Bagaimana Spintronik & Graphene Menggerakkan Sirkuit Kuantum Generasi Berikutnya

Bagaimana Spintronik Dapat Merevolusi Komputasi

Secara bertahap, dunia perangkat keras komputasi mulai melihat melampaui chip silikon, atau bahkan bentuk komputasi biner klasik secara keseluruhan. Hal ini disebabkan chip dan memori biasa di komputer serta pusat data kita semakin sulit diproduksi, dengan generasi terbaru memiliki transistor yang hanya berukuran beberapa nanometer.

Faktor lain adalah konsumsi energi yang menjadi masalah seiring permintaan daya komputasi, khususnya untuk sistem AI, terus meningkat.

Berbagai solusi telah diusulkan, dengan komputasi kuantum dan fotonik menjadi opsi paling menonjol untuk mengurangi permintaan komputasi atau membuatnya lebih cepat dan lebih hemat energi.

Alternatif lainnya adalah spintronik, yang memanfaatkan spin elektron alih-alih arus listrik (aliran elektron).

Peneliti dari Delft University of Technology (Belanda), Tsukuba National Institute for Materials Science (Jepang), University of Valencia (Spanyol), University of Regensburg (Jerman), dan Harvard University (AS) telah menciptakan perangkat graphene spintronik baru.

Berbeda dengan versi sebelumnya, teknologi ini tidak memerlukan magnet kuat, sehingga jauh lebih kompatibel dengan komponen elektronik lainnya. Mereka mempublikasikan hasilnya di Nature Communications¹, dengan judul “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Potensi Spintronik

Komponen elektronik seperti transistor secara tradisional dibuat dari silikon dan bergantung pada 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) alih-alih arus listrik (aliran elektron).

Sumber: Insight IAS

Spintronik memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sistem elektronik klasik, khususnya:

• Data lebih cepat, karena spin dapat diubah jauh lebih cepat.
• Konsumsi energi lebih rendah, karena spin dapat diubah dengan daya yang lebih sedikit dibandingkan mempertahankan aliran elektron untuk menghasilkan arus.
• Logam sederhana dapat digunakan alih-alih material semikonduktor yang kompleks.

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

“Spin adalah properti mekanik kuantum elektron, yang menyerupai magnet kecil yang dibawa oleh elektron, mengarah ke atas atau ke bawah.

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

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoktor di Delft University of Technology

Spintronik untuk Komputasi Kuantum

Manfaat Utama Spintronik untuk Sirkuit Kuantum

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

Keunggulan utama spintronik adalah bahwa ia berurusan dengan transportasi momen magnetik alih-alih transfer elektron. Jadi tidak diperlukan pergerakan materi untuk mentransfer informasi.

Dan karena ini sudah pada dasarnya elemen kuantum, gagasan menciptakan qubit spin menjadi menarik. Masalahnya, seperti pada sistem komputasi kuantum lainnya, adalah mempertahankan informasi ini cukup lama dan dalam jarak yang cukup jauh.

Dan inilah yang mungkin telah ditemukan oleh peneliti dalam studi ini, dengan menggunakan graphene.

Graphene untuk Spintronik

Graphene adalah “material ajaib” berupa lapisan 2D karbon. Ia memiliki potensi tidak hanya dalam komputasi, tetapi juga dalam superkonduktivitas, telekomunikasi, ilmu material, dan katalisis.

Hingga kini belum banyak digunakan untuk spintronik, meskipun memiliki sifat listrik yang luar biasa. Alasannya adalah deteksi arus spin kuantum dalam graphene selalu memerlukan medan magnet besar yang secara praktis tidak dapat diintegrasikan pada chip.

Para peneliti berhasil mengatasi kebutuhan medan magnet eksternal dengan melapisi graphene di atas CrPS₄ (chromium thiophosphate), sebuah semikonduktor antiferomagnetik dua dimensi.

Lapisan magnetik ini secara signifikan mengubah sifat elektronik graphene, menghasilkan efek quantum spin Hall (QSH) pada graphene.

“Kami mengamati bahwa transportasi spin dalam graphene dimodifikasi oleh CrPS4 di sekitarnya sehingga aliran elektron dalam graphene menjadi bergantung pada arah spin elektron.”

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoktor di Delft University of Technology

Efek QSH memungkinkan elektron bergerak dengan mudah di sepanjang tepi graphene tanpa gangguan, dengan semua spin mereka teralignasi ke arah yang sama.

“Fakta bahwa kami kini dapat menghasilkan arus spin kuantum tanpa memerlukan medan magnet eksternal membuka jalan bagi aplikasi masa depan perangkat spintronik kuantum ini.”

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoktor di Delft University of Technology

Pandangan Masa Depan untuk Spintronik Berbasis Graphene

Karena arus spin kuantum “dilindungi secara topologis”, mereka dapat menempuh jarak puluhan mikrometer tanpa kehilangan informasi spin dalam sirkuit.

“Arus spin yang dilindungi secara topologis ini tahan terhadap gangguan dan cacat, menjadikannya dapat diandalkan bahkan dalam kondisi tidak sempurna. Mempertahankan sinyal spin tanpa kehilangan informasi sangat penting untuk membangun sirkuit spintronik.”

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoktor di Delft University of Technology

Penemuan ini membuka jalan menuju sirkuit spintronik berbasis graphene yang ultra-tipis. Arus spin dalam graphene dapat menciptakan transfer informasi kuantum yang efisien dan koheren, sebelumnya 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 material seperti graphene kemungkinan akan memainkan peran jangka panjang (sebagai bagian besar dari semikonduktor graphene sebagai kategori material), serta spintronik secara umum.

Berinvestasi pada Perusahaan Graphene

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG adalah produsen graphene yang memfokuskan penawaran produknya pada produk berbasis graphene yang sudah terbukti seperti pelapisan panas dan pelumas, meningkatkan efisiensi peralatan industri.

Sumber: GMG

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

Jika graphene mulai digunakan secara luas untuk aplikasi lain seperti komputasi, pengalaman dan kapasitas manufaktur perusahaan graphene yang ada akan menjadi keunggulan untuk memasuki pasar-pasar tersebut.

Beberapa aplikasi lain dapat berupa pembuatan semikonduktor graphene (lihat “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), atau bahkan superkonduktor suhu ruang. Pelapisan graphene juga dapat digunakan dalam baterai dan untuk teknologi bejana tekanan hidrogen.

GMG memproduksi graphene-nya dari metana + hidrogen, berbeda dari kebanyakan pesaingnya yang memproduksinya dari deposit grafit alami. Ini memungkinkan kemurnian lebih tinggi, skalabilitas lebih besar, dan produksi berbiaya rendah.

Sumber: GMG

Perusahaan meluncurkan fasilitas produksi pertamanya di Australia pada tahun 2023, dengan kapasitas produksi pelapisan penukar panas hingga 1 juta liter per tahun. Saat ini sedang memperluas untuk memproduksi 10 juta ton per tahun.

Langkah selanjutnya bagi perusahaan adalah teknologi baterainya berbasis ion aluminium graphene, dengan slurry graphene sebagai aditif untuk katoda baterai lithium-ion. Dalam jangka panjang, ini bahkan dapat menjadi pengganti katoda berbasis grafit secara keseluruhan.

Perusahaan mengembangkan baterai ion aluminium graphene tersebut menggunakan katoda graphene, yang dapat mencapai densitas energi 290Wh/kg. Pengembangan ini dilakukan bekerja sama dengan raksasa pertambangan Rio Tinto, dan pada awalnya dapat diterapkan di industri berat (seperti pertambangan), bukan pasar kendaraan listrik.

Sumber: GMG

Peta jalan pengembangan baterai memperkirakan pembangunan pabrik percontohan pada tahun 2025, keputusan investasi pabrik skala komersial pada tahun 2026, dan komisioning serta pengiriman pertama ke pelanggan pada tahun 2027.

Masuk ke pasar baterai mungkin merupakan taruhan besar bagi GMG, namun juga memberi mereka peluang unik di pasar masa depan yang dapat terbuka untuk graphene, termasuk dalam penyimpanan energi dan aplikasi terkait daya lainnya.

Studi yang Dirujuk

^{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}