Nova Compreensão do Magnetismo Pode Avançar Supercondutores e Computadores Quânticos

Novo Material para Novas Teorias Magnéticas

A pesquisa mais promissora envolvendo ciência dos materiais pode ser qualquer coisa relacionada ao eletromagnetismo em escala quântica. Isso porque tem o potencial de mudar radicalmente a forma como construímos materiais para muitas aplicações de alta tecnologia que podem transformar o mundo:

• Computação quântica.
• Fusão nuclear.
• Supercondutores em temperatura ambiente.

E ainda estamos aprendendo muito sobre do que pode ser feito um material magnético. Por exemplo, só em 2022 uma equipe de pesquisadores da Rice University descobriu que “material kagome“, um tipo de cristal metálico, possui propriedades magnéticas surpreendentes.

Em 18 de outubro de 2024, os mesmos pesquisadores anunciaram uma nova descoberta neste campo e publicaram seus resultados na Nature Communications sob o título “Divisão persistente de banda plana e forte renormalização seletiva de banda em um filme fino magnético de kagome¹”.

O trabalho foi realizado em colaboração com pesquisadores da University of West Bohemia (República Tcheca), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (EUA) e Los Alamos National Laboratory (EUA).

Material Kagome

Antes de discutir a publicação mais recente, devemos explicar um pouco o que são os materiais kagome.

O nome vem do padrão de tecelagem kagome usado no artesanato tradicional japonês, ou ladrilhamento trihexagonal, com triângulos sobrepostos e grandes vazios hexagonais.

Fonte: Research Gate

De forma semelhante, materiais kagome como, por exemplo, cristais magnéticos de ferro‑germânio são organizados nesse padrão ao nível atômico. Desde as descobertas iniciais, percebeu‑se que o filme fino de ferro‑estanho (FeSn) apresenta uma estrutura muito mais próxima da rede kagome ideal.

Fonte: Rice University

Propriedades Magnéticas Únicas

Já em 2022, propriedades únicas do material kagome foram observadas:

• Efeitos magnéticos exigem que os elétrons circulem ao redor dos triângulos kagome, semelhante à supercondutividade.
  • Embora diferente de outras formas de supercondutividade “verdadeira”, sabe‑se com certeza que esse efeito pode persistir em temperatura ambiente e condições de pressão normal.
• A presença de uma “onda de densidade de carga”, onde os elétrons se “mesclam” em uma onda coletiva, transportando coletivamente uma corrente elétrica.
  • Ao contrário da supercondutividade “normal”, isso ocorre em picos, como água pingando de uma torneira, mais do que um fluxo contínuo de elétrons.
• Apesar de exibir onda de densidade de carga, o material kagome também apresenta propriedades magnéticas, geralmente duas propriedades incompatíveis.

Em geral, a natureza altamente organizada dos materiais kagome pode facilitar o estudo de fenômenos no limite da nossa compreensão do eletromagnetismo, como “supercondutividade não convencional” ou “as flutuações contínuas entre estados magnéticos em líquidos de spin quânticos”.

“Em algum momento, você quer poder dizer: ‘Quero fazer um material com comportamentos e propriedades específicos.’

Acho que o kagome é uma boa plataforma nessa direção, porque existem maneiras de fazer previsões diretas, com base na estrutura cristalina, sobre o tipo de estrutura de bandas que você obterá e, portanto, sobre os fenômenos que podem surgir a partir dessa estrutura de bandas. Ele tem muitos dos ingredientes corretos.”

Ming Yi – Professor Associado, Física e Astronomia na Rice University

Novas Perspectivas Sobre o Material Kagome

Até agora, as teorias existentes sobre magnetismo em metais kagome assumiam que elétrons itinerantes impulsionavam o comportamento magnético. No entanto, a nova publicação revela que as propriedades magnéticas do FeSn surgem de elétrons localizados, não dos elétrons móveis que os cientistas anteriormente acreditavam ser responsáveis.

Para alcançar essa percepção, os pesquisadores usaram ferramentas avançadas como epitaxia por feixe molecular e espectroscopia de fotoemissão angularmente resolvida para criar e analisar filmes finos de FeSn de alta qualidade.

Fonte: Nature

A descoberta também indica que o magnetismo e as correlações eletrônicas em ímãs kagome trabalham juntos em uma interação complexa.

Aplicações

Inicialmente, as implicações dessa descoberta são um pouco difíceis de compreender para quem não é físico.

A primeira consequência é que abre caminho para entender melhor materiais semelhantes, como os ainda não totalmente compreendidos supercondutores de alta temperatura. Este é um campo onde a prática está à frente da teoria em muitos aspectos.

“Materiais fortemente correlacionados são mais desafiadores. Falta uma conexão entre teoria e medição.

Portanto, não só é difícil encontrar materiais que sejam simultaneamente fortemente correlacionados e topológicos, mas quando você os encontra e os mede, também é muito difícil conectar o que está sendo medido a um modelo teórico que explique o que está acontecendo.”

Ming Yi – Professor Associado, Física e Astronomia na Rice University

Outro campo que pode se beneficiar enormemente dessa pesquisa é a computação quântica.

Mais especificamente, poderia ser usado para criar “portas lógicas quânticas”, um componente chave dos computadores quânticos que atualmente são difíceis de criar e utilizar.

“Para materiais fracamente correlacionados como os isolantes topológicos originais, cálculos de primeiros princípios funcionam muito bem.

Com base apenas na disposição dos átomos, você pode calcular que tipo de estrutura de bandas esperar. Existe um caminho realmente bom do ponto de vista de design de materiais. Você pode até prever a topologia dos materiais.

Ming Yi – Professor Associado, Física e Astronomia na Rice University

Investindo em Material Magnético Avançado

Supercondutividade e fenômenos físicos associados provavelmente se tornarão muito importantes tanto nas ciências quanto na indústria tecnológica nos próximos anos. Isso porque um enorme progresso experimental foi feito nos últimos cinco anos, como descrevemos em “Progresso na Supercondutividade Abrindo Caminho para uma Nova Revolução Tecnológica”.

Isso inclui não apenas os materiais kagome que discutimos aqui, mas também grafite pirolítico, supercondutor de interface 2D, e supercondutor de temperatura ambiente LK-99.

Você pode investir em empresas relacionadas a supercondutores através de várias corretoras, e pode encontrar nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, e em muitos outros países no securities.io.

Você também pode aprender mais sobre empresas ativas neste campo em nossos artigos “Top 10 Empresas de Computação Não‑Silício” e “Top 10 Ações de Nanotecnologia“.

Empresas de Computação Quântica

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) foi a força líder por trás da comercialização do primeiro computador mainframe. No entanto, ficou atrás em volume de produção em relação a outros gigantes de tecnologia como Apple (AAPL ), TSMC e NVIDIA (NVDA ).

É, porém, pioneira no desenvolvimento de computadores quânticos. Por exemplo, desenvolveu seu computador quântico de 127 qubits “Eagle”, que foi seguido por um sistema de 433 qubits conhecido como “Osprey”.

E agora isso é seguido por “Condor”, um processador quântico de 1.121 qubits supercondutores baseado em tecnologia de porta de ressonância cruzada, juntamente com “Heron”, um processador quântico na fronteira do campo.

Os computadores quânticos poderiam se beneficiar de um controle magnético aprimorado, aumentando a estabilidade e confiabilidade dos qubits, essenciais para o poder de processamento.

Da mesma forma, avanços em supercondutores, que dependem de campos magnéticos controlados, poderiam levar a transmissão de energia e sistemas de refrigeração mais eficientes, particularmente em temperaturas mais altas.

IBM está envolvida na maioria das outras inovações de ponta em computação e na indústria de semicondutores. Isso inclui materiais orgânicos condutores, computação neuromórfica, fotônica, etc.

Em certa medida, a IBM se tornou uma “empresa de patentes” com expertise em desenvolver novos métodos de computação e licenciá‑los para a indústria.

Até agora, parece muito determinada a possuir o maior número possível de patentes‑chave em todos os métodos de computação não‑silício que consegue, replicando seu sucesso passado ao contribuir massivamente para o desenvolvimento da indústria de semicondutores até torná‑la o gigante que é hoje.

NVIDIA evoluiu de uma empresa de semicondutores de nicho especializada em placas gráficas para um gigante tecnológico na vanguarda da revolução da IA e da enorme quantidade de hardware que ela necessita.

Isso foi alcançado através do desenvolvimento do CUDA, uma interface de programação de uso geral para as GPUs da NVIDIA, abrindo portas para usos além de jogos.

“Os pesquisadores perceberam que ao comprar esta placa de jogos chamada GeForce, você a adiciona ao seu computador e essencialmente tem um supercomputador pessoal. Dinâmica molecular, processamento sísmico, reconstrução de tomografia computadorizada, processamento de imagens — uma série de diferentes aplicações.”

Jensen Huang, em entrevista à Sequoia

Essa adoção mais ampla de GPUs, e mais especificamente do hardware da NVIDIA, criou um ciclo de feedback positivo baseado em efeitos de rede: quanto mais usos, mais usuários finais e programadores familiarizados com ele, mais vendas, mais orçamento de P&D, mais aceleração na velocidade de computação, mais usos, etc.

Fonte: Nvidia

Hoje, a base instalada inclui centenas de milhões de GPUs CUDA.

Outra coisa notável sobre a evolução da potência computacional de IA é que ela segue uma lei exponencial ao invés da lei mais linear de Moore para CPUs. Isso ocorre porque não só o hardware das GPUs está melhorando, mas o poder de processamento necessário diminuiu devido a melhorias radicais na forma como redes neurais são treinadas.

Fonte: NVIDIA

Embora líder em GPU e IA, a NVIDIA também está muito ativa no desenvolvimento da computação quântica como um novo motor de crescimento.

De forma semelhante ao modo como implantou o CUDA para aplicações de redes neurais, a Nvidia lançou o CUDA‑Q para computação quântica, oferecendo um sistema de nuvem quântica onde você pode alugar capacidade de computação quântica da NVIDIA através de um serviço de nuvem.

Fonte: NVIDIA

Isso também inclui tecnologias como cuQuantum da NVIDIA para pesquisadores emular computadores quânticos, cuPQC para criptografia quântica e DGX Quantum para integração de computação clássica e quântica.

No geral, a NVIDIA está na vanguarda da construção de um ecossistema de computação quântica, capitalizando sua posição como líder em IA e hardware de IA.

Fonte: NVidia

Se a NVIDIA conseguir criar um segmento totalmente novo em computação quântica além de seus negócios atuais de GPU e IA, ela poderá continuar crescendo com a aplicação exponencial da computação quântica por muitos anos.

Referência do Estudo:

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). Divisão persistente de banda plana e forte renormalização seletiva de banda em um filme fino magnético de kagome. Nature Communications, 15, Artigo 53722. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}