Elektronica
Spintronics: De Toekomst van Energie-Efficiënte Computing
Hoe Spintronics Computing Kan Revolutioneren
Progressief, de wereld van hardware-computing begint verder te kijken dan siliciumchips, of zelfs klassieke vormen van binaire computing helemaal. Dit komt omdat de gebruikelijke chips en geheugen in onze computers en datacenters steeds moeilijker te bouwen zijn, met de laatste generatie transistors die nauwelijks een paar nanometers in grootte zijn.
Een andere factor is dat energieverbruik een probleem wordt omdat de vraag naar rekenkracht, vooral voor AI-systemen, blijft groeien.
Er zijn veel voorgestelde oplossingen, met quantum computing en fotonica als meest prominente opties om de vraag naar rekenen te verminderen of sneller en minder energieverbruikend te maken.
Een andere optie is spintronics, dat de spin van elektronen, een kwantumeigenschap, gebruikt in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).
Wetenschappers werken eraan om spintronics zo efficiënt te maken dat het een aanzienlijk deel van onze rekenbehoeften kan vervangen.
Een recent wetenschappelijk artikel van onderzoekers aan het Korea Institute of Science and Technology (KIST), de Seoul National University, de Kunsan National University (Korea), de Yonsei University en de Johannes Gutenberg University Mainz (Duitsland) heeft ontdekt dat spinverlies kan worden omgezet in magnetisatie, waardoor spintronics-elektronica nog energie-efficiënter wordt.
Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications1, onder de titel “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.
Een andere recente ontdekking door onderzoekers aan de Chinese Academy of Sciences, het National Synchrotron Radiation Laboratory (China), ShanghaiTech University en Beihang University was hoe men oneffenheden in spintronische materialen kan gebruiken om elektronica sneller, slimmer en efficiënter te maken.
Ze publiceerden hun resultaten in Nature Materials2, onder de titel “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.
Spintronics Voordelen en Potentiële Toepassingen
Elektronische componenten, zoals transistors, worden traditioneel gebouwd van silicium en vertrouwen op halfgeleiders. De 0 en 1 signalen in binaire computing geven de doorgang of blokkering van een elektrische stroom aan.
Een alternatieve manier om berekeningen uit te voeren is door middel van spintronics-apparaten, die werken op de spin van elektronen (een fundamentele kwantumeigenschap) in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).
Source: Insight IAS
Data kan worden gecodeerd in zowel de spin-draaimoment als de orbitale draaimoment, die kan worden voorgesteld als een ingebouwde “omhoog” of “omlaag” oriëntatie van het elektron, en de manier waarop elektronen zich rond atoomkernen bewegen.
Omdat dit meer informatie bevat dan alleen 0 en 1, kan spin meer gegevens per atoom bevatten dan traditionele elektronica.
Spintronics heeft een aantal voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, met name:
- Snellere gegevens, omdat spin snel kan worden gewijzigd.
- Minder energieverbruik, omdat spin kan worden gewijzigd met minder vermogen dan nodig is om een stroom van elektronen te onderhouden.
- Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleidermaterialen.
- Spin is minder volatiel dan de halfgeleiderstatus, waardoor de gegevensopslag stabieler is.
Swipe to scroll →
| Kenmerk | Traditionele Elektronica | Spintronics |
|---|---|---|
| Informatiedrager | Elektrische stroom (0 of 1) | Elektronenspin (omhoog/omlaag) |
| Energie-efficiëntie | Hoge stroomvraag | Lagere stroomvraag |
| Snelheid | Beperkt door de stroom | Snellere spin-wisseling |
| Materialen | Complex halfgeleiders | Eenvoudige metalen/oxiden |
| Gegevensstabiliteit | Vluchtige opslag | Stabiel, niet-vluchtig |
Spintronics wordt al gebruikt voor harde schijven en heeft de gegevensopslagcapaciteit de afgelopen decennium laten groeien.
“Spin is een kwantumeigenschap van elektronen, die lijkt op een kleine magneet die door de elektronen wordt gedragen, die omhoog of omlaag wijst.
We kunnen de spin van elektronen gebruiken om informatie over te dragen en te verwerken in zogenaamde spintronics-apparaten.”
Talieh Ghiasi – Postdoc onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft
Overwinning van Materiaaluitdagingen in Spintronics
Ondanks deze voordelen, heeft spintronics nog geen commerciële doorbraak behaald. Dit is gedeeltelijk te wijten aan de rol van materiaaldefecten. Het introduceren van oneffenheden in een materiaal kan soms het makkelijker maken om “gegevens te schrijven” in geheugeneenheden door de benodigde stroom te verminderen.
Echter, deze defecten verhogen ook de elektrische weerstand en verminderen de spin-Hall-conductiviteit, waardoor het gebruik van spin om gegevens te coderen aanzienlijk moeilijker wordt.
Een oplossing kan zijn om strontium ruthenaat (SrRuO3) te gebruiken, een overgangsmetaaloxide waarvan de eigenschappen fijn kunnen worden afgesteld.
Zorgvuldige engineering van defecten in het materiaal met behulp van aangepaste apparaten en precisie-metingstechnieken verandert de manier waarop spins reageren op hen.
“Verstrooiingsprocessen die normaal gesproken de prestaties verminderen, verlengen eigenlijk de levensduur van orbitaal draaimoment, waardoor orbitale stroom wordt verbeterd.”
Dit is radicaal anders dan conventionele spin-gebaseerde systemen. In deze experimenten resulteerde een aangepaste conductiviteitsmodulatie in een verbetering van 3x in de schakelenergie-efficiëntie.
“Dit werk schrijft eigenlijk de regels voor het ontwerpen van deze apparaten opnieuw. In plaats van materiaaldefecten te bestrijden, kunnen we ze nu uitbuiten.”
Energie-Efficiënte Computing met Spintronics
Magnetisme en Spin
Met spin als een eigenschap van elektronen, is het misschien niet verrassend dat onderzoekers nieuwe verbindingen tussen spin en de magnetisatie van elektronische materialen vinden.
De Koreaanse onderzoekers bestudeerden deze verbinding. Traditioneel vereist het omkeren van de magnetisatie van een elektronische component tussen 1 en 0 grote stromen om de richting van de magnetisatie om te keren. Dit proces resulteert in spinverlies, dat als een belangrijke bron van vermogenverlies en slechte efficiëntie wordt beschouwd.
In plaats van te proberen dit verlies te mitigeren en spinverlies te verminderen, zoeken ze ernaar om het te gebruiken door een enkel ferromagnetisch metaal te combineren met een antiferromagnetische isolator.
Source: Nature Materials
Source: Nature Materials
Spin-Stromen
De onderzoekers richtten zich op spin-stromen, ook wel magnonen genoemd.
Source: Hubpage
Ze ontdekten dat de spin-tot-magnon-conversie-efficiëntie het hoogst was wanneer de magnetokristallijne makkelijke as (n) het dichtst bij de spin-polarisatie (μ) lag.
In de praktijk betekent dit dat het verlies van spin werd gebruikt om de energie te leveren die nodig was om een verandering in de magnetische status van het materiaal te induceren.
Source: Nature Materials
Schaalbaar met Huidige Technieken
Deze methode gebruikt een eenvoudige apparaatstructuur die compatibel is met bestaande halfgeleiderproductieprocessen.
“Tot nu toe heeft het veld van spintronics zich alleen gericht op het verminderen van spinverlies, maar we hebben een nieuwe richting gepresenteerd door het verlies te gebruiken als energie om magnetisatie-omkering te induceren,”
Het maakt het zeer haalbaar voor massaproductie en het is ook gunstig voor miniaturisatie en hoge integratie, iets dat de adoptie van meer radicale nieuwe ontwerpen in elektronica aanzienlijk kan vertragen.
Dit kan deze ontdekking snel toepasbaar maken in geheugen en computing van AI-halfgeleiders, ultra-lage vermogen geheugen, neuromorfische computing en waarschijnlijkheidsgebaseerde computing-apparaten.
Aangezien deze gebieden al in opkomst zijn, kan dit deze technologie een enorme kans geven.
“We plannen om actief ultra-kleine en lage vermogen AI-halfgeleiders te ontwikkelen, omdat ze kunnen dienen als basis voor ultra-lage vermogen computing-technologieën die essentieel zijn in de AI-tijdperk.”
Conclusie
Spintronics was tot nu toe beperkt tot harde schijf technologie, maar het verandert snel dankzij een beter begrip van hoe elektronenspins te manipuleren en te gebruiken.
Dit moet een nieuw type elektronica creëren, niet zozeer krachtiger, zoals het geval is met nieuwe en kleinere chips, maar energie-efficiënter en gemakkelijker te produceren, beiden belangrijke punten omdat energieverbruik een steeds grotere bottleneck wordt in de implementatie van AI-datacenters en edge computing (zoals voor zelfrijdende auto’s of robotica).
Spintronics Bedrijven
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin is een tak van Freescale (nu bekend als NXP, aandelen ticker NXPI) gewijd aan de ontwikkeling van MRAM-geheugensystemen. Het werd afgesplitst en ging naar de beurs in 2016.
Everspin wordt beschouwd als de leider in MRAM-technologie (Magnetoresistive Random-Access Memory), erfde Freescales ervaring van het zijn van de eerste die een MRAM-chip commercialiseerde in 2006.
Omdat MRAM een geheugen is dat zelfs in de afwezigheid van een stroom blijft bestaan, wordt het steeds vaker gebruikt in gevoelige toepassingen waar kritieke gegevens te belangrijk zijn om te verliezen.
Gedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data-analyse, cloud-computing, zowel op aarde als in de ruimte, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge AI, inclusief Industrial IoT, wordt de markt voor persistent geheugen verwacht te groeien met een CAGR van 27,5% tussen 2020 en 2030
Source: Everspin
Het bedrijf schat dat de markt een omvang van $7,4 miljard zal bereiken tegen 2027. Het bedrijf heeft sinds 2021 geen schulden en een positieve free cash flow.
Everspin MRAM-producten bezetten momenteel een kleine maar groeiende niche, die dienst doet in markten waar betrouwbaarheid cruciaal is, zoals de lucht- en ruimtevaart, satellieten, gegevensrecorders, patiëntmonitoren, enz.
Source: Everspin
De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan ook een langetermijnboost voor het bedrijf zijn.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Een andere leider in spintronics, NVE heeft sinds zijn eerste octrooi in MRAM-technologie in 1995 aan deze technologie gewerkt. Het produceert spintronische sensoren en isolatoren, voornamelijk gebruikt in meet- en sensorsystemen voor auto’s, tandwielkasten, medische apparaten, voedingen en andere industriële apparaten.
Source: NVE
Dit plaatst NVE in een iets andere categorie dan Everspin, met NVE meer een industriële onderneming met een sterke positie in een niche-markt (magnetometer met spintronics), terwijl Everspin meer een geheugen/computing-bedrijf is dat samenwerkt met en concurreert met de likes van Intel, Qualcomm, Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM-product ontwikkelen.
Het kan de aandelen meer (of minder) aantrekkelijk maken, afhankelijk van de profielen van beleggers, met NVE-aandelen waarschijnlijker aantrekkelijk voor meer conservatieve beleggers die op zoek zijn naar een dividendrendement en veiligheid.
Studies Verwezen
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
