Manyetizmanın Yeni Anlaşılması, Süperiletkenleri ve Kuantum Bilgisayarlarını İlerletebilir

Yeni Manyetik Teoriler İçin Yeni Malzeme

Malzeme biliminde kuantum ölçeğindeki elektronik ve manyetik davranışlar önemli bir araştırma alanıdır. Bunları daha iyi anlamak, kuantum bilişim ve süperiletkenlik gibi alanlarda yeni malzemelerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir. Ancak aşağıdaki hedeflerin her biri farklı teknik sorunlar içerir:

• Kuantum bilişim.
• Nükleer füzyon.
• Daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süperiletkenler.

Manyetik malzemelerin yapısı ile özellikleri arasındaki ilişki hâlâ araştırılıyor. Örneğin, Rice Üniversitesi ekibi 2022’de birkagome malzemesiolan demir-germanyum kristalinde yük yoğunluğu dalgası ile manyetik düzenin birlikte bulunduğunu gösterdi.

İlgili FeSn ince film çalışması^{30 Ekim} 2024’te Nature Communications dergisinde «Bir kagome mıknatıs ince filminde kalıcı düz bant ayrışması ve güçlü seçici bant yeniden normalleşmesi¹» başlığıyla yayımlandı. Makalenin kabul tarihi ise 18 Ekim 2024’tü.

Çalışma Rice Üniversitesi ile Çekya’daki Batı Bohemya Üniversitesi, İsrail’in Rehovot kentindeki Weizmann Bilim Enstitüsü, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı gibi kurumların araştırmacılarını bir araya getirdi.

Kagome Malzemesi

Sonuçları değerlendirmeden önce kagome yapısını açıklamak yararlıdır.

Kagome adı, Japon sepet örme geleneğindeki üçgenler ve altıgen boşluklardan oluşan desene dayanır. Kristallerde benzer geometri atomların düzenlenişini tanımlar.

Kaynak: Research Gate

Demir-germanyum ve demir-kalay gibi bazı malzemelerde atomlar kagome geometrisi oluşturur. FeSn ince filmleri, bu düzenin elektronik ve manyetik özelliklerini incelemek için kullanılan sistemlerden biridir.

Kaynak: Rice University

Eşsiz Manyetik Özellikler

2022’de FeGe üzerine yapılan araştırma şu noktaları ortaya koydu:

• Manyetik düzen ile elektronların kolektif davranışı arasında bir etkileşim bulunabilir.
  • Bu sonuç, malzemenin oda sıcaklığında ve normal basınçta süperiletken olduğunu göstermez.
• Elektron yoğunluğunun uzayda periyodik olarak değiştiği bir «yük yoğunluğu dalgası» gözlendi.
  • Yük yoğunluğu dalgası, elektrik akımının musluktan damlayan su gibi kesikli akması değildir. Elektronik yoğunluğun düzenli bir örüntüsünü ifade eder.
• FeGe’de yük yoğunluğu dalgası ve manyetik düzen birlikte gözlendi. Bu durum, iki düzenin etkileşimini araştırmak için olanak sağladı.

Kagome malzemeleri, elektromanyetizma ve kuantum fiziğindeki bazı karmaşık olayları incelemek için yararlı platformlar olabilir. Bunlar arasında «geleneksel olmayan süperiletkenlik» ve «kuantum spin sıvılarında manyetik durumlar arasındaki sürekli dalgalanmalar» bulunur.

“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

FeSn ince filmlerinin ölçümleri, manyetizmanın yalnızca hareketli elektronlara dayanan basit bir modelle açıklanamayacağını ve yerel manyetik momentlerin önemli olduğunu gösterdi. Sonuç, tüm kagome malzemeleri için tek bir açıklama olduğu anlamına gelmez.

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

Çalışma ayrıca manyetizma, düz elektronik bantlar ve elektron korelasyonları arasındaki etkileşimin önemini ortaya koyuyor.

Uygulamalar

Bu tür temel araştırmaların olası uygulamaları hemen görünmeyebilir. Sonuçlar, örneğin davranışları hâlâ araştırılanyüksek sıcaklık süperiletkenlerinidaha iyi anlamaya yönelik teorik modellere katkı sağlayabilir.

“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

Kuantum bilişim de bu malzeme araştırmalarından uzun vadede yararlanabilir. Ancak çalışmada çalışan bir kuantum mantık kapısı geliştirilmedi; olası cihazlara ulaşmak için ek araştırma gerekir.

“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

Süperiletkenlik ve ilişkili kuantum olayları hem temel bilim hem de teknoloji açısından önemlidir. Bu alandaki gelişmeleri «Süperiletkenlikte İlerleme, Yeni Bir Teknolojik Devrime Kapı Açıyor»

yazısında ele aldık. İlgili tartışmalar arasında pirolitik grafit üzerine iddialar, iki boyutlu arayüzlerde süperiletkenlikve LK-99’un süperiletkenlik iddiasıda bulunur. Pirolitik grafit veya LK-99, doğrulanmış oda sıcaklığı ve ortam basıncı süperiletkenleri olarak sunulmamalıdır; LK-99 iddiası bağımsız araştırmalarla desteklenmedi.

Süperiletkenlerle ilgili şirketlere birçok aracı kurum üzerinden yatırım yapabilirsiniz. En iyi aracı kurumlara ilişkin önerilerimizi ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve diğer birçok ülke için securities.io’da bulabilirsiniz.

Bu alanlarla ilişkili şirketler hakkında «En İyi 10 Silikon Dışı Bilişim Şirketi» ve «En İyi 10 Nanoteknoloji Hissesi» yazılarımızdan da bilgi edinebilirsiniz.

Kuantum Bilişim Şirketleri

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), ana bilgisayarların gelişimi ve ticarileştirilmesinde önemli rol oynadı. Apple (AAPL ), TSMC ve NVIDIA (NVDA ) ile farklı iş modellerine sahip olduğundan, üretim hacimlerini doğrudan karşılaştırmak yanıltıcı olabilir.

IBM kuantum işlemciler geliştiriyor. 2021’de 127 kübitli Eagle’ı, 2022’de 433 kübitli Osprey’i tanıttı.

Ardından 2023’te 1.121 süperiletken kübit içeren Condor işlemcisini ve farklı mimariye sahip Heron’u tanıttı. Bu sayılar fiziksel kübitleri ifade eder; tek başına sistemin kullanışlı hesaplama gücünü veya hataya dayanıklılığını göstermez.

Kübitlerin kararlılığı ve kapı doğruluğu; malzeme, kontrol ve hata düzeltme gibi birçok etkene bağlıdır. FeSn çalışması IBM işlemcilerinde doğrudan bir iyileştirme göstermez.

Süperiletken malzemeler, uygun koşullarda enerji iletimi ve çeşitli cihazlarda yarar sağlayabilir. Bununla birlikte her yeni manyetik malzeme otomatik olarak daha yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik sunmaz.

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

IBM’in faaliyetleri yazılım, danışmanlık, altyapı ve araştırmayı kapsar. Patent lisanslama bu faaliyetlerin bir parçasıdır; şirketi yalnızca bir “patent şirketi” olarak tanımlamak eksik kalır.

Yeni hesaplama yöntemleri üzerine araştırmalar, IBM’in daha geniş teknoloji geliştirme çalışmalarının bir bölümüdür.

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 bir geri besleme döngüsünü destekledi: daha fazla kullanıcı ve geliştirici, daha geniş yazılım ekosistemi, daha fazla satış ve araştırma-geliştirme olanağı sağlayabilir.

Kaynak: Nvidia

NVIDIA, 2024’te CUDA destekli GPU’lardan oluşan büyük bir kurulu taban ve geliştirici ekosistemi tanımlıyordu.

Yapay zekâ hesaplamasındaki ilerleme; donanım, algoritmalar ve yazılımın birlikte gelişmesine dayanır. Moore Yasası doğrusal büyümeyi değil, transistor sayısındaki yaklaşık üstel artışı tanımlar. Tüm yapay zekâ iş yüklerinin tek ve değişmez bir hız yasasını izlemesi beklenmez.

Kaynak: NVIDIA

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

NVIDIA’nın CUDA-Q platformu, klasik ve kuantum hesaplama iş akışlarının geliştirilmesini destekler. Quantum Cloud hizmeti ise GPU’lar üzerinde kuantum devresi simülasyonu sağlar; NVIDIA’ya ait bir fiziksel kuantum işlemciyi kiralamakla aynı şey değildir.

Kaynak: NVIDIA

cuQuantum, GPU hızlandırmalı kuantum devresi simülasyonu için kullanılır. cuPQC, klasik bilgisayarlarda çalışan kuantum sonrası kriptografi araçları sunar. DGX Quantum ise klasik hızlandırılmış hesaplama ile kuantum sistemlerinin kontrolünü bütünleştirmeyi amaçlar.

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

Kaynak: NVidia

Kuantum bilişim araçları NVIDIA için olası bir büyüme alanıdır. Ticari sonuçlar, teknolojinin ilerlemesine, talebe ve rekabete bağlıdır; üstel gelir büyümesi garanti değildir.

Çalışma Referansı:

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