Hur spintronik och grafen driver nästa generations kvantkretsar

Hur spintronik kan revolutionera databehandling

Allt mer ser hårdvarudatabehandlingens värld bortom kiselchips, eller till och med klassiska former av binär databehandling helt och hållet. Detta beror på att de vanliga chippen och minnet i våra datorer och datacenter blir allt svårare att tillverka, där den senaste generationen har transistorer som knappt är några nanometer stora.

En annan faktor är att energiförbrukningen blir ett problem i takt med att efterfrågan på beräkningskraft, särskilt för AI‑system, fortsätter att öka.

Det finns många föreslagna lösningar, där kvantdatorer och fotonik är de mest framstående alternativen för att antingen minska efterfrågan på beräkning eller göra den snabbare och mindre energikrävande.

En annan är spintronik, som utnyttjar elektronernas spinn istället för den elektriska strömmen (elektronflödet).

Forskare vid Delft University of Technology (Nederländerna), Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), University of Valencia (Spanien), University of Regensburg (Tyskland) och Harvard University (USA) har skapat en ny spintronisk grafenenhet.

Till skillnad från den tidigare versionen av denna teknik krävs inga kraftfulla magneter, vilket gör den mycket mer kompatibel med andra elektroniska komponenter. De publicerade sina resultat i Nature Communications¹, under titeln “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Potentialen för spintronik

Elektroniska komponenter som transistorer byggs traditionellt av kisel och förlitar sig på halvledare. 0‑ och 1‑signalerna i binärt tal indikerar passering eller blockering av en elektrisk ström.

Ett alternativt sätt att utföra beräkningar är spintroniska enheter som drivs av elektronernas spinn (en grundläggande kvantegenskap) snarare än elektrisk ström (elektronflöde).

Källa: Insight IAS

Spintronik har några fördelar jämfört med klassiska elektroniska system, särskilt:

• Snabbare data, eftersom spinn kan ändras mycket snabbare.
• Lägre energiförbrukning, eftersom spinn kan ändras med mindre kraft än vad som krävs för att upprätthålla ett flöde av elektroner för att skapa en ström.
• Enkla metaller kan användas istället för komplexa halvledarmaterial.

Spintronik används redan i hårddiskar och har gjort det möjligt för lagringskapaciteten att öka under det senaste decenniet.

“Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, som är som en liten magnet som bärs av elektronerna och pekar uppåt eller nedåt.

Vi kan utnyttja elektronernas spinn för att överföra och bearbeta information i så kallade spintroniska enheter.

Talieh Ghiasi – Postdoktorforskare vid Delft University of Technology

Spintronik för kvantdatorer

Viktiga fördelar med spintronik för kvantkretsar

Spinn är inte en elektrisk ström, utan en grundläggande kvantegenskap hos elektroner, där den kvantinformation lagras i spinnets orientering.

Spintronikens huvudsakliga fördel är att den hanterar transport av magnetiska moment istället för överföring av elektroner. Således krävs ingen materiell rörelse för att överföra information.

Och eftersom detta redan från början är ett kvantelement är idén att skapa ett spin‑qubit fascinerande. Problemet, som ofta är fallet med kvantdatorsystem, är att bevara denna information under tillräckligt långa tidsperioder och avstånd.

Och detta kan vara precis vad forskarna i denna studie har lyckats lösa, med hjälp av grafen.

Grafen för spintronik

Grafen är ett “mirakelmaterial” i form av ett 2D‑lager av kol. Det har potential inte bara inom databehandling, utan även inom supraledning, telekommunikation, materialvetenskap och katalys.

Det har hittills egentligen inte använts för spintronik, trots dess anmärkningsvärda elektriska egenskaper. Anledningen är att detektering av kvantspinnströmmar i grafen alltid har krävt stora magnetfält som i praktiken är omöjliga att integrera på chip.

Forskarna lyckades kringgå behovet av externa magnetfält genom att lägga grafen ovanpå ett CrPS₄‑lager (kromiumtiophosphat), ett tvådimensionellt antiferromagnetiskt halvledarmaterial.

Detta magnetiska lager förändrade grafens elektroniska egenskaper avsevärt, vilket gav upphov till den kvantspinn Hall‑effekten (QSH) i grafen.

“Vi observerade att spinntransporten i grafen modifieras av den närliggande CrPS4 så att elektronströmmen i grafen blir beroende av elektronernas spinnriktning.”

QSH‑effekten gör det möjligt för elektroner att röra sig utan ansträngning längs grafens kanter utan störningar, med alla deras spinn inriktade i samma riktning.

“Faktum är att vi nu kan uppnå kvantspinnströmmar utan behov av externa magnetfält, vilket öppnar vägen för framtida tillämpningar av dessa kvant‑spintroniska enheter.”

Framtidsutsikter för grafen‑baserad spintronik

Eftersom de kvantspinnströmmar är ”topologiskt skyddade” kan de färdas tiotals mikrometer långa avstånd utan att förlora spinninformationen i kretsen.

“Dessa topologiskt skyddade spinnströmmar är robusta mot störningar och defekter, vilket gör dem pålitliga även under ofullständiga förhållanden. Att bevara spinnsignalen utan någon informationsförlust är avgörande för att bygga spintroniska kretsar.”

Denna upptäckt banar vägen för ultratunna, grafen‑baserade spintroniska kretsar. Spinnströmmarna i grafen kan möjliggöra en effektiv och koherent överföring av kvantinformation, fram till nu begränsad till att använda ljus för att sammankoppla kvantdatorns komponenter.

Så även om det fortfarande är ett pågående arbete visar denna upptäckt tydligt att den slutgiltiga designen av kvantdatorer och kvantnätverk ännu inte är fastställd, där material som grafen sannolikt kommer att spela en roll på lång sikt (som en större del av grafen‑halvledare som materialkategori), liksom spintronik i allmänhet.

Investera i grafenföretag

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG är en grafenproducent som har fokuserat sitt produktsortiment på redan demonstrerade grafen‑baserade produkter såsom värmebeläggning och smörjmedel, vilket ökar effektiviteten hos industriell utrustning.

Källa: GMG

Detta gör GMG till ett bra alternativ för investerare som söker direkt exponering mot grafenmarknaden och ett företag som redan är aktivt i massproduktion av grafen samt förbättring av den nuvarande produktionsmetoden.

Om grafen börjar användas i stor skala för andra tillämpningar som databehandling, kommer erfarenheten och tillverkningskapaciteten hos befintliga grafenföretag att vara en fördel för att komma in på dessa marknader.

Andra möjliga tillämpningar kan vara skapandet av grafen‑halvledare (se “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), eller till och med rumstemperatur‑supraledare. Grafenbeläggning kan också användas i batterier och för väte­tryckbehållarteknik.

GMG producerar sin grafen från metan + väte, vilket skiljer sig från de flesta konkurrenter som framställer den från naturliga grafitfyndigheter. Detta möjliggör högre renhet, större skalbarhet och lågkostnadsproduktion.

Källa: GMG

Företaget startade sin första produktionsanläggning i Australien 2023, med upp till 1 miljon liter värmeväxlare‑beläggningsproduktion per år. Det expanderar nu för att producera 10 miljoner ton per år.

Nästa steg för företaget blir dess batteriteknik baserad på grafen‑aluminium‑jon, där grafens slurry fungerar som ett tillsatsmedel för katoder i litium‑jon‑batterier. På lång sikt kan den till och med ersätta de grafitbaserade katoderna helt och hållet.

Källa: GMG

Batteriutvecklingsplanen förväntar sig byggandet av pilotanläggningar år 2025, ett investeringsbeslut för en kommersiell fabrik år 2026, samt dess slutgiltiga driftsättning och första leverans till kunder år 2027.

Denna inträde på batterimarknaden kan vara ett stort spel för GMG, men det ger också företaget en unik möjlighet på den framtida marknaden som kan öppnas för grafen, inklusive energilagring och andra strömrelaterade tillämpningar.

Refererad studie

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}