Computing
Wie chirale Spintronik das Rechnen transformieren könnte
Wie Spintronik die Computertechnologie revolutionieren könnte
Progressiv beginnt die Welt der Hardware‑Computer über Siliziumchips hinauszublicken, oder sogar klassische Formen des binären Rechnens 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 prominentesten Optionen sind, um entweder die Nachfrage nach Rechenleistung zu reduzieren oder sie schneller und energieeffizienter zu machen.
Ein weitere ist die Spintronik, die den Spin von Elektronen – eine quantenmechanische Eigenschaft – anstelle des elektrischen Stroms (dem Fluss von Elektronen) nutzt.
Vorteile und potenzielle Anwendungen 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 ist die Nutzung spintronischer Geräte, die mit dem Spin von Elektronen (einer grundlegenden quantenmechanischen Eigenschaft) statt mit dem elektrischen Strom (dem Fluss von Elektronen) arbeiten.
Quelle: Insight IAS
Daten können sowohl im Spin‑Drehimpuls, der sich als eingebaute „auf“‑ oder „ab“‑Orientierung des Elektrons vorstellen lässt, als auch im Bahndrehimpuls, der beschreibt, wie sich Elektronen um Atomkerne bewegen, kodiert werden.
Da dies mehr Information als nur 0 & 1 enthält, kann der Spin pro Atom mehr Daten speichern als herkömmliche Elektronik.
Spintronik hat einige weitere Vorteile gegenüber klassischen elektronischen Systemen, notably:
- Schnellere Daten, da der Spin viel schneller geändert werden kann.
- Geringerer Energieverbrauch, da der Spin mit weniger Leistung geändert werden kann als nötig ist, um einen Elektronenfluss für einen Strom zu erzeugen.
- Einfache Metalle können anstelle komplexer Halbleitermaterialien verwendet werden.
- Spin ist weniger flüchtig als der Halbleiterzustand, wodurch die Datenspeicherung stabiler wird.
Wischen zum Scrollen →
| Merkmal | Traditionelle Elektronik | Spintronik |
|---|---|---|
| Informationsträger | Elektrischer Strom (0 oder 1) | Elektronenspin (nach oben/nach unten) |
| Energieeffizienz | Hoher Stromverbrauch | Niedrigerer Stromverbrauch |
| Geschwindigkeit | Begrenzt durch den Stromfluss | Schnellerer Spin‑Umschaltvorgang |
| Materialien | Komplexe Halbleiter | Einfache Metalle/Oxide |
| Datenstabilität | Flüchtiger Speicher | Stabil, nicht flüchtig |
Spintronik wird seit den 1990er‑Jahren in Leseköpfen von Festplatten kommerzialisiert und hat die Speicherdichte in den letzten Jahrzehnten deutlich erhöht.
„Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die wie ein winziger Magnet wirkt, den die Elektronen tragen und der nach oben oder unten zeigt.
Wir können den Spin von Elektronen nutzen, um Informationen in sogenannten spintronischen Geräten zu übertragen und zu verarbeiten.
Talieh Ghiasi – Postdoktorand an der Technischen Universität Delft
In jüngster Zeit wurden erhebliche Fortschritte in der Spintronik erzielt, zum Beispiel, dass Spin‑Verluste wieder in Magnetisierung umgewandelt werden können, wodurch spintronische Elektronik noch energieeffizienter wird, oder dass Spintronik & Graphen die nächste Generation von Quantenschaltungen antreiben könnten.
Und Wissenschaftler entdecken weiterhin neue Methoden zur Verbesserung spintronischer Geräte, etwa Forscher der Seoul National University (Südkorea), der Korea University, des Korea Institute of Science and Technology und der Feinberg School of Medicine (USA). Sie entwickelten magnetische Nano‑Helices, die den Elektronenspin steuern können und damit ein völlig neues Feld sogenannter „chiraler Spintronik“-Geräte schaffen könnten.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science1 unter dem Titel „Spin‑selektiver Transport durch chirale ferromagnetische Nano‑Helices“.
Chirale Spintronik
Was ist Chiralie in der Spintronik?
In der Natur ist Symmetrie ein grundlegendes Merkmal vieler Dinge, einschließlich der Bestandteile von DNA und des Lichts selbst. Es ist möglich, dass zwei nahezu identische Moleküle sich nicht in ihrer Zusammensetzung oder Form, sondern in ihrer Orientierung unterscheiden – ein Konzept, das „Chiralie“ genannt wird.
Chiralie lässt sich am einfachsten erklären, indem man den Unterschied zwischen unserer linken und rechten Hand betrachtet, obwohl beide Hände in Form, Struktur und Funktion identisch sind.
Chiralie spielt eine grundlegende Rolle in der Biologie, wobei die natürliche Selektion ausschließlich „rechtsdrehende“ DNA‑Moleküle, Zucker und Aminosäuren (die Grundbausteine von Proteinen) ausgewählt hat.
In anorganischen Materialien ist sie jedoch selten; diese neigen dazu, entweder ungeordnet zu sein oder Kristalle ohne Chiralie zu bilden.
Wie Metalle für die Spintronik Chiralie erlangen
Die Wissenschaftler gelang es, sowohl links- als auch rechtsdrehende chirale magnetische Nano‑Helices durch elektrochemische Steuerung des Metallkristallisationsprozesses zu erzeugen. Eine Kobalt‑Eisen‑Legierung wurde wegen ihrer ferromagnetischen Eigenschaften ausgewählt.
Eine zentrale Innovation dieses Verfahrens besteht darin, Spuren von chiralen organischen Molekülen wie Cinchonin oder Cinchonidin zu verwenden, die die Bildung der Helices lenken.
“In Metallen und anorganischen Materialien ist die Kontrolle der Chiralie während der Synthese extrem schwierig, besonders im Nanomaßstab.
Die Tatsache, dass wir die Richtung anorganischer Helices einfach durch Zugabe chiraler Moleküle programmieren konnten, stellt einen Durchbruch in der Materialchemie dar.
Um die Chiralie dieser Nano‑Helices zu demonstrieren, maßen sie die von den Helices unter rotierenden Magnetfeldern erzeugten elektromagnetischen Felder (EMF).
Damit entsteht eine einfache Methode, um zu prüfen, ob das Material korrekt hergestellt wurde, da die links- und rechtsdrehenden Helices entgegengesetzte EMF‑Signale erzeugen, was eine quantitative Verifizierung der Chiralie ermöglicht, ohne dass das magnetische Material stark mit Licht interagieren muss, was üblicherweise zur Überprüfung der Chiralie verwendet wird.
Wichtiger ist, dass sie entdeckten, dass diese chiralen magnetischen Metalle den Spin ebenfalls gezielt leiten können: Sie lassen bevorzugt eine Spin‑Richtung passieren, während die entgegengesetzte Spin‑Richtung blockiert wird.
“Chiralie ist bei organischen Molekülen gut verstanden, wobei die Händigkeit einer Struktur häufig ihre biologische oder chemische Funktion bestimmt,”
Potenzielle Anwendungen der chiralen Spintronik
Durch die inhärente Magnetisierung des Materials (Spin‑Ausrichtung) wurde ein Langstrecken‑Spin‑Transport bei Raumtemperatur möglich.
Dieser Effekt erwies sich als konstant, unabhängig vom Winkel zwischen der chiralen Achse und der Spin‑Injektionsrichtung. Da er in nicht‑magnetischen Nano‑Helices derselben Größe nicht beobachtet wurde, scheint er direkt mit den chiralen magnetischen Helices verbunden zu sein.
Damit wäre der erste jemals entdeckte asymmetrische Spin‑Transport in einem relativ makroskopischen Material realisiert.
Das Team demonstrierte zudem ein Festkörpergerät, das chirale‑abhängige Leitungssignale zeigte und damit den Weg für praktische spintronische Anwendungen ebnete.
“Diese Nano‑Helices erreichen eine Spin‑Polarisation von über ~80 % – allein durch ihre Geometrie und Magnetismus,”
Dies ist eine seltene Kombination aus struktureller Chiralie und intrinsischem Ferromagnetismus, die Spin‑Filtration bei Raumtemperatur ohne komplexe magnetische Schaltungen oder Kryotechnik ermöglicht und einen neuen Ansatz zur Gestaltung des Elektronenverhaltens mittels struktureller Gestaltung bietet.
Ein weiterer Vorteil dieser neuen Technologie ist, dass der Herstellungsprozess relativ einfach und kostengünstig ist, da keine seltenen Materialien oder komplexen Technologien verwendet werden.
“Wir glauben, dass dieses System zu einer Plattform für chirale Spintronik und die Architektur chiraler magnetischer Nanostrukturen werden könnte.
Diese Arbeit stellt eine kraftvolle Konvergenz von Geometrie, Magnetismus und Spin‑Transport dar, aufgebaut aus skalierbaren, anorganischen Materialien.
Es muss noch viel mehr Arbeit geleistet werden, um das Potenzial dieser neuen Idee und Materialien vollständig zu erschließen. Beispielsweise kann die Anzahl der Stränge (doppelte, mehrere Helices) nach Belieben angepasst werden und könnte noch nicht entdeckte Eigenschaften hervorbringen.
Die Fähigkeit, die Händigkeit (links/rechts) und sogar die Anzahl der Stränge (doppelte, mehrere Helices) mit dieser vielseitigen elektrochemischen Methode zu steuern, wird voraussichtlich erheblich zu neuen Anwendungsbereichen beitragen.
Angesichts der einfachen Produktion und der Möglichkeit des Langstrecken‑Spin‑Transfers könnte dies für die Herstellung vollständig spinbasierter Computer und Netzwerke sehr nützlich sein, mit wirtschaftlichen Vorteilen durch geringeren Energieverbrauch und stabile Datenspeicherung.
Investitionen in spintronische Innovatoren
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin ist ein Ableger von Freescale (heute bekannt als NXP, Börsenkürzel NXPI), der sich der Entwicklung von MRAM‑Speichersystemen widmet, der heute am weitesten verbreiteten kommerziell nutzbaren Form der Spintronik. Das Unternehmen wurde ausgegliedert und ging 2016 an die Börse.
Everspin gilt als Marktführer der MRAM‑Technologie (Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher) und übernimmt Freescales Erfahrung als der erste, der 2006 einen MRAM‑Chip kommerzialisiert hat.
Da MRAM ein Speicher ist, der auch ohne Strom erhalten bleibt, wird er zunehmend in sensiblen Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen kritische Daten zu wichtig sind, um ein Risiko eines Datenverlustes einzugehen.
Angetrieben von allgegenwärtigen Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud‑Computing, sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge‑KI, einschließlich Industrial IoT, wird erwartet, dass der Markt für persistenten Speicher zwischen 2020 und 2030 mit einer CAGR von 27,5 % wächst.
Quelle: Everspin
Das Unternehmen schätzt, dass der Markt bis 2027 ein Volumen von 7,4 Mrd. $ erreichen wird. Das Unternehmen hat seit 2021 keine Schulden und einen positiven freien Cashflow.
Everspin‑MRAM‑Produkte besetzen derzeit eine kleine, aber wachsende Nische und bedienen Märkte, in denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, wie Luft‑ und Raumfahrt, Satelliten, Datenrekorder, Patienten‑Überwachungsgeräte usw.
Quelle: Everspin
Das Wachstum von Chipsets, KI und synaptischen Systemen könnte ebenfalls einen langfristigen Schub für das Unternehmen darstellen.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Ein weiterer führender Anbieter von Spintronik, NVE arbeitet seit seinem ersten Patent zur MRAM‑Technologie im Jahr 1995 an dieser Technologie. Es produziert spintronische Sensoren und Isolatoren, die hauptsächlich in Mess‑ und Sensorsystemen für Autos, Getriebe, medizinische Geräte, Stromversorgungen und andere Industrieanlagen eingesetzt werden.
Quelle: NVE
Damit befindet sich NVE in einer etwas anderen Kategorie als Everspin: NVE ist eher ein Industrieunternehmen mit einer starken Position in einem Nischenmarkt (Magnetometer auf Basis von Spintronik), während Everspin eher ein Speicher‑/Computing‑Unternehmen ist, das mit Unternehmen wie Intel, Qualcomm, Toshiba und Samsung konkurriert, die ebenfalls eigene MRAM‑Produkte entwickeln.
Dies kann die Attraktivität der Aktie je nach Anlegerprofil erhöhen (oder verringern), wobei die NVE‑Aktie eher konservativen Investoren, die eine Dividendenrendite und Sicherheit suchen, zusagt.
Referenzierte Studien
1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Band 389, Ausgabe 6764. S. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
