Magnoner: Fremtiden for energieffektive chips

Magnon Computing: En ny vej til lavenergi‑chips

Efterhånden som vores efterspørgsel efter mere computerkraft vokser, bliver de hidtil anvendte metoder langsomt utilstrækkelige. Især alle silicium‑baserede chips, hvad enten det er CPU’er, GPU’er eller andre, har en tendens til at forbruge meget energi.

Den forbrugte energi omdannes til varme, som skal afledes fra datacenter‑servere, ellers kan de beskadige elektroniske komponenter.

Dette betyder, at energiforsyning og køling bliver de største begrænsninger for nye AI‑datacentre, måske endda mere end udviklingen og leveringen af avancerede chips.

En måde at reducere computerens energiforbrug på er at anvende spintronik, som bruger elektronspins til at udføre beregninger. Dette er en teknologi, der allerede bruges til harddiske og datalagring, men som hurtigt nærmer sig kommerciel anvendelse også inden for beregning.

Et nyt skridt mod dette mål er blevet taget af forskere ved University of Delaware og University of Maryland. De fandt ud af, hvordan spin‑bølger kan omdannes til elektrisk strøm, hvilket afslører en vej mod både en dybere forståelse af magnetiske materialer.

De offentliggjorde deres resultater i PNAS¹, under titlen “Magnon‑induceret elektrisk polarisation og magnon Nernst‑effekter”.

Spintronikfordele og potentielle anvendelser

Elektroniske komponenter, såsom transistorer, er traditionelt fremstillet af silicium og er afhængige 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 spintronik‑enheder, som fungerer på grundlag af elektronernes spin (en grundlæggende kvanteegenskab) i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Kilde: 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.

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

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

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

Swipe for at rulle →

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

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

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

Talieh Ghiasi – Postdoc‑forsker ved Delft University of Technology

Kontrol af magnoner for næste‑generation spintronik

Magnoner forklaret

Forskerne fokuserede på spin‑strømme, også kaldet magnoner, som fungerer som en magnetisk bølge, der bevæger elektronernes spins langs deres vej.

Kilde: Hubpage

Magnoner er den centrale del af potentielle spintronik‑enheder. Dette skyldes, at mens elektronerne selv forbliver stationære, når magnoner passerer igennem dem, er der ingen varme at aflede, den største begrænsende faktor i siliciumchips.

I denne undersøgelse fandt forskerne, at transport af magnoner kan inducere målbar elektrisk polarisation. De brugte et materiale struktureret som en bikube lavet af nikkel‑fosfor‑selenium (NiPSe3).

De fandt, at den inducerede samlede elektriske polarisation er omkring 1.000‑gange større end den for tidligere anvendte materialer, såsom mangan‑fosfor‑svovl (MnPS3).

Udover spin‑strømme

Tidligere har andre forskerhold fundet, at magnoner kan bruges til at omdanne spin‑tab til energi, hvilket øger effektiviteten af spintronik‑systemer betydeligt. Andre fremskridt inden for chirale spintronik og skalerbare spin‑bølge‑netværk har også tilført lovende tilføjelser til potentielle fremtidige spintronik‑baserede computere.

Denne undersøgelse går endnu længere ved at bevise, at magnoner, på trods af deres ladningsneutralitet, kan inducere elektrisk polarisation gennem deres spin‑ og orbital‑momenter.

Måden det fungerer på er gennem “Nerst‑effekten”, oprettelsen af et elektrisk felt når et materiale udsættes for både en temperaturgradient og et magnetfelt.

Endnu vigtigere fandt de også, at den samlede elektriske polarisation kan styres af eksterne magnetfelter (en metode kaldet magnon‑hybridisering).

Disse fund afslører, at elektriske felter kan bruges til både at opdage og manipulere magnoner under visse betingelser ved at udnytte deres spin‑ og orbital‑vinkelmoment.

Mod en samlet magnetisk beregningsmodel

Denne opdagelse blev bygget på tidligere arbejde fra samme team, som undersøgte at skabe en samlet forståelse af spin, magnoner og elektronernes baner.

“Disse resultater integrerer fremskridt inden for magnonik, spin‑orbit‑elektronik og orbitonik for at skabe en samlet ramme, der kan bruges til at forstå og kontrollere manipulationen af magnetiske tilstande.”

Denne seneste opdagelse kan gøre magnoner fra interessante fænomener, der ligger til grund for spintronik, til fuldt kontrollerbare effekter ved brug af magnetfelter.

Den skaber også en teoretisk ramme, der senere vil være nyttig til at opdage eller udvikle materialer med betydelige magnon‑orbital‑momenter, hvilket gør deres magnon‑egenskaber lettere at manipulere efter ønske.

Selvom spintronik‑chips endnu ikke er klar til rutinemæssig integration i AI‑datacentre og computere, skrider de meget hurtigt frem mod en samlet forståelse, både på det teoretiske og det praktiske ingeniøreniveau.

Dette kan igen have vigtige implikationer for, hvordan vi bygger næste generation af både klassiske og kvantecomputere.

I mellemtiden bruges spintronik allerede af virksomheder til at bygge hukommelses‑elektronik og sensorer, og de kan være afgørende for at skabe mere avancerede spintronik‑chips i fremtiden.

Investering i spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin is a branch of Freescale (now known as NXP

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.

Driven by pervasive applications such as data analytics, cloud computing, both terrestrial and extraterrestrial, artificial intelligence (AI), and Edge AI, including Industrial IoT, the market for persistent memory is projected to grow at a CAGR of 27.5% between 2020 and 2030

Everspin

Kilde: Everspin

Virksomheden anslår, at markedet vil nå en størrelse på 7,4 milliarder dollars inden 2027. Virksomheden har haft ingen gæld og positiv fri pengestrøm siden 2021.

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

Kilde: Everspin

Væksten i chipsets, 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 spintronik‑sensorer og isolatorer, som hovedsageligt anvendes i måle‑ og sensorsystemer til biler, gear, medicinsk udstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheder.

Kilde: NVE

Dette placerer NVE i en noget anden kategori end Everspin, idet NVE er mere et industrifirma med en stærk position i et niche‑marked (magnetometer, der bruger spintronik), mens Everspin er mere et hukommelses‑/computerfirma, der arbejder med og konkurrerer med virksomheder som Intel, Qualcomm, Toshiba og Samsung, som også udvikler deres egen MRAM‑produkt.

Det kan gøre aktien mere (eller mindre) attraktiv afhængigt af investorprofiler, hvor NVE‑aktien sandsynligvis vil appellere mere til konservative investorer, der søger udbytteafkast og sikkerhed.

Studie refereret

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon‑induceret elektrisk polarisation og magnon Nernst‑effekter. PNAS.  23. oktober 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}