Spintronik: Framtiden för energieffektiv datoranvändning

Hur spintronik skulle kunna revolutionera datortekniken

Alltmer börjar hårdvaruberäkningsvärlden se bortom kiselchips, eller till och med klassiska former av binär beräkning helt och hållet. Detta beror på att de vanliga chipsen och minnena i våra datorer och datacenter blir allt svårare att bygga, med den senaste generationen med 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).

Forskare arbetar med att göra spintronik så effektiv att den skulle kunna ersätta en betydande del av våra datorbehov.

En nyligen publicerad vetenskaplig artikel av forskare vid Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul National University, Kunsan National University (Korea), Yonsei University och Johannes Gutenberg University Mainz (Tyskland) har funnit att spinnförlust kan omvandlas tillbaka till magnetisering, vilket gör spinntronikelektronik ännu mer energieffektiv.

De publicerade sina resultat i Nature Communications¹, under rubriken "Magnetiseringsomkoppling driven av magnetisk spinnavledning".

En annan nyligen genomförd upptäckt av forskare vid den kinesiska vetenskapsakademin, National Synchrotron Radiation Laboratory (Kina), ShanghaiTech University och Beihang University var hur man kan använda brister i spintroniska material för att göra elektronik snabbare, smartare och effektivare.

De publicerade sina resultat i Nature Materials², under rubriken "Okonventionell skalning av den orbitala Hall-effekten".

Spintronikfördelar och potentiella tillämpningar

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 spinntronik-enheter, som drivs av elektroners 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.

Spintronics har några Övrigt fördelar jämfört med klassiska elektroniska system, särskilt:

• Snabbare data, eftersom spinn kan ändras mycket snabbt.
• 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 används redan för hårddiskar och har gjort det möjligt för datalagringskapaciteten att växa under det senaste decenniet.

"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

Att övervinna materialutmaningar inom spintronik

Trots dessa fördelar har spintroniken ännu inte vunnit kommersiellt genomslag. Detta beror delvis på materialdefekters roll. Att introducera defekter i ett material kan ibland göra det lättare att "skriva" data till minnesbitar genom att minska strömbehovet.

Dessa defekter ökar dock också det elektriska motståndet och minskar spinn Hall-konduktiviteten, vilket gör användningen av spinn för att koda data betydligt mer utmanande.

En lösning kan vara att använda strontiumrutenat (SrRuO3), en övergångsmetalloxid vars egenskaper kan finjusteras.

Noggrann konstruktion av defekter i materialet med hjälp av specialdesignade enheter och precisionsmätningstekniker förändrar hur spinn reagerar på dem.

"Spridningsprocesser som vanligtvis försämrar prestandan förlänger faktiskt livslängden för orbitalvinkelmoment, vilket ökar orbitalströmmen."

Dr Xuan Zheng - Chinese Academy of Sciences

Detta skiljer sig radikalt från konventionella spinnbaserade system. I dessa experiment gav skräddarsydd konduktivitetsmodulering en 3-faldig förbättring av switchenergieffektiviteten.

"Det här arbetet skriver i huvudsak om regelboken för att designa dessa enheter. Istället för att bekämpa materialfel kan vi nu utnyttja dem."

Professor Zhiming Wang – Kinesiska vetenskapsakademin

Energieffektiv databehandling med spintronik

Magnetism och spinn

Med spinn som ett kännetecken för elektronpartiklarna är det kanske inte förvånande att forskare hittar nya kopplingar mellan spinn och magnetiseringen av elektroniska material.

De koreanska forskarna studerade detta samband. Traditionellt sett kräver det stora strömmar för att växla magnetiseringen av en elektronisk komponent mellan 1 och 0 för att vända magnetiseringsriktningen. Denna process resulterar i spinnförlust, vilket har ansetts vara en viktig källa till energislöseri och dålig effektivitet.

Istället för att försöka mildra denna förlust och minska spinnavledning, ser de ut att använda den genom att kombinera en enda ferromagnetisk metall med en antiferromagnetisk isolator.

Källa: Naturmaterial

Källa: Naturmaterial

Spinnströmmar

Forskarna fokuserade på spinnströmmar, även kallade magnoner.

Källa: Hubpage

De upptäckte att spinn-till-magnon-omvandlingseffektiviteten var högst när den magnetokristallina enkla axeln (n) var närmast spinnpolarisationen (μ).

I praktiken betyder det att förlusten av spinn användes för att tillhandahålla den energi som krävdes för att framkalla en förändring i materialets magnetiska status. 

Källa: Naturmaterial

Skalbar med nuvarande tekniker

Denna metod använder en enkel enhetsstruktur som är kompatibel med befintliga halvledartillverkningsprocesser.

"Fram till nu har spinntronikområdet endast fokuserat på att minska spinnförluster, men vi har presenterat en ny riktning genom att använda förlusterna som energi för att inducera magnetiseringsomkoppling,"

Dr. Dong-Soo Han - Sseniorforskare vid KIST.

Det gör den mycket genomförbar för massproduktion, och den är också fördelaktig för miniatyrisering och hög integration, något som drastiskt kan bromsa antagandet av mer radikala nya designer inom elektronik.

Därför kan denna upptäckt leda till snabba tillämpningar inom minne och beräkning av AI-halvledare, ultralågströmsminne, neuromorfisk beräkning och sannolikhetsbaserade datorenheter.

Eftersom dessa områden redan blomstrar, kan detta ge denna teknik ett enormt fönstret av möjligheter.

”Vi planerar att aktivt utveckla ultrasmå och energisnåla AI-halvledarkomponenter, eftersom de kan tjäna som grund för ultrasnåla datortekniker som är avgörande i AI-eran.”

Dr. Dong-Soo Han - Sseniorforskare vid KIST.

Slutsats

Spinntronik har hittills varit begränsad till hårddiskteknik, men den förändras snabbt tack vare en bättre förståelse för hur man manipulerar och använder elektroners spinn.

Detta borde skapa en ny typ av elektronik, inte så mycket kraftfullare som den är vanligt med nya och mindre chip, men mer energieffektiv och ännu enklare att tillverka, båda viktiga punkter eftersom energiförbrukning blir en allt större hinderpunkt vid utbyggnaden av AI-datacenter och edge computing (som för självkörande bilar eller robotteknik).

Spintronics-företag

1. Everspin Technologies

Everspin är en gren av Freescale (numera känt som NXP, aktieticker NXPI) som är dedikerad till att utveckla MRAM-minnessystem. 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

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Okonventionell skalning av den orbitala Hall-effekten. natURE MaterIALS. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetiseringsomkoppling driven av magnetisk spinnavledning. natURE KommunIKATION 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>