कैसे चिरल स्पिनट्रॉनिक्स कंप्यूटिंग को बदल सकता है

स्पिनट्रॉनिक्स कैसे कंप्यूटिंग में क्रांति ला सकता है

क्रमशः, हार्डवेयर कंप्यूटिंग की दुनिया सिलिकॉन चिप्स से परे, या यहाँ तक कि पारंपरिक द्विआधारी कंप्यूटिंग के रूपों से भी आगे देखना शुरू कर रही है।

यह इसलिए है क्योंकि हमारे कंप्यूटरों और डेटा सेंटरों में सामान्य चिप्स और मेमोरी बनाना अधिक कठिन होता जा रहा है, जहाँ नवीनतम पीढ़ी के ट्रांजिस्टर कुछ ही नैनोमीटर आकार के होते हैं।

एक और कारण 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 हैं, जिनमें क्वांटम कंप्यूटिंग और फोटोनिक्स सबसे प्रमुख विकल्प हैं, जो या तो कंप्यूटिंग की मांग को कम कर सकते हैं या इसे तेज़ और कम ऊर्जा‑गहन बना सकते हैं।

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

स्पिनट्रॉनिक्स के लाभ और संभावित अनुप्रयोग

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

गणना करने का एक वैकल्पिक तरीका स्पिनट्रॉनिक उपकरणों के माध्यम से है, जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन (एक मूलभूत क्वांटम विशेषता) पर कार्य करते हैं, न कि विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) पर।

स्रोत: Insight IAS

डेटा को स्पिन कोणीय संवेग (जिसे इलेक्ट्रॉन की अंतर्निहित “ऊपर” या “नीचे” अभिविन्यास के रूप में कल्पना किया जा सकता है) और कक्षीय कोणीय संवेग (जो दर्शाता है कि इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के चारों ओर कैसे गति करते हैं) दोनों में एन्कोड किया जा सकता है।

क्योंकि यह केवल 0 और 1 से अधिक जानकारी रखता है, स्पिन पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में प्रति परमाणु अधिक डेटा रख सकता है।

स्पिनट्रॉनिक्स के क्लासिक इलेक्ट्रॉनिक सिस्टमों पर कुछ अन्य लाभ हैं, notably:

• तेज़ डेटा, क्योंकि स्पिन को बहुत अधिक जल्दी बदला जा सकता है।
• कम ऊर्जा खपत, क्योंकि स्पिन को बदलने के लिए कम शक्ति की आवश्यकता होती है, जबकि धारा बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को बनाए रखने में अधिक शक्ति लगती है।
• जटिल अर्धचालक सामग्री के बजाय सरल धातुओं का उपयोग किया जा सकता है।
• स्पिन अर्धचालक स्थिति की तुलना में कम अस्थिर है, जिससे डेटा संग्रहण अधिक स्थिर बनता है।

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स्पिनट्रॉनिक्स को 1990 के दशक से हार्ड ड्राइव रीड हेड्स में व्यावसायिक रूप से उपयोग किया जा रहा है, जिससे पिछले दशकों में संग्रहण घनत्व में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है।

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

हम इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करके जानकारी को स्थानांतरित और प्रक्रिया कर सकते हैं, जिसे तथाकथित स्पिनट्रॉनिक उपकरण कहा जाता है।

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

स्पिनट्रॉनिक्स में हाल ही में बहुत प्रगति हुई है, उदाहरण के लिए, कि स्पिन लॉस को फिर से चुंबकत्व में बदला जा सकता है, जिससे स्पिनट्रॉनिक इलेक्ट्रॉनिक्स और अधिक ऊर्जा‑कुशल बनते हैं, या कि स्पिनट्रॉनिक्स और ग्रैफ़ीन … अगली पीढ़ी के क्वांटम सर्किटों को शक्ति प्रदान कर सकते हैं.

और वैज्ञानिक अभी भी स्पिनट्रॉनिक उपकरणों को सुधारने के नए तरीकों की खोज कर रहे हैं, जैसे सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी (दक्षिण कोरिया) के शोधकर्ता। कोरिया यूनिवर्सिटी, कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी, और फीनबर्ग स्कूल ऑफ मेडिसिन (USA) भी। उन्होंने चुंबकीय नैनोहेलिक्स बनाए जो इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे तथाकथित “चिरल स्पिनट्रॉनिक्स” उपकरणों का एक नया क्षेत्र बन सकता है।

उन्होंने अपने परिणाम प्रतिष्ठित वैज्ञानिक पत्रिका Science¹ में प्रकाशित किए, शीर्षक “चिरल फेरोमैग्नेटिक नैनोहेलिक्स के माध्यम से स्पिन‑सेलेक्टिव ट्रांसपोर्ट” के तहत।

चिरल स्पिनट्रॉनिक्स

स्पिनट्रॉनिक्स में चिरैलिटी क्या है?

प्रकृति में, समरूपता कई चीज़ों की मूलभूत विशेषता है, जिसमें डीएनए के घटक और स्वयं प्रकाश शामिल हैं। संभव है कि दो अणु जो लगभग समान हों, वे अपनी संरचना या आकार में नहीं, बल्कि अपनी अभिविन्यास में भिन्न हों, जिसे “चिरैलिटी” कहा जाता है।

चिरैलिटी को सबसे सरल रूप में इस तरह समझाया जा सकता है कि हमारा बायाँ हाथ दाएँ हाथ से कैसे अलग है, जबकि दोनों हाथ आकार, संरचना और कार्य में समान होते हैं।

चिरैलिटी जीव विज्ञान में मूलभूत भूमिका निभाती है, जहाँ प्राकृतिक चयन ने केवल “दाएँ‑हाथ” डीएनए अणु, शर्करा और अमीनो एसिड (प्रोटीन का मूल घटक) को चुना है।

हालाँकि, यह अकार्बनिक पदार्थों में दुर्लभ है, जो या तो अव्यवस्थित होते हैं या ऐसे क्रिस्टल होते हैं जिनमें चिरैलिटी नहीं होती।

स्पिनट्रॉनिक्स के लिए धातुओं में चिरैलिटी कैसे प्राप्त होती है

वैज्ञानिकों ने धातु क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया को इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से नियंत्रित करके बाएँ और दाएँ‑हाथ चिरल मैग्नेटिक नैनोहेलिक्स बनाए। कोबाल्ट-आयरन का मिश्रधातु इसके फेरोमैग्नेटिक गुणों के कारण चुना गया।

इस प्रक्रिया में एक प्रमुख नवाचार चिरल कार्बनिक अणुओं, जैसे सिनकोनिन या सिनकोनिडिन, की थोड़ी मात्रा का उपयोग है, जो हेलिक्स के निर्माण को मार्गदर्शित करते हैं।

धातुओं और अकार्बनिक पदार्थों में संश्लेषण के दौरान चिरैलिटी को नियंत्रित करना अत्यंत कठिन है, विशेषकर नैनोस्तर पर।

यह तथ्य कि हम केवल चिरल अणुओं को जोड़कर अकार्बनिक हेलिक्स की दिशा को प्रोग्राम कर सकते थे, सामग्री रसायन विज्ञान में एक बड़ी उपलब्धि है।

प्रो. Ki Tae Nam – Seoul National University में प्रोफेसर

इन नैनोहेलिक्स की चिरैलिटी प्रदर्शित करने के लिए, उन्होंने घूर्णनशील चुंबकीय क्षेत्रों के तहत हेलिक्स द्वारा उत्पन्न विद्युतचुंबकीय क्षेत्रों (EMF) को मापा।

यह सामग्री के सही उत्पादन की जाँच का एक आसान तरीका बनाता है, क्योंकि बाएँ और दाएँ‑हाथ हेलिक्स विपरीत EMF संकेत उत्पन्न करते हैं, जिससे चिरैलिटी की मात्रात्मक पुष्टि संभव होती है, बिना चुंबकीय सामग्री को प्रकाश के साथ मजबूत रूप से इंटरैक्ट करने की आवश्यकता के, जो सामान्यतः चिरैलिटी जांचने का तरीका है।

और अधिक महत्वपूर्ण यह है कि उन्होंने पाया कि ये चिरल मैग्नेटिक धातुएँ स्पिन को उसी अनुसार मार्गदर्शन कर सकती हैं: वे एक दिशा के स्पिन को प्राथमिकता से गुजरने देती हैं, जबकि विपरीत स्पिन नहीं गुजर पाता।

चिरैलिटी कार्बनिक अणुओं में अच्छी तरह समझी जाती है, जहाँ संरचना की हाथीयता अक्सर उसके जैविक या रासायनिक कार्य को निर्धारित करती है।

चिरल स्पिनट्रॉनिक्स के संभावित अनुप्रयोग

सामग्री की अंतर्निहित चुंबकत्व (स्पिन संरेखण) के माध्यम से, कमरे के तापमान पर लंबी दूरी तक स्पिन ट्रांसपोर्ट संभव हो गया।

यह प्रभाव स्थिर साबित हुआ, चाहे चिरल अक्ष और स्पिन इंजेक्शन दिशा के बीच कोण कुछ भी हो। क्योंकि यह समान स्केल के गैर‑मैग्नेटिक नैनोहेलिक्स में नहीं देखा गया, यह सीधे चिरल मैग्नेटिक हेलिक्स से जुड़ा प्रतीत होता है।

यह तुलनात्मक रूप से मैक्रो‑स्केल सामग्री में पहली बार खोजी गई असममित स्पिन ट्रांसपोर्ट को संभव बनाता है।

टीम ने एक ठोस‑स्थिति उपकरण भी प्रदर्शित किया जिसने चिरैलिटी‑निर्भर कंडक्शन संकेत दिखाए, जिससे व्यावहारिक स्पिनट्रॉनिक अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त हुआ।

इन नैनोहेलिक्स ने लगभग 80% से अधिक स्पिन ध्रुवीकरण प्राप्त किया — केवल उनकी ज्यामिति और चुंबकत्व के कारण,

यह संरचनात्मक चिरैलिटी और अंतर्निहित फेरोमैग्नेटिज़्म का एक दुर्लभ संयोजन है, जो जटिल मैग्नेटिक सर्किट्री या क्रायोजेनिक्स के बिना कमरे के तापमान पर स्पिन फ़िल्टरिंग सक्षम करता है, और संरचनात्मक डिजाइन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन व्यवहार को इंजीनियर करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।

प्रो. Young Keun Kim – Korea University में प्रोफेसर

इस नई तकनीक का एक और लाभ यह है कि निर्माण प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल और सस्ती है, जिसमें कोई दुर्लभ सामग्री या जटिल तकनीकें उपयोग नहीं की जातीं।

हम मानते हैं कि यह प्रणाली चिरल स्पिनट्रॉनिक्स और चिरल मैग्नेटिक नैनोस्ट्रक्चर की वास्तुकला के लिए एक प्लेटफ़ॉर्म बन सकती है।

यह कार्य ज्यामिति, चुंबकत्व और स्पिन ट्रांसपोर्ट के शक्तिशाली संगम को दर्शाता है, जो स्केलेबल, अकार्बनिक सामग्री से निर्मित है।

प्रो. Young Keun Kim – Korea University में प्रोफेसर

इस नई विचार और सामग्री की संभावनाओं का पूरी तरह से अन्वेषण करने के लिए अभी भी बहुत अधिक कार्य करना बाकी है। उदाहरण के लिए, स्ट्रैंड्स (डबल, मल्टीपल हेलिक्स) की संख्या को इच्छानुसार बदला जा सकता है, और इससे अभी तक खोजे न गए विभिन्न विशेषताएँ प्राप्त हो सकती हैं।

इस बहुमुखी इलेक्ट्रोकेमिकल विधि का उपयोग करके हाथीयता (बायाँ/दायाँ) और यहाँ तक कि स्ट्रैंड्स की संख्या (डबल, मल्टीपल हेलिक्स) को नियंत्रित करने की क्षमता नई अनुप्रयोग क्षेत्रों में महत्वपूर्ण योगदान देने की उम्मीद है।

उत्पादन की सरलता और लंबी दूरी तक स्पिन ट्रांसफर की संभावना के बीच, यह पूरी तरह से स्पिन‑आधारित कंप्यूटर और नेटवर्क के उत्पादन के लिए बहुत उपयोगी हो सकता है, जिसमें कम ऊर्जा खपत और स्थिर डेटा संग्रहण से आर्थिक लाभ मिलते हैं।

स्पिनट्रॉनिक नवप्रवर्तकों में निवेश

1. Everspin Technologies

Everspin Freescale (अब NXP के नाम से जाना जाता है, स्टॉक टिकर NXPI) की एक शाखा है, जो MRAM मेमोरी सिस्टम विकसित करने के लिए समर्पित है, जो आज व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सबसे सामान्य स्पिनट्रॉनिक रूप है। इसे 2016 में अलग कंपनी के रूप में स्थापित किया गया और सार्वजनिक किया गया।

Everspin को MRAM तकनीक (मैग्नेटोरेज़िस्टिव रैंडम‑एक्सेस मेमोरी) का नेता माना जाता है, जो Freescale के 2006 में MRAM चिप को व्यावसायिक रूप से लॉन्च करने के अनुभव को विरासत में प्राप्त करता है।

क्योंकि MRAM एक ऐसी मेमोरी है जो धारा के अभाव में भी बनी रहती है, इसे संवेदनशील उपयोग मामलों में बढ़ती हुई उपयोग किया जा रहा है जहाँ महत्वपूर्ण डेटा का नुकसान जोखिमपूर्ण होता है।

डेटा एनालिटिक्स, क्लाउड कंप्यूटिंग, दोनों स्थलीय और अंतरिक्षीय, कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI), और एज AI सहित औद्योगिक IoT जैसी व्यापक अनुप्रयोगों द्वारा प्रेरित, स्थायी मेमोरी का बाजार 2020 से 2030 के बीच 27.5% की CAGR से बढ़ने की संभावना है।
Everspin

स्रोत: Everspin

कंपनी का अनुमान है कि बाजार 2027 तक $7.4 बिलियन का आकार प्राप्त करेगा। कंपनी ने 2021 से कोई ऋण नहीं लिया है और सकारात्मक मुक्त नकदी प्रवाह रखती है।

Everspin MRAM उत्पाद वर्तमान में एक छोटा लेकिन बढ़ता हुआ निचे में हैं, जो उन बाजारों को सेवा देते हैं जहाँ विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है, जैसे एयरोस्पेस, उपग्रह, डेटा रिकॉर्डर, रोगी मॉनिटरिंग डिवाइस आदि।

स्रोत: Everspin

चिपसेट, एआई, और सिनैप्टिक सिस्टमों की वृद्धि भी कंपनी के लिए दीर्घकालिक प्रोत्साहन हो सकती है।

2. NVE Corporation

स्पिनट्रॉनिक्स का एक और नेता, NVE ने 1995 में MRAM तकनीक में अपने पहले पेटेंट से इस तकनीक पर काम करना शुरू किया है. यह स्पिनट्रॉनिक सेंसर और आइसोलेटर बनाता है, जो मुख्यतः कारों, गियर्स, चिकित्सा उपकरणों, पावर सप्लाई और अन्य औद्योगिक उपकरणों के मापन और सेंसर सिस्टम में उपयोग होते हैं।

स्रोत: NVE

यह NVE को Everspin से कुछ अलग श्रेणी में रखता है, जहाँ NVE अधिकतर एक औद्योगिक कंपनी है जिसका निचे बाजार (स्पिनट्रॉनिक मैग्नेटोमीटर) में मजबूत स्थिति है, जबकि Everspin अधिक मेमोरी/कंप्यूटिंग कंपनी है जो Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, और Samsung जैसे प्रतिस्पर्धियों के साथ प्रतिस्पर्धा करती है, जो अपने स्वयं के MRAM उत्पाद विकसित कर रहे हैं।

यह स्टॉक को निवेशकों की प्रोफ़ाइल के आधार पर अधिक (या कम) आकर्षक बना सकता है, जहाँ NVE का स्टॉक अधिक रूढ़िवादी निवेशकों को आकर्षित करने की संभावना रखता है जो डिविडेंड यील्ड और सुरक्षा चाहते हैं।

संदर्भित अध्ययन

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. चिरल फेरोमैग्नेटिक नैनोहेलिक्स के माध्यम से स्पिन‑सेलेक्टिव ट्रांसपोर्ट. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}