Cómo la espintrónica & el grafeno impulsan los circuitos cuánticos de próxima generación

Cómo la espintrónica podría revolucionar la computación

Progresivamente, el mundo del hardware informático está comenzando a mirar más allá de los chips de silicio, o incluso de las formas clásicas de computación binaria por completo. Esto se debe a que los chips y la memoria habituales en nuestras computadoras y centros de datos se están volviendo cada vez más difíciles de fabricar, con la última generación teniendo 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 de cálculo, particularmente para los sistemas de IA, sigue creciendo.

Existen muchas soluciones propuestas, siendo la computación cuántica y la fotónica las opciones más destacadas para reducir la demanda de cálculo o para hacerlo más rápido y con menos consumo energético.

Otra es la espintrónica, que utiliza el spin de los electrones en lugar de la corriente eléctrica (flujo de electrones).

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Tsukuba (Japón), de la Universidad de Valencia (España), de la Universidad de Regensburg (Alemania) y de la Universidad de Harvard (EE. UU.) han creado un nuevo dispositivo de espintrónica basado en grafeno.

Contrariamente a 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 Communications¹, bajo el título “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

El potencial de la espintrónica

Los componentes electrónicos como los transistores se construyen tradicionalmente con silicio y dependen de los 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 de espintrónica que funcionan con el spin de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de la corriente eléctrica (flujo de electrones).

Fuente: Insight IAS

La espintrónica tiene algunas ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos, notablemente:

• Datos más rápidos, ya que el spin puede cambiarse mucho más rápido.
• Menor consumo de energía, ya que el spin puede cambiarse con menos potencia que la necesaria para mantener un flujo de electrones que genere una corriente.
• Se pueden usar 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 spin es una propiedad mecánica cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán que llevan los electrones, apuntando hacia arriba o hacia abajo.

Podemos aprovechar el spin de los electrones para transferir y procesar información en los llamados dispositivos de espintrónica.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Espintrónica para la computación cuántica

Beneficios clave de la espintrónica para circuitos cuánticos

El spin no es una corriente eléctrica, sino una característica cuántica fundamental de los electrones, donde la información cuántica se almacena en la orientación del spin.

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 esto ya es inicialmente un elemento cuántico, la idea de crear un qubit de spin es intrigante. El problema, como ocurre a menudo con los sistemas de computación cuántica, es preservar esta información durante períodos de tiempo y distancias suficientemente largos.

Y esto podría ser precisamente lo que los investigadores de este estudio descubrieron cómo resolver, usando grafeno.

Grafeno para la espintrónica

El grafeno es un “material milagroso”, forma de una capa 2D de carbono. Tiene potencial no solo en la computación, sino también en superconductividad, telecomunicaciones, ciencias de materiales y catálisis.

Hasta ahora realmente no se ha utilizado mucho para la espintrónica, a pesar de sus notables propiedades eléctricas. La razón es que la detección de corrientes de spin cuántico en grafeno siempre ha requerido campos magnéticos grandes que son prácticamente imposibles de integrar en el chip.

Los investigadores lograron eludir la necesidad de campos magnéticos externos al colocar el grafeno sobre una capa de CrPS₄ (fosfotiolato de cromo), un semiconductor antiferromagnético bidimensional.

Esta capa magnética alteró significativamente las propiedades electrónicas del grafeno, dando lugar al efecto Hall de spin cuántico (QSH) en el grafeno.

“Observamos que el transporte de spin en el grafeno se modifica por el CrPS4 vecino, de modo que el flujo de electrones en el grafeno depende de la dirección del spin de los electrones.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

El efecto QSH permite que los electrones se desplacen sin esfuerzo a lo largo de los bordes del grafeno sin interrupciones, con todos sus spins alineados en la misma dirección.

“El hecho de que ahora estemos logrando corrientes de spin cuántico sin la necesidad de campos magnéticos externos abre el camino para futuras aplicaciones de estos dispositivos cuánticos de espintrónica.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Perspectivas futuras para la espintrónica basada en grafeno

Debido a que las corrientes de spin cuántico están “protegidas topológicamente”, pueden viajar decenas de micrómetros sin perder la información de spin en el circuito.

“Estas corrientes de spin protegidas topológicamente son robustas frente a desórdenes y defectos, lo que las hace fiables incluso en condiciones imperfectas. Preservar la señal de spin sin pérdida de información es vital para construir circuitos de espintrónica.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Este descubrimiento allana el camino hacia circuitos de espintrónica ultra‑delgados basados en grafeno. Las corrientes de spin en el grafeno podrían crear una transferencia eficiente y coherente de información cuántica, hasta ahora limitada al uso de luz para interconectar componentes de computación cuántica.

Así que, aunque sigue siendo un trabajo en progreso, este descubrimiento deja claro que el diseño definitivo de los ordenadores cuánticos y las redes cuánticas aún está por decidirse, con materiales como el grafeno probablemente desempeñando un papel a largo plazo (como una parte importante de los semiconductores de grafeno como categoría de material), así como la espintrónica en general.

Invertir en empresas de grafeno

Graphene Manufacturing Group (GMG)

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 del equipamiento industrial.

Fuente: GMG

Esto convierte a GMG en una buena opción para inversores que buscan exposición directa al mercado del grafeno y una empresa ya activa en la producción masiva de grafeno y en la mejora del método de producción actual.

Si el grafeno comienza a usarse a gran escala para otras aplicaciones como la computación, la experiencia y la capacidad de fabricación de las empresas de grafeno existentes será una ventaja para entrar en estos mercados.

Algunas otras aplicaciones podrían ser la creación de semiconductores de grafeno (ver “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o incluso superconductores a temperatura ambiente. El recubrimiento de grafeno también podría usarse en baterías y para tecnologías de recipientes a presión de hidrógeno.

GMG produce su grafeno a partir de metano + hidrógeno, lo que difiere de la mayoría de sus competidores, que lo producen a partir de depósitos de grafito natural. Esto permite una mayor pureza, más escalabilidad y producción de bajo costo.

Fuente: GMG

La empresa lanzó su primera instalación de producción en Australia en 2023, con hasta 1 millón de litros de producción de recubrimiento para intercambiadores de calor al año. Ahora está expandiéndose para producir 10 millones de toneladas al año.

El siguiente paso para la empresa será su tecnología de baterías basada en ion de aluminio y grafeno, con su suspensión de grafeno como aditivo para los cátodos de baterías de iones de litio. A largo plazo, podría incluso reemplazar por completo los cátodos basados en grafito.

La empresa está desarrollando esas baterías de ion de aluminio y grafeno usando un cátodo de grafeno, que puede alcanzar una densidad de energía de 290 Wh/kg. Esto se desarrolla en asociación con el gigante minero Rio Tinto (RIO ), y podría tener inicialmente aplicaciones en industrias pesadas (como la minería), más que en los mercados de vehículos eléctricos.

Fuente: GMG

La hoja de ruta del desarrollo de baterías prevé la construcción de plantas piloto en 2025, una decisión de inversión en una fábrica a escala comercial en 2026, y su eventual puesta en marcha y primer envío a clientes para 2027.

Esta incursión en el mercado de baterías podría ser una gran apuesta para GMG, pero también le brinda una oportunidad única en el futuro mercado que podría abrirse para el grafeno, incluyendo el almacenamiento de energía y otras aplicaciones relacionadas con la energía.

Estudio Referenciado

^{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}