Hur Kiral Spintronik Kan Transformera Datoranvändning

Hur Spintronik Kan Revolutionera Datoranvändning

Progressivt börjar hårdvarudatorvärlden titta bortom kiselchip, eller till och med klassiska former av binär beräkning helt och hållet.

Det beror på att de vanliga chippen och minnet i våra datorer och datacenter blir allt svårare att tillverka, med den senaste generationen där transistorerna 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 framträdande alternativen för att antingen minska efterfrågan på beräkning eller göra den snabbare och mindre energikrävande.

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

Fördelar och Potentiella Tillämpningar av Spintronik

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

Ett alternativt sätt att utföra beräkning är genom spintroniska enheter, som arbetar med elektronernas spinn (en grundläggande kvantkarakteristik) snarare än den elektriska strömmen (elektronernas flöde).

Källa: Insight IAS

Data kan kodas både i spinnets vinkelmoment, som kan föreställas som en inbyggd “upp” eller “ned” orientering av elektronen, och i orbitalt vinkelmoment, som beskriver hur elektroner rör sig runt atomkärnor.

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

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

• 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.
• Spinn är mindre flyktigt än halvledartillståndet, vilket gör datalagringen mer stabil.

Svep för att rulla →

Spintronik har kommersialiserats i hårddiskläsare sedan 1990-talet, vilket avsevärt ökat lagringstätheten under de senaste decennierna.

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

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

Talieh Ghiasi – Postdoktoral forskare vid Delft University of Technology

Mycket nylig framsteg har gjorts inom spintronik, till exempel att spinnförlust kan omvandlas tillbaka till magnetisering, vilket gör spintroniska elektronik ännu mer energieffektiv, eller att spintronik och grafen kan driva nästa generations kvantkretsar.

Och forskare upptäcker fortfarande nya metoder för att förbättra spintroniska enheter, 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 kan skapa ett helt nytt område av så kallade “kirala spintroniska” enheter.

De publicerade sina resultat i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Science¹, under titeln “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

Kiral Spintronik

Vad är Kiralitet i Spintronik?

I naturen är symmetri en grundläggande egenskap hos många saker, inklusive DNA:s komponenter och ljuset självt. Det är möjligt att två molekyler som är nästan identiska skiljer sig inte i sammansättning eller form, utan i deras 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 form, struktur och funktion.

Kiralitet spelar en grundläggande roll i biologin, där naturligt urval exklusivt har valt “högerhänta” DNA-molekyler, socker 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

Forskarnas lyckades skapa både vänster- och högerriktade kirala magnetiska nanohelixar genom att elektrokemiskt kontrollera metallens kristallisering. En legering av kobolt-järn valdes för sina ferromagnetiska egenskaper.

En nyckelinnovation i processen är användning av spårmängder av kirala organiska molekyler, såsom cinchonine eller cinchonidine, som styrde bildandet av helixarna.

“I metaller och oorganiska material är kontroll av kiralitet under syntes extremt svårt, särskilt på nanoskalig nivå.

Faktumet att vi kunde programmera riktningen på oorganiska helixar helt enkelt genom att tillsätta kirala molekyler är ett genombrott inom materialkemi.

Prof. Ki Tae Nam – Professor vid Seoul National University

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

Detta skapar ett enkelt sätt att testa om materialet producerats korrekt, eftersom vänster- och högerriktade helixar producerade motsatta EMF-signaler, vilket möjliggör kvantitativ verifiering av kiralitet utan att det magnetiska materialet måste interagera starkt med ljus, det vanliga sättet att kontrollera kiralitet.

Viktigare är att de upptäckte att dessa kirala magnetiska metaller också kan styra spinnet därefter: de tillåter i första hand en spinnriktning att passera, medan den motsatta spinnriktningen inte kan.

“Kiralitet är väl förstådd i organiska molekyler, där en strukturs handlighet ofta bestämmer dess biologiska eller kemiska funktion,”

Prof. Ki Tae Nam – Professor vid Seoul National University

Potentiella Tillämpningar av Kiral Spintronik

Genom materialets inneboende magnetisering (spinnjustering) blev långdistans 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 nanohelixar av samma skala, verkar den vara direkt kopplad till de kirala magnetiska helixarna.

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

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

“Dessa nanohelixar uppnår spinnpolarisation som överstiger ~80 % – bara genom deras geometri och magnetism,

Detta är en sällsynt kombination av strukturell kiralitet och inneboende ferromagnetism, vilket möjliggör spinnfiltrering vid rumstemperatur utan komplex magnetisk krets eller kryoteknik, och ger ett nytt sätt att konstruera elektronbeteende med hjälp av strukturell design.

Prof. Young Keun Kim – Professor vid Korea University

En annan fördel med denna nya teknik är att tillverkningsprocessen är relativt enkel och billig, utan användning av sällsynta material eller komplexa teknologier.

“Vi tror att detta system kan bli en plattform för kiral spintronik och arkitekturen för kirala magnetiska nanostrukturer.

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

Prof. Young Keun Kim – Professor vid Korea University

Mycket mer arbete måste fortfarande göras för att fullt ut utforska potentialen i denna nya idé och material. Till exempel kan antalet trådar (dubbel, flera helixar) ändras efter behov, och kan ge upphov till olika egenskaper som ännu inte upptäckts.

Förmågan att kontrollera handligheten (vänster/höger) och även antalet trådar (dubbel, flera helixar) med hjälp av denna mångsidiga elektrokemiska metod förväntas bidra avsevärt till nya tillämpningsområden.

Prof. Young Keun Kim – Professor vid Korea University

Med tanke på den enkla produktionen och möjligheten till långdistans spinnöverföring kan detta vara mycket användbart för tillverkning 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 avdelning av Freescale (nu känt som NXP, börssymbol NXPI) som är dedikerad till att utveckla MRAM-minnessystem, den vanligaste formen av spintronik som är kommersiellt livskraftig idag. Företaget spinades av och börsnoterades 2016.

Everspin anses vara ledaren inom MRAM-teknik (Magnetoresistiv Random-Access Memory), och ärver Freescales erfarenhet av att vara den första som kommersialiserade ett MRAM-chip 2006.

Eftersom MRAM är ett minne som kvarstår även utan ström, används det i ökande grad i känsliga tillämpningar där kritisk data är för viktig för att riskera förlust.

Drivet av omfattande tillämpningar såsom dataanalys, molntjänster, både jordbaserade och rymdbaserade, artificiell intelligens (AI) och Edge AI, inklusive industriell IoT, förväntas marknaden för beständigt minne växa med en CAGR 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 haft ingen skuld och positivt fritt kassaflöde sedan 2021.

Everspin MRAM-produkter upptar för närvarande en liten men växande nisch, och betjänar marknader där pålitlighet är avgörande, såsom rymdteknik, satelliter, datainspelare, patientövervakningsenheter osv.

Källa: Everspin

Tillväxten av chipset, AI och synaptiska system kan också ge en långsiktig skjuts för företaget.

2. NVE Corporation

En annan ledare inom spintronik, NVE har arbetat med denna teknik sedan sitt första patent på MRAM-teknik 1995. Företaget producerar spintroniska sensorer och isolatorer, främst använda i mät- och sensorsystem för bilar, växlar, medicinska enheter, strömförsörjningar och andra industriella apparater.

Källa: NVE

Detta placerar NVE i en något annan kategori än Everspin, där NVE mer är ett industriellt företag med en stark position i en nischmarknad (magnetometer som använder spintronik), medan Everspin är mer ett minne-/beräkningsföretag som arbetar med och konkurrerar med företag som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), 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 sannolikt tilltalar mer konservativa investerare som söker utdelningsavkastning och säkerhet.

Refererade Studier

^{1. Yoo Sang Jeon, et al. Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices. Science. 4 Sep 2025. Vol 389, Issue 6764. pp. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}