Paano Maaaring Baguhin ng Chiral Spintronics ang Pagkokompyut

Paano Maaaring Baguhin ng Spintronics ang Pagkokompyut

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether.

Unti-unti, ang mundo ng hardware computing ay nagsisimulang tumingin lampas sa mga silicon chip, o kahit sa tradisyunal na anyo ng binary computing.

Ito ay dahil ang karaniwang mga chip at memorya sa ating mga computer at data center ay nagiging lalong mahirap gawin, kung saan ang pinakabagong henerasyon ay may mga transistor na halos ilang nanometro lamang ang sukat.

Isa pang salik ay ang pagtaas ng konsumo ng enerhiya na nagiging problema habang patuloy na lumalaki ang pangangailangan para sa kapangyarihan ng pagkokompyut, lalo na para sa mga AI system.

Maraming iminungkahing solusyon, kung saan ang quantum computing at photonics ang pinaka-tanyag na mga opsyon upang mabawasan ang pangangailangan sa pagkokompyut o gawing mas mabilis at mas kaunti ang konsumo ng enerhiya.

Isa pang solusyon ay ang spintronics, na gumagamit ng spin ng mga elektron, isang katangiang quantum, sa halip na ang kuryente (daloy ng mga elektron).

Mga Bentahe at Posibleng Aplikasyon ng Spintronics

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

Ang mga elektronikong komponent, tulad ng mga transistor, ay tradisyonal na gawa mula sa silicon at umaasa sa mga semiconductor. Ang mga signal na 0 at 1 sa binary ay nagpapahiwatig ng pagdaan o pagharang ng kuryente.

Isang alternatibong paraan upang magsagawa ng pagkokompyut ay sa pamamagitan ng mga spintronic na aparato, na gumagana sa spin ng mga elektron (isang pangunahing katangiang quantum) sa halip na sa kuryente (daloy ng mga elektron).

Pinagmulan: Insight IAS

Maaaring i-encode ang data sa parehong spin angular momentum, na maaring isipin bilang nakapaloob na “itaas” o “pababa” na orientasyon ng elektron, at orbital angular momentum, na naglalarawan kung paano gumagalaw ang mga elektron sa paligid ng atomic nucleus.

Dahil ito ay naglalaman ng higit pang impormasyon kaysa sa simpleng 0 at 1, ang spin ay maaaring maglaman ng mas maraming data bawat atom kumpara sa tradisyunal na elektronik.

May ilang iba pang bentahe ang Spintronics kumpara sa klasikong 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 elektron para lumikha ng kuryente.
• Maaaring gamitin ang simpleng mga metal sa halip na komplikadong mga materyales ng semiconductor.
• Ang spin ay mas hindi volatile kumpara sa katayuan ng semiconductor, na nagiging mas matatag ang imbakan ng data.

I-swipe upang mag-scroll →

Ang Spintronics ay komersiyal na ginamit sa mga read head ng hard drive mula noong 1990s, na nagdulot ng malaking pagtaas sa densidad ng imbakan sa nakaraang mga dekada.

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

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

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Maraming kamakailang pag-unlad ang naganap sa spintronics, halimbawa, na ang pagkawala ng spin ay maaaring i-convert pabalik sa magnetisasyon, na ginagawang mas enerhiya-episyente ang spintronics electronics, o na ang spintronics at graphene ay maaaring magbigay ng kapangyarihan sa susunod na henerasyon ng quantum circuits.

At patuloy na natutuklasan ng mga siyentipiko ang mga bagong paraan upang mapabuti ang mga spintronic na aparato, tulad ng mga mananaliksik sa Seoul National University (South Korea). Korea University, Korea Institute of Science and Technology, at Feinberg School of Medicine (USA). Nilikha nila ang mga magnetic nanohelices na maaaring kontrolin ang spin ng elektron, na maaaring magbukas ng isang ganap na bagong larangan ng tinatawag na “chiral spintronics” na mga aparato.

Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa prestihiyosong siyentipikong magasin na Science¹, sa pamagat na “Spin-selective transport through chiral ferromagnetic nanohelices”.

Chiral Spintronics

Ano ang Chirality sa Spintronics?

In nature, symmetry is a fundamental feature of many things, including the components of DNA and light itself. It is possible that two molecules almost identical to each other differ not in their composition or shape, but in their orientation, a concept called “chirality”.

Ang chirality ay maaaring ipaliwanag sa pinakasimpleng anyo bilang ang paraan kung paano nagkakaiba ang ating kaliwang kamay sa kanang kamay, kahit na pareho ang hugis, estruktura, at function ng dalawang kamay.

Ang chirality ay may pangunahing papel sa biyolohiya, kung saan ang natural selection ay pumili lamang ng “right-handed” na mga DNA molecule, asukal, at amino acid (ang batayang sangkap ng mga protina).

Ito ay, gayunpaman, bihira sa mga inorganic na materyales, na kadalasang hindi organisado o mga kristal na walang chirality.

Paano Nakakakuha ng Chirality ang mga Metal para sa Spintronics

The scientists managed to create both left- and right-handed chiral magnetic nanohelices by electrochemically controlling the metal crystallization process. An alloy of cobalt-iron was chosen for its ferromagnetic properties.

A key innovation in this process is using trace amounts of chiral organic molecules, such as cinchonine or cinchonidine, which guided the formation of the helices.

“Sa mga metal at inorganic na materyales, napakahirap kontrolin ang chirality sa panahon ng synthesis, lalo na sa nanoscale.

Ang katotohanang nagawa naming i-program ang direksyon ng mga inorganic na heliks sa pamamagitan lamang ng pagdagdag ng mga chiral na molekula ay isang breakthrough sa kimika ng materyales.

Pr. Ki Tae Nam – Professor at Seoul National University

Upang ipakita ang chirality ng mga nanohelices na ito, sinukat nila ang electromagnetic fields (EMF) na nilikha ng mga heliks sa ilalim ng umiikot na magnetic fields.

Ang pamamaraan na ito ay nagbibigay ng madaling paraan upang subukan kung tama ang paggawa ng materyal, dahil ang kaliwa at kanan na heliks ay nagproproduce ng magkasalungat na EMF signals, na nagbibigay-daan sa quantitative verification ng chirality, nang hindi kinakailangang ang magnetic material ay malakas na makipag-ugnayan sa liwanag, ang karaniwang paraan upang suriin ang chirality.

Mas mahalaga, natuklasan nila na ang mga chiral magnetic metal na ito ay maaari ring mag-gabay sa spin nang naaayon: pinahihintulutan nila ang isang direksyon ng spin na dumaan, habang ang kabaligtarang spin ay hindi makakapasok.

“Ang chirality ay mahusay na nauunawaan sa mga organic na molekula, kung saan ang pagkakakilanlan ng isang istruktura ay madalas na nagtatakda ng kanyang biyolohikal o kemikal na function,”

Posibleng Aplikasyon ng Chiral Spintronics

Sa pamamagitan ng likas na magnetization (spin alignment) ng materyal, naging posible ang long-distance spin transport sa room temperature.

Ang epekto ay napatunayan na pare-pareho, anuman ang anggulo sa pagitan ng chiral axis at ng direksyon ng spin injection. Dahil hindi ito nakita sa non-magnetic na nanohelices ng parehong sukat, tila ito ay direktang konektado sa chiral magnetic helices.

Ito ay magbibigay daan sa unang natuklasang asymmetric spin transport sa isang medyo macro-scaled na materyal.

Ipinakita rin ng koponan ang isang solid-state device na nagpakita ng chirality-dependent conduction signals, na nagbubukas ng daan para sa praktikal na mga aplikasyon ng spintronics.

“Ang mga nanohelices na ito ay nakakamit ng spin polarization na higit sa ~80% — dahil lamang sa kanilang geometry at magnetismo,

Ito ay isang bihirang kombinasyon ng structural chirality at intrinsic ferromagnetism, na nagbibigay-daan sa spin filtering sa room temperature nang walang komplikadong magnetic circuitry o cryogenics, at nag-aalok ng bagong paraan upang i-engineer ang pag-uugali ng elektron gamit ang structural design.”

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

Isa pang bentahe ng bagong teknolohiyang ito ay ang proseso ng paggawa ay medyo simple at mura, na hindi gumagamit ng mga bihirang materyales o komplikadong teknolohiya.

“Naniniwala kami na ang sistemang ito ay maaaring maging isang platform para sa chiral spintronics at ang arkitektura ng chiral magnetic nanostructures.

Ang gawaing ito ay kumakatawan sa isang makapangyarihang pagsasanib ng geometry, magnetismo, at spin transport, na binuo mula sa scalable, inorganic na mga materyales.”

Pr. Young Keun Kim – Professor at Korea University

Marami pang trabaho ang kailangang gawin upang ganap na tuklasin ang potensyal ng bagong ideyang ito at mga materyales. Halimbawa, ang bilang ng mga strands (double, multiple helices) ay maaaring baguhin ayon sa kagustuhan, at maaaring magbunga ng iba’t ibang katangian na hindi pa natutuklasan.

Ang kakayahang kontrolin ang handedness (left/right) at pati na rin ang bilang ng mga strands (double, multiple helices) gamit ang napaka-versatile na electrochemical method ay inaasahang mag-aambag nang malaki sa mga bagong larangan ng aplikasyon.

Sa pagitan ng kadalian ng produksyon at posibilidad ng long-distance spin transfer, ito ay maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang para sa paggawa ng ganap na spin-based na mga computer at network, na may mga ekonomikong bentahe mula sa mas mababang konsumo ng enerhiya at matatag na imbakan ng data.

Pamumuhunan sa mga Inobador ng Spintronics

1. Everspin Technologies

Ang Everspin ay isang sangay ng Freescale (na ngayon kilala bilang NXP, stock ticker NXPI) na nakatuon sa pag-develop ng mga MRAM memory system, ang pinaka-karaniwang anyo ng spintronics na komersyal na magagamit ngayon. Ito ay naging hiwalay at nag-IPO noong 2016.

Itinuturing ang Everspin bilang lider ng teknolohiyang MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), na nagmana ng karanasan ng Freescale na unang nagkomersyalisa ng MRAM chip noong 2006.

Dahil ang MRAM ay memory na nananatili kahit walang kuryente, ito ay lalong ginagamit sa sensitibong mga kaso kung saan napakahalaga ng kritikal na data na hindi dapat mawala.

Pinapagana ng malawak na aplikasyon tulad ng data analytics, cloud computing, parehong terrestrial at extraterrestrial, artificial intelligence (AI), at Edge AI, kabilang ang Industrial IoT, ang merkado para sa persistent memory na inaasahang lalago nang 27.5% CAGR mula 2020 hanggang 2030

Everspin

Pinagmulan: Everspin

Ang kumpanya ay tinatantya na aabot sa $7.4B ang laki ng merkado pagsapit ng 2027. Ang kumpanya ay walang utang at may positibong libreng cash flow mula 2021.

Ang mga produktong MRAM ng Everspin ay kasalukuyang sumasakop sa isang maliit ngunit lumalaking niche, na nagsisilbi sa mga merkado kung saan ang pagiging maaasahan ay kritikal, tulad ng aerospace, satellites, data recorders, patient monitoring devices, atbp.

Pinagmulan: Everspin

Ang paglago ng mga chipset, AI, at synaptic systems ay maaaring magsilbing pangmatagalang boost para sa kumpanya.

2. NVE Corporation

Isa pang lider ng spintronics, NVE ay nagtrabaho sa teknolohiyang ito mula nang unang patent sa MRAM technology noong 1995. Ito ay gumagawa ng spintronic sensors at isolators, karamihan ay ginagamit sa measurement at sensor systems para sa mga sasakyan, gears, medikal na aparato, power supplies, at iba pang industrial devices.

Pinagmulan: NVE

Ang katangiang ito ay naglalagay sa NVE sa bahagyang ibang kategorya kaysa sa Everspin, kung saan ang NVE ay mas industrial na kumpanya na may matibay na posisyon sa isang niche market (magnetometer gamit ang spintronics), habang ang Everspin ay mas memory/computing na kumpanya na nakikipagkumpetensya sa mga tulad ng Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, at Samsung, na nagde-develop din ng kanilang sariling MRAM product.

Maaaring gawing mas kaakit-akit (o hindi) ang stock depende sa profile ng mga mamumuhunan, kung saan ang stock ng NVE ay mas malamang na makaakit ng mas konserbatibong mamumuhunan na naghahanap ng dividend yield at seguridad.

Mga Sangguniang Pag-aaral

^{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}