Hur kiral spintronik skulle kunna omvandla datoranvändning

Hur spintronik skulle kunna revolutionera datortekniken

Gradvis börjar hårdvaruberäkningsvärlden se bortom kiselchips, eller till och med klassiska former av binär beräkning helt och hållet.

Detta beror på att de vanliga chippen och minnena i våra datorer och datacenter blir allt svårare att bygga, 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 datorkraft, särskilt för AI-system, fortsätter att växa.

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

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

Fördelar och potentiella tillämpningar av spintronik

Elektroniska komponenter, såsom transistorer, är traditionellt byggda av kisel och använder halvledare. 0- och 1-signalerna i binärt format indikerar passering eller blockering av en elektrisk ström.

Ett alternativt sätt att utföra beräkningar är genom spinntroniska enheter, som drivs av elektronernas spinn (en grundläggande kvantegenskap) snarare än den elektriska strömmen (elektronflödet).

Källa: Insikt IAS

Data kan kodas både i spinnvinkelmomentet, vilket kan föreställas som en inbyggd "uppåt" eller "nedåt" orientering av elektronen, och orbitalt vinkelmoment, vilket beskriver hur elektroner rör sig runt atomkärnor.

Eftersom detta innehåller mer information än bara 0 och 1, kan spinn innehålla mer data per atom än traditionell elektronik.

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

• Snabbare data, eftersom spinn kan ändras mycket snabbare.
• Mindre 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.
• Spinn är mindre volatilt än halvledarstatusen, vilket gör datalagringen mer stabil.

Svep för att skrolla →

Spintronics har kommersialiserats i läshuvuden för hårddiskar sedan 1990-talet, vilket har ökat lagringsdensiteten avsevärt under de senaste decennierna.

"Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, vilket 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 spintronikkomponenter.”

Talieh Ghiasi – postdoktor vid Delfts tekniska universitet

Mycket framsteg har gjorts inom spintronik på senare tid, till exempel att Spinnförlust kan omvandlas tillbaka till magnetisering, vilket gör spintronikelektronik ännu mer energieffektiv, eller det spintronik och grafen kunde driva nästa generations kvantkretsar.

Och forskare upptäcker fortfarande nya metoder för att förbättra spinntronikkomponenter, som forskare vid Seoul National University (Sydkorea), Korea University, Korea Institute of Science and Technology och Feinberg School of Medicine (USA). De skapade magnetiska nanohelixar som kan kontrollera elektronspinn, vilket skulle kunna skapa ett helt nytt fält av så kallade "kirala spinntronikkomponenter".

De publicerade sina resultat i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Science¹, under rubriken "Spinnselektiv transport genom kirala ferromagnetiska nanohelixar".

Kiral spintronik

Vad är kiralitet inom spintronik?

I naturen är symmetri en grundläggande egenskap hos många saker, inklusive komponenterna i DNA och ljuset i sig. Det är möjligt att två molekyler som är nästan identiska med varandra skiljer sig åt inte i sin sammansättning eller form, utan i sin orientering, ett koncept som kallas "kiralitet".

Kiralitet kan förklaras i sin enklaste form som hur vår vänstra hand skiljer sig från vår högra hand, trots att båda händerna är identiska i sin form, struktur och funktion.

Kiralitet spelar en grundläggande roll inom biologin, där naturligt urval uteslutande har valt ut "högerhänta" DNA-molekyler, sockerarter och aminosyror (baskomponenten i proteiner).

Det är dock sällsynt i oorganiska material, som tenderar att antingen vara oorganiserade eller kristaller utan kiralitet.

Hur metaller får kiralitet för spintronik

Forskarna lyckades skapa både vänster- och högerhänta kirala magnetiska nanohelixar genom att elektrokemiskt kontrollera metallkristallisationsprocessen. En legering av kobolt-järn valdes för dess ferromagnetiska egenskaper.

En viktig innovation i denna process är att använda spårmängder av kirala organiska molekyler, såsom cinkonin eller cinkonidin, vilka styrde bildandet av helixarna.

"I metaller och oorganiska material är det extremt svårt att kontrollera kiralitet under syntes, särskilt på nanoskala."

Att vi kunde programmera riktningen på oorganiska helixar helt enkelt genom att lägga till kirala molekyler är ett genombrott inom materialkemi.

Pr. Ki Tae Nam – Professor vid Seoul National University

För att demonstrera kiraliteten hos dessa nanohelixar mätte de elektromagnetiska fält (EMF) som genereras av spiralerna under roterande magnetfält.

Detta skapar ett enkelt sätt att testa om materialet producerades korrekt, eftersom vänster- och högerhängda spiraler producerade motsatta EMF-signaler, vilket möjliggör kvantitativ verifiering av kiralitet, utan att kräva att det magnetiska materialet starkt interagerar med ljus, det vanliga sättet att kontrollera kiralitet.

Ännu viktigare är att de upptäckte att dessa kirala magnetiska metaller också kan styra spinnet i enlighet därmed: de tillåter företrädesvis en spinnriktning att passera, medan den motsatta spinnriktningen inte kan.

"Kiralitet är väl förstådd i organiska molekyler, där en strukturs handriktning ofta avgör dess biologiska eller kemiska funktion,"

Pr. Ki Tae Nam – Professor vid Seoul National University

Potentiella tillämpningar av kiral spintronik

Genom materialets inneboende magnetisering (spinnjustering) blev långväga spinntransport vid rumstemperatur möjlig.

Denna effekt visade sig vara konstant, oavsett vinkeln mellan den kirala axeln och spinninjektionsriktningen. Eftersom den inte observerades i icke-magnetiska nanospiraler av samma skala, verkar den vara direkt kopplad till de kirala magnetiska spiralerna.

Detta skulle göra den första någonsin upptäckta asymmetriska spinntransporten i ett relativt makroskalat material.

Teamet demonstrerade också en fastämnesenhet som visade kiralitetsberoende ledningssignaler, vilket banade väg för praktiska spintroniska tillämpningar.

"Dessa nanohelixar uppnår spinnpolarisering som överstiger ~80% – enbart tack vare sin geometri och magnetism,"

Detta är en sällsynt kombination av strukturell kiralitet och inneboende ferromagnetism, vilket möjliggör spinnfiltrering vid rumstemperatur utan komplexa magnetiska kretsar eller kryogenik, och ger ett nytt sätt att konstruera elektronbeteende med hjälp av strukturell design.

Pr. Unge Keun Kim – Professor vid Korea University

En annan fördel med denna nya teknik är att tillverkningsprocessen är relativt enkel och billig, utan att använda några sällsynta material eller komplexa tekniker.

"Vi tror att det här systemet skulle kunna bli en plattform för kiral spintronik och arkitekturen för kirala magnetiska nanostrukturer."

Detta arbete representerar en kraftfull konvergens av geometri, magnetism och spinntransport, byggd av skalbara, oorganiska material.

Pr. Unge Keun Kim – Professor vid Korea University

Mycket mer arbete återstår att göra för att fullt ut utforska potentialen hos denna nya idé och material. Till exempel kan antalet trådar (dubbla, flera helixar) modifieras efter behag och kan ge olika egenskaper som ännu inte upptäckts.

Möjligheten att kontrollera riktningen (vänster/höger) och till och med antalet strängar (dubbla, flera helixar) med hjälp av denna mångsidiga elektrokemiska metod förväntas bidra avsevärt till nya tillämpningsområden.

Pr. Unge Keun Kim – Professor vid Korea University

Mellan den enkla produktionen och möjligheten till långdistansöverföring av spinn kan detta vara mycket användbart för produktion av helt spinnbaserade datorer och nätverk, med ekonomiska fördelar från lägre energiförbrukning och stabil datalagring.

Investera i spintroniska innovatörer

1. Everspin Technologies

Everspin är en gren av Freescale (numera känt som NXP, aktieticker NXPI) som är dedikerad till att utveckla MRAM-minnessystem, den vanligaste formen av spintronik som är kommersiellt gångbar idag. Det knoppades av och börsnoterades 2016.

Everspin anses vara ledande inom MRAM-teknik (Magnetoresistivt Random-Access Memory) och ärver Freescales erfarenhet av att vara den första att kommersialisera ett MRAM-chip 2006.

Eftersom MRAM är ett minne som kvarstår även i frånvaro av ström, används det alltmer i känsliga användningsfall där kritisk data är för viktig för att riskera förlust.

Driven av genomgripande tillämpningar som dataanalys, molntjänster, både terrestriska och utomjordiska, artificiell intelligens (AI) och Edge AI, inklusive industriell IoT, förväntas marknaden för persistenta minnen växa med en årlig tillväxttakt på 27.5 % mellan 2020 och 2030.

Everspin

Källa: Everspin

Företaget uppskattar att marknaden kommer att nå en storlek på 7.4 miljarder dollar år 2027. Företaget har inte haft någon skuldsättning och positivt fritt kassaflöde sedan 2021.

Everspins MRAM-produkter upptar för närvarande en liten men växande nisch och betjänar marknader där tillförlitlighet är avgörande, såsom flyg- och rymdteknik, satelliter, datainspelare, patientövervakningsenheter etc.

Källa: Everspin

Tillväxten av chipset, AI och synaptiska system kan också vara ett långsiktigt uppsving för företaget.

2. NVE Corporation

En annan ledare inom spintronics, NVE har arbetat med denna teknik sedan sitt första patent inom MRAM-teknik 1995Den producerar spintroniska sensor och isolatorer, används mest i mät- och sensorsystem för bilar, växlar, medicinsk utrustning, strömförsörjning och andra industriella enheter.

Källa: NVE

Detta placerar NVE i en något annorlunda kategori än Everspin, där NVE mer är ett industriföretag med en stark position på en nischmarknad (magnetometer med spintronik), medan Everspin är mer ett minnes-/datorföretag som arbetar med och konkurrerar med företag som Intel, Qualcomm, Toshiba och Samsung, som också utvecklar sina egna MRAM-produkter.

Det kan göra aktien mer (eller mindre) attraktiv beroende på investerarnas profiler, där NVE:s aktie är mer benägen att attrahera mer konservativa investerare som söker direktavkastning och säkerhet.

Refererade studier

^{1. Yoo Sang JeonEt al. Spinnselektiv transport genom kirala ferromagnetiska nanohelixar. Vetenskap. 4 September 2025. Vol 389, nummer 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}