Hoe Chiraal Spintronics Computing kan Transformeren

Hoe Spintronics Computing kan Revolutioneren

Progressief begint de wereld van hardwarecomputing verder te kijken dan siliciumchips, of zelfs de 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 nauwelijks een paar nanometer groot zijn.

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

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

Een andere is spintronics, dat de spin van elektronen, een kwantumkenmerk, gebruikt in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).

Voordelen en Potentiële Toepassingen van Spintronics

Elektronische componenten, zoals transistors, worden traditioneel gemaakt van silicium 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 is via spintronic‑apparaten, die werken op de spin van elektronen (een fundamenteel kwantumkenmerk) in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).

Bron: Insight IAS

Gegevens kunnen worden gecodeerd in zowel de spinhoeksimpuls, die kan worden voorgesteld als een ingebouwde “omhoog” of “omlaag” oriëntatie van het elektron, als de orbitale hoeksimpuls, die beschrijft hoe elektronen rond atoomkernen bewegen.

Omdat dit meer informatie bevat dan alleen 0 en 1, kan spin meer data per atoom bevatten dan traditionele elektronica.

Spintronics heeft enkele andere voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, notably:

• Snellere data, omdat spin veel sneller kan worden gewijzigd.
• Minder energieverbruik, omdat spin kan worden gewijzigd met minder vermogen dan nodig is om een stroom van elektronen te handhaven.
• Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleidermaterialen.
• Spin is minder vluchtig dan de halfgeleiderstatus, waardoor de gegevensopslag stabieler is.

Veeg om te scrollen →

Spintronics wordt sinds de jaren 90 commercieel gebruikt in leeskoppen van harde schijven, waardoor de opslagdichtheid de afgelopen decennia aanzienlijk is gestegen.

“Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die lijkt op een klein magneetje dat door de elektronen wordt gedragen, wijzend omhoog of omlaag.

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

Talieh Ghiasi – Postdoc-onderzoeker aan de Delft University of Technology

Er is veel recent vooruitgang geboekt in spintronics, bijvoorbeeld dat spin loss can be converted back into magnetisation, making spintronics electronics even more energy‑efficient, of dat spintronics & graphene could power next‑gen quantum circuits.

En wetenschappers ontdekken nog steeds nieuwe methoden om spintronic‑apparaten te verbeteren, zoals onderzoekers aan de Seoul National University (Zuid‑Korea). Korea University, Korea Institute of Science and Technology en Feinberg School of Medicine (VS). Zij creëerden magnetische nanohelixen die de electronspin kunnen beheersen, wat een geheel nieuw veld van zogenaamde “chiraal spintronic” apparaten zou kunnen creëren.

Ze publiceerden hun resultaten in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Science¹, onder de titel “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

Chirale Spintronics

Wat is chiraliteit in spintronics?

In de natuur is symmetrie een fundamenteel kenmerk van veel dingen, waaronder de componenten van DNA en licht zelf. Het is mogelijk dat twee moleculen die bijna identiek zijn, niet verschillen in hun samenstelling of vorm, maar in hun oriëntatie, een concept dat “chiraliteit” wordt genoemd.

Chiraliteit kan in de eenvoudigste vorm worden uitgelegd als de manier waarop onze linkerhand verschilt van onze rechterhand, hoewel beide handen identiek zijn in vorm, structuur en functie.

Chiraliteit speelt een fundamentele rol in de biologie, waarbij natuurlijke selectie uitsluitend “rechterhandige” DNA‑moleculen, suikers en aminozuren (de basiscomponent van eiwitten) heeft geselecteerd.

Het is echter zeldzaam in anorganische materialen, die meestal ofwel ongeordend zijn of kristallen zonder chiraliteit.

Hoe Metalen Chiraliteit Krijgen voor Spintronics

De wetenschappers slaagden erin zowel linker‑ als rechterhandige chiral magnetische nanohelixen te creëren door het metallische kristallisatietproces elektrochemisch te beheersen. Een legering van kobalt‑ijzer werd gekozen vanwege zijn ferromagnetische eigenschappen.

Een belangrijke innovatie in dit proces is het gebruik van sporen van chiral organische moleculen, zoals cinchonine of cinchonidine, die de vorming van de helixen begeleidden.

In metalen en anorganische materialen is het controleren van chiraliteit tijdens de synthese extreem moeilijk, vooral op nanoschaal.

Het feit dat we de richting van anorganische helixen konden programmeren door simpelweg chiral moleculen toe te voegen, is een doorbraak in de materiaalkunde.

Prof. Ki Tae Nam – Professor aan Seoul National University

Om de chiraliteit van deze nanohelixen aan te tonen, maten ze elektromagnetische velden (EMV) die door de helixen werden gegenereerd onder roterende magnetische velden.

Dit biedt een eenvoudige manier om te testen of het materiaal correct is geproduceerd, aangezien de linker‑ en rechterhandige helixen tegenovergestelde EMV‑signalen produceerden, waardoor kwantitatieve verificatie van chiraliteit mogelijk is, zonder dat het magnetische materiaal sterk met licht moet interageren, de gebruikelijke manier om chiraliteit te controleren.

Belangrijker nog ontdekten ze dat deze chiral magnetische metalen ook de spin kunnen sturen: ze laten bij voorkeur één spinrichting door, terwijl de tegenovergestelde spin niet kan passeren.

Chiraliteit is goed begrepen in organische moleculen, waar de handigheid van een structuur vaak de biologische of chemische functie bepaalt,

Potentiële Toepassingen van Chirale Spintronics

Door de inherente magnetisatie van het materiaal (spinuitlijning) werd langeafstand spintransport bij kamertemperatuur mogelijk.

Dit effect bleek constant, ongeacht de hoek tussen de chiral‑as en de spininjectierichting. Aangezien het niet werd waargenomen in niet‑magnetische nanohelixen van dezelfde schaal, lijkt het direct gekoppeld te zijn aan de chiral magnetische helixen.

Dit zou het eerste ooit ontdekte asymmetrische spintransport in een relatief macro‑schaal materiaal betekenen.

Het team demonstreerde ook een solid‑state apparaat dat chiraliteit‑afhankelijke geleidingssignalen liet zien, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor praktische spintronic‑toepassingen.

Deze nanohelixen bereiken een spinpolarisatie van meer dan ~80% – alleen door hun geometrie en magnetisme,

Dit is een zeldzame combinatie van structurele chiraliteit en intrinsiek ferromagnetisme, die spinfiltering bij kamertemperatuur mogelijk maakt zonder complexe magnetische schakelingen of cryogenica, en biedt een nieuwe manier om het gedrag van elektronen te ontwerpen met behulp van structureel ontwerp.

Prof. Young Keun Kim – Professor aan Korea University

Een ander voordeel van deze nieuwe technologie is dat het fabricageproces relatief eenvoudig en goedkoop is, zonder gebruik van zeldzame materialen of complexe technologieën.

Wij geloven dat dit systeem een platform kan worden voor chiraal spintronics en de architectuur van chiral magnetische nanostructuren.

Dit werk vertegenwoordigt een krachtige convergentie van geometrie, magnetisme en spintransport, opgebouwd uit schaalbare, anorganische materialen.

Prof. Young Keun Kim – Professor aan Korea University

Er moet nog veel meer werk worden gedaan om het potentieel van dit nieuwe idee en de materialen volledig te verkennen. Bijvoorbeeld, het aantal strengen (dubbele, meerdere helixen) kan naar wens worden aangepast, en zou verschillende nog te ontdekken kenmerken kunnen opleveren.

Het vermogen om de handigheid (links/rechts) en zelfs het aantal strengen (dubbele, meerdere helixen) te controleren met deze veelzijdige elektrochemische methode, wordt verwacht een significante bijdrage te leveren aan nieuwe toepassingsgebieden.

Gezien het gemak van productie en de mogelijkheid van langeafstand spinoverdracht, kan dit zeer nuttig zijn voor de productie van volledig spin‑gebaseerde computers en netwerken, met economische voordelen door lager energieverbruik en stabiele gegevensopslag.

Investeren in Spintronic Innovators

1. Everspin Technologies

Everspin is een tak van Freescale (nu bekend als NXP, ticker NXPI) die zich toelegt op de ontwikkeling van MRAM‑geheugensystemen, de meest voorkomende vorm van spintronics die vandaag commercieel levensvatbaar is. Het werd afgesplitst en ging in 2016 naar de beurs.

Everspin wordt beschouwd als de leider in MRAM‑technologie (Magnetoresistive Random‑Access Memory), en erft de ervaring van Freescale als de eerste die in 2006 een MRAM‑chip commercialiseerde.

Omdat MRAM een geheugen is dat blijft bestaan zelfs zonder stroom, wordt het steeds vaker gebruikt in gevoelige toepassingen waarbij kritieke gegevens te belangrijk zijn om verlies te riskeren.

Aangedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data‑analyse, cloudcomputing, zowel terrestrisch als buitenaards, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge AI, inclusief Industrial IoT, wordt verwacht dat de markt voor persistent geheugen tussen 2020 en 2030 zal groeien met een CAGR van 27,5%.

Everspin

Bron: Everspin

Het bedrijf schat dat de markt tegen 2027 een omvang van $7,4 miljard zal bereiken. Het bedrijf heeft sinds 2021 geen schulden en een positieve vrije cashflow.

Everspin MRAM‑producten bezetten momenteel een kleine maar groeiende niche, die markten bedient waar betrouwbaarheid cruciaal is, zoals de lucht‑ en ruimtevaart, satellieten, gegevensrecorders, patiëntbewakingsapparaten, enz.

Bron: Everspin

De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan ook een langetermijnboost voor het bedrijf betekenen.

2. NVE Corporation

Een andere leider in spintronics, NVE werkt aan deze technologie sinds zijn eerste patent op MRAM‑technologie in 1995. Het produceert spintronic sensors en isolators, die voornamelijk worden gebruikt in meet‑ en sensorsystemen voor auto’s, versnellingsbakken, medische apparaten, voedingen en andere industriële apparaten.

Bron: NVE

Dit plaatst NVE in een enigszins andere categorie dan Everspin, waarbij NVE meer een industrieel bedrijf is met een sterke positie in een nichemarkt (magnetometer met spintronics), terwijl Everspin meer een geheugen/computerbedrijf is dat samenwerkt met en concurreert met bedrijven als Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM‑product ontwikkelen.

Dit kan het aandeel aantrekkelijker (of minder) maken, afhankelijk van de profielen van beleggers, waarbij het aandeel van NVE waarschijnlijker aantrekkelijk is voor meer conservatieve beleggers die op zoek zijn naar dividendrendement en veiligheid.

Gerefereerde Studies

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Nummer 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}