Electrónica
Spintrónica: El futuro de la computación energéticamente eficiente
Cómo la spintrónica podría revolucionar la computación
Progressivamente, 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 de transistores apenas de 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 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 spintrónica, que utiliza el spin de los electrones, una característica cuántica, en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Los científicos están trabajando para que la spintrónica sea tan eficiente que pueda reemplazar una parte significativa de nuestras necesidades de cómputo.
Un artículo científico reciente de investigadores del Korea Institute of Science and Technology (KIST), la Universidad Nacional de Seúl, la Universidad Nacional de Kunsan (Corea), la Universidad Yonsei y la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (Alemania) ha descubierto que la pérdida de spin puede convertirse de nuevo en magnetización, haciendo que la electrónica spintrónica sea aún más eficiente energéticamente.
Publicaron sus resultados en Nature Communications1, bajo el título “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.
Otro descubrimiento reciente de investigadores de la Academia China de Ciencias, el Laboratorio Nacional de Radiación Sincrotrón (China), la Universidad ShanghaiTech y la Universidad Beihang fue cómo usar imperfecciones en materiales spintrónicos para hacer que la electrónica sea más rápida, más inteligente y más eficiente.
Publicaron sus resultados en Nature Materials2, bajo el título “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.
Ventajas de la spintrónica y aplicaciones potenciales
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 cómputo es mediante dispositivos spintrónicos, 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 & 1, el spin puede contener más datos por átomo que la electrónica tradicional.
La spintrónica tiene algunas otras ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos, notablemente:
- Datos más rápidos, ya que el spin puede cambiarse mucho más rápidamente.
- Menor consumo de energía, pues el spin puede modificarse con menos potencia que la necesaria para mantener un flujo de electrones que genere 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.
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| Característica | Electrónica tradicional | Spintrónica |
|---|---|---|
| Portador de información | Corriente eléctrica (0 o 1) | Spin del electrón (arriba/abajo) |
| Eficiencia energética | Alta demanda de energía | Uso de menor energía |
| Velocidad | Limitada 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 spintrónica ya se utiliza en discos duros y ha permitido que la capacidad de almacenamiento de datos 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 spintrónicos.”
Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology
Superando los desafíos materiales en la spintrónica
A pesar de estas ventajas, la spintrónica aún no ha ganado tracción comercial. Esto se debe en parte al papel de los defectos materiales. Introducir imperfecciones en un material a veces facilita “escribir” datos en bits de memoria al reducir la corriente necesaria.
Sin embargo, esos defectos también aumentan la resistencia eléctrica y reducen la conductividad Hall de spin, lo que hace que el uso del spin para codificar datos sea significativamente más desafiante.
Una solución podría ser usar estroncio rutenato (SrRuO3), un óxido de metal de transición cuyas propiedades pueden ajustarse finamente.
La ingeniería cuidadosa de defectos en el material mediante dispositivos diseñados a medida y técnicas de medición de precisión cambia cómo los spins reaccionan a ellos.
“Los procesos de dispersión que típicamente degradan el rendimiento en realidad extienden la vida útil del momento angular orbital, mejorando así la corriente orbital.”
Esto es radicalmente diferente de los sistemas basados en spin convencionales. En estos experimentos, la modulación de conductividad a medida produjo una mejora de 3 × en la eficiencia energética del conmutado.
“Este trabajo esencialmente reescribe el libro de reglas para diseñar estos dispositivos. En lugar de luchar contra las imperfecciones materiales, ahora podemos explotarlas.”
Computación energéticamente eficiente con spintrónica
Magnetismo y spin
Con el spin como característica de las partículas electrónicas, no es sorprendente que los investigadores estén encontrando nuevas conexiones entre el spin y la magnetización de los materiales electrónicos.
Los investigadores coreanos estaban estudiando esta conexión. Tradicionalmente, cambiar la magnetización de un componente electrónico entre 1 y 0 requiere corrientes grandes para invertir la dirección de la magnetización. Este proceso genera pérdida de spin, que se ha considerado una fuente importante de desperdicio de energía y baja eficiencia.
En lugar de intentar mitigar esta pérdida y reducir la disipación de spin, buscan usarla combinando un metal ferromagnético único con un aislante antiferromagnético.
Fuente: Nature Materials
Fuente: Nature Materials
Corrientes de spin
Los investigadores se centraron en las corrientes de spin, también llamadas magnones.
Fuente: Hubpage
Descubrieron que la eficiencia de conversión de spin a magnon era mayor cuando el eje fácil magnetocristalino (n) estaba más cercano a la polarización del spin (μ).
En la práctica, esto significa que la pérdida de spin se utilizó para proporcionar la energía necesaria para inducir un cambio en el estado magnético del material.
Fuente: Nature Materials
Escalable usando técnicas actuales
Este método adopta una estructura de dispositivo simple que es compatible con los procesos de fabricación de semiconductores existentes.
“Hasta ahora, el campo de la spintrónica se había centrado solo en reducir las pérdidas de spin, pero hemos presentado una nueva dirección al usar esas pérdidas como energía para inducir el conmutado de magnetización,”
Lo hace altamente factible para la producción en masa, y también es ventajoso para la miniaturización y alta integración, algo que puede ralentizar drásticamente la adopción de diseños electrónicos más radicales.
Por lo tanto, este descubrimiento podría ver aplicaciones rápidas en memoria y cómputo de semiconductores de IA, memoria ultra de bajo consumo, cómputo neuromórfico y dispositivos de cómputo basados en probabilidad.
A medida que estos campos ya están en auge, esto podría ofrecer a esta tecnología una ventana de oportunidad masiva.
“Planeamos desarrollar activamente dispositivos de semiconductores de IA ultra‑pequeños y de bajo consumo, ya que pueden servir como base para tecnologías de cómputo ultra‑bajo consumo que son esenciales en la era de la IA.”
Conclusión
La spintrónica se había limitado hasta ahora a la tecnología de discos duros, pero está cambiando rápidamente gracias a una mejor comprensión de cómo manipular y usar los spins de los electrones.
Esto debería crear un nuevo tipo de electrónica, no tanto más potente, como ocurre con los chips más pequeños y nuevos, sino más eficiente energéticamente y aún más fácil de fabricar, puntos importantes a medida que el consumo de energía se convierte en un cuello de botella cada vez mayor en el despliegue de centros de datos de IA y computación de borde (como para vehículos autónomos o robótica).
Empresas de spintrónica
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin es una rama de Freescale (ahora conocida como NXP, ticker de bolsa NXPI) dedicada al desarrollo de sistemas de memoria MRAM. Se escindió y salió a bolsa en 2016.
Everspin es considerada la líder en tecnología MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), 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, incluido el 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 deuda 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 chipsets, la IA y los sistemas sinápticos también podría ser un impulso a largo plazo para la compañía.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Otro líder en spintrónica, NVE ha estado trabajando en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995. Produce sensores spintrónicos y aisladores, mayormente usados en sistemas de medición y sensores para automóviles, engranajes, dispositivos médicos, fuentes de alimentación y otros dispositivos industriales.
Fuente: NVE
Esto sitúa a NVE en una categoría algo diferente a Everspin, siendo NVE más una empresa industrial con una posición fuerte en un nicho de mercado (magnetómetros basados en spintrónica), 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, ya que la acción de NVE probablemente atraiga a inversores más conservadores que buscan rendimiento por dividendo y seguridad.
Estudios referenciados
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Escalado no convencional del efecto Hall orbital. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Conmutado de magnetización impulsado por disipación de spin magnónico. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
