Manyetizmanın Yeni Anlaşılması, Süperiletkenleri ve Kuantum Bilgisayarlarını İlerletebilir

Yeni Manyetik Teoriler İçin Yeni Malzeme

The most promising research involving material science may be anything related to electromagnetism at the quantum scale. This is because it has the potential to radically change how we build materials for many high-tech applications that each could change the world:

• Kuantum bilişim.
• Nükleer füzyon.
• Oda sıcaklığında süperiletkenler.

And we are still learning a lot about what magnetic material can be made of. For example, it was only in 2022 that a team of researchers at Rice University discovered that “kagome malzemesi,” a type of metallic crystal, şaşırtıcı manyetik özelliklere sahipti.

2024’ün 18^th Ekim tarihinde, aynı araştırmacılar bu alanda yeni bir atılım duyurdu ve sonuçlarını Nature Communications dergisinde “Kagome manyetik ince filminde kalıcı düz bant bölünmesi ve güçlü seçici bant yeniden normlaştırması¹” başlığıyla yayımladılar.

The work was done in collaboration with researchers at the University of West Bohemia (Czech Republic), Rehovot Institute of Science (Israel), Brookhaven National Lab (USA), and Los Alamos National Laboratory (USA).

Kagome Malzemesi

Before discussing the most recent publication, we must explain a little about what kagome materials are.

Adını, geleneksel Japon zanaatında kullanılan kagome dokuma deseninden (trihekzagonal döşeme) alır; bu desen, üst üste binen üçgenler ve büyük altıgen boşluklarla oluşur.

Kaynak: Research Gate

Benzer şekilde, örneğin manyetik demir-germeniyum kristalleri gibi kagome malzemeleri atom seviyesinde bu desenle düzenlenir. İlk keşiflerden bu yana, demir-tin ince filmi (FeSn)’nin ideal kagome kafesine çok daha yakın bir yapı sergilediği anlaşılmıştır.

Kaynak: Rice University

Eşsiz Manyetik Özellikler

Already in 2022, unique properties of the kagome material had been noticed:

• Manyetik etkiler, elektronların kagome üçgenleri etrafında akmasını gerektirir, bu da süperiletkenliğe benzer.
  • Diğer “gerçek” süperiletkenlik biçimlerinden farklı olmasına rağmen, bu etkinin oda sıcaklığında ve normal basınç koşullarında sürdüğü kesin olarak bilinmektedir.
• Elektronların birbirine “karıştığı” ve toplu bir dalga oluşturarak elektrik akımı taşıyan bir “yük yoğunluğu dalgası” varlığı.
  • “Normal” süperiletkenliğin aksine, bu dalga damlacıklar halinde gelir, bir muslukta damlayan su gibi, sürekli bir elektron akışı değil.
• Yük yoğunluğu dalgası gösterirken, Kagome malzemesi aynı zamanda manyetik özellikler de sergiler; genellikle birbirine uyumsuz iki özellik.

Overall, the very organized nature of kagome materials could make them easier to study phenomena at the very edge of our understanding of electromagnetism like “geleneksel olmayan süperiletkenlik” or “kuantum spin sıvılarında manyetik durumlar arasındaki sürekli dalgalanmalar”.

“Bir noktada, ‘Belirli davranış ve özelliklere sahip bir malzeme yapmak istiyorum’ diyebilmek istersiniz.

Bence kagome bu yönde iyi bir platform, çünkü kristal yapısına dayanarak elde edeceğiniz bant yapısı ve bu bant yapısına dayanarak ortaya çıkabilecek fenomenler hakkında doğrudan tahminler yapmanın yolları var. Doğru bileşenlerin çoğuna sahiptir.

Ming Yi – Doçent, Fizik ve Astronomi, Rice Üniversitesi

Kagome Malzemesi Üzerine Yeni İçgörüler

So far, the existing theories about magnetism in kagome metals assumed that itinerant electrons drove magnetic behavior. However, the new publication reveals that FeSn’s magnetic properties arise from localized electrons, not the mobile electrons scientists previously thought responsible.

Bu içgörüye ulaşmak için araştırmacılar, yüksek kaliteli FeSn ince filmlerini oluşturmak ve analiz etmek amacıyla moleküler ışın epitaksisi ve açı çözünürlüklü fotoemisyon spektroskopisi gibi ileri araçlar kullandılar.

Kaynak: Nature

The discovery also indicates that the magnetism and electron correlations in kagome magnets work together in a complex interplay.

Uygulamalar

At first, the implications of this discovery are a little hard to grasp for non-physicists.

The first consequence is that it opens the way to understanding better similar materials, like henüz tam olarak anlaşılmamış potansiyeliyüksek sıcaklık süperiletkenleri. This is a field where the practice is ahead of the theory in many respects.

“Güçlü korelasyonlu malzemeler daha zordur. Teori ile ölçüm arasında bir bağ eksikliği vardır.

Dolayısıyla, hem güçlü korelasyonlu hem de topolojik malzemeleri bulmak zaten zor, bulduğunuzda ve ölçtüğünüzde ise ölçtüklerinizi açıklayan bir teorik modelle bağlamak da çok zordur.

Ming Yi – Doçent, Fizik ve Astronomi, Rice Üniversitesi

Another field that could greatly benefit from this research is quantum computing.

More specifically, it could be used to create “quantum logic gates,” a key component of quantum computers that are currently difficult to create and utilize.

“Orijinal topolojik izolatörler gibi zayıf korelasyonlu malzemeler için birinci prensip hesaplamaları çok iyi çalışır.

Atomların nasıl düzenlendiğine dayanarak, beklenen bant yapısını hesaplayabilirsiniz. Malzeme tasarımı açısından gerçekten iyi bir yol haritası var. Malzemelerin topolojisini bile tahmin edebilirsiniz.

Ming Yi – Doçent, Fizik ve Astronomi, Rice Üniversitesi

Gelişmiş Manyetik Malzemeye Yatırım

Superconductivity and associated physics phenomena are likely to become a big deal in both sciences and the tech industry over the next years. This is because tremendous experimental progress has been made in the last five years, as we described in “Süperiletkenlikte İlerleme, Yeni Bir Teknolojik Devrime Kapı Açıyor”.

This includes not only kagome materials we discussed here, but also pirolitik grafit, 2D arayüz süperiletkeni, and oda sıcaklığında süperiletken LK-99.

You can invest in superconductor-related companies through many brokers, and you can find our recommendations for the best brokers in the USA, Canada, Australia, the UK, and many other countries on securities.io.

You can also learn more about companies active in this field in our articles “En İyi 10 Silikon Dışı Bilişim Şirketi” and “En İyi 10 Nanoteknoloji Hissesi”.

Kuantum Bilişim Şirketleri

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), ilk ana bilgisayarın ticarileştirilmesinin öncü gücüydü. Ancak Apple (AAPL ), TSMC ve NVIDIA (NVDA ) gibi diğer teknoloji devlerinin üretim hacimlerinde geride kalmıştır.

Yine de kuantum bilgisayarların geliştirilmesinde ön saflarda yer alıyor. Örneğin, 127 kuantum biti olan “Eagle” kuantum bilgisayarını geliştirdi; ardından “Osprey” adı verilen 433 kuantum bitlik bir sistem geldi.

Ve bu şimdi “Condor” ile takip ediliyor; bu, çapraz rezonans kapı teknolojisine dayalı 1.121 süperiletken kuantum biti işlemcisi, ayrıca alanın çok ucunda yer alan “Heron” adlı bir kuantum işlemcisiyle birlikte.

Kuantum bilgisayarlar, geliştirilmiş manyetik kontrol sayesinde kuantum bitlerinin (qubit) kararlılığı ve güvenilirliğini artırarak işlem gücünden faydalanabilir.

Benzer şekilde, kontrollü manyetik alanlara dayanan süperiletkenlerdeki ilerlemeler, özellikle daha yüksek sıcaklıklarda, daha verimli enerji iletimi ve soğutma sistemlerine yol açabilir.

IBM, bilişim ve yarı iletken endüstrisindeki diğer birçok öncü yenilikte de yer alıyor. Bunlar arasında iletken organik malzemeler, neuromorfik bilişim, fotoniği, vb. bulunmaktadır.

Bir ölçüde IBM, yeni bilişim yöntemleri geliştirme ve bunları sektöre lisanslama konusunda uzmanlaşmış bir “patent şirketi” haline gelmiştir.

Şu ana kadar, silikon dışı bilişim yöntemlerinde mümkün olduğunca çok temel patente sahip olma konusunda çok kararlı görünüyor; bu, yarı iletken endüstrisinin bugünkü dev haline gelmesinde büyük katkı sağlayan geçmiş başarısını tekrarlamaktadır.

NVIDIA, grafik kartlarına odaklanan niş bir yarı iletken şirketinden, AI devriminin ön saflarında ve ihtiyaç duyduğu devasa donanım miktarının merkezinde yer alan bir teknoloji devine evrilmiştir.

Bu, NVIDIA’nın GPU’ları için genel amaçlı bir programlama arayüzü olan CUDA’nın geliştirilmesiyle sağlandı; bu da oyun dışı diğer kullanım alanlarının kapısını açtı.

“Araştırmacılar, GeForce adlı bu oyun kartını satın alarak bilgisayarınıza eklediğinizde, temelde kişisel bir süper bilgisayara sahip olduğunuzu fark ettiler. Moleküler dinamik, sismik işleme, BT (bilgisayarlı tomografi) yeniden yapılandırma, görüntü işleme—birçok farklı uygulama.”

Jensen Huang, Sequoia ile bir röportajda

GPU’ların, özellikle NVIDIA donanımının bu daha geniş benimsenmesi, ağ etkileri üzerine kurulu pozitif bir geri besleme döngüsü yarattı: ne kadar çok kullanım, o kadar çok son kullanıcı ve programcı, daha fazla satış, daha büyük AR&D bütçesi, daha hızlı bilgi işlem, daha fazla kullanım, vb.

Kaynak: Nvidia

Bugün, kurulu taban yüz milyonlarca CUDA GPU’sunu içeriyor.

AI bilgi işlem gücünün evrimindeki bir diğer dikkat çekici nokta, CPU için daha lineer olan Moore Yasası yerine üssel bir yasa izlemesidir. Bunun nedeni, sadece GPU donanımının daha iyi hale gelmesi değil, aynı zamanda sinir ağlarının eğitilme şekline yönelik radikal iyileştirmeler sayesinde gereken işlem gücünün azalmasıdır.

Kaynak: NVIDIA

GPU ve AI’da lider olmasının yanı sıra, NVIDIA, kuantum bilişimi yeni bir büyüme motoru haline getirmede de çok aktif.

NVIDIA, CUDA’yı sinir ağı uygulamaları için dağıttığı gibi, kuantum bilişim için CUDA-Q’yu piyasaya sürdü; bu, bir bulut hizmeti aracılığıyla NVIDIA kuantum bilişim kapasitesini kiralayabileceğiniz bir kuantum bulut sistemi sunar.

Kaynak: NVIDIA

Bu aynı zamanda araştırmacıların kuantum bilgisayarları taklit etmeleri için NVIDIA’nın cuQuantum’ı, kuantum şifreleme için cuPQC ve klasik ve kuantum bilişimin entegrasyonu için DGX Quantum gibi teknolojileri de içerir.

Genel olarak, NVIDIA, AI ve AI donanımında lider konumunu kullanarak bir kuantum bilişim ekosistemi oluşturmanın ön saflarında yer alıyor.

Kaynak: NVidia

NVIDIA, mevcut GPU ve AI işinin ötesinde kuantum bilişimde tamamen yeni bir segment yaratmayı başarırsa, kuantum bilişimin üssel uygulamaları sayesinde daha birçok yıl büyümeye devam edebilir.

Çalışma Referansı:

^{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}