Computing
Spintronica: de toekomst van energiezuinige computers
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Hoe Spintronica de Computing kan Revolutioneren
Geleidelijk aan begint de wereld van hardware‑computing verder te kijken dan siliciumchips, of zelfs klassieke vormen van binaire computing helemaal. Dit komt doordat de gebruikelijke chips en geheugen in onze computers en datacenters steeds moeilijker te produceren worden, waarbij de nieuwste generatie transistors slechts enkele nanometers 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 computing te verminderen of het sneller en minder energie‑intensief te maken.
Een andere is spintronica, die de spin van elektronen, een kwantum‑eigenschap, benut in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).
Wetenschappers werken eraan om spintronica zo efficiënt te maken dat het een aanzienlijk deel van onze computerbehoeften zou kunnen vervangen.
Een recent wetenschappelijk artikel van onderzoekers van 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 spintronische elektronica nog energiezuiniger wordt.
Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications1, onder de titel “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.
Een andere recente ontdekking van onderzoekers van de Chinese Academy of Sciences, het National Synchrotron Radiation Laboratory (China), ShanghaiTech University en Beihang University was hoe onvolkomenheden in spintronische materialen kunnen worden gebruikt om elektronica sneller, slimmer en efficiënter te maken.
They published their results in Nature Materials2, under the title “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.
Voordelen van Spintronica en Potentiële Toepassingen
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 spintronische apparaten, die werken op de spin van elektronen (een fundamentele kwantum‑eigenschap) in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).
Source: Insight IAS
Data kan worden gecodeerd in zowel het spin‑hoeksimpuls, dat kan worden voorgesteld als een ingebouwde “omhoog” of “omlaag” oriëntatie van het elektron, als het orbitale hoeksimpuls, dat beschrijft hoe elektronen rond atoomkernen bewegen.
Omdat dit meer informatie bevat dan alleen 0 & 1, kan spin meer data per atoom bevatten dan traditionele elektronica.
Spintronica heeft een paar andere 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 veranderd dan nodig is om een stroom van elektronen te handhaven.
- Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleider‑materialen.
- Spin is minder vluchtig dan de halfgeleiderstatus, waardoor gegevensopslag stabieler is.
Swipe om te scrollen →
| Kenmerk | Traditionele Elektronica | Spintronica |
|---|---|---|
| Informatiedrager | Elektrische stroom (0 of 1) | Elektronspin (omhoog/omlaag) |
| Energie‑efficiëntie | Hoge stroomvraag | Lagere stroomverbruik |
| Snelheid | Beperkt door de stroomstroom | Snellere spin‑schakeling |
| Materialen | Complexe halfgeleiders | Eenvoudige metalen/oxiden |
| Gegevensstabiliteit | Vluchtige opslag | Stabiel, niet‑vluchtig |
Spintronica wordt al gebruikt voor harde schijven en heeft de gegevensopslagcapaciteit de afgelopen decennium laten groeien.
“Spin is een kwantum‑mechanische 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 spintronische apparaten.”
Talieh Ghiasi – Postdoc‑onderzoeker aan Delft University of Technology
Materiaaluitdagingen in Spintronica Overwinnen
Ondanks deze voordelen heeft spintronica nog geen commerciële tractie gekregen. Dit komt gedeeltelijk door de rol van materiaalfouten. Het introduceren van onvolkomenheden in een materiaal kan soms het “schrijven” van gegevens in geheugencellen vergemakkelijken door de benodigde stroom te verlagen.
Deze defecten verhogen echter ook de elektrische weerstand en verlagen de spin‑Hall‑geleiding, waardoor het gebruik van spin om gegevens te coderen aanzienlijk uitdagender wordt.
Een mogelijke oplossing is het gebruik van strontium‑ruthenaat (SrRuO3), een overgangsmetaal‑oxide waarvan de eigenschappen fijn afgesteld kunnen worden.
Zorgvuldige engineering van defecten in het materiaal met behulp van op maat gemaakte apparaten en precisiemetingstechnieken verandert hoe spins erop reageren.
“Scattering‑processen die normaal de prestaties verminderen, verlengen eigenlijk de levensduur van orbitale hoeksimpuls, waardoor de orbitale stroom wordt versterkt.”
Dit is radicaal anders dan conventionele spin‑gebaseerde systemen. In deze experimenten leverde een op maat gemaakte geleidingsmodulatie een 3‑voudige verbetering op in de efficiëntie van schakeling‑energie.
“Dit werk herschrijft in wezen het regelboek voor het ontwerpen van deze apparaten. In plaats van te vechten tegen materiaalfouten, kunnen we ze nu benutten.”
Energie‑Efficiënte Computing met Spintronica
Magnetisme En Spin
Aangezien spin een eigenschap van de elektronen is, is het misschien niet verrassend dat onderzoekers nieuwe verbanden vinden tussen spin en de magnetisatie van elektronische materialen.
De Koreaanse onderzoekers bestudeerden deze verbinding. Traditioneel vereist het schakelen van de magnetisatie van een elektronisch component tussen 1 en 0 grote stromen om de richting van de magnetisatie om te keren. Dit proces leidt tot spinverlies, dat als een belangrijke bron van energieverspilling en lage efficiëntie wordt beschouwd.
In plaats van dit verlies te mitigeren en spin‑dissipatie te verminderen, zoeken ze ernaar 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 efficiëntie van spin‑naar‑magnon conversie het hoogst was wanneer de magneto‑kristallijne gemakkelijke 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 is om een verandering in de magnetische status van het materiaal te induceren.
Source: Nature Materials
Schaalbaar Met Huidige Technieken
Deze methode maakt gebruik van een eenvoudige apparaatstructuur die compatibel is met bestaande halfgeleider‑productieprocessen.
“Tot nu toe heeft het veld van spintronica zich alleen gericht op het verminderen van spinverliezen, maar wij hebben een nieuwe richting gepresenteerd door de verliezen te gebruiken als energie om magnetisatie‑schakeling te induceren,”
Dit maakt massaproductie zeer haalbaar, en het is ook voordelig voor miniaturisatie en hoge integratie, iets dat de adoptie van radicalere nieuwe ontwerpen in elektronica drastisch kan vertragen.
Daarom zou deze ontdekking snelle toepassingen kunnen vinden in geheugen en computing van AI‑halfgeleiders, ultra‑lage‑energie‑geheugen, neuromorfe computing en probabilistische computing‑apparaten.
Aangezien deze velden al in een stroomversnelling zitten, kan dit de technologie een enorme kansvenster geven.
“We zijn van plan om actief ultra‑kleine en laag‑energie AI‑halfgeleiderapparaten te ontwikkelen, omdat ze de basis kunnen vormen voor ultra‑lage‑energie‑computingtechnologieën die essentieel zijn in het AI‑tijdperk.”
Conclusie
Spintronica was tot nu toe beperkt tot harde‑schijftechnologie, maar verandert snel dankzij een beter begrip van hoe de spin van elektronen te manipuleren en te gebruiken.
Dit zou een nieuw type elektronica moeten creëren, niet zozeer krachtiger, zoals gebruikelijk is bij nieuwe & kleinere chips, maar energiezuiniger en zelfs makkelijker te vervaardigen, beide belangrijke punten nu energieverbruik een knelpunt wordt bij de inzet van AI‑datacenters en edge‑computing (zoals voor zelfrijdende auto’s of robotica).
Spintronica Bedrijven
1. Everspin Technologies
MRAM Prijsgrafiek
Everspin is een tak van Freescale (nu bekend als NXP, ticker NXPI) die zich toelegt op de ontwikkeling van MRAM‑geheugensystemen. Het werd in 2016 afgesplitst en naar de beurs gebracht.
Everspin wordt beschouwd als de leider op het gebied van MRAM‑technologie (Magnetoresistive Random‑Access Memory), en erft Freescale’s ervaring als de eerste die in 2006 een MRAM‑chip commercialiseerde.
Omdat MRAM een geheugen is dat blijft bestaan zelfs bij afwezigheid van stroom, wordt het steeds vaker gebruikt in gevoelige toepassingen waar kritieke data te belangrijk zijn om verlies te riskeren.
Gedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data‑analytics, cloud‑computing, zowel terrestrisch als buitenaards, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge‑AI, inclusief Industrial IoT, wordt de markt voor persistent geheugen geprojecteerd om te groeien met een CAGR van 27,5 % tussen 2020 en 2030
Source: Everspin
Het bedrijf schat dat de markt tegen 2027 een omvang van $7,4 mrd zal bereiken. Het bedrijf heeft sinds 2021 geen schulden en een positieve vrije kasstroom.
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, patiëntmonitoringsapparaten, enz.
Source: Everspin
De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan ook op lange termijn een impuls geven aan het bedrijf.
2. NVE Corporation
NVEC Prijsgrafiek
Een andere leider in spintronica, NVE werkt aan deze technologie sinds haar eerste patent op MRAM‑technologie in 1995. Het produceert spintronische sensoren en isolatoren, voornamelijk gebruikt in meet‑ en sensorsystemen voor auto’s, versnellingsbakken, medische apparaten, voedingen en andere industriële apparaten.
Source: 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 gebruikmakend van spintronica), terwijl Everspin meer een geheugen‑/computing‑bedrijf is dat concurreert met onder andere Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM‑product ontwikkelen.
Dit kan het aandeel aantrekkelijker (of minder aantrekkelijk) maken afhankelijk van het profiel van de belegger, waarbij NVE‑aandelen eerder aanspreken bij conservatievere beleggers die op zoek zijn naar dividendrendement en veiligheid.
Gerefereerde Studies
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
