Kontroll av elektronikk gjennom fotoeksitasjon – Vil magnetitt innføre neste generasjons enheter?

Potensialet for spintronics

Elektroniske komponenter som transistorer er tradisjonelt bygget av silisium og avhenger av halvledere. 0 og 1 signaler i binær indikerer passering eller blokkering av en elektrisk strøm. En alternativ måte å utføre beregninger er spintronics-enheter som kjører på spinn av elektroner (en grunnleggende kvantegenskap) i stedet for elektrisk strøm (elektronstrøm).

Spintronics har noen fordeler over klassiske elektroniske systemer, blant annet:

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

Spintronics brukes særlig i harddisker og har gjort det mulig å øke lagringskapasiteten over de siste ti årene.

Et materiale som allerede brukes i spintronics er magnetitt, en naturlig forekommende mineral bestående av oksygen og to former for jern i ulike oksidasjonsnivåer.

Source: Britannica

Til tross for at magnetitt har vært kjent for sine magnetiske egenskaper i tiår, synes det å være mer å lære om det.

Forskere fra EPFL i Sveits har oppdaget at laser kan skape nye faseendringer i magnetitt som tidligere var ukjente. Dette kan på sin side føre til en ny generasjon av elektroniske enheter.

De skjulte egenskapene til magnetitt

Forskerne konsentrerte seg om magnetitt på grunn av dets metal-til-isolator-egenskaper, som gjør det mulig å skifte fra en ledende til en ikke-ledende tilstand. Dette kalles også en faseovergang, der materialets egenskaper plutselig endrer seg fra en fase til en annen, litt som hvordan flytende vann kan bli til is med helt forskjellige egenskaper.

Ved å bruke to ulike typer laser, en som sender lys på 800 nm og en på 400 nm (infrarød og synlig lys), oppdaget de at nye faser dukket opp i magnetitt som ikke var identifisert før.

Dette er ikke en trivial sak, da forskerne måtte oppdage endringer som skjedde i en infinitesimalt liten tidsperiode. For å gjøre dette, brukte de en teknikk kalt Ultrafast Electron Diffraction (UED), som gjorde det mulig å se på atombevegelser som varte mindre enn en pikosekund eller en trilliondel av et sekund.

Endring av romlig konfigurasjon

Vanligvis er magnetitts atomstruktur “en monoklin gitter”, der enhetscellen er formet som en skjev boks med tre ulike kanter. To av vinklene er 90 grader, mens den tredje er forskjellig.

Source: ACS

Lys på 800 nm gjør at magnetitts atomstruktur komprimeres, og den blir en kubisk struktur. Den ultra-rask observasjonen viste at forskerne at det skjedde gjennom en 3-stegs prosess.

Lys på 400 nm gjorde at den metalliske atomstrukturen utvidet seg, og skapte en svært stabil konfigurasjon, som gjorde den til en svært stabil isolator.

Denne konfigurasjonen er forskjellig fra den tidligere kjente stabile likevekt i magnetitt og gir dypt innsikt i hva som faktisk skjer under metal-til-isolator-overgangen.

Nye elektroniske systemer

Dette oppdagelsen betyr at det er mulig å endre effekten på spinn og strøm i magnetitt bare med lys fra laser.

Takk til svært rask laser-systemer, kan det tillate at foton-pulser kan raskt endre i en kontrollert måte naturen til det metalliske materialet.

“Vår studie åpner opp for en ny tilnærming til å kontrollere materie på ultra-rask tidsskala ved hjelp av tilpassede foton-pulser.

Å kunne indusere og kontrollere skjulte faser i magnetitt kan ha betydelige implikasjoner for utviklingen av avanserte materialer og enheter.

For eksempel kan materialer som kan skifte mellom ulike elektroniske tilstander raskt og effektivt brukes i neste generasjons datamaskiner og minneenheter.”

Bedre minne

Spintronics og magnetitt er nye grenser for elektroniske systemprodusenter. Det som startet i en harddisk er nå i utvidelse til andre minnesystemer.

For eksempel kan tilfeldig tilgangsminne (DRAM) erstattes med magnetisk RAM (MRAM). Den første versjonen av dette konseptet er allerede en kommersiell produkt fra Everspin og har vært brukt i Airbus-fly, takket være sin motstandskraft mot temperaturforandringer samt kosmisk stråling sammenlignet med tradisjonelle minnesystemer.

En annen fordel med MRAM er dens mindre størrelse og lavere energiforbruk, som betyr opptil 80% mindre energibehov. Dette kan tillate MRAM å bli inkorporert som cache-minne i prosessorer med en større total kapasitet, samtidig som det forbruker mindre kraft og genererer mindre varme, med både plass og varme som blir viktige begrensninger i prosessorforbedring.

Fotoni?

Bruken av laser til å endre magnetitt-forhold er påminnende om det voksende feltet fotoni, en av alternativene vi diskuterte i vår artikkel om selskaper som flytter beregning utenfor halvleder-systemer.

Et system som allerede bruker laser og lys til å utføre beregninger kan være svært godt hjulpet av et minnesystem som avhenger av magnetitts faseendring indusert av lys. Dette kan potensielt tillate at beregningsresultatet kan bli direkte konvertert til data med lite mellomliggende steg som forbruker kraft og sakter ned tingene.

Spintronics-selskaper

1. Everspin Technologies

Everspin er grenen av Freescale (nåværende navn NXP, aksje-ticker NXPI) som er dedikert til å utvikle MRAM-minnesystemer. Det ble spinn-ut og IPO i 2016.

Everspin anses som lederen av MRAM-teknologi, og har arvet Freescales erfaring med å være den første til å kommersialisere en MRAM-chip i 2006.

Fordi MRAM er et minne som består selv i fravær av en strøm, brukes det stadig i følsomme bruksområder der kritiske data er viktige.

Driven by pervasive applications such as data analytics, cloud computing, both terrestrial and extraterrestrial, artificial intelligence (AI), and Edge AI including Industrial IoT, the market for persistent memory is projected to grow at a CAGR of 27.5% between 2020 and 2030

Everspin

Source: Everspin

Selskapet anslår at markedet vil nå en størrelse på 7,4 milliarder dollar i 2027. Selskapet har ingen gjeld og positivt fritt cash-flow siden 2021.

Everspin MRAM-produkter er for tiden i en liten, men voksende nisje, og betjener markeder der pålitelighet er kritisk som luftfart, satellitter, dataopptakere, pasientovervåkningssystemer osv.

Source: Everspin

Veksten av chipsett, AI og synaptiske systemer kan også være en langtidsboost for selskapet.

2. NVE Corporation

Et annet ledende selskap innen spintronics, NVE har arbeidet med denne teknologien siden sin første patent i MRAM-teknologi i 1995.

Det produserer spintroniske sensore og isolatorer, hovedsakelig brukt i måle- og sensorsystemer for biler, gir, medisinske enheter, strømforsyninger og andre industrielle enheter.

Source: NVE

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

Dette kan gjøre det til et mer (eller mindre) attraktivt aksje, avhengig av investorenes profil, med NVEs aksje mer sannsynlig å tiltrekke seg mer konservative investorer som søker etter en avkastning og sikkerhet.