Mengendalikan Elektronik melalui Fotoeksitasi – Akankah Magnetit Membuka Jalan bagi Perangkat Generasi Berikutnya?

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).

Spintronik memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sistem elektronik klasik, antara lain:

• 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 bahan semikonduktor yang kompleks.

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

Material yang sudah digunakan dalam spintronik adalah magnetit, mineral alami yang terdiri dari oksigen dan dua bentuk besi dengan tingkat oksidasi yang berbeda.

Source: Britannica

Meskipun magnetit telah dikenal karena sifat magnetiknya selama beberapa dekade, tampaknya masih ada hal lebih yang dapat dipelajari tentangnya.

Peneliti dari EPFL di Swiss telah menemukan bahwa laser dapat menciptakan perubahan fase baru pada magnetit yang sebelumnya tidak diketahui. Hal ini dapat, pada gilirannya, memunculkan generasi peralatan elektronik baru.

Properti Tersembunyi Magnetit

Para peneliti memfokuskan pada magnetit karena sifatnya yang dapat beralih dari logam ke isolator, memungkinkan ia beralih dari konduktor listrik menjadi penghalang. Ini juga dikenal sebagai transisi fase, di mana sifat material tiba‑tiba berubah dari satu tahap ke tahap lain, mirip dengan bagaimana air cair dapat berubah menjadi es dengan sifat yang sangat berbeda.

Dengan menggunakan dua jenis laser berbeda, satu memancarkan cahaya pada 800 nm dan satu lagi pada 400 nm (infra merah dan cahaya tampak), mereka menemukan bahwa fase baru muncul pada magnetit yang belum diidentifikasi sebelumnya.

Hal ini bukan perkara sepele, karena peneliti harus mendeteksi perubahan yang terjadi dalam rentang waktu yang sangat singkat. Untuk melakukannya, mereka menggunakan teknik yang disebut Difraksi Elektron Ultrafast (UED), yang memungkinkan mereka mengamati pergerakan atom yang berlangsung kurang dari satu pikosekon atau satu triliun detik.

Mengubah Konfigurasi Spasial

Secara normal, struktur atom magnetit adalah “lattice monoklinik,” di mana sel satuan berbentuk kotak miring dengan tiga sisi yang tidak sama. Dua sudutnya 90 derajat, sementara sudut ketiga berbeda.

Source: ACS

Cahaya 800 nm menyebabkan struktur atom magnetit terkompresi, mengubahnya menjadi struktur kubik. Pengamatan ultra‑cepat menunjukkan bahwa proses ini terjadi melalui tiga tahap.

Sementara cahaya 400 nm menyebabkan struktur atom logam mengembang, menciptakan konfigurasi yang sangat stabil, menjadikannya isolator yang sangat stabil.

Konfigurasi ini berbeda dari keseimbangan stabil magnetit yang sebelumnya dikenal dan memberikan wawasan mendalam tentang apa yang sebenarnya terjadi selama transisi logam‑ke‑isolator.

Sistem Elektronik Baru

Penemuan ini berarti bahwa efek pada spin dan arus magnetit dapat diubah hanya dengan cahaya dari laser.

Berkat sistem laser yang sangat cepat, hal ini dapat memungkinkan pulsa foton mengubah sifat material logam secara terkendali dengan cepat.

“Studi kami membuka jalan bagi pendekatan baru untuk mengendalikan materi pada skala waktu ultrafast menggunakan pulsa foton yang disesuaikan.

Kemampuan untuk menginduksi dan mengendalikan fase tersembunyi pada magnetit dapat memiliki implikasi signifikan bagi pengembangan material dan perangkat canggih.

Sebagai contoh, material yang dapat beralih antara keadaan elektronik yang berbeda dengan cepat dan efisien dapat digunakan dalam komputasi dan perangkat memori generasi berikutnya.”

Memori Lebih Baik

Spintronik dan magnetit adalah frontier baru bagi produsen sistem elektronik. Apa yang dimulai pada hard drive kini berkembang ke sistem memori lainnya.

Misalnya, random access memory (DRAM) dapat digantikan dengan magnetic RAM (MRAM). Versi pertama konsep ini sudah menjadi produk komersial oleh Everspin dan telah digunakan pada pesawat Airbus, berkat ketahanannya terhadap perubahan suhu serta radiasi kosmik dibandingkan sistem memori tradisional.

Keunggulan lain MRAM adalah ukuran yang lebih kecil dan konsumsi daya yang lebih rendah, yang berarti hingga 80 % pengurangan kebutuhan daya. Hal ini memungkinkan MRAM diintegrasikan sebagai memori cache dalam prosesor dengan kapasitas total yang lebih besar sambil mengonsumsi lebih sedikit daya dan menghasilkan lebih sedikit panas, dengan ruang dan panas menjadi faktor pembatas utama dalam peningkatan prosesor.

Photonics?

Penggunaan laser untuk mengubah kondisi magnetit mengingatkan pada bidang photonics yang terus berkembang, salah satu opsi yang kami bahas dalam artikel kami tentang perusahaan yang memindahkan komputasi di luar sistem semikonduktor.

Sistem yang sudah menggunakan laser dan cahaya untuk melakukan komputasi dapat sangat diuntungkan oleh sistem memori yang bergantung pada perubahan fase magnetit yang dipicu oleh cahaya. Hal ini berpotensi memungkinkan hasil komputasi langsung diubah menjadi data dengan sedikit langkah perantara yang mengonsumsi daya dan memperlambat proses.

Perusahaan Spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin adalah cabang dari Freescale (saat ini bernama NXP, ticker saham NXPI) yang didedikasikan untuk mengembangkan sistem memori MRAM. Perusahaan ini dipisahkan dan IPO pada tahun 2016.

Everspin dianggap sebagai pemimpin teknologi MRAM, mewarisi pengalaman Freescale sebagai yang pertama mengkomersialkan chip MRAM pada tahun 2006.

Karena MRAM adalah memori yang tetap ada bahkan tanpa arus, ia semakin banyak digunakan dalam kasus penggunaan sensitif di mana data kritis sangat penting.

Didorong oleh aplikasi luas seperti analitik data, komputasi awan, baik terestrial maupun ekstraterestrial, kecerdasan buatan (AI), dan Edge AI termasuk Industrial IoT, pasar memori persisten diproyeksikan tumbuh dengan CAGR 27,5 % antara 2020 dan 2030

Everspin

Source: Everspin

Perusahaan memperkirakan pasar akan mencapai ukuran $7,4 miliar pada tahun 2027. Perusahaan tidak memiliki hutang dan memiliki arus kas bebas positif sejak 2021.

Produk MRAM Everspin saat ini menempati ceruk kecil namun berkembang, melayani pasar di mana keandalan sangat penting seperti dirgantara, satelit, perekam data, perangkat pemantauan pasien, dll.

Source: Everspin

Pertumbuhan chipset, AI, dan sistem sinaptik juga dapat menjadi dorongan jangka panjang bagi perusahaan.

2. NVE Corporation

Pemimpin lain dalam spintronik, NVE telah bekerja pada teknologi ini sejak paten pertamanya dalam teknologi MRAM pada tahun 1995.

Perusahaan memproduksi sensor spintronik dan isolator, yang sebagian besar digunakan dalam sistem pengukuran dan sensor untuk mobil, peralatan, perangkat medis, catu daya, dan perangkat industri lainnya.

Source: NVE

Hal ini menempatkan NVE dalam kategori yang agak berbeda dibandingkan Everspin, dengan NVE lebih sebagai perusahaan industri yang memiliki posisi kuat di pasar niche (magnetometer berbasis spintronik), sementara Everspin lebih sebagai perusahaan memori/komputasi yang bersaing dengan Intel, Qualcomm, Toshiba, dan Samsung yang juga mengembangkan produk MRAM mereka sendiri.

Hal ini dapat membuatnya menjadi saham yang lebih (atau kurang) menarik tergantung pada profil investor, dengan saham NVE lebih cenderung menarik bagi investor konservatif yang mencari dividen dan keamanan.