Hvordan spintronik og grafen driver næste generations kvantekredsløb

Hvordan spintronik kan revolutionere datalogi

Hardware-computing-verdenen begynder gradvist at se ud over siliciumchips eller endda klassiske former for binær databehandling. Dette skyldes, at de sædvanlige chips og hukommelse i vores computere og datacentre bliver stadig vanskeligere at bygge, hvor den seneste generation har transistorer, der knap er et par nanometer store.

En anden faktor er, at energiforbruget bliver et problem, i takt med at efterspørgslen efter computerkraft, især til AI-systemer, fortsætter med at vokse.

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

En anden er spintronik, som udnytter elektroners spin i stedet for elektrisk strøm (elektronernes strøm).

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 grafen-enhed.

I modsætning til den tidligere version af denne teknologi kræver den ikke kraftige magneter, hvilket gør den langt mere kompatibel med andre elektroniske komponenter. De har offentliggjort deres resultater i Nature Communications.¹, under titlen "Kvante spin Hall-effekt i magnetisk grafen".

Spintronics potentiale

Elektroniske komponenter som transistorer er traditionelt bygget af silicium og er afhængige af halvledere. 0- og 1-signalerne i binært tal angiver passage eller blokering af en elektrisk strøm.

En alternativ måde at udføre beregninger på er spintroniske enheder, der kører på elektroners spin (en fundamental kvanteegenskab) snarere end elektrisk strøm (elektronernes strøm).

Kilde: Indsigt IAS

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

• Hurtigere data, da spin kan ændres meget hurtigere.
• Mindre energiforbrug, da spin kan ændres med mindre strøm, end det tager at opretholde en flux af elektroner for at skabe en strøm.
• Simple metaller kan bruges i stedet for komplekse halvledermaterialer.

Spintronics bruges allerede til 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, der bæres af elektronerne, og som peger opad eller nedad."

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

Talieh Ghiasi - Postdoc-forskningr kl Delft University of Technology

Spintronik til kvanteberegning

Vigtigste fordele ved spintronik til kvantekredsløb

Spin er ikke en elektrisk strøm, men en fundamental kvantekarakteristik ved elektroner, hvor kvanteinformationen er lagret i spinnets orientering.

Spintronics' største fordel er, at den håndterer transport af magnetiske momenter i stedet for overførsel af elektroner. Så der er ikke behov for, at stof bevæger sig for at overføre information.

Og da dette allerede i starten er et kvanteelement, er ideen om at skabe en spin-qubit spændende. Problemet, som det ofte er med kvantecomputersystemer, er at bevare denne information i tilstrækkeligt lange perioder og afstande.

Og det er måske netop, hvad forskerne i dette studie fandt ud af, hvordan de skulle løse ved hjælp af grafen.

Grafen til spintronik

Grafen er en form for "mirakelmateriale" 2D-lag af kulstofDet har potentiale ikke kun inden for datalogi, men også inden for superledning, telekommunikation, materialevidenskabog katalyse.

Det har indtil videre ikke rigtig været brugt til spintronik, på trods af dets bemærkelsesværdige elektriske egenskaber. Årsagen er, at detektion af kvante-spinstrømme i grafen altid har krævet store magnetfelter, der praktisk talt er umulige at integrere på chippen.

Forskerne var i stand til at omgå behovet for eksterne magnetfelter ved at lægge grafenet oven på en CrPS₄ (kromthiofosfat), en todimensionel antiferromagnetisk halvleder.

Dette magnetiske lag ændrede grafenens elektroniske egenskaber betydeligt, hvilket gav anledning til kvante spin Hall (QSH) effekten i grafen.

"Vi observerede, at spintransporten i grafen modificeres af det nærliggende CrPS4, således at elektronstrømmen i grafen bliver afhængig af elektronernes spinretning."

Talieh Ghiasi - Postdoc-forskningr kl Delft University of Technology

QSH-effekten gør det muligt for elektroner at bevæge sig ubesværet langs kanterne af grafen uden afbrydelse, med alle deres spins justeret i samme retning.

"Det faktum, at vi nu opnår kvante-spinstrømme uden behov for eksterne magnetfelter, åbner vejen for fremtidige anvendelser af disse kvante-spintroniske enheder."

Talieh Ghiasi - Postdoc-forskningr kl Delft University of Technology

Fremtidsudsigter for grafenbaseret spintronik

Fordi kvantespinstrømmene er "topologisk beskyttet", kan de tilbagelægge snesevis af mikrometer lange afstande uden at miste spininformationen i kredsløbet.

"Disse topologisk beskyttede spinstrømme er robuste over for forstyrrelser og defekter, hvilket gør dem pålidelige selv under ufuldkomne forhold. Bevarelse af spinsignalet uden tab af information er afgørende for at bygge spintroniske kredsløb."

Talieh Ghiasi - Postdoc-forskningr kl Delft University of Technology

Denne opdagelse baner vejen for ultratynde, grafenbaserede spintroniske kredsløb. Spinstrømmene i grafen kan skabe en effektiv og sammenhængende overførsel af kvanteinformation, indtil nu begrænset til at bruge lys til at forbinde kvantecomputerkomponenter.

Så selvom det stadig er et igangværende arbejde, gør denne opdagelse det klart, at det endelige design af kvantecomputere og kvantenetværk endnu ikke er besluttet, idet materialer som grafen sandsynligvis vil spille en rolle på lang sigt (da en større del af grafenhalvledere som materialekategori), såvel som spintronik generelt.

Investering i grafenvirksomheder

Grafenfremstillingsgruppe (GMG)

GMG er en grafenproducent, der har fokuseret sit produktudbud på allerede dokumenterede grafenbaserede produkter som varmebelægning og smøremidler, hvilket øger effektiviteten af ​​industrielt udstyr.

Kilde: GMG

Dette gør GMG til en god mulighed for investorer, der søger direkte eksponering til grafenmarkedet og en virksomhed, der allerede er aktiv i masseproduktion af grafen og forbedring af den nuværende produktionsmetode.

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

Nogle andre anvendelser kunne være skabelsen af ​​grafenhalvledere (se “Grafen-halvledere – er de her endelig?"), eller endda stuetemperatur superledere. Grafenbelægning kan også finde anvendelse i batterier og til teknologier til brinttrykbeholdere.

GMG producerer sin grafen fra metan + brint, hvilket adskiller sig fra de fleste af sine konkurrenter, der producerer det fra naturlige grafitforekomster. Dette muliggør højere renhed, større skalerbarhed og lave produktionsomkostninger.

Kilde: GMG

Virksomheden lancerede sit første produktionsanlæg i Australien i 2023 med en produktion på op til 1 million liter varmevekslerbelægning om året. Den udvider nu til at producere 10 millioner tons om året.

Det næste skridt for virksomheden bliver deres batteriteknologi baseret på grafen-aluminium-ioner, hvor deres grafen-opslæmning fungerer som et additiv til katoder i lithium-ion-batterier. På lang sigt kan det endda blive en erstatning for de grafitbaserede katoder helt og holdent.

Virksomheden udvikler sådanne grafen-aluminium-ionbatterier ved hjælp af en grafenkatode, som kan nå en energitæthed på 290 Wh/kg. Dette er udviklet i samarbejde med minegiganten Rio Tinto og kan i første omgang have anvendelser i tungindustrier (som minedrift) snarere end på elbilmarkederne.

Kilde: GMG

Køreplanen for batteriudvikling forventer opførelse af pilotanlæg i 2025, en beslutning om investering i en fabrik i kommerciel skala i 2026, og den endelige idriftsættelse og første forsendelse til kunderne i 2027.

Denne indtræden på batterimarkedet kan være et stort sats for GMG, men det giver også en unik mulighed i det fremtidige marked, der kan åbne op for grafen, herunder inden for energilagring og andre energirelaterede applikationer.

Undersøgelse refereret

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Kvante spin Hall-effekt i magnetisk grafenNature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}