Electrónica
Spintronics: El Futuro de la Informática Eficiente en Energía
Cómo la Spintronics Podría Revolucionar la Informática
Progresivamente, el mundo de la informática de hardware está empezando a mirar más allá de los chips de silicio, o incluso de las formas clásicas de computación binaria en general. Esto se debe a que los chips y la memoria habituales en nuestros computadores y centros de datos se están volviendo cada vez más difíciles de construir, con la última generación teniendo 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 computación, particularmente para sistemas de inteligencia artificial, continúa creciendo.
Hay muchas soluciones propuestas, con la computación cuántica y la fotónica siendo las opciones más prominentes para reducir la demanda de computación o hacerla más rápida y menos intensiva en energía.
Otra es la spintronics, que utiliza el spin de los electrones, una característica cuántica, en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Los científicos están trabajando en hacer que la spintronics sea lo suficientemente eficiente como para reemplazar una parte significativa de nuestras necesidades de computación.
Un reciente artículo científico de investigadores en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST), la Universidad Nacional de Seúl, la Universidad Nacional de Kunsan (Corea), la Universidad Yonsei y la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (Alemania) ha encontrado que la pérdida de spin puede convertirse de nuevo en magnetización, lo que hace que la electrónica de spintronics sea aún más eficiente en términos de energía.
Publicaron sus resultados en Nature Communications1, bajo el título “Conmutación de magnetización impulsada por disipación de spin magnónica”.
Otro descubrimiento reciente por investigadores de la Academia China de Ciencias, el Laboratorio Nacional de Radiación Sincrotrón (China), la Universidad ShanghaiTech y la Universidad Beihang fue cómo utilizar 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 “Escalado no convencional del efecto de Hall orbital”.
Ventajas y Aplicaciones Potenciales de la Spintronics
Los componentes electrónicos, como los transistores, se construyen tradicionalmente a partir de silicio y dependen de los semiconductores. Las señales de 0 y 1 en binario indican el paso o bloqueo de una corriente eléctrica.
Una forma alternativa de realizar cálculos es a través de dispositivos de spintronics, 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 en el momento angular de spin, que puede imaginarse como una orientación “hacia arriba” o “hacia abajo” incorporada del electrón, y 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 spintronics tiene varias ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos, notablemente:
- Datos más rápidos, ya que el spin puede cambiarse mucho más rápido.
- Menos consumo de energía, ya que el spin puede cambiarse con menos potencia que la necesaria para mantener un flujo de electrones para crear una corriente.
- Se pueden utilizar metales simples en lugar de materiales semiconductor 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 | Spintronics |
|---|---|---|
| Portador de Información | Corriente eléctrica (0 o 1) | Spin del electrón (hacia arriba/abajo) |
| Eficiencia Energética | Alta demanda de potencia | Uso de potencia más bajo |
| Velocidad | Limitada por el flujo de corriente | Conmutación de spin más rápida |
| Materiales | Semiconductores complejos | Metales simples/óxidos |
| Estabilidad de Datos | Almacenamiento volátil | Estable, no volátil |
La spintronics ya se utiliza para discos duros y ha permitido que la capacidad de almacenamiento de datos crezca durante la última década.
“El spin es una propiedad cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán llevado por los electrones, apuntando hacia arriba o hacia abajo.
Podemos aprovechar el spin de los electrones para transferir y procesar información en dispositivos de spintronics.”
Talieh Ghiasi – Investigadora postdoctoral en la Universidad de Tecnología de Delft
Superar los Desafíos de Materiales en Spintronics
A pesar de estas ventajas, la spintronics todavía no ha ganado tracción comercial. Esto se debe en parte al papel de los defectos de material. Introducir imperfecciones en un material puede hacer que sea más fácil “escribir” datos en bits de memoria al reducir la corriente necesaria.
Sin embargo, estos defectos también aumentan la resistencia eléctrica y reducen la conductividad de spin de la capa de Hall, lo que hace que el uso del spin para codificar datos sea significativamente más desafiante.
Una solución podría ser utilizar el rutenato de estroncio (SrRuO3), un óxido de metal de transición cuyas propiedades pueden ajustarse con precisión.
El ingeniero cuidadoso de defectos en el material utilizando dispositivos diseñados a medida y técnicas de medición de precisión cambia cómo los spins reaccionan ante ellos.
“Los procesos de dispersión que normalmente degradan el rendimiento en realidad extienden la vida útil del momento angular orbital, lo que mejora la corriente orbital.”
Dr. Xuan Zheng – Academia China de Ciencias
Esto es radicalmente diferente de los sistemas de spin convencionales. En estos experimentos, la modulación de conductividad personalizada produjo una mejora de 3 veces en la eficiencia de energía de conmutación.
“Este trabajo esencialmente reescribe el libro de reglas para diseñar estos dispositivos. En lugar de luchar contra las imperfecciones del material, ahora podemos explotarlas.”
Prof. Zhiming Wang – Academia China de Ciencias
Informática Eficiente en Energía con Spintronics
Magnetismo y Spin
Con el spin como una característica de las partículas de electrones, quizás no sea 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 grandes corrientes para revertir la dirección de la magnetización. Este proceso resulta en pérdida de spin, que se ha considerado una fuente importante de desperdicio de potencia y mala eficiencia.
En lugar de tratar de mitigar esta pérdida y reducir la disipación de spin, buscan utilizarla combinando un solo metal ferromagnético 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 magnón era la más alta cuando el eje fácil de magnetocristalina (n) estaba más cerca de la polarización de spin (μ).
En la práctica, 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 con 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 spintronics se ha centrado solo en reducir las pérdidas de spin, pero hemos presentado una nueva dirección al utilizar las pérdidas como energía para inducir conmutación de magnetización,”
Dr. Dong-Soo Han – Investigador senior en KIST.
Esto lo hace muy factible para la producción en masa, y también es ventajoso para la miniaturización y la alta integración, algo que puede ralentizar drásticamente la adopción de nuevos diseños más radicales en electrónica.
Por lo tanto, este descubrimiento podría ver aplicaciones rápidas en memoria y computación de semiconductores de inteligencia artificial, memoria de ultra-bajo poder, computación neuromórfica y dispositivos de computación basados en probabilidad.
Como estos campos ya están en auge, esto podría dar a esta tecnología una gran ventana de oportunidad.
“Planificamos desarrollar activamente dispositivos de semiconductores de inteligencia artificial ultra-pequeños y de bajo poder, ya que pueden servir como base para tecnologías de computación de ultra-bajo poder que son esenciales en la era de la inteligencia artificial.”
Dr. Dong-Soo Han – Investigador senior en KIST.
Conclusión
La spintronics se ha limitado hasta ahora a la tecnología de discos duros, pero está cambiando rápidamente gracias a una mejor comprensión de cómo manipular y utilizar los spins de los electrones.
Esto debería crear un nuevo tipo de electrónica, no tanto más poderosa, como es común con nuevos chips más pequeños, sino más eficiente en términos de energía y incluso más fácil de fabricar, ambos puntos importantes a medida que el consumo de energía se convierte en un cuello de botella cada vez más importante en la implementación de centros de datos de inteligencia artificial y computación de borde (como para coches autónomos o robótica).
Empresas de Spintronics
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin es una rama de Freescale (ahora conocida como NXP, con ticker NXPI) dedicada al desarrollo de sistemas de memoria MRAM. Se separó y salió a bolsa en 2016.
Everspin se considera el líder en tecnología MRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Magnetorresistiva), heredando la experiencia de Freescale al ser la primera en comercializar un chip MRAM en 2006.
Debido a que la MRAM es una memoria que persiste incluso en ausencia de corriente, se utiliza cada vez más en casos de uso sensibles donde los datos críticos son demasiado importantes como para arriesgar su pérdida.
Impulsado por aplicaciones omnipresentes como el análisis de datos, la computación en la nube, tanto terrestre como extraterrestre, la inteligencia artificial (IA) y la IA de borde, incluida la IoT industrial, el mercado de memoria persistente se espera que crezca a un ritmo del 27,5% anual entre 2020 y 2030
Fuente: Everspin
La empresa estima que el mercado alcanzará un tamaño de $7.4 mil millones para 2027. La empresa no ha tenido deuda y ha tenido un flujo de efectivo libre positivo desde 2021.
Los productos MRAM de Everspin actualmente ocupan un nicho pequeño pero en crecimiento, sirviendo a mercados donde la confiabilidad es crucial, como la aerospacial, satélites, grabadoras de datos, dispositivos de monitoreo de pacientes, etc.
Fuente: Everspin
El crecimiento de los conjuntos de chips, la IA y los sistemas sinápticos también podría ser un impulso a largo plazo para la empresa.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Otro líder en spintronics, NVE ha estado trabajando en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995. Produce sensores spintrónicos y aisladores, principalmente utilizados 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 ligeramente diferente a la de Everspin, con NVE más como una empresa industrial con una fuerte posición en un mercado de nicho (magnetómetro que utiliza spintronics), mientras que Everspin es más una empresa de memoria / computación que trabaja con y en competencia con empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba y Samsung, que también están desarrollando sus propios productos MRAM.
Puede hacer que las acciones sean más (o menos) atractivas dependiendo de los perfiles de los inversores, con las acciones de NVE más propensas a atraer a inversores más conservadores que buscan un rendimiento de dividendos y seguridad.
Estudios Referenciados
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Escalado no convencional del efecto de Hall orbital. Nature Materiales. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Conmutación de magnetización impulsada por disipación de spin magnónica. Nature Comunicaciones 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
