Πώς η Χειρομορφική Σπιντρονική θα μπορούσε να μεταμορφώσει την πληροφορική

Πώς η σπιντρονική θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην πληροφορική

Σταδιακά, ο κόσμος της υπολογιστικής υλικού αρχίζει να κοιτάζει πέρα ​​από τα τσιπ πυριτίου ή ακόμα και τις κλασικές μορφές δυαδικής υπολογιστικής.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα συνηθισμένα τσιπ και οι μνήμες στους υπολογιστές και τα κέντρα δεδομένων μας γίνονται ολοένα και πιο δύσκολο να κατασκευαστούν, με την τελευταία γενιά να διαθέτει τρανζίστορ μεγέθους μόλις λίγων νανομέτρων.

Ένας άλλος παράγοντας είναι ότι η κατανάλωση ενέργειας καθίσταται ζήτημα, καθώς η ζήτηση για υπολογιστική ισχύ, ιδίως για συστήματα τεχνητής νοημοσύνης, συνεχίζει να αυξάνεται.

Υπάρχουν πολλές προτεινόμενες λύσεις, με την κβαντική υπολογιστική και τη φωτονική να αποτελούν τις πιο σημαντικές επιλογές είτε για τη μείωση της ζήτησης για υπολογιστική είτε για την ταχύτερη και λιγότερο ενεργοβόρα επεξεργασία της.

Μια άλλη είναι η σπιντρονική, η οποία χρησιμοποιεί το σπιν των ηλεκτρονίων, ένα κβαντικό χαρακτηριστικό, αντί του ηλεκτρικού ρεύματος (τη ροή των ηλεκτρονίων).

Πλεονεκτήματα και πιθανές εφαρμογές της σπιντρονικής

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως τα τρανζίστορ, κατασκευάζονται παραδοσιακά από πυρίτιο και βασίζονται σε ημιαγωγούς. Τα σήματα 0 και 1 σε δυαδικό σύστημα υποδεικνύουν τη διέλευση ή το μπλοκάρισμα ενός ηλεκτρικού ρεύματος.

Ένας εναλλακτικός τρόπος για την εκτέλεση υπολογισμών είναι μέσω σπιντρονικών συσκευών, οι οποίες λειτουργούν με βάση το σπιν των ηλεκτρονίων (ένα θεμελιώδες κβαντικό χαρακτηριστικό) και όχι με βάση το ηλεκτρικό ρεύμα (τη ροή των ηλεκτρονίων).

Πηγή: Insight IAS

Τα δεδομένα μπορούν να κωδικοποιηθούν τόσο στην στροφορμή του σπιν, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως ένας ενσωματωμένος προσανατολισμός «πάνω» ή «κάτω» του ηλεκτρονίου, όσο και στην τροχιακή στροφορμή, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τους ατομικούς πυρήνες.

Επειδή αυτό περιέχει περισσότερες πληροφορίες από το 0 και το 1, το σπιν μπορεί να περιέχει περισσότερα δεδομένα ανά άτομο από τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά.

Η σπιντρονική έχει μερικά άλλα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα κλασικά ηλεκτρονικά συστήματα, ιδίως:

• Ταχύτερα δεδομένα, καθώς η περιστροφή μπορεί να αλλάξει πολύ πιο γρήγορα.
• Λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, καθώς το σπιν μπορεί να αλλάξει με λιγότερη ισχύ από αυτή που χρειάζεται για να διατηρηθεί μια ροή ηλεκτρονίων για τη δημιουργία ρεύματος.
• Μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλά μέταλλα αντί για πολύπλοκα υλικά ημιαγωγών.
• Το σπιν είναι λιγότερο ασταθές από την κατάσταση των ημιαγωγών, καθιστώντας την αποθήκευση δεδομένων πιο σταθερή.

Σύρετε για κύλιση →

Η Spintronics έχει εμπορευματοποιηθεί σε κεφαλές ανάγνωσης σκληρών δίσκων από τη δεκαετία του 1990, ενισχύοντας σημαντικά την πυκνότητα αποθήκευσης τις τελευταίες δεκαετίες.

«Το σπιν είναι μια κβαντομηχανική ιδιότητα των ηλεκτρονίων, η οποία μοιάζει με έναν μικροσκοπικό μαγνήτη που φέρεται από τα ηλεκτρόνια, στραμμένο προς τα πάνω ή προς τα κάτω.»

Μπορούμε να αξιοποιήσουμε το σπιν των ηλεκτρονίων για να μεταφέρουμε και να επεξεργαστούμε πληροφορίες σε λεγόμενες σπιντρονικές συσκευές.

Talieh Ghiasi – Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ

Πρόσφατα έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στην σπιντρονική, για παράδειγμα, ότι Η απώλεια σπιν μπορεί να μετατραπεί ξανά σε μαγνήτιση, καθιστώντας τα ηλεκτρονικά σπιντρονικά ακόμη πιο ενεργειακά αποδοτικά, ή αυτό σπιντρονική και γραφένιο θα μπορούσε να κβαντικά κυκλώματα επόμενης γενιάς.

Και οι επιστήμονες εξακολουθούν να ανακαλύπτουν νέες μεθόδους για τη βελτίωση των συσκευών σπιντρονικής, όπως ερευνητές στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ (Νότια Κορέα), στο Πανεπιστήμιο της Κορέας, στο Κορεατικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας και στην Ιατρική Σχολή Feinberg (ΗΠΑ). Δημιούργησαν μαγνητικές νανοέλικες που μπορούν να ελέγχουν το σπιν των ηλεκτρονίων, κάτι που θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα εντελώς νέο πεδίο των λεγόμενων «χειρόμορφων σπιντρονικών» συσκευών.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Science¹, υπό τον τίτλο "Μεταφορά επιλεκτικής σπιν μέσω χειρόμορφων σιδηρομαγνητικών νανοελίκων".

Χειρόμορφη Σπιντρονική

Τι είναι η χειρομορφία στην σπιντρονική;

Στη φύση, η συμμετρία είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό πολλών πραγμάτων, συμπεριλαμβανομένων των συστατικών του DNA και του ίδιου του φωτός. Είναι πιθανό δύο μόρια σχεδόν πανομοιότυπα μεταξύ τους να διαφέρουν όχι ως προς τη σύνθεση ή το σχήμα τους, αλλά ως προς τον προσανατολισμό τους, μια έννοια που ονομάζεται «χειρομορφία».

Η χειραλικότητα μπορεί να εξηγηθεί στην απλούστερη μορφή της ως ο τρόπος με τον οποίο το αριστερό μας χέρι διαφέρει από το δεξί μας χέρι, παρά το γεγονός ότι και τα δύο χέρια είναι πανομοιότυπα στο σχήμα, τη δομή και τη λειτουργία τους.

Η χειραλότητα παίζει θεμελιώδη ρόλο στη βιολογία, με τη φυσική επιλογή να έχει επιλέξει αποκλειστικά «δεξιόχειρα» μόρια DNA, σάκχαρα και αμινοξέα (το βασικό συστατικό των πρωτεϊνών).

Είναι, ωστόσο, σπάνιο σε ανόργανα υλικά, τα οποία τείνουν είτε να είναι ανοργάνωτα είτε να είναι κρύσταλλοι χωρίς χειραλικότητα.

Πώς τα μέταλλα αποκτούν χειραλικότητα για σπιντρονικά

Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν αριστερόστροφες και δεξιόστροφες χειρόμορφες μαγνητικές νανοέλικες ελέγχοντας ηλεκτροχημικά τη διαδικασία κρυστάλλωσης μετάλλων. Επιλέχθηκε ένα κράμα κοβαλτίου-σιδήρου για τις σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες.

Μια βασική καινοτομία σε αυτή τη διαδικασία είναι η χρήση ιχνοποσοτήτων χειρόμορφων οργανικών μορίων, όπως η κιγχονίνη ή η κιγχονιδίνη, οι οποίες καθοδήγησαν τον σχηματισμό των ελίκων.

«Στα μέταλλα και τα ανόργανα υλικά, ο έλεγχος της χειραλικότητας κατά τη σύνθεση είναι εξαιρετικά δύσκολος, ειδικά σε νανοκλίμακα.»

Το γεγονός ότι μπορούσαμε να προγραμματίσουμε την κατεύθυνση των ανόργανων ελίκων απλώς προσθέτοντας χειρόμορφα μόρια αποτελεί μια σημαντική ανακάλυψη στη χημεία των υλικών.

Pr. Κι Τάε Ναμ – Καθηγητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ

Για να αποδείξουν τη χειραλικότητα αυτών των νανοελίκων, μέτρησαν τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία (EMF) που παράγονται από τις έλικες υπό περιστρεφόμενα μαγνητικά πεδία.

Αυτό δημιουργεί έναν εύκολο τρόπο για να ελεγχθεί εάν το υλικό παρήχθη σωστά, καθώς οι αριστερόστροφες και δεξιόστροφες έλικες παρήγαγαν αντίθετα σήματα ηλεκτρομαγνητικής πεδίας, επιτρέποντας την ποσοτική επαλήθευση της χειραλικότητας, χωρίς να απαιτείται το μαγνητικό υλικό να αλληλεπιδρά έντονα με το φως, ο συνήθης τρόπος ελέγχου της χειραλικότητας.

Το πιο σημαντικό, ανακάλυψαν ότι αυτά τα χειρόμορφα μαγνητικά μέταλλα μπορούν επίσης να καθοδηγήσουν την περιστροφή ανάλογα: επιτρέπουν κατά προτίμηση να περάσει η μία κατεύθυνση της περιστροφής, ενώ η αντίθετη κατεύθυνση της περιστροφής δεν μπορεί.

«Η χειραλότητα είναι καλά κατανοητή στα οργανικά μόρια, όπου η χειρομορφία μιας δομής συχνά καθορίζει τη βιολογική ή χημική της λειτουργία»,

Pr. Κι Τάε Ναμ – Καθηγητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ

Πιθανές εφαρμογές της χειραλικής σπιντρονικής

Μέσω της εγγενούς μαγνήτισης του υλικού (ευθυγράμμιση του σπιν), κατέστη δυνατή η μεταφορά σπιν σε μεγάλες αποστάσεις σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτό το φαινόμενο αποδείχθηκε σταθερό, ανεξάρτητα από τη γωνία μεταξύ του χειρόμορφου άξονα και της κατεύθυνσης έγχυσης σπιν. Καθώς δεν παρατηρήθηκε σε μη μαγνητικές νανοέλικες της ίδιας κλίμακας, φαίνεται να συνδέεται άμεσα με τις χειρόμορφες μαγνητικές έλικες.

Αυτό θα καθιστούσε την πρώτη ανακαλυφθείσα ασύμμετρη μεταφορά σπιν σε ένα υλικό σχετικά μακροκλίμακας.

Η ομάδα επέδειξε επίσης μια συσκευή στερεάς κατάστασης που έδειξε σήματα αγωγιμότητας εξαρτώμενα από τη χειραλότητα, ανοίγοντας το δρόμο για πρακτικές εφαρμογές σπιντρονικής αλληλεπίδρασης.

«Αυτές οι νανοέλικες επιτυγχάνουν πόλωση σπιν που υπερβαίνει το ~80% — μόνο και μόνο λόγω της γεωμετρίας και του μαγνητισμού τους»,

Αυτός είναι ένας σπάνιος συνδυασμός δομικής χειραλότητας και εγγενούς σιδηρομαγνητισμού, που επιτρέπει το φιλτράρισμα σπιν σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς πολύπλοκα μαγνητικά κυκλώματα ή κρυογονική, και παρέχει έναν νέο τρόπο για τη σχεδίαση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας δομικό σχεδιασμό.

Pr. Ο νεαρός Κέουν Κιμ – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Κορέας

Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της νέας τεχνολογίας είναι ότι η διαδικασία κατασκευής είναι σχετικά απλή και φθηνή, χωρίς να χρησιμοποιεί σπάνια υλικά ή πολύπλοκες τεχνολογίες.

«Πιστεύουμε ότι αυτό το σύστημα θα μπορούσε να γίνει μια πλατφόρμα για τη χειρόμορφη σπιντρονική και την αρχιτεκτονική των χειρόμορφων μαγνητικών νανοδομών».

Αυτό το έργο αντιπροσωπεύει μια ισχυρή σύγκλιση γεωμετρίας, μαγνητισμού και μεταφοράς σπιν, κατασκευασμένη από κλιμακώσιμα, ανόργανα υλικά.

Pr. Ο νεαρός Κέουν Κιμ – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Κορέας

Χρειάζεται ακόμη πολύ περισσότερη δουλειά για να διερευνηθούν πλήρως οι δυνατότητες αυτής της νέας ιδέας και των υλικών. Για παράδειγμα, ο αριθμός των κλώνων (διπλές, πολλαπλές έλικες) μπορεί να τροποποιηθεί κατά βούληση και μπορεί να αποφέρει διαφορετικά χαρακτηριστικά που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.

Η ικανότητα ελέγχου της χειρός (αριστερά/δεξιά) ακόμη και του αριθμού των κλώνων (διπλές, πολλαπλές έλικες) χρησιμοποιώντας αυτήν την ευέλικτη ηλεκτροχημική μέθοδο αναμένεται να συμβάλει σημαντικά σε νέους τομείς εφαρμογής.

Pr. Ο νεαρός Κέουν Κιμ – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Κορέας

Μεταξύ της ευκολίας παραγωγής και της δυνατότητας μεταφοράς σπιν σε μεγάλες αποστάσεις, αυτό θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμο για την παραγωγή υπολογιστών και δικτύων που βασίζονται πλήρως στο σπιν, με οικονομικά πλεονεκτήματα από τη χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και τη σταθερή αποθήκευση δεδομένων.

Επενδύοντας σε καινοτόμους της Spintronic

1. Everspin Technologies

Η Everspin είναι ένας κλάδος της Freescale (τώρα γνωστή ως NXP, μετοχική μάρκα NXPI) αφιερωμένος στην ανάπτυξη συστημάτων μνήμης MRAM, της πιο κοινής μορφής σπιντρονικής που είναι εμπορικά βιώσιμη σήμερα. Αποσχίστηκε και εισήχθη στο χρηματιστήριο το 2016.

Η Everspin θεωρείται ο ηγέτης της τεχνολογίας MRAM (Μαγνητοαντίσταση Μνήμης Τυχαία Προσπέλασης), κληρονομώντας την εμπειρία της Freescale να είναι... ο πρώτος που εμπορευματοποίησε ένα τσιπ MRAM το 2006.

Επειδή η MRAM είναι μια μνήμη που παραμένει αναλλοίωτη ακόμη και απουσία ρεύματος, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε ευαίσθητες περιπτώσεις χρήσης όπου τα κρίσιμα δεδομένα είναι πολύ σημαντικά για να διακινδυνεύσουν την απώλειά τους.

Βασισμένη σε εφαρμογές όπως η ανάλυση δεδομένων, το cloud computing, τόσο επίγειο όσο και εξωγήινο, η τεχνητή νοημοσύνη (AI) και η Edge AI, συμπεριλαμβανομένου του IoT, η αγορά μόνιμης μνήμης προβλέπεται να αυξηθεί με σύνθετο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 27.5% μεταξύ 2020 και 2030.

Everspin

Πηγή: Everspin

Η εταιρεία εκτιμά ότι η αγορά θα φτάσει τα 7.4 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2027. Η εταιρεία δεν έχει χρέος και θετική ελεύθερη ταμειακή ροή από το 2021.

Τα προϊόντα Everspin MRAM καταλαμβάνουν επί του παρόντος μια μικρή αλλά αναπτυσσόμενη θέση, εξυπηρετώντας αγορές όπου η αξιοπιστία είναι ζωτικής σημασίας, όπως η αεροδιαστημική, οι δορυφόροι, οι καταγραφείς δεδομένων, οι συσκευές παρακολούθησης ασθενών κ.λπ.

Πηγή: Everspin

Η ανάπτυξη των chipset, της τεχνητής νοημοσύνης και των συναπτικών συστημάτων μπορεί επίσης να είναι μια μακροπρόθεσμη ώθηση για την εταιρεία.

2. NVE Corporation

Ένας άλλος ηγέτης της σπιντρονικής, Η NVE εργάζεται σε αυτήν την τεχνολογία από το πρώτο της δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στην τεχνολογία MRAM το 1995Παράγει σπιντρονικό αισθητήρες   απομονωτές, που χρησιμοποιείται κυρίως σε συστήματα μέτρησης και αισθητήρων για αυτοκίνητα, γρανάζια, ιατρικές συσκευές, τροφοδοτικά και άλλες βιομηχανικές συσκευές.

Πηγή: NVE

Αυτό τοποθετεί την NVE σε μια κάπως διαφορετική κατηγορία από την Everspin, με την NVE να είναι περισσότερο μια βιομηχανική εταιρεία με ισχυρή θέση σε μια εξειδικευμένη αγορά (μαγνητόμετρα που χρησιμοποιούν σπιντρονικά), ενώ η Everspin είναι περισσότερο μια εταιρεία μνήμης/υπολογιστών που συνεργάζεται και ανταγωνίζεται εταιρείες όπως η Intel, η Qualcomm, η Toshiba και η Samsung, οι οποίες αναπτύσσουν επίσης το δικό τους προϊόν MRAM.

Μπορεί να κάνει τη μετοχή περισσότερο (ή λιγότερο) ελκυστική ανάλογα με το προφίλ των επενδυτών, με τη μετοχή της NVE να είναι πιο πιθανό να προσελκύσει πιο συντηρητικούς επενδυτές που αναζητούν μερισματική απόδοση και ασφάλεια.

Μελέτες στις οποίες γίνεται αναφορά

^{1. Γιου Σανγκ Τζέον, et αϊ. Μεταφορά επιλεκτικής σπιν μέσω χειρόμορφων σιδηρομαγνητικών νανοελίκων. Επιστήμη. 4 2025 Σεπτέμβριο. Τόμος 389, Τεύχος 6764. σελ. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}