Come la Spintronica e il Graphene Alimentano i Circuiti Quantistici di Nuova Generazione

Come la Spintronica Potrebbe Rivoluzionare il Calcolo

Progressivamente, il mondo dell’hardware informatico sta iniziando a guardare oltre i chip di silicio, o addirittura oltre le forme classiche di calcolo binario. Questo perché i chip e la memoria tradizionali nei nostri computer e nei data center stanno diventando sempre più difficili da produrre, con l’ultima generazione che presenta transistor di appena pochi nanometri di dimensione.

Un altro fattore è che il consumo energetico sta diventando un problema, poiché la domanda di potenza di calcolo, in particolare per i sistemi di IA, continua a crescere.

Esistono molte soluzioni proposte, con il calcolo quantistico e la fotonica le opzioni più importanti per ridurre la domanda di calcolo o per renderlo più veloce e meno energivoro.

Un’altra è la spintronica, che utilizza lo spin degli elettroni invece della corrente elettrica (flusso di elettroni).

Ricercatori dell’Università Tecnica di Delft (Paesi Bassi), dell’Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali di Tsukuba (Giappone), dell’Università di Valencia (Spagna), dell’Università di Regensburg (Germania) e dell’Università di Harvard (USA) hanno creato un nuovo dispositivo spintronico in grafene.

Contrariamente alla versione precedente di questa tecnologia, non richiede magneti potenti, rendendola molto più compatibile con altri componenti elettronici. Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications¹, con il titolo “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Il Potenziale della Spintronica

I componenti elettronici come i transistor sono tradizionalmente costruiti in silicio e si basano sui semiconduttori. I segnali 0 e 1 nel binario indicano il passaggio o il blocco di una corrente elettrica.

Un modo alternativo per eseguire il calcolo è rappresentato dai dispositivi spintronici che operano sullo spin degli elettroni (una caratteristica quantistica fondamentale) anziché sulla corrente elettrica (flusso di elettroni).

Fonte: Insight IAS

La spintronica ha alcuni vantaggi rispetto ai sistemi elettronici classici, in particolare:

• Dati più veloci, poiché lo spin può essere modificato molto più rapidamente.
• Consumo energetico ridotto, poiché lo spin può essere modificato con meno potenza rispetto a quella necessaria per mantenere un flusso di elettroni per creare una corrente.
• Metalli semplici possono essere utilizzati al posto di materiali semiconduttori complessi.

La spintronica è già utilizzata per i dischi rigidi e ha consentito alla capacità di archiviazione di crescere nell’ultimo decennio.

“Lo spin è una proprietà quantomeccanica degli elettroni, simile a un piccolo magnete trasportato dagli elettroni, che punta verso l’alto o verso il basso.

Possiamo sfruttare lo spin degli elettroni per trasferire ed elaborare informazioni nei cosiddetti dispositivi spintronici.

Talieh Ghiasi – Ricercatore Postdoc presso la Delft University of Technology

Spintronica per il Calcolo Quantistico

Vantaggi Chiave della Spintronica per i Circuiti Quantistici

Lo spin non è una corrente elettrica, ma una caratteristica quantistica fondamentale degli elettroni, dove l’informazione quantistica è memorizzata nell’orientamento dello spin.

Il principale vantaggio della spintronica è che si occupa del trasporto di momenti magnetici invece del trasferimento di elettroni. Quindi non è necessario che la materia si muova per trasferire informazioni.

E poiché questo è già inizialmente un elemento quantistico, l’idea di creare un qubit di spin è affascinante. Il problema, come spesso accade nei sistemi di calcolo quantistico, è preservare queste informazioni per periodi di tempo e distanze sufficientemente lunghi.

E questo potrebbe essere proprio ciò che i ricercatori di questo studio hanno scoperto come risolvere, utilizzando il grafene.

Grafene per la Spintronica

Il grafene è un “materiale miracoloso”, una forma di strato 2D di carbonio. Ha potenziale non solo nel calcolo, ma anche nella superconduttività, nelle telecomunicazioni, nelle scienze dei materiali e nella catalisi.

Finora non è stato realmente utilizzato per la spintronica, nonostante le sue notevoli proprietà elettriche. Il motivo è che la rilevazione di correnti di spin quantistiche nel grafene ha sempre richiesto grandi campi magnetici, praticamente impossibili da integrare su chip.

I ricercatori sono riusciti a superare la necessità di campi magnetici esterni stratificando il grafene sopra un CrPS₄ (chloruro di cromo fosfato), un semiconduttore antiferromagnetico bidimensionale.

Questo strato magnetico ha modificato significativamente le proprietà elettroniche del grafene, dando origine all’effetto quantum spin Hall (QSH) nel grafene.

“Abbiamo osservato che il trasporto di spin nel grafene viene modificato dal CrPS4 adiacente, in modo che il flusso di elettroni nel grafene diventi dipendente dalla direzione dello spin degli elettroni.”

Talieh Ghiasi – Ricercatore Postdoc presso la Delft University of Technology

L’effetto QSH consente agli elettroni di muoversi senza sforzo lungo i bordi del grafene senza interruzioni, con tutti i loro spin allineati nella stessa direzione.

“Il fatto che ora stiamo ottenendo correnti di spin quantistiche senza la necessità di campi magnetici esterni apre la strada alle future applicazioni di questi dispositivi spintronici quantistici.”

Talieh Ghiasi – Ricercatore Postdoc presso la Delft University of Technology

Prospettive Future per la Spintronica a Base di Grafene

Poiché le correnti di spin quantistiche sono “protette topologicamente”, possono percorrere decine di micrometri senza perdere l’informazione di spin nel circuito.

“Queste correnti di spin protette topologicamente sono robuste contro disordini e difetti, rendendole affidabili anche in condizioni imperfette. Preservare il segnale di spin senza alcuna perdita di informazione è fondamentale per costruire circuiti spintronici.”

Talieh Ghiasi – Ricercatore Postdoc presso la Delft University of Technology

Questa scoperta apre la strada a circuiti spintronici ultra-sottili basati sul grafene. Le correnti di spin nel grafene potrebbero creare un trasferimento efficiente e coerente di informazione quantistica, finora limitato all’uso della luce per interconnettere i componenti del calcolo quantistico.

Quindi, sebbene sia ancora in fase di sviluppo, questa scoperta chiarisce che il design definitivo dei computer quantistici e delle reti quantistiche non è ancora stato deciso, con materiali come il grafene destinati a svolgere un ruolo a lungo termine (come parte più ampia dei semiconduttori di grafene come categoria di materiale), così come la spintronica in generale.

Investire in Aziende di Grafene

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG è un produttore di grafene che ha concentrato la sua offerta di prodotti su prodotti a base di grafene già dimostrati, come rivestimenti termici e lubrificanti, aumentando l’efficienza delle attrezzature industriali.

Fonte: GMG

Questo rende GMG un’opzione interessante per gli investitori che cercano un’esposizione diretta al mercato del grafene e un’azienda già attiva nella produzione di massa di grafene e nel miglioramento del metodo di produzione attuale.

Se il grafene dovesse essere utilizzato su larga scala per altre applicazioni come il calcolo, l’esperienza e la capacità produttiva delle aziende di grafene esistenti saranno un vantaggio per entrare in questi mercati.

Altre possibili applicazioni potrebbero essere la creazione di semiconduttori di grafene (vedi “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o persino superconduttori a temperatura ambiente. Il rivestimento in grafene potrebbe anche trovare impiego nelle batterie e nelle tecnologie per contenitori a pressione di idrogeno.

GMG produce il suo grafene da metano + idrogeno, diversamente dalla maggior parte dei concorrenti, che lo producono da depositi di grafite naturale. Questo consente una maggiore purezza, più scalabilità e una produzione a basso costo.

Fonte: GMG

L’azienda ha avviato la sua prima struttura di produzione in Australia nel 2023, con una capacità di produzione di rivestimenti per scambiatori di calore fino a 1 milione di litri all’anno. Ora sta espandendo la produzione a 10 milioni di tonnellate all’anno.

Il prossimo passo per l’azienda sarà la sua tecnologia di batterie basata su ioni di alluminio al grafene, con la sua sospensione di grafene come additivo per i catodi delle batterie agli ioni di litio. A lungo termine, potrebbe persino sostituire completamente i catodi a base di grafite.

L’azienda sta sviluppando queste batterie a ioni di alluminio al grafene utilizzando un catodo di grafene, che può raggiungere una densità energetica di 290 Wh/kg. Questo è sviluppato in partnership con il gigante minerario Rio Tinto e potrebbe inizialmente trovare applicazioni nelle industrie pesanti (come l’estrazione mineraria), piuttosto che nei mercati dei veicoli elettrici.

Fonte: GMG

La roadmap di sviluppo delle batterie prevede la costruzione di impianti pilota nel 2025, una decisione di investimento in una fabbrica su scala commerciale nel 2026, e la sua eventuale messa in servizio e la prima spedizione ai clienti entro il 2027.

Questo ingresso nel mercato delle batterie potrebbe rappresentare una grande scommessa per GMG, ma le offre anche un’opportunità unica nel mercato futuro che potrebbe aprirsi al grafene, inclusi lo stoccaggio di energia e altre applicazioni legate all’energia.

Studio di Riferimento

^{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}