Una Nuova Comprensione del Magnetismo Potrebbe Far Progredire i Superconduttori e i Computer Quantistici

Nuovo Materiale per Nuove Teorie Magnetiche

La ricerca più promettente nel campo della scienza dei materiali potrebbe riguardare tutto ciò che è legato all’elettromagnetismo su scala quantistica. Ciò perché ha il potenziale di cambiare radicalmente il modo in cui costruiamo i materiali per molte applicazioni ad alta tecnologia, ognuna delle quali potrebbe cambiare il mondo:

• Computazione quantistica.
• Fusione nucleare.
• Superconduttori a temperatura ambiente.

E stiamo ancora imparando molto su di cosa può essere composto un materiale magnetico. Per esempio, è stato solo nel 2022 che un team di ricercatori dell’Università di Rice ha scoperto che “kagome material“, un tipo di cristallo metallico, presentava proprietà magnetiche sorprendenti.

Il 18 ottobre^th 2024, gli stessi ricercatori hanno annunciato una nuova scoperta in questo campo e hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications con il titolo “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film¹”.

La ricerca è stata condotta in collaborazione con ricercatori dell’University of West Bohemia (Czech Republic), del Rehovot Institute of Science (Israel), del Brookhaven National Lab (USA) e del Los Alamos National Laboratory (USA).

Materiale Kagome

Prima di discutere la pubblicazione più recente, dobbiamo spiegare brevemente cosa sono i materiali kagome.

Il nome deriva dal motivo di tessitura kagome usato nell’artigianato tradizionale giapponese, o piastrellatura tri-esagonale, con triangoli sovrapposti e grandi vuoti esagonali.

In modo simile, i materiali kagome, come ad esempio i cristalli magnetici di ferro-germanio, sono organizzati secondo questo schema a livello atomico. Dalle scoperte iniziali, si è compreso che il film sottile di ferro-stagno (FeSn) presenta una struttura molto più vicina al reticolo kagome ideale.

Proprietà Magnetiche Uniche

Già nel 2022, erano state osservate proprietà uniche del materiale kagome:

• Gli effetti magnetici richiedono che gli elettroni fluiscano attorno ai triangoli kagome, analogamente alla superconduttività.
  • Sebbene, a differenza di altre forme di “vera” superconduttività, sia noto con certezza che questo effetto può persistere a temperatura ambiente e a condizioni di pressione normale.
• La presenza di un “charge density wave”, dove gli elettroni si “uniscono” tra loro in un’onda collettiva, trasportando collettivamente una corrente elettrica.
  • A differenza della superconduttività “normale”, questo si manifesta a impulsi, come l’acqua che gocciola da un rubinetto più che come un flusso continuo di elettroni.
• Nonostante mostri una wave di densità di carica, il materiale kagome mostra anche proprietà magnetiche, solitamente due proprietà incompatibili.

Nel complesso, la natura molto organizzata dei materiali kagome potrebbe renderli più facili da studiare per fenomeni ai limiti della nostra comprensione dell’elettromagnetismo, come “unconventional superconductivity” o “the continual fluctuations between magnetic states in quantum spin liquids”.

“A un certo punto, vuoi poter dire, ‘Voglio creare un materiale con comportamenti e proprietà particolari.’

Penso che il kagome sia una buona piattaforma in questa direzione, perché esistono modi per fare previsioni dirette, basate sulla struttura cristallina, sul tipo di struttura di banda che otterrai e quindi sui fenomeni che possono emergere da quella struttura di banda. Ha molti degli ingredienti giusti.”

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Nuove Scoperte sul Materiale Kagome

Finora, le teorie esistenti sul magnetismo nei metalli kagome assumevano che gli elettroni itineranti guidassero il comportamento magnetico. Tuttavia, la nuova pubblicazione rivela che le proprietà magnetiche del FeSn derivano da elettroni localizzati, non dagli elettroni mobili che gli scienziati ritenevano responsabili.

Per ottenere questa intuizione, i ricercatori hanno utilizzato strumenti avanzati come l’epitassia a fascio molecolare e la spettroscopia fotoelettronica a risoluzione angolare per creare e analizzare film sottili FeSn di alta qualità.

La scoperta indica anche che il magnetismo e le correlazioni elettroniche nei magneti kagome lavorano insieme in un’interazione complessa.

Applicazioni

Inizialmente, le implicazioni di questa scoperta sono un po’ difficili da comprendere per i non fisici.

La prima conseguenza è che apre la strada a una migliore comprensione di materiali simili, come il potenziale ancora non completamente compreso superconduttori ad alta temperatura. Questo è un campo in cui la pratica è in anticipo rispetto alla teoria sotto molti aspetti.

“I materiali fortemente correlati sono più impegnativi. Manca una connessione tra teoria e misurazione.

Quindi, non è solo difficile trovare materiali che siano sia fortemente correlati sia topologici, ma quando li trovi e li misuri è anche molto difficile collegare ciò che stai misurando a un modello teorico che spieghi cosa sta succedendo.

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Un altro campo che potrebbe trarre grande beneficio da questa ricerca è la computazione quantistica.

Più specificamente, potrebbe essere usato per creare “porte logiche quantistiche”, un componente chiave dei computer quantistici attualmente difficili da creare e utilizzare.

“Per i materiali debolmente correlati come i primi isolanti topologici, i calcoli di prima principio funzionano molto bene.

Bastando osservare come sono disposti gli atomi, puoi calcolare che tipo di struttura di banda aspettarti. C’è un percorso davvero valido dal punto di vista della progettazione dei materiali. Puoi persino prevedere la topologia dei materiali.

Ming Yi – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Investire in Materiali Magnetici Avanzati

La superconduttività e i fenomeni fisici associati probabilmente diventeranno molto importanti sia nella scienza sia nell’industria tecnologica nei prossimi anni. Questo perché negli ultimi cinque anni sono stati compiuti enormi progressi sperimentali, come abbiamo descritto in “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution”.

La discussione include non solo i materiali kagome di cui abbiamo parlato, ma anche pyrolytic graphite, 2D interface superconductor, e room temperature superconductor LK-99.

Puoi investire in società legate ai superconduttori attraverso molti broker, e puoi trovare le nostre raccomandazioni per i migliori broker in USA, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi su securities.io.

Puoi anche approfondire le aziende attive in questo campo nei nostri articoli “Top 10 delle Aziende di Calcolo Non-Silicon” e “Top 10 Azioni di Nanotecnologia”.

Aziende di Computazione Quantistica

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) è stata la forza trainante dietro la commercializzazione del primo computer mainframe. Tuttavia, è rimasta indietro in termini di volume di produzione rispetto ad altri giganti tecnologici come Apple (AAPL ), TSMC e NVIDIA (NVDA ).

È, tuttavia, in prima linea nello sviluppo dei computer quantistici. Per esempio, ha sviluppato il suo computer quantistico a 127 qubit “Eagle”, seguito da un sistema a 433 qubit noto come “Osprey”.

E ora è seguito da “Condor”, un processore quantistico a 1.121 qubit superconduttivi basato sulla tecnologia del gate cross-resonance, insieme a “Heron”, un processore quantistico ai confini del settore.

I computer quantistici potrebbero beneficiare di un controllo magnetico migliorato, aumentando la stabilità e l’affidabilità dei qubit, elementi essenziali per la potenza di elaborazione.

Allo stesso modo, i progressi nei superconduttori, che dipendono da campi magnetici controllati, potrebbero portare a sistemi di trasmissione energetica e raffreddamento più efficienti, soprattutto a temperature più elevate.

IBM è coinvolta nella maggior parte delle altre innovazioni all’avanguardia nel settore del computing e dei semiconduttori. Queste includono materiali organici conduttori, computazione neuromorfica, fotonica, ecc.

In certa misura, IBM è diventata una “azienda di brevetti” con esperienza nello sviluppo di nuovi metodi di calcolo e nella loro concessione in licenza all’industria.

Finora, sembra molto determinata a detenere il maggior numero possibile di brevetti chiave in tutti i metodi di calcolo non-silicon, replicando il suo successo passato quando ha contribuito massicciamente allo sviluppo dell’industria dei semiconduttori fino a diventare il gigante che è oggi.

NVIDIA è passata da un’azienda di semiconduttori di nicchia specializzata in schede grafiche a un gigante tecnologico in prima linea nella rivoluzione dell’IA e nella enorme quantità di hardware di cui ha bisogno.

Ciò è stato ottenuto grazie allo sviluppo di CUDA, un’interfaccia di programmazione a scopo generale per le GPU di NVIDIA, aprendo la porta a usi diversi dal gaming.

“I ricercatori hanno capito che acquistando questa scheda da gaming chiamata GeForce, la si aggiunge al proprio computer e si ottiene sostanzialmente un supercomputer personale. Dinamica molecolare, elaborazione sismica, ricostruzione TC, elaborazione di immagini—una serie di diverse applicazioni.”

Jensen Huang, in an interview with Sequoia

Questa più ampia adozione delle GPU, e più specificamente dell’hardware NVIDIA, ha creato un ciclo di retroazione positivo basato sugli effetti di rete: più usi, più utenti finali e programmatori che lo conoscono, più vendite, più budget R&D, più accelerazione nella velocità di calcolo, più usi, ecc.

Oggi, la base installata comprende centinaia di milioni di GPU CUDA.

Un’altra cosa notevole dell’evoluzione della potenza di calcolo AI è che segue una legge esponenziale invece della più lineare legge di Moore per le CPU. Questo perché non solo l’hardware delle GPU sta migliorando, ma la potenza di elaborazione richiesta è diminuita grazie a miglioramenti radicali nel modo in cui le reti neurali vengono addestrate.

Simile a come ha distribuito CUDA per le applicazioni di reti neurali, Nvidia ha rilasciato CUDA-Q per la computazione quantistica, offrendo un sistema cloud quantistico dove è possibile noleggiare capacità di calcolo quantistico NVIDIA tramite un servizio cloud.

Include anche tecnologie come cuQuantum di NVIDIA per i ricercatori che vogliono emulare computer quantistici, cuPQC per la crittografia quantistica e DGX Quantum per l’integrazione del calcolo classico e quantistico.

Nel complesso, NVIDIA è in prima linea nella costruzione di un ecosistema di computazione quantistica, capitalizzando sulla sua posizione di leader nell’IA e nell’hardware IA.

Se NVIDIA riuscisse a creare un intero nuovo segmento nella computazione quantistica oltre al suo attuale business GPU e IA, potrebbe continuare a crescere con l’applicazione esponenziale della computazione quantistica per molti altri anni.

Riferimento allo Studio:

^{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}