对磁性的新理解或将推动超导体和量子计算机的发展

新磁理论的新材料

材料科学中最有前景的研究可能是与量子电磁学有关的任何研究。这是因为它有可能从根本上改变我们为许多高科技应用制造材料的方式，而这些应用都可能改变世界：

• 量子计算。
• 核聚变。
• 室温超导体。

我们仍在学习磁性材料的组成。例如，直到 2022 年，莱斯大学的一组研究人员才发现“戈薇材料“一种金属晶体， 具有惊人的磁性.

十月18^th 2024年，同样的研究人员宣布了该领域的新突破，并在《自然通讯》上发表了他们的研究成果，题为“kagome 磁体薄膜中持续的平带分裂和强选择性能带重正化¹“。

这项工作是与西波西米亚大学（捷克共和国）、雷霍沃特科学研究所（以色列）、布鲁克海文国家实验室（美国）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（美国）的研究人员合作完成的。

Kagome 材质

在讨论最新出版物之前，我们必须稍微解释一下 kagome 材料是什么。

它的名字取自日本传统工艺中使用的 kagome 编织图案，或三角六边形平铺，具有重叠的三角形和大的六边形空隙。

来源: 研究之门

类似地，kagome 材料（例如磁性铁锗晶体）在原子层面上也以这种模式排列。自最初的发现以来，人们已经意识到铁锡薄膜 (FeSn) 的结构更接近理想的 kagome 晶格。

来源: 莱斯大学

独特的磁性

早在 2022 年，人们就已经注意到了 kagome 材料的独特性质：

• 磁效应需要电子围绕戈薇三角形流动，类似于超导。
  • 虽然与其他形式的“真正”超导性不同，但可以肯定的是，这种效应可以在室温和常压条件下持续存在。
• 存在“电荷密度波“其中电子彼此“融合”形成集体波，集体携带电流。
  • 与“正常”超导性不同，这种超导性以尖峰形式出现，就像水龙头滴落的水一样，而不是连续的电子流。
• Kagome材料除了表现出电荷密度波外，还表现出磁性，通常是两种不相容的性质。

总的来说，kagome 材料的高度组织性使得它们更容易研究我们对电磁学理解的边缘现象，比如“非常规超导性“或”量子自旋液体中磁态之间的连续波动“。

“在某个时候，你希望能够说，‘我想制造一种具有特定行为和属性的材料。’

我认为 kagome 是朝着这个方向发展的一个很好的平台，因为有办法根据晶体结构直接预测你将得到什么样的能带结构，从而预测基于该能带结构可能出现的现象。它拥有许多正确的要素。”

明毅 – 莱斯大学物理学和天文学副教授

对 Kagome 材料的新见解

到目前为止，现有的关于 kagome 金属磁性的理论都假设流动电子驱动磁性行为。然而，新发表的文章揭示，FeSn 的磁性源自局部电子，而不是科学家之前认为的移动电子。

为了获得这一见解，研究人员使用了分子束外延和角分辨光电子能谱等先进工具来创建和分析高质量的 FeSn 薄膜。

来源: 自然

这一发现还表明，kagome 磁铁中的磁性和电子相关性以复杂的相互作用共同发挥作用。

应用

首先，这一发现的含义对于非物理学家来说有点难以理解。

第一个结果是，它为更好地理解类似材料开辟了道路，比如 尚未完全了解的潜力 高温超导体这是一个在很多方面实践领先于理论的领域。

“强关联材料更具挑战性。理论和测量之间缺乏联系。

因此，不仅很难找到具有强关联性和拓扑性的材料，而且当你找到并测量它们时，也很难将测量结果与解释正在发生的事情的理论模型联系起来。”

明毅 – 莱斯大学物理学和天文学副教授

另一个可以从这项研究中受益匪浅的领域是量子计算。

更具体地说，它可以用于创建“量子逻辑门”，这是目前难以创建和利用的量子计算机的关键组件。

“对于像原始拓扑绝缘体这样的弱关联材料，第一性原理计算非常有效。

仅根据原子的排列方式，你就可以计算出预期的能带结构。从材料设计的角度来看，这是一条非常好的途径。你甚至可以预测材料的拓扑结构。

明毅 – 莱斯大学物理学和天文学副教授

投资先进磁性材料

超导性和相关物理现象很可能在未来几年成为科学和科技行业的大事。这是因为过去五年来取得了巨大的实验进展，正如我们在“超导性的进展为新技术革命让路“。

这不仅包括我们在这里讨论的 kagome 材料，还包括 热解石墨, 二维界面超导体及 室温超导体LK-99.

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量子计算公司

国际商业机器公司（IBM）是第一台大型计算机商业化的主导力量。然而，它在产量上落后于苹果等其他科技巨头 (AAPL +0.15% )、台积电和 NVIDIA (NVDA -0.71％).

然而，它处于量子计算机发展的最前沿。例如，它开发了 127 量子位的“Eagle”量子计算机，随后又开发了名为“Osprey”的 433 量子位系统。

这是现在 其次是“Condor”，1,121个超导量子位量子处理器 基于交叉谐振门技术，以及该领域最前沿的量子处理器“Heron”。

量子计算机可以从改进的磁控制中受益，增强量子位的稳定性和可靠性，这对于处理能力至关重要。

类似地，依赖受控磁场的超导体的进步可以带来更高效的能量传输和冷却系统，特别是在较高温度下。

IBM 参与了计算和半导体行业的大部分其他尖端创新。其中包括 导电有机材料, 神经形态计算, 光电子等等。

从某种程度上来说，IBM 已经成为一家“专利公司”，擅长开发新的计算方法并将其授权给行业。

到目前为止，它似乎决心在所有非硅计算方法中持有尽可能多的关键专利，复制过去的成功，为半导体行业发展成为今天的巨头做出巨大贡献。

NVIDIA 已从一家专注于显卡的小众半导体公司发展成为一家走在人工智能革命前沿及其所需的大量硬件领域的科技巨头。

这是通过开发 NVIDIA GPU 的通用编程接口 CUDA 实现的，它为游戏以外的其他用途打开了大门。

“研究人员发现，购买 GeForce 游戏卡并将其添加到计算机中，您实际上就拥有了一台个人超级计算机。分子动力学、地震处理、CT 重建、图像处理——一大堆不同的东西。”

黄仁勋接受红杉资本采访时

GPU 的广泛采用，尤其是 NVIDIA 硬件，创造了一个基于以下方面的正反馈循环： 网络效应：用途越多，熟悉它的最终用户和程序员就越多，销售额就越多，研发预算就越多，计算速度就越快，用途就越多，等等。

来源: Nvidia公司

如今，已安装的基础包括数亿个 CUDA GPU。

AI 计算能力演进的另一个显著特点是，它遵循指数定律，而不是 CPU 更线性的摩尔定律。这是因为 GPU 硬件不仅越来越好，而且所需的处理能力也随着神经网络训练方式的彻底改进而下降。

来源: NVIDIA公司

作为 GPU 和 AI 领域的领导者， NVIDIA 也非常积极地将量子计算发展为新的增长引擎.

与为神经网络应用部署 CUDA 类似，Nvidia 发布了用于量子计算的 CUDA-Q，提供量子云系统，您可以通过云服务租用 NVIDIA 量子计算能力。

来源: NVIDIA公司

这还包括 NVIDIA 的 cuQuantum 等技术，供研究人员模拟量子计算机，cuPQC 用于量子加密，以及 DGX Quantum 用于集成经典计算和量子计算。

总体而言，NVIDIA 在构建量子计算生态系统方面处于领先地位，充分利用了其在 AI 和 AI 硬件领域的领先地位。

来源: NVIDIA

如果 NVIDIA 能够在现有的 GPU 和 AI 业务之外，在量子计算领域创造出一个全新的领域，那么它能够在未来许多年里随着量子计算的迅猛应用而保持增长。

学习参考：

^{1. Chen, Y., Zhang, L., Wang, J., Li, X., & Xu, M. (2024). kagome 磁体薄膜中的持久平带分裂和强选择性能带重正化。 自然通讯，15，第 53722 条。 https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3}