Paano Pinapagana ng Spintronics & Graphene ang Susunod na Henerasyon ng Quantum Circuits

Paano Maaaring Baguhin ng Spintronics ang Pag-compute

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

Isa pang salik ay ang pagtaas ng konsumo ng enerhiya habang patuloy na lumalaki ang pangangailangan para sa kapangyarihan ng pag-compute, lalo na para sa mga AI system.

Maraming iminungkahing solusyon, kung saan ang quantum computing at photonics ang pinaka-kinikilalang mga opsyon upang mabawasan ang pangangailangan sa pag-compute o upang gawing mas mabilis at mas matipid sa enerhiya.

Isa pa ay ang spintronics, na gumagamit ng spin ng mga electron sa halip na ang elektrikal na kuryente (daloy ng mga electron).

Ang mga mananaliksik mula sa Delft University of Technology (Netherlands), Tsukuba National Institute for Materials Science (Japan), University of Valencia (Spain), University of Regensburg (Germany), at Harvard University (USA) ay lumikha ng isang bagong spintronic graphene device.

Kabaligtaran sa naunang bersyon ng teknolohiyang ito, hindi ito nangangailangan ng malalakas na magnet, kaya mas madaling i-integrate sa iba pang mga elektronikong komponent. Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa Nature Communications¹, sa pamagat na “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

Ang Potensyal ng Spintronics

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

Isang alternatibong paraan upang magsagawa ng pag-compute ay ang mga spintronics device na gumagana sa spin ng mga electron (isang pangunahing katangiang quantum) sa halip na elektrikal na kuryente (daloy ng mga electron).

Pinagmulan: Insight IAS

May ilang mga kalamangan ang Spintronics kumpara sa tradisyonal na elektronikong sistema, notably:

• Mas mabilis na data, dahil ang spin ay maaaring baguhin nang mas mabilis.
• Mas kaunting konsumo ng enerhiya, dahil ang spin ay maaaring baguhin gamit ang mas kaunting kapangyarihan kaysa sa kinakailangan upang mapanatili ang daloy ng mga electron para lumikha ng kuryente.
• Maaaring gumamit ng simpleng mga metal sa halip na kumplikadong mga semiconductor na materyales.

Spintronics ay ginagamit na para sa mga hard drive at nagbigay-daan sa pagtaas ng kapasidad ng imbakan sa nakaraang dekada.

“Ang spin ay isang quantum mechanical na katangian ng mga electron, na katulad ng isang maliit na magnet na dala ng mga electron, na nakaturo pataas o pababa.

Maaari nating gamitin ang spin ng mga electron upang maglipat at magproseso ng impormasyon sa tinatawag na mga spintronics device.

Talieh Ghiasi – Postdoc na Mananaliksik sa Delft University of Technology

Spintronics Para sa Quantum Computing

Pangunahing Benepisyo ng Spintronics para sa Quantum Circuits

Ang spin ay hindi isang elektrikal na kuryente, kundi isang pangunahing katangiang quantum ng mga electron, kung saan ang quantum na impormasyon ay nakaimbak sa orientasyon ng spin.

Ang pangunahing bentahe ng Spintronics ay ang paghawak nito sa paglipat ng mga magnetic moment sa halip na paglipat ng mga electron. Kaya hindi na kailangan ng paggalaw ng materyal upang maglipat ng impormasyon.

At dahil ito ay isang quantum na elemento mula pa lamang, ang ideya ng paglikha ng spin qubit ay kaakit-akit. Ang hamon, tulad ng madalas sa mga quantum computing system, ay mapanatili ang impormasyong ito sa sapat na tagal ng panahon at distansya.

At ito marahil ang natuklasan ng mga mananaliksik sa pag-aaral na ito kung paano lutasin ito, gamit ang graphene.

Graphene Para sa Spintronics

Ang graphene ay isang “miracle material” na anyo ng isang 2D na patong ng carbon. May potensyal ito hindi lamang sa pag-compute, kundi pati na rin sa superconductivity, telekomunikasyon, siyensiya ng materyales, at katalisis.

Hanggang ngayon ay hindi pa talaga ito nagamit para sa spintronics, sa kabila ng kahanga-hangang mga katangian nitong elektrikal. Ang dahilan ay ang pagtuklas ng quantum spin currents sa graphene ay palaging nangangailangan ng malalaking magnetic field na halos imposibleng maisama sa chip.

Nagawa ng mga mananaliksik na lampasan ang pangangailangan para sa panlabas na magnetic field sa pamamagitan ng paglagay ng graphene sa ibabaw ng CrPS₄ (chromium thiophosphate), isang two-dimensional na antiferromagnetic semiconductor.

Ang magnetic na patong na ito ay malaki ang binago sa mga elektronikong katangian ng graphene, na nagdulot ng quantum spin Hall (QSH) effect sa graphene.

“Napansin namin na ang spin transport sa graphene ay nababago ng kalapit na CrPS4 kaya ang daloy ng mga electron sa graphene ay nagiging depende sa direksyon ng spin ng mga electron.”

Talieh Ghiasi – Postdoc na Mananaliksik sa Delft University of Technology

Ang QSH effect ay nagpapahintulot sa mga electron na madaling gumalaw sa kahabaan ng mga gilid ng graphene nang walang sagabal, kung saan ang lahat ng kanilang spin ay nakaayos sa parehong direksyon.

“Ang katotohanang nakakamit na natin ang quantum spin currents nang hindi kailangan ng panlabas na magnetic fields ay nagbubukas ng daan para sa mga hinaharap na aplikasyon ng mga quantum spintronic device na ito.”

Talieh Ghiasi – Postdoc na Mananaliksik sa Delft University of Technology

Hinaharap na Pananaw para sa Graphene-Based Spintronics

Dahil ang quantum spin currents ay “topologically protected”, maaari silang maglakbay ng sampu-sampung micrometres na distansya nang hindi nawawalan ng spin na impormasyon sa circuit.

“Ang mga topologically-protected spin currents ay matibay laban sa mga disorder at depekto, kaya mapagkakatiwalaan kahit sa hindi perpektong kondisyon. Ang pagpapanatili ng spin signal nang walang pagkawala ng impormasyon ay mahalaga para sa pagbuo ng mga spintronic circuit.”

Talieh Ghiasi – Postdoc na Mananaliksik sa Delft University of Technology

Ang pagtuklas na ito ay nagbubukas ng daan patungo sa ultra-manipis, graphene-based na spintronic circuits. Ang spin currents sa graphene ay maaaring lumikha ng isang epektibo at magkakaugnay na paglipat ng quantum na impormasyon, na hanggang ngayon ay limitado sa paggamit ng liwanag upang pag-ugnayin ang mga quantum computing component.

Kaya bagaman ito ay patuloy pang pinapaunlad, malinaw na ang panghuling disenyo ng mga quantum computer at quantum network ay hindi pa tiyak, kung saan ang mga materyales tulad ng graphene ay malamang na gumanap ng papel sa pangmatagalan (bilang mas malaking bahagi ng graphene semiconductors bilang isang kategorya ng materyales), pati na rin ang spintronics sa pangkalahatan.

Pamumuhunan sa mga Kumpanya ng Graphene

Grupo ng Paggawa ng Graphene (GMG)

Ang GMG ay isang tagagawa ng graphene na nagtuon ng kanilang alok na produkto sa mga napatunayang graphene-based na produkto tulad ng heat coating at lubricants, na nagpapataas ng kahusayan ng mga industriyal na kagamitan.

Pinagmulan: GMG

Ginagawa nitong magandang opsyon ang GMG para sa mga mamumuhunan na naghahanap ng direktang pagkalantad sa merkado ng graphene at isang kumpanyang aktibo na sa mass-production ng graphene at pagpapabuti ng kasalukuyang paraan ng produksyon.

Kung magsisimulang magamit ang graphene sa malawak na sukat para sa iba pang aplikasyon tulad ng pag-compute, ang karanasan at kapasidad sa paggawa ng mga umiiral nang kumpanya ng graphene ay magiging kalamangan upang pumasok sa mga pamilihang ito.

Ang ilang iba pang aplikasyon ay maaaring ang paglikha ng graphene semiconductors (tingnan ang “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), o kahit room-temperature superconductors. Ang graphene coating ay maaari ring magamit sa mga baterya at sa mga teknolohiya ng hydrogen pressure vessel.

Ang GMG ay gumagawa ng graphene mula sa methane + hydrogen, na naiiba sa karamihan ng kanilang mga kakumpitensya na gumagawa nito mula sa natural na deposito ng graphite. Nagbibigay ito ng mas mataas na kalinisan, mas madaling pag-scale, at mababang gastos sa produksyon.

Pinagmulan: GMG

Inilunsad ng kumpanya ang kanilang unang pasilidad ng produksyon sa Australia noong 2023, na may kapasidad na hanggang 1 milyong litro ng heat exchanger coating bawat taon. Ngayon ay pinalalawak ito upang makagawa ng 10 milyong tonelada bawat taon.

Ang susunod na hakbang para sa kumpanya ay ang kanilang teknolohiyang baterya batay sa graphene aluminum ion, kung saan ang graphene slurry ay idinadagdag sa cathodes ng lithium-ion na baterya. Sa pangmatagalan, maaari itong maging kapalit ng mga graphite-based na cathodes.

Ang kumpanya ay nagde-develop ng mga graphene aluminum ion baterya gamit ang graphene cathode, na maaaring maabot ang energy density na 290Wh/kg. Ito ay binuo sa pakikipagtulungan sa higanteng pagmimina na Rio Tinto, at maaaring unang magamit sa mabibigat na industriya (tulad ng pagmimina), sa halip na sa mga pamilihan ng EV.

Pinagmulan: GMG

Inaasahan ng roadmap ng pag-develop ng baterya ang pagtatayo ng pilot plants sa 2025, isang desisyon tungkol sa pamumuhunan sa isang commercial-scale na pabrika sa 2026, at ang huling pag-commission at unang pagpapadala sa mga customer pagsapit ng 2027.

Ang pagpasok na ito sa pamilihan ng baterya ay maaaring malaking pustahan para sa GMG, ngunit nagbibigay din ito ng natatanging pagkakataon sa hinaharap na pamilihan na maaaring magbukas para sa graphene, kabilang ang energy storage at iba pang mga aplikasyon na may kinalaman sa kapangyarihan.

Pag-aaral na Binanggit

^{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}