Ny förståelse av magnetism kan driva fram superledare och kvantdatorer

Ny material för nya magnetiska teorier

Den mest lovande forskningen inom materialvetenskap kan vara allt som rör elektromagnetism på kvantnivå. Detta beror på att den har potential att radikalt förändra hur vi bygger material för många högteknologiska tillämpningar som var och en kan förändra världen:

• Kvantberäkning.
• Kärnfusion.
• Rumstemperatur-superledare.

Och vi lär oss fortfarande mycket om vad magnetiskt material kan bestå av. Till exempel var det först 2022 som ett forskarteam vid Rice University upptäckte att “kagome-material“, en typ av metallkristall, hade överraskande magnetiska egenskaper.

Den 18 oktober 2024 meddelade samma forskare ett nytt genombrott inom detta område och publicerade sina resultat i Nature Communications under titeln “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film¹“.

Arbetet utfördes i samarbete med forskare vid University of West Bohemia (Tjeckien), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA) och Los Alamos National Laboratory (USA).

Kagome-material

Innan vi diskuterar den senaste publikationen måste vi förklara lite vad kagome-material är.

Det får sitt namn från kagome-vävmönstret som används i traditionellt japanskt hantverk, eller trihexagonal tessellering, med överlappande trianglar och stora hexagonala hålrum.

Källa: Research Gate

På liknande sätt är kagome-material, till exempel magnetiska järn-germaniumkristaller, organiserade i detta mönster på atomnivå. Sedan de första upptäckterna har man insett att järn-tin tunnfilm (FeSn) har en struktur som ligger mycket närmare den ideala kagome-gittern.

Källa: Rice University

Unika magnetiska egenskaper

Redan 2022 hade unika egenskaper hos kagome-materialet observerats:

• Magnetiska effekter kräver att elektroner flödar runt kagome-trianglarna, liknande superledningsfenomen.
  • Även om det skiljer sig från andra former av “verklig” superledning, är det säkert känt att denna effekt kan bestå vid rumstemperatur och normala tryckförhållanden.
• Förekomsten av en “laddningstäthetsvåg”, där elektronerna “slås samman” till en kollektiv våg som gemensamt bär en elektrisk ström.
  • Till skillnad från “normal” superledning uppträder detta i spikar, som vatten som droppar från en kran snarare än ett kontinuerligt elektronström.
• Trots att det visar en laddningstäthetsvåg uppvisar Kagome-materialet också magnetiska egenskaper, vanligtvis två oförenliga egenskaper.

Sammanfattningsvis kan den mycket organiserade naturen hos kagome-material göra dem lättare att studera fenomen i den yttersta kanten av vår förståelse av elektromagnetism, såsom “okonventionell superledning” eller “de kontinuerliga fluktuationerna mellan magnetiska tillstånd i kvantspinnvätskor”.

“Vid någon tidpunkt vill du kunna säga: ‘Jag vill skapa ett material med särskilda beteenden och egenskaper.’

Jag tror att kagome är en bra plattform i den riktningen, eftersom det finns sätt att göra direkta förutsägelser, baserade på kristallstrukturen, om vilken typ av bandstruktur du kommer att få och därmed om de fenomen som kan uppstå baserat på den bandstrukturen. Det har många av de rätta ingredienserna.”

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

Nya insikter om Kagome-materialet

Hittills har de befintliga teorierna om magnetism i kagome-metaller antagit att itineranta elektroner drev det magnetiska beteendet. Den nya publikationen visar dock att FeSn:s magnetiska egenskaper härrör från lokala elektroner, inte de mobila elektroner som forskarna tidigare trodde var ansvariga.

För att uppnå denna insikt använde forskarna avancerade verktyg som molekylär stråleepitaxi och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi för att skapa och analysera högkvalitativa FeSn-tunnfilmer.

Källa: Nature

Upptäckten indikerar också att magnetismen och elektronkorrelationerna i kagome-magneter samverkar i ett komplext samspel.

Tillämpningar

Till en början är implikationerna av denna upptäckt lite svåra att förstå för icke-fysiker.

Den första konsekvensen är att det öppnar vägen för en bättre förståelse av liknande material, som det fortfarande inte fullt förstådda potentialen hos högtemperatursuperledare. Detta är ett område där praktiken ligger före teorin på många sätt.

“Starkt korrelerade material är mer utmanande. Det finns ett avsaknad av koppling mellan teori och mätning.

Så, det är inte bara svårt att hitta material som både är starkt korrelerade och topologiska, utan när du väl hittar dem och mäter dem är det också mycket svårt att koppla det du mäter till en teoretisk modell som förklarar vad som pågår.”

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

Ett annat område som kan dra stor nytta av denna forskning är kvantdatorer.

Mer specifikt kan det användas för att skapa “kvantlogiska grindar”, en nyckelkomponent i kvantdatorer som för närvarande är svåra att skapa och utnyttja.

“För svagt korrelerade material som de ursprungliga topologiska isolatorerna fungerar beräkningsmetoder från första principer mycket bra.

Baserat enbart på hur atomerna är arrangerade kan du beräkna vilken typ av bandstruktur som kan förväntas. Det finns en riktigt bra väg från ett materialdesignperspektiv. Du kan till och med förutsäga materialens topologi.”

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

Investera i avancerat magnetiskt material

Superledning och tillhörande fysikfenomen kommer sannolikt att bli en stor sak både inom vetenskap och teknikindustri under de kommande åren. Detta beror på att enorma experimentella framsteg har gjorts de senaste fem åren, som vi beskrev i “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution”.

Detta inkluderar inte bara kagome-material som vi diskuterat här, utan även pyrolytic graphite, 2D interface superconductor, och rumstemperatur-superledare LK-99.

Du kan investera i superledningsrelaterade företag genom många mäklare, och du kan hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, och många andra länder på securities.io.

Du kan också lära dig mer om företag som är aktiva inom detta område i våra artiklar “Top 10 Non-Silicon Computing Companies” och “Top 10 Nanotechnology Stocks”.

Företag inom kvantdatorer

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledande kraften bakom kommersialiseringen av den första stordatorn. Dock har den hamnat på efterkälken i produktionsvolymen jämfört med andra teknikjättar som Apple (AAPL ), TSMC och NVIDIA (NVDA ).

Den är dock i framkant av utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade den sin 127-qubits “Eagle” kvantdator, som följdes av ett 433-qubits system känt som “Osprey”.

Och detta följs nu av “Condor”, en 1 121-superledande qubit‑kvantprocessor baserad på cross‑resonance‑gate‑teknik, tillsammans med “Heron”, en kvantprocessor i fältets allra framkant.

Kvantdatorer kan dra nytta av förbättrad magnetisk kontroll, vilket förbättrar qubit‑stabilitet och tillförlitlighet, vilket är avgörande för beräkningskapacitet.

På liknande sätt kan framsteg inom superledare, som förlitar sig på kontrollerade magnetfält, leda till mer effektiva energitransmissions- och kylsystem, särskilt vid högre temperaturer.

IBM är involverat i de flesta av de andra banbrytande innovationerna inom databehandling och halvledarindustrin. Dessa inkluderar ledande organiska material, neuromorfisk beräkning, fotonik, etc.

Till viss del har IBM blivit ett “patentföretag” med expertis i att utveckla nya beräkningsmetoder och licensiera dem till industrin.

Hittills verkar det mycket bestämt att hålla så många nyckelpatent som möjligt inom alla icke-silicon‑beräkningsmetoder det kan få, vilket återupprepar dess tidigare framgång när den bidrog massivt till att utveckla halvledarindustrin till den jätte den är idag.

NVIDIA har utvecklats från ett nischat halvledarföretag som specialiserat sig på grafikkort till en teknikjätte i framkant av AI-revolutionen och den enorma mängd hårdvara den kräver.

Detta uppnåddes genom utvecklingen av CUDA, ett generellt programmeringsgränssnitt för NVIDIAs GPU:er, vilket öppnade dörren för andra användningsområden än spel.

“Forskare insåg att genom att köpa detta spelkort som heter GeForce, lägger du till det i din dator och du har i princip en personlig superdator. Molekylär dynamik, seismisk bearbetning, CT‑rekonstruktion, bildbehandling – en hel rad olika saker.”

Jensen Huang, i en intervju med Sequoia

Den bredare adoptionen av GPU:er, och mer specifikt NVIDIAs hårdvara, skapade en positiv återkopplingsslinga baserad på nätverkseffekter: ju fler användningar, desto fler slutanvändare och programmerare som är bekanta med den, desto fler försäljningar, desto större FoU‑budget, desto snabbare acceleration i beräkningshastighet, fler användningar, osv.

Källa: Nvidia

Idag omfattar den installerade basen hundratals miljoner CUDA‑GPU:er.

En annan anmärkningsvärd sak med utvecklingen av AI‑beräkningskraft är att den följer en exponentiell lag istället för den mer linjära Moores lag för CPU. Detta beror på att inte bara GPU‑hårdvaran blir bättre, utan den erforderliga beräkningskraften har minskat tack vare radikala förbättringar i hur neurala nätverk tränas.

Källa: NVIDIA

Samtidigt som ledare inom GPU och AI är NVIDIA också mycket aktivt i att utveckla kvantdatorer till en ny tillväxtmotor.

På liknande sätt som de distribuerade CUDA för neurala nätverksapplikationer har Nvidia släppt CUDA‑Q för kvantdatorer, vilket erbjuder ett kvantmolnsystem där du kan hyra NVIDIAs kvantdatorkapacitet via en molntjänst.

Källa: NVIDIA

Detta inkluderar också teknik som NVIDIAs cuQuantum för forskare att emulera kvantdatorer, cuPQC för kvantkryptering och DGX Quantum för integration av både klassisk och kvantberäkning.

Sammanfattningsvis är NVIDIA i framkant när det gäller att bygga ett ekosystem för kvantdatorer, och utnyttjar sin position som ledare inom AI och AI‑hårdvara.

Källa: NVidia

Om NVIDIA lyckas skapa ett helt nytt segment inom kvantdatorer utöver sin befintliga GPU‑ och AI‑verksamhet, kan de fortsätta växa med den exponentiella tillämpningen av kvantdatorer under många fler år.

Studierreferens:

^{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}