Πώς η Σπιντρονική & το Γράφεν ενδυναμώνουν τα κβαντικά κυκλώματα της επόμενης γενιάς

Πώς η Σπιντρονική θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην Υπολογιστική

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

Ένας άλλος παράγοντας είναι ότι η κατανάλωση ενέργειας γίνεται πρόβλημα καθώς η ζήτηση για υπολογιστική ισχύ, ιδιαίτερα για συστήματα AI, συνεχίζει να αυξάνεται.

Υπάρχουν πολλές προτεινόμενες λύσεις, με την κβαντική υπολογιστική και τη φωτονική να είναι οι πιο εξέχουσες επιλογές για να μειώσουν τη ζήτηση υπολογισμού ή να το κάνουν ταχύτερο και λιγότερο ενεργοβόρο.

Μια άλλη είναι η σπιντρονική, η οποία χρησιμοποιεί το σπιν (spin) των ηλεκτρονίων αντί του ηλεκτρικού ρεύματος (ροής ηλεκτρονίων).

Ερευνητές του Delft University of Technology (Ολλανδία), του Tsukuba National Institute for Materials Science (Ιαπωνία), του University of Valencia (Ισπανία), του University of Regensburg (Γερμανία) και του Harvard University (ΗΠΑ) δημιούργησαν μια νέα σπιντρονική συσκευή από γράφεν.

Contrary to the previous version of this technology, it does not require powerful magnets, making it much more compatible with other electronics components. They published their results in Nature Communications¹, under the title “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Το Δυναμικό της Σπιντρονικής

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).

Πηγή: Insight IAS

Η σπιντρονική έχει μερικά πλεονεκτήματα έναντι των κλασικών ηλεκτρονικών συστημάτων, ιδιαίτερα:

• Ταχύτερα δεδομένα, καθώς το σπιν μπορεί να αλλάξει πολύ πιο γρήγορα.
• Μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, καθώς το σπιν μπορεί να αλλάξει με λιγότερη ισχύ από ό,τι απαιτείται για τη διατήρηση μιας ροής ηλεκτρονίων για τη δημιουργία ρεύματος.
• Απλά μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντί σύνθετων ημιαγωγικών υλικών.

Spintronics is already used for hard drives and has allowed storage capacity to grow over the last decade.

“Το σπιν είναι μια κβαντική μηχανική ιδιότητα των ηλεκτρονίων, που είναι σαν ένα μικρό μαγνήτη που μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια, δείχνοντας προς τα πάνω ή προς τα κάτω.

Μπορούμε να αξιοποιήσουμε το σπιν των ηλεκτρονίων για τη μεταφορά και επεξεργασία πληροφοριών σε λεγόμενες συσκευές σπιντρονικής.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Σπιντρονική για την Κβαντική Υπολογιστική

Κύρια Οφέλη της Σπιντρονικής για Κβαντικά Κυκλώματα

Spin is not an electric current, but a fundamental quantum characteristic of electrons, where the quantum information is stored in the orientation of the spin.

Spintronics’ main advantage is that it deals with the transport of magnetic moments instead of the transfer of electrons. So there is no need for matter to move to transfer information.

And as this is already initially a quantum element, the idea of creating a spin qubit is an intriguing one. The issue, as often with quantum computing systems, is to preserve this information for long enough periods of time and distances.

And this might be just what the researchers in this study figured out how to solve, using graphene.

Γράφεν για τη Σπιντρονική

Graphene is a “miracle material” form of a 2D layer of carbon. It has potential not only in computing, but also in υπέρυθρη, τηλεπικοινωνία, επιστήμες υλικών, and καταλυτική.

Μέχρι τώρα δεν έχει χρησιμοποιηθεί ουσιαστικά για σπιντρονική, παρά τις αξιοσημείωτες ηλεκτρικές του ιδιότητες. Ο λόγος είναι ότι η ανίχνευση κβαντικών ροών σπιν σε γράφεν απαιτούσε πάντα μεγάλα μαγνητικά πεδία που είναι πρακτικά αδύνατο να ενσωματωθούν σε chip.

Οι ερευνητές κατάφεραν να παρακάμψουν την ανάγκη εξωτερικών μαγνητικών πεδίων τοποθετώντας το γράφεν πάνω από ένα CrPS₄ (χρωμίου θειοφωσφορικό), ένα δισδιάστατο αντιμαγνητικό ημιαγωγό.

This magnetic layer significantly altered the graphene’s electronic properties, giving rise to the quantum spin Hall (QSH) effect in graphene.

“Παρατηρήσαμε ότι η μεταφορά σπιν στο γράφεν τροποποιείται από το γειτονικό CrPS4, έτσι ώστε η ροή των ηλεκτρονίων στο γράφεν να εξαρτάται από την κατεύθυνση του σπιν των ηλεκτρονίων.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

The QSH effect enables electrons to move effortlessly along the edges of graphene without disruption, with all their spins aligned in the same direction.

“Το γεγονός ότι πλέον επιτυγχάνουμε κβαντικές ροές σπιν χωρίς την ανάγκη εξωτερικών μαγνητικών πεδίων ανοίγει το δρόμο για μελλοντικές εφαρμογές αυτής της κβαντικής σπιντρονικής συσκευής.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Μελλοντική Προοπτική για τη Σπιντρονική Βασισμένη στο Γράφεν

Because the quantum spin currents are “topologically protected”, they can travel tens of micrometres long distances without losing the spin information in the circuit.

“Αυτές οι τοπολογικά προστατευμένες ροές σπιν είναι ανθεκτικές σε διαταραχές και ελαττώματα, καθιστώντας τις αξιόπιστες ακόμη και σε ατελείς συνθήκες. Η διατήρηση του σήματος σπιν χωρίς καμία απώλεια πληροφορίας είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή σπιντρονικών κυκλωμάτων.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

This discovery paves the way toward ultra-thin, graphene-based spintronic circuits. The spin currents in graphene could create an efficient and coherent transfer of quantum information, μέχρι τώρα περιορισμένη στη χρήση φωτός για τη διασύνδεση κβαντικών υπολογιστικών στοιχείων.

So while it is still a work in progress, this discovery makes clear that the ultimate design of quantum computers and quantum networks is yet to be decided, with materials like graphene likely to play a role in the long term (as a larger part of ημιαγωγών γράφεν ως κατηγορία υλικού), as well as spintronics in general.

Επένδυση σε Εταιρείες Γραφεν

Graphene Manufacturing Group (GMG)

Η GMG είναι παραγωγός γράφεν που έχει εστιάσει την προσφορά προϊόντων της σε ήδη αποδεδειγμένα προϊόντα βάσει γράφεν, όπως επικάλυψη θερμότητας και λιπαντικά, αυξάνοντας την αποδοτικότητα του βιομηχανικού εξοπλισμού.

Πηγή: GMG

Αυτό καθιστά τη GMG μια καλή επιλογή για επενδυτές που αναζητούν άμεση έκθεση στην αγορά γράφεν και μια εταιρεία που είναι ήδη ενεργή στην μαζική παραγωγή γράφεν και στη βελτίωση της τρέχουσας μεθόδου παραγωγής.

Εάν το γράφεν αρχίσει να χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα για άλλες εφαρμογές όπως η υπολογιστική, η εμπειρία και η παραγωγική ικανότητα των υφιστάμενων εταιρειών γράφεν θα αποτελέσουν πλεονέκτημα για την είσοδο σε αυτές τις αγορές.

Κάποιες άλλες εφαρμογές θα μπορούσαν να είναι η δημιουργία ημιαγωγών γράφεν (δείτε “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), ή ακόμη υπέρυθρων υπεραγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου. Η επικάλυψη γράφεν θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες και για τεχνολογίες δοχείων υδρογόνου υπό πίεση.

Η GMG παράγει το γράφεν της από μεθάνιο + υδρογόνο, κάτι που διαφέρει από τους περισσότερους ανταγωνιστές της, οι οποίοι το παράγουν από φυσικές αποθέσεις γραφίτη. Αυτό επιτρέπει υψηλότερη καθαρότητα, μεγαλύτερη κλιμακωσιμότητα και χαμηλού κόστους παραγωγή.

Πηγή: GMG

Η εταιρεία ξεκίνησε την πρώτη της μονάδα παραγωγής στην Αυστραλία το 2023, με δυνατότητα παραγωγής έως 1 εκατομμύριο λίτρα επικάλυψης εναλλάκτη θερμότητας ετησίως. Τώρα επεκτείνεται για να παράγει 10 εκατομμύρια τόνους ετησίως.

Το επόμενο βήμα για την εταιρεία θα είναι η τεχνολογία μπαταριών της βασισμένη σε ιόντα αλουμινίου-γράφεν, με το μείγμα γράφεν να λειτουργεί ως πρόσθετο για τους καταλύτες μπαταριών λιθίου-ιόντων. Μακροπρόθεσμα, θα μπορούσε ακόμη και να αντικαταστήσει εντελώς τους καταλύτες βασισμένους σε γραφίτη.

Η εταιρεία αναπτύσσει τέτοιες μπαταρίες ιόντων αλουμινίου-γράφεν χρησιμοποιώντας καταλύτη γράφεν, ο οποίος μπορεί να φτάσει σε ενεργειακή πυκνότητα 290 Wh/kg. Αυτό αναπτύσσεται σε συνεργασία με τον γιγαντιαίο ορυκτομετρικό όμιλο Rio Tinto (RIO ), και αρχικά θα μπορούσε να έχει εφαρμογές σε βαριά βιομηχανία (όπως η εξόρυξη), αντί για τις αγορές ηλεκτρικών οχημάτων.

Πηγή: GMG

Ο χάρτης ανάπτυξης των μπαταριών προβλέπει την κατασκευή πιλοτικών εργοστασίων το 2025, μια απόφαση για επένδυση σε εργοστάσιο εμπορικής κλίμακας το 2026, και την τελική έναρξη λειτουργίας και την πρώτη αποστολή σε πελάτες το 2027.

Αυτή η είσοδος στην αγορά μπαταριών μπορεί να είναι ένα μεγάλο ρίσκο για τη GMG, αλλά επίσης της προσφέρει μια μοναδική ευκαιρία στην μελλοντική αγορά που θα μπορούσε να ανοίξει για το γράφεν, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης ενέργειας και άλλων εφαρμογών σχετικών με την ενέργεια.

Αναφερόμενη Μελέτη

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}