재료 과학
새로운 자성 이해가 초전도체와 양자 컴퓨터를 발전시킬 수 있다
새로운 자성 이론을 위한 새로운 물질
자성과 관련된 연구 중 가장 유망한 분야는 양자 규모에서 전자기학을 다루는 것입니다. 이는 많은 고기술 응용 분야에서 재료를 구축하는 방식을 근본적으로 변경할 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문입니다:
- 양자 컴퓨팅.
- 핵융합.
- 실온 초전도체.
우리는 여전히 자성 물질이 무엇으로 구성될 수 있는지에 대해 많은 것을 배우고 있습니다. 예를 들어, 2022년에 라이스 대학교의 연구자 팀은 “카고메 물질“이라고 불리는 금속 결정을 발견했는데, 이는 “놀라운 자성 특성“을 가지고 있었습니다.
2024년 10월 18일, 같은 연구자들은 이 분야에서 새로운 돌파구를 발표했으며, 결과를 “카고메 자석 박막에서 지속적인 평면 밴드 분할 및 강한 선택적 밴드 재규명“라는 제목으로 네이처 커뮤니케이션에 발표했습니다.
이 연구는 체코共和国의 웨스트 보헤미아 대학교, 이스라엘의 레호보트 과학 연구소, 미국의 브룩해븐 국립 연구소, 미국의 로스 알라모스 국립 연구소의 연구자들과 공동으로 수행되었습니다.
카고메 물질
最新의 연구 결과를 논의하기 전에, 카고메 물질이 무엇인지 약간 설명해야 합니다.
카고메 물질은 전통적인 일본 공예에서 사용되는 카고메 직조 패턴 또는 삼각형과 큰 육각형 공백이 있는 삼각형 타일링에서 이름을 따왔습니다.
출처: Research Gate
유사하게, 카고메 물질은 철-게르마늄 결晶과 같이 원자 수준에서 이 패턴으로 조직됩니다. 초기 발견 이후, 철-주석 박막(FeSn)이 이상적인 카고메 격자 구조와 더 가까운 구조를 나타낸다는 것이 밝혀졌습니다.
출처: Rice University
유일한 자성 특성
이미 2022년에 카고메 물질의 고유한 특성이 발견되었습니다:
- 자성 효과는 전자가 카고메 삼각형 주위를 흐르도록 요구되며, 이는 초전도성과 유사합니다.
- 다른 형태의 “진짜” 초전도성과 달리, 이 효과는 실온 및 정상 압력 조건에서 지속될 수 있다는 것이 확실히 알려져 있습니다.
- “전하 밀도 파동“의 존재, 여기서 전자들이 집합적인 파동으로 합쳐져 전기 전류를 운반합니다.
- “일반적인” 초전도성과 달리, 이는 연속적인 전자 흐름보다는 물이 수도꼭지에서 떨어지는 것과 같은 스파이크 형태로 나타납니다.
- 전하 밀도 파동을 나타내는 것과 동시에, 카고메 물질은 자성 특성을 나타내며, 이는 일반적으로 양립할 수 없는 두 가지 특성입니다.
전반적으로, 카고메 물질의 매우 조직화된 본질은 초전도성이나 양자 스핀 액체와 같은 전자기학의 가장자리에 있는 현상을 연구하기 쉽게 만들 수 있습니다.
“어느 시점에, 특정한 행동과 특성을 가진 물질을 만들 수 있다고 말하고 싶습니다.
나는 카고메가 그 방향으로 좋은 플랫폼이라고 생각합니다. 왜냐하면 결정 구조에 기반하여 밴드 구조에 대한 직접적인 예측을 할 수 있으며, 따라서 그 밴드 구조에서 발생할 수 있는 현상에 대해 예측할 수 있기 때문입니다. 그것은 많은 올바른 성분을 가지고 있습니다.”
Ming Yi – 라이스 대학교 물리학 및 천문학 부교수
카고메 물질에 대한 새로운 통찰
지금까지, 카고메 금속에서 자성에 대한 기존 이론은遊動 전자가 자성 행동을 구동한다고 가정했습니다. 그러나 새로운 연구는 FeSn의 자성 특성이遊動 전자가 아닌 국소화된 전자에서 비롯됨을 보여줍니다.
이 통찰을 얻기 위해, 연구자들은 분자 빔 에피택시와 각度 분해 광전자 분광법과 같은 고급 도구를 사용하여 높은 品질의 FeSn 박막을 생성하고 분석했습니다.
출처: 네이처
이 발견은 또한 카고메 자석에서 자성과 전자 상관관계가 복잡한 상호 작용으로 작용한다는 것을 나타냅니다.
응용
처음에는 이 발견의 의미가 비물리학자에게는 다소 어려울 수 있습니다.
첫 번째 결과는 이 발견이 유사한 물질, 예를 들어 “아직 완전히 이해되지 않은 고온 초전도체의 잠재력“을 더 잘 이해하는 길을 열어줍니다. 이는 이론이 실제보다 앞서 있는 많은 분야입니다.
“강하게 상관된 물질은 더 어렵습니다. 이론과 측정 사이에 연결이 없습니다.
따라서 강하게 상관된 물질과 토포로지컬 물질을 찾는 것은 어렵고, 찾고 측정할 때도 理論 모델이 무엇이 발생하는지 설명하는 데 연결하기가 매우 어렵습니다.”
Ming Yi – 라이스 대학교 물리학 및 천문학 부교수
또 다른 분야로 이 연구가 크게 도움이 될 수 있는 분야는 양자 컴퓨팅입니다.
보다 구체적으로, 이는 “양자 논리 게이트”를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 현재 어려운 양자 컴퓨터의 핵심 구성 요소입니다.
“약하게 상관된 물질인 원래 토포로지컬 절연체의 경우, 첫 번째 원리 계산이 매우 잘 작동합니다.
원子的 배열에 기반하여 기대되는 밴드 구조를 계산할 수 있습니다. 재료 설계 관점에서 매우 좋은 경로가 있습니다.甚至 물질의 토포로지를 예측할 수 있습니다.”
Ming Yi – 라이스 대학교 물리학 및 천문학 부교수
고급 자성 물질에 투자하기
초전도성과 관련된 물리 현상은 과학 및 기술 산업에서 향후 수년간 큰 문제가 될 것입니다. 이는 최근 5년 동안 실험적 진행이 크게 이루어졌기 때문입니다. 이는 “초전도성의 진행: 새로운 기술 혁명의 길을 열다“에서 설명한 바와 같이, 카고메 물질뿐만 아니라 피로리틱 그래파이트, 2D 인터페이스 초전도체, 실온 초전도체 LK-99 등이 포함됩니다.
초전도체 관련 회사에 투자할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 또한 미국, 캐나다, 호주, 영국 등 다양한 국가에서 최고의 브로커를 찾을 수 있습니다.
양자 컴퓨팅 회사
(IBM )
인터내셔널 비즈니스 머신즈 코퍼레이션(IBM)은 최초의 메인프레임 컴퓨터의 상업화를 주도한 회사였습니다. 그러나 현재는 애플, TSMC, NVIDIA 등 다른 기술 거인들에 비해 생산량에서 뒤처졌습니다.
그러나 양자 컴퓨터 개발에서는 앞서있는 회사입니다. 예를 들어, 127キュ비트 “이글” 양자 컴퓨터를 개발했으며, 이후 433キュ비트 시스템인 “오스프레이”를 개발했습니다.
그리고 이제는 “콘도르“라고 불리는 1,121 슈퍼컨덕팅 큐비트 양자 프로세서를 개발했습니다. 이는 크로스 레조넌스 게이트 기술을 기반으로 하며, “헤론”이라고 불리는 양자 프로세서도 개발했습니다.
양자 컴퓨터는 개선된 자성 제어를 통해 큐비트의 안정성과 신뢰성을 높일 수 있습니다. 이는 처리 능력에 필수적입니다.
또한 초전도체의 발전은 제어된 자성 필드를 기반으로 하므로, 특히 높은 온도에서 더 효율적인 에너지 전송 및 냉각 시스템을 실현할 수 있습니다.
IBM은 컴퓨팅과 반도체 산업의 대부분의 다른 최첨단 혁신에도 참여하고 있습니다. 이는 전도성 유기 물질, 신경 모사 컴퓨팅, 포토닉스 등이 포함됩니다.
어떤 정도로 IBM은 “특허 회사”가 되었습니다. 새로운 컴퓨팅 방법을 개발하고 산업에 라이선스를 부여하는 전문가가 되었습니다.
현재까지 IBM은 비실리콘 컴퓨팅 방법의 대부분의 핵심 특허를 보유하는 것에 매우 결정적입니다. 과거에 반도체 산업을 오늘날의 거대 산업으로 발전시키는 데 크게 기여한 것과 같은 성공을 반복하고자 합니다.
(NVDA )
NVIDIA는 그래픽 카드 전문 회사에서 시작하여 AI 혁명의 핵심이 된 기술 회사로 성장했습니다.
이는 CUDA라는 NVIDIA의 GPU를 위한 일반적인 목적의 프로그래밍 인터페이스를 개발하여 게임以外의 용도로도 사용할 수 있게 된 것입니다.
“연구자들은 게이밍 카드인 지포스를 구매하여 컴퓨터에 추가하면 사실상 개인용 슈퍼컴퓨터를 가지게 된다는 것을 알게 되었습니다. 분자 동력学, 지진 처리, CT 재구성, 이미지 처리 등 다양한 용도로 사용할 수 있게 되었습니다.”
이러한 GPU의 더广い 채택, 특히 NVIDIA 하드웨어의 채택은 네트워크 효과를 기반으로 하는 양의 반복적인 피드백 루프를 생성했습니다: 더 많은 용도, 더 많은 최종 사용자와 프로그래머, 더 많은 판매, 더 많은 연구 개발 예산, 더 빠른 컴퓨팅 속도, 더 많은 용도 등.
출처: Nvidia
오늘날, 설치된 CUDA GPU의 수는 수백만 대에 달합니다.
AI 컴퓨팅 파워의 발전은 또한 놀라운 것입니다. 이는 GPU 하드웨어의 개선뿐만 아니라 신경망을 훈련하는 방식의 급격한 개선으로 인해 처리 파워의 요구가 감소했기 때문입니다.
출처: NVIDIA
NVIDIA는 GPU와 AI의 리더이지만, “양자 컴퓨팅을 새로운 성장 엔진으로 개발하는 데에도 매우 적극적“입니다.
NVIDIA는 CUDA-Q를 출시하여 양자 컴퓨팅용 클라우드 시스템을 제공하고 있습니다. 여기서 NVIDIA의 양자 컴퓨팅 능력을 클라우드 서비스를 통해 대여할 수 있습니다.
출처: NVIDIA
또한 연구자들이 양자 컴퓨터를 에뮬레이션할 수 있는 cuQuantum, 양자 암호화용 cuPQC, 고전적 및 양자 컴퓨팅의 통합을 위한 DGX Quantum과 같은 기술을 제공하고 있습니다.
전반적으로, NVIDIA는 양자 컴퓨팅 생태계를 구축하는 데 앞장서고 있으며, AI와 AI 하드웨어의 리더로서의 지위를 활용하고 있습니다.
출처: NVidia
NVIDIA가 양자 컴퓨팅 분야에서 새로운 세그먼트를 창출할 수 있다면, 이는 향후 수년간 지속적인 성장을 의미할 것입니다.
연구 참고:
1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). 카고메 자석 박막에서 지속적인 평면 밴드 분할 및 강한 선택적 밴드 재규명. 네이처 커뮤니케이션, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3
