כיצד ספינטרוניקה וגרפן מפעילים מעגלים קוונטיים מהדור הבא

כיצד ספינטרוניקה יכולה לחולל מהפכה במחשוב

בהדרגה, עולם מחשוב החומרה מתחיל להסתכל מעבר לשבבי סיליקון, או אפילו מעבר לצורות קלאסיות של מחשוב בינארי. הסיבה לכך היא שהשבבים והזיכרון הרגילים במחשבים ובמרכזי הנתונים שלנו הופכים קשים יותר ויותר לבנייה, כאשר הדור האחרון מכיל טרנזיסטורים בגודל של בקושי כמה ננומטרים.

גורם נוסף הוא שצריכת אנרגיה הופכת לבעיה ככל שהביקוש לכוח מחשוב, במיוחד למערכות בינה מלאכותית, ממשיך לגדול.

ישנם פתרונות רבים המוצעים, כאשר מחשוב קוונטי ופוטוניקה הן האפשרויות הבולטות ביותר כדי להפחית את הביקוש למחשוב או להפוך אותו למהיר ופחות זולל אנרגיה.

שיטה נוספת היא ספינטרוניקה, המשתמשת בסחרור של אלקטרונים במקום בזרם חשמלי (זרימת אלקטרונים).

חוקרים מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה (הולנד), המכון הלאומי למדעי החומרים צוקובה (יפן), אוניברסיטת ולנסיה (ספרד), אוניברסיטת רגנסבורג (גרמניה) ואוניברסיטת הרווארד (ארה"ב) יצרו התקן גרפן ספינטרוני חדש.

בניגוד לגרסה הקודמת של טכנולוגיה זו, היא אינה דורשת מגנטים חזקים, מה שהופך אותה לתואמת הרבה יותר לרכיבי אלקטרוניקה אחרים. הם פרסמו את תוצאותיהם ב-Nature Communications.¹, תחת הכותרת "אפקט הול של ספין קוונטי בגרפן מגנטי".

הפוטנציאל של הספינטרוניקה

רכיבים אלקטרוניים כמו טרנזיסטורים בנויים באופן מסורתי מסיליקון ונסמכים על מוליכים למחצה. אותות 0 ו-1 בפורמט בינארי מציינים מעבר או חסימה של זרם חשמלי.

דרך חלופית לביצוע חישוב היא התקני ספינטרוניקה הפועלים על ספין של אלקטרונים (מאפיין קוונטי בסיסי) ולא על זרם חשמלי (זרימת אלקטרונים).

מקור: תובנות IAS

לספינטרוניקה יש כמה יתרונות על פני מערכות אלקטרוניות קלאסיות, בעיקר:

• נתונים מהירים יותר, מכיוון שניתן לשנות את הספין הרבה יותר מהר.
• פחות צריכת אנרגיה, מכיוון שניתן לשנות את הספין בפחות כוח ממה שנדרש כדי לשמור על שטף אלקטרונים ליצירת זרם.
• ניתן להשתמש במתכות פשוטות במקום חומרים מוליכים למחצה מורכבים.

ספינטרוניקס כבר משמשת עבור כוננים קשיחים ואפשרה גידול בקיבולת האחסון בעשור האחרון.

"ספין הוא תכונה קוונטית-מכנית של אלקטרונים, שהיא כמו מגנט זעיר הנישא על ידי האלקטרונים, כשהוא מצביע למעלה או למטה."

אנחנו יכולים למנף את הספין של אלקטרונים כדי להעביר ולעבד מידע במה שנקרא התקני ספינטרוניקה."

טליה גיאסי - פוסט-דוקטורטעכברוש אוניברסיטת דלפט

ספינטרוניקה לחישוב קוונטי

יתרונות עיקריים של ספינטרוניקה עבור מעגלים קוונטיים

ספין אינו זרם חשמלי, אלא מאפיין קוונטי בסיסי של אלקטרונים, שבו המידע הקוונטי מאוחסן בכיוון של הספין.

היתרון העיקרי של הספינטרוניקה הוא שהיא עוסקת בהובלת מומנטים מגנטיים במקום בהעברת אלקטרונים. לכן אין צורך שחומר יזוז כדי להעביר מידע.

וכיוון שזהו כבר בתחילה אלמנט קוונטי, הרעיון של יצירת קיוביט ספין הוא רעיון מסקרן. הבעיה, כמו לעתים קרובות במערכות מחשוב קוונטיות, היא לשמר מידע זה לפרקי זמן ומרחקים ארוכים מספיק.

וייתכן שזה בדיוק מה שהחוקרים במחקר זה גילו כיצד לפתור, באמצעות גרפן.

גרפן לספינטרוניקה

גרפן הוא צורה של "חומר פלא" שכבה דו-ממדית של פחמןיש לו פוטנציאל לא רק בתחום המחשוב, אלא גם ב... מוליכות על, טֵלֵקוֹמוּנִיקַציָה, מדעי החומר, ו קָטָלִיזָה.

עד כה, הוא לא באמת שימש לספינטרוניקה, למרות תכונותיו החשמליות המדהימות. הסיבה לכך היא שגילוי זרמי ספין קוונטיים בגרפן תמיד דרש שדות מגנטיים גדולים שכמעט בלתי אפשרי לשלב בשבב.

החוקרים הצליחו לעקוף את הצורך בשדות מגנטיים חיצוניים על ידי הנחת שכבת הגרפן על גבי CrPS₄ (כרום תיופוספט), מוליך למחצה אנטי-פרומגנטי דו-ממדי.

שכבה מגנטית זו שינתה באופן משמעותי את התכונות האלקטרוניות של הגרפן, מה שהוביל לאפקט הול של ספין קוונטי (QSH) בגרפן.

"צפינו כי תנועת הספין בגרפן משתנה על ידי CrPS4 השכן כך שזרימת האלקטרונים בגרפן הופכת תלויה בכיוון הספין של האלקטרונים."

טליה גיאסי - פוסט-דוקטורטעכברוש אוניברסיטת דלפט

אפקט ה-QSH מאפשר לאלקטרונים לנוע ללא מאמץ לאורך קצוות הגרפן ללא הפרעה, כאשר כל הספינים שלהם מיושרים באותו כיוון.

"העובדה שאנו משיגים כעת זרמי ספין קוונטיים ללא צורך בשדות מגנטיים חיצוניים פותחת את הדרך ליישומים עתידיים של התקנים ספינטרוניים קוונטיים אלה."

טליה גיאסי - פוסט-דוקטורטעכברוש אוניברסיטת דלפט

תחזית עתידית לספינטרוניקה מבוססת גרפן

מכיוון שזרמי הספין הקוונטיים "מוגנים טופולוגית", הם יכולים לנוע מרחקים ארוכים של עשרות מיקרומטרים מבלי לאבד את מידע הספין במעגל.

"זרמי הספין המוגנים טופולוגית הללו חזקים כנגד הפרעות ופגמים, מה שהופך אותם לאמינים גם בתנאים לא מושלמים. שימור אות הספין ללא כל אובדן מידע חיוני לבניית מעגלים ספינטרוניים."

טליה גיאסי - פוסט-דוקטורטעכברוש אוניברסיטת דלפט

תגלית זו סוללת את הדרך למעגלים ספינטרוניים דקים במיוחד מבוססי גרפן. זרמי הספין בגרפן יכולים ליצור העברה יעילה וקוהרנטית של מידע קוונטי, עד כה מוגבל לשימוש באור לחיבור רכיבי מחשוב קוונטי.

אז למרות שמדובר עדיין בתהליך עבודה, תגלית זו מבהירה כי העיצוב הסופי של מחשבים קוונטיים ורשתות קוונטיות טרם הוחלט, כאשר חומרים כמו גרפן עשויים למלא תפקיד בטווח הארוך (כחלק גדול יותר מ...) מוליכים למחצה גרפן כקטגוריית חומרים), כמו גם ספינטרוניקה באופן כללי.

השקעה בחברות גרפן

קבוצת ייצור גרפן (gmg)

GMG היא יצרנית גרפן שמיקדה את היצע המוצרים שלה במוצרים מבוססי גרפן שכבר הוכחו כמו ציפוי תרמי וחומרי סיכה, מה שמגביר את היעילות של ציוד תעשייתי.

מקור: gmg

זה הופך את GMG לאופציה טובה למשקיעים המחפשים חשיפה ישירה לשוק הגרפן ולחברה שכבר פעילה בייצור המוני של גרפן ושיפור שיטת הייצור הנוכחית.

אם גרפן יתחיל לשמש בקנה מידה גדול עבור יישומים אחרים כמו מחשוב, הניסיון ויכולת הייצור של חברות גרפן קיימות יהוו יתרון בכניסה לשווקים אלה.

יישומים נוספים יכולים להיות יצירת מוליכים למחצה של גרפן (ראה "מוליכים למחצה גרפן - האם הם סוף סוף כאן?"), או אפילו מוליכים בטמפרטורת החדר. ציפוי גרפן יכול למצוא שימוש גם בסוללות ובטכנולוגיות של כלי לחץ מימן.

GMG מייצרת את הגרפן שלה ממתאן + מימן, דבר השונה מרוב מתחרותיה, המייצרות אותו ממשקעי גרפיט טבעיים. זה מאפשר טוהר גבוה יותר, יכולת הרחבה רבה יותר וייצור בעלות נמוכה.

מקור: gmg

החברה השיקה את מתקן הייצור הראשון שלה באוסטרליה בשנת 2023, עם ייצור של עד מיליון ליטר ציפוי מחליפי חום בשנה. כעת היא מתרחבת לייצור של 1 מיליון טון בשנה.

הצעד הבא של החברה יהיה טכנולוגיית הסוללות שלה המבוססת על יוני אלומיניום גרפן, כאשר תרחיף הגרפן שלה משמש כתוסף לקתודות של סוללות ליתיום-יון. בטווח הארוך, הוא אף יכול להחליף לחלוטין את הקתודות מבוססות הגרפיט.

החברה מפתחת סוללות יוני אלומיניום גרפן כאלה באמצעות קתודה גרפן, שיכולה להגיע לצפיפות אנרגיה של 290 וואט-שעה/ק"ג. טכנולוגיה זו פותחה בשיתוף פעולה עם ענקית הכרייה ריו טינטו, וייתכן שתהיה לה יישומים ראשוניים בתעשיות כבדות (כמו כרייה), ולא בשווקי הרכבים החשמליים.

מקור: gmg

מפת הדרכים לפיתוח הסוללות צופה בניית מפעלי פיילוט בשנת 2025, החלטה לגבי השקעה במפעל בקנה מידה מסחרי בשנת 2026, והפעלתו הסופית ומשלוחו הראשון ללקוחות עד 2027.

כניסה זו לשוק הסוללות עשויה להיות הימור גדול עבור GMG, אך היא גם נותנת לה הזדמנות ייחודית בשוק העתידי שעשוי להיפתח לגרפן, כולל באחסון אנרגיה ויישומים אחרים הקשורים לחשמל.

מחקר שאליו התייחס

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. אפקט הול של ספין קוונטי בגרפן מגנטי. תקשורת הטבע 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}