Laskenta
Miten kiraalinen spintroniikka voisi mullistaa laskennan
Miten spintroniikka voisi mullistaa laskennan
Vähitellen laitteistolaskennan maailma alkaa katsoa pois piisirujen ja jopa perinteisten binäärilaskennan muotojen ulkopuolelle.
Tämä johtuu siitä, että tavalliset sirut ja muistit tietokoneissamme ja datakeskuksissamme ovat yhä vaikeampia valmistaa, sillä uusimmassa sukupolvessa transistorit ovat vain muutaman nanometrin kokoisia.
Toinen tekijä on energian kulutuksen kasvaminen, kun laskentatehon, erityisesti tekoälyjärjestelmien, kysyntä jatkaa kasvuaan.
Ehdotettuja ratkaisuja on monia, joista kvanttilaskenta ja fotoniikka ovat merkittävimmät vaihtoehdot joko vähentää laskentatarvetta tai tehdä siitä nopeampaa ja vähemmän energiaintensiivistä.
Toinen on spintroniikka, joka hyödyntää elektronien spiniä, kvanttinen ominaisuus, sähkövirran (elektronien virtaus) sijaan.
Spintroniikan edut ja mahdolliset sovellukset
Elektroniset komponentit, kuten transistorit, rakennetaan perinteisesti piistä ja ne perustuvat puolijohteisiin. Binäärin 0- ja 1-signaalit ilmaisevat sähkövirran kulkemisen tai estämisen.
Vaihtoehtoinen tapa suorittaa laskenta on spintroniikkalaitteiden avulla, jotka toimivat elektronien spinin (perustavanlaisen kvanttinen ominaisuus) perusteella eikä sähkövirran (elektronien virtaus) avulla.
Lähde: Insight IAS
Data voidaan koodata sekä spiniin liittyvään kulmaiseen momenttiin, joka voidaan kuvitella elektronin sisäänrakennetuksi “ylös” tai “alas” -asennoksi, että myös orbitaliseen kulmaiseen momenttiin, joka kuvaa, miten elektronit liikkuvat atomiytimen ympärillä.
Koska tämä sisältää enemmän tietoa kuin pelkkä 0 ja 1, spini voi sisältää enemmän dataa per atomi kuin perinteinen elektroniikka.
Spintroniikalla on muutamia muita etuja perinteisiin elektronisiin järjestelmiin verrattuna, notably:
- Nopeampi data, koska spiniä voidaan muuttaa paljon nopeammin.
- Vähemmän energian kulutusta, koska spiniä voidaan muuttaa vähemmällä teholla kuin tarvitaan elektronivirran ylläpitämiseen.
- Yksinkertaisia metalleja voidaan käyttää monimutkaisten puolijohdemateriaalien sijaan.
- Spini on vähemmän haihtuva kuin puolijohteen tila, mikä tekee tietojen tallennuksesta vakaampaa.
Pyyhkäise vierittääksesi →
| Ominaisuus | Perinteinen elektroniikka | Spintroniikka |
|---|---|---|
| Tietojen kantaja | Sähkövirta (0 tai 1) | Elektronin spini (ylös/alas) |
| Energiatehokkuus | Korkea energian tarve | Alhaisempi energian käyttö |
| Nopeus | Rajoittuu virran kulkuun | Nopeampi spinin kytkentä |
| Materiaalit | Monimutkaiset puolijohteet | Yksinkertaiset metallit/oksidit |
| Datan vakaus | Haihtuva tallennus | Vakaa, ei-haihtuva |
Spintroniikkaa on kaupallistettu kiintolevyjen lukupäissä 1990-luvulta lähtien, mikä on merkittävästi lisännyt tallennustiheyttä viime vuosikymmeninä.
“Spini on kvanttimekaaninen ominaisuus elektroneille, joka on kuin pieni magneetti, jonka elektronit kantavat, osoittaen ylöspäin tai alaspäin.
Voimme hyödyntää elektronien spiniä tiedon siirtämiseen ja käsittelyyn niin sanotuissa spintroniikkalaitteissa.
Talieh Ghiasi – Postdoc-tutkija Delft University of Technology
Viime aikoina spintroniikassa on tapahtunut paljon edistystä, esimerkiksi se, että spinin häviö voidaan muuntaa takaisin magnetisaatioksi, mikä tekee spintroniikkaelektroniikasta entistä energiatehokkaampaa, tai että spintroniikka ja grafiini voisivat virtalähteenä toimia seuraavan sukupolven kvanttipiireille.
Ja tutkijat löytävät edelleen uusia menetelmiä spintroniikkalaitteiden parantamiseksi, kuten tutkijat Seoul National Universityssa (Etelä-Korea), Korea Universityssa, Korea Institute of Science and Technology -laitoksessa ja Feinberg School of Medicinessa (USA). He loivat magneettisia nanoheliksejä, jotka voivat hallita elektronin spiniä, mikä voisi synnyttää kokonaan uuden kentän niin sanotuille “kiraalisille spintroniikkalaitteille”.
He julkaisi tuloksensa arvostetussa tieteellisessä lehdessä Science1, otsikolla “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.
Kiraalinen spintroniikka
Mitä kiraalisuus tarkoittaa spintroniikassa?
Luonnossa symmetria on monien asioiden perusominaisuus, mukaan lukien DNA:n komponentit ja itse valo. On mahdollista, että kaksi lähes identtistä molekyyliä eroaa toisistaan ei koostumuksensa tai muotonsa, vaan asennossaan, mikä on käsite nimeltä “kiraalisuus”.
Kiraalisuutta voidaan selittää yksinkertaisimmillaan tavalla, jolla vasen kätemme eroaa oikeasta kädestä, vaikka molemmat kädet ovat identtisiä muodoltaan, rakenteeltaan ja toiminnaltaan.
Kiraalisuus näyttelee perustavaa roolia biologiassa, sillä luonnonvalinta on valinnut yksinomaan “oikeakätiset” DNA-molekyylit, sokerit ja aminohapot (proteiineiden peruskomponentti).
Se on kuitenkin harvinaista epäorgaanisissa materiaaleissa, jotka ovat joko epäjärjestäytyneitä tai kiteisiä ilman kiraalisuutta.
Miten metallit saavat kiraalisuuden spintroniikassa
Tiedemiehet onnistuivat luomaan sekä vasenkätisiä että oikeakätisiä kairaalisia magneettisia nanoheliksejä elektrokemiallisesti hallitsemalla metallin kiteytymisprosessia. Kobaltirautaliosta valittiin sen ferromagneettisten ominaisuuksien vuoksi.
Keskeinen innovaatio tässä prosessissa on pienten määrien kairaalisia orgaanisia molekyylejä, kuten cinchoninia tai cinchonidiinia, käyttäminen, jotka ohjasivat heliksen muodostumista.
“Metalleissa ja epäorgaanisissa materiaaleissa kiraalisuuden hallinta synteesin aikana on äärimmäisen vaikeaa, erityisesti nanoskaalassa.
Se, että pystyimme ohjelmoimaan epäorgaanisten heliksen suunnan pelkästään lisäämällä kairaalisia molekyylejä, on läpimurto materiaalikemiassa.
Kiraalisuuden osoittamiseksi näissä nanohelikseissä he mittasivat nanoheliksen tuottamia elektromagneettisia kenttiä (EMF) pyörivien magneettikenttien alla.
Tämä tarjoaa helpon tavan testata, onko materiaali valmistettu oikein, sillä vasen- ja oikeakätiset helikset tuottivat vastakkaisia EMF-signaaleja, mikä mahdollistaa kvantitatiivisen kiraalisuuden tarkistuksen ilman, että magneettisen materiaalin täytyy vahvasti vuorovaikuttaa valon kanssa, mikä on tavallinen tapa tarkistaa kiraalisuus.
Entistä tärkeämpää on, että he havaitsivat näiden kairaali magneettisten metallien myös ohjaavan spiniä vastaavasti: ne sallivat mieluiten yhden spinisuunnan kulkea, kun taas vastakkainen spini ei pääse läpi.
“Kiraalisuus on hyvin ymmärretty orgaanisissa molekyyleissä, joissa rakenteen kädellisyys määrää usein sen biologisen tai kemiallisen toiminnan,”
Kiraalisen spintroniikan mahdolliset sovellukset
Materiaalin sisäisen magnetisoinnin (spinin kohdistuksen) avulla pitkän matkan spin-transportti huoneenlämpötilassa tuli mahdolliseksi.
Tämä ilmiö osoittautui vakiona riippumatta kairaaliakselin ja spin-injektion suunnan kulmasta. Koska sitä ei havaittu ei-magneettisissa nanohelikseissä samassa mittakaavassa, se vaikuttaa olevan suoraan yhteydessä kairaaliin magneettisiin helikseihin.
Tämä tekisi siitä ensimmäisen koskaan löydetyn epäsymmetrisen spin-transportin suhteellisen makroskaalaisessa materiaalissa.
Tiimi esitteli myös kiinteän tilan laitteen, joka osoitti kiraalisuuteen perustuvia johtosignaaleja, raivaaen tietä käytännön spintroniikkasovelluksille.
“Nämä nanohelikset saavuttavat spinpolarisaation, joka ylittää ~80 % – pelkästään geometriansa ja magnetisminsä ansiosta,
Tämä on harvinainen yhdistelmä rakenteellista kiraalisuutta ja sisäistä ferromagnetismia, mikä mahdollistaa spin-suodatuksen huoneenlämpötilassa ilman monimutkaista magneettista piiriä tai kryogeniikkaa, ja tarjoaa uuden tavan suunnitella elektronien käyttäytymistä rakenteellisen suunnittelun avulla.
Toinen tämän uuden teknologian etu on, että valmistusprosessi on suhteellisen yksinkertainen ja edullinen, eikä se käytä harvinaisia materiaaleja tai monimutkaisia tekniikoita.
“Uskomme, että tämä järjestelmä voisi kehittyä alustan kairaaliselle spintroniikalle ja kairaaliin magneettisiin nanorakenteisiin.
Tämä työ edustaa voimakasta geometrian, magnetismin ja spin-transportin yhdistymistä, rakennettuna skaalautuvista, epäorgaanisista materiaaleista.
Tarvitaan vielä paljon työtä tämän uuden idean ja materiaalien potentiaalin täyteen tutkimiseen. Esimerkiksi kierteiden (kaksois- tai moninkertaiset helikset) määrää voidaan muokata halutulla tavalla, ja ne saattavat tuottaa erilaisia ominaisuuksia, joita ei ole vielä löydetty.
“Kyky hallita kädellisyys (vasen/oikea) ja jopa kierteiden määrä (kaksois- tai moninkertaiset helikset) tämän monipuolisen elektrokemiallisen menetelmän avulla odotetaan vaikuttavan merkittävästi uusiin sovellusalueisiin.”
Tuotannon helppouden ja pitkän matkan spin- siirron mahdollisuuden välillä tämä voisi olla erittäin hyödyllinen täysin spin-pohjaisten tietokoneiden ja verkkojen valmistuksessa, tarjoten taloudellisia etuja alhaisemmasta energian kulutuksesta ja vakaasta datan tallennuksesta.
Sijoittaminen spintroniikka-innovaattoreihin
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin on Freescale (nykyisin NXP, osakkeen tunnus NXPI) -yrityksen haara, joka on omistautunut MRAM-muistijärjestelmien kehittämiseen, yleisin kaupallisesti nykyään toteutettava spintroniikan muoto. Se irrotettiin ja listautui julkisesti vuonna 2016.
Everspinia pidetään MRAM-teknologian (magnetoresistiivisen satunnaismuistin) johtajana, perien Freescale:n kokemuksen siitä, että se oli ensimmäinen, joka kaupallisti MRAM-sirun vuonna 2006.
Koska MRAM on muisti, joka säilyy myös ilman virtaa, sitä käytetään yhä enemmän herkissä sovelluksissa, joissa kriittinen data on liian tärkeä menettää.
“Laajenevien sovellusten, kuten data-analytiikan, pilvilaskennan, sekä maapallon että avaruuden, tekoälyn (AI) ja reunatietojenkäsittelyn, mukaan lukien teollinen IoT, ohjaamana, pysyvän muistin markkinoiden odotetaan kasvavan 27,5 %:n vuotuista kasvukautta (CAGR) vuosina 2020–2030
Lähde: Everspin
Yritys arvioi markkinoiden saavuttavan 7,4 miljardia dollaria vuoteen 2027 mennessä. Yrityksellä ei ole velkaa ja se on tuottanut positiivista vapaata kassavirtaa vuodesta 2021 lähtien.
Everspinin MRAM-tuotteet vievät tällä hetkellä pienen, mutta kasvavan, markkinaraon, palvellen aloja, joissa luotettavuus on ratkaisevaa, kuten avaruusteollisuus, satelliitit, datan tallentimet, potilasvalvontalaitteet ym.
Lähde: Everspin
Sirujen, tekoälyn ja synaptisten järjestelmien kasvu saattaa myös pitkällä aikavälillä antaa yritykselle lisäpotkua.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Toinen spintroniikan johtaja, NVE, on työskennellyt tämän teknologian parissa ensimmäisen MRAM-patentin jälkeen vuonna 1995. Se valmistaa spintroniikkasensoreita ja erottimia, joita käytetään pääasiassa mittaus- ja sensorijärjestelmissä autoille, vaihteille, lääketieteellisille laitteille, virtalähteille ja muille teollisuuden laitteille.
Lähde: NVE
Tämä asettaa NVE:n hieman eri kategoriaan kuin Everspin, sillä NVE on enemmän teollisuusyritys, jolla on vahva asema niche-markkinassa (spintroniikkaa hyödyntävä magnetometri), kun taas Everspin on enemmän muisti-/laskentayritys, joka toimii ja kilpailee esimerkiksi Intelin, Qualcommin, Toshiban ja Samsungin kanssa, jotka myös kehittävät omia MRAM-tuotteitaan.
Se voi tehdä osakkeesta houkuttelevamman (tai vähemmän) sijoittajien profiilin mukaan, sillä NVE:n osake vetoaa todennäköisemmin konservatiivisempiin sijoittajiin, jotka etsivät osinkotuottoa ja turvallisuutta.
Viitteet
1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Numero 6764. s. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
