Elektronica besturen via foto‑excitaties – Zal magnetiet de volgende generatie apparaten inluiden?

Het Potentieel van Spintronica

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 zijn spintronicatoestellen die werken op de spin van elektronen (een fundamenteel kwantumkenmerk) in plaats van op elektrische stroom (stroom van elektronen).

Spintronica heeft een paar voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, namelijk:

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

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

Een materiaal dat al in spintronica wordt gebruikt is magnetiet, een van nature voorkomend mineraal bestaande uit zuurstof en twee vormen van ijzer met verschillende oxidatietoestanden.

Bron: Britannica

Ondanks dat magnetiet al decennialang bekend is om zijn magnetische eigenschappen, blijkt er nog steeds meer over te leren.

Onderzoekers van de EPFL in Zwitserland hebben ontdekt dat lasers nieuwe faseveranderingen in magnetiet kunnen veroorzaken die voorheen onbekend waren. Dit zou op zijn beurt kunnen leiden tot een nieuwe generatie elektronische apparatuur.

De Verborgen Eigenschappen van Magnetiet

De onderzoekers richtten zich op magnetiet vanwege zijn metaal‑naar‑isolator‑eigenschappen, waardoor het kan schakelen van een geleider van elektriciteit naar een blokkering ervan. Dit staat ook bekend als een fase‑overgang, waarbij de eigenschappen van een materiaal plotseling veranderen van de ene naar de andere fase, een beetje zoals water dat in ijs kan veranderen, met zeer verschillende eigenschappen.

Door twee verschillende soorten lasers te gebruiken, één die licht uitzendt op 800 nm en één op 400 nm (infrarood en zichtbaar licht), ontdekten ze dat er nieuwe fasen in magnetiet verschenen die tot nu toe niet waren geïdentificeerd.

Dit is geen triviale zaak, aangezien de onderzoekers de verandering moesten detecteren die plaatsvond in een oneindig klein tijdsbestek. Hiervoor gebruikten ze een techniek genaamd Ultrasnelle elektrondiffractie (UED), waarmee ze atomaire bewegingen konden bekijken die minder dan een picoseconde – een biljoenste van een seconde – duren.

Verandering van Ruimtelijke Configuratie

Normaal gesproken heeft de atomaire structuur van magnetiet een “monoclinisch rooster”, waarbij de eenheidscel de vorm heeft van een scheefgekrulde doos met drie ongelijke randen. Twee van de hoeken zijn 90 graden, terwijl de derde anders is.

Bron: ACS

Het 800 nm‑licht zorgt ervoor dat de atomaire structuur van magnetiet comprimeert en verandert in een kubische structuur. De ultrasnelle observatie toonde de onderzoekers dat dit via een proces in drie fasen gebeurde.

Het 400 nm‑licht daarentegen zorgde ervoor dat de metalen atomaire structuur uitzet, waardoor een zeer stabiele configuratie ontstaat, waardoor het een zeer stabiele isolator wordt.

Deze configuratie verschilt van het eerder bekende stabiele evenwicht van magnetiet en biedt diepgaand inzicht in wat er werkelijk gebeurt tijdens de metaal‑naar‑isolator‑overgang.

Nieuwe Elektronische Systemen

Deze ontdekking betekent dat het mogelijk is om het effect op spin en stroom van magnetiet te veranderen uitsluitend met licht van lasers.

Dankzij zeer snelle lasersystemen zou een fotonpuls de aard van het metalen materiaal op een gecontroleerde manier snel kunnen wijzigen.

“Onze studie opent de weg voor een nieuwe benadering om materie te beheersen op ultrasnelle tijdschalen met op maat gemaakte fotonpulsen.

Het kunnen induceren en beheersen van verborgen fasen in magnetiet kan aanzienlijke gevolgen hebben voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen en apparaten.

Voorbeeld: materialen die snel en efficiënt kunnen schakelen tussen verschillende elektronische toestanden zouden kunnen worden ingezet in de volgende generatie computer‑ en geheugensystemen.”

Betere Geheugen

Spintronica en magnetiet vormen nieuwe frontiers voor fabrikanten van elektronische systemen. Wat begon in een harde schijf breidt zich nu uit naar andere geheugensystemen.

Zo zou random‑access‑memory (DRAM) kunnen worden vervangen door magnetisch RAM (MRAM). De eerste versie van dit concept is een al gecommercialiseerd product van Everspin en wordt gebruikt in Airbus‑vliegtuigen, dankzij de weerstand tegen temperatuurveranderingen en kosmische straling in vergelijking met traditionele geheugensystemen.

Een ander voordeel van MRAM is de kleinere omvang en het lagere energieverbruik, wat betekent tot 80 % minder stroomvraag. Dit kan MRAM mogelijk maken als cache‑geheugen in processoren met een grotere totale capaciteit, terwijl het minder stroom verbruikt en minder warmte genereert, waarbij zowel ruimte als warmte belangrijke beperkende factoren zijn bij de verbetering van processoren.

Photonica?

Het gebruik van laser om de condities van magnetiet te veranderen doet denken aan het groeiende veld van fotonica, een van de opties die we bespraken in ons artikel over bedrijven die rekenen verplaatsen buiten halfgeleider‑systemen.

Een systeem dat al laser en licht gebruikt om berekeningen uit te voeren, zou sterk kunnen profiteren van een geheugensysteem dat afhankelijk is van de door licht geïnduceerde fase‑verandering van magnetiet. Dit zou potentieel de berekeningsresultaten direct kunnen omzetten in data met weinig tussenstappen die energie verbruiken en de processen vertragen.

Spintronicabedrijven

1. Everspin Technologies

Everspin is de tak van Freescale (momenteel NXP, tickersymbool NXPI) die zich toelegt op de ontwikkeling van MRAM‑geheugensystemen. Het werd afgesplitst en ging in 2016 naar de beurs.

Everspin wordt beschouwd als de leider in MRAM‑technologie, 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 waar kritieke data van belang zijn.

Gedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data‑analyse, cloud‑computing, zowel terrestrisch als buitenaards, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge‑AI inclusief industriële 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 in 2027 een omvang van 7,4 miljard USD zal bereiken. Het bedrijf heeft geen schulden en een positieve vrije kasstroom sinds 2021.

Everspin‑MRAM‑producten bezetten momenteel een kleine maar groeiende niche, en bedienen markten waar betrouwbaarheid cruciaal is, zoals de lucht- en ruimtevaart, satellieten, data‑recorders, patiënt‑monitoringsapparaten, enzovoort.

Bron: Everspin

De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan op de lange termijn ook een impuls geven aan het bedrijf.

2. NVE Corporation

Een andere leider in spintronica, NVE werkt aan deze technologie sinds haar eerste patent op MRAM‑technologie in 1995.

Het produceert spintronic sensoren en isolatoren, 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 niche‑markt (magnetometer met spintronica), terwijl Everspin meer een geheugen‑/computatiebedrijf is dat concurreert met onder andere Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM‑product ontwikkelen.

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