Pemahaman Baru tentang Magnetisme Dapat Mendorong Kemajuan Superkonduktor dan Komputer Kuantum

Material Baru untuk Teori Magnetik Baru

Penelitian paling menjanjikan yang melibatkan ilmu material mungkin apa saja yang terkait dengan elektromagnetisme pada skala kuantum. Hal ini karena memiliki potensi untuk secara radikal mengubah cara kita membangun material untuk banyak aplikasi teknologi tinggi yang masing‑masing dapat mengubah dunia:

• Komputasi kuantum.
• Fusi nuklir.
• Superkonduktor suhu ruang.

Dan kami masih terus belajar banyak tentang apa yang dapat menjadi bahan magnetik. Misalnya, baru pada tahun 2022 tim peneliti di Rice University menemukan bahwa “bahan kagome,” sebuah jenis kristal logam, memiliki sifat magnetik yang mengejutkan.

Pada 18^th Oktober 2024, peneliti yang sama mengumumkan terobosan baru di bidang ini, dan mempublikasikan hasil mereka di Nature Communications dengan judul “Pemisahan pita datar persisten dan renormalisasi pita selektif yang kuat dalam film tipis magnet kagome¹”.

Pekerjaan ini dilakukan bekerja sama dengan peneliti di University of West Bohemia (Czech Republic), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA), dan Los Alamos National Laboratory (USA).

Material Kagome

Sebelum membahas publikasi terbaru, kami harus menjelaskan sedikit tentang apa itu material kagome.

Namanya diambil dari pola anyaman kagome yang digunakan dalam kerajinan tradisional Jepang, atau penataan triheksagonal, dengan segitiga yang saling tumpang tindih dan ruang kosong heksagonal besar.

Sumber: Research Gate

Dengan cara yang serupa, material kagome seperti misalnya kristal besi‑germanium magnetik diatur dalam pola ini pada tingkat atom. Sejak penemuan awal, telah disadari bahwa film tipis besi‑timah (FeSn) menunjukkan struktur yang jauh lebih mendekati kisi kagome ideal.

Sumber: Rice University

Sifat Magnetik Unik

Sudah pada tahun 2022, sifat unik material kagome telah diperhatikan:

• Efek magnetik memerlukan elektron mengalir mengelilingi segitiga kagome, mirip dengan superkonduktivitas.
  • Meskipun berbeda dengan bentuk lain dari “superkonduktivitas sejati”, dipastikan bahwa efek ini dapat bertahan pada suhu ruang & kondisi tekanan normal.
• Kehadiran “gelombang kepadatan muatan”, di mana elektron “bergabung” menjadi gelombang kolektif yang secara bersama‑sama membawa arus listrik.
  • Berbeda dengan “superkonduktivitas normal”, ini muncul dalam lonjakan, seperti air yang menetes dari keran daripada aliran elektron kontinu.
• Walaupun menampilkan gelombang kepadatan muatan, material Kagome juga menampilkan sifat magnetik, biasanya dua sifat yang tidak kompatibel.

Secara keseluruhan, sifat sangat teratur dari material kagome dapat memudahkan studi fenomena pada batas pemahaman elektromagnetisme kita seperti “superkonduktivitas tidak konvensional” atau “fluktuasi berkelanjutan antara keadaan magnetik dalam cairan spin kuantum”.

“Pada suatu titik, Anda ingin dapat mengatakan, ‘Saya ingin membuat material dengan perilaku dan sifat tertentu.’

Saya pikir kagome adalah platform yang baik ke arah itu, karena ada cara untuk membuat prediksi langsung, berdasarkan struktur kristal, tentang jenis struktur pita yang akan Anda dapatkan dan oleh karena itu tentang fenomena yang dapat muncul berdasarkan struktur pita tersebut. Ia memiliki banyak bahan yang tepat.”

Ming Yi – Associate Professor, Fisika dan Astronomi di Rice University

Wawasan Baru tentang Material Kagome

Sejauh ini, teori yang ada tentang magnetisme pada logam kagome mengasumsikan bahwa elektron itineran menggerakkan perilaku magnetik. Namun, publikasi baru mengungkapkan bahwa sifat magnetik FeSn berasal dari elektron terlokalisasi, bukan elektron bergerak yang sebelumnya diperkirakan menjadi penyebabnya.

Untuk mencapai wawasan ini, peneliti menggunakan alat canggih seperti epitaksi berkas molekuler dan spektroskopi fotoemisisi terresolusi sudut untuk menciptakan dan menganalisis film tipis FeSn berkualitas tinggi.

Sumber: Nature

Penemuan ini juga menunjukkan bahwa magnetisme dan korelasi elektron dalam magnet kagome bekerja bersama dalam interaksi yang kompleks.

Aplikasi

Pada awalnya, implikasi penemuan ini agak sulit dipahami bagi non‑fisikawan.

Konsekuensi pertama adalah bahwa hal ini membuka jalan untuk pemahaman yang lebih baik tentang material serupa, seperti potensi superkonduktor suhu tinggi yang masih belum sepenuhnya dipahami. Ini adalah bidang di mana praktik berada di depan teori dalam banyak hal.

“Material yang sangat berkorelasi lebih menantang. Ada kekurangan hubungan antara teori dan pengukuran.

Jadi, tidak hanya sulit menemukan material yang sekaligus sangat berkorelasi dan topologis, tetapi ketika Anda menemukannya dan mengukurnya, sangat sulit menghubungkan apa yang Anda ukur dengan model teoretis yang menjelaskan apa yang terjadi.”

Ming Yi – Associate Professor, Fisika dan Astronomi di Rice University

Bidang lain yang dapat sangat diuntungkan dari penelitian ini adalah komputasi kuantum.

Lebih khusus, hal ini dapat digunakan untuk menciptakan “gerbang logika kuantum,” komponen kunci komputer kuantum yang saat ini sulit dibuat dan dimanfaatkan.

“Untuk material yang lemah berkorelasi seperti isolator topologis asli, perhitungan prinsip pertama bekerja sangat baik.

Hanya berdasarkan bagaimana atom‑atom tersusun, Anda dapat menghitung jenis struktur pita yang diharapkan. Ada jalur yang sangat baik dari perspektif desain material. Anda bahkan dapat memprediksi topologi material.”

Ming Yi – Associate Professor, Fisika dan Astronomi di Rice University

Berinvestasi dalam Material Magnetik Tingkat Lanjut

Superkonduktivitas dan fenomena fisika terkait kemungkinan akan menjadi hal besar dalam ilmu pengetahuan dan industri teknologi selama beberapa tahun ke depan. Hal ini karena kemajuan eksperimental yang luar biasa telah dicapai dalam lima tahun terakhir, seperti yang kami jelaskan dalam “Progres dalam Superkonduktivitas Membuka Jalan untuk Revolusi Teknologi Baru”.

Ini mencakup tidak hanya material kagome yang kami bahas di sini, tetapi juga grafit piroletik, superkonduktor antarmuka 2D, dan superkonduktor suhu ruang LK-99.

Anda dapat berinvestasi pada perusahaan terkait superkonduktor melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan rekomendasi kami untuk broker terbaik di AS, Kanada, Australia, Inggris, dan banyak negara lain di securities.io.

Anda juga dapat mempelajari lebih lanjut tentang perusahaan yang aktif di bidang ini dalam artikel kami “10 Perusahaan Komputasi Non‑Silicon Teratas” dan “10 Saham Nanoteknologi Teratas”.

Perusahaan Komputasi Kuantum

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) adalah kekuatan utama di balik komersialisasi komputer mainframe pertama. Namun, ia tertinggal dalam volume produksi dibandingkan raksasa teknologi lain seperti Apple (AAPL ), TSMC, dan NVIDIA (NVDA ).

Namun, IBM berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Misalnya, ia mengembangkan komputer kuantum 127‑qubit “Eagle”, yang diikuti oleh sistem 433‑qubit yang dikenal sebagai “Osprey”.

Dan kini diikuti oleh “Condor”, prosesor kuantum superkonduktor 1.121 qubit berbasis teknologi gerbang cross‑resonance, bersama dengan “Heron”, prosesor kuantum yang berada di ujung terdepan bidang ini.

Komputer kuantum dapat memperoleh manfaat dari kontrol magnetik yang lebih baik, meningkatkan stabilitas dan keandalan qubit, yang esensial untuk daya pemrosesan.

Demikian pula, kemajuan dalam superkonduktor, yang bergantung pada medan magnet terkontrol, dapat menghasilkan transmisi energi dan sistem pendinginan yang lebih efisien, terutama pada suhu yang lebih tinggi.

IBM terlibat dalam sebagian besar inovasi mutakhir lainnya di bidang komputasi dan industri semikonduktor. Ini termasuk material organik konduktif, komputasi neuromorfik, fotonik, dll.

Sejauh ini, IBM telah menjadi “perusahaan paten” dengan keahlian dalam mengembangkan metode komputasi baru dan melisensikannya ke industri.

Sampai saat ini, tampaknya IBM sangat bertekad untuk memegang sebanyak mungkin paten kunci dalam semua metode komputasi non‑silicon yang dapat ia dapatkan, meniru kesuksesan masa lalunya ketika berkontribusi besar pada pengembangan industri semikonduktor menjadi raksasa seperti sekarang.

NVIDIA telah berevolusi dari perusahaan semikonduktor niche yang mengkhususkan diri pada kartu grafis menjadi raksasa teknologi di garis depan revolusi AI dan kebutuhan perangkat keras masifnya.

Hal ini dicapai melalui pengembangan CUDA, antarmuka pemrograman tujuan umum untuk GPU NVIDIA, membuka pintu untuk penggunaan selain gaming.

“Peneliti menyadari bahwa dengan membeli kartu gaming yang disebut GeForce, Anda menambahkannya ke komputer Anda, Anda pada dasarnya memiliki superkomputer pribadi. Molekuler dinamis, pemrosesan seismik, rekonstruksi CT, pemrosesan gambar—banyak hal berbeda.”

Jensen Huang, dalam wawancara dengan Sequoia

Adopsi luas GPU, khususnya perangkat keras NVIDIA, menciptakan lingkaran umpan balik positif berdasarkan efek jaringan: semakin banyak penggunaan, semakin banyak pengguna akhir dan programmer yang familiar, semakin banyak penjualan, semakin besar anggaran R&D, semakin cepat percepatan kecepatan komputasi, semakin banyak penggunaan, dll.

Sumber: Nvidia

Saat ini, basis terpasang mencakup ratusan juta GPU CUDA.

Satu hal luar biasa tentang evolusi daya komputasi AI adalah bahwa ia mengikuti hukum eksponensial alih‑alih hukum Moore yang lebih linear untuk CPU. Hal ini karena tidak hanya perangkat keras GPU yang menjadi lebih baik, tetapi kebutuhan daya pemrosesan telah menurun berkat peningkatan radikal dalam cara jaringan saraf dilatih.

Sumber: NVIDIA

Sementara pemimpin dalam GPU dan AI, NVIDIA juga sangat aktif mengembangkan komputasi kuantum menjadi mesin pertumbuhan baru.

Serupa dengan cara ia meluncurkan CUDA untuk aplikasi jaringan saraf, Nvidia telah merilis CUDA‑Q untuk komputasi kuantum, menawarkan sistem cloud kuantum di mana Anda dapat menyewa kapasitas komputasi kuantum NVIDIA melalui layanan cloud.

Sumber: NVIDIA

Ini juga mencakup teknologi seperti cuQuantum NVIDIA untuk peneliti mensimulasikan komputer kuantum, cuPQC untuk enkripsi kuantum, dan DGX Quantum untuk integrasi komputasi klasik dan kuantum.

Secara keseluruhan, NVIDIA berada di garis depan membangun ekosistem komputasi kuantum, memanfaatkan posisinya sebagai pemimpin dalam AI dan perangkat keras AI.

Sumber: NVidia

Jika NVIDIA berhasil menciptakan segmen baru seluruhnya dalam komputasi kuantum di luar bisnis GPU dan AI yang ada, ia dapat terus tumbuh dengan penerapan eksponensial komputasi kuantum selama bertahun‑tahun ke depan.

Referensi Studi:

^{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} dalam Bahasa Indonesia.