Computing
Jak spintronika chiralna może przekształcić informatykę
Securities.io utrzymuje rygorystyczne standardy redakcyjne i może otrzymywać wynagrodzenie z przeglądanych linków. Nie jesteśmy zarejestrowanym doradcą inwestycyjnym i nie jest to porada inwestycyjna. Zapoznaj się z naszymi ujawnienie informacji o stowarzyszeniu.
Jak spintronika może zrewolucjonizować informatykę
Świat komputerów sprzętowych zaczyna stopniowo wykraczać poza układy scalone krzemowe, a nawet klasyczne formy komputerów binarnych.
Dzieje się tak, ponieważ standardowe układy scalone i pamięci stosowane w naszych komputerach i centrach danych stają się coraz trudniejsze w produkcji, a w najnowszej generacji tranzystory mają rozmiar zaledwie kilku nanometrów.
Kolejnym czynnikiem jest to, że zużycie energii staje się problemem, ponieważ zapotrzebowanie na moc obliczeniową, szczególnie w przypadku systemów AI, stale rośnie.
Proponowanych jest wiele rozwiązań, przy czym komputery kwantowe i fotonika to najpopularniejsze opcje mające na celu albo zmniejszenie zapotrzebowania na moc obliczeniową, albo przyspieszenie jej i zmniejszenie zużycia energii.
Inną dziedziną jest spintronika, która wykorzystuje spin elektronów, cechę kwantową, zamiast prądu elektrycznego (przepływu elektronów).
Zalety i potencjalne zastosowania spintroniki
Elementy elektroniczne, takie jak tranzystory, są tradycyjnie budowane z krzemu i opierają się na półprzewodnikach. Sygnały 0 i 1 w zapisie binarnym wskazują na przepływ lub blokowanie prądu elektrycznego.
Alternatywnym sposobem wykonywania obliczeń są urządzenia spintroniczne, które działają w oparciu o spin elektronów (podstawową cechę kwantową), a nie prąd elektryczny (przepływ elektronów).
Źródło: Wgląd IAS
Dane mogą być zakodowane zarówno w momencie pędu spinowego, który można sobie wyobrazić jako wbudowaną orientację elektronu w górę lub w dół, jak i w momencie pędu orbitalnego, który opisuje sposób, w jaki elektrony poruszają się wokół jąder atomowych.
Ponieważ spin zawiera więcej informacji niż tylko 0 i 1, może zawierać więcej danych na atom niż tradycyjna elektronika.
Spintronika ma kilka innych zalet w porównaniu z klasycznymi systemami elektronicznymi, w szczególności:
- Szybsze dane, ponieważ spin można zmieniać znacznie szybciej.
- Mniejsze zużycie energii, ponieważ spin można zmienić przy użyciu mniejszej mocy, niż potrzeba do utrzymania strumienia elektronów w celu wytworzenia prądu.
- Zamiast złożonych materiałów półprzewodnikowych można zastosować proste metale.
- Spin jest mniej zmienny niż stan półprzewodnika, co sprawia, że przechowywanie danych jest bardziej stabilne.
Przesuń, aby przewijać →
| Cecha | Tradycyjna elektronika | Spintronika |
|---|---|---|
| Nośnik informacji | Prąd elektryczny (0 lub 1) | Spin elektronu (w górę/w dół) |
| Efektywności energetycznej | Duże zapotrzebowanie na moc | Niższe zużycie energii |
| Prędkość | Ograniczone przez przepływ prądu | Szybsze przełączanie spinów |
| Materiały | Złożone półprzewodniki | Proste metale/tlenki |
| Stabilność danych | Magazynowanie niestabilne | Stabilny, nieulotny |
Spintronika jest wykorzystywana komercyjnie w głowicach odczytu dysków twardych od lat 1990. ubiegłego wieku, co pozwoliło na znaczne zwiększenie gęstości zapisu danych w ciągu ostatnich dekad.
„Spin to kwantowo-mechaniczna właściwość elektronów, która działa jak maleńki magnes unoszony przez elektrony i skierowany w górę lub w dół.
Możemy wykorzystać spin elektronów do przesyłania i przetwarzania informacji w tzw. urządzeniach spintronicznych.”
Talieh Ghiasi – badaczka postdoktorska na Uniwersytecie Technologicznym w Delfcie
Ostatnio poczyniono wiele postępów w spintronice, na przykład w zakresie stratę spinu można ponownie przekształcić w namagnesowanie, dzięki czemu elektronika spintroniczna staje się jeszcze bardziej energooszczędna, albo to spintronika i grafen mógłby zasilać obwody kwantowe nowej generacji.
Naukowcy wciąż odkrywają nowe metody ulepszania urządzeń spintronicznych, czego przykładem są badacze z Uniwersytetu Narodowego w Seulu (Korea Południowa), Uniwersytetu Koreańskiego, Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii oraz Szkoły Medycznej im. Feinberga (USA). Stworzyli oni magnetyczne nanohelisy, które mogą kontrolować spin elektronów, co może dać początek zupełnie nowej dziedzinie urządzeń tzw. „chiral spintronics”.
Wyniki swoich badań opublikowali w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Science”.1, pod tytułem "Transport selektywny spinowo przez chiralne ferromagnetyczne nanohelisy".
Spintronika chiralna
Czym jest chiralność w spintronice?
W naturze symetria jest fundamentalną cechą wielu rzeczy, w tym składników DNA i samego światła. Możliwe jest, że dwie niemal identyczne cząsteczki różnią się nie składem ani kształtem, ale orientacją – pojęcie to nazywa się „chiralnością”.
Chiralność można najprościej wyjaśnić jako sposób, w jaki nasza lewa ręka różni się od prawej, pomimo że obie ręce są identyczne pod względem kształtu, struktury i funkcji.
Chiralność odgrywa fundamentalną rolę w biologii, a dobór naturalny wyselekcjonował wyłącznie „prawoskrętne” cząsteczki DNA, cukier i aminokwasy (podstawowy składnik białek).
Jest to jednak rzadkie zjawisko w materiałach nieorganicznych, które mają tendencję do bycia niezorganizowanymi lub tworzenia kryształów pozbawionych chiralności.
Jak metale zyskują chiralność na potrzeby spintroniki
Naukowcom udało się stworzyć zarówno lewoskrętne, jak i prawoskrętne chiralne nanohelisy magnetyczne, kontrolując elektrochemicznie proces krystalizacji metalu. Wybrano stop kobaltu i żelaza ze względu na jego właściwości ferromagnetyczne.
Kluczową innowacją w tym procesie jest wykorzystanie śladowych ilości chiralnych cząsteczek organicznych, takich jak cynchonina lub cynchonidyna, które kierują formowaniem helis.
„W przypadku metali i materiałów nieorganicznych kontrolowanie chiralności podczas syntezy jest niezwykle trudne, zwłaszcza w skali nano.
Fakt, że potrafiliśmy programować kierunek helis nieorganicznych, po prostu dodając cząsteczki chiralne, stanowi przełom w chemii materiałów”.
Aby wykazać chiralność tych nanohelis, naukowcy zmierzyli pola elektromagnetyczne (PEM) wytwarzane przez helisy pod wpływem wirującego pola magnetycznego.
Dzięki temu można łatwo sprawdzić, czy materiał został wyprodukowany prawidłowo, ponieważ helisy lewoskrętne i prawoskrętne wytwarzają przeciwne sygnały EMF, co pozwala na ilościową weryfikację chiralności, bez konieczności silnej interakcji materiału magnetycznego ze światłem, co jest powszechną metodą sprawdzania chiralności.
Co ważniejsze, odkryli, że te chiralne metale magnetyczne mogą również odpowiednio kierować spinem: preferencyjnie pozwalają na przejście jednego kierunku spinu, podczas gdy spin w przeciwnym kierunku nie może.
„Chiralność jest dobrze zrozumiana w cząsteczkach organicznych, gdzie skrętność struktury często determinuje jej funkcję biologiczną lub chemiczną”
Potencjalne zastosowania spintroniki chiralnej
Dzięki wrodzonej magnetyzacji materiału (wyrównaniu spinów) możliwy stał się transport spinów na duże odległości w temperaturze pokojowej.
Efekt ten okazał się stały, niezależnie od kąta między osią chiralną a kierunkiem wtrysku spinu. Ponieważ nie zaobserwowano go w niemagnetycznych nanohelisach o tej samej skali, wydaje się, że jest on bezpośrednio związany z chiralnymi helisami magnetycznymi.
Byłoby to pierwsze odkrycie asymetrycznego transportu spinu w materiale o stosunkowo dużej skali.
Zespół zademonstrował również urządzenie półprzewodnikowe, które wykazywało sygnały przewodzenia zależne od chiralności, torując drogę do praktycznych zastosowań spintroniki.
„Te nanohelisy osiągają polaryzację spinu przekraczającą ~80% — wyłącznie dzięki swojej geometrii i magnetyzmowi”
To rzadkie połączenie chiralności strukturalnej i wewnętrznego ferromagnetyzmu, umożliwiające filtrowanie spinów w temperaturze pokojowej bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów magnetycznych lub kriogeniki, a także zapewniające nowy sposób projektowania zachowania elektronów przy użyciu projektowania strukturalnego.
Kolejną zaletą tej nowej technologii jest to, że proces jej wytwarzania jest stosunkowo prosty i tani, a ponadto nie wymaga stosowania rzadkich materiałów ani skomplikowanych technologii.
„Wierzymy, że system ten może stać się platformą dla chiralnej spintroniki i architektury chiralnych nanostruktur magnetycznych.
Praca ta stanowi potężne połączenie geometrii, magnetyzmu i transportu spinu, zbudowane z skalowalnych, nieorganicznych materiałów.”
Nadal potrzeba znacznie więcej pracy, aby w pełni zbadać potencjał tej nowej idei i materiałów. Na przykład, liczba nici (podwójnych i wielokrotnych helis) może być dowolnie modyfikowana, co może prowadzić do uzyskania nowych, jeszcze nieodkrytych właściwości.
Możliwość kontrolowania skrętności (lewo/prawo), a nawet liczby nici (podwójnych, wielokrotnych helis) przy użyciu tej wszechstronnej metody elektrochemicznej powinna znacząco przyczynić się do powstania nowych obszarów zastosowań.
Ze względu na łatwość produkcji i możliwość przesyłu spinu na duże odległości, rozwiązanie to mogłoby się okazać bardzo przydatne przy produkcji komputerów i sieci całkowicie opartych na spinie, przy czym korzyści ekonomiczne wynikałyby z niższego zużycia energii i stabilnego przechowywania danych.
Inwestowanie w innowatorów spintronicznych
1. Technologie Everspin
(MRAM )
Everspin to oddział Freescale (obecnie znany jako NXP, oznaczony symbolem giełdowym NXPI) zajmujący się rozwojem systemów pamięci MRAM, najpopularniejszej obecnie komercyjnie opłacalnej formy spintroniki. Firma została wydzielona i weszła na giełdę w 2016 roku.
Everspin jest uważany za lidera technologii MRAM (pamięci magnetorezystancyjne o swobodnym dostępie), odziedziczając doświadczenie firmy Freescale w zakresie jako pierwszy wprowadził na rynek układ MRAM w 2006 roku.
Ponieważ pamięć MRAM funkcjonuje nawet po zaniku zasilania, jest coraz częściej wykorzystywana w sytuacjach, w których dane krytyczne są zbyt ważne, by ryzykować ich utratę.
Napędzany przez powszechne aplikacje, takie jak analiza danych, przetwarzanie w chmurze, zarówno naziemne, jak i pozaziemskie, sztuczna inteligencja (AI) i Edge AI, w tym przemysłowy IoT, rynek pamięci trwałej ma według prognoz rosnąć w tempie CAGR wynoszącym 27.5% w latach 2020–2030
Źródło: Everspin
Firma szacuje, że do 7.4 roku rynek osiągnie wartość 2027 mld dolarów. Od 2021 roku firma nie miała żadnego zadłużenia i wykazywała dodatni wolny przepływ środków pieniężnych.
Produkty MRAM firmy Everspin zajmują obecnie niewielką, ale rozwijającą się niszę, obsługując rynki, w których niezawodność ma kluczowe znaczenie, np. przemysł lotniczy i kosmiczny, satelity, rejestratory danych, urządzenia do monitorowania pacjentów itp.
Źródło: Everspin
Rozwój chipsetów, sztucznej inteligencji i systemów synaptycznych może również stanowić długoterminowy impuls dla firmy.
2. Firma NVE
(NVEC )
Kolejny lider spintroniki, NVE pracuje nad tą technologią od czasu swojego pierwszego patentu na technologię MRAM w 1995 roku. Produkuje spintronikę czujniki oraz izolatory, stosowany głównie w systemach pomiarowych i czujnikowych do samochodów, przekładni, urządzeń medycznych, zasilaczy i innych urządzeń przemysłowych.
Źródło: NVE
Stawia to NVE w nieco innej kategorii niż Everspin, przy czym NVE jest raczej firmą przemysłową o silnej pozycji w niszy rynkowej (magnetometry wykorzystujące spintronikę), podczas gdy Everspin jest raczej firmą zajmującą się pamięcią/obliczeniami, współpracującą i konkurującą z takimi firmami jak Intel, Qualcomm, Toshiba i Samsung, które również opracowują własne produkty MRAM.
Może to sprawić, że akcje będą bardziej (lub mniej) atrakcyjne w zależności od profilu inwestorów, przy czym akcje NVE będą prawdopodobnie bardziej atrakcyjne dla bardziej konserwatywnych inwestorów, którzy szukają dywidendy i bezpieczeństwa.
Przywoływane badania
1. Yoo Sang Jeon, I in. Transport selektywny spinowo przez chiralne ferromagnetyczne nanohelisy. Nauka. 4 września 2025. Vol 389, wydanie 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
