材料科学

磁気の新たな理解が超伝導体と量子コンピュータを前進させる可能性

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新しい磁気理論のための新素材

最も有望な材料科学の研究は、量子スケールでの電磁気に関わるものすべてかもしれません。これは、さまざまなハイテク応用向けの材料構築方法を根本的に変え、世界を変える可能性があるからです:

  • 量子コンピューティング。
  • 核融合。
  • 常温超伝導体。

そして、磁性材料が何からできるかについてはまだ多くを学んでいます。例えば、2022年にリース大学の研究チームが「kagome material」という金属結晶が、驚くべき磁気特性を持つことを発見したのは最近のことです。

2024年10月18th に、同じ研究者たちはこの分野で新たなブレークスルーを発表し、Nature Communicationsに「Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film1」というタイトルで結果を掲載しました。

この研究は、チェコ共和国の西ボヘミア大学、イスラエルのレホヴォト科学研究所、米国のブルックヘブン国立研究所、ロスアラモス国立研究所の研究者と共同で行われました。

kagome材料

最新の出版物について議論する前に、kagome材料が何であるかを少し説明しなければなりません。

その名前は、日本の伝統工芸で用いられるカゴメ織り模様、あるいは三角形と六角形が重なり合うトライヘキサゴナルタイルリングに由来しています。

同様に、例えば磁性の鉄‑ゲルマニウム結晶のようなkagome材料は、原子レベルでこのパターンに組織化されています。初期の発見以来、鉄‑スズ薄膜（FeSn）が理想的なkagome格子に非常に近い構造を示すことが分かっています。

独自の磁気特性

すでに2022年、kagome材料の独特な特性が注目されていました:

  • 磁気効果は、電子がkagomeの三角形の周りを流れることを必要とし、超伝導に似ています。
    • 他の「真の」超伝導とは異なりますが、この効果が常温・常圧条件でも持続できることは確実に知られています。
  • 電子が互いに「合体」して集団的な波となり、電流を運ぶ「電荷密度波」が存在します。
    • 「通常」の超伝導とは異なり、これは連続的な電子流というよりも、蛇口から滴る水のようにスパイク的に現れます。
  • 電荷密度波を示すにもかかわらず、kagome材料は通常は相容れない2つの磁気特性も示します。

全体として、kagome材料の極めて組織化された性質は、電磁気学の理解の最前線にある現象、例えば「非従来型超伝導」や「量子スピン液体における磁的状態の継続的な揺らぎ」を研究しやすくする可能性があります。

“ある時点で、特定の挙動と特性を持つ材料を作りたい、と言えるようになりたいです。”

「kagomeはその方向への良いプラットフォームだと思います。結晶構造に基づいて、得られるバンド構造やそれに起因する現象を直接予測できる方法があるからです。必要な要素が多く揃っています。」

Ming Yi – リース大学 物理学・天文学 准教授

kagome材料に関する新たな洞察

これまで、kagome金属における磁性は、移動電子が磁気挙動を駆動するとする理論が主流でした。しかし、新しい出版物は、FeSn の磁気特性が、従来考えられていた移動電子ではなく、局在電子に起因することを明らかにしています。

この洞察を得るために、研究者は分子ビームエピタキシーや角度分解光電子分光法といった高度な手法を用いて、高品質な FeSn 薄膜を作製・解析しました。

出典: Nature

この発見は、kagome磁性体における磁性と電子相関が複雑に相互作用していることも示唆しています。

応用

まず、この発見の意味は物理学者でない人にはやや把握しにくいです。

最初の結果として、まだ完全に理解されていない潜在的な高温超伝導体のような類似材料をよりよく理解する道が開かれます。これは、実践が理論に先行している分野です。

“強く相関した材料はより挑戦的です。理論と測定の間に結びつきが欠けています。

したがって、強く相関しトポロジカルな材料を見つけること自体が難しいだけでなく、見つけて測定した際に、測定結果とそれを説明する理論モデルを結びつけることも非常に困難です。」

Ming Yi – リース大学 物理学・天文学 准教授

この研究から大きな恩恵を受ける可能性がある別の分野は量子コンピューティングです。

より具体的には、現在作製・利用が困難な量子コンピュータの重要な構成要素である「量子論理ゲート」の作成に利用できる可能性があります。

“弱く相関した材料、例えば元のトポロジカル絶縁体のようなものでは、第一原理計算が非常にうまく機能します。

原子の配列だけに基づいて、期待されるバンド構造を計算できます。材料設計の観点から非常に良い道筋があります。材料のトポロジーさえも予測できます。」

Ming Yi – リース大学 物理学・天文学 准教授

先進的磁性材料への投資

超伝導とそれに関連する物理現象は、今後数年で科学界と技術産業の両方で大きな注目を集める可能性があります。これは、過去5年間で実験的な大きな進展があったためであり、私たちが「超伝導の進展：新たな技術革命への道」で述べた通りです。

ここで議論したkagome材料だけでなく、ピロリティックグラファイト、2D界面超伝導体、そして常温超伝導体 LK-99も含まれます。

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この分野で活動する企業については、当サイトの記事「トップ10 非シリコンコンピューティング企業」および「トップ10 ナノテクノロジー株」でも詳しく学べます。

量子コンピューティング企業

IBM 価格チャート

International Business Machines Corporation (IBM ) （IBM）は、最初のメインフレームコンピュータの商業化を牽引した主要企業でした。しかし、Apple (AAPL ), TSMC、NVIDIA (NVDA ) のような他のテックジャイアントに比べて生産量で遅れを取っています。

しかしながら、量子コンピュータの開発の最前線にあります。例えば、127量子ビットの「Eagle」量子コンピュータを開発し、その後「Osprey」と呼ばれる433量子ビットのシステムを続けて発表しました。

そして現在は、「Condor」— 1,121 超伝導量子ビットの量子プロセッサ（クロスレゾナンスゲート技術に基づく）と、分野最前線の「Heron」量子プロセッサが続いています。

量子コンピュータは磁気制御の向上により、量子ビットの安定性と信頼性が高まり、計算能力に不可欠です。

同様に、制御された磁場に依存する超伝導体の進歩は、特に高温でのエネルギー伝送と冷却システムの効率化につながります。

IBMは、コンピューティングと半導体産業の他の最先端イノベーションの多くにも関与しています。これらには、導電性有機材料、ニューロモルフィックコンピューティング、フォトニクス、etc.

ある程度、IBMは新しい計算手法を開発し、業界にライセンス提供する「特許会社」になっています。

これまでのところ、シリコン以外の計算手法に関する重要特許をできるだけ多く保有しようと非常に意欲的であり、半導体産業を巨大に育て上げた過去の成功を再現しようとしています。

NVDA 価格チャート

NVIDIAは、グラフィックカードに特化したニッチな半導体企業から、AI革命の最前線に立ち、膨大なハードウェアを必要とするテックジャイアントへと進化しました。

これは、NVIDIA の GPU 用汎用プログラミングインターフェースである CUDA の開発により実現し、ゲーム以外の用途への道を開きました。

“研究者は、GeForce と呼ばれるこのゲーミングカードを購入してコンピュータに追加するだけで、実質的に個人用スーパーコンピュータを手に入れたことになると気づきました。分子動力学、地震処理、CT 再構成、画像処理など、さまざまな分野に活用できます。”

Jensen Huang、Sequoia とのインタビューで

GPU、特に NVIDIA ハードウェアの広範な採用は、ネットワーク効果に基づく正のフィードバックループを生み出しました：利用が増えるほどユーザーとプログラマーが増え、販売が増え、研究開発予算が増え、計算速度が加速し、さらに利用が増える、という循環です。

出典: Nvidia

現在、インストールベースには数億台の CUDA GPU が含まれています。

AI 計算能力の進化で注目すべき点は、CPU の比較的線形的なムーアの法則とは異なり、指数関数的な法則に従っていることです。これは、GPU ハードウェアが向上するだけでなく、ニューラルネットワークの学習方法が根本的に改善されたことで、必要な処理能力が大幅に低減したためです。

出典: NVIDIA

GPU と AI のリーダーである一方、NVIDIA は量子コンピューティングを新たな成長エンジンとして開発することにも非常に積極的です。

CUDA をニューラルネットワークに展開したのと同様に、Nvidia は量子コンピューティング向けに CUDA-Q をリリースし、クラウドサービスを通じて NVIDIA の量子コンピューティング容量をレンタルできる量子クラウドシステムを提供しています。

出典: NVIDIA

これには、研究者が量子コンピュータをエミュレートするための NVIDIA の cuQuantum、量子暗号化の cuPQC、古典コンピューティングと量子コンピューティングの統合を実現する DGX Quantum といった技術も含まれます。

全体として、NVIDIA は AI と AI ハードウェアのリーダーとしての地位を活かし、量子コンピューティングエコシステムの構築の最前線に立っています。

出典: NVidia

NVIDIA が既存の GPU と AI ビジネスを超えて量子コンピューティングの全く新しいセグメントを創出できれば、量子コンピューティングの指数的な応用により、今後何年も成長し続ける可能性があります。

研究参考文献:

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, 記事 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。