Hvordan spintronik & grafen driver næste generations kvantekredsløb

Hvordan spintronik kan revolutionere computing

Progressivt begynder hardware‑computingverdenen at se ud over siliciumchips, eller endda klassiske former for binær computing helt og holdent. Dette skyldes, at de sædvanlige chips og hukommelse i vores computere og datacentre bliver stadig sværere at fremstille, hvor den nyeste generation har transistorer på kun få nanometer.

En anden faktor er, at energiforbruget bliver et problem, efterhånden som efterspørgslen efter computerkraft, især til AI‑systemer, fortsætter med at vokse.

Der findes mange foreslåede løsninger, hvor kvantecomputing og fotonik er de mest fremtrædende muligheder for enten at reducere efterspørgslen efter beregning eller gøre den hurtigere og mindre energikrævende.

En anden er spintronik, som udnytter elektronernes spin i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Forskere ved Delft University of Technology (Holland), Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), University of Valencia (Spanien), University of Regensburg (Tyskland) og Harvard University (USA) har skabt en ny spintronisk grafenenhed.

I modsætning til den tidligere version af denne teknologi kræver den ikke kraftige magneter, hvilket gør den meget mere kompatibel med andre elektroniske komponenter. De offentliggjorde deres resultater i Nature Communications¹ under titlen “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Potentialet for spintronik

Elektroniske komponenter som transistorer er traditionelt fremstillet af silicium og er afhængige af halvledere. 0‑ og 1‑signalerne i binær angiver henholdsvis passage eller blokering af en elektrisk strøm.

En alternativ måde at udføre beregning på er spintroniske enheder, der fungerer på elektronernes spin (en grundlæggende kvanteegenskab) i stedet for elektrisk strøm (elektronernes bevægelse).

Kilde: Insight IAS

Spintronik har nogle fordele i forhold til klassiske elektroniske systemer, især:

• Hurtigere data, da spin kan ændres meget hurtigere.
• Lavere energiforbrug, da spin kan ændres med mindre kraft end det kræver at opretholde en strøm af elektroner for at skabe en strøm.
• Simple metaller kan anvendes i stedet for komplekse halvledermaterialer.

Spintronik bruges allerede i harddiske og har gjort det muligt for lagerkapaciteten at vokse i løbet af det sidste årti.

“Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elektroner, som er som en lille magnet, som elektronerne bærer, og som peger op eller ned.

Vi kan udnytte elektronernes spin til at overføre og behandle information i såkaldte spintroniske enheder.

Talieh Ghiasi – Postdoc Forsker ved Delft University of Technology

Spintronik til kvantecomputing

Nøglefordele ved spintronik for kvantekredsløb

Spin er ikke en elektrisk strøm, men en grundlæggende kvanteegenskab ved elektroner, hvor den kvanteinformation lagres i spinens orientering.

Spintroniks hovedfordel er, at den beskæftiger sig med transport af magnetiske momenter i stedet for overførsel af elektroner. Så der er ingen grund til, at materie skal bevæge sig for at overføre information.

Og da dette allerede fra starten er et kvanteelement, er idéen om at skabe en spin‑qubit fascinerende. Problemet, som ofte er tilfældet med kvantecomputingsystemer, er at bevare denne information i tilstrækkeligt lange perioder og over afstande.

Og dette kan være præcis, hvad forskerne i denne undersøgelse har fundet ud af, hvordan man løser det ved hjælp af grafen.

Grafen til spintronik

Grafen er et “mirakelmateriale” i form af et 2D‑lag af kulstof. Det har potentiale ikke kun inden for computing, men også inden for superledningsfænomener, telekommunikation, materialvidenskab og katalyse.

Det har indtil videre stort set ikke været brugt til spintronik, på trods af dets bemærkelsesværdige elektriske egenskaber. Årsagen er, at detektion af kvante‑spin‑strømme i grafen altid har krævet store magnetfelter, som i praksis er umulige at integrere på chip.

Forskerne lykkedes med at omgå behovet for eksterne magnetfelter ved at lægge grafen oven på en CrPS₄ (kromiumthiophosphat), et to‑dimensionelt antiferromagnetisk halvledermateriale.

Dette magnetiske lag ændrede grafenens elektroniske egenskaber markant og frembragte den kvantemekaniske spin‑Hall‑effekt (QSH) i grafen.

“Vi observerede, at spintransporten i grafen ændres af den tilstødende CrPS₄, så elektronernes strøm i grafen bliver afhængig af elektronernes spin‑retning.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Forsker ved Delft University of Technology

QSH‑effekten gør det muligt for elektroner at bevæge sig ubesværet langs grafenens kanter uden forstyrrelse, med alle deres spin justeret i samme retning.

“Faktum er, at vi nu opnår kvante‑spin‑strømme uden behov for eksterne magnetfelter, hvilket baner vejen for fremtidige anvendelser af disse kvante‑spin‑troniske enheder.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Forsker ved Delft University of Technology

Fremtidsperspektiv for grafen‑baseret spintronik

Da de kvante‑spin‑strømme er “topologisk beskyttede”, kan de rejse titusinder af mikrometer uden at miste spin‑informationen i kredsløbet.

“Disse topologisk beskyttede spin‑strømme er robuste over for uregelmæssigheder og fejl, hvilket gør dem pålidelige selv under uperfekte forhold. Bevarelsen af spin‑signalet uden tab af information er afgørende for opbygning af spintroniske kredsløb.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Forsker ved Delft University of Technology

Denne opdagelse baner vejen for ultratynde, grafen‑baserede spintroniske kredsløb. Spin‑strømmene i grafen kunne skabe en effektiv og koherent overførsel af kvanteinformation, indtil nu begrænset til brug af lys til at forbinde kvantecomputingskomponenter.

Så selvom det stadig er under udvikling, viser denne opdagelse tydeligt, at den endelige udformning af kvantecomputere og kvantenetværk endnu ikke er fastlagt, med materialer som grafen sandsynligvis vil spille en rolle på længere sigt (som en større del af grafen‑halvledere som en materialekategori), samt spintronik generelt.

Investering i grafen‑virksomheder

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG er en grafenproducent, der har fokuseret sit produktsortiment på allerede demonstrerede grafen‑baserede produkter såsom varmebelægning og smøremidler, hvilket øger effektiviteten af industrielt udstyr.

Kilde: GMG

Dette gør GMG til et godt valg for investorer, der søger direkte eksponering mod grafenmarkedet og et firma, der allerede er aktivt i masseproduktion af grafen og forbedring af den nuværende produktionsmetode.

Hvis grafen begynder at blive brugt i stor skala til andre anvendelser som computing, vil erfaringen og produktionskapaciteten hos eksisterende grafenvirksomheder være en fordel for at komme ind på disse markeder.

Nogle andre anvendelser kunne være fremstillingen af grafen‑halvledere (se “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), eller endda rumtemperatur‑superledere. Grafenbelægning kan også finde anvendelse i batterier og til brinttrykbeholder‑teknologier.

GMG producerer sin grafen fra metan + hydrogen, hvilket adskiller sig fra de fleste af dets konkurrenter, som producerer den fra naturlige grafitaflejringer. Dette muliggør højere renhed, større skalerbarhed og lavprisproduktion.

Kilde: GMG

Virksomheden lancerede sin første produktionsfacilitet i Australien i 2023 med op til 1 million liter varmeveksler‑belægningsproduktion om året. Den udvider nu til at producere 10 millioner ton om året.

Det næste skridt for virksomheden vil være dens batteriteknologi baseret på grafen‑aluminium‑ion, hvor dens grafenslurry fungerer som tilsætningsstof til katoder i lithium‑ion‑batterier. På længere sigt kunne den endda erstatte de grafit‑baserede katoder fuldstændigt.

Virksomheden udvikler sådanne grafen‑aluminium‑ion‑batterier ved brug af en grafen‑katode, som kan opnå en energitæthed på 290 Wh/kg. Dette udvikles i partnerskab med minedragsgiganten Rio Tinto og kan i første omgang finde anvendelse i tungindustrier (som minedrift) snarere end i elbil‑markedet.

Kilde: GMG

Batteriudviklingsplanen forventer opførelse af pilotanlæg i 2025, en beslutning om investering i en kommerciel fabrik i 2026 og dens endelige idriftsættelse samt første levering til kunder i 2027.

Denne indtræden på batterimarkedet kan være en stor risikofaktor for GMG, men den giver også virksomheden en unik mulighed i det fremtidige marked, som kan åbne for grafen, herunder inden for energilagring og andre strømrelaterede anvendelser.

Studie refereret

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}