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Wie chirale Spintronik die Computerwelt transformieren könnte
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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.
Dies liegt daran, dass die üblichen Chips und Speicher in unseren Computern und Rechenzentren immer schwieriger zu bauen 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 weiterer Ansatz ist Spintronik, die den Spin von Elektronen – ein quantenmechanisches Merkmal – anstelle des elektrischen Stroms (dem Fluss von Elektronen) nutzt.
Vorteile und potenzielle Anwendungen von Spintronik
Elektronische Bauteile wie Transistoren werden traditionell aus Silizium hergestellt und basieren auf Halbleitern. Die 0‑ und 1‑Signale im Binärsystem zeigen das Durchlassen oder Blockieren eines elektrischen Stroms an.
Eine alternative Möglichkeit, Berechnungen durchzuführen, besteht in spintronischen Geräten, die mit dem Spin von Elektronen (einem grundlegenden quantenmechanischen Merkmal) statt mit dem elektrischen Strom (dem Fluss von Elektronen) arbeiten.
Quelle: Insight IAS
Daten können sowohl im Spin‑Drehimpuls, der sich als eingebautes „nach oben“ oder „nach unten“‑Orientierung des Elektrons vorstellen lässt, als auch im Bahndrehimpuls, der beschreibt, wie sich Elektronen um Atomkerne bewegen, kodiert werden.
Da dies mehr Information enthält als nur 0 & 1, kann Spin pro Atom mehr Daten tragen als traditionelle Elektronik.
Spintronik hat einige weitere 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.
- Spin ist weniger flüchtig als der Halbleiterstatus, wodurch die Datenspeicherung stabiler wird.
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| Funktion | Traditionelle Elektronik | Spintronik |
|---|---|---|
| Informationsträger | Elektrischer Strom (0 oder 1) | Elektronenspin (hoch/runter) |
| Energieeffizienz | Hoher Energiebedarf | Niedrigerer Energieverbrauch |
| Geschwindigkeit | Begrenzt durch den Stromfluss | Schnellerer Spinwechsel |
| 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 einem winzigen Magneten entspricht, 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 Delft University of Technology
Viel jüngster Fortschritt wurde in der Spintronik erzielt, zum Beispiel, dass Spin‑Verluste zurück in die Magnetisierung umgewandelt werden können, wodurch spintronische Elektronik noch energieeffizienter wird, oder dass Spintronik & Graphen nächste‑Generation‑Quanten‑Schaltkreise antreiben könnten.
Und Wissenschaftler entdecken weiterhin neue Methoden zur Verbesserung spintronischer Geräte, etwa Forscher an der Seoul National University (Südkorea), der Korea University, dem Korea Institute of Science and Technology und der Feinberg School of Medicine (USA). Sie haben magnetische Nano‑Helices geschaffen, die den Elektronenspin steuern können, was ein völlig neues Feld sogenannter „chiraler Spintronik“‑Geräte eröffnen könnte.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Science1 unter dem Titel „Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.
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 fast 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 als der Unterschied zwischen unserer linken und rechten Hand erklären, 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.
Sie ist jedoch in anorganischen Materialien selten, die entweder ungeordnet oder kristallin ohne Chiralie sind.
Wie Metalle Chiralie für Spintronik erlangen
Die Wissenschaftler schafften es, sowohl links‑ als auch rechtsdrehende chirale magnetische Nano‑Helices durch elektrochemische Kontrolle des Metall‑Kristallisationsprozesses zu erzeugen. Als Legierung wurde ein Kobalt‑Eisen‑Gemisch wegen seiner ferromagnetischen Eigenschaften gewählt.
Eine zentrale Innovation dieses Prozesses ist die Verwendung von Spuren chiral‑organischer Moleküle, wie Cinchonin oder Cinchonidin, die die Bildung der Helices lenkten.
„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, ist ein Durchbruch in der Materialchemie.
Um die Chiralie dieser Nano‑Helices zu demonstrieren, maßen sie die von den Helices unter rotierenden Magnetfeldern erzeugten elektromagnetischen Felder (EMF).
Damit entsteht ein einfacher Weg, zu prüfen, ob das Material korrekt hergestellt wurde, da die links‑ und rechtsdrehenden Helices entgegengesetzte EMF‑Signale erzeugten, was eine quantitative Verifizierung der Chiralie ermöglicht, ohne dass das magnetische Material stark mit Licht interagieren muss – die übliche Methode zur Chiralie‑Bestimmung.
Wichtiger noch, 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 in organischen Molekülen gut verstanden, wo die Händigkeit einer Struktur häufig deren 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 gleichen Maßstabs nicht beobachtet wurde, scheint er direkt mit den chiralen magnetischen Helices verknüpft zu sein.
Damit würde der erste jemals entdeckte asymmetrische Spin‑Transport in einem relativ makroskopischen Material erzielt werden.
Das Team demonstrierte zudem ein Festkörper‑Gerät, das chirale‑abhängige Leitungs‑Signale 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 intrinsischer Ferromagnetismus, die Spin‑Filtern bei Raumtemperatur ohne komplexe magnetische Schaltungen oder Kryotechnik ermöglicht und einen neuen Weg bietet, das Verhalten von Elektronen mittels struktureller Gestaltung zu steuern.
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.
Viel mehr Arbeit muss noch geleistet werden, um das Potenzial dieser neuen Idee und Materialien vollständig zu erforschen. Beispielsweise kann die Anzahl der Stränge (doppelte, mehrere Helices) nach Belieben modifiziert werden und könnte unterschiedliche, noch nicht entdeckte Eigenschaften hervorrufen.
Die Möglichkeit, 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.
Zwischen der einfachen Produktion und der Möglichkeit des langstrecken‑Spin‑Transfers könnte dies sehr nützlich für die Herstellung vollständig spinbasierter Computer und Netzwerke sein, mit wirtschaftlichen Vorteilen durch geringeren Energieverbrauch und stabile Datenspeicherung.
Investitionen in spintronische Innovatoren
1. Everspin Technologies
MRAM Preisdiagramm
Everspin ist ein Ableger von Freescale (heute NXP, Börsenkürzel NXPI), der sich der Entwicklung von MRAM‑Speichersystemen widmet – der heute kommerziell am weitesten verbreiteten Form der Spintronik. Das Unternehmen wurde ausgegliedert und ging 2016 an die Börse.
Everspin gilt als Marktführer der MRAM‑Technologie (Magnetoresistiver Random‑Access‑Memory) und übernimmt Freescales Erfahrung als erstes Unternehmen, das 2006 einen MRAM‑Chip kommerzialisiert hat.
Da MRAM ein Speicher ist, der auch ohne Stromfluss bestehen bleibt, wird er zunehmend in sensiblen Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen kritische Daten nicht verloren gehen dürfen.
Getrieben von allgegenwärtigen Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud‑Computing – sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch –, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge‑KI, einschließlich industriellem IoT, wird der Markt für persistenten Speicher voraussichtlich zwischen 2020 und 2030 mit einer CAGR von 27,5 % wachsen.
Quelle: Everspin
Das Unternehmen schätzt, dass der Markt bis 2027 ein Volumen von 7,4 Mrd. $ erreichen wird. Seit 2021 hat das Unternehmen 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, etwa Luft‑ und Raumfahrt, Satelliten, Datenrekorder, Patienten‑Überwachungsgeräte usw.
Quelle: Everspin
Das Wachstum von Chipsets, KI und synaptischen Systemen könnte dem Unternehmen ebenfalls langfristig Auftrieb geben.
2. NVE Corporation
NVEC Preisdiagramm
Ein weiterer Führer im Bereich 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, da NVE eher ein Industrieunternehmen mit starker Position in einer Nischen‑Markt (Magnetometer auf Basis von Spintronik) ist, während Everspin eher ein Speicher‑/Computing‑Unternehmen ist, das mit Unternehmen wie Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba und Samsung, die ebenfalls eigene MRAM‑Produkte entwickeln, konkurriert.
Dies kann die Attraktivität der Aktie je nach Anlegerprofil beeinflussen, wobei die NVE‑Aktie eher konservativen Investoren mit Interesse an Dividendenrendite und Sicherheit zusagt.
Studienreferenzen
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
