Как спинтроника и графен обеспечивают работу квантовых схем следующего поколения

Как спинтроника может произвести революцию в вычислительной технике

Постепенно мир аппаратных вычислений начинает выходить за рамки кремниевых чипов или даже классических форм двоичных вычислений в целом. Это происходит потому, что обычные чипы и память в наших компьютерах и центрах обработки данных становится все сложнее создавать, а транзисторы последнего поколения едва достигают нескольких нанометров в размере.

Другим фактором является то, что потребление энергии становится проблемой, поскольку спрос на вычислительную мощность, особенно для систем искусственного интеллекта, продолжает расти.

Существует множество предлагаемых решений, среди которых наиболее перспективными являются квантовые вычисления и фотоника, позволяющие либо сократить потребность в вычислениях, либо сделать их более быстрыми и менее энергозатратными.

Другим направлением является спинтроника, которая использует спин электронов вместо электрического тока (потока электронов).

Исследователи из Делфтского технологического университета (Нидерланды), Национального института материаловедения Цукуба (Япония), Университета Валенсии (Испания), Университета Регенсбурга (Германия) и Гарвардского университета (США) создали новое спинтронное графеновое устройство.

В отличие от предыдущей версии этой технологии, она не требует мощных магнитов, что делает ее гораздо более совместимой с другими электронными компонентами. Они опубликовали свои результаты в Nature Communications¹, под заголовком «Квантовый спиновый эффект Холла в магнитном графене».

Потенциал спинтроники

Электронные компоненты, такие как транзисторы, традиционно изготавливаются из кремния и полагаются на полупроводники. Сигналы 0 и 1 в двоичном коде указывают на прохождение или блокировку электрического тока.

Альтернативным способом выполнения вычислений являются устройства спинтроники, которые работают на спине электронов (фундаментальной квантовой характеристике), а не на электрическом токе (потоке электронов).

Источник: Инсайт IAS

Спинтроника имеет несколько преимуществ перед классическими электронными системами.в частности:

• Более быстрые данные, поскольку вращение можно изменить гораздо быстрее.
• Меньшее потребление энергии, поскольку спин можно изменить с меньшей силой, чем требуется для поддержания потока электронов для создания тока.
• Вместо сложных полупроводниковых материалов можно использовать простые металлы.

Технология Spintronics уже используется в жестких дисках и позволила увеличить емкость хранилища за последнее десятилетие.

«Спин — это квантово-механическое свойство электронов, которое подобно крошечному магниту, переносимому электронами и направленному вверх или вниз.

Мы можем использовать спин электронов для передачи и обработки информации в так называемых устройствах спинтроники».

Талиех Гиаси – Постдокторантское исследованиег в Дельфтский технологический университет

Спинтроника для квантовых вычислений

Основные преимущества спинтроники для квантовых схем

Спин — это не электрический ток, а фундаментальная квантовая характеристика электронов, где квантовая информация хранится в ориентации спина.

Главное преимущество спинтроники заключается в том, что она занимается переносом магнитных моментов, а не электронов. Таким образом, для передачи информации нет необходимости в перемещении материи.

И поскольку это уже изначально квантовый элемент, идея создания спинового кубита является интригующей. Проблема, как часто бывает с квантовыми вычислительными системами, заключается в том, чтобы сохранить эту информацию в течение достаточно длительных периодов времени и расстояний.

И, возможно, именно эту проблему удалось решить ученым в ходе данного исследования с помощью графена.

Графен для спинтроники

Графен — это «чудо-материал» в форме 2D слой углерода. Он имеет потенциал не только в вычислительной технике, но и в сверхпроводимость, телекоммуникация, материаловедение и катализ.

До сих пор он не использовался в спинтронике, несмотря на его замечательные электрические свойства. Причина в том, что обнаружение квантовых спиновых токов в графене всегда требовало больших магнитных полей, которые практически невозможно интегрировать на чипе.

Исследователи смогли обойти необходимость во внешних магнитных полях, нанеся графен поверх CrPS₄ (тиофосфата хрома) — двумерного антиферромагнитного полупроводника.

Этот магнитный слой существенно изменил электронные свойства графена, вызвав квантовый спиновый эффект Холла (QSH) в графене.

«Мы наблюдали, что перенос спина в графене изменяется под воздействием соседнего CrPS4 таким образом, что поток электронов в графене становится зависимым от направления спина электронов».

Талиех Гиаси – Постдокторантское исследованиег в Дельфтский технологический университет

Эффект QSH позволяет электронам беспрепятственно перемещаться вдоль краев графена, не прерываясь, при этом все их спины выровнены в одном направлении.

«Тот факт, что мы теперь достигаем квантовых спиновых токов без необходимости использования внешних магнитных полей, открывает путь для будущих применений этих квантовых спинтронных устройств».

Талиех Гиаси – Постдокторантское исследованиег в Дельфтский технологический университет

Перспективы развития спинтроники на основе графена

Поскольку квантовые спиновые токи «топологически защищены», они могут перемещаться на расстояния в десятки микрометров, не теряя спиновой информации в цепи.

«Эти топологически защищенные спиновые токи устойчивы к нарушениям и дефектам, что делает их надежными даже в неидеальных условиях. Сохранение спинового сигнала без потери информации имеет жизненно важное значение для построения спинтронных схем».

Талиех Гиаси – Постдокторантское исследованиег в Дельфтский технологический университет

Это открытие прокладывает путь к сверхтонким спинтронным схемам на основе графена. Спиновые токи в графене могут создать эффективную и когерентную передачу квантовой информации, до сих пор ограничивались использованием света для соединения компонентов квантовых вычислений.

Таким образом, хотя работа еще не завершена, это открытие ясно показывает, что окончательная конструкция квантовых компьютеров и квантовых сетей еще не определена, и такие материалы, как графен, вероятно, будут играть свою роль в долгосрочной перспективе (как большая часть Графеновые полупроводники как категория материалов), а также спинтроники в целом.

Инвестиции в компании, занимающиеся графеном

Группа по производству графена (GMG)

GMG — производитель графена, сосредоточивший свое предложение на уже зарекомендовавших себя продуктах на основе графена, таких как термопокрытия и смазочные материалы, повышающие эффективность промышленного оборудования.

Источник: GMG

Это делает GMG хорошим вариантом для инвесторов, желающих напрямую выйти на рынок графена, и для компании, которая уже активно занимается массовым производством графена и совершенствует существующие методы производства.

Если графен начнет широко использоваться в других областях, например, в вычислительной технике, опыт и производственные мощности существующих компаний, работающих с графеном, станут преимуществом для выхода на эти рынки.

Другим применением может быть создание графеновых полупроводников (см. «Графеновые полупроводники – они наконец здесь?"), или даже сверхпроводники при комнатной температуре. Графеновое покрытие также может найти применение в батареях и технологиях изготовления водородных сосудов под давлением.

GMG производит свой графен из метана + водорода, что отличается от большинства конкурентов, которые производят его из природных залежей графита. Это обеспечивает более высокую чистоту, большую масштабируемость и низкую себестоимость производства.

Источник: GMG

Компания запустила свой первый производственный объект в Австралии в 2023 году с объемом производства до 1 миллиона литров теплообменного покрытия в год. Сейчас она расширяется до производства 10 миллионов тонн в год.

Следующим шагом компании станет разработка технологии аккумуляторов на основе графен-алюминий-ионов, при этом графеновая суспензия будет использоваться в качестве добавки к катодам литий-ионных аккумуляторов. В долгосрочной перспективе она может даже полностью заменить графитовые катоды.

Компания разрабатывает такие графеновые алюминиевые ионные батареи с использованием графенового катода, который может достигать плотности энергии 290 Вт·ч/кг. Это разработано в партнерстве с горнодобывающим гигантом Rio Tinto и может сначала найти применение в тяжелой промышленности (например, в горнодобывающей промышленности), а не на рынках электромобилей.

Источник: GMG

План развития аккумуляторных батарей предполагает строительство пилотных заводов в 2025 году, принятие решения об инвестициях в коммерческий завод в 2026 году и его окончательный ввод в эксплуатацию и первую поставку клиентам к 2027 году.

Выход на рынок аккумуляторов может стать для GMG большой авантюрой, но он также открывает перед ней уникальную возможность на будущем рынке, который может открыться для графена, в том числе в области хранения энергии и других приложений, связанных с электропитанием.

Ссылающееся исследование

^{1. Гиаси Т.С., Петросян Д., Ингла-Айнес Дж. и др. Квантовый спиновый эффект Холла в магнитном графене. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}