Come la spintronica e il grafene alimentano i circuiti quantistici di nuova generazione

Come la spintronica potrebbe rivoluzionare l'informatica

Progressivamente, il mondo dell'elaborazione hardware sta iniziando a guardare oltre i chip di silicio, o persino oltre le forme classiche di elaborazione binaria. Questo perché i chip e le memorie comunemente utilizzati nei nostri computer e data center stanno diventando sempre più difficili da costruire, con l'ultima generazione dotata di transistor di appena pochi nanometri.

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 intelligenza artificiale, continua a crescere.

Sono numerose le soluzioni proposte, tra cui l'informatica quantistica e la fotonica sono le opzioni più promettenti per ridurre la domanda di elaborazione o per renderla più veloce e meno energivora.

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

I ricercatori della Delft University of Technology (Paesi Bassi), del Tsukuba National Institute for Materials Science (Giappone), dell'Università di Valencia (Spagna), dell'Università di Ratisbona (Germania) e dell'Università di Harvard (Stati Uniti) hanno creato un nuovo dispositivo spintronico al grafene.

A differenza della versione precedente di questa tecnologia, non richiede magneti potenti, il che la rende molto più compatibile con altri componenti elettronici. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications.¹, sotto il titolo “Effetto Hall di spin quantistico nel grafene magnetico".

Il potenziale della spintronica

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

Un modo alternativo per eseguire calcoli è quello di utilizzare dispositivi spintronici che funzionano sfruttando lo spin degli elettroni (una caratteristica quantistica fondamentale) anziché la corrente elettrica (flusso di elettroni).

Fonte: Insight IAS

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

• Dati più veloci, poiché la rotazione può essere modificata molto più rapidamente.
• Meno consumo di energia, poiché lo spin può essere modificato con meno potenza di quella necessaria per mantenere un flusso di elettroni per creare una corrente.
• È possibile utilizzare metalli semplici al posto di materiali semiconduttori complessi.

La spintronica è già utilizzata per i dischi rigidi e ha consentito di aumentare la capacità di archiviazione nell'ultimo decennio.

“Lo spin è una proprietà meccanica quantistica degli elettroni, che è come una piccola calamita trasportata dagli elettroni, rivolta verso l'alto o verso il basso.

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

Talieh Ghiasi - Ricerca post-dottorator a Delft University of Technology

Spintronica per il calcolo quantistico

Principali vantaggi della spintronica per i circuiti quantistici

Lo spin non è una corrente elettrica, ma una caratteristica quantistica fondamentale degli elettroni, in cui l'informazione quantistica è immagazzinata nell'orientamento dello spin.

Il principale vantaggio della spintronica è che si occupa del trasporto di momenti magnetici anziché del trasferimento di elettroni. Quindi non c'è bisogno di movimento della materia 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 con i sistemi di calcolo quantistico, è preservare queste informazioni per periodi di tempo e distanze sufficientemente lunghi.

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

Grafene per la spintronica

Il grafene è un “materiale miracoloso” sotto forma di strato 2D di carbonioHa potenziale non solo nell'informatica, ma anche in superconduttività, telecomunicazione, scienze dei materialie catalisi.

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

I ricercatori sono riusciti a evitare la necessità di campi magnetici esterni stratificando il grafene su un CrPS₄ (tiofosfato di cromo), un semiconduttore antiferromagnetico bidimensionale.

Questo strato magnetico ha alterato in modo significativo le proprietà elettroniche del grafene, dando origine all'effetto Hall di spin quantistico (QSH) nel grafene.

"Abbiamo osservato che il trasporto di spin nel grafene viene modificato dal vicino CrPS4, in modo tale che il flusso di elettroni nel grafene diventa dipendente dalla direzione dello spin degli elettroni."

Talieh Ghiasi - Ricerca post-dottorator a 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 quantistico senza la necessità di campi magnetici esterni apre la strada alle future applicazioni di questi dispositivi spintronici quantistici."

Talieh Ghiasi - Ricerca post-dottorator a Delft University of Technology

Prospettive future per la spintronica basata sul grafene

Poiché le correnti di spin quantistico sono “topologicamente protette”, possono percorrere distanze lunghe decine di micrometri senza perdere le informazioni di spin nel circuito.

Queste correnti di spin topologicamente protette sono resistenti a disturbi e difetti, il che le rende affidabili anche in condizioni imperfette. Preservare il segnale di spin senza alcuna perdita di informazioni è fondamentale per la costruzione di circuiti spintronici.

Talieh Ghiasi - Ricerca post-dottorator a Delft University of Technology

Questa scoperta apre la strada a circuiti spintronici ultrasottili basati sul grafene. Le correnti di spin nel grafene potrebbero creare un trasferimento efficiente e coerente di informazioni quantistiche. fino ad ora limitato all'uso della luce per interconnettere i componenti del calcolo quantistico.

Quindi, sebbene sia ancora un lavoro in corso, questa scoperta chiarisce che il progetto definitivo dei computer quantistici e delle reti quantistiche deve ancora essere deciso, con materiali come il grafene che probabilmente svolgeranno un ruolo a lungo termine (come una parte più grande di semiconduttori di grafene come categoria di materiali), nonché la spintronica in generale.

Investire in aziende di grafene

Grafene Manufacturing Group (GMG)

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

Fonte: GMG

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

Se il grafene inizierà a essere utilizzato su larga scala per altre applicazioni come l'informatica, l'esperienza e la capacità produttiva delle aziende produttrici di grafene esistenti rappresenteranno un vantaggio per entrare in questi mercati.

Altre applicazioni potrebbero riguardare la creazione di semiconduttori di grafene (vedi “Semiconduttori al grafene: sono finalmente arrivati?"), o anche superconduttori a temperatura ambiente. Il rivestimento in grafene potrebbe anche trovare impiego nelle batterie e nelle tecnologie dei contenitori a pressione dell’idrogeno.

GMG produce il suo grafene da metano + idrogeno, a differenza della maggior parte dei suoi concorrenti, che lo ricavano da giacimenti naturali di grafite. Questo consente una maggiore purezza, una maggiore scalabilità e una produzione a basso costo.

Fonte: GMG

L'azienda ha inaugurato il suo primo impianto produttivo in Australia nel 2023, con una capacità produttiva annua fino a 1 milione di litri di rivestimento per scambiatori di calore. Ora si sta espandendo per arrivare a una produzione di 10 milioni di tonnellate all'anno.

Il prossimo passo per l'azienda sarà la tecnologia delle batterie basata sugli ioni di grafene e alluminio, 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 batterie agli ioni di alluminio e grafene utilizzando un catodo in grafene, che può raggiungere una densità energetica di 290 Wh/kg. Questo sistema è stato sviluppato in collaborazione con il gigante minerario Rio Tinto e potrebbe inizialmente trovare applicazione nell'industria pesante (come quella mineraria), piuttosto che nel mercato dei veicoli elettrici.

Fonte: GMG

La tabella di marcia per lo sviluppo delle batterie prevede la costruzione di impianti pilota nel 2025, una decisione sull'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.

L'ingresso nel mercato delle batterie potrebbe rappresentare una grande scommessa per GMG, ma offre anche un'opportunità unica nel futuro mercato che potrebbe aprirsi al grafene, anche per l'accumulo di energia e altre applicazioni legate all'energia.

Studio referenziato

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Effetto Hall di spin quantistico nel grafene magneticoNature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}