Bagaimana Spintronik & Graphena Memberi Daya pada Sirkuit Kuantum Generasi Berikutnya

Bagaimana Spintronik Dapat Merevolusi Komputasi

Secara bertahap, dunia komputasi perangkat keras mulai melihat lebih jauh dari sekadar chip silikon, atau bahkan bentuk klasik komputasi biner secara keseluruhan. Hal ini karena chip dan memori yang biasa digunakan di komputer dan pusat data kita semakin sulit dibuat, dengan generasi terbaru yang memiliki transistor berukuran hanya beberapa nanometer.

Faktor lainnya adalah bahwa konsumsi energi menjadi masalah karena permintaan daya komputasi, khususnya untuk sistem AI, terus meningkat.

Ada banyak solusi yang diusulkan, dengan komputasi kuantum dan fotonik sebagai opsi paling utama untuk mengurangi permintaan komputasi atau membuatnya lebih cepat dan lebih hemat energi.

Yang lainnya adalah spintronik, yang memanfaatkan spin elektron, bukan arus listrik (aliran elektron).

Para peneliti di Universitas Teknologi Delft (Belanda), Institut Nasional Tsukuba untuk Ilmu Material (Jepang), Universitas Valencia (Spanyol), Universitas Regensburg (Jerman), dan Universitas Harvard (AS) telah menciptakan perangkat grafen spintronik baru.

Berbeda dengan versi sebelumnya dari teknologi ini, teknologi ini tidak memerlukan magnet yang kuat, sehingga lebih kompatibel dengan komponen elektronik lainnya. Mereka menerbitkan hasil penelitian mereka di Nature Communications¹, dengan judul “Efek Hall spin kuantum dalam grafen magnetik".

Potensi Spintronics

Komponen elektronik seperti transistor secara tradisional dibuat dari silikon dan mengandalkan semikonduktor. Sinyal 0 dan 1 dalam biner menunjukkan aliran atau pemblokiran arus listrik.

Cara alternatif untuk melakukan komputasi adalah perangkat spintronik yang beroperasi pada spin elektron (karakteristik kuantum fundamental) daripada arus listrik (aliran elektron).

Sumber: Wawasan IAS

Spintronics memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sistem elektronik klasik, terutama:

• Data lebih cepat, karena putaran dapat diubah lebih cepat.
• Konsumsi energi yang lebih sedikit, karena putaran dapat diubah dengan daya yang lebih kecil dari yang diperlukan untuk mempertahankan fluks elektron untuk menghasilkan arus.
• Logam sederhana dapat digunakan sebagai pengganti bahan semikonduktor kompleks.

Spintronik telah digunakan untuk hard drive dan telah memungkinkan peningkatan kapasitas penyimpanan selama dekade terakhir.

“Spin adalah sifat mekanika kuantum elektron, yang seperti magnet kecil yang dibawa oleh elektron, menunjuk ke atas atau ke bawah.

Kita dapat memanfaatkan putaran elektron untuk mentransfer dan memproses informasi dalam apa yang disebut perangkat spintronik.”

Talieh Ghiasi - Penelitian Postdocr di Delft University of Technology

Spintronik untuk Komputasi Kuantum

Manfaat Utama Spintronik untuk Sirkuit Kuantum

Spin bukanlah arus listrik, tetapi karakteristik kuantum fundamental elektron, di mana informasi kuantum disimpan dalam orientasi spin.

Keunggulan utama spintronik adalah ia menangani perpindahan momen magnetik, alih-alih transfer elektron. Jadi, materi tidak perlu bergerak untuk mentransfer informasi.

Dan karena ini pada awalnya merupakan elemen kuantum, ide untuk menciptakan spin qubit merupakan ide yang menarik. Masalahnya, seperti yang sering terjadi pada sistem komputasi kuantum, adalah untuk menyimpan informasi ini untuk jangka waktu dan jarak yang cukup lama.

Dan ini mungkin adalah sesuatu yang para peneliti dalam studi ini temukan cara penyelesaiannya, dengan menggunakan grafena.

Grafena untuk Spintronik

Graphena adalah bentuk “material ajaib” dari Lapisan karbon 2DIni memiliki potensi tidak hanya dalam komputasi, tetapi juga dalam superkonduktivitas, telekomunikasi, ilmu material, dan katalisis.

Sejauh ini belum benar-benar digunakan untuk spintronik, meskipun memiliki sifat listrik yang luar biasa. Alasannya adalah bahwa pendeteksian arus spin kuantum dalam graphene selalu membutuhkan medan magnet besar yang secara praktis tidak mungkin diintegrasikan pada chip.

Para peneliti mampu menghindari kebutuhan medan magnet eksternal dengan melapisi grafen di atas CrPS₄ (kromium tiofosfat), semikonduktor antiferomagnetik dua dimensi.

Lapisan magnetik ini mengubah sifat elektronik grafen secara signifikan, sehingga menimbulkan efek spin Hall kuantum (QSH) dalam grafen.

“Kami mengamati bahwa transpor spin pada graphene dimodifikasi oleh CrPS4 di dekatnya sehingga aliran elektron pada graphene menjadi bergantung pada arah spin elektron.”

Talieh Ghiasi - Penelitian Postdocr di Delft University of Technology

Efek QSH memungkinkan elektron bergerak dengan mudah di sepanjang tepi grafen tanpa gangguan, dengan semua putarannya selaras dalam arah yang sama.

“Fakta bahwa kita sekarang mencapai arus spin kuantum tanpa memerlukan medan magnet eksternal membuka jalan bagi aplikasi masa depan perangkat spintronik kuantum ini.”

Talieh Ghiasi - Penelitian Postdocr di Delft University of Technology

Prospek Masa Depan Spintronik Berbasis Graphene

Karena arus spin kuantum “dilindungi secara topologi”, arus tersebut dapat menempuh jarak puluhan mikrometer tanpa kehilangan informasi spin di sirkuit.

"Arus spin yang dilindungi secara topologi ini kuat terhadap gangguan dan cacat, sehingga dapat diandalkan bahkan dalam kondisi yang tidak sempurna. Mempertahankan sinyal spin tanpa kehilangan informasi sangat penting untuk membangun sirkuit spintronik."

Talieh Ghiasi - Penelitian Postdocr di Delft University of Technology

Penemuan ini membuka jalan menuju sirkuit spintronik berbasis graphene yang sangat tipis. Arus spin dalam graphene dapat menciptakan transfer informasi kuantum yang efisien dan koheren, sampai sekarang terbatas pada penggunaan cahaya untuk menghubungkan komponen komputasi kuantum.

Jadi meskipun masih dalam tahap pengembangan, penemuan ini memperjelas bahwa desain akhir komputer kuantum dan jaringan kuantum belum diputuskan, dengan bahan seperti graphene kemungkinan akan memainkan peran dalam jangka panjang (sebagai bagian yang lebih besar dari semikonduktor graphene sebagai kategori material), serta spintronik secara umum.

Berinvestasi di Perusahaan Graphena

Grup Manufaktur Graphene (gmg)

GMG adalah produsen grafena yang memfokuskan penawaran produknya pada produk berbasis grafena yang telah terbukti seperti pelapis panas dan pelumas, sehingga meningkatkan efisiensi peralatan industri.

Sumber: gmg

Hal ini menjadikan GMG pilihan yang baik bagi investor yang mencari paparan langsung ke pasar graphene dan perusahaan yang sudah aktif memproduksi graphene secara massal dan meningkatkan metode produksi saat ini.

Jika grafena mulai digunakan dalam skala besar untuk aplikasi lain seperti komputasi, pengalaman dan kapasitas manufaktur perusahaan grafena yang ada akan menjadi keuntungan untuk memasuki pasar ini.

Beberapa aplikasi lain bisa berupa pembuatan semikonduktor graphene (lihat “Semikonduktor Graphene – Apakah Akhirnya Ada?"), atau bahkan superkonduktor suhu kamar. Lapisan graphene juga dapat digunakan dalam baterai dan teknologi bejana bertekanan hidrogen.

GMG memproduksi grafena dari metana + hidrogen, yang berbeda dari sebagian besar pesaingnya, yang memproduksinya dari endapan grafit alami. Hal ini memungkinkan kemurnian yang lebih tinggi, skalabilitas yang lebih baik, dan produksi berbiaya rendah.

Sumber: gmg

Perusahaan ini meluncurkan fasilitas produksi pertamanya di Australia pada tahun 2023, dengan produksi pelapis penukar panas hingga 1 juta liter per tahun. Kini, perusahaan ini tengah berkembang untuk memproduksi 10 juta ton per tahun.

Langkah selanjutnya bagi perusahaan adalah teknologi baterai berbasis ion aluminium grafena, dengan bubur grafena sebagai aditif untuk katoda baterai litium-ion. Dalam jangka panjang, bahkan bisa menjadi pengganti katoda berbasis grafit sepenuhnya.

Perusahaan ini tengah mengembangkan baterai ion aluminium graphene menggunakan katode graphene, yang dapat mencapai kepadatan energi 290Wh/kg. Baterai ini dikembangkan melalui kerja sama dengan raksasa pertambangan Rio Tinto, dan pada awalnya dapat diaplikasikan pada industri berat (seperti pertambangan), bukan pasar kendaraan listrik.

Sumber: gmg

Peta jalan pengembangan baterai mengharapkan pembangunan pabrik percontohan pada tahun 2025, keputusan tentang investasi dalam pabrik skala komersial pada tahun 2026, dan komisi akhirnya serta pengiriman pertama ke pelanggan pada tahun 2027.

Masuknya ke pasar baterai ini mungkin merupakan pertaruhan besar bagi GMG, tetapi juga memberinya peluang unik di pasar masa depan yang dapat terbuka untuk grafena, termasuk dalam penyimpanan energi dan aplikasi terkait daya lainnya.

Studi Referensi

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynes, J. dkk. Efek Hall spin kuantum dalam grafen magnetikKomunikasi Alam 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}