इलेक्ट्रानिक्स
स्पिनट्रॉनिक्स: ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग का भविष्य
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स्पिनट्रॉनिक्स किस प्रकार कंप्यूटिंग में क्रांति ला सकता है
धीरे-धीरे, हार्डवेयर कंप्यूटिंग की दुनिया सिलिकॉन चिप्स या बाइनरी कंप्यूटिंग के शास्त्रीय रूपों से परे देखने लगी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि हमारे कंप्यूटर और डेटा सेंटर में सामान्य चिप्स और मेमोरी बनाना लगातार मुश्किल होता जा रहा है, क्योंकि नवीनतम पीढ़ी में ट्रांजिस्टर का आकार बमुश्किल कुछ नैनोमीटर होता है।
एक अन्य कारक यह है कि ऊर्जा की खपत एक मुद्दा बनती जा रही है, क्योंकि कंप्यूटिंग शक्ति की मांग, विशेष रूप से एआई प्रणालियों के लिए, लगातार बढ़ रही है।
इसके लिए कई समाधान प्रस्तावित हैं, जिनमें क्वांटम कंप्यूटिंग और फोटोनिक्स सबसे प्रमुख विकल्प हैं, जो या तो कंप्यूटिंग की मांग को कम करेंगे या इसे तीव्र तथा कम ऊर्जा-गहन बनाएंगे।
दूसरा स्पिनट्रॉनिक्स है, जो विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) के स्थान पर इलेक्ट्रॉनों के स्पिन, जो कि एक क्वांटम विशेषता है, का उपयोग करता है।
वैज्ञानिक स्पिनट्रॉनिक्स को इतना कुशल बनाने पर काम कर रहे हैं कि यह हमारी कंप्यूटिंग आवश्यकताओं के एक महत्वपूर्ण हिस्से की जगह ले सके।
कोरिया विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी संस्थान (केआईएसटी), सियोल राष्ट्रीय विश्वविद्यालय, कुनसन राष्ट्रीय विश्वविद्यालय (कोरिया), योनसेई विश्वविद्यालय, तथा जोहान्स गुटेनबर्ग विश्वविद्यालय मेंज (जर्मनी) के शोधकर्ताओं द्वारा हाल ही में प्रकाशित एक वैज्ञानिक पत्र में पाया गया है कि स्पिन हानि को पुनः चुम्बकीकरण में परिवर्तित किया जा सकता है, जिससे स्पिनट्रॉनिक्स इलेक्ट्रॉनिक्स और भी अधिक ऊर्जा कुशल बन जाता है।
उन्होंने अपने परिणाम नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित किए1, हक के तहत "मैग्नोनिक स्पिन अपव्यय द्वारा संचालित चुंबकीयकरण स्विचिंग".
चीनी विज्ञान अकादमी, राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण प्रयोगशाला (चीन), शंघाईटेक विश्वविद्यालय और बेइहांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा हाल ही में की गई एक और खोज यह थी कि स्पिनट्रॉनिक सामग्रियों में खामियों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनिक्स को अधिक तेज, स्मार्ट और अधिक कुशल कैसे बनाया जाए।
उन्होंने अपने परिणाम नेचर मैटेरियल्स में प्रकाशित किए2, हक के तहत "कक्षीय हॉल प्रभाव का अपरंपरागत स्केलिंग".
स्पिनट्रॉनिक्स के लाभ और संभावित अनुप्रयोग
ट्रांजिस्टर जैसे इलेक्ट्रॉनिक घटक पारंपरिक रूप से सिलिकॉन से बने होते हैं और अर्धचालकों पर निर्भर करते हैं। बाइनरी में 0 और 1 सिग्नल विद्युत धारा के प्रवाहित होने या अवरुद्ध होने का संकेत देते हैं।
गणना करने का एक वैकल्पिक तरीका स्पिनट्रॉनिक्स उपकरणों के माध्यम से है, जो विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) के बजाय इलेक्ट्रॉनों के स्पिन (एक मौलिक क्वांटम विशेषता) पर चलते हैं।
स्रोत: इनसाइट आईएएस
डेटा को स्पिन कोणीय गति, जिसे इलेक्ट्रॉन के अंतर्निहित “ऊपर” या “नीचे” अभिविन्यास के रूप में कल्पना की जा सकती है, और कक्षीय कोणीय गति, जो वर्णन करती है कि इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के चारों ओर कैसे घूमते हैं, दोनों में एनकोड किया जा सकता है।
क्योंकि इसमें 0 और 1 से अधिक जानकारी होती है, इसलिए स्पिन में प्रति परमाणु पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में अधिक डेटा हो सकता है।
स्पिनट्रॉनिक्स के पास कुछ अन्य शास्त्रीय इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों पर लाभ, विशेष रूप से:
- तेज़ डेटा, क्योंकि स्पिन को बहुत तेज़ी से बदला जा सकता है।
- कम ऊर्जा खपत, क्योंकि विद्युत धारा उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को बनाए रखने में लगने वाली ऊर्जा की तुलना में स्पिन को कम शक्ति से बदला जा सकता है।
- जटिल अर्धचालक पदार्थों के स्थान पर सरल धातुओं का उपयोग किया जा सकता है।
- स्पिन अर्धचालक स्थिति की तुलना में कम अस्थिर है, जिससे डेटा भंडारण अधिक स्थिर हो जाता है।
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| Feature | पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स | spintronics |
|---|---|---|
| सूचना वाहक | विद्युत धारा (0 या 1) | इलेक्ट्रॉन स्पिन (ऊपर/नीचे) |
| ऊर्जा दक्षता | उच्च बिजली की मांग | कम बिजली का उपयोग |
| गति | वर्तमान प्रवाह द्वारा सीमित | तेज़ स्पिन स्विचिंग |
| सामग्री | जटिल अर्धचालक | सरल धातुएँ/ऑक्साइड |
| डेटा स्थिरता | अस्थिर भंडारण | स्थिर, गैर-अस्थिर |
स्पिनट्रॉनिक्स का उपयोग पहले से ही हार्ड ड्राइव के लिए किया जा रहा है और इसने पिछले दशक में डेटा भंडारण क्षमता को बढ़ाने में मदद की है।
"स्पिन इलेक्ट्रॉनों का एक क्वांटम यांत्रिक गुण है, जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा ढोए जाने वाले एक छोटे चुंबक की तरह होता है, जो ऊपर या नीचे की ओर इंगित करता है।
हम तथाकथित स्पिनट्रॉनिक्स उपकरणों में सूचना के स्थानांतरण और प्रसंस्करण के लिए इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का लाभ उठा सकते हैं।”
तलीह घियासी - डेल्फ़्ट प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता
स्पिनट्रॉनिक्स में भौतिक चुनौतियों पर काबू पाना
इन फायदों के बावजूद, स्पिनट्रॉनिक्स को अभी तक व्यावसायिक गति नहीं मिल पाई है। यह आंशिक रूप से सामग्री में दोषों की भूमिका के कारण है। किसी सामग्री में खामियाँ डालने से कभी-कभी आवश्यक धारा को कम करके मेमोरी बिट्स में डेटा "लिखना" आसान हो जाता है।
हालांकि, ये दोष विद्युत प्रतिरोध को भी बढ़ाते हैं और स्पिन हॉल चालकता को कम करते हैं, जिससे डेटा को एनकोड करने के लिए स्पिन का उपयोग काफी चुनौतीपूर्ण हो जाता है।
इसका एक समाधान स्ट्रोंटियम रूथेनेट (SrRuO3) का उपयोग हो सकता है, जो एक संक्रमण धातु ऑक्साइड है, जिसके गुणों को सूक्ष्मता से समायोजित किया जा सकता है।
कस्टम-डिज़ाइन किए गए उपकरणों और सटीक माप तकनीकों का उपयोग करके सामग्री में दोषों की सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग, स्पिन की प्रतिक्रिया को बदल देती है।
"प्रकीर्णन प्रक्रियाएं जो आमतौर पर प्रदर्शन को ख़राब करती हैं, वास्तव में कक्षीय कोणीय गति के जीवनकाल को बढ़ाती हैं, जिससे कक्षीय धारा में वृद्धि होती है।"
यह पारंपरिक स्पिन-आधारित प्रणालियों से बिल्कुल अलग है। इन प्रयोगों में, अनुकूलित चालकता मॉडुलन से स्विचिंग ऊर्जा दक्षता में 3 गुना सुधार हुआ।
"यह कार्य इन उपकरणों को डिज़ाइन करने के नियमों को अनिवार्य रूप से नए सिरे से लिखता है। भौतिक खामियों से लड़ने के बजाय, अब हम उनका दोहन कर सकते हैं।"
स्पिनट्रॉनिक्स के साथ ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग
चुंबकत्व और स्पिन
चूंकि स्पिन इलेक्ट्रॉन कणों की एक विशेषता है, इसलिए यह शायद आश्चर्य की बात नहीं है कि शोधकर्ता स्पिन और इलेक्ट्रॉनिक पदार्थों के चुंबकत्व के बीच नए संबंध खोज रहे हैं।
कोरियाई शोधकर्ता इसी संबंध का अध्ययन कर रहे थे। परंपरागत रूप से, किसी इलेक्ट्रॉनिक घटक के चुंबकत्व को 1 और 0 के बीच बदलने के लिए चुंबकत्व की दिशा उलटने हेतु उच्च धाराओं की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप स्पिन हानि होती है, जिसे ऊर्जा की बर्बादी और खराब दक्षता का एक प्रमुख स्रोत माना जाता है।
इस हानि को कम करने तथा स्पिन अपव्यय को कम करने के बजाय, वे एक एकल फेरोमैग्नेटिक धातु को एक एंटीफेरोमैग्नेटिक इन्सुलेटर के साथ संयोजित करके इसका उपयोग करने का प्रयास करते हैं।
स्रोत: प्रकृति सामग्री
स्रोत: प्रकृति सामग्री
स्पिन धाराएँ
शोधकर्ताओं ने स्पिन धाराओं पर ध्यान केंद्रित किया, जिन्हें स्पिन धाराएं भी कहा जाता है। मैग्नोन्स.
स्रोत: हबपेज
उन्होंने पाया कि स्पिन-से-मैग्नॉन रूपांतरण दक्षता सबसे अधिक थी जब मैग्नेटो-क्रिस्टलीय आसान अक्ष (n) स्पिन ध्रुवीकरण (μ) के सबसे करीब था।
व्यवहार में, इसका अर्थ यह है कि स्पिन की हानि का उपयोग पदार्थ की चुंबकीय स्थिति में परिवर्तन लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने के लिए किया गया था।
स्रोत: प्रकृति सामग्री
वर्तमान तकनीकों का उपयोग करके स्केलेबल
यह विधि एक सरल उपकरण संरचना को अपनाती है जो मौजूदा अर्धचालक विनिर्माण प्रक्रियाओं के अनुकूल है।
"अब तक, स्पिनट्रॉनिक्स का क्षेत्र केवल स्पिन हानि को कम करने पर केंद्रित रहा है, लेकिन हमने चुंबकीय स्विचिंग को प्रेरित करने के लिए हानि को ऊर्जा के रूप में उपयोग करके एक नई दिशा प्रस्तुत की है।"
यह इसे बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अत्यधिक व्यवहार्य बनाता है, और यह लघुकरण और उच्च एकीकरण के लिए भी लाभदायक है, जो कि इलेक्ट्रॉनिक्स में अधिक क्रांतिकारी नए डिजाइनों को अपनाने की गति को काफी धीमा कर सकता है।
इसलिए, इस खोज का एआई सेमीकंडक्टर, अल्ट्रा-लो पावर मेमोरी, न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग और संभाव्यता-आधारित कंप्यूटिंग उपकरणों की मेमोरी और कंप्यूटिंग में त्वरित अनुप्रयोग देखा जा सकता है।
चूंकि ये क्षेत्र पहले से ही तेजी से आगे बढ़ रहे हैं, इसलिए यह प्रौद्योगिकी को अवसरों की एक बड़ी खिड़की प्रदान कर सकती है।
"हम अल्ट्रा-छोटे और कम-शक्ति वाले एआई सेमीकंडक्टर उपकरणों को सक्रिय रूप से विकसित करने की योजना बना रहे हैं, क्योंकि वे अल्ट्रा-लो-पावर कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों के आधार के रूप में काम कर सकते हैं जो एआई युग में आवश्यक हैं।"
निष्कर्ष
स्पिनट्रॉनिक्स अब तक हार्ड ड्राइव प्रौद्योगिकी तक ही सीमित था, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के स्पिनों में हेरफेर करने और उनका उपयोग करने की बेहतर समझ के कारण यह तेजी से बदल रहा है।
इससे एक नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण होगा, जो अधिक शक्तिशाली तो नहीं होगा, जैसा कि नए और छोटे चिप्स के साथ होता है, लेकिन अधिक ऊर्जा कुशल होगा और निर्माण में भी आसान होगा, ये दोनों ही महत्वपूर्ण बिंदु हैं, क्योंकि एआई डेटासेंटर और एज कंप्यूटिंग (जैसे कि स्वचालित कारों या रोबोटिक्स के लिए) की तैनाती में ऊर्जा की खपत तेजी से एक रुकावट बनती जा रही है।
स्पिनट्रॉनिक्स कंपनियाँ
1. एवरस्पिन टेक्नोलॉजीज
(MRAM )
एवरस्पिन, फ्रीस्केल (जिसे अब एनएक्सपी, स्टॉक टिकर एनएक्सपीआई के नाम से जाना जाता है) की एक शाखा है जो एमआरएएम मेमोरी सिस्टम विकसित करने के लिए समर्पित है। 2016 में इसका आईपीओ जारी किया गया।
एवरस्पिन को एमआरएएम प्रौद्योगिकी (मैग्नेटोरेसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी) का अग्रणी माना जाता है, जो फ्रीस्केल के अनुभव को विरासत में मिला है। 2006 में MRAM चिप का व्यवसायीकरण करने वाली पहली कंपनी.
क्योंकि MRAM एक ऐसी मेमोरी है जो विद्युत धारा की अनुपस्थिति में भी बनी रहती है, इसलिए इसका उपयोग संवेदनशील मामलों में तेजी से किया जा रहा है, जहां महत्वपूर्ण डेटा इतना महत्वपूर्ण होता है कि उसे खोने का जोखिम नहीं उठाया जा सकता।
डेटा एनालिटिक्स, क्लाउड कंप्यूटिंग, स्थलीय और बाह्य दोनों, कृत्रिम बुद्धिमत्ता (एआई), और औद्योगिक IoT सहित एज एआई जैसे व्यापक अनुप्रयोगों द्वारा संचालित, स्थायी मेमोरी का बाजार 27.5 और 2020 के बीच 2030% की सीएजीआर से बढ़ने का अनुमान है।
स्रोत: एवरस्पिन
कंपनी का अनुमान है कि 7.4 तक बाजार 2027 बिलियन डॉलर के आकार तक पहुंच जाएगा। कंपनी पर 2021 से कोई ऋण नहीं है और मुक्त नकदी प्रवाह सकारात्मक है।
एवरस्पिन एमआरएएम उत्पाद वर्तमान में एक छोटे लेकिन बढ़ते हुए स्थान पर कब्जा कर रहे हैं, और ऐसे बाजारों में सेवा दे रहे हैं जहां विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है, जैसे एयरोस्पेस, उपग्रह, डेटा रिकॉर्डर, रोगी निगरानी उपकरण, आदि।
स्रोत: एवरस्पिन
चिपसेट, एआई और सिनैप्टिक प्रणालियों का विकास भी कंपनी के लिए दीर्घकालिक बढ़ावा हो सकता है।
2. एनवीई निगम
(NVEC )
स्पिनट्रॉनिक्स के एक अन्य नेता, एनवीई 1995 में एमआरएएम प्रौद्योगिकी में अपने पहले पेटेंट के बाद से इस प्रौद्योगिकी पर काम कर रहा है. यह स्पिनट्रॉनिक का उत्पादन करता है सेंसर और आइसोलेटरों, ज्यादातर कारों, गियर, चिकित्सा उपकरणों, बिजली की आपूर्ति और अन्य औद्योगिक उपकरणों के लिए माप और सेंसर प्रणालियों में उपयोग किया जाता है।
स्रोत: एनवीई
यह NVE को एवरस्पिन की तुलना में कुछ अलग श्रेणी में रखता है, NVE एक औद्योगिक कंपनी है जिसकी एक विशिष्ट बाजार (स्पिनट्रोनिक्स का उपयोग करने वाला मैग्नेटोमीटर) में मजबूत स्थिति है, जबकि एवरस्पिन एक मेमोरी/कंप्यूटिंग कंपनी है जो इंटेल, क्वालकॉम, तोशिबा और सैमसंग जैसी कंपनियों के साथ काम कर रही है और उनके साथ प्रतिस्पर्धा कर रही है, जो अपने स्वयं के MRAM उत्पाद भी विकसित कर रही हैं।
यह निवेशकों के प्रोफाइल के आधार पर स्टॉक को अधिक (या कम) आकर्षक बना सकता है, एनवीई का स्टॉक लाभांश उपज और सुरक्षा की तलाश करने वाले अधिक रूढ़िवादी निवेशकों को आकर्षित करने की अधिक संभावना है।
संदर्भित अध्ययन
1. पेंग, एस., झेंग, एक्स., ली, एस. एट अल. कक्षीय हॉल प्रभाव का अपरंपरागत स्केलिंग. नेटUre मेटरials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. चोई, डब्ल्यूवाई., हा, जेएच., जंग, एम.एस. एट अल. मैग्नोनिक स्पिन अपव्यय द्वारा संचालित चुंबकीयकरण स्विचिंग. नेटUre सामान्यआइकनों 16, 5859 (2025)। https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
