Magnoner: Fremtiden for energieffektive brikker

Magnon Computing: En ny vei til lavenergi‑brikker

Ettersom etterspørselen etter mer datakraft øker, blir metodene som har blitt brukt hittil gradvis utilstrekkelige. Mest bemerkelsesverdig er at alle silisium‑baserte brikker, enten det er CPU‑er, GPU‑er eller andre, har en tendens til å forbruke mye energi.

Den forbrukte energien omdannes til varme, som må avledes fra datasenter‑servere, ellers kan de skade elektroniske komponenter.

Dette gjør at energiforsyning og kjøling blir de viktigste begrensningene for nye AI‑datasentre, i like stor eller større grad enn utvikling og levering av avanserte brikker.

En måte å redusere energiforbruket i beregning på er å ta i bruk spintronikk, som bruker elektronspinn til å utføre beregninger. Dette er en teknologi som allerede brukes i harddisker og datalagring, men som raskt nærmer seg kommersiell anvendelse også innen beregning.

Et nytt skritt mot dette målet er tatt av forskere ved University of Delaware og University of Maryland. De oppdaget hvordan spinnbølger kan omdannes til elektrisk strøm, og avslørte en vei mot både en dypere forståelse av magnetiske materialer.

De publiserte funnene sine i PNAS¹, under tittelen “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”.

Fordeler med spintronikk og mulige bruksområder

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 gjennom spintroniske enheter, som opererer på elektronspinn (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for elektrisk strøm (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 bare 0 & 1, kan spinn lagre mer data per atom enn tradisjonell elektronikk.

Spintronikk har flere fordeler sammenlignet med klassiske elektroniske systemer, blant annet:

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

«Spinn er en kvantemekanisk egenskap ved elektroner, omtrent som en liten magnet som bæres av elektronene og peker opp eller ned.

Vi kan utnytte elektronspinn til å overføre og behandle informasjon i såkalte spintroniske enheter.

Talieh Ghiasi – postdoktor ved Delft tekniske universitet

Kontroll av magnoner for neste generasjons spintronikk

Magnoner forklart

Forskerne fokuserte på spinnstrømmer, også kalt magnoner, som oppfører seg som en magnetisk bølge, og beveger elektronenes spinn langs sin vei.

Kilde: Hubpage

Magnoner er den sentrale delen av potensielle spintroniske enheter. Dette skyldes at, siden elektronene selv forblir stillestående mens magnoner passerer gjennom dem, er det ingen varme som må avledes, den viktigste begrensende faktoren i silisiumbrikker.

I denne studien fant forskerne at transport av magnoner kan indusere målbar elektrisk polarisasjon. De brukte et materiale strukturert som en bikake laget av nikkel‑fosfor‑selenium (NiPSe3).

De oppdaget at den induserte netto elektriske polarisasjonen er omtrent 1 000 ganger større enn den for tidligere brukte materialer, som mangan‑fosfor‑svovel (MnPS3).

Utover spinnstrømmer

Tidligere fant andre forskergrupper at magnoner kan brukes til å omdanne spinntap til energi og dermed øke effektiviteten i spintroniske systemer betydelig. Andre fremskritt innen kiral spintronikk og skalerbare spinnbølgenettverk gir også lovende bidrag til mulige fremtidige spintronikkbaserte datamaskiner.

Denne studien går enda lenger ved å bevise at magnoner, til tross for sin ladningsnøytralitet, kan indusere elektrisk polarisasjon gjennom sine spinn‑ og orbitalmoment.

Dette skjer gjennom «Nernst-effekten», der et elektrisk felt oppstår når et materiale utsettes for både en temperaturgradient og et magnetfelt.

Enda viktigere er at de også fant at den netto elektriske polarisasjonen kan kontrolleres av eksterne magnetfelt (en metode kalt magnon‑hybridisering).

Disse funnene viser at elektriske felt kan brukes både til å oppdage og manipulere magnoner under visse forhold ved å utnytte deres spinn‑ og orbitalvinkelmoment.

Mot en samlet magnetisk beregningsmodell

Oppdagelsen bygger på tidligere arbeid fra det samme forskerteamet, som søkte en samlet forståelse av spinn, magnoner og elektronenes banebevegelse.

«Disse resultatene samler fremskritt innen magnonikk, spinn-orbitronikk og orbitronikk i ett rammeverk som kan brukes til å forstå og styre manipulasjonen av magnetiske tilstander.»

Denne siste oppdagelsen kan gjøre magnoner fra interessante fenomener som ligger til grunn for spintronikk til fullt kontrollerbare effekter, ved bruk av magnetfelt.

Den skaper også et teoretisk rammeverk som senere vil være nyttig for å oppdage eller utvikle materialer med betydelige magnon‑orbitalmoment, noe som gjør magnon‑egenskapene lettere å manipulere etter ønske.

Selv om spintronikk‑brikker ennå ikke er klare for rutinemessig integrering i AI‑datasentre og datamaskiner, gjør de raske fremskritt mot en samlet forståelse, både på teoretisk og praktisk ingeniørnivå.

Dette kan igjen ha viktige implikasjoner for hvordan vi bygger neste generasjon av både klassiske og kvante‑datamaskiner.

I mellomtiden brukes spintronikk allerede av selskaper til å bygge minneelektronikk og sensorer, og de kan bli avgjørende for å skape mer avanserte spintronikk‑brikker i fremtiden.

Investering i spintronikk

1. Everspin Technologies

Everspin er en avdeling av Freescale (nå kjent som NXP
(NXPI )) dedikert til å utvikle MRAM‑minnesystemer. Den ble spin‑out fra Freescale og gikk på børs i 2016.

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

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

«Drevet av gjennomgripende applikasjoner som dataanalyse, sky‑computing, 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, dataopptakere, 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 arbeidet 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, der NVE er mer 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 investorprofiler, hvor NVE‑aksjen sannsynligvis vil appellere mer til konservative investorer som søker utbytteavkastning og sikkerhet.

Referert studie

^{1. D. Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren mfl. Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects. PNAS. 23. oktober 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}