Computación
Cómo la espintrónica quiral podría transformar la computación
Cómo la espintrónica podría revolucionar la computación
Progresivamente, el mundo del hardware informático está empezando 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 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 cómputo, particularmente para sistemas de IA, sigue creciendo.
Existen muchas soluciones propuestas, siendo la computación cuántica y la fotónica las opciones más prominentes para reducir la demanda de cómputo o hacerlo más rápido y menos intensivo en energía.
Otra es la espintrónica, que utiliza el spin de los electrones, una característica cuántica, en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Ventajas y aplicaciones potenciales de la espintrónica
Los componentes electrónicos, como los transistores, se construyen tradicionalmente a partir de silicio y dependen de los semiconductores. Las señales 0 y 1 en binario indican el paso o bloqueo de una corriente eléctrica.
Una forma alternativa de realizar cálculos es mediante dispositivos espintrónicos, que funcionan con el spin de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Fuente: Insight IAS
Los datos pueden codificarse tanto en el momento angular de spin, que puede imaginarse como una orientación “arriba” o “abajo” incorporada del electrón, como en el momento angular orbital, que describe cómo los electrones se mueven alrededor de los núcleos atómicos.
Debido a que esto contiene más información que solo 0 y 1, el spin puede contener más datos por átomo que la electrónica tradicional.
La espintrónica tiene algunas otras 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.
- El spin es menos volátil que el estado del semiconductor, lo que hace que el almacenamiento de datos sea más estable.
Swipe to scroll →
| Característica | Electrónica tradicional | Espintrónica |
|---|---|---|
| Portador de información | Corriente eléctrica (0 o 1) | Spin de electrones (arriba/abajo) |
| Eficiencia energética | Alta demanda de energía | Uso de energía menor |
| Velocidad | Limitado por el flujo de corriente | Conmutación de spin más rápida |
| Materiales | Semiconductores complejos | Metales/óxidos simples |
| Estabilidad de datos | Almacenamiento volátil | Estable, no volátil |
La espintrónica se ha comercializado en cabezas de lectura de discos duros desde la década de 1990, incrementando significativamente la densidad de almacenamiento en las últimas décadas.
“El spin es una propiedad mecánica cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán transportado por 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 – Investigador postdoctoral en Delft University of Technology
Se ha avanzado mucho recientemente en espintrónica, por ejemplo, que la pérdida de spin puede convertirse de nuevo en magnetización, haciendo que la electrónica espintrónica sea aún más eficiente en energía, o que la espintrónica y el grafeno podrían impulsar los circuitos cuánticos de próxima generación.
Y los científicos siguen descubriendo nuevos métodos para mejorar los dispositivos espintrónicos, como investigadores de la Seoul National University (Corea del Sur), Korea University, Korea Institute of Science and Technology y Feinberg School of Medicine (EE. UU.). Crearon nanohélices magnéticas que pueden controlar el spin de los electrones, lo que podría crear un campo totalmente nuevo de dispositivos de “espintrónica quiral”.
Publicaron sus resultados en la prestigiosa revista científica Science1, bajo el título “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.
Espintrónica quiral
¿Qué es la quiralidad en la espintrónica?
En la naturaleza, la simetría es una característica fundamental de muchas cosas, incluidos los componentes del ADN y la propia luz. Es posible que dos moléculas casi idénticas difieran no en su composición o forma, sino en su orientación, un concepto llamado “quiralidad”.
La quiralidad puede explicarse de forma más simple como la manera en que nuestra mano izquierda difiere de la derecha, a pesar de que ambas manos son idénticas en forma, estructura y función.
La quiralidad juega un papel fundamental en la biología, ya que la selección natural ha escogido exclusivamente moléculas de ADN “dextrogiros”, azúcar y aminoácidos (el componente base de las proteínas).
Sin embargo, es rara en materiales inorgánicos, que tienden a estar desorganizados o a ser cristales sin quiralidad.
Cómo los metales adquieren quiralidad para la espintrónica
Los científicos lograron crear hélices nano magnéticas quirales tanto izquierdas como derechas controlando electroquímicamente el proceso de cristalización del metal. Se eligió una aleación de cobalto-hierro por sus propiedades ferromagnéticas.
Una innovación clave en este proceso es el uso de trazas de moléculas orgánicas quirales, como la cinconina o la cinconidina, que guiaron la formación de las hélices.
“En metales y materiales inorgánicos, controlar la quiralidad durante la síntesis es extremadamente difícil, especialmente a escala nanométrica.
El hecho de que pudiéramos programar la dirección de las hélices inorgánicas simplemente añadiendo moléculas quirales es un avance en la química de materiales.”
Para demostrar la quiralidad de estas nanohélices, midieron los campos electromagnéticos (EMF) generados por las hélices bajo campos magnéticos rotatorios.
Esto crea una forma sencilla de probar si el material se produjo correctamente, ya que las hélices izquierda y derecha producían señales EMF opuestas, permitiendo una verificación cuantitativa de la quiralidad, sin requerir que el material magnético interactúe fuertemente con la luz, la forma habitual de comprobar la quiralidad.
Más importante aún, descubrieron que estos metales magnéticos quirales también pueden guiar el spin en consecuencia: permiten preferentemente que pase una dirección de spin, mientras que el spin opuesto no puede pasar.
“La quiralidad se entiende bien en moléculas orgánicas, donde la mano de una estructura a menudo determina su función biológica o química,”
Aplicaciones potenciales de la espintrónica quiral
A través de la magnetización inherente del material (alineación de spin), se hizo posible el transporte de spin a larga distancia a temperatura ambiente.
Este efecto resultó constante, sin importar el ángulo entre el eje quiral y la dirección de inyección del spin. Al no observarse en nanohélices no magnéticas de la misma escala, parece estar directamente vinculado a las hélices magnéticas quirales.
Esto constituiría el primer transporte de spin asimétrico descubierto en un material de escala relativamente macro.
El equipo también demostró un dispositivo de estado sólido que mostró señales de conducción dependientes de la quiralidad, allanando el camino para aplicaciones espintrónicas prácticas.
“Estas nanohélices logran una polarización de spin superior al ~80 % — solo por su geometría y magnetismo,”
Esta es una combinación rara de quiralidad estructural y ferromagnetismo intrínseco, que permite filtrado de spin a temperatura ambiente sin circuitería magnética compleja ni criogenia, y ofrece una nueva forma de diseñar el comportamiento de los electrones mediante el diseño estructural.”
Otra ventaja de esta nueva tecnología es que el proceso de fabricación es relativamente simple y barato, sin usar materiales raros ni tecnologías complejas.
“Creemos que este sistema podría convertirse en una plataforma para la espintrónica quiral y la arquitectura de nanostructuras magnéticas quirales.
Este trabajo representa una poderosa convergencia de geometría, magnetismo y transporte de spin, construido a partir de materiales inorgánicos escalables.”
Mucho más trabajo aún es necesario para explorar plenamente el potencial de esta nueva idea y materiales. Por ejemplo, el número de hebras (dobles, múltiples hélices) puede modificarse a voluntad, y podría producir características diferentes aún por descubrir.
La capacidad de controlar la mano (izquierda/derecha) e incluso el número de hebras (dobles, múltiples hélices) mediante este método electroquímico versátil se espera que contribuya significativamente a nuevas áreas de aplicación.
Entre la facilidad de producción y la posibilidad de transferencia de spin a larga distancia, esto podría ser muy útil para la producción de computadoras y redes totalmente basadas en spin, con ventajas económicas derivadas de menor consumo de energía y almacenamiento de datos estable.
Invertir en innovadores de la espintrónica
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin es una rama de Freescale (ahora conocida como NXP, ticker bursátil NXPI) dedicada al desarrollo de sistemas de memoria MRAM, la forma más común de espintrónica comercialmente viable hoy en día. Se escindió y salió a bolsa en 2016.
Everspin es considerada la líder en tecnología MRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Magnetorresistiva), heredando la experiencia de Freescale de ser la primera en comercializar un chip MRAM en 2006.
Debido a que MRAM es una memoria que persiste incluso en ausencia de corriente, se usa cada vez más en casos de uso sensibles donde los datos críticos son demasiado importantes para arriesgar su pérdida.
Impulsado por aplicaciones omnipresentes como análisis de datos, computación en la nube, tanto terrestre como extraterrestre, inteligencia artificial (IA) y Edge AI, incluida la IoT industrial, se proyecta que el mercado de memoria persistente crecerá a una CAGR del 27,5 % entre 2020 y 2030
Fuente: Everspin
La compañía estima que el mercado alcanzará un tamaño de 7,4 mil millones de dólares para 2027. La empresa no tiene deudas y ha generado flujo de caja libre positivo desde 2021.
Los productos MRAM de Everspin ocupan actualmente un nicho pequeño pero en crecimiento, sirviendo a mercados donde la fiabilidad es crucial, como aeroespacial, satélites, registradores de datos, dispositivos de monitorización de pacientes, etc.
Fuente: Everspin
El crecimiento de los conjuntos de chips, IA y sistemas sinápticos también podría ser un impulso a largo plazo para la compañía.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Otro líder en espintrónica, NVE ha trabajado en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995. Produce sensores espintrónicos sensors y isolators, mayormente usados en sistemas de medición y sensores para automóviles, engranajes, dispositivos médicos, fuentes de alimentación y otros dispositivos industriales.
Fuente: NVE
Esto coloca a NVE en una categoría algo diferente a la de Everspin, ya que NVE es más una empresa industrial con una posición fuerte en un nicho de mercado (magnetómetro usando espintrónica), mientras que Everspin es más una empresa de memoria/computación que compite con Intel, Qualcomm, Toshiba y Samsung, que también están desarrollando sus propios productos MRAM.
Puede hacer que la acción sea más (o menos) atractiva dependiendo del perfil de los inversores, siendo la acción de NVE más probable de atraer a inversores conservadores que buscan rendimiento de dividendos y seguridad.
Estudios citados
1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
