Styrning av elektronik genom fotoexcitation – Kommer magnetit att leda till nästa generations enheter?

Potentialen för spintronik

Elektroniska komponenter som transistorer byggs traditionellt av kisel och förlitar sig på halvledare. 0‑ och 1‑signalerna i binärt indikerar att en elektrisk ström passerar eller blockeras. Ett alternativt sätt att utföra beräkningar är spintronikenheter som arbetar med elektronernas spinn (en grundläggande kvantkaraktäristik) snarare än elektrisk ström (flöde av elektroner).

Spintronik har några 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.

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

Ett material som redan används i spintronik är magnetit, ett naturligt förekommande mineral bestående av syre och två former av järn i olika oxidationsnivåer.

Källa: Britannica

Trots att magnetit har varit känt för sina magnetiska egenskaper i årtionden, finns det tydligen fortfarande mer att lära om det.

Forskare från EPFL i Schweiz har upptäckt att laser kan skapa nya fasförändringar i magnetit som tidigare var okända. Detta kan i sin tur leda till en ny generation av elektronisk utrustning.

De dolda egenskaperna hos magnetit

Forskarnas fokus låg på magnetit på grund av dess metall‑till‑isolator‑egenskaper, vilket gör att den kan växla från att leda elektricitet till att blockera den. Detta kallas också en fasövergång, där ett materials egenskaper plötsligt förändras från ett stadium till ett annat, lite som hur flytande vatten kan bli till is med mycket olika egenskaper.

Genom att använda två olika typer av laser, en som avger ljus vid 800 nm och en vid 400 nm (infrarött och synligt ljus), upptäckte de att nya faser uppstod i magnetit som tidigare inte hade identifierats.

Detta är ingen trivial sak, eftersom forskarna var tvungna att upptäcka förändringar som sker under en oändligt kort tidsperiod. För att göra detta använde de en teknik kallad Ultrafast Electron Diffraction (UED), vilket gjorde det möjligt att observera atomrörelser som varar mindre än en pikosekund, eller en biljondel av en sekund.

Ändring av rumslig konfiguration

Normalt är magnetits atomstruktur en “monoklinisk gitter,” där enhetscellen har formen av en snedvriden låda med tre olika kanter. Två av dess vinklar är 90 grader, medan den tredje är annorlunda.

Källa: ACS

800 nm‑ljuset får magnetits atomstruktur att komprimeras och omvandlas till en kubisk struktur. Den ultrarapida observationen visade forskarna att detta skedde genom en 3‑stegsprocess.

400 nm‑ljuset däremot fick metallens atomstruktur att expandera, vilket skapade en mycket stabil konfiguration och gjorde den till en mycket stabil isolator.

Denna konfiguration skiljer sig från den tidigare kända stabila jämviktstillståndet för magnetit och ger djup insikt i vad som faktiskt händer under metall‑till‑isolator‑övergången.

Nya elektroniska system

Denna upptäckt innebär att det är möjligt att förändra magnetits påverkan på spinn och ström enbart med ljus från laser.

Tack vare mycket snabba lasersystem kan fotonpulsen snabbt förändra materialets metalliska natur på ett kontrollerat sätt.

Vår studie banar väg för ett nytt tillvägagångssätt att kontrollera materia på ultrarapida tidsskalor med skräddarsydda fotonpulser.

Att kunna inducera och kontrollera dolda faser i magnetit kan ha betydande konsekvenser för utvecklingen av avancerade material och enheter.

Till exempel kan material som kan växla mellan olika elektroniska tillstånd snabbt och effektivt användas i nästa generations beräkning- och minnesenheter.

Bättre minne

Spintronik och magnetit är nya fronter för tillverkare av elektroniska system. Det som började i en hårddisk expanderar nu till andra minnessystem.

Till exempel kan slumpmässigt åtkomstminne (DRAM) ersättas med magnetiskt RAM (MRAM). Den första versionen av detta koncept är en redan kommersialiserad produkt av Everspin och har använts i Airbus-flygplan, tack vare dess motståndskraft mot temperaturförändringar samt kosmisk strålning jämfört med traditionella minnessystem.

En annan fördel med MRAM är dess mindre storlek och lägre energiförbrukning, vilket innebär upp till 80 % mindre effektbehov. Detta kan göra det möjligt att integrera MRAM som cacheminne i processorer med större total kapacitet samtidigt som den förbrukar mindre energi och genererar mindre värme, där både utrymme och värme blir nyckelfaktorer som begränsar processorutvecklingen.

Fotonik?

Användningen av laser för att förändra magnetitförhållanden påminner om det växande området fotonik, ett av de alternativ vi diskuterade i vår artikel om företag som flyttar beräkning bort från halvledarsystem.

Ett system som redan använder laser och ljus för att utföra beräkningar skulle kunna dra stor nytta av ett minnessystem som förlitar sig på magnetits fasförändring som induceras av ljus. Detta skulle potentiellt kunna göra det möjligt att direkt omvandla beräkningsresultatet till data med lite mellansteg som förbrukar energi och saktar ner processen.

Spintronikföretag

1. Everspin Technologies

Everspin är avdelningen av Freescale (för närvarande kallad NXP, börskod NXPI) som är dedikerad till att utveckla MRAM‑minnessystem. Den spinades ut och börsnoterades 2016.

Everspin anses vara ledaren inom MRAM‑teknik och ärver Freescales erfarenhet av att vara den första att kommersialisera en MRAM‑chip 2006.

Eftersom MRAM är ett minne som kvarstår även utan ström, används det i allt högre grad i känsliga tillämpningar där kritiska data är viktiga.

Drivet av genomgripande 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 ingen skuld och positivt fritt kassaflöde sedan 2021.

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

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 deras första patent inom MRAM‑teknik 1995.

Den 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 annorlunda kategori än Everspin, där NVE mer är ett industriföretag med en stark position på 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 profil, där NVE:s aktie sannolikt tilltalar mer konservativa investerare som söker utdelning och säkerhet.