Bagong Pag-unawa sa Magnetismo Maaaring Paunlarin ang mga Superconductor at Quantum Computer

Bagong Materyal Para sa mga Bagong Teorya ng Magnetismo

Ang pag-aaral ng elektromagnetismo sa antas na quantum ay isang mahalagang larangan ng agham ng materyales. Maaari itong makatulong sa pagbuo ng mga bagong materyal para sa mga teknolohiyang tulad ng:

• Pagkuwenta gamit ang mga quantum computer.
• Pagsasanib ng mga nukleo o nuclear fusion.
• Mga superconductor na gumagana sa temperatura ng silid, na nananatiling mahalagang layunin ng pananaliksik.

Patuloy ang pagkatuto tungkol sa mga magnetikong materyal. Noong 2022, halimbawa, iniulat ng mga mananaliksik sa Rice University na ang isang materyal na kagome, isang uri ng metalikong kristal, ay nagpapakita ng ugnayan ng magnetismo at kaayusan ng kargang elektrikal.

Noong Oktubre 30, 2024, inilathala sa Nature Communications ang bagong pag-aaral na “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film¹”. Oktubre 18 ang petsa ng pagtanggap sa papel, hindi ang petsa ng publikasyon.

Katuwang sa gawain ang mga mananaliksik mula sa University of West Bohemia sa Czech Republic, Weizmann Institute of Science sa Rehovot, Israel, Brookhaven National Laboratory sa Estados Unidos, at Los Alamos National Laboratory sa Estados Unidos.

Kagome na Materyal

Bago talakayin ang pinakabagong publikasyon, kailangan nating ipaliwanag nang kaunti kung ano ang mga kagome na materyal.

Ang pangalan ay mula sa tradisyonal na habing kagome ng Japan. Ang huwaran nito ay binubuo ng mga tatsulok na nagtatagpo sa mga sulok at mga puwang na heksagonal.

Pinagmulan: Research Gate

Sa mga materyal na kagome, nakaayos sa ganitong huwaran ang ilang atom. Kabilang sa pinag-aaralan ang bakal-germanyum na FeGe at ang manipis na pelikulang bakal-lata na FeSn. Ang maayos na istruktura ng FeSn ay angkop na plataporma para sa pag-aaral ng elektronikong asal sa kagome lattice.

Pinagmulan: Rice University

Natanging Katangian ng Magnetismo

Sa pag-aaral noong 2022 sa FeGe, binigyang-pansin ang mga sumusunod:

• Maaaring magsabay ang kaayusang magnetiko at kaayusan ng kargang elektrikal sa isang materyal na kagome.
  • Hindi nito pinatutunayang superconductor ang materyal sa temperatura ng silid at normal na presyon.
• Ang alon ng densidad ng karga ay isang pana-panahong kaayusan ng densidad ng mga electron at ng kristal; hindi ito pagsasanib ng mga electron upang sabay-sabay magdala ng kuryente.
• Ang ganitong kaayusan ay naiiba sa superconductivity at hindi maipapaliwanag bilang kuryenteng dumadaloy sa mga patak o bugso.
• Sa FeGe, lumitaw ang alon ng densidad ng karga habang nasa isang magnetikong kalagayan na ang materyal, na nagbibigay ng pagkakataong pag-aralan ang ugnayan ng dalawang uri ng kaayusan.

Ang organisadong istruktura ng mga materyal na kagome ay makatutulong sa pag-aaral ng mga penomenong tulad ng hindi karaniwang superconductivity at patuloy na pagbabago ng mga magnetikong kalagayan sa quantum spin liquid.

“Sa isang punto, gusto mong sabihing, ‘Gusto kong gumawa ng materyal na may partikular na pag‑ugali at katangian.’

Sa palagay ko, ang kagome ay isang magandang plataporma patungo sa direksyong iyon, dahil may mga paraan upang gumawa ng direktang prediksyon, batay sa crystal structure, tungkol sa uri ng band structure na makukuha mo at samakatuwid tungkol sa mga phenomena na maaaring lumitaw batay sa band structure na iyon. Marami itong tamang sangkap.”

Ming Yi — katuwang na propesor ng pisika at astronomiya sa Rice University

Bagong Kaalaman sa Kagome na Materyal

Sinusuri ng bagong pag-aaral kung paano nagmumula ang magnetismo sa FeSn. Ipinapahiwatig ng resulta ang mahalagang papel ng mga electron na nananatiling lokalisado, sa halip na ipaliwanag ang lahat sa pamamagitan lamang ng malayang gumagalaw na mga electron. Hindi nito awtomatikong inilalarawan ang lahat ng metal na kagome.

Upang makamit ang kaalamang ito, gumamit ang mga mananaliksik ng mga advanced na kasangkapan tulad ng molecular beam epitaxy at angle‑resolved photoemission spectroscopy upang lumikha at suriin ang mga mataas na kalidad na FeSn thin films.

Pinagmulan: Nature

Ipinapakita rin ng resulta na masalimuot ang ugnayan ng magnetismo at ng pakikipag-ugnayan ng mga electron sa mga magnetikong materyal na kagome.

Mga Aplikasyon

Sa una, ang mga implikasyon ng pagtuklas na ito ay medyo mahirap intindihin para sa mga hindi physicist.

Maaaring makatulong ang pag-aaral upang mas maunawaan ang mga kaugnay na materyal, kabilang ang hindi pa lubos na nauunawaang potensyal ng mga superconductor sa mataas na temperatura. Sa ilang bahagi ng larangang ito, mas mabilis ang mga eksperimentong pagtuklas kaysa sa pagbuo ng kumpletong paliwanag na teoretikal.

“Mas mahirap pag-aralan ang mga materyal na may malakas na ugnayan ng mga electron. Hindi madaling iugnay ang teorya at ang mga sinusukat na resulta.

Mahirap nang makahanap ng materyal na may malakas na ugnayan ng mga electron at mga katangiang topolohikal. Kapag natagpuan at nasukat ito, mahirap ding itugma ang resulta sa isang modelong teoretikal na nagpapaliwanag sa nangyayari.”

Ming Yi — katuwang na propesor ng pisika at astronomiya sa Rice University

Isa pang larangan na maaaring lubos na makinabang mula sa pananaliksik na ito ay ang quantum computing.

Sa mas mahabang panahon, ang mas mahusay na pagkontrol sa mga katangiang quantum ng materyales ay maaaring makatulong sa mga bahaging tulad ng quantum logic gate. Hindi pa ipinakita ng pag-aaral sa FeSn ang isang gumaganang quantum computer.

“Para sa mga materyal na mahina ang ugnayan ng mga electron, tulad ng mga unang topological insulator, mahusay gumana ang mga kalkulasyong nakabatay sa mga pangunahing batas ng pisika.

Batay lamang sa kung paano nakaayos ang mga atom, maaari mong kalkulahin kung anong uri ng band structure ang aasahan. May napakagandang landas mula sa perspektibo ng disenyo ng materyales. Maaari mo pang hulaan ang topology ng mga materyales.”

Ming Yi — katuwang na propesor ng pisika at astronomiya sa Rice University

Pamumuhunan sa Advanced na Magnetikong Materyal

Ang superconductivity at mga kaugnay na penomenong pisikal ay mahalagang larangan ng pananaliksik. Tinatalakay ang ilan sa mga pag-unlad sa aming artikulong “Mga Pagsulong sa Superconductivity na Nagbubukas ng Daan sa Bagong Rebolusyong Teknolohikal”.

Kaugnay na mga paksa ang mga pag-aaral sa pyrolytic graphite, superconductivity sa mga dalawang-dimensiyong interface, at mga kontrobersiyal na pahayag tungkol sa LK-99. Hindi dapat ituring ang pyrolytic graphite o LK-99 bilang nakumpirmang superconductor sa temperatura ng silid at normal na presyon.

Maaaring bumili ng mga bahagi ng kumpanyang may kaugnayan sa teknolohiyang ito sa pamamagitan ng mga broker. Makikita ang aming mga gabay sa broker para sa Estados Unidos, Canada, Australia, United Kingdom, at marami pang ibang bansa sa securities.io.

Maaari ring basahin ang aming mga artikulong “10 Nangungunang Kumpanya sa Computing na Hindi Nakabatay sa Silicon” at “10 Nangungunang Stock sa Nanotechnology”.

Mga Kumpanya sa Quantum Computing

Ang International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ay may mahalagang papel sa pagpapaunlad at komersiyalisasyon ng mga mainframe computer. Iba ang modelo ng negosyo nito sa mga kumpanyang tulad ng Apple (AAPL ), TSMC, at NVIDIA (NVDA ), kaya hindi sapat na ihambing lamang ang dami ng hardware na ginagawa nila.

Gayunpaman, ito ay nasa unahan ng pag‑develop ng mga quantum computer. Halimbawa, ito ay nag‑develop ng 127‑qubit “Eagle” quantum computer, na sinundan ng 433‑qubit system na kilala bilang “Osprey.”

Kasunod nito ang Condor, isang processor na may 1,121 superconducting qubit, na gumagamit ng teknolohiyang cross-resonance gate. Ipinakilala rin ang Heron, isang bagong arkitektura na nakatuon sa mas mataas na pagganap at mas kaunting error, hindi isang processor na “nasa pinakailalim” ng larangan.

Maaaring makatulong ang mas mahusay na pag-unawa at pagkontrol sa mga materyal upang mapabuti ang ilang disenyo ng qubit. Gayunman, hindi awtomatikong nagpapahusay sa bawat quantum computer ang anumang pag-unlad sa magnetismo.

Ang mga pagsulong sa superconducting na materyales ay maaaring makatulong sa paghahatid ng kuryente, malalakas na magnet, at mga sistemang quantum. Ang temperatura at magnetic field na kaya ng isang superconductor ay nakadepende sa materyal; hindi lahat ng ganitong pag-unlad ay nagpapabuti sa pagpapalamig.

May pananaliksik din ang IBM sa iba pang teknolohiya, kabilang ang mga organikong materyal na konduktibo, computing na ginagaya ang ilang katangian ng utak, at photonics o teknolohiyang gumagamit ng liwanag.

Sa ilang antas, ang IBM ay naging isang “patent company” na may kadalubhasaan sa pag‑develop ng mga bagong paraan ng computing at pag‑lisensya nito sa industriya.

Sa ngayon, tila napaka‑determinadong hawakan ang maraming susi na patente sa lahat ng non‑silicon computing methods na maaari nitong makuha, na ginagaya ang nakaraang tagumpay nito nang malaki ang ambag sa pag‑develop ng industriya ng semiconductor hanggang sa maging higante ito ngayon.

NVIDIA ay nag‑evolve mula sa isang niche semiconductor company na nag‑specialize sa graphic cards tungo sa isang tech giant na nasa unahan ng AI revolution at napakalaking dami ng hardware na kailangan nito.

Nakatulong dito ang CUDA, isang plataporma ng pagprograma para sa pangkalahatang pagkukuwenta gamit ang mga GPU ng NVIDIA. Pinalawak nito ang paggamit ng GPU sa labas ng paglalaro.

“Napagtanto ng mga mananaliksik na kapag bumili ka ng GeForce na graphics card at idinagdag ito sa iyong computer, para kang nagkaroon ng sariling supercomputer. Nagagamit ito sa molecular dynamics, pagproseso ng seismic data, pagbubuo ng CT image, pagproseso ng larawan, at marami pang iba.”

Jensen Huang, sa panayam sa Sequoia

Lumikha ang mas malawak na paggamit ng GPU ng isang siklo ng paglago na kaugnay ng mga epekto ng lumalaking network: mas maraming gamit ang humihikayat ng mas maraming gumagamit at programmer, na maaaring magpalaki ng benta at badyet sa pananaliksik. Ang mas mahusay na hardware at software naman ay nagbubukas ng karagdagang aplikasyon.

Pinagmulan: Nvidia

Sa panahong tinatalakay ng artikulo, daan-daang milyong GPU na may kakayahang gumamit ng CUDA ang naipamahagi na.

Ang pag-unlad ng AI computing ay bunga ng pinagsamang pagsulong sa hardware, software, at mga paraan ng pagsasanay. Hindi wastong ilarawan ang batas ni Moore bilang simpleng linyar na paglago: tumutukoy ito sa makasaysayang eksponensiyal na pagdami ng transistor. Maaari ring bumaba ang gastos sa pagkukuwenta para sa isang gawain dahil sa mas mahusay na algorithm, habang lumalaki naman ang pangangailangan ng mas malalaking modelo.

Pinagmulan: NVIDIA

Bukod sa GPU at AI, gumagawa rin ang NVIDIA ng mga kasangkapan para sa pananaliksik sa quantum computing.

Ang CUDA-Q ay plataporma para sa pagbuo ng mga programang pinagsasama ang klasikal at quantum na pagkukuwenta. Ang NVIDIA Quantum Cloud na inanunsyo noong 2024 ay nagbibigay ng mga serbisyo para sa pagsasagawa ng quantum simulation gamit ang mga GPU. Hindi ito katumbas ng pagrenta ng sariling quantum processor ng NVIDIA.

Pinagmulan: NVIDIA

Kabilang sa mga kasangkapan nito ang cuQuantum para sa simulation ng mga quantum circuit, cuPQC para sa post-quantum cryptography na tumatakbo sa klasikal na hardware, at DGX Quantum para sa pagsasama ng klasikal na pagkukuwenta at mga quantum system. Ang post-quantum cryptography ay hindi kapareho ng quantum encryption.

Gumaganap ang NVIDIA sa pagbuo ng ekosistema ng quantum computing sa pamamagitan ng mga GPU, software, at pakikipagtulungan sa ibang tagagawa. Kaugnay ito ng mga kakayahan nito sa AI at mataas na pagganap na pagkukuwenta.

Pinagmulan: NVidia

Kung magiging matagumpay ang mga bagong aplikasyon sa quantum computing, maaari silang lumikha ng karagdagang negosyo para sa NVIDIA. Gayunman, hindi tiyak ang bilis ng pag-unlad, komersiyal na paggamit, o magiging kita nito.

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{1. Ren, Z., Huang, J., Biswas, A., et al. (2024). Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nature Communications, 15, Artikulo 9376. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}