Hoe spintronica & grafeen de volgende generatie kwantumcircuits aandrijven

Hoe spintronica de computertechnologie zou kunnen revolutioneren

Geleidelijk begint de wereld van hardwarecomputing verder te kijken dan siliciumchips, of zelfs klassieke vormen van binaire computing geheel. Dit komt doordat de gebruikelijke chips en geheugen in onze computers en datacenters steeds moeilijker te vervaardigen zijn, waarbij de nieuwste generatie transistors heeft die nog maar enkele nanometers groot zijn.

Een andere factor is dat het energieverbruik een probleem wordt, aangezien de vraag naar rekenkracht, met name voor AI‑systemen, blijft groeien.

Er zijn veel voorgestelde oplossingen, waarbij kwantumcomputing en fotonica de meest vooraanstaande opties zijn om de vraag naar rekenkracht te verminderen of om deze sneller en minder energie‑intensief te maken.

Een andere is spintronica, die de spin van elektronen gebruikt in plaats van de elektrische stroom (stroom van elektronen).

Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (Nederland), het Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), de Universiteit van Valencia (Spanje), de Universiteit van Regensburg (Duitsland) en Harvard University (VS) hebben een nieuw spintronic grafeenapparaat ontwikkeld.

In tegenstelling tot de vorige versie van deze technologie vereist het geen krachtige magneten, waardoor het veel beter compatibel is met andere elektronische componenten. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications¹, onder de titel “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Het potentieel van spintronica

Elektronische componenten zoals transistors worden traditioneel uit silicium vervaardigd en zijn afhankelijk van halfgeleiders. De 0‑ en 1‑signalen in binair geven respectievelijk het doorlaten of blokkeren van een elektrische stroom aan.

Een alternatieve manier om berekeningen uit te voeren zijn spintronica‑apparaten die werken op de spin van elektronen (een fundamenteel kwantumkenmerk) in plaats van elektrische stroom (stroom van elektronen).

Bron: Insight IAS

Spintronica heeft enkele voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, met name:

• Snellere gegevens, omdat spin veel sneller kan worden veranderd.
• Minder energieverbruik, omdat spin kan worden veranderd met minder vermogen dan nodig is om een stroom van elektronen te handhaven om een stroom te creëren.
• Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleidermaterialen.

Spintronica wordt al gebruikt voor harde schijven en heeft de opslagcapaciteit in het afgelopen decennium laten groeien.

“Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die vergelijkbaar is met een klein magneetje dat door de elektronen wordt gedragen en naar boven of beneden wijst.

We kunnen de spin van elektronen benutten om informatie over te dragen en te verwerken in zogenaamde spintronica‑apparaten.

Talieh Ghiasi – Postdoc‑onderzoeker aan Delft University of Technology

Spintronica voor kwantumcomputing

Belangrijkste voordelen van spintronica voor kwantumcircuits

Spin is geen elektrische stroom, maar een fundamenteel kwantumkenmerk van elektronen, waarbij de kwantuminformatie wordt opgeslagen in de oriëntatie van de spin.

Het belangrijkste voordeel van spintronica is dat het zich bezighoudt met het transport van magnetische momenten in plaats van de overdracht van elektronen. Er is dus geen materie nodig die beweegt om informatie over te dragen.

En aangezien dit al van nature een kwantumelement is, is het idee om een spin‑qubit te creëren intrigerend. Het probleem, zoals vaak bij kwantumcomputingsystemen, is om deze informatie gedurende voldoende lange tijd en afstanden te behouden.

En dit zou precies kunnen zijn wat de onderzoekers in deze studie hebben ontdekt als oplossing, met behulp van grafeen.

Grafeen voor spintronica

Grafeen is een “mirakelmateriaal”, een vorm van een 2D‑laag van koolstof. Het heeft potentieel niet alleen in computing, maar ook in supergeleiding, telecommunicatie, materiaalkunde en katalyse.

Tot nu toe is het nog nauwelijks gebruikt voor spintronica, ondanks de opmerkelijke elektrische eigenschappen. De reden is dat het detecteren van kwantum‑spinstromen in grafeen altijd grote magnetische velden vereiste die praktisch onmogelijk op een chip te integreren zijn.

De onderzoekers konden de noodzaak van externe magnetische velden omzeilen door het grafeen te stapelen bovenop een CrPS₄ (chroom‑thiophosphate), een tweedimensionale antiferromagnetische halfgeleider.

Deze magnetische laag wijzigde de elektronische eigenschappen van grafeen aanzienlijk, waardoor het quantum spin Hall (QSH)‑effect in grafeen ontstond.

“We hebben waargenomen dat het spintransport in grafeen wordt aangepast door het naburige CrPS4, waardoor de stroom van elektronen in grafeen afhankelijk wordt van de spinrichting van de elektronen.”

Talieh Ghiasi – Postdoc‑onderzoeker aan Delft University of Technology

Het QSH‑effect maakt het mogelijk dat elektronen moeiteloos langs de randen van grafeen bewegen zonder onderbreking, waarbij al hun spins in dezelfde richting zijn uitgelijnd.

“Het feit dat we nu kwantum‑spinstromen realiseren zonder de noodzaak van externe magnetische velden, opent de weg voor toekomstige toepassingen van dit kwantum‑spintronic‑apparaat.”

Talieh Ghiasi – Postdoc‑onderzoeker aan Delft University of Technology
https://www.youtube.com/watch?v=J5NLysqf184

Toekomstperspectief voor grafeen‑gebaseerde spintronica

Omdat de kwantum‑spinstromen “topologisch beschermd” zijn, kunnen ze tientallen micrometers lange afstanden afleggen zonder de spininformatie in het circuit te verliezen.

“Deze topologisch‑beschermde spinstromen zijn robuust tegen storingen en defecten, waardoor ze zelfs onder onvolmaakte omstandigheden betrouwbaar zijn. Het behouden van het spinsignaal zonder enig verlies van informatie is essentieel voor het bouwen van spintronic‑circuits.”

Talieh Ghiasi – Postdoc‑onderzoeker aan Delft University of Technology

Deze ontdekking effent de weg naar ultradunne, grafeen‑gebaseerde spintronic‑circuits. De spinstromen in grafeen zouden een efficiënte en coherente overdracht van kwantuminformatie kunnen realiseren, tot nu toe beperkt tot het gebruik van licht om kwantumcomputing‑componenten met elkaar te verbinden.

Hoewel het nog in ontwikkeling is, maakt deze ontdekking duidelijk dat het uiteindelijke ontwerp van kwantumcomputers en kwantumnetwerken nog niet is vastgesteld, waarbij materialen zoals grafeen waarschijnlijk op de lange termijn een rol zullen spelen (als een groter onderdeel van grafeen‑halfgeleiders als materiaalcategorie), evenals spintronica in het algemeen.

Investeren in grafeenbedrijven

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG is een grafeenproducent die zich heeft gericht op al bewezen grafeen‑gebaseerde producten zoals hitte‑coating en smeermiddelen, waardoor de efficiëntie van industriële apparatuur wordt verhoogd.

Bron: GMG

Dit maakt GMG een goede optie voor beleggers die directe blootstelling aan de grafeenmarkt zoeken en een bedrijf dat al actief is in de massaproductie van grafeen en het verbeteren van de huidige productiemethode.

Als grafeen op grote schaal wordt ingezet voor andere toepassingen zoals computing, zal de ervaring en productiecapaciteit van bestaande grafeenbedrijven een voordeel zijn om deze markten te betreden.

Andere mogelijke toepassingen kunnen de creatie van grafeen‑halfgeleiders zijn (zie “Grafeen‑halfgeleiders – Zijn ze eindelijk hier?”), of zelfs supergeleiders op kamertemperatuur. Grafeen‑coating kan ook worden gebruikt in batterijen en voor waterstof‑drukvaten.

GMG produceert zijn grafeen uit methaan + waterstof, wat verschilt van de meeste concurrenten die het uit natuurlijke grafietafzettingen winnen. Dit maakt hogere zuiverheid, meer schaalbaarheid en goedkope productie mogelijk.

Bron: GMG

Het bedrijf lanceerde in 2023 zijn eerste productiefaciliteit in Australië, met een capaciteit van tot 1 miljoen liter hitte‑wisselaar‑coating per jaar. Het breidt nu uit naar een productie van 10 miljoen ton per jaar.

De volgende stap voor het bedrijf zal zijn batterijtechnologie gebaseerd op grafeen‑aluminium‑ion zijn, waarbij zijn grafeen‑slurry wordt gebruikt als additief voor de kathodes van lithium‑ionbatterijen. Op de lange termijn zou het zelfs een volledige vervanging van de op grafiet gebaseerde kathodes kunnen zijn.

Het bedrijf ontwikkelt dergelijke grafeen‑aluminium‑ionbatterijen met een grafeen‑kathode, die een energiedichtheid van 290 Wh/kg kan bereiken. Dit wordt ontwikkeld in samenwerking met mijnbouwgigant Rio Tinto (RIO ) en zou aanvankelijk toepassingen kunnen hebben in zware industrieën (zoals mijnbouw), eerder dan op de EV‑markten.

Bron: GMG

De roadmap voor batterijontwikkeling voorziet in de bouw van pilot‑fabrieken in 2025, een beslissing over investering in een commerciële fabriek in 2026, en de uiteindelijke ingebruikname en eerste levering aan klanten in 2027.

Deze intrede in de batterijenmarkt kan een grote gok voor GMG zijn, maar biedt ook een unieke kans in de toekomstige markt die zich kan openen voor grafeen, inclusief energieopslag en andere energie‑gerelateerde toepassingen.

Gerefereerde studie

^{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}