Hvordan Kiral Spintronikk Kan Transformere Databehandling

Hvordan Spintronikk Kan Revolusjonere Databehandling

Progressivt begynner verden av maskinvare‑databehandling å se forbi silisiumbrikker, eller til og med klassiske former for binær databehandling helt.

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 databehandling eller gjøre den raskere og mindre energikrevende.

En annen er spintronikk, som utnytter spinnet til elektroner, en kvanteegenskap, i stedet for den elektriske strømmen (elektronenes bevegelse).

Fordeler og Potensielle Anvendelser av Spintronikk

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

En alternativ måte å utføre beregning på er gjennom spintroniske enheter, som opererer på elektronspinn (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for den elektriske strømmen (elektronenes bevegelse).

Kilde: Insight IAS

Data kan kodes både i spinnets vinkelmoment, som kan forestilles som en innebygd “opp” eller “ned” orientering av elektronet, og i orbitalt vinkelmoment, som beskriver hvordan elektroner beveger seg rundt atomkjerner.

Fordi dette inneholder mer informasjon enn kun 0 & 1, kan spinn lagre mer data per atom enn tradisjonell elektronikk.

Spintronikk har noen andre fordeler over klassiske elektroniske systemer, notably:

• 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.
• Spinn er mindre flyktig enn halvlederstatus, noe som gjør datalagringen mer stabil.

Sveip for å rulle →

Spintronikk har blitt kommersialisert i lesehoder for harddisker siden 1990‑tallet, og har betydelig økt lagringstettheten de siste tiårene.

“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 – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Mye nylig fremgang har blitt gjort innen spintronikk, for eksempel at spinn‑tap kan konverteres tilbake til magnetisering, noe som gjør spintronisk elektronikk enda mer energieffektiv, eller at spintronikk & grafen kan drive neste generasjons kvantekretser.

Og forskere oppdager fortsatt nye metoder for å forbedre spintroniske enheter, som forskere ved Seoul National University (Sør‑Korea), Korea University, Korea Institute of Science and Technology og Feinberg School of Medicine (USA). De laget magnetiske nanohelikser som kan kontrollere elektronspinn, noe som kan skape et helt nytt felt av såkalte “kyrale spintronikk” enheter.

De publiserte sine resultater i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Science¹, under tittelen “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

Kiral Spintronikk

Hva Er Kiralitet i Spintronikk?

I naturen er symmetri et grunnleggende trekk ved mange ting, inkludert komponentene i DNA og lyset selv. Det er mulig at to molekyler som er nesten identiske, kan avvike ikke i sammensetning eller form, men i deres orientering, et konsept kalt “kiralitet”.

Kiralitet kan forklares på sin enkleste form som måten vår venstre hånd skiller seg fra høyre hånd, til tross for at begge hender er identiske i form, struktur og funksjon.

Kiralitet spiller en grunnleggende rolle i biologi, hvor naturlig seleksjon har valgt eksklusivt “høyrehåndede” DNA‑molekyler, sukker og aminosyrer (grunnkomponenten i proteiner).

Det er imidlertid sjeldent i uorganiske materialer, som enten er uorganiserte eller krystaller uten kiralitet.

Hvordan Metaller Får Kiralitet for Spintronikk

Forskerne klarte å lage både venstre‑ og høyrehåndede kirale magnetiske nanohelikser ved elektro‑kjemisk kontroll av metallkrystalliseringsprosessen. En legering av kobolt‑jern ble valgt for sine ferromagnetiske egenskaper.

En viktig innovasjon i denne prosessen er bruk av spor av kirale organiske molekyler, som cinchonine eller cinchonidine, som styrte dannelsen av heliksen.

“I metaller og uorganiske materialer er kontroll av kiralitet under syntese ekstremt vanskelig, spesielt på nanoskala.

Fakta at vi kunne programmere retningen til uorganiske helikser bare ved å tilsette kirale molekyler er et gjennombrudd innen materialkjemi.

Pr. Ki Tae Nam – Professor at Seoul National University

For å demonstrere kiraliteten til disse nanoheliksene, målte de elektromagnetiske felt (EMF) generert av heliksen under roterende magnetfelt.

Dette gir en enkel måte å teste om materialet ble produsert riktig, siden venstre‑ og høyrehåndede helikser produserte motsatte EMF‑signaler, noe som tillater kvantitativ verifisering av kiralitet, uten at det magnetiske materialet må interagere sterkt med lys, den vanlige metoden for å sjekke kiralitet.

Enda viktigere oppdaget de at disse kirale magnetiske metallene også kan styre spinnet tilsvarende: de tillater foretrukket én spinnretning å passere, mens den motsatte spinnretningen ikke kan.

“Kiralitet er godt forstått i organiske molekyler, hvor strukturell håndhet ofte bestemmer dens biologiske eller kjemiske funksjon,”

Pr. Ki Tae Nam – Professor at Seoul National University

Potensielle Anvendelser av Kiral Spintronikk

Gjennom materialets iboende magnetisering (spinnjustering) ble langdistanse spinntransport ved romtemperatur mulig.

Denne effekten viste seg å være konstant, uavhengig av vinkelen mellom den kirale aksen og spinninjeksjonsretningen. Siden den ikke ble observert i ikke‑magnetiske nanohelikser av samme skala, ser det ut til å være direkte knyttet til de kirale magnetiske helikser.

Dette vil gjøre det til den første oppdagede asymmetriske spinntransporten i et relativt makroskalert materiale.

Teamet demonstrerte også en solid‑state enhet som viste kiralitet‑avhengige ledningssignaler, og banet vei for praktiske spintroniske anvendelser.

“Disse nanohelikser oppnår spinnpolarisation på over ~80% – kun på grunn av deres geometri og magnetisme,

Dette er en sjelden kombinasjon av strukturell kiralitet og iboende ferromagnetisme, som muliggjør spinnfiltrering ved romtemperatur uten komplekse magnetiske kretser eller kryogenikk, og gir en ny måte å konstruere elektronatferd ved hjelp av strukturelt design.

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

En annen fordel med denne nye teknologien er at produksjonsprosessen er relativt enkel og billig, uten bruk av sjeldne materialer eller komplekse teknologier.

“Vi tror dette systemet kan bli en plattform for kiral spintronikk og arkitekturen av kirale magnetiske nanostrukturer.

Dette arbeidet representerer en kraftig sammensmelting av geometri, magnetisme og spinntransport, bygget fra skalerbare, uorganiske materialer.

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

Mye mer arbeid må fortsatt gjøres for fullt å utforske potensialet til denne nye ideen og materialene. For eksempel kan antallet tråder (doble, flere helikser) endres etter ønske, og kan gi ulike egenskaper som ennå ikke er oppdaget.

Evnen til å kontrollere håndheten (venstre/høyre) og til og med antallet tråder (doble, flere helikser) ved bruk av denne allsidige elektro‑kjemiske metoden forventes å bidra betydelig til nye anvendelsesområder.

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

Mellom enkel produksjon og muligheten for langdistanse spinnoverføring, kan dette være svært nyttig for produksjon av fullt spinnbaserte datamaskiner og nettverk, med økonomiske fordeler fra lavere energiforbruk og stabil datalagring.

Investere i Spintroniske Innovatører

1. Everspin Technologies

Everspin er en avdeling av Freescale (nå kjent som NXP, aksjesymbol NXPI) dedikert til å utvikle MRAM‑minnesystemer, den mest vanlige formen for spintronikk som er kommersielt levedyktig i dag. Selskapet ble skilt ut og gikk på børs i 2016.

Everspin regnes som leder innen MRAM‑teknologi (Magnetoresistiv Random‑Access Memory), og arver Freescales erfaring som den første til å kommersialisere en MRAM‑brikke i 2006.

Fordi MRAM er et minne som vedvarer selv i fravær av strøm, blir det i økende grad brukt i sensitive bruksområder hvor kritiske data er for viktige til å risikere tap.

Drevet av omfattende applikasjoner som dataanalyse, skybasert databehandling, både jordbasert og utenomjordisk, kunstig intelligens (AI) og Edge AI, inkludert Industriell IoT, forventes markedet for vedvarende minne å vokse med en CAGR på 27,5% mellom 2020 og 2030

Everspin

Kilde: Everspin

Selskapet anslår at markedet vil nå en størrelse på 7,4 milliarder dollar innen 2027. Selskapet har hatt ingen gjeld og positiv fri kontantstrøm siden 2021.

Everspin MRAM‑produkter opptar for tiden en liten, men voksende nisje, og betjener markeder hvor pålitelighet er avgjørende, som romfart, satellitter, dataloggere, pasientovervåkningsenheter, osv.

Kilde: Everspin

Veksten i brikkesett, AI og synaptiske systemer kan også gi selskapet et langsiktig løft.

2. NVE Corporation

En annen leder innen spintronikk, NVE har jobbet med denne teknologien siden sitt første patent på MRAM‑teknologi i 1995. Den produserer spintroniske sensorer og isolatorer, hovedsakelig brukt i måle‑ og sensorsystemer for biler, gir, medisinsk utstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheter.

Kilde: NVE

Dette plasserer NVE i en noe annen kategori enn Everspin, med NVE mer som et industriselskap med en sterk posisjon i et nisjemarked (magnetometer som bruker spintronikk), mens Everspin er mer et minne‑/databehandlingsselskap som arbeider med og konkurrerer med selskaper som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba og Samsung, som også utvikler sine egne MRAM‑produkter.

Dette kan gjøre aksjen mer (eller mindre) attraktiv avhengig av investorers profiler, med NVE‑aksjen som sannsynligvis vil appellere til mer konservative investorer som søker utbytteavkastning og sikkerhet.

Refererte Studier

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