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

Bagong Materyal Para sa mga Bagong Teorya ng Magnetismo

Ang pinaka-promising na pananaliksik na may kinalaman sa agham ng materyales ay maaaring anumang bagay na may kaugnayan sa electromagnetism sa quantum scale. Ito ay dahil may potensyal itong radikal na baguhin kung paano tayo gumagawa ng mga materyales para sa maraming high‑tech na aplikasyon na bawat isa ay maaaring baguhin ang mundo:

• Quantum computing.
• Nuclear fusion.
• Room temperature superconductors.

At patuloy pa rin tayong natututo nang marami tungkol sa kung ano ang maaaring gawin ng magnetic na materyal. Halimbawa, noong 2022 lamang natuklasan ng isang pangkat ng mga mananaliksik sa Rice University na ang “kagome material,” isang uri ng metallic crystal, ay may nakakagulat na katangian sa magnetismo.

Noong Oktubre 18^th ng 2024, inanunsyo ng parehong mga mananaliksik ang isang bagong breakthrough sa larangang ito, at inilathala ang kanilang mga resulta sa Nature Communications sa pamagat na “Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film¹”.

Ang gawain ay isinagawa sa pakikipagtulungan sa mga mananaliksik mula sa University of West Bohemia (Czech Republic), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA), at Los Alamos National Laboratory (USA).

Kagome na Materyal

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

Kinuha nito ang pangalan mula sa kagome weaving pattern na ginagamit sa tradisyunal na sining ng Hapon, o trihexagonal tiling, na may magkakapatong na tatsulok at malalaking hexagonal na puwang.

Source: Research Gate

Sa katulad na paraan, ang mga kagome na materyal tulad ng halimbawa ng magnetic iron‑germanium crystals ay nakaayos sa pattern na ito sa antas ng atom. Mula noong unang mga tuklas, napag-alaman na ang iron‑tin thin film (FeSn) ay nagpapakita ng estruktura na mas malapit sa ideal na kagome lattice.

Source: Rice University

Natanging Katangian ng Magnetismo

Noong 2022, napansin na ang mga natatanging katangian ng kagome na materyal:

• Ang mga magnetic effect ay nangangailangan ng pagdaloy ng mga electron sa paligid ng mga kagome na tatsulok, na kahalintulad ng superconductivity.
  • Bagaman hindi tulad ng ibang anyo ng “tunay” na superconductivity, tiyak na alam natin na ang effect na ito ay maaaring magpatuloy sa room temperature at normal pressure na kondisyon.
• Ang pag‑iral ng isang “charge density wave”, kung saan ang mga electron ay “nag‑merge” sa isa’t isa upang bumuo ng kolektibong alon, na sabay‑sabayan ang pagdadala ng kuryente.
• Hindi tulad ng “normal” na superconductivity, ito ay dumarating sa mga spike, tulad ng patak ng tubig mula sa gripo kaysa sa tuloy‑tuloy na daloy ng electron.
• Sa kabila ng pagpapakita ng charge density wave, ang Kagome na materyal ay nagpapakita rin ng mga magnetic na katangian, karaniwang dalawang magkasalungat na katangian.

Sa pangkalahatan, ang napaka‑organisadong kalikasan ng mga kagome na materyal ay maaaring magpadali sa pag‑aaral ng mga phenomena sa pinakailalim ng ating pag‑unawa sa electromagnetism tulad ng “unconventional superconductivity” o “the continual fluctuations between magnetic states in quantum spin liquids”.

“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 – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Bagong Kaalaman sa Kagome na Materyal

Hanggang ngayon, ang mga umiiral na teorya tungkol sa magnetismo sa mga kagome metal ay nag-aakalang ang itinerant electrons ang nagdudulot ng magnetic behavior. Gayunpaman, ipinapakita ng bagong publikasyon na ang magnetic properties ng FeSn ay nagmumula sa localized electrons, hindi sa mga mobile electrons na dati inakala ng mga siyentipiko.

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.

Source: Nature

Ang pagtuklas ay nagpapahiwatig din na ang magnetismo at electron correlations sa mga kagome magnet ay nagtutulungan sa isang komplikadong interplay.

Mga Aplikasyon

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

Ang unang kahihinatnan ay nagbubukas ng daan upang mas maunawaan ang mga katulad na materyal, tulad ng the still not fully understood potential high-temperature superconductors. Ito ay isang larangan kung saan ang praktis ay mas maunlad kaysa sa teorya sa maraming aspeto.

“Ang mga strongly correlated na materyal ay mas hamon. Walang koneksyon sa pagitan ng teorya at sukat.

Kaya, hindi lamang mahirap makahanap ng mga materyal na parehong strongly correlated at topological, kundi kapag nahanap mo at nasukat ito ay napakahirap ding iugnay ang iyong sinusukat sa isang teoretikal na modelo na nagpapaliwanag kung ano ang nangyayari.”

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

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

Mas partikular, maaari itong magamit upang lumikha ng “quantum logic gates,” isang mahalagang bahagi ng quantum computers na kasalukuyang mahirap gawin at gamitin.

“Para sa weakly correlated na materyal tulad ng orihinal na topological insulators, ang first principle calculations ay gumagana nang napakabuti.

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 – Associate Professor, Physics and Astronomy at Rice University

Pamumuhunan sa Advanced na Magnetikong Materyal

Ang superconductivity at mga kaugnay na pisikal na phenomena ay malamang na magiging malaking usapin sa parehong agham at industriya ng teknolohiya sa mga susunod na taon. Ito ay dahil sa napakalaking progreso sa eksperimento sa nakaraang limang taon, tulad ng aming inilalarawan sa “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution”.

Kabilang dito hindi lamang ang mga kagome na materyal na tinalakay natin dito, kundi pati na rin ang pyrolytic graphite, 2D interface superconductor, at room temperature superconductor LK-99.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang may kaugnayan sa superconductor sa pamamagitan ng maraming broker, at maaari mong makita ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa the USA, Canada, Australia, the UK, at maraming ibang bansa sa securities.io.

Maaari mo ring matutunan pa ang mga kumpanya na aktibo sa larangang ito sa aming mga artikulo “Top 10 Non-Silicon Computing Companies” at “Top 10 Nanotechnology Stocks”.

Mga Kumpanya sa Quantum Computing

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) ay ang nangungunang puwersa sa likod ng komersyalisasyon ng unang mainframe computer. Gayunpaman, ito ay nahuhuli sa dami ng produksyon kumpara sa ibang mga higanteng teknolohiya tulad ng Apple (AAPL ), TSMC, at NVIDIA (NVDA ).

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.”

At ito ay ngayon sinusundan ng “Condor”, isang 1,121 superconducting qubit quantum processor batay sa cross‑resonance gate technology, kasama ang “Heron”, isang quantum processor na nasa pinakailalim ng larangan.

Ang mga quantum computer ay maaaring makinabang mula sa pinahusay na magnetic control, na nagpapabuti sa katatagan at pagiging maaasahan ng qubit, na mahalaga para sa processing power.

Gayundin, ang mga pag‑unlad sa superconductors, na umaasa sa kontroladong magnetic fields, ay maaaring magdala ng mas epektibong transmission ng enerhiya at cooling systems, partikular sa mas mataas na temperatura.

Ang IBM ay kasangkot sa karamihan ng iba pang cutting‑edge na inobasyon sa computing at industriya ng semiconductors. Kabilang dito conducting organic materials, neuromorphic computing, photonics, atbp.

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.

This was achieved through the development of CUDA, a general‑purpose programming interface for NVIDIA’s GPUs, opening the door for other uses than gaming.

“Researchers realized that by buying this gaming card called GeForce, you add it to your computer, you essentially have a personal supercomputer. Molecular dynamics, seismic processing, CT reconstruction, image processing—a whole bunch of different things.”

Jensen Huang, in an interview with Sequoia

This wider adoption of GPUs, and more specifically NVIDIA hardware, created a positive feedback loop based on network effects: the more uses, the more end users and programmers familiar with it, the more sales, the more R&D budget, the more acceleration in computing speed, the more uses, etc.

Source: Nvidia

Today the installed base includes hundreds of millions of CUDA GPUs.

Another remarkable thing about the evolution of AI computing power is that it follows an exponential law instead of the more linear Moore’s Law for CPU. This is because not only is the GPU hardware getting better, but the required processing power has decreased over radical improvement in how neural networks are trained.

Source: NVIDIA

While a leader in GPU and AI, NVIDIA is also very active in developing quantum computing into a new growth engine.

Similar to how it deployed CUDA for neural network applications, Nvidia has released CUDA‑Q for quantum computing, offering a quantum cloud system where you can rent NVIDIA quantum computing capacity through a cloud service.

Source: NVIDIA

This also includes technology like NVIDIA’s cuQuantum for researchers to emulate quantum computers, cuPQC for quantum encryption, and DGX Quantum for integration of both classical and quantum computing.

Overall, NVIDIA is at the forefront of building a quantum computing ecosystem, capitalizing on its position as a leader in AI and AI hardware.

Source: NVidia

Would NVIDIA manage to create a whole new segment in quantum computing beyond its existing GPU and AI business, it could keep growing with the exponential application of quantum computing for many more years.

Sanggunian ng Pag-aaral:

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