Wie Spintronik & Graphen die nächste Generation von Quanten‑Schaltungen antreiben

Wie Spintronik die Computertechnik revolutionieren könnte

Progressiv beginnt die Welt der Hardware‑Computertechnik, über Siliziumchips hinauszublicken, oder sogar die klassischen Formen der binären Berechnung ganz zu hinterfragen. Das liegt daran, dass die üblichen Chips und Speicher in unseren Computern und Rechenzentren immer schwieriger zu fertigen werden, wobei die neueste Generation Transistoren von nur wenigen Nanometern Größe aufweist.

Ein weiterer Faktor ist, dass der Energieverbrauch zu einem Problem wird, da die Nachfrage nach Rechenleistung, insbesondere für KI‑Systeme, weiter steigt.

Es gibt viele vorgeschlagene Lösungen, wobei Quantencomputing und Photonik die herausragendsten Optionen sind, um entweder die Nachfrage nach Rechenleistung zu reduzieren oder sie schneller und energieärmer zu machen.

Eine weitere ist die Spintronik, die den Spin von Elektronen anstelle des elektrischen Stroms (Elektronenfluss) nutzt.

Forscher der Technischen Universität Delft (Niederlande), des Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), der Universität Valencia (Spanien), der Universität Regensburg (Deutschland) und der Harvard University (USA) haben ein neues spintronic‑Graphen‑Gerät entwickelt.

Im Gegensatz zur vorherigen Version dieser Technologie benötigt sie keine starken Magneten, was sie deutlich kompatibler mit anderen elektronischen Bauteilen macht. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications¹ unter dem Titel „Quantum spin Hall effect in magnetic graphene“.

Das Potenzial der Spintronik

Elektronische Bauteile wie Transistoren werden traditionell aus Silizium hergestellt und basieren auf Halbleitern. Die 0‑ und 1‑Signale im Binärsystem zeigen das Durchlassen bzw. Blockieren eines elektrischen Stroms an.

Eine alternative Methode zur Berechnung sind Spintronik‑Geräte, die mit dem Spin von Elektronen (einer grundlegenden quantenmechanischen Eigenschaft) statt mit elektrischem Strom (Elektronenfluss) arbeiten.

Quelle: Insight IAS

Spintronik hat einige Vorteile gegenüber klassischen elektronischen Systemen, insbesondere:

• Schnellere Daten, da der Spin viel schneller geändert werden kann.
• Weniger Energieverbrauch, da der Spin mit weniger Leistung geändert werden kann, als nötig ist, um einen Elektronenfluss für einen Strom aufrechtzuerhalten.
• Einfache Metalle können anstelle komplexer Halbleitermaterialien verwendet werden.

Spintronik wird bereits für Festplatten eingesetzt und hat das Speichervolumen im letzten Jahrzehnt wachsen lassen.

„Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die wie ein winziger Magnet ist, den die Elektronen tragen und der nach oben oder unten zeigt.

Wir können den Spin von Elektronen nutzen, um Informationen in sogenannten Spintronik‑Geräten zu übertragen und zu verarbeiten.“

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Spintronik für Quantencomputing

Wesentliche Vorteile der Spintronik für Quanten‑Schaltungen

Spin ist kein elektrischer Strom, sondern eine grundlegende quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, bei der die Quanteninformation in der Orientierung des Spins gespeichert wird.

Der Hauptvorteil der Spintronik besteht darin, dass sie den Transport von magnetischen Momenten statt den Transfer von Elektronen behandelt. Daher muss keine Materie bewegt werden, um Informationen zu übertragen.

Und da dies bereits von Anfang an ein quantenmechanisches Element ist, ist die Idee, ein Spin‑Qubit zu erzeugen, faszinierend. Das Problem, wie bei vielen Quantencomputingsystemen, besteht darin, diese Information über ausreichend lange Zeiträume und Entfernungen zu erhalten.

Und genau das haben die Forscher in dieser Studie möglicherweise herausgefunden, indem sie Graphen verwenden.

Graphen für Spintronik

Graphen ist ein „Wunder‑Material“, eine Form einer 2‑D‑Schicht aus Kohlenstoff. Es hat Potenzial nicht nur im Computing, sondern auch in der Supraleitung, Telekommunikation, den Materialwissenschaften und der Katalyse.

Bisher wurde es kaum für die Spintronik eingesetzt, trotz seiner bemerkenswerten elektrischen Eigenschaften. Der Grund ist, dass die Detektion von quantenmechanischen Spinströmen in Graphen stets große Magnetfelder erforderte, die praktisch unmöglich on‑chip zu integrieren sind.

Die Forscher konnten die Notwendigkeit externer Magnetfelder umgehen, indem sie das Graphen auf ein CrPS₄ (Chrom‑Thio‑phosphat), ein zweidimensionales antiferromagnetisches Halbleitermaterial, schichteten.

Diese magnetische Schicht veränderte die elektronischen Eigenschaften des Graphens erheblich und führte zum Quanten‑Spin‑Hall‑Effekt (QSH) im Graphen.

„Wir haben beobachtet, dass der Spintransport im Graphen durch das benachbarte CrPS4 modifiziert wird, sodass der Elektronenfluss im Graphen von der Spin‑Richtung der Elektronen abhängt.“

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Der QSH‑Effekt ermöglicht es Elektronen, mühelos entlang der Kanten des Graphens zu wandern, ohne Unterbrechungen, wobei alle Spins in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.

„Die Tatsache, dass wir nun quantenmechanische Spinströme ohne externe Magnetfelder erzeugen können, eröffnet den Weg für zukünftige Anwendungen dieser quanten‑spintronischen Geräte.“

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Zukünftige Perspektiven für Graphen‑basierte Spintronik

Da die quantenmechanischen Spinströme „topologisch geschützt“ sind, können sie Distanzen von mehreren zehn Mikrometern zurücklegen, ohne die Spin‑Information im Schaltkreis zu verlieren.

„Diese topologisch geschützten Spinströme sind robust gegenüber Unordnungen und Defekten, wodurch sie selbst unter unvollkommenen Bedingungen zuverlässig sind. Die Erhaltung des Spin‑Signals ohne Informationsverlust ist entscheidend für den Aufbau von spintronischen Schaltkreisen.“

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Diese Entdeckung ebnet den Weg zu ultradünnen, graphenbasierten spintronischen Schaltkreisen. Die Spinströme im Graphen könnten einen effizienten und kohärenten Transfer von Quanteninformation ermöglichen, bisher auf die Nutzung von Licht zur Vernetzung von Quanten‑Computing‑Komponenten beschränkt.

Obwohl es noch in der Entwicklung ist, verdeutlicht diese Entdeckung, dass das endgültige Design von Quantencomputern und Quanten‑Netzwerken noch nicht feststeht, wobei Materialien wie Graphen langfristig wahrscheinlich eine Rolle spielen werden (als größerer Teil von Graphen‑Halbleitern als Materialkategorie), ebenso wie die Spintronik im Allgemeinen.

Investitionen in Graphen‑Unternehmen

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG ist ein Graphen‑Hersteller, der sein Produktangebot auf bereits bewährte Graphen‑basierte Produkte wie Wärmebeschichtungen und Schmierstoffe konzentriert hat, um die Effizienz industrieller Anlagen zu steigern.

Quelle: GMG

Damit ist GMG eine gute Option für Investoren, die eine direkte Beteiligung am Graphen‑Markt suchen und ein Unternehmen, das bereits aktiv Graphen in Massenproduktion herstellt und das aktuelle Produktionsverfahren verbessert.

Sollte Graphen in großem Umfang für andere Anwendungen wie das Computing eingesetzt werden, wird die Erfahrung und Fertigungskapazität bestehender Graphen‑Unternehmen ein Vorteil sein, um in diese Märkte einzutreten.

Weitere mögliche Anwendungen könnten die Herstellung von Graphen‑Halbleitern sein (siehe „Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?“), oder sogar Supraleiter bei Raumtemperatur. Graphen‑Beschichtungen könnten zudem in Batterien und für Wasserstoff‑Druckbehälter‑Technologien eingesetzt werden.

GMG produziert sein Graphen aus Methan + Wasserstoff, was sich von den meisten Wettbewerbern unterscheidet, die es aus natürlichen Graphitvorkommen gewinnen. Das ermöglicht höhere Reinheit, bessere Skalierbarkeit und kostengünstige Produktion.

Quelle: GMG

Das Unternehmen eröffnete 2023 seine erste Produktionsstätte in Australien, mit einer Jahresproduktion von bis zu 1 Million Litern Wärme‑austauscher‑Beschichtung. Es expandiert nun, um 10 Millionen Tonnen pro Jahr zu produzieren.

Der nächste Schritt für das Unternehmen wird seine Batterietechnologie auf Basis von Graphen‑Aluminium‑Ionen sein, wobei seine Graphen‑Schlämme als Zusatzstoff für die Kathoden von Lithium‑Ion‑Batterien dient. Langfristig könnte sie sogar die graphit‑basierten Kathoden vollständig ersetzen.

Das Unternehmen entwickelt solche Graphen‑Aluminium‑Ionen‑Batterien mit einer Graphen‑Kathode, die eine Energiedichte von 290 Wh/kg erreichen kann. Diese wird in Zusammenarbeit mit dem Bergbau‑Giganten Rio Tinto entwickelt und könnte zunächst in Schwerindustrien (wie dem Bergbau) Anwendung finden, eher als auf dem EV‑Markt.

Quelle: GMG

Der Fahrplan für die Batterientwicklung sieht den Bau von Pilotanlagen im Jahr 2025, eine Investitionsentscheidung für eine kommerzielle Großanlage im Jahr 2026 und deren Inbetriebnahme sowie die erste Auslieferung an Kunden bis 2027 vor.

Dieser Einstieg in den Batteriemarkt könnte für GMG ein großes Risiko darstellen, bietet jedoch auch eine einzigartige Chance im zukünftigen Markt, der für Graphen eröffnet werden könnte, einschließlich der Energiespeicherung und anderer leistungsbezogener Anwendungen.

Studie referenziert

^{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}