Spintronik: Die Zukunft des energieeffizienten Rechnens

Wie Spintronik die Computerwelt revolutionieren könnte

Allmählich beginnt die Welt der Hardware‑Computer über Siliziumchips hinauszublicken, oder sogar die klassischen Formen des binären Rechnens ganz zu hinterfragen. Das 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 weniger energieintensiv zu machen.

Eine weitere ist die Spintronik, die den Spin von Elektronen – ein quantenmechanisches Merkmal – anstelle des elektrischen Stroms (dem Fluss von Elektronen) nutzt.

Wissenschaftler arbeiten daran, die Spintronik so effizient zu machen, dass sie einen bedeutenden Teil unseres Rechenbedarfs ersetzen könnte.

Ein kürzlich veröffentlichtes wissenschaftliches Papier von Forschern des Korea Institute of Science and Technology (KIST), der Seoul National University, der Kunsan National University (Korea), der Yonsei University und der Johannes‑Gutenberg‑Universität Mainz (Deutschland) hat gezeigt, dass Spin‑Verluste zurück in Magnetisierung umgewandelt werden können, wodurch spintronische Elektronik noch energieeffizienter wird.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Communications¹ unter dem Titel „Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation“.

Eine weitere aktuelle Entdeckung von Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des National Synchrotron Radiation Laboratory (China), der ShanghaiTech University und der Beihang University zeigte, wie Unvollkommenheiten in spintronischen Materialien genutzt werden können, um Elektronik schneller, intelligenter und effizienter zu machen.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Materials² unter dem Titel „Unconventional scaling of the orbital Hall effect“.

Vorteile der Spintronik und potenzielle Anwendungen

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

Eine alternative Möglichkeit, Berechnungen durchzuführen, besteht in spintronischen Bauteilen, die mit dem Spin von Elektronen (einem fundamentalen quantenmechanischen Merkmal) statt mit dem elektrischen Strom (dem Fluss von Elektronen) arbeiten.

Quelle: Insight IAS

Daten können sowohl im Spin‑Winkelimpuls, der sich als eingebautes „nach oben“ oder „nach unten“ der Elektronen vorstellen lässt, als auch im orbitalen Winkelimpuls, der beschreibt, wie sich Elektronen um Atomkerne bewegen, codiert 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 wäre, um einen Elektronenfluss für einen Strom zu erzeugen.
• Einfache Metalle können anstelle komplexer Halbleitermaterialien verwendet werden.
• Spin ist weniger flüchtig als der Halbleiterstatus, wodurch die Datenspeicherung stabiler wird.

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Spintronik wird bereits für Festplatten verwendet und hat die Datenspeicherkapazität 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 spintronischen Bauteilen zu übertragen und zu verarbeiten.

Talieh Ghiasi – Postdoktorand an der Technischen Universität Delft

Überwindung materieller Herausforderungen in der Spintronik

Trotz dieser Vorteile hat die Spintronik noch keine kommerzielle Durchschlagskraft erreicht. Das liegt zum Teil an Defekten im Material. Das Einbringen von Unvollkommenheiten kann manchmal das „Schreiben“ von Daten in Speicherelemente erleichtern, weil der dafür nötige Strom reduziert wird.

Diese Defekte erhöhen jedoch den elektrischen Widerstand und reduzieren die Spin‑Hall‑Leitfähigkeit, wodurch die Nutzung von Spin zur Datenkodierung deutlich schwieriger wird.

Eine Lösung könnte die Verwendung von Strontium‑Ruthenat (SrRuO3) sein, einem Übergangs‑Metall‑Oxid, dessen Eigenschaften fein abgestimmt werden können.

Sorgfältiges Engineering von Defekten im Material mittels maßgeschneiderter Geräte und präziser Messtechniken ändert, wie Spins darauf reagieren.

„Streuprozesse, die normalerweise die Leistung verschlechtern, verlängern tatsächlich die Lebensdauer des orbitalen Drehimpulses und erhöhen so den orbitalen Strom.“

Dr. Xuan Zheng – Chinesische Akademie der Wissenschaften

Dies unterscheidet sich radikal von konventionellen spinbasierten Systemen. In diesen Experimenten führte eine gezielte Modulation der Leitfähigkeit zu einer 3‑fachen Verbesserung der Schaltenergieeffizienz.

„Diese Arbeit schreibt das Regelwerk für das Design dieser Geräte im Grunde neu. Anstatt Materialdefekte zu bekämpfen, können wir sie jetzt ausnutzen.“

Prof. Zhiming Wang – Chinesische Akademie der Wissenschaften

Energieeffizientes Rechnen mit Spintronik

Magnetismus und Spin

Da Spin ein Merkmal von Elektronen ist, ist es nicht überraschend, dass Forscher neue Verbindungen zwischen Spin und der Magnetisierung von elektronischen Materialien finden.

Die koreanischen Forscher untersuchten diese Verbindung. Traditionell erfordert das Umschalten der Magnetisierung einer elektronischen Komponente zwischen 1 und 0 große Ströme, um die Magnetisierungsrichtung zu ändern. Dieser Prozess führt zu Spin‑Verlust, der als große Quelle von Energieverschwendung und schlechter Effizienz gilt.

Statt diesen Verlust zu mindern, versuchen sie, ihn zu nutzen, indem sie ein einzelnes ferromagnetisches Metall mit einem antiferromagnetischen Isolator kombinieren.

Quelle: Nature Materials

Quelle: Nature Materials

Spinströme

Die Forscher konzentrierten sich auf Spinströme, auch Magnonen genannt.

Quelle: Hubpage

Sie entdeckten, dass die Umwandlungseffizienz von Spin zu Magnon am höchsten war, wenn die magnetokristalline leichte Achse (n) der Spin‑Polarisation (μ) am nächsten lag.

In der Praxis bedeutet das, dass der Verlust von Spin genutzt wurde, um die Energie bereitzustellen, die nötig ist, um einen Wechsel des magnetischen Zustands des Materials zu induzieren. 

Quelle: Nature Materials

Skalierbar mit aktuellen Techniken

Diese Methode verwendet eine einfache Gerätearchitektur, die mit bestehenden Halbleiter‑Fertigungsprozessen kompatibel ist.

„Bisher hat sich das Feld der Spintronik ausschließlich darauf konzentriert, Spin‑Verluste zu reduzieren, aber wir haben eine neue Richtung aufgezeigt, indem wir die Verluste als Energie nutzen, um Magnetisierungsschaltungen zu induzieren,“

Dr. Dong‑Soo Han – Senior researcher at KIST.

Damit ist die Massenproduktion hoch realisierbar, und die Methode ist zudem vorteilhaft für Miniaturisierung und hohe Integration, was die Einführung radikaler neuer Designs in der Elektronik deutlich verlangsamen könnte.

Daher könnte diese Entdeckung schnelle Anwendungen in Speicher‑ und KI‑Halbleitern, ultra‑niedrig‑Energie‑Speichern, neuromorphen Rechnern und probabilistischen Rechengeräten finden.

Da diese Felder bereits boomen, könnte dies der Technologie ein enormes Fenster für Chancen öffnen.

„Wir planen, aktiv ultra‑kleine und energiearme KI‑Halbleiter‑Geräte zu entwickeln, da sie die Basis für ultra‑niedrig‑Energie‑Rechnungstechnologien bilden, die im KI‑Zeitalter essenziell sind.“

Dr. Dong‑Soo Han – Senior researcher at KIST.

Fazit

Spintronik war bisher auf Festplattentechnologie beschränkt, verändert sich jedoch schnell dank eines besseren Verständnisses, wie man die Spins von Elektronen manipuliert und nutzt.

Dies sollte eine neue Art von Elektronik schaffen, die nicht unbedingt leistungsstärker ist, wie es bei neuen und kleineren Chips üblich ist, sondern energieeffizienter und noch einfacher herzustellen – beides wichtige Punkte, da der Energieverbrauch zunehmend zu einem Engpass bei der Bereitstellung von KI‑Rechenzentren und Edge‑Computing (z. B. für selbstfahrende Autos oder Robotik) wird.

Spintronik‑Unternehmen

1. Everspin Technologies

Everspin ist ein Ableger 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 (Magnetoresistive 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 Strom erhalten bleibt, wird er zunehmend in sensiblen Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen kritische Daten nicht verloren gehen dürfen.

„Angetrieben von allgegenwärtigen Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud‑Computing, sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge‑KI, einschließlich Industrial IoT, wird der Markt für persistenten Speicher voraussichtlich zwischen 2020 und 2030 mit einer CAGR von 27,5 % wachsen.“

Everspin

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

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, Medizingeräte, 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 starker Position in einer Nischen­markt (Magnetometer auf Basis von Spintronik), während Everspin eher ein Speicher‑/Rechenunternehmen ist, das mit und gegen Unternehmen wie Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba und Samsung konkurriert, die ebenfalls eigene MRAM‑Produkte entwickeln.

Dies kann die Aktie je nach Anlegerprofil attraktiver (oder weniger attraktiv) machen, wobei NVE‑Aktien eher konservativen Investoren mit Dividenden‑ und Sicherheitsinteresse zusagen.

Referenzierte Studien

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unkonventionelle Skalierung des orbitalen Hall‑Effekts. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetisierungsschaltung angetrieben durch magnonische Spin‑Dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>