Steuerung von Elektronik durch Photoanregung – Wird Magnetit die nächste Generation von Geräten einleiten?

Das Potenzial der Spintronik

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current. An alternative way to perform computation is spintronics devices that run on the spin of electrons (a fundamental quantum characteristic) rather than electric current (flow of electrons).

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 insbesondere für Festplatten verwendet und hat das Speichervermögen im letzten Jahrzehnt wachsen lassen.

Ein bereits in der Spintronik verwendetes Material ist Magnetit, ein natürlich vorkommendes Mineral, das aus Sauerstoff und zwei Eisenformen mit unterschiedlichen Oxidationsstufen besteht.

Quelle: Britannica

Obwohl Magnetit seit Jahrzehnten für seine magnetischen Eigenschaften bekannt ist, gibt es offenbar noch mehr, das man darüber lernen kann.

Forscher der EPFL in der Schweiz haben entdeckt, dass Laser neue Phasenänderungen in Magnetit erzeugen können, die zuvor unbekannt waren. Dies könnte wiederum zu einer neuen Generation von elektronischen Geräten führen.

Die verborgenen Eigenschaften von Magnetit

Die Forscher konzentrierten sich auf Magnetit wegen seiner Metall‑zu‑Isolator‑Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, von einem Leiter zu einem Nicht‑Leiter zu wechseln. Dies wird auch als Phasenübergang bezeichnet, bei dem die Eigenschaften eines Materials plötzlich von einem Zustand in einen anderen übergehen, ähnlich wie flüssiges Wasser zu Eis werden kann, mit völlig anderen Eigenschaften.

Durch den Einsatz zweier verschiedener Laser, einer mit 800 nm (Infrarot) und einer mit 400 nm (sichtbares Licht), entdeckten sie, dass in Magnetit neue Phasen auftraten, die bisher nicht identifiziert wurden.

Dies ist keine triviale Angelegenheit, da die Forscher Änderungen in einem unendlich kleinen Zeitintervall nachweisen mussten. Dazu nutzten sie eine Methode namens Ultraschnelle Elektronendiffraktion (UED), die es ihnen ermöglichte, Atombewegungen zu beobachten, die weniger als ein Pikosekunde bzw. ein Billionstel einer Sekunde dauern.

Änderung der räumlichen Konfiguration

Normalerweise hat die atomare Struktur von Magnetit ein „monoklines Gitter“, bei dem die Elementarzelle wie ein schräger Kasten mit drei ungleichen Kanten geformt ist. Zwei ihrer Winkel betragen 90 Grad, während der dritte anders ist.

Quelle: ACS

Das 800‑nm‑Licht bewirkt, dass die atomare Struktur von Magnetit komprimiert wird und in eine kubische Struktur übergeht. Die ultraschnelle Beobachtung zeigte den Forschern, dass dies durch einen dreistufigen Prozess geschieht.

Das 400‑nm‑Licht hingegen ließ die atomare Metallstruktur expandieren, wodurch eine sehr stabile Konfiguration entstand, die es zu einem äußerst stabilen Isolator macht.

Diese Konfiguration unterscheidet sich vom zuvor bekannten stabilen Gleichgewicht von Magnetit und liefert tiefere Einblicke in das, was während des Metall‑zu‑Isolator‑Übergangs tatsächlich geschieht.

Neue elektronische Systeme

Diese Entdeckung bedeutet, dass es möglich ist, die Wirkung auf Spin und Strom von Magnetit allein mit Laserlicht zu verändern.

Dank sehr schneller Lasersysteme könnte ein Photonenimpuls die Beschaffenheit des metallischen Materials in kontrollierter Weise rasch verändern.

„Unsere Studie ebnet den Weg für einen neuartigen Ansatz, Materie auf ultrakurzer Zeitskala mithilfe maßgeschneiderter Photonenimpulse zu steuern.

Die Fähigkeit, verborgene Phasen in Magnetit zu induzieren und zu steuern, könnte erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Geräte haben.

Zum Beispiel könnten Materialien, die schnell und effizient zwischen verschiedenen elektronischen Zuständen wechseln können, in der nächsten Generation von Rechen- und Speichersystemen eingesetzt werden.”

Besserer Speicher

Spintronik und Magnetit sind neue Grenzen für Hersteller elektronischer Systeme. Was in einer Festplatte begann, breitet sich nun auf andere Speichersysteme aus.

Zum Beispiel könnte der Arbeitsspeicher (DRAM) durch magnetischen RAM (MRAM) ersetzt werden. Die erste Version dieses Konzepts ist ein bereits kommerzialisiertes Produkt von Everspin und wird in Airbus‑Flugzeugen eingesetzt, dank seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturänderungen sowie kosmischer Strahlung im Vergleich zu herkömmlichen Speichersystemen.

Ein weiterer Vorteil von MRAM ist seine kleinere Größe und sein geringerer Stromverbrauch, was bis zu 80 % weniger Leistungsbedarf bedeutet. Dies ermöglicht es, MRAM als Cache‑Speicher in Prozessoren mit größerer Gesamtkapazität zu integrieren, während weniger Energie verbraucht und weniger Wärme erzeugt wird, wobei sowohl Platz als auch Wärme zu entscheidenden Begrenzungsfaktoren bei der Prozessorverbesserung werden.

Photonik?

Der Einsatz von Lasern zur Veränderung der Magnetit‑Zustände erinnert an das wachsende Feld der Photonik, eine der Optionen, die wir in unserem Artikel über Unternehmen, die die Berechnung über Halbleitersysteme hinaus verlagern diskutiert haben.

Ein System, das bereits Laser und Licht zur Durchführung von Berechnungen nutzt, könnte stark von einem Speichersystem profitieren, das auf der durch Licht induzierten Phasenänderung von Magnetit beruht. Dies könnte es ermöglichen, das Berechnungsergebnis direkt in Daten umzuwandeln, wobei nur ein geringer Zwischenschritt, der Energie verbraucht und die Geschwindigkeit verlangsamt, nötig wäre.

Spintronik‑Unternehmen

1. Everspin Technologies

Everspin ist der Zweig von Freescale (heute NXP, Börsenkürzel NXPI), der sich der Entwicklung von MRAM‑Speichersystemen widmet. Das Unternehmen wurde 2016 ausgegliedert und ging an die Börse.

Everspin gilt als Marktführer der MRAM‑Technologie und übernimmt Freescales Erfahrung als das erste Unternehmen, das 2006 einen MRAM‑Chip kommerzialisiert hat.

Angetrieben von weit verbreiteten Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud‑Computing, sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge‑KI einschließlich industriellem IoT, wird erwartet, dass der Markt für persistente Speicher zwischen 2020 und 2030 mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 27,5 % wächst.

Everspin

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, Patientenüberwachungsgeräte usw.

Quelle: Everspin

Das Wachstum von Chipsätzen, KI und synaptischen Systemen könnte ebenfalls einen langfristigen Schub für das Unternehmen darstellen.

2. NVE Corporation

Ein weiterer führender Anbieter 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: NVE ist eher ein Industrieunternehmen mit einer starken Position in einer Nischenmarkt (Magnetometer, die Spintronik nutzen), 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 nach Dividendenrendite und Sicherheit suchen, zusagt.