Έλεγχος Ηλεκτρονικών μέσω Φωτοδιέγερσης – Θα φέρει η Μαγνητίτης τις Επόμενες Γενιές Συσκευών;

Το Δυναμικό της Σπιντρονικής

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως τα τρανζίστορ παραδοσιακά κατασκευάζονται από πυρίτιο και βασίζονται σε ημιαγωγούς. Τα σήματα 0 και 1 στο δυαδικό σύστημα υποδεικνύουν τη διέλευση ή το φράξιμο ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Μια εναλλακτική μέθοδος εκτέλεσης υπολογισμών είναι οι συσκευές σπιντρονικής που λειτουργούν με το σπιν (spin) των ηλεκτρονίων (ένα θεμελιώδες κβαντικό χαρακτηριστικό) αντί για το ηλεκτρικό ρεύμα (ροή ηλεκτρονίων).

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

• Ταχύτερα δεδομένα, καθώς το σπιν μπορεί να αλλάξει πολύ πιο γρήγορα.
• Λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, επειδή το σπιν μπορεί να μεταβληθεί με λιγότερη ισχύ από ό,τι απαιτείται για τη διατήρηση μιας ροής ηλεκτρονίων ώστε να δημιουργηθεί ρεύμα.
• Μπορούν να χρησιμοποιηθούν απλοί μέταλλοι αντί για σύνθετα ημιαγωγικά υλικά.

Η σπιντρονική χρησιμοποιείται κυρίως σε σκληρούς δίσκους και έχει επιτρέψει την αύξηση της χωρητικότητας αποθήκευσης την τελευταία δεκαετία.

Ένα υλικό που ήδη χρησιμοποιείται στη σπιντρονική είναι η μαγνητίτης, ένα φυσικό ορυκτό που αποτελείται από οξυγόνο και δύο μορφές σιδήρου με διαφορετικά επίπεδα οξείδωσης.

Πηγή: Britannica

Παρά το γεγονός ότι η μαγνητίτης είναι γνωστή για τις μαγνητικές της ιδιότητες εδώ και δεκαετίες, φαίνεται ότι υπάρχει ακόμη κάτι νέο προς ανακάλυψη.

Οι ερευνητές του EPFL στην Ελβετία ανακάλυψαν ότι τα λέιζερ μπορούν να δημιουργήσουν νέες φάσεις στην μαγνητίτη που μέχρι τώρα δεν είχαν παρατηρηθεί. Αυτό θα μπορούσε, με τη σειρά του, να οδηγήσει σε μια νέα γενιά ηλεκτρονικού εξοπλισμού.

Οι Κρυμμένες Ιδιότητες της Μαγνητίτης

Οι ερευνητές εστίασαν στη μαγνητίτη λόγω των ιδιοτήτων μετάβασης από μέταλλο σε μονωτή, που της επιτρέπουν να αλλάζει από αγωγό σε φραγμένο υλικό. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως φάση μετάβασης, όπου οι ιδιότητες ενός υλικού αλλάζουν ξαφνικά από μια κατάσταση σε άλλη, κάπως όπως το νερό που παγώνει σε πάγο, με πολύ διαφορετικές ιδιότητες.

Χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικούς τύπους λέιζερ, έναν που εκπέμπει φως στα 800 nm και έναν στα 400 nm (υπέρυθρο και ορατό φως), ανακάλυψαν ότι εμφανίστηκαν νέες φάσεις στη μαγνητίτη που δεν είχαν εντοπιστεί μέχρι τώρα.

Αυτό δεν είναι τυπικό ζήτημα, καθώς οι ερευνητές έπρεπε να ανιχνεύσουν αλλαγές που συνέβαιναν σε ελάχιστο χρονικό διάστημα. Για να το πετύχουν, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται Ταχεία Ηλεκτρονική Διάθλαση (UED), η οποία τους επέτρεψε να παρατηρήσουν κινήσεις ατόμων διάρκειας μικρότερης από ένα πικοδευτερόλεπτο, δηλαδή ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.

Αλλαγή Χωρικής Διαμόρφωσης

Κανονικά, η ατομική δομή της μαγνητίτης είναι «μονοκλινικό πλέγμα», όπου το βασικό κύτταρο έχει σχήμα παραμορφωμένου κουτιού με τρεις άνισες πλευρές. Δύο από τις γωνίες του είναι 90 μοίρες, ενώ η τρίτη είναι διαφορετική.

Πηγή: ACS

Το φως των 800 nm προκαλεί συμπίεση της ατομικής δομής της μαγνητίτης, μετατρέποντάς την σε κυβική δομή. Η εξαιρετικά γρήγορη παρατήρηση έδειξε στους ερευνητές ότι αυτό συνέβη μέσω μιας διαδικασίας 3 σταδίων.

Το φως των 400 nm, αντίθετα, προκάλεσε διεύρυνση της μεταλλικής ατομικής δομής, δημιουργώντας μια πολύ σταθερή διαμόρφωση, καθιστώντας την έναν εξαιρετικά σταθερό μονωτή.

Αυτή η διαμόρφωση διαφέρει από την προηγούμενη γνωστή σταθερή ισορροπία της μαγνητίτης και παρέχει βαθιά κατανόηση του τι συμβαίνει πραγματικά κατά τη μετάβαση από μέταλλο σε μονωτή.

Νέα Ηλεκτρονικά Συστήματα

Αυτή η ανακάλυψη σημαίνει ότι είναι δυνατόν να αλλάξει η επίδραση στο σπιν και το ρεύμα της μαγνητίτης μόνο με φως από λέιζερ.

Χάρη σε πολύ γρήγορα συστήματα λέιζερ, θα μπορούσε να επιτραπεί το φωτονικό παλμό να αλλάζει ελεγχόμενα τη φύση του μεταλλικού υλικού.

«Η μελέτη μας ανοίγει το δρόμο για μια νέα προσέγγιση ελέγχου της ύλης σε υπερ-γρήγορη κλίμακα χρόνου χρησιμοποιώντας προσαρμοσμένα φωτονικά παλμούς.

Η δυνατότητα επαγωγής και ελέγχου κρυφών φάσεων στη μαγνητίτη θα μπορούσε να έχει σημαντικές επιπτώσεις στην ανάπτυξη προηγμένων υλικών και συσκευών.

Για παράδειγμα, υλικά που μπορούν να εναλλάσσονται γρήγορα και αποδοτικά μεταξύ διαφορετικών ηλεκτρονικών καταστάσεων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε υπολογιστές και συστήματα μνήμης επόμενης γενιάς.

»

Καλύτερη Μνήμη

Η σπιντρονική και η μαγνητίτης είναι νέοι ορίζοντες για τους κατασκευαστές ηλεκτρονικών συστημάτων. Αυτό που ξεκίνησε σε έναν σκληρό δίσκο τώρα επεκτείνεται σε άλλα συστήματα μνήμης.

Για παράδειγμα, η τυχαία προσπέλαση μνήμης (DRAM) θα μπορούσε να αντικατασταθεί με μαγνητική RAM (MRAM). Η πρώτη έκδοση αυτής της ιδέας είναι ένα ήδη εμπορευματοποιημένο προϊόν της Everspin και έχει χρησιμοποιηθεί σε αεροσκάφη Airbus, χάρη στην ανθεκτικότητά του σε αλλαγές θερμοκρασίας καθώς και σε κοσμική ακτινοβολία σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μνήμες.

Ένα ακόμη πλεονέκτημα του MRAM είναι το μικρότερο μέγεθός του και η χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, που σημαίνει έως και 80 % λιγότερη ζήτηση ισχύος. Αυτό μπορεί να επιτρέψει την ενσωμάτωση του MRAM ως μνήμη cache σε επεξεργαστές με μεγαλύτερη συνολική χωρητικότητα, ενώ καταναλώνει λιγότερη ενέργεια και παράγει λιγότερη θερμότητα, με το χώρο και τη θερμότητα να γίνονται βασικοί περιοριστικοί παράγοντες στην εξέλιξη των επεξεργαστών.

Φωτονική;

Η χρήση λέιζερ για την αλλαγή των συνθηκών της μαγνητίτης θυμίζει το αναπτυσσόμενο πεδίο της φωτονικής, μία από τις επιλογές που συζητήσαμε στο άρθρο μας για εταιρείες που μεταβαίνουν την υπολογιστική πέρα από τα ημιαγωγικά συστήματα.

Ένα σύστημα που ήδη χρησιμοποιεί λέιζερ και φως για την εκτέλεση υπολογισμών θα μπορούσε να ωφεληθεί σημαντικά από ένα σύστημα μνήμης που βασίζεται στην αλλαγή φάσης της μαγνητίτης που προκαλείται από το φως. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να επιτρέψει το αποτέλεσμα του υπολογισμού να μετατρέπεται άμεσα σε δεδομένα με ελάχιστο ενδιάμεσο βήμα που καταναλώνει ενέργεια και επιβραδύνει τη διαδικασία.

Εταιρείες Σπιντρονικής

1. Everspin Technologies

Η Everspin είναι το τμήμα της Freescale (σήμερα ονομάζεται NXP, κωδικός μετοχής NXPI) που αφιερώνεται στην ανάπτυξη συστημάτων μνήμης MRAM. Σπιν-αουτ και IPO το 2016.

Η Everspin θεωρείται η ηγέτιδα στην τεχνολογία MRAM, κληρονόμησε την εμπειρία της Freescale ως πρώτη που εμπορευματοποίησε ένα τσιπ MRAM το 2006.

Επειδή το MRAM είναι μνήμη που παραμένει ακόμη και χωρίς ρεύμα, χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε ευαίσθητες περιπτώσεις όπου τα κρίσιμα δεδομένα είναι σημαντικά.

Καθώς διεισδύουν εφαρμογές όπως η ανάλυση δεδομένων, το cloud computing, τόσο στη Γη όσο και στο διάστημα, η τεχνητή νοημοσύνη (AI) και η Edge AI, συμπεριλαμβανομένου του Industrial IoT, η αγορά μόνιμης μνήμης προβλέπεται να αυξηθεί με CAGR 27,5 % μεταξύ 2020 και 2030

Everspin

Πηγή: Everspin

Η εταιρεία εκτιμά ότι η αγορά θα φτάσει τα 7,4 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2027. Η εταιρεία δεν έχει χρέη και έχει θετικό ελεύθερο ταμειακό ρεύμα από το 2021.

Τα προϊόντα MRAM της Everspin κατέχουν αυτή τη στιγμή μια μικρή αλλά αυξανόμενη θέση στην αγορά, εξυπηρετώντας τομείς όπου η αξιοπιστία είναι κρίσιμη, όπως η αεροδιαστημική, οι δορυφόροι, οι καταγραφείς δεδομένων, οι συσκευές παρακολούθησης ασθενών κ.λπ.

Πηγή: Everspin

Η ανάπτυξη των chipset, της AI και των συναπτικών συστημάτων μπορεί επίσης να αποτελέσει μακροπρόθεσμη ώθηση για την εταιρεία.

2. NVE Corporation

Ένας άλλος ηγέτης στη σπιντρονική, η NVE εργάζεται σε αυτήν την τεχνολογία από το πρώτο της δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στην τεχνολογία MRAM το 1995.

Παράγει σπιντρονικούς αισθητήρες και απομονωτές, κυρίως χρησιμοποιούμενους σε συστήματα μέτρησης και αισθητήρων για αυτοκίνητα, γυαλιά, ιατρικές συσκευές, τροφοδοσίες και άλλες βιομηχανικές εφαρμογές.

Πηγή: NVE

Αυτό τοποθετεί τη NVE σε μια ελαφρώς διαφορετική κατηγορία από την Everspin, με τη NVE να είναι περισσότερο βιομηχανική εταιρεία με ισχυρή θέση σε μια εξειδικευμένη αγορά (μαγνητόμετρα με σπιντρονική), ενώ η Everspin είναι περισσότερο εταιρεία μνήμης/υπολογιστών που ανταγωνίζεται εταιρείες όπως Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba και Samsung που επίσης αναπτύσσουν τα δικά τους προϊόντα MRAM.

Αυτό μπορεί να την κάνει πιο (ή λιγότερο) ελκυστική μετοχή ανάλογα με το προφίλ των επενδυτών, με τη μετοχή της NVE να προσελκύει περισσότερο συντηρητικούς επενδυτές που αναζητούν κάποιο μερίδιο μερισμάτων και ασφάλεια.