Hvordan spintronikk & grafen driver neste generasjons kvantekretser

Hvordan spintronikk kan revolusjonere databehandling

Progressivt begynner maskinvareverdenen å se forbi silisiumbrikker, eller til og med klassiske former for binær databehandling helt og holdent. Dette skyldes at de vanlige brikkene og minnet i våre datamaskiner og datasentre blir stadig vanskeligere å produsere, med den nyeste generasjonen som har transistorer på bare noen få nanometer.

En annen faktor er at energiforbruket blir et problem ettersom etterspørselen etter datakraft, spesielt for AI-systemer, fortsetter å øke.

Det finnes mange foreslåtte løsninger, hvor kvantedatabehandling og fotonikk er de mest fremtredende alternativene for enten å redusere etterspørselen etter datakraft eller gjøre den raskere og mindre energikrevende.

En annen er spintronikk, som utnytter spinnet til elektroner i stedet for den elektriske strømmen (elektronflyt).

Forskere ved Delft University of Technology (Nederland), Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), University of Valencia (Spania), University of Regensburg (Tyskland) og Harvard University (USA) har utviklet en ny spintronisk grafenenhet.

I motsetning til den tidligere versjonen av denne teknologien krever den ikke kraftige magneter, noe som gjør den mye mer kompatibel med andre elektroniske komponenter. De publiserte sine resultater i Nature Communications¹, under tittelen “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Potensialet til spintronikk

Elektroniske komponenter som transistorer er tradisjonelt laget av silisium og er avhengige av halvledere. 0- og 1-signalene i binær indikerer henholdsvis passering eller blokkering av en elektrisk strøm.

En alternativ måte å utføre beregning på er spintroniske enheter som opererer på spinnet til elektroner (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for elektrisk strøm (elektronflyt).

Kilde: Insight IAS

Spintronikk har noen få fordeler over klassiske elektroniske systemer, spesielt:

• Raskere data, siden spinn kan endres mye raskere.
• Lavere energiforbruk, siden spinn kan endres med mindre kraft enn det som kreves for å opprettholde en strøm av elektroner for å skape en strøm.
• Enkle metaller kan brukes i stedet for komplekse halvledermaterialer.

Spintronikk brukes allerede i harddisker og har gjort det mulig for lagringskapasiteten å vokse det siste tiåret.

«Spinn er en kvantemekanisk egenskap ved elektroner, som er som et lite magnetfelt som bæres av elektronene, og peker opp eller ned.

Vi kan utnytte spinnet til elektroner for å overføre og behandle informasjon i såkalte spintroniske enheter.

Talieh Ghiasi – Postdoktorforsker ved Delft University of Technology

Spintronikk for kvantedatabehandling

Nøkkelfordeler med spintronikk for kvantekretser

Spinn er ikke en elektrisk strøm, men en grunnleggende kvanteegenskap ved elektroner, hvor den kvanteinformasjonen lagres i spinnets orientering.

Spintronikkens hovedfordel er at den håndterer transport av magnetiske momenter i stedet for overføring av elektroner. Dermed er det ikke nødvendig at materie beveger seg for å overføre informasjon.

Og siden dette allerede i utgangspunktet er et kvanteelement, er ideen om å lage en spin‑qubit fascinerende. Problemet, som ofte med kvantedatabehandlingssystemer, er å bevare denne informasjonen over tilstrekkelig lange tidsperioder og avstander.

Dette kan være akkurat det forskerne i denne studien har funnet en løsning på, ved å bruke grafen.

Grafen for spintronikk

Grafen er et «mirakelmateriale» i form av en 2D‑lag av karbon. Det har potensial ikke bare innen databehandling, men også innen superlednings, telekommunikasjon, materialvitenskap, og katalyse.

Den har så langt egentlig ikke blitt brukt til spintronikk, til tross for sine bemerkelsesverdige elektriske egenskaper. Årsaken er at påvisning av kvante‑spinnstrømmer i grafen alltid har krevd store magnetfelt som i praksis er umulige å integrere på chip.

Forskerne klarte å omgå behovet for eksterne magnetfelt ved å legge grafen på toppen av en CrPS₄ (krom‑tiofosfat), en todimensjonal antiferromagnetisk halvleder.

Dette magnetiske laget endret grafen sine elektroniske egenskaper betydelig, og ga opphav til den kvantemekaniske spin‑Hall‑effekten (QSH) i grafen.

«Vi observerte at spinntransporten i grafen blir modifisert av den tilstøtende CrPS4, slik at strømmen av elektroner i grafen blir avhengig av elektronenes spinnretning.»

Talieh Ghiasi – Postdoktorforsker ved Delft University of Technology

QSH‑effekten gjør det mulig for elektroner å bevege seg uten hindring langs kantene av grafen, med alle spinnene justert i samme retning.

«Faktum at vi nå oppnår kvante‑spinnstrømmer uten behov for eksterne magnetfelt, åpner veien for fremtidige anvendelser av disse kvante‑spintroniske enhetene.»

Talieh Ghiasi – Postdoktorforsker ved Delft University of Technology
https://www.youtube.com/watch?v=J5NLysqf184

Fremtidsutsikter for grafen‑basert spintronikk

Fordi de kvantemekaniske spinnstrømmene er «topologisk beskyttet», kan de reise titalls mikrometer uten å miste spinninformasjonen i kretsen.

«Disse topologisk‑beskyttede spinnstrømmene er robuste mot uorden og feil, noe som gjør dem pålitelige selv under ufullkomne forhold. Å bevare spinnsignalet uten tap av informasjon er avgjørende for å bygge spintroniske kretser.»

Talieh Ghiasi – Postdoktorforsker ved Delft University of Technology

Denne oppdagelsen baner vei for ultratynne, grafen‑baserte spintroniske kretser. Spinnstrømmene i grafen kan skape en effektiv og koherent overføring av kvanteinformasjon, som hittil har vært begrenset til bruk av lys for å koble sammen kvantedatabehandlingskomponenter.

Så selv om det fortsatt er under utvikling, gjør denne oppdagelsen klart at den endelige utformingen av kvantedatamaskiner og kvantenettverk ennå ikke er bestemt, med materialer som grafen sannsynligvis vil spille en rolle på lang sikt (som en større del av grafen‑halvledere som materialkategori), samt spintronikk generelt.

Investere i grafenselskaper

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG er en grafenprodusent som har fokusert sitt produkttilbud på allerede demonstrerte grafen‑baserte produkter som varmebelegg og smøremidler, noe som øker effektiviteten til industrielt utstyr.

Kilde: GMG

Dette gjør GMG til et godt alternativ for investorer som søker direkte eksponering mot grafenmarkedet og et selskap som allerede er aktivt i masseproduksjon av grafen og forbedring av den nåværende produksjonsmetoden.

Hvis grafen begynner å bli brukt i stor skala for andre anvendelser som databehandling, vil erfaringen og produksjonskapasiteten til eksisterende grafenselskaper være en fordel for å komme inn i disse markedene.

Noen andre anvendelser kan være opprettelsen av grafen‑halvledere (se “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), eller til og med romtemperatur‑superledere. Grafenbelegg kan også brukes i batterier og for hydrogentank‑teknologier.

GMG produserer sin grafen fra metan + hydrogen, noe som skiller seg fra de fleste konkurrenter som produserer den fra naturlige grafittforekomster. Dette gir høyere renhet, bedre skalerbarhet og lavkostproduksjon.

Kilde: GMG

Selskapet lanserte sin første produksjonsanlegg i Australia i 2023, med opptil 1 million liter varmeveksler‑beleggproduksjon per år. Det utvides nå for å produsere 10 millioner tonn per år.

Neste steg for selskapet vil være batteriteknologien basert på grafen‑aluminium‑ion, med grafensløpet som et tilsetningsstoff for katodene i litium‑ion‑batterier. På lang sikt kan det til og med erstatte de grafitt‑baserte katodene fullstendig.

Selskapet utvikler slike grafen‑aluminium‑ion‑batterier ved bruk av en grafen‑katode, som kan oppnå en energitetthet på 290 Wh/kg. Dette utvikles i samarbeid med gruvegiganten Rio Tinto, og kan i første omgang ha anvendelser i tungindustri (som gruvedrift), snarere enn i elbil‑markedet.

Kilde: GMG

Batteriutviklingsplanen forventer bygging av pilotanlegg i 2025, en beslutning om investering i en kommersiell fabrikk i 2026, og at den til slutt settes i drift og første leveranse til kunder innen 2027.

Dette inntoget i batterimarkedet kan være en stor risiko for GMG, men det gir også selskapet en unik mulighet i det fremtidige markedet som kan åpnes for grafen, inkludert energilagring og andre kraftrelaterte anvendelser.

Studien referert

^{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}