Pemahaman Baru tentang Magnetisme Mungkin Meningkatkan Superkonduktor dan Komputer Kuantum

Bahan Baru untuk Teori Magnetik Baru

Penelitian paling menjanjikan yang melibatkan ilmu bahan mungkin terkait dengan elektromagnetisme pada skala kuantum. Ini karena memiliki potensi untuk secara radikal mengubah cara kita membangun bahan untuk banyak aplikasi teknologi tinggi yang masing-masing dapat mengubah dunia:

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

Dan kita masih banyak belajar tentang apa yang dapat dibuat dari bahan magnetik. Sebagai contoh, baru pada tahun 2022, tim peneliti di Rice University menemukan bahwa “bahan kagome,” sebuah jenis kristal logam, memiliki sifat magnetik yang mengejutkan.

Pada tanggal 18 Oktober 2024, peneliti yang sama mengumumkan sebuah temuan baru di bidang ini, dan menerbitkan hasilnya di Nature Communications dengan judul “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film¹“.

Pekerjaan ini dilakukan dalam kolaborasi dengan peneliti di University of West Bohemia (Republik Ceko), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (Amerika Serikat), dan Los Alamos National Laboratory (Amerika Serikat).

Bahan Kagome

Sebelum membahas publikasi terbaru, kita harus menjelaskan sedikit tentang apa itu bahan kagome.

Ini mendapatkan namanya dari pola anyaman kagome yang digunakan dalam kerajinan Jepang tradisional, atau tiling triheksagonal, dengan segitiga yang tumpang tindih dan lubang heksagonal yang besar.

Source: Research Gate

Dalam cara yang sama, bahan kagome seperti kristal besi-germanium magnetik terorganisir dalam pola ini pada tingkat atom. Sejak penemuan awal, telah disadari bahwa film tipis besi-timbal (FeSn) menunjukkan struktur yang jauh lebih dekat dengan kisi kagome ideal.

Source: Rice University

Sifat Magnetik Unik

Sudah pada tahun 2022, sifat unik dari bahan kagome telah diperhatikan:

• Efek magnetik memerlukan elektron untuk mengalir di sekitar segitiga kagome, mirip dengan superkonduktivitas.
  • Meskipun tidak seperti bentuk “benar” superkonduktivitas lainnya, diketahui dengan pasti bahwa efek ini dapat bertahan pada suhu kamar dan tekanan normal.
• Keberadaan “gelombang kepadatan muatan”, di mana elektron “bergabung” menjadi gelombang kolektif, membawa arus listrik secara kolektif.
  • Tidak seperti “superkonduktivitas normal”, ini datang dalam bentuk puncak, seperti air menetes dari keran lebih dari aliran elektron yang kontinu.
• Meskipun menampilkan gelombang kepadatan muatan, bahan kagome juga menampilkan sifat magnetik, biasanya dua sifat yang tidak kompatibel.

Secara keseluruhan, sifat terorganisir dari bahan kagome dapat membuatnya lebih mudah untuk dipelajari fenomena pada tepi pemahaman kita tentang elektromagnetisme seperti “superkonduktivitas tidak konvensional” atau “fluktuasi terus-menerus antara keadaan magnetik dalam cairan spin kuantum”.

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

Saya pikir kagome adalah platform yang baik untuk 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 itu. Ini memiliki banyak bahan yang tepat.”

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

Wawasan Baru tentang Bahan Kagome

Sampai sekarang, teori yang ada tentang magnetisme dalam logam kagome menganggap bahwa elektron itineran mengemudi perilaku magnetik. Namun, publikasi baru ini mengungkapkan bahwa sifat magnetik FeSn berasal dari elektron yang terlokalisasi, bukan elektron mobil yang sebelumnya dipikirkan bertanggung jawab.

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

Source: Nature

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

Aplikasi

Pada awalnya, implikasi dari penemuan ini sedikit sulit dipahami bagi non-fisikawan.

Konsekuensi pertama adalah bahwa ini membuka jalan untuk memahami bahan serupa, seperti potensi superkonduktor suhu tinggi yang belum sepenuhnya dipahami. Ini adalah bidang di mana praktiknya mendahului teori dalam banyak aspek.

“Bahan yang terkorelasi kuat lebih menantang. Ada kekurangan koneksi antara teori dan pengukuran.

Jadi, tidak hanya sulit untuk menemukan bahan yang terkorelasi kuat dan topologis, tetapi ketika Anda menemukannya dan mengukurnya, juga sangat sulit untuk 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 bisa sangat diuntungkan dari penelitian ini adalah komputasi kuantum.

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

“Untuk bahan yang terkorelasi lemah seperti insulator topologis asli, perhitungan awal bekerja sangat baik.

Hanya berdasarkan pada bagaimana atom disusun, Anda dapat menghitung apa jenis struktur pita yang diharapkan. Ada jalur yang sangat baik dari desain bahan. Anda bahkan dapat memprediksi topologi bahan.”

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

Investasi di Bahan Magnetik Maju

Superkonduktivitas dan fenomena fisika terkait kemungkinan akan menjadi besar dalam sains dan industri teknologi dalam beberapa tahun ke depan. Ini karena kemajuan eksperimental yang luar biasa telah dibuat dalam lima tahun terakhir, seperti yang kita deskripsikan di “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“.

Ini termasuk tidak hanya bahan kagome yang kita diskusikan di sini, tetapi juga grafit pirolitik, superkonduktor antarmuka 2D, dan superkonduktor suhu kamar LK-99.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan yang terkait dengan superkonduktor melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan rekomendasi kami untuk broker terbaik di Amerika Serikat, 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 “Top 10 Perusahaan Komputasi Non-Silikon” dan “Top 10 Saham Nanoteknologi”.

Perusahaan Komputasi Kuantum

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

Namun, IBM berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Sebagai contoh, mereka mengembangkan komputer kuantum 127-qubit “Eagle”, yang diikuti oleh sistem 433-qubit yang dikenal sebagai “Osprey.”

Dan ini sekarang diikuti oleh “Condor”, prosesor kuantum superkonduktor 1.121 qubit berdasarkan teknologi gerbang resonansi silang, bersama dengan “Heron”, prosesor kuantum di tepi bidang.

Komputer kuantum dapat mendapat manfaat dari kontrol magnetik yang ditingkatkan, meningkatkan stabilitas dan keandalan qubit, yang sangat penting untuk daya pemrosesan.

Demikian pula, kemajuan dalam superkonduktor, yang bergantung pada medan magnetik yang terkendali, dapat mengarah pada transmisi energi yang lebih efisien dan sistem pendingin, terutama pada suhu yang lebih tinggi.

IBM terlibat dalam sebagian besar inovasi terdepan dalam komputasi dan industri semikonduktor. Ini termasuk bahan organik konduktif, komputasi neuromorfik, perangkat fotonik, dll.

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

Jadi, IBM tampaknya sangat bertekad untuk memegang banyak paten kunci dalam semua metode komputasi non-silikon yang bisa mereka dapatkan, mengulangi kesuksesan masa lalunya ketika sangat berkontribusi pada pengembangan industri semikonduktor menjadi raksasa yang sekarang.

NVIDIA telah berkembang dari perusahaan semikonduktor khusus yang mengkhususkan diri dalam kartu grafis menjadi raksasa teknologi di garis depan revolusi AI dan jumlah perangkat keras yang besar yang dibutuhkannya.

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

“Peneliti menyadari bahwa dengan membeli kartu gaming ini yang disebut GeForce, Anda menambahkannya ke komputer Anda, Anda secara efektif memiliki superkomputer pribadi. Dinamika molekuler, pemrosesan seismik, rekonstruksi CT, pemrosesan gambar—banyak hal yang berbeda.”

Jensen Huang, dalam sebuah wawancara dengan Sequoia

Adopsi GPU yang lebih luas, dan lebih khusus perangkat keras NVIDIA, menciptakan loop umpan balik berdasarkan efek jaringan: semakin banyak penggunaan, semakin banyak pengguna akhir dan programmer yang familiar dengannya, semakin banyak penjualan, semakin banyak anggaran R&D, semakin percepatan kecepatan komputasi, semakin banyak penggunaan, dll.

Source: Nvidia

Hari ini, basis yang terpasang mencakup ratusan juta GPU CUDA.

Hal yang luar biasa lainnya tentang evolusi daya komputasi AI adalah bahwa ini mengikuti hukum eksponensial bukan hukum Moore yang lebih linear untuk CPU. Ini karena tidak hanya perangkat keras GPU yang semakin baik, tetapi daya pemrosesan yang diperlukan telah menurun secara radikal melalui perbaikan radikal dalam cara jaringan saraf dilatih.

Source: NVIDIA

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

Serupa dengan cara mereka menerapkan CUDA untuk aplikasi jaringan saraf, Nvidia telah merilis CUDA-Q untuk komputasi kuantum, menawarkan sistem komputasi kuantum awan di mana Anda dapat menyewa kapasitas komputasi kuantum NVIDIA melalui layanan awan.

Source: NVIDIA

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

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

Source: NVidia

Apakah NVIDIA akan berhasil menciptakan segmen baru dalam komputasi kuantum di luar bisnis GPU dan AI yang ada, itu bisa terus tumbuh dengan aplikasi eksponensial komputasi kuantum selama beberapa 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}