Hvordan Kiral Spintronik Kan Transformere Computing

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 er 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, en kvanteegenskab, i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Fordele og Potentielle Anvendelser af Spintronik

Elektroniske komponenter, såsom transistorer, er traditionelt fremstillet af silicium og afhænger af halvledere. 0‑ og 1‑signalene i binær angiver henholdsvis passage eller blokering af en elektrisk strøm.

En alternativ måde at udføre beregning på er gennem spintroniske enheder, som kører på elektronernes spin (en grundlæggende kvanteegenskab) i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Source: Insight IAS

Data kan kodes både i spin‑vinkelmomentet, som kan forestilles som en indbygget “op” eller “ned” orientering af elektronen, og i orbital‑vinkelmomentet, som beskriver, hvordan elektroner bevæger sig omkring atomkerner.

Fordi dette indeholder mere information end blot 0 & 1, kan spin indeholde mere data pr. atom end traditionel elektronik.

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

• Hurtigere data, da spin kan ændres meget hurtigere.
• Mindre energiforbrug, da spin kan ændres med mindre kraft end det, der kræves for at opretholde en strøm af elektroner.
• Enkle metaller kan anvendes i stedet for komplekse halvledermaterialer.
• Spin er mindre flygtig end halvlederstatus, hvilket gør datalagringen mere stabil.

Swipe to scroll →

Spintronik er blevet kommercialiseret i læsehovedet på harddiske siden 1990’erne, hvilket har øget lagringstætheden betydeligt gennem de seneste årtier.

“Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elektroner, som svarer til en lille magnet, der bæres af elektronerne, og peger op eller ned.

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

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Meget nylig fremgang er sket inden for spintronik, for eksempel at spin‑tab kan omdannes tilbage til magnetisering, hvilket gør spintronisk elektronik endnu mere energieffektivt, eller at spintronik & grafen kunne drive næste generations kvante‑kredsløb.

Og forskere opdager stadig nye metoder til at forbedre spintroniske enheder, som forskere ved Seoul National University (Sydkorea), Korea University, Korea Institute of Science and Technology og Feinberg School of Medicine (USA). De har skabt magnetiske nano‑spiraler, der kan kontrollere elektronspin, hvilket potentielt kan skabe et helt nyt felt af såkaldte “kirale spintroniske” enheder.

De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Science¹ under titlen “Spin‑selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

Kiral Spintronik

Hvad er Kiralitet i Spintronik?

I naturen er symmetri et grundlæggende træk ved mange ting, herunder DNA‑komponenter og selve lyset. Det er muligt, at to molekyler, der er næsten identiske, adskiller sig ikke i sammensætning eller form, men i deres orientering – et koncept kaldet “kiralitet”.

Kiralitet kan forklares på den simpleste måde som forskellen mellem vores venstre og højre hånd, selvom begge hænder er identiske i form, struktur og funktion.

Kiralitet spiller en grundlæggende rolle i biologi, hvor naturlig selektion udelukkende har udvalgt “højrehåndede” DNA‑molekyler, sukker og aminosyrer (grundkomponenten i proteiner).

Det er dog sjældent i uorganiske materialer, som enten er uordnede eller krystaller uden kiralitet.

Hvordan Metaller Opnår Kiralitet til Spintronik

Forskere formåede at skabe både venstre‑ og højrehåndede kirale magnetiske nano‑spiraler ved elektrokemisk at styre metalkrystallisationsprocessen. En legering af kobolt‑jern blev valgt for sine ferromagnetiske egenskaber.

En central innovation i denne proces er brugen af spor af kirale organiske molekyler, såsom cinchonine eller cinchonidine, som vejledte dannelsen af spiralerne.

“I metaller og uorganiske materialer er kontrol af kiralitet under syntese ekstremt vanskelig, især på nanoskalering.

Det faktum, at vi kunne programmere retningen af uorganiske spiraler blot ved at tilsætte kirale molekyler, er et gennembrud inden for materialekemi.”

Pr. Ki Tae Nam – Professor ved Seoul National University

For at demonstrere kiraliteten af disse nano‑spiraler målte de de elektromagnetiske felter (EMF), som spiralerne genererede under roterende magnetfelter.

Dette skaber en nem måde at teste, om materialet er produceret korrekt, da venstre‑ og højrehåndede spiraler producerede modsatte EMF‑signaler, hvilket tillader kvantitativ verifikation af kiralitet uden at det magnetiske materiale skal interagere stærkt med lys, den sædvanlige metode til at kontrollere kiralitet.

Vigtigere endnu opdagede de, at disse kirale magnetiske metaller også kan lede spin i overensstemmelse hermed: de tillader primært én spin‑retning at passere, mens den modsatte spin blokeres.

“Kiralitet er velkendt i organiske molekyler, hvor strukturets håndhed ofte bestemmer dens biologiske eller kemiske funktion,”

Pr. Ki Tae Nam – Professor ved Seoul National University

Potentielle Anvendelser af Kiral Spintronik

Gennem materialets iboende magnetisering (spin‑justering) blev langdistancetransport af spin ved stuetemperatur mulig.

Dette fænomen viste sig at være konstant, uanset vinklen mellem den kirale akse og spin‑injektionsretningen. Da det ikke blev observeret i ikke‑magnetiske nano‑spiraler af samme størrelse, ser det ud til at være direkte forbundet med de kirale magnetiske spiraler.

Dette ville udgøre den første opdagelse af asymmetrisk spin‑transport i et relativt makroskopisk materiale.

Teamet demonstrerede også en solid‑state enhed, der viste kiralitet‑afhængige ledningssignaler, hvilket baner vejen for praktiske spintroniske anvendelser.

“Disse nano‑spiraler opnår spin‑polarisering på over ~80 % – blot ved deres geometri og magnetisme,”

Dette er en sjælden kombination af strukturel kiralitet og indbygget ferromagnetisme, som muliggør spin‑filtrering ved stuetemperatur uden komplekse magnetiske kredsløb eller kryogenik, og giver en ny måde at designe elektronadfærd ved hjælp af strukturel design.”

Pr. Young Keun Kim – Professor ved Korea University

En anden fordel ved denne nye teknologi er, at fremstillingsprocessen er relativt enkel og billig, uden brug af sjældne materialer eller komplekse teknologier.

“Vi tror, at dette system kan blive en platform for kiral spintronik og arkitekturen af kirale magnetiske nanostrukturer.

Dette arbejde repræsenterer en kraftfuld konvergens af geometri, magnetisme og spin‑transport, bygget på skalerbare, uorganiske materialer.”

Pr. Young Keun Kim – Professor ved Korea University

Meget mere arbejde skal stadig udføres for fuldt ud at udforske potentialet i denne nye idé og materialer. For eksempel kan antallet af tråde (dobbelt‑, multiple spiraler) ændres efter behov, og kan give forskellige karakteristika, som endnu ikke er opdaget.

Evnen til at kontrollere håndheden (venstre/højre) og endda antallet af tråde (dobbelt, multiple spiraler) ved hjælp af denne alsidige elektrokemiske metode forventes at bidrage væsentligt til nye anvendelsesområder.

Pr. Young Keun Kim – Professor ved Korea University

Mellem den lette produktion og muligheden for langdistancetransport af spin, kan dette være meget nyttigt for fremstilling af fuldt spin‑baserede computere og netværk, med økonomiske fordele fra lavere energiforbrug og stabil datalagring.

Investering i Spintroniske Innovatører

1. Everspin Technologies

Everspin er en gren af Freescale (nu kendt som NXP, aktiekode NXPI) dedikeret til at udvikle MRAM‑hukommelsessystemer, den mest almindelige form for spintronik, der i dag er kommercielt levedygtig. Den blev udskilt og gik på børsen i 2016.

Everspin betragtes som førende inden for MRAM‑teknologi (Magnetoresistiv Random‑Access Memory) og arver Freescales erfaring som den første til at kommercialisere en MRAM‑chip i 2006.

Da MRAM er en hukommelse, der bevarer data selv i fravær af strøm, anvendes den i stigende grad i følsomme anvendelser, hvor kritiske data er for vigtige til at risikere tab.

Drevet af udbredte anvendelser såsom dataanalyse, cloud‑computing, både terrestrisk og extraterrestrisk, kunstig intelligens (AI) og Edge‑AI, inklusive industriel IoT, forventes markedet for vedvarende hukommelse at vokse med en CAGR på 27,5 % mellem 2020 og 2030

Everspin

Source: Everspin

Virksomheden anslår, at markedet vil nå en størrelse på 7,4 mia. $ i 2027. Siden 2021 har virksomheden ingen gæld og positiv fri cash‑flow.

Everspin MRAM‑produkter beskæftiger i øjeblikket en lille, men voksende niche, der betjener markeder, hvor pålidelighed er afgørende, såsom luftfart, satellitter, dataoptagere, patientovervågningsenheder osv.

Source: Everspin

Væksten i chip‑sæt, AI og synaptiske systemer kan også give virksomheden et langsigtet løft.

2. NVE Corporation

En anden leder inden for spintronik, NVE har arbejdet med denne teknologi siden deres første patent på MRAM‑teknologi i 1995. De producerer spintroniske sensorer og isolatorer, primært brugt i måle‑ og sensorsystemer til biler, gear, medicinsk udstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheder.

Source: NVE

Dette placerer NVE i en noget anden kategori end Everspin, idet NVE er mere et industrielt selskab med en stærk position i et niche‑marked (magnetometer baseret på spintronik), mens Everspin er mere et hukommelses‑/computingselskab, der konkurrerer med virksomheder som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba og Samsung, som også udvikler deres egne MRAM‑produkter.

Det kan gøre aktien mere (eller mindre) attraktiv afhængig af investorprofiler, idet NVEs aktie sandsynligvis vil appellere til mere konservative investorer, der søger udbytte og sikkerhed.

Studier Refereret

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}