Informática.
Cómo la espintrónica y el grafeno impulsan los circuitos cuánticos de próxima generación
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Cómo la espintrónica podría revolucionar la informática
Progresivamente, el mundo de la computación de hardware está empezando a mirar más allá de los chips de silicio, o incluso de las formas clásicas de computación binaria. Esto se debe a que los chips y la memoria habituales en nuestros ordenadores y centros de datos son cada vez más difíciles de construir, y la última generación cuenta con transistores de apenas unos pocos nanómetros de tamaño.
Otro factor es que el consumo de energía se está convirtiendo en un problema a medida que la demanda de potencia informática, en particular para sistemas de IA, sigue creciendo.
Se han propuesto muchas soluciones, siendo la computación cuántica y la fotónica las opciones más destacadas para reducir la demanda de computación o para hacerla más rápida y que consuma menos energía.
Otra es la espintrónica, que utiliza el espín de los electrones en lugar de la corriente eléctrica (flujo de electrones).
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Tsukuba (Japón), la Universidad de Valencia (España), la Universidad de Ratisbona (Alemania) y la Universidad de Harvard (EE.UU.) han creado un nuevo dispositivo de grafeno espintrónico.
A diferencia de la versión anterior de esta tecnología, no requiere imanes potentes, lo que la hace mucho más compatible con otros componentes electrónicos. Publicaron sus resultados en Nature Communications.1, bajo el título "Efecto Hall de espín cuántico en grafeno magnético.
El potencial de la espintrónica
Los componentes electrónicos, como los transistores, se fabrican tradicionalmente con silicio y utilizan semiconductores. Las señales 0 y 1 en binario indican el paso o el bloqueo de una corriente eléctrica.
Una forma alternativa de realizar cálculos son los dispositivos espintrónicos que funcionan con el espín de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de con la corriente eléctrica (flujo de electrones).
Fuente: Perspectiva IAS
La espintrónica tiene algunas ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos., en particular:
- Datos más rápidos, ya que el giro se puede cambiar mucho más rápido.
- Menos consumo de energía, ya que el espín se puede cambiar con menos energía de la que se necesita para mantener un flujo de electrones para crear una corriente.
- Se pueden utilizar metales simples en lugar de materiales semiconductores complejos.
La espintrónica ya se utiliza en discos duros y ha permitido que la capacidad de almacenamiento crezca durante la última década.
“El espín es una propiedad mecánica cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán transportado por los electrones, que apunta hacia arriba o hacia abajo.
“Podemos aprovechar el giro de los electrones para transferir y procesar información en los llamados dispositivos espintrónicos”.
Talieh Ghiasi – Investigador postdoctoralr en Universidad Tecnológica de Delft
Espintrónica para la computación cuántica
Principales beneficios de la espintrónica para los circuitos cuánticos
El espín no es una corriente eléctrica, sino una característica cuántica fundamental de los electrones, donde la información cuántica se almacena en la orientación del espín.
La principal ventaja de la espintrónica es que se ocupa del transporte de momentos magnéticos en lugar de la transferencia de electrones. Por lo tanto, no es necesario que la materia se mueva para transferir información.
Y como este ya es inicialmente un elemento cuántico, la idea de crear un cúbit de espín resulta intrigante. La cuestión, como suele ocurrir con los sistemas de computación cuántica, es preservar esta información durante periodos de tiempo y distancias suficientemente largos.
Y esto podría ser precisamente lo que los investigadores en este estudio descubrieron cómo resolver, usando grafeno.
Grafeno para espintrónica
El grafeno es una forma de “material milagroso” Capa 2D de carbonoTiene potencial no sólo en informática, sino también en superconductividad, telecomunicación, ciencias materiales y catálisis.
Hasta ahora no se ha utilizado realmente en espintrónica, a pesar de sus notables propiedades eléctricas. Esto se debe a que la detección de corrientes de espín cuánticas en el grafeno siempre ha requerido grandes campos magnéticos, prácticamente imposibles de integrar en un chip.
Los investigadores lograron evitar la necesidad de campos magnéticos externos al colocar el grafeno sobre un CrPS₄ (tiofosfato de cromo), un semiconductor antiferromagnético bidimensional.
Esta capa magnética alteró significativamente las propiedades electrónicas del grafeno, dando lugar al efecto Hall de espín cuántico (QSH) en el grafeno.
“Observamos que el transporte de espín en el grafeno se modifica por el CrPS4 vecino, de modo que el flujo de electrones en el grafeno pasa a depender de la dirección de espín de los electrones”.
Talieh Ghiasi – Investigador postdoctoralr en Universidad Tecnológica de Delft
El efecto QSH permite que los electrones se muevan sin esfuerzo a lo largo de los bordes del grafeno sin interrupciones, con todos sus espines alineados en la misma dirección.
“El hecho de que ahora estemos logrando corrientes de espín cuántico sin necesidad de campos magnéticos externos abre el camino para futuras aplicaciones de estos dispositivos espintrónicos cuánticos”.
Talieh Ghiasi – Investigador postdoctoralr en Universidad Tecnológica de Delft
Perspectivas futuras para la espintrónica basada en grafeno
Debido a que las corrientes de espín cuántico están “protegidas topológicamente”, pueden viajar distancias de decenas de micrómetros sin perder la información de espín en el circuito.
Estas corrientes de espín protegidas topológicamente son resistentes a desórdenes y defectos, lo que las hace fiables incluso en condiciones imperfectas. Preservar la señal de espín sin pérdida de información es vital para construir circuitos espintrónicos.
Talieh Ghiasi – Investigador postdoctoralr en Universidad Tecnológica de Delft
Este descubrimiento abre el camino hacia circuitos espintrónicos ultrafinos basados en grafeno. Las corrientes de espín del grafeno podrían generar una transferencia eficiente y coherente de información cuántica. Hasta ahora limitado a utilizar la luz para interconectar componentes de computación cuántica.
Si bien aún es un trabajo en progreso, este descubrimiento deja en claro que el diseño final de las computadoras y redes cuánticas aún está por decidirse, y es probable que materiales como el grafeno desempeñen un papel a largo plazo (como una parte más grande de semiconductores de grafeno como categoría de material), así como la espintrónica en general.
Invertir en empresas de grafeno
Grupo de fabricación de grafeno (GMG)
(GMG.V )
GMG es un productor de grafeno que ha centrado su oferta de productos en productos basados en grafeno ya demostrados, como recubrimientos térmicos y lubricantes, aumentando la eficiencia de los equipos industriales.
Fuente: GMG
Esto convierte a GMG en una buena opción para los inversores que buscan exposición directa al mercado del grafeno y una empresa que ya está activa en la producción en masa de grafeno y en la mejora del método de producción actual.
Si el grafeno empieza a utilizarse a gran escala para otras aplicaciones como la informática, la experiencia y la capacidad de fabricación de las empresas de grafeno existentes serán una ventaja para entrar en esos mercados.
Otras aplicaciones podrían ser la creación de semiconductores de grafeno (ver “Semiconductores de grafeno: ¿finalmente están aquí?"), o incluso superconductores a temperatura ambiente. El recubrimiento de grafeno también podría usarse en baterías y en tecnologías de recipientes a presión de hidrógeno.
GMG produce su grafeno a partir de metano e hidrógeno, lo que lo diferencia de la mayoría de sus competidores, que lo producen a partir de depósitos naturales de grafito. Esto permite una mayor pureza, mayor escalabilidad y un bajo coste de producción.
Fuente: GMG
La empresa inauguró su primera planta de producción en Australia en 2023, con una producción anual de hasta 1 millón de litros de revestimiento para intercambiadores de calor. Actualmente, está expandiéndose para producir 10 millones de toneladas anuales.
El siguiente paso de la empresa será su tecnología de baterías basada en iones de aluminio y grafeno, donde su suspensión de grafeno se utilizará como aditivo para los cátodos de las baterías de iones de litio. A largo plazo, incluso podría sustituir por completo a los cátodos de grafito.
La empresa está desarrollando estas baterías de iones de aluminio y grafeno utilizando un cátodo de grafeno, que pueden alcanzar una densidad energética de 290 Wh/kg. Este desarrollo se lleva a cabo en colaboración con el gigante minero Rio Tinto y, en un principio, podría tener aplicaciones en industrias pesadas (como la minería), en lugar de en el mercado de vehículos eléctricos.
Fuente: GMG
La hoja de ruta para el desarrollo de baterías prevé la construcción de plantas piloto en 2025, una decisión sobre la inversión en una fábrica a escala comercial en 2026 y su eventual puesta en servicio y primer envío a los clientes en 2027.
Esta entrada en el mercado de las baterías puede ser una gran apuesta para GMG, pero también le da una oportunidad única en el mercado futuro que podría abrirse para el grafeno, incluso en el almacenamiento de energía y otras aplicaciones relacionadas con la energía.
Estudio referenciado
1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Efecto Hall de espín cuántico en grafeno magnético. Comunicaciones de la naturaleza 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1
