Nieuwe Inzichten in Magnetisme Kunnen Supergeleiders en Kwantumcomputers Vooruithelpen

Nieuw Materiaal Voor Nieuwe Magnetische Theorieën

De meest veelbelovende onderzoeken op het gebied van materiaalkunde kunnen alles omvatten dat met elektromagnetisme op kwantumschaal te maken heeft. Dit komt omdat het de potentie heeft om radicaal te veranderen hoe we materialen bouwen voor vele high‑tech toepassingen die elk de wereld kunnen veranderen:

• Kwantumcomputing.
• Kernfusie.
• Supergeleiders op kamertemperatuur.

En we leren nog steeds veel over waar magnetisch materiaal uit kan bestaan. Bijvoorbeeld, pas in 2022 ontdekte een team onderzoekers van Rice University dat “kagome material“, een type metalen kristal, verrassende magnetische eigenschappen had.

Op 18^th oktober 2024 kondigden dezelfde onderzoekers een nieuwe doorbraak in dit veld aan, en publiceerden hun resultaten in Nature Communications onder de titel “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film”.

Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de University of West Bohemia (Tsjechië), Rehovot Institute of Science (Israël), Brookhaven National Lab (VS) en Los Alamos National Laboratory (VS).

Kagome Materiaal

Voordat we de meest recente publicatie bespreken, moeten we kort uitleggen wat kagome‑materialen zijn.

De naam is afgeleid van het kagome‑weefpatroon dat wordt gebruikt in traditionele Japanse ambachten, of trihexagonale betegeling, met overlappende driehoeken en grote hexagonale openingen.

Bron: Research Gate

Op een vergelijkbare manier zijn kagome‑materialen, bijvoorbeeld magnetische ijzer‑germaniumkristallen, op atomair niveau in dit patroon georganiseerd. Sinds de eerste ontdekkingen is duidelijk geworden dat ijzer‑tin dunne film (FeSn) een structuur vertoont die veel dichter bij het ideale kagome‑rooster ligt.

Bron: Rice University

Unieke Magnetische Eigenschappen

Al in 2022 werden unieke eigenschappen van het kagome‑materiaal opgemerkt:

• Magnetische effecten vereisen dat elektronen rond de kagome‑driehoeken stromen, vergelijkbaar met supergeleiding.
  • Hoewel dit verschilt van andere vormen van “ware” supergeleiding, is het zeker bekend dat dit effect kan blijven bestaan bij kamertemperatuur & normale drukcondities.
• De aanwezigheid van een “charge density wave”, waarbij de elektronen “samensmelten” tot een collectieve golf die gezamenlijk een elektrische stroom draagt.
  • In tegenstelling tot “normale” supergeleiding, komt dit in pieken, zoals water dat druppelt uit een kraan in plaats van een continue elektronenstroom.
• Ondanks het vertonen van een charge density wave, toont Kagome‑materiaal ook magnetische eigenschappen, meestal twee incompatibele eigenschappen.

Over het geheel genomen zou de zeer geordende aard van kagome‑materialen het gemakkelijker kunnen maken om fenomenen te bestuderen op het uiterste van ons begrip van elektromagnetisme, zoals “onconventionele supergeleiding” of “de voortdurende fluctuaties tussen magnetische toestanden in quantum‑spin‑vloeistoffen”.

“Op een gegeven moment wil je kunnen zeggen: ‘Ik wil een materiaal maken met bepaalde gedragingen en eigenschappen.’

Ik denk dat kagome een goed platform is in die richting, omdat er manieren zijn om directe voorspellingen te doen, gebaseerd op de kristalstructuur, over het soort bandstructuur dat je krijgt en dus over de fenomenen die kunnen ontstaan op basis van die bandstructuur. Het heeft veel van de juiste ingrediënten.”

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

Nieuwe Inzichten in Kagome Materiaal

Tot nu toe gingen de bestaande theorieën over magnetisme in kagome‑metalen ervan uit dat itinerante elektronen het magnetisch gedrag aandreven. De nieuwe publicatie onthult echter dat de magnetische eigenschappen van FeSn voortkomen uit gelokaliseerde elektronen, niet uit de mobiele elektronen die wetenschappers eerder als verantwoordelijk beschouwden.

Om dit inzicht te verkrijgen, gebruikten de onderzoekers geavanceerde instrumenten zoals moleculaire straal epitaxie en hoek-resolved foto-emissiespectroscopie om hoogwaardige FeSn‑dunne films te creëren en te analyseren.

Bron: Nature

De ontdekking geeft ook aan dat het magnetisme en de elektronen‑correlaties in kagome‑magneten samenwerken in een complexe wisselwerking.

Toepassingen

In eerste instantie zijn de implicaties van deze ontdekking een beetje moeilijk te doorgronden voor niet‑fysici.

Het eerste gevolg is dat het de weg opent om soortgelijke materialen beter te begrijpen, zoals het nog niet volledig begrepen potentieel van hogetemperatuursupergeleiders. Dit is een veld waarin de praktijk in veel opzichten de theorie voorloopt.

“Sterk gecorreleerde materialen zijn uitdagender. Er is een gebrek aan verbinding tussen theorie en meting.

Dus, niet alleen is het moeilijk om materialen te vinden die zowel sterk gecorreleerd als topologisch zijn, maar wanneer je ze vindt en meet, is het ook zeer moeilijk om te verbinden wat je meet met een theoretisch model dat uitlegt wat er gaande is.”

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

Een ander veld dat sterk kan profiteren van dit onderzoek is kwantumcomputing.

Meer specifiek zou het kunnen worden gebruikt om “kwantum‑logische poorten” te creëren, een cruciaal onderdeel van kwantumcomputers dat momenteel moeilijk te maken en te benutten is.

“Voor zwak gecorreleerde materialen zoals de oorspronkelijke topologische isolatoren werken eerste‑principe‑berekeningen echt goed.

Alleen al op basis van hoe de atomen zijn gerangschikt, kun je berekenen wat voor soort bandstructuur je kunt verwachten. Er is een heel goede route vanuit een materiaalkundig perspectief. Je kunt zelfs de topologie van de materialen voorspellen.”

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

Investeren in Geavanceerd Magnetisch Materiaal

Supergeleiding en bijbehorende fysische fenomenen zullen waarschijnlijk een grote rol gaan spelen in zowel de wetenschap als de technologiesector in de komende jaren. Dit komt doordat er de afgelopen vijf jaar enorme experimentele vooruitgang is geboekt, zoals we beschreven in “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution”.

Dit omvat niet alleen de hier besproken kagome‑materialen, maar ook pyrolytisch grafiet, 2D‑interface supergeleider, en room temperature superconductor LK-99.

U kunt investeren in bedrijven die gerelateerd zijn aan supergeleiders via vele brokers, en u kunt onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen op securities.io.

U kunt ook meer leren over bedrijven die actief zijn in dit veld in onze artikelen “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies” en “Top 10 Nanotechnology Stocks”.

Quantum Computing Bedrijven

International Business Machines Corporation (IBM) was de leidende kracht achter de commercialisering van de eerste mainframe‑computer. Echter, het is achtergebleven in de productievolumes ten opzichte van andere tech‑giganten zoals Apple (AAPL ), TSMC, en NVIDIA (NVDA ).

Het is echter wel voorloper in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Zo ontwikkelde het zijn 127‑qubit “Eagle” kwantumcomputer, gevolgd door een 433‑qubit systeem bekend als “Osprey”.

En dit wordt nu gevolgd door “Condor”, een 1.121 supergeleidende qubit kwantumprocessor gebaseerd op cross‑resonance‑gate‑technologie, samen met “Heron”, een kwantumprocessor aan de zeer voorste rand van het veld.

Kwantumcomputers zouden kunnen profiteren van verbeterde magnetische controle, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid van qubits toenemen, wat essentieel is voor verwerkingskracht.

Evenzo kunnen vooruitgangen in supergeleiders, die afhankelijk zijn van gecontroleerde magnetische velden, leiden tot efficiëntere energie‑overdracht en koelsystemen, met name bij hogere temperaturen.

IBM is betrokken bij de meeste andere baanbrekende innovaties in de computer‑ en halfgeleiderindustrie. Deze omvatten geleidende organische materialen, neuromorfe computing, fotonica, enz.

In zekere mate is IBM een “patent‑bedrijf” geworden met expertise in het ontwikkelen van nieuwe rekenmethoden en het licentiëren daarvan aan de industrie.

Tot nu toe lijkt het zeer vastberaden om zoveel mogelijk kern‑patenten te bezitten in alle niet‑silicon‑computermethoden die het kan krijgen, waarmee het zijn vroegere succes herhaalt toen het massaal bijdroeg aan de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie tot de reus die het vandaag is.

NVIDIA is geëvolueerd van een niche‑halfgeleiderbedrijf dat zich specialiseerde in grafische kaarten tot een tech‑reus aan de voorhoede van de AI‑revolutie en de enorme hoeveelheid hardware die daarvoor nodig is.

Dit werd bereikt door de ontwikkeling van CUDA, een algemene programmeerinterface voor de GPU’s van NVIDIA, waardoor de deur openging voor andere toepassingen dan gaming.

“Onderzoekers realiseerden zich dat door deze gaming‑kaart genaamd GeForce te kopen, je die aan je computer toevoegt en je in feite een persoonlijke supercomputer hebt. Moleculaire dynamica, seismische verwerking, CT‑reconstructie, beeldverwerking – een hele reeks verschillende dingen.”

Jensen Huang, in een interview met Sequoia

Deze bredere adoptie van GPU’s, en meer specifiek NVIDIA‑hardware, creëerde een positieve feedback‑lus gebaseerd op netwerkeffecten: hoe meer toepassingen, hoe meer eindgebruikers en programmeurs die er vertrouwd mee zijn, hoe meer verkopen, hoe groter het R&D‑budget, hoe sneller de rekenkracht, hoe meer toepassingen, enz.

Bron: Nvidia

Vandaag omvat de geïnstalleerde basis honderden miljoenen CUDA‑GPU’s.

Een ander opmerkelijk aspect van de evolutie van AI‑rekenkracht is dat deze een exponentiële wet volgt in plaats van de meer lineaire wet van Moore voor CPU’s. Dit komt omdat niet alleen de GPU‑hardware beter wordt, maar de benodigde rekenkracht is afgenomen door radicale verbeteringen in hoe neurale netwerken worden getraind.

Bron: NVIDIA

Terwijl NVIDIA leider is in GPU‑ en AI‑technologie, is NVIDIA ook zeer actief in het ontwikkelen van kwantumcomputing als een nieuwe groeimotor.

Net zoals het CUDA heeft ingezet voor neurale‑netwerk‑toepassingen, heeft Nvidia CUDA‑Q uitgebracht voor kwantumcomputing, waarmee een kwantum‑cloudsysteem wordt aangeboden waar u NVIDIA‑kwantumcomputingcapaciteit kunt huren via een cloud‑service.

Bron: NVIDIA

Dit omvat ook technologieën zoals NVIDIA’s cuQuantum voor onderzoekers om kwantumcomputers te emuleren, cuPQC voor kwantum‑encryptie, en DGX Quantum voor integratie van zowel klassieke als kwantumcomputing.

Al met al staat NVIDIA aan de voorhoede van het bouwen van een kwantumcomputing‑ecosysteem, waarbij het profiteert van zijn positie als leider in AI en AI‑hardware.

Bron: NVidia

Als NVIDIA erin slaagt een geheel nieuw segment in kwantumcomputing te creëren naast zijn bestaande GPU‑ en AI‑activiteiten, zou het kunnen blijven groeien met de exponentiële toepassing van kwantumcomputing voor vele jaren.

Studieverwijzing:

^{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, Artikel 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}