Ny forståelse av magnetisme kan fremme superledere og kvantedatamaskiner

Ny materiale for nye magnetiske teorier

Den mest lovende forskningen innen materialvitenskap kan være alt som er relatert til elektromagnetisme på kvanteskala. Dette skyldes at den har potensial til å radikalt endre hvordan vi lager materialer for mange høyteknologiske anvendelser som hver kan forandre verden:

• Kvantedatabehandling.
• Kjernfusjon.
• Romtemperatur-superledere.

Og vi lærer fortsatt mye om hva magnetisk materiale kan bestå av. For eksempel var det først i 2022 at et forskerteam ved Rice University oppdaget at «kagome material», en type metallisk krystall, had surprising magnetic properties.

Den 18^th oktober 2024 kunngjorde de samme forskerne et nytt gjennombrudd innen dette feltet, og publiserte resultatene i Nature Communications under tittelen «Vedvarende flatbåndsplitting og sterk selektiv båndrenormalisering i en kagome-magnettynnfilm¹».

Arbeidet ble utført i samarbeid med forskere ved University of West Bohemia (Tsjekkia), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA) og Los Alamos National Laboratory (USA).

Kagome-materiale

Før vi diskuterer den nyeste publikasjonen, må vi forklare litt om hva kagome-materialer er.

Den får navnet sitt fra kagome-vevemønsteret som brukes i tradisjonelt japansk håndverk, eller triheksagonal flislegging, med overlappende trekanter og store heksagonale hull.

Kilde: Research Gate

På lignende måte er kagome-materialer, for eksempel magnetiske jern-germaniumkrystaller, organisert i dette mønsteret på atomnivå. Siden de første oppdagelsene har man innsett at jern-tinn tynnfilm (FeSn) viser en struktur som er mye nærmere det ideelle kagome-gitteret.

Kilde: Rice University

Unike magnetiske egenskaper

Allerede i 2022 ble unike egenskaper ved kagome-materialet lagt merke til:

• Magnetiske effekter krever at elektroner strømmer rundt kagome-trianglene, lik superledningsfenomener.
  • Selv om det er ulikt andre former for “ekte” superledning, er det sikkert kjent at denne effekten kan vedvare ved romtemperatur & normale trykkforhold.
• Tilstedeværelsen av en “charge density wave”, hvor elektronene “smelter” sammen til en kollektiv bølge som samlet bærer en elektrisk strøm.
  • I motsetning til “normal” superledning kommer dette i spisser, som vann som drypper fra en kran snarere enn en kontinuerlig elektronstrøm.
• Til tross for å vise charge density wave, viser Kagome-materialet også magnetiske egenskaper, vanligvis to uforenlige egenskaper.

Alt i alt kan den svært organiserte naturen til kagome-materialer gjøre dem lettere å studere fenomener på kanten av vår forståelse av elektromagnetisme, som «unconventional superconductivity» eller «the continual fluctuations between magnetic states in quantum spin liquids».

“På et tidspunkt vil du kunne si, ‘Jeg vil lage et materiale med bestemte oppføringer og egenskaper.’ Jeg tror kagome er en god plattform i den retningen, fordi det finnes måter å gjøre direkte spådommer, basert på krystallstrukturen, om hvilken type båndstruktur du vil få og dermed om fenomenene som kan oppstå basert på den båndstrukturen. Det har mange av de rette ingrediensene.”

Ming Yi – førsteamanuensis, fysikk og astronomi ved Rice University

Nye innsikter i kagome-materialet

Hittil har de eksisterende teoriene om magnetisme i kagome-metaller antatt at itinerante elektroner drev den magnetiske oppførselen. Den nye publikasjonen avslører imidlertid at FeSns magnetiske egenskaper stammer fra lokaliserte elektroner, ikke de mobile elektronene forskerne tidligere antok var ansvarlige.

For å oppnå denne innsikten brukte forskerne avanserte verktøy som molekylær stråleepitasjon og vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi for å lage og analysere FeSn tynnfilmer av høy kvalitet.

Kilde: Nature

Oppdagelsen indikerer også at magnetismen og elektronkorrelasjonene i kagome-magneter arbeider sammen i et komplekst samspill.

Anvendelser

Først er implikasjonene av denne oppdagelsen litt vanskelige å forstå for ikke-fysikere.

Den første konsekvensen er at det åpner veien til bedre forståelse av lignende materialer, som det fortsatt ikke fullt forståtte potensialet høytemperatur-superledere. Dette er et felt hvor praksis ligger foran teorien på mange områder.

“Sterkt korrelerte materialer er mer utfordrende. Det mangler en kobling mellom teori og måling.

Så, det er ikke bare vanskelig å finne materialer som både er sterkt korrelerte og topologiske, men når du finner dem og måler dem, er det også svært vanskelig å knytte det du måler til en teoretisk modell som forklarer hva som skjer.

Ming Yi – førsteamanuensis, fysikk og astronomi ved Rice University

Et annet felt som kan ha stor nytte av denne forskningen er kvantedatabehandling.

Mer spesifikt kan det brukes til å lage “kvante‑logiske porter”, en nøkkelkomponent i kvantedatamaskiner som for øyeblikket er vanskelig å lage og bruke.

“For svakt korrelerte materialer som de originale topologiske isolatorene, fungerer førsteprinsippsberegninger veldig bra.

Bare basert på hvordan atomene er arrangert, kan du beregne hvilken type båndstruktur du kan forvente. Det finnes en veldig god vei fra et materialdesignperspektiv. Du kan til og med forutsi materialenes topologi.

Ming Yi – førsteamanuensis, fysikk og astronomi ved Rice University

Investere i avanserte magnetiske materialer

Superledning og tilhørende fysikkfenomener vil sannsynligvis bli en stor sak både innen vitenskap og teknologibransjen i de kommende årene. Dette skyldes at enorm eksperimentell fremgang har blitt gjort de siste fem årene, som vi beskrev i «Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution».

Dette inkluderer ikke bare kagome-materialene vi diskuterte her, men også pyrolytic graphite, 2D‑grensesnitt superleder, og romtemperatur‑superleder LK-99.

Du kan investere i superlederrelaterte selskaper gjennom mange meglere, og du kan finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, UK, og mange andre land på securities.io.

Du kan også lære mer om selskaper som er aktive innen dette feltet i våre artikler «Top 10 Non‑Silicon Computing Companies» og «Top 10 Nanotechnology Stocks».

Kvantedatamaskin‑selskaper

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledende kraften bak kommersialiseringen av den første mainframe‑datamaskinen. Imidlertid har den falt bak i produksjonsvolumet sammenlignet med andre teknologigiganter som Apple (AAPL ), TSMC og NVIDIA (NVDA ).

Den er imidlertid i frontlinjen av utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127‑qubit “Eagle” kvantedatamaskin, som ble etterfulgt av et 433‑qubit system kjent som “Osprey”.

Og dette er nå etterfulgt av “Condor”, en 1 121 superledende qubit kvanteprosessor basert på cross‑resonance gate‑teknologi, sammen med “Heron”, en kvanteprosessor i spissen av feltet.

Kvantedatamaskiner kan dra nytte av forbedret magnetisk kontroll, som forbedrer qubit‑stabilitet og pålitelighet, noe som er essensielt for prosesseringskraft.

Tilsvarende kan fremskritt innen superledere, som er avhengige av kontrollerte magnetfelt, føre til mer effektive energioverførings‑ og kjølesystemer, spesielt ved høyere temperaturer.

IBM er involvert i de fleste av de andre banebrytende innovasjonene innen databehandling og halvlederindustrien. Disse inkluderer ledende organiske materialer, nevromorfisk databehandling, fotoniikk, osv.

I noen grad har IBM blitt et “patent‑selskap” med ekspertise i å utvikle nye databehandlingsmetoder og lisensiere dem til industrien.

Hittil ser det ut til å være svært bestemt på å ha så mange nøkkelpatenter som mulig innen alle ikke‑silikon databehandlingsmetoder, og gjenskaper sin tidligere suksess ved å bidra massivt til utviklingen av halvlederindustrien til den giganten den er i dag.

NVIDIA har utviklet seg fra et nisje‑halvlederselskap som spesialiserte seg på grafikkort til en teknologigigant i frontlinjen av AI‑revolusjonen og den enorme mengden maskinvare den krever.

Dette ble oppnådd gjennom utviklingen av CUDA, et generelt programmeringsgrensesnitt for NVIDIAs GPU‑er, som åpnet døren for andre bruksområder enn spilling.

“Forskerne innså at ved å kjøpe dette spillkortet kalt GeForce, legger du det til datamaskinen din, og du har i praksis en personlig superdatamaskin. Molekylær dynamikk, seismisk prosessering, CT‑rekonstruksjon, bildebehandling – en hel rekke forskjellige ting.”

Jensen Huang, i et intervju med Sequoia

Dette bredere adopsjonen av GPU‑er, og mer spesifikt NVIDIAs maskinvare, skapte en positiv tilbakemeldingssløyfe basert på nettverkseffekter: jo flere bruksområder, jo flere sluttbrukere og programmerere som er kjent med den, jo flere salg, jo større FoU‑budsjett, jo mer akselerasjon i databehandlingshastighet, jo flere bruksområder, osv.

Kilde: Nvidia

I dag inkluderer den installerte basen hundrevis av millioner av CUDA GPU‑er.

En annen bemerkelsesverdig ting ved utviklingen av AI‑datakraft er at den følger en eksponentiell lov i stedet for den mer lineære Moores lov for CPU. Dette skyldes at ikke bare GPU‑maskinvaren blir bedre, men også den nødvendige prosesseringskraften har blitt redusert gjennom radikale forbedringer i hvordan nevrale nettverk trenes.

Kilde: NVIDIA

Selv om NVIDIA er en leder innen GPU og AI, er NVIDIA er også svært aktiv i å utvikle kvantedatabehandling til en ny vekstmotor.

På samme måte som de distribuerte CUDA for nevrale nettverksapplikasjoner, har Nvidia lansert CUDA‑Q for kvantedatabehandling, som tilbyr et kvante‑skylletjeneste hvor du kan leie NVIDIAs kvantedatabehandlingskapasitet via en skyløsning.

Kilde: NVIDIA

Dette inkluderer også teknologi som NVIDIAs cuQuantum for forskere å emulere kvantedatamaskiner, cuPQC for kvantekryptering, og DGX Quantum for integrasjon av både klassisk og kvantedatabehandling.

Alt i alt er NVIDIA i frontlinjen av å bygge et kvantedatabehandlingsøkosystem, og utnytter sin posisjon som leder innen AI og AI‑maskinvare.

Kilde: NVidia

Hvis NVIDIA klarer å skape et helt nytt segment innen kvantedatabehandling utover sin eksisterende GPU‑ og AI‑virksomhet, kan de fortsette å vokse med den eksponentielle anvendelsen av kvantedatabehandling i mange år fremover.

Studierreferanse:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Vedvarende flatbåndsplitting og sterk selektiv båndrenormalisering i en kagome‑magnettynnfilm. Nature Communications, 15, Article 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}