Вычисление
Как хиральная спинтроника может преобразовать вычисления
Securities.io поддерживает строгие редакционные стандарты и может получать компенсацию за просмотренные ссылки. Мы не являемся зарегистрированным инвестиционным консультантом, и это не инвестиционный совет. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашим раскрытие аффилированного лица.
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 связано с тем, что обычные микросхемы и память для наших компьютеров и центров обработки данных становится все сложнее изготавливать, а транзисторы последнего поколения имеют размер всего несколько нанометров.
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 заметными являются квантовые вычисления и фотоника, позволяющие либо сократить потребность в вычислениях, либо сделать их более быстрыми и менее энергоемкими.
Другим методом является спинтроника, в которой вместо электрического тока (потока электронов) используется квантовая характеристика — спин электронов.
Преимущества и потенциальные области применения спинтроники
Электронные компоненты, такие как транзисторы, традиционно изготавливаются из кремния и используют полупроводники. Сигналы 0 и 1 в двоичном коде указывают на прохождение или блокировку электрического тока.
Альтернативным способом выполнения вычислений являются спинтронные устройства, которые работают на спине электронов (фундаментальной квантовой характеристике), а не на электрическом токе (потоке электронов).
Источник: Инсайт IAS
Данные могут быть закодированы как в спиновом угловом моменте, который можно представить как встроенную ориентацию электрона «вверх» или «вниз», так и в орбитальном угловом моменте, который описывает, как электроны движутся вокруг атомных ядер.
Поскольку спин содержит больше информации, чем просто 0 и 1, он может содержать больше данных на атом, чем традиционная электроника.
Спинтроника имеет еще несколько преимуществ по сравнению с классическими электронными системамив частности:
- Более быстрые данные, поскольку спин можно менять 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.
- Спин менее изменчив, чем состояние полупроводника, что делает хранение данных более стабильным.
Проведите пальцем, чтобы прокрутить →
| Характеристика | Традиционная электроника | Спинтроника |
|---|---|---|
| Носитель информации | Электрический ток (0 или 1) | Спин электрона (вверх/вниз) |
| Энерго эффективность | Высокая потребность в энергии | Меньшее потребление энергии |
| Макс. скорость подачи | Ограничено текущим потоком | Более быстрое переключение вращения |
| Материалы | Сложные полупроводники | Простые металлы/оксиды |
| Стабильность данных | Энергозависимое хранилище | Стабильный, нелетучий |
Спинтроника начала коммерциализироваться в производстве считывающих головок жестких дисков с 1990-х годов, что значительно повысило плотность хранения за последние десятилетия.
«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».
Талие Гиаси – научный сотрудник Делфтского технического университета
В спинтронике в последнее время достигнут значительный прогресс, например, Потери спина могут быть преобразованы обратно в намагниченность, что делает электронику спинтроники еще более энергоэффективной., или это спинтроника и графен могли бы мощные квантовые схемы следующего поколения.
Учёные продолжают открывать новые методы усовершенствования устройств спинтроники, как, например, исследователи из Сеульского национального университета (Южная Корея), Корейского университета, Корейского института науки и технологий и Медицинской школы Файнберга (США). Они создали магнитные наноспирали, способные управлять спином электрона, что может привести к появлению совершенно нового направления устройств так называемой «хиральной спинтроники».
Они опубликовали свои результаты в престижном научном журнале Science.1, под заголовком «Спин-селективный транспорт через хиральные ферромагнитные наноспирали».
Хиральная спинтроника
Что такое хиральность в спинтронике?
В природе симметрия является фундаментальной характеристикой многих вещей, включая компоненты ДНК и сам свет. Возможно, что две почти идентичные молекулы различаются не составом или формой, а ориентацией – это понятие называется «хиральностью».
Хиральность в самом простом виде можно объяснить тем, чем наша левая рука отличается от правой, несмотря на то, что обе руки идентичны по своей форме, структуре и функциям.
Хиральность играет фундаментальную роль в биологии, поскольку естественный отбор отобрал исключительно «правые» молекулы ДНК, сахара и аминокислоты (основной компонент белков).
Однако это редкое явление в неорганических материалах, которые, как правило, либо неорганизованы, либо представляют собой кристаллы без хиральности.
Как металлы приобретают хиральность для спинтроники
Учёным удалось создать как лево-, так и правозакрученные хиральные магнитные наноспирали, электрохимически управляя процессом кристаллизации металла. Сплав кобальта с железом был выбран из-за его ферромагнитных свойств.
Ключевым нововведением в этом процессе является использование следовых количеств хиральных органических молекул, таких как цинхонин или цинхонидин, которые направляют формирование спиралей.
«В металлах и неорганических материалах контролировать хиральность во время синтеза чрезвычайно сложно, особенно в наномасштабе.
Тот факт, что мы можем программировать направление неорганических спиралей, просто добавляя хиральные молекулы, является прорывом в химии материалов».
Pr. Ки Тэ Нам – Профессор Сеульский национальный университет
Чтобы продемонстрировать хиральность этих наноспиралей, они измерили электромагнитные поля (ЭМП), генерируемые спиралями во вращающихся магнитных полях.
Это создает простой способ проверки того, был ли материал произведен надлежащим образом, поскольку левые и правые спирали создают противоположные сигналы ЭДС, что позволяет количественно проверить хиральность, не требуя от магнитного материала сильного взаимодействия со светом, что является обычным способом проверки хиральности.
Что еще важнее, они обнаружили, что эти хиральные магнитные металлы также могут соответствующим образом направлять спин: они преимущественно пропускают одно направление спина, в то время как противоположное направление спина не может.
«Хиральность хорошо изучена в органических молекулах, где ориентация структуры часто определяет ее биологическую или химическую функцию»,
Pr. Ки Тэ Нам – Профессор Сеульский национальный университет
Потенциальные применения хиральной спинтроники
Благодаря присущей материалу намагниченности (выстраиванию спинов) стал возможен перенос спина на большие расстояния при комнатной температуре.
Этот эффект оказался постоянным, независимо от угла между хиральной осью и направлением инжекции спина. Поскольку он не наблюдался в немагнитных наноспиралях того же масштаба, он, по-видимому, напрямую связан с хиральными магнитными спиралями.
Это стало бы первым в истории обнаруженным асимметричным спиновым переносом в относительно макромасштабном материале.
Группа также продемонстрировала твердотельное устройство, демонстрирующее сигналы проводимости, зависящие от хиральности, что открывает путь для практических приложений спинтроники.
«Эти наноспирали достигают спиновой поляризации, превышающей ~80% — просто за счет своей геометрии и магнетизма»,
«Это редкое сочетание структурной хиральности и собственного ферромагнетизма, позволяющее осуществлять спиновую фильтрацию при комнатной температуре без сложных магнитных схем или криогеники, а также открывающее новый способ управления поведением электронов с использованием структурного проектирования».
Еще одним преимуществом этой новой технологии является то, что процесс производства относительно прост и дешев, не требует использования редких материалов или сложных технологий.
«Мы считаем, что эта система может стать платформой для хиральной спинтроники и архитектуры хиральных магнитных наноструктур.
Эта работа представляет собой мощное сочетание геометрии, магнетизма и спинового транспорта, созданное на основе масштабируемых неорганических материалов».
Для полного изучения потенциала этой новой идеи и материалов предстоит ещё многое сделать. Например, количество нитей (двойных, множественных спиралей) можно изменять по желанию, что может привести к появлению новых, ещё не открытых характеристик.
Ожидается, что возможность контролировать направление (левое/правое) и даже количество нитей (двойные, множественные спирали) с помощью этого универсального электрохимического метода внесет значительный вклад в новые области применения.
Благодаря простоте производства и возможности передачи спина на большие расстояния это может быть очень полезно для производства компьютеров и сетей, полностью основанных на спине, с экономическими преимуществами за счет меньшего потребления энергии и стабильного хранения данных.
Инвестиции в новаторов спинтроники
1. Эверспин Технологии
(MRAM )
Everspin — это подразделение Freescale (теперь известной как NXP, биржевой тикер NXPI), занимающееся разработкой систем памяти MRAM, наиболее распространённой на сегодняшний день коммерчески жизнеспособной разновидности спинтроники. В 2016 году компания была выделена в отдельную компанию и вышла на биржу.
Everspin считается лидером технологии MRAM (магниторезистивная память с произвольным доступом), унаследовав опыт Freescale первый, кто выпустил на рынок чип MRAM в 2006 году..
Поскольку MRAM — это память, которая сохраняется даже при отсутствии тока, ее все чаще используют в случаях, когда критически важные данные слишком важны, чтобы рисковать их потерей.
Ожидается, что рынок постоянной памяти будет расти среднегодовыми темпами на 27.5% в период с 2020 по 2030 год благодаря таким всепроникающим приложениям, как аналитика данных, облачные вычисления (как наземные, так и внеземные), искусственный интеллект (ИИ) и периферийный ИИ, включая промышленный Интернет вещей.
Источник: Эверспин
По оценкам компании, к 7.4 году объем рынка достигнет 2027 млрд долларов. С 2021 года у компании нет долгов, а свободный денежный поток положительный.
Продукция Everspin MRAM в настоящее время занимает небольшую, но растущую нишу, обслуживая рынки, где надежность имеет решающее значение, например, аэрокосмическую отрасль, спутники, регистраторы данных, устройства мониторинга пациентов и т. д.
Источник: Эверспин
Рост чипсетов, искусственного интеллекта и синаптических систем также может стать долгосрочным стимулом для компании.
2. Корпорация НВЕ
(NVEC )
Еще один лидер спинтроники, NVE работает над этой технологией с момента получения первого патента на технологию MRAM в 1995 году.. Он производит спинтронные датчик и изоляторы, в основном используется в измерительных и сенсорных системах для автомобилей, механизмов, медицинских приборов, источников питания и других промышленных устройств.
Источник: NVE
Это ставит NVE в несколько иную категорию, чем Everspin: NVE — это скорее промышленная компания с сильной позицией на узкоспециализированном рынке (магнитометры с использованием спинтроники), в то время как Everspin — это скорее компания, занимающаяся памятью/вычислительной техникой, работающая и конкурирующая с такими компаниями, как Intel, Qualcomm, Toshiba и Samsung, которые также разрабатывают собственный продукт MRAM.
Это может сделать акции более (или менее) привлекательными в зависимости от профилей инвесторов, при этом акции NVE, скорее всего, понравятся более консервативным инвесторам, ищущим дивидендную доходность и безопасность.
Исследования, на которые даны ссылки
1. Ю Сан ЧонИ другие Спин-селективный транспорт через хиральные ферромагнитные наноспирали. Наука. 4 сентября 2025. Том 389, выпуск 6764. стр. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
