Styring af elektronik gennem fotoexcitation – Vil magnetit bane vejen for næste generations enheder?

Potentialet for spintronik

Elektroniske komponenter som transistorer fremstilles traditionelt af silicium og bygger på halvlederteknologi. Binære 0- og 1-signaler kan repræsenteres ved, at elektrisk strøm blokeres eller ledes. Spintroniske enheder udnytter også elektronernes spin, en grundlæggende kvantemekanisk egenskab, til at behandle og lagre information.

Spintronik har nogle fordele i forhold til klassiske elektroniske systemer, blandt andet følgende potentielle fordele:

• Hurtig behandling af data, fordi spintilstande kan ændres hurtigt.
• Lavere energiforbrug i visse anvendelser, fordi information kan lagres og skiftes uden en vedvarende strøm gennem hukommelseselementet.
• Mulighed for at anvende magnetiske materialer som supplement til traditionelle halvledere.

Spintronik er især brugt i harddiske og har gjort det muligt for lagerkapaciteten at vokse i løbet af det sidste årti.

Et materiale, der allerede anvendes i spintronik, er magnetit, et naturligt forekommende mineral bestående af oxygen og to former for jern i forskellige oxidationsniveauer.

Kilde: Britannica

Selvom magnetit har været kendt for sine magnetiske egenskaber i årtier, er der tilsyneladende stadig mere, der kan læres om det.

Forskere ved EPFL i Schweiz har vist, at laserlys kan fremkalde hidtil skjulte faser i magnetit. Resultatet kan på længere sigt få betydning for nye elektroniske enheder.

De skjulte egenskaber ved magnetit

Forskerne valgte magnetit, fordi materialet ved lave temperaturer kan gennemgå en overgang fra en elektrisk ledende til en isolerende tilstand. Ved en faseovergang ændres materialets egenskaber markant, omtrent som når flydende vand bliver til is.

Ved at bruge laserlys med bølgelængder på henholdsvis 800 nm og 400 nm, i det nærinfrarøde og synlige område, fremkaldte de faser, som ikke forekommer under normale ligevægtsbetingelser.

Forskerne måtte registrere ændringer over ekstremt korte tidsrum. Til det brugte de teknikken ultrahurtig elektrondiffraktion (UED), som gør det muligt at følge atombevægelser på tidsskalaer under et picosekund, altså en billiontedel af et sekund.

Ændring af rumlig konfiguration

I magnetits isolerende lavtemperaturfase er krystalgitteret monoklint. Enhedscellen kan beskrives som en skæv kasse med tre ulige kantlængder. To vinkler er rette, mens den tredje afviger fra 90 grader.

Kilde: ACS

Lys ved 800 nm forstyrrer den ordnede struktur og fremkalder en blanding af kubiske, metalliske områder og monokline, isolerende områder. De ultrahurtige målinger viste, hvordan omdannelsen udviklede sig i flere trin.

Lys ved 400 nm får derimod gitteret til at udvide sig i en bestemt retning og forstærker den monokline, isolerende struktur.

Disse ikke-ligevægtsfaser giver ny indsigt i mekanismerne bag magnetits overgang mellem ledende og isolerende tilstande.

Nye elektroniske systemer

Opdagelsen viser, at laserlys kan påvirke magnetits struktur og elektroniske egenskaber.

Meget korte lyspulser kan dermed blive et redskab til kontrolleret ændring af materialets tilstand.

“Vores studie åbner for en ny tilgang til at styre stof på ultrahurtige tidsskalaer ved hjælp af tilpassede fotonpulser.

Muligheden for at fremkalde og kontrollere skjulte faser i magnetit kan få væsentlig betydning for udviklingen af avancerede materialer og enheder.

Materialer, der hurtigt og effektivt kan skifte mellem elektroniske tilstande, kan eksempelvis bruges i fremtidens beregnings- og hukommelsesenheder.”

Bedre hukommelse

Spintronik og magnetit åbner nye muligheder for elektronikproducenter. Teknologier, der først fik stor betydning i harddiske, undersøges nu også til andre hukommelsessystemer.

Magnetisk RAM (MRAM) kan eksempelvis supplere eller i visse anvendelser erstatte dynamisk RAM (DRAM). Kommercielle MRAM-produkter findes allerede hos Everspin og bruges blandt andet i luftfart, hvor modstandsdygtighed over for temperaturændringer og stråling er vigtig.

MRAM kan i nogle konstruktioner reducere pladsbehov og strømforbrug. Artiklen omtaler besparelser på op til 80 %, men den konkrete gevinst afhænger af teknologien og anvendelsen. MRAM som cachehukommelse kan give større kapacitet med lavere energiforbrug og mindre varmeudvikling. Både plads og varme begrænser ellers forbedringer af processorer.

Fotonik?

At bruge laserlys til at ændre magnetits tilstand minder om det voksende felt fotonik, som vi omtalte i vores artikel om virksomheder, der flytter beregning ud over halvleder-systemer.

Et system, der allerede bruger lys til beregninger, kan muligvis have fordel af hukommelse baseret på lysinducerede faseovergange i magnetit. Det kan potentielt mindske behovet for mellemtrin, som bruger energi og forsinker lagringen af beregningsresultater.

Spintronik-virksomheder

1. Everspin Technologies

Everspin udvikler MRAM-hukommelse og blev udskilt fra Freescale i 2008. Freescale blev senere en del af NXP, som handles under symbolet NXPI. Everspin blev børsnoteret i 2016.

Everspin regnes blandt de førende virksomheder inden for MRAM og bygger på Freescales erfaring som den første til at kommercialisere en MRAM-chip i 2006.

MRAM bevarer data, når strømmen afbrydes. Det gør teknologien relevant i anvendelser, hvor tab af kritiske data skal undgås.

Anvendelser inden for dataanalyse, cloud computing på Jorden og i rummet, kunstig intelligens og lokal AI, herunder industrielt IoT, ventes at øge efterspørgslen. Den citerede prognose angiver en gennemsnitlig årlig vækst på 27,5 % for markedet for ikke-flygtig hukommelse fra 2020 til 2030.

Everspin

Kilde: Everspin

Virksomhedens daværende prognose anslog et marked på 7,4 mia. dollar i 2027. Artiklen oplyser desuden, at selskabet på det tidspunkt var gældfrit og havde haft positivt frit cashflow siden 2021.

Everspins MRAM-produkter betjener en lille, men voksende niche, hvor pålidelighed er afgørende, eksempelvis luftfart, satellitter, dataoptagere og udstyr til patientovervågning.

Kilde: Everspin

Vækst inden for chipsæt, AI og synaptiske systemer kan også understøtte virksomheden på længere sigt.

2. NVE Corporation

En anden virksomhed inden for spintronik er NVE. NVE har arbejdet med denne teknologi siden deres første patent på MRAM-teknologi i 1995.

Virksomheden fremstiller spintroniske sensorer og isolatorer, som især bruges i måle- og sensorsystemer til biler, gear, medicinsk udstyr, strømforsyninger og andre industriprodukter.

Kilde: NVE

NVE adskiller sig derfor fra Everspin. NVE har en industriel profil med en stærk position inden for blandt andet spintroniske magnetometre. Everspin fokuserer mere på hukommelse og databehandling og samarbejder eller konkurrerer med virksomheder som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba og Samsung, der også udvikler MRAM.

De forskellige forretningsmodeller kan appellere til forskellige investorer. NVE kan eksempelvis være interessant for investorer, der lægger vægt på udbytte, men en industriel nicheposition gør ikke aktien risikofri.