Wie chirale Spintronik die Computertechnik verändern könnte

Wie Spintronik die Computertechnik revolutionieren könnte

Die Welt des Hardware-Computings beginnt zunehmend, über Siliziumchips oder sogar klassische Formen des Binär-Computings hinauszublicken.

Dies liegt daran, dass die Herstellung der üblichen Chips und Speicher in unseren Computern und Rechenzentren immer schwieriger wird, da die Transistoren der neuesten Generation kaum noch ein paar Nanometer groß sind.

Ein weiterer Faktor ist, dass der Energieverbrauch zu einem Problem wird, da der Bedarf an Rechenleistung, insbesondere für KI-Systeme, weiter steigt.

Es gibt viele Lösungsvorschläge, wobei Quantencomputing und Photonik die wichtigsten Optionen sind, um den Bedarf an Computern entweder zu reduzieren oder sie schneller und weniger energieintensiv zu machen.

Eine andere Methode ist die Spintronik, die den Spin von Elektronen, eine Quanteneigenschaft, anstelle des elektrischen Stroms (des Elektronenflusses) nutzt.

Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Spintronik

Elektronische Komponenten wie Transistoren werden traditionell aus Silizium hergestellt und basieren auf Halbleitern. Die Signale 0 und 1 im Binärsystem zeigen an, ob ein elektrischer Strom durchgelassen oder blockiert wird.

Eine alternative Möglichkeit zur Durchführung von Berechnungen sind Spintronik-Geräte, die auf dem Spin von Elektronen (einer grundlegenden Quanteneigenschaft) statt auf dem elektrischen Strom (dem Fluss von Elektronen) basieren.

Quelle: Insight IAS

Daten können sowohl im Spindrehimpuls kodiert werden, den man sich als eingebaute „Aufwärts-“ oder „Abwärts“-Ausrichtung des Elektrons vorstellen kann, als auch im Bahndrehimpuls, der beschreibt, wie sich Elektronen um Atomkerne bewegen.

Da dieser mehr Informationen enthält als nur 0 und 1, kann der Spin mehr Daten pro Atom enthalten als herkömmliche Elektronik.

Spintronik hat gegenüber klassischen elektronischen Systemen noch einige weitere Vorteile, vor allem:

• Schnellere Daten, da der Spin viel schneller geändert werden kann.
• Geringerer Energieverbrauch, da der Spin mit weniger Energie geändert werden kann, als nötig ist, um einen Elektronenfluss zur Erzeugung eines Stroms aufrechtzuerhalten.
• Anstelle komplexer Halbleitermaterialien können auch einfache Metalle verwendet werden.
• Der Spin ist weniger volatil als der Halbleiterzustand, wodurch die Datenspeicherung stabiler wird.

Zum Scrollen wischen →

Spintronik wird seit den 1990er Jahren in Festplattenleseköpfen kommerziell eingesetzt und hat in den letzten Jahrzehnten die Speicherdichte deutlich erhöht.

„Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die wie ein winziger Magnet ist, der von den Elektronen getragen wird und 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-Forscher an der Technischen Universität Delft

In jüngster Zeit wurden in der Spintronik große Fortschritte erzielt, zum Beispiel Spinverlust kann wieder in Magnetisierung umgewandelt werden, was die Spintronik-Elektronik noch energieeffizienter macht, oder das Spintronik und Graphen könnte Stromversorgung für Quantenschaltkreise der nächsten Generation.

Und Wissenschaftler entdecken immer noch neue Methoden zur Verbesserung von Spintronik-Geräten, wie beispielsweise Forscher der Seoul National University (Südkorea), der Korea University, des Korea Institute of Science and Technology und der Feinberg School of Medicine (USA). Sie haben magnetische Nanohelices entwickelt, die den Elektronenspin steuern können, was ein völlig neues Feld sogenannter „chiraler Spintronik“-Geräte schaffen könnte.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im renommierten Wissenschaftsmagazin Science¹, unter dem Titel "Spinselektiver Transport durch chirale ferromagnetische Nanohelices".

Chirale Spintronik

Was ist Chiralität in der Spintronik?

In der Natur ist Symmetrie ein grundlegendes Merkmal vieler Dinge, einschließlich der Bestandteile der DNA und des Lichts selbst. Es ist möglich, dass sich zwei nahezu identische Moleküle nicht in ihrer Zusammensetzung oder Form unterscheiden, sondern in ihrer Ausrichtung (ein Konzept, das als „Chiralität“ bezeichnet wird).

Chiralität lässt sich in ihrer einfachsten Form als die Art und Weise erklären, in der sich unsere linke Hand von unserer rechten unterscheidet, obwohl beide Hände in Form, Struktur und Funktion identisch sind.

Chiralität spielt in der Biologie eine grundlegende Rolle, wobei die natürliche Selektion ausschließlich „rechtshändige“ DNA-Moleküle, Zucker und Aminosäuren (die Grundbestandteile von Proteinen) selektiert hat.

Bei anorganischen Materialien ist dies jedoch selten, da diese eher unorganisiert sind oder Kristalle ohne Chiralität darstellen.

Wie Metalle Chiralität für die Spintronik gewinnen

Den Wissenschaftlern gelang es, durch elektrochemische Steuerung des Metallkristallisationsprozesses sowohl links- als auch rechtsgängige chirale magnetische Nanohelices zu erzeugen. Aufgrund ihrer ferromagnetischen Eigenschaften wurde eine Kobalt-Eisen-Legierung gewählt.

Eine Schlüsselinnovation in diesem Prozess ist die Verwendung von Spuren chiraler organischer Moleküle wie Cinchonin oder Cinchonidin, die die Bildung der Helices steuern.

„Bei Metallen und anorganischen Materialien ist die Kontrolle der Chiralität während der Synthese äußerst schwierig, insbesondere im Nanomaßstab.

Die Tatsache, dass wir die Richtung anorganischer Helices einfach durch die Zugabe chiraler Moleküle programmieren konnten, ist ein Durchbruch in der Materialchemie.“

Pr. Ki Tae Nam – Professor an Seoul National University

Um die Chiralität dieser Nanohelices zu demonstrieren, maßen sie die elektromagnetischen Felder (EMF), die von den Helices unter rotierenden Magnetfeldern erzeugt wurden.

Auf diese Weise lässt sich auf einfache Weise testen, ob das Material ordnungsgemäß hergestellt wurde, da die links- und rechtsgängigen Helices entgegengesetzte EMF-Signale erzeugten und so eine quantitative Überprüfung der Chiralität möglich war, ohne dass das magnetische Material stark mit Licht interagieren musste, was üblicherweise zur Überprüfung der Chiralität erforderlich wäre.

Noch wichtiger ist, dass sie entdeckten, dass diese chiralen magnetischen Metalle den Spin auch entsprechend lenken können: Sie lassen bevorzugt eine Spinrichtung durch, während die entgegengesetzte Spinrichtung nicht durchkommt.

„Chiralität ist bei organischen Molekülen gut verstanden, wobei die Händigkeit einer Struktur oft ihre biologische oder chemische Funktion bestimmt“,

Pr. Ki Tae Nam – Professor an Seoul National University

Mögliche Anwendungen der chiralen Spintronik

Durch die inhärente Magnetisierung des Materials (Spinausrichtung) wurde ein Spintransport über große Entfernungen bei Raumtemperatur möglich.

Dieser Effekt erwies sich als konstant, unabhängig vom Winkel zwischen der chiralen Achse und der Spin-Injektionsrichtung. Da er bei nicht-magnetischen Nanohelices derselben Größenordnung nicht beobachtet wurde, scheint er direkt mit den chiralen magnetischen Helices verknüpft zu sein.

Dies wäre der erste jemals entdeckte asymmetrische Spintransport in einem relativ makroskopischen Material.

Das Team demonstrierte außerdem ein Festkörpergerät, das chiralitätsabhängige Leitungssignale zeigte und damit den Weg für praktische Spintronik-Anwendungen ebnete.

„Diese Nanohelices erreichen eine Spinpolarisation von über ~80 % – allein durch ihre Geometrie und ihren Magnetismus.“

Dies ist eine seltene Kombination aus struktureller Chiralität und intrinsischem Ferromagnetismus, die eine Spinfilterung bei Raumtemperatur ohne komplexe magnetische Schaltkreise oder Kryotechnik ermöglicht und eine neue Möglichkeit bietet, das Verhalten von Elektronen durch strukturelles Design zu beeinflussen.“

Pr. Der junge Keun Kim – Professor an Korea University

Ein weiterer Vorteil dieser neuen Technologie besteht darin, dass der Herstellungsprozess relativ einfach und kostengünstig ist und keine seltenen Materialien oder komplexen Technologien verwendet werden.

„Wir glauben, dass dieses System eine Plattform für chirale Spintronik und die Architektur chiraler magnetischer Nanostrukturen werden könnte.

Diese Arbeit stellt eine leistungsstarke Konvergenz von Geometrie, Magnetismus und Spintransport dar, aufgebaut aus skalierbaren, anorganischen Materialien.“

Pr. Der junge Keun Kim – Professor an Korea University

Um das Potenzial dieser neuen Idee und Materialien voll auszuschöpfen, bedarf es noch viel Arbeit. So lässt sich beispielsweise die Anzahl der Stränge (Doppel- oder Mehrfachhelices) beliebig verändern und könnte zu neuen, noch zu entdeckenden Eigenschaften führen.

Die Möglichkeit, die Händigkeit (links/rechts) und sogar die Anzahl der Stränge (Doppel-, Mehrfachhelices) mithilfe dieser vielseitigen elektrochemischen Methode zu steuern, dürfte erheblich zu neuen Anwendungsbereichen beitragen.

Pr. Der junge Keun Kim – Professor an Korea University

Aufgrund der einfachen Herstellung und der Möglichkeit der Spinübertragung über große Entfernungen könnte dies für die Herstellung vollständig spinbasierter Computer und Netzwerke sehr nützlich sein, mit wirtschaftlichen Vorteilen durch geringeren Energieverbrauch und stabile Datenspeicherung.

Investitionen in Spintronik-Innovatoren

1. Everspin-Technologien

Everspin ist ein Zweig von Freescale (heute NXP, Börsenkürzel NXPI), der sich auf die Entwicklung von MRAM-Speichersystemen spezialisiert hat, der gängigsten Form der Spintronik, die heute kommerziell nutzbar ist. Das Unternehmen wurde 2016 ausgegliedert und ging an die Börse.

Everspin gilt als Marktführer in der MRAM-Technologie (Magnetoresistive Random-Access Memory) und profitiert von der Erfahrung von Freescale, der erste, der 2006 einen MRAM-Chip auf den Markt brachte.

Da es sich bei MRAM um einen Speicher handelt, der auch ohne Stromzufuhr bestehen bleibt, wird er zunehmend in sensiblen Anwendungsfällen eingesetzt, in denen kritische Daten zu wichtig sind, um einen Verlust zu riskieren.

Angetrieben von allgegenwärtigen Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud Computing (sowohl terrestrisch als auch außerirdisch), künstlicher Intelligenz (KI) und Edge-KI, einschließlich des industriellen IoT, wird der Markt für persistente Speicher zwischen 27.5 und 2020 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 2030 % wachsen.

Everspin

Quelle: Everspin

Das Unternehmen schätzt, dass der Markt bis 7.4 eine Größe von 2027 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Das Unternehmen ist seit 2021 schuldenfrei und weist einen positiven freien Cashflow auf.

Die MRAM-Produkte von Everspin besetzen derzeit eine kleine, aber wachsende Nische und bedienen Märkte, in denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, wie etwa die Luft- und Raumfahrt, Satelliten, Datenrekorder, Patientenüberwachungsgeräte usw.

Quelle: Everspin

Auch das Wachstum in den Bereichen Chipsätze, künstliche Intelligenz und synaptische Systeme könnte dem Unternehmen langfristig Auftrieb verleihen.

2. NVE-Corporation

Ein weiterer führender Experte für Spintronik, NVE arbeitet an dieser Technologie seit seinem ersten Patent in der MRAM-Technologie im Jahr 1995Es erzeugt spintronische Sensoren und Isolatoren, hauptsächlich verwendet in Mess- und Sensorsystemen für Autos, Getriebe, medizinische Geräte, Stromversorgungen und andere Industriegeräte.

Quelle: NVE

Damit fällt NVE in eine etwas andere Kategorie als Everspin. NVE ist eher ein Industrieunternehmen mit einer starken Position in einem Nischenmarkt (Magnetometer mit Spintronik), während Everspin eher ein Speicher-/Computerunternehmen ist, das mit Unternehmen wie Intel, Qualcomm, Toshiba und Samsung zusammenarbeitet und mit ihnen im Wettbewerb steht, die ebenfalls ihr eigenes MRAM-Produkt entwickeln.

Dies kann die Aktie je nach Anlegerprofil attraktiver (oder weniger attraktiv) machen, wobei die NVE-Aktie eher für konservativere Anleger interessant sein dürfte, die eine Dividendenrendite und Sicherheit suchen.

Zitierte Studien

^{1. Yoo Sang JeonEt al. Spinselektiver Transport durch chirale ferromagnetische Nanohelices. Forschung. 4 September 2025. Band 389, Ausgabe 6764. Seiten 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}