स्पिन्ट्रॉनिक्स और ग्रैफ़ीन कैसे अगले‑पीढ़ी के क्वांटम सर्किट को शक्ति प्रदान करते हैं

स्पिन्ट्रॉनिक्स कैसे कंप्यूटिंग में क्रांति ला सकता है

क्रमशः, हार्डवेयर कंप्यूटिंग की दुनिया सिलिकॉन चिप्स से परे, या यहाँ तक कि क्लासिक बाइनरी कंप्यूटिंग के रूपों से भी आगे देखना शुरू कर रही है। इसका कारण यह है कि हमारे कंप्यूटरों और डेटा सेंटरों में उपयोग होने वाले सामान्य चिप्स और मेमोरी बनाना अधिक कठिन होता जा रहा है, जहाँ नवीनतम पीढ़ी के ट्रांजिस्टर कुछ ही नैनोमीटर के आकार के होते हैं।

एक और कारक यह है कि ऊर्जा खपत एक समस्या बनती जा रही है क्योंकि कंप्यूटिंग शक्ति की मांग, विशेष रूप से एआई सिस्टमों के लिए, लगातार बढ़ रही है।

कई प्रस्तावित समाधान मौजूद हैं, जिनमें क्वांटम कंप्यूटिंग और फोटोनिक्स सबसे प्रमुख विकल्प हैं, जो या तो कंप्यूटिंग की मांग को कम करने या इसे तेज़ और कम ऊर्जा‑खपत वाला बनाने में मदद कर सकते हैं।

एक और विकल्प स्पिन्ट्रॉनिक्स है, जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करता है न कि विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) का।

डेल्फ्ट यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी (नीदरलैंड), त्सुकुबा नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मैटेरियल्स साइंस (जापान), यूनिवर्सिटी ऑफ वैलेन्सिया (स्पेन), यूनिवर्सिटी ऑफ रेगेन्सबर्ग (जर्मनी), और हार्वर्ड यूनिवर्सिटी (यूएसए) के शोधकर्ताओं ने एक नया स्पिन्ट्रॉनिक ग्रैफ़ीन डिवाइस बनाया है।

इस तकनीक के पिछले संस्करण के विपरीत, इसे शक्तिशाली मैग्नेट की आवश्यकता नहीं होती, जिससे यह अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के साथ अधिक संगत बन जाता है। उन्होंने अपने परिणाम नेचर कम्युनिकेशन्स¹ में प्रकाशित किए, शीर्षक “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene” के तहत।

स्पिन्ट्रॉनिक्स की संभावनाएँ

इलेक्ट्रॉनिक घटक जैसे ट्रांजिस्टर पारंपरिक रूप से सिलिकॉन से बनते हैं और अर्धचालकों पर निर्भर होते हैं। बाइनरी में 0 और 1 संकेत विद्युत धारा के प्रवाह या अवरोध को दर्शाते हैं।

गणना करने का एक वैकल्पिक तरीका स्पिन्ट्रॉनिक डिवाइस है, जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन (एक मूलभूत क्वांटम विशेषता) पर कार्य करता है न कि विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) पर।

स्रोत: Insight IAS

स्पिन्ट्रॉनिक्स के क्लासिक इलेक्ट्रॉनिक सिस्टमों पर कुछ फायदे हैं, विशेष रूप से:

• डेटा तेज़, क्योंकि स्पिन को बहुत जल्दी बदला जा सकता है।
• ऊर्जा खपत कम, क्योंकि स्पिन को बदलने के लिए कम शक्ति की आवश्यकता होती है, जबकि इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को बनाए रखने के लिए अधिक शक्ति चाहिए।
• जटिल अर्धचालक सामग्री के बजाय सरल धातुओं का उपयोग किया जा सकता है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स पहले से ही हार्ड ड्राइव्स में उपयोग किया जाता है और इसने पिछले दशक में संग्रहण क्षमता को बढ़ाने में मदद की है।

“स्पिन इलेक्ट्रॉनों की एक क्वांटम यांत्रिक विशेषता है, जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा ले जाया जाने वाला एक छोटा चुंबक है, जो ऊपर या नीचे की ओर इंगित करता है।

हम इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करके सूचना को स्थानांतरित और प्रक्रिया कर सकते हैं, जिसे तथाकथित स्पिन्ट्रॉनिक डिवाइस कहा जाता है।”

Talieh Ghiasi – पोस्टडॉक शोधकर्ता पर Delft University of Technology

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए स्पिन्ट्रॉनिक्स

क्वांटम सर्किट के लिए स्पिन्ट्रॉनिक्स के प्रमुख लाभ

स्पिन विद्युत धारा नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रॉनों की एक मूलभूत क्वांटम विशेषता है, जहाँ क्वांटम सूचना स्पिन की अभिविन्यास में संग्रहीत होती है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स का मुख्य लाभ यह है कि यह इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के बजाय चुंबकीय मोमेंट्स के परिवहन से निपटता है। इसलिए सूचना को स्थानांतरित करने के लिए पदार्थ को गति करने की आवश्यकता नहीं होती।

और क्योंकि यह पहले से ही एक क्वांटम तत्व है, स्पिन क्यूबिट बनाने का विचार आकर्षक है। समस्या, जैसा कि अक्सर क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम में होती है, यह है कि इस सूचना को पर्याप्त समय और दूरी तक संरक्षित रखना।

और यह वही हो सकता है जो इस अध्ययन के शोधकर्ताओं ने ग्रैफ़ीन का उपयोग करके हल करने का तरीका खोजा।

स्पिन्ट्रॉनिक्स के लिए ग्रैफ़ीन

ग्रैफ़ीन एक “चमत्कारिक सामग्री” है, जो कार्बन की 2D परत के रूप में होती है। इसका संभावित उपयोग केवल कंप्यूटिंग में ही नहीं, बल्कि सुपरकंडक्टिविटी, टेलीकम्यूनिकेशन, सामग्री विज्ञान, और कैटलिसिस में भी है।

अब तक इसे स्पिन्ट्रॉनिक्स में वास्तव में उपयोग नहीं किया गया है, इसके उल्लेखनीय विद्युत गुणों के बावजूद। कारण यह है कि ग्रैफ़ीन में क्वांटम स्पिन करंट का पता लगाने के लिए हमेशा बड़े मैग्नेटिक फ़ील्ड की आवश्यकता होती है, जिन्हें चिप पर एकीकृत करना व्यावहारिक रूप से असंभव है।

शोधकर्ताओं ने ग्रैफ़ीन को CrPS₄ (क्रोमियम थायोफॉस्फेट), एक दो‑आयामी एंटीफ़ेरोमैग्नेटिक अर्धचालक, के ऊपर परत करके बाहरी मैग्नेटिक फ़ील्ड की आवश्यकता को बायपास कर लिया।

यह मैग्नेटिक लेयर ग्रैफ़ीन की इलेक्ट्रॉनिक विशेषताओं को काफी हद तक बदल देती है, जिससे ग्रैफ़ीन में क्वांटम स्पिन हॉल (QSH) प्रभाव उत्पन्न होता है।

“हमने देखा कि ग्रैफ़ीन में स्पिन ट्रांसपोर्ट पड़ोसी CrPS4 द्वारा संशोधित हो जाता है, जिससे ग्रैफ़ीन में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह इलेक्ट्रॉनों की स्पिन दिशा पर निर्भर हो जाता है।”

Talieh Ghiasi – पोस्टडॉक शोधकर्ता पर Delft University of Technology

QSH प्रभाव इलेक्ट्रॉनों को ग्रैफ़ीन के किनारों के साथ बिना किसी बाधा के सहजता से चलने देता है, जहाँ सभी स्पिन एक ही दिशा में संरेखित होते हैं।

“यह तथ्य कि हम अब बाहरी मैग्नेटिक फ़ील्ड की आवश्यकता के बिना क्वांटम स्पिन करंट प्राप्त कर रहे हैं, इन क्वांटम स्पिन्ट्रॉनिक डिवाइसों के भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए मार्ग खोलता है।”

Talieh Ghiasi – पोस्टडॉक शोधकर्ता पर Delft University of Technology

ग्रैफ़ीन‑आधारित स्पिन्ट्रॉनिक्स का भविष्य दृष्टिकोण

क्योंकि क्वांटम स्पिन करंट “टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित” होते हैं, वे सर्किट में स्पिन जानकारी खोए बिना दसियों माइक्रोमीटर की दूरी तक यात्रा कर सकते हैं।

“ये टोपोलॉजिकल‑रक्षित स्पिन करंट विकारों और दोषों के प्रति मजबूत होते हैं, जिससे वे असम्पूर्ण स्थितियों में भी विश्वसनीय बनते हैं। सूचना के किसी भी नुकसान के बिना स्पिन सिग्नल को संरक्षित करना स्पिन्ट्रॉनिक सर्किट बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।”

Talieh Ghiasi – पोस्टडॉक शोधकर्ता पर Delft University of Technology

यह खोज अल्ट्रा‑थिन, ग्रैफ़ीन‑आधारित स्पिन्ट्रॉनिक सर्किटों की दिशा में मार्ग प्रशस्त करती है। ग्रैफ़ीन में स्पिन करंट क्वांटम सूचना के कुशल और सुसंगत स्थानांतरण को बना सकते हैं, अब तक केवल प्रकाश का उपयोग करके क्वांटम कंप्यूटिंग घटकों को जोड़ने तक सीमित।

इसलिए जबकि यह अभी भी विकास के चरण में है, यह खोज स्पष्ट करती है कि क्वांटम कंप्यूटरों और क्वांटम नेटवर्कों का अंतिम डिज़ाइन अभी तय नहीं हुआ है, जहाँ ग्रैफ़ीन जैसी सामग्री दीर्घकाल में भूमिका निभा सकती है (जैसे सामग्री श्रेणी के रूप में ग्रैफ़ीन अर्धचालक का बड़ा हिस्सा), साथ ही सामान्य रूप से स्पिन्ट्रॉनिक्स भी।

ग्रैफ़ीन कंपनियों में निवेश

ग्रैफ़ीन मैन्युफैक्चरिंग ग्रुप (GMG)

GMG एक ग्रैफ़ीन उत्पादक है जो अपने उत्पाद प्रस्ताव को पहले से सिद्ध ग्रैफ़ीन‑आधारित उत्पादों जैसे हीट कोटिंग और लुब्रिकेंट्स पर केंद्रित करता है, जिससे औद्योगिक उपकरणों की दक्षता बढ़ती है।

स्रोत: GMG

यह GMG को उन निवेशकों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाता है जो ग्रैफ़ीन बाजार में प्रत्यक्ष एक्सपोज़र चाहते हैं और एक ऐसी कंपनी है जो पहले से ही ग्रैफ़ीन का बड़े पैमाने पर उत्पादन और वर्तमान उत्पादन विधि में सुधार कर रही है।

यदि ग्रैफ़ीन को कंप्यूटिंग जैसी अन्य अनुप्रयोगों में बड़े पैमाने पर उपयोग किया जाता है, तो अनुभव और उत्पादन क्षमता वाले मौजूदा ग्रैफ़ीन कंपनियों को इन बाजारों में प्रवेश करने में लाभ मिलेगा।

कुछ अन्य अनुप्रयोग ग्रैफ़ीन अर्धचालकों का निर्माण (देखें “ग्रैफ़ीन अर्धचालक – क्या वे अंततः यहाँ हैं?”), या यहाँ तक कि कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर्स भी हो सकते हैं। ग्रैफ़ीन कोटिंग बैटरियों और हाइड्रोजन प्रेशर वेसल तकनीकों में भी उपयोग हो सकती है।

GMG अपना ग्रैफ़ीन मीथेन + हाइड्रोजन से बनाता है, जो अधिकांश प्रतिस्पर्धियों से अलग है, जो इसे प्राकृतिक ग्रेफाइट जमा से बनाते हैं। इससे उच्च शुद्धता, अधिक स्केलेबिलिटी, और कम लागत वाला उत्पादन संभव होता है।

स्रोत: GMG

कंपनी ने 2023 में ऑस्ट्रेलिया में अपनी पहली उत्पादन सुविधा लॉन्च की, जो प्रति वर्ष अधिकतम 1 मिलियन लीटर हीट एक्सचेंजर कोटिंग उत्पादन कर सकती है। अब यह 10 मिलियन टन प्रति वर्ष उत्पादन के लिए विस्तार कर रही है।

कंपनी का अगला कदम ग्रैफ़ीन एल्यूमीनियम आयन पर आधारित बैटरी तकनीक होगा, जिसमें ग्रैफ़ीन स्लरी लिथियम‑आयन बैटरियों के कैथोड के लिए एक एडिटिव के रूप में उपयोग किया जाता है। दीर्घकाल में यह ग्रेफाइट‑आधारित कैथोड को पूरी तरह से बदल भी सकता है।

कंपनी ऐसे ग्रैफ़ीन एल्यूमीनियम आयन बैटरियों को ग्रैफ़ीन कैथोड का उपयोग करके विकसित कर रही है, जो 290Wh/kg की ऊर्जा घनत्व तक पहुँच सकती हैं। यह खनन दिग्गज रियो टिंटो के साथ साझेदारी में विकसित किया गया है, और प्रारंभ में भारी उद्योगों (जैसे खनन) में उपयोग हो सकता है, न कि इलेक्ट्रिक वाहन बाजारों में।

स्रोत: GMG

बैटरियों के विकास रोडमैप में 2025 में पायलट प्लांट्स का निर्माण, 2026 में वाणिज्यिक‑स्तर की फैक्ट्री में निवेश का निर्णय, और 2027 में ग्राहकों को पहली शिपमेंट की अपेक्षा की गई है।

बैटरी बाजार में यह प्रवेश GMG के लिए एक बड़ा जोखिम हो सकता है, लेकिन यह इसे भविष्य के ग्रैफ़ीन बाजार में एक अनूठा अवसर भी देता है, जिसमें ऊर्जा भंडारण और अन्य पावर‑संबंधित अनुप्रयोग शामिल हैं।

संदर्भित अध्ययन

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}