Elektroniikan ohjaaminen valolla – voisiko magnetiitti mahdollistaa seuraavan sukupolven laitteet?

Spintroniikan potentiaali

Transistorien kaltaiset elektroniikan komponentit valmistetaan usein piistä. Digitaalisissa piireissä nollia ja ykkösiä esitetään sähköisinä tiloina. Spintroniikka hyödyntää elektronin spiniä, joka on sen kvanttimekaaninen ominaisuus, tiedon käsittelyssä, tallennuksessa ja siirrossa. Myös spintroniikan laitteet voivat käyttää sähkövirtaa.

Spintroniikalla on muutamia etuja perinteisiin elektronisiin järjestelmiin verrattuna, joihin voivat kuulua seuraavat:

• Nopea tiedonkäsittely ja siirto sopivissa laiterakenteissa.
• Mahdollisuus pienentää energiankulutusta esimerkiksi säilyttämällä tieto ilman jatkuvaa virransyöttöä.
• Metallien ja magneettisten materiaalien hyödyntäminen puolijohteiden rinnalla.

Spintroniikkaa käytetään esimerkiksi kiintolevyjen lukupäissä, ja se on auttanut kasvattamaan tallennuskapasiteettia.

Yksi spintroniikan tutkimuksessa kiinnostava materiaali on magnetiitti, luonnossa esiintyvä rautaoksidimineraali, jossa rautaa on kahdessa eri hapetustilassa.

Lähde: Britannica

Magnetiitin magneettiset ominaisuudet on tunnettu pitkään, mutta sen sähköisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksiin liittyy yhä avoimia tutkimuskysymyksiä.

Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat havaitsivat, että lasersäteilyllä voidaan synnyttää magnetiittiin aiemmin tunnistamattomia epätasapainoisia tiloja. Löydös voi avata uusia mahdollisuuksia elektronisten materiaalien kehittämiseen.

Magnetiitin piilotetut ominaisuudet

Tutkijat keskittyivät magnetiitin metalli–eriste-siirtymään, jossa sen sähkönjohtavuus ja kiderakenne muuttuvat alhaisessa lämpötilassa. Kyse on faasisiirtymästä: materiaalin ominaisuudet muuttuvat ulkoisten olosuhteiden vaikutuksesta. Arkinen vertaus on veden jäätyminen, vaikka magnetiitin siirtymässä ei ole kyse nesteen muuttumisesta kiinteäksi.

Tutkimuksessa käytettiin 800 nm:n lähi-infrapunavaloa ja 400 nm:n näkyvää valoa. Eri aallonpituudet ohjasivat magnetiitin erilaisiin metastabiileihin eli tietyissä oloissa muuttuviin epätasapainotiloihin.

Erittäin nopeiden rakennemuutosten havaitsemiseksi tutkijat käyttivät menetelmää nimeltä ultranopea elektronidiffraktio (UED). Sen avulla atomien liikkeitä voidaan seurata alle pikosekunnin aikaskaalalla. Pikosekunti on sekunnin biljoonasosa.

Kiderakenteen muuttaminen

Magnetiitin matalan lämpötilan eristävässä faasissa kidehila on monokliininen. Yksikkökopissa on kolme eripituista särmää, ja kahdesta suorasta kulmasta poiketen kolmas kulma ei ole 90 astetta. Tämä ei kuvaa magnetiitin rakennetta kaikissa lämpötiloissa.

Lähde: ACS

800 nm:n valo sai monokliinisen hilan supistumaan ja muuttumaan kohti kuutiollista rakennetta. Kolmivaiheinen prosessi tuotti metallisten ja eristävien alueiden yhdistelmän, ei pelkästään yhtenäistä uutta metallifaasia.

400 nm:n valo puolestaan laajensi hilaa ja vahvisti järjestyneempää monokliinistä eristävää tilaa. Magnetiitti on oksidi, vaikka sen sähkönjohtavaa faasia kuvataan metalliseksi.

Nämä valon synnyttämät epätasapainotilat poikkeavat tavallisista tasapainotiloista ja auttavat ymmärtämään metalli–eriste-siirtymän mekanismeja.

Uudet elektroniset järjestelmät

Löydös osoittaa, että magnetiitin sähköisiin ja rakenteellisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa valitsemalla lasersäteilyn aallonpituus.

Ultranopeat valopulssit voivat siten tarjota keinon ohjata materiaalin tilaa nopeasti ja hallitusti. Käyttö valmiissa tietoteknisissä laitteissa vaatii vielä tutkimusta ja kehitystä.

”Tutkimuksemme avaa uuden tavan ohjata ainetta ultranopealla aikaskaalalla räätälöityjen valopulssien avulla.

Magnetiitin piilossa olevien faasien synnyttämisellä ja hallinnalla voi olla merkittäviä vaikutuksia kehittyneiden materiaalien ja laitteiden kehittämiseen.

Esimerkiksi nopeasti ja tehokkaasti sähköisestä tilasta toiseen vaihtuvia materiaaleja voitaisiin hyödyntää seuraavan sukupolven laskenta- ja muistilaitteissa.”

Parempi muisti

Spintroniikka tarjoaa mahdollisuuksia myös kiintolevyjen ulkopuolella, esimerkiksi uudenlaisiin muistipiireihin. Magnetiittitutkimus on kuitenkin erotettava jo kaupallistetuista MRAM-rakenteista, jotka eivät välttämättä käytä magnetiittia.

Magneettinen MRAM-muisti voi joissakin käyttökohteissa korvata DRAM-muistia tai täydentää sitä. Kaupallisia MRAM-tuotteita valmistaa esimerkiksi Everspin. Airbus on kuulunut yhtiön asiakkaisiin. MRAM-tuotteiden luotettavuus ja säteilyn- sekä lämpötilankesto riippuvat tuotetyypistä ja käyttöolosuhteista.

MRAM voi pienentää muistijärjestelmän energiankulutusta, koska se säilyttää tiedot ilman jatkuvaa ylläpitovirtaa. Artikkelissa mainittu jopa 80%:n säästö riippuu vertailtavista toteutuksista eikä koske kaikkia MRAM-muisteja. Sen käyttö prosessorien välimuistina voi myös auttaa hallitsemaan tilantarvetta ja lämmöntuottoa, mutta edut riippuvat arkkitehtuurista.

Fotoniikka?

Magnetiitin tilan muuttaminen laserilla liittyy myös fotoniikan mahdollisuuksiin, joita käsittelimme artikkelissamme piipohjaisen laskennan vaihtoehtoja kehittävistä yrityksistä.

Valoa laskennassa hyödyntävä järjestelmä voisi periaatteessa käyttää myös optisesti ohjattavaa muistia. Tämä voisi vähentää tarvittavia välivaiheita, mutta magnetiittiin perustuvan kokonaisen laskenta- ja muistijärjestelmän energiatehokkuutta ei ole tällä tutkimuksella osoitettu.

Spintroniikkayrityksiä

1. Everspin Technologies

Everspin irrotettiin Freescale Semiconductorin MRAM-liiketoiminnasta vuonna 2008. Yhtiö listautui pörssiin vuonna 2016. Freescale puolestaan siirtyi NXP:n, jonka osaketunnus on NXPI, omistukseen; kyse ei ollut pelkästä nimenmuutoksesta.

Everspin kuuluu MRAM-teknologian toimittajiin ja jatkaa Freescalen kehitystyötä. Freescale oli ensimmäinen kaupallisen MRAM-piirin markkinoille tuonut yhtiö vuonna 2006.

MRAM säilyttää tiedot ilman virransyöttöä, mikä tekee siitä kiinnostavan sovelluksissa, joissa tärkeän tiedon on säilyttävä myös sähkökatkon aikana.

Data-analytiikan, maanpäällisen ja avaruudessa toimivan pilvilaskennan, tekoälyn sekä teollisen esineiden internetin reunalaskennan arvioitiin vauhdittavan pysyvän muistin markkinoita. Yhtiön esittämässä ennusteessa niiden keskimääräinen vuotuinen kasvu oli 27,5% vuosina 2020–2030. Kyse on historiallisesta markkinaennusteesta, ei toteutuneesta kasvusta.

Everspin

Lähde: Everspin

Yhtiön esittelemässä historiallisessa ennusteessa markkinoiden kooksi arvioitiin 7,4 miljardia dollaria vuonna 2027. Artikkelin taloustiedot kuvasivat yhtiötä velattomaksi ja sen vapaata kassavirtaa positiiviseksi vuodesta 2021 lähtien. Nämä väitteet koskevat silloista raportointijaksoa, eivät yhtiön tämänhetkistä tilannetta.

Everspinin MRAM-tuotteet palvelevat rajattuja markkinoita, joilla luotettavuus on tärkeää. Käyttökohteita ovat esimerkiksi ilmailu, satelliitit, tiedontallentimet ja potilasvalvontalaitteet.

Lähde: Everspin

Tekoälyn, laskentapiirien ja hermoverkkoja jäljittelevien järjestelmien kehitys voi tarjota yhtiölle pitkän aikavälin mahdollisuuksia, mutta kasvu ei ole taattua.

2. NVE Corporation

Toinen spintroniikkayritys on NVE. Yhtiön historian mukaan sen ensimmäinen magnetoresistiiviseen muistiin liittyvä patentti on vuodelta 1993.

Se valmistaa spintroniikkaan perustuvia antureita ja galvaanisia erottimia, joita käytetään esimerkiksi autojen, vaihteistojen, lääkinnällisten laitteiden, virtalähteiden ja teollisuuslaitteiden mittaus- ja tiedonsiirtojärjestelmissä.

Lähde: NVE

NVE keskittyy antureihin ja erottimiin, kun taas Everspin toimii muistipiirien markkinoilla. Muistiteknologioita kehittävät myös suuret puolijohdeyritykset, kuten Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba ja Samsung. Yhtiöiden tuotevalikoimat ja kilpailusuhteet eivät kuitenkaan ole keskenään samanlaisia.

Yhtiöiden erilaiset liiketoiminnat voivat kiinnostaa erilaisia sijoittajia. NVE:n osingot voivat olla osa sen houkuttelevuutta, mutta osinkoa maksava pienikin teknologiayhtiö sisältää liiketoiminta- ja kurssiriskejä eikä ole automaattisesti turvallinen sijoitus.