कई पहलुओं में प्रायोगिक कार्य सिद्धांत से आगे है।

“मजबूती से सहसंबद्ध सामग्री अधिक चुनौतीपूर्ण होती हैं। सिद्धांत और माप के बीच संबंध की कमी है।

इसलिए, न केवल यह कठिन है कि ऐसी सामग्री खोजी जाए जो मजबूत सहसंबद्ध और टोपोलॉजिकल दोनों हों, बल्कि जब आप उन्हें खोजते और मापते हैं तो यह भी बहुत कठिन है कि आप जो माप रहे हैं उसे उस सिद्धांतिक मॉडल से जोड़ें जो स्थिति को समझाता है।

Ming Yi – सहायक प्रोफेसर, भौतिकी और खगोल विज्ञान, Rice University

एक अन्य क्षेत्र जो इस शोध से बहुत लाभान्वित हो सकता है वह क्वांटम कंप्यूटिंग है।

विशेष रूप से, इसे “क्वांटम लॉजिक गेट्स” बनाने में उपयोग किया जा सकता है, जो क्वांटम कंप्यूटरों का एक मुख्य घटक है और वर्तमान में बनाना और उपयोग करना कठिन है।

“कमजोर सहसंबद्ध सामग्री जैसे मूल टोपोलॉजिकल इंसुलेटरों के लिए, प्रथम सिद्धांत गणनाएँ वास्तव में अच्छी तरह काम करती हैं।

केवल इस आधार पर कि परमाणु कैसे व्यवस्थित हैं, आप अनुमान लगा सकते हैं कि किस प्रकार की बैंड संरचना अपेक्षित होगी। सामग्री डिजाइन के दृष्टिकोण से यह एक बहुत अच्छा मार्ग है। आप यहाँ तक कि सामग्री की टोपोलॉजी की भविष्यवाणी भी कर सकते हैं।

Ming Yi – सहायक प्रोफेसर, भौतिकी और खगोल विज्ञान, Rice University

उन्नत चुंबकीय सामग्री में निवेश

सुपरकंडक्टिविटी और संबंधित भौतिकी घटनाएँ आने वाले वर्षों में विज्ञान और प्रौद्योगिकी उद्योग दोनों में बड़ी भूमिका निभाने वाली हैं। यह इसलिए है क्योंकि पिछले पाँच वर्षों में प्रयोगात्मक प्रगति अत्यधिक हुई है, जैसा कि हमने “सुपरकंडक्टिविटी में प्रगति नई तकनीकी क्रांति के मार्ग को खोलती है” में वर्णित किया है।

यह केवल उन कागोमे सामग्रियों को ही नहीं शामिल करता जिन पर हमने यहाँ चर्चा की, बल्कि पायरोलिटिक ग्रेफाइट, 2D इंटरफ़ेस सुपरकंडक्टर, और कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर LK-99 को भी।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से सुपरकंडक्टर-संबंधित कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और आप हमारी सिफ़ारिशें पा सकते हैं सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों के लिए USA, Canada, Australia, UK, और securities.io पर कई अन्य देशों में।

आप हमारे लेखों “शीर्ष 10 नॉन‑सिलिकॉन कंप्यूटिंग कंपनियां” और “शीर्ष 10 नैनोटेक्नोलॉजी स्टॉक्स” में इस क्षेत्र में सक्रिय कंपनियों के बारे में और अधिक जान सकते हैं।

क्वांटम कंप्यूटिंग कंपनियां

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) पहला मेनफ़्रेम कंप्यूटर के व्यावसायीकरण के पीछे प्रमुख शक्ति थी। हालांकि, यह Apple (AAPL ), TSMC, और NVIDIA (NVDA ) जैसे अन्य तकनीकी दिग्गजों के उत्पादन मात्रा में पीछे रह गया है।

हालांकि, यह क्वांटम कंप्यूटरों के विकास में अग्रणी है। उदाहरण के लिए, इसने अपना 127-क्यूबिट “Eagle” क्वांटम कंप्यूटर विकसित किया, जिसके बाद “Osprey” नामक 433-क्यूबिट सिस्टम आया।

और अब यह “Condor” द्वारा अनुसरित है, जो 1,121 सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट क्वांटम प्रोसेसर है जो क्रॉस‑रेज़ोनेंस गेट तकनीक पर आधारित है, साथ ही “Heron”, एक क्वांटम प्रोसेसर जो इस क्षेत्र के अत्यंत किनारे पर है।

क्वांटम कंप्यूटर बेहतर चुंबकीय नियंत्रण से लाभान्वित हो सकते हैं, जिससे क्यूबिट की स्थिरता और विश्वसनीयता बढ़ती है, जो प्रोसेसिंग शक्ति के लिए आवश्यक है।

इसी प्रकार, सुपरकंडक्टर्स में प्रगति, जो नियंत्रित चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर करते हैं, अधिक कुशल ऊर्जा संचरण और कूलिंग सिस्टम की ओर ले जा सकती है, विशेषकर उच्च तापमान पर।

IBM कंप्यूटिंग और अर्धचालक उद्योग में अधिकांश अन्य अत्याधुनिक नवाचारों में शामिल है। इनमें शामिल हैं कंडक्टिंग ऑर्गेनिक मैटेरियल्स, न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, फोटोनिक्स, आदि।

किसी हद तक, IBM एक “पेटेंट कंपनी” बन गया है, जिसके पास नई कंप्यूटिंग विधियों को विकसित करने और उन्हें उद्योग को लाइसेंस देने की विशेषज्ञता है।

अब तक, यह बहुत दृढ़ लगता है कि वह सभी नॉन‑सिलिकॉन कंप्यूटिंग विधियों में जितने संभव हो उतने प्रमुख पेटेंट रखे, जैसा कि उसने अर्धचालक उद्योग को विशाल बनाने में अपने पिछले सफल योगदान को दोहराया।

NVIDIA ग्राफिक कार्डों में विशेषज्ञता रखने वाली एक विशिष्ट अर्धचालक कंपनी से AI क्रांति के अग्रभाग में एक तकनीकी दिग्गज बन गया है, और इसके लिए आवश्यक विशाल हार्डवेयर की मात्रा भी।

यह NVIDIA के GPU के लिए एक सामान्य‑उद्देश्य प्रोग्रामिंग इंटरफ़ेस CUDA के विकास के माध्यम से हासिल किया गया, जिससे गेमिंग के अलावा अन्य उपयोगों के लिए द्वार खुला।

“शोधकर्ताओं ने समझा कि इस गेमिंग कार्ड को GeForce कहा जाता है, इसे अपने कंप्यूटर में जोड़कर, आपके पास मूलतः एक व्यक्तिगत सुपरकंप्यूटर हो जाता है। आणविक गतिशीलता, भूकंपीय प्रसंस्करण, CT पुनर्निर्माण, छवि प्रसंस्करण—इनमें कई विभिन्न चीजें शामिल हैं।”

Jensen Huang, in an interview with Sequoia

GPU के इस व्यापक अपनाने, और विशेष रूप से NVIDIA हार्डवेयर ने नेटवर्क प्रभाव पर आधारित एक सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप बनाया: उपयोग जितना अधिक, अंत उपयोगकर्ता और प्रोग्रामर उतने ही अधिक परिचित, बिक्री अधिक, R&D बजट अधिक, कंप्यूटिंग गति में अधिक तेज़ी, उपयोग फिर से बढ़ता है, आदि।

स्रोत: Nvidia

आज, स्थापित आधार में सैकड़ों मिलियन CUDA GPU शामिल हैं।

AI कंप्यूटिंग शक्ति के विकास की एक और उल्लेखनीय बात यह है कि यह CPU के अधिक रैखिक मोर के नियम के बजाय घातीय नियम का पालन करता है। यह इसलिए है क्योंकि न केवल GPU हार्डवेयर बेहतर हो रहा है, बल्कि न्यूरल नेटवर्क के प्रशिक्षण में क्रांतिकारी सुधार के कारण आवश्यक प्रोसेसिंग शक्ति घट गई है।

स्रोत: NVIDIA

GPU और AI में नेता होने के साथ, NVIDIA क्वांटम कंप्यूटिंग को एक नई विकास इंजन के रूप में विकसित करने में भी बहुत सक्रिय है।

जैसे उसने न्यूरल नेटवर्क अनुप्रयोगों के लिए CUDA तैनात किया, Nvidia ने क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए CUDA-Q जारी किया है, जो एक क्वांटम क्लाउड सिस्टम प्रदान करता है जहाँ आप क्लाउड सेवा के माध्यम से NVIDIA क्वांटम कंप्यूटिंग क्षमता किराए पर ले सकते हैं।

स्रोत: NVIDIA

यह तकनीक NVIDIA के cuQuantum को भी शामिल करती है, जो शोधकर्ताओं को क्वांटम कंप्यूटरों का अनुकरण करने में मदद करता है, cuPQC क्वांटम एन्क्रिप्शन के लिए, और DGX Quantum क्लासिकल और क्वांटम कंप्यूटिंग दोनों के एकीकरण के लिए।

समग्र रूप से, NVIDIA क्वांटम कंप्यूटिंग इकोसिस्टम बनाने में अग्रणी है, AI और AI हार्डवेयर में अपनी अग्रणी स्थिति का लाभ उठाते हुए।

स्रोत: NVidia

यदि NVIDIA अपने मौजूदा GPU और AI व्यवसाय के परे क्वांटम कंप्यूटिंग में एक पूरी नई खंड बना लेता है, तो वह कई वर्षों तक क्वांटम कंप्यूटिंग के घातीय अनुप्रयोग के साथ बढ़ता रह सकता है।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). कागोमे मैग्नेट पतली फिल्म में स्थायी फ्लैट बैंड विभाजन और मजबूत चयनात्मक बैंड पुनर्नॉर्मलाइज़ेशन. Nature Communications, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}