Foto-uyarımla elektronik kontrol: manyetit yeni nesil aygıtların önünü açabilir mi?

Spintroniğin potansiyeli

Transistörler gibi elektronik bileşenler genellikle silisyum tabanlı yarı iletkenlerle üretilir. İkili sistemdeki 0 ve 1 durumları, bir elektrik sinyalinin farklı düzeyleriyle temsil edilebilir. Spintronik ise elektronların temel kuantum özelliklerinden biri olan spini de kullanır. Bu, spintronik aygıtlarda hiç elektrik akımı kullanılmadığı anlamına gelmez.
Spintronik, kullanılan tasarıma bağlı olarak klasik elektroniğe göre çeşitli avantajlar sunabilir. Örneğin:

• Spin durumlarının hızlı değiştirilmesi, bazı uygulamalarda daha hızlı veri işlemeyi mümkün kılabilir.
• Bazı tasarımlar, özellikle veriyi enerji kesildiğinde de tutabilen bellekler, enerji tüketimini azaltabilir.
• Metallerin yanı sıra farklı manyetik malzemeler ve yarı iletkenler de kullanılabilir.

Spintronik teknolojileri, sabit disklerin okuma kafaları gibi ürünlerde kullanılır ve yüksek depolama yoğunluğuna katkı sağlamıştır.

Spintronik araştırmalarında incelenen malzemeler arasında manyetitde yer alır. Doğada bulunan bu demir oksit, oksijen ile farklı yükseltgenme durumlarındaki demir iyonlarından oluşur.

Kaynak: Britannica

Manyetitin manyetik özellikleri uzun süredir bilinse de ışıkla uyarıldığında gösterdiği davranış hâlâ araştırılmaktadır.

İsviçre’deki EPFL araştırmacıları, farklı dalga boylarındaki lazer darbeleriyle manyetitte farklı denge dışı durumların oluşturulabildiğini gösterdi. Bulgular gelecekte elektronik malzemelerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir; çalışma, kullanıma hazır yeni bir aygıtı göstermemektedir.

Manyetitin gizli özellikleri

Araştırmacılar, manyetitin düşük sıcaklıklarda iletkenlik ve kristal yapı bakımından değişmesini inceledi. Yaklaşık 125 K civarında gerçekleşen Verwey geçişinde malzeme daha yalıtkan bir duruma geçer. Faz geçişi, malzemenin özelliklerinin değişmesidir; suyun donması buna gündelik bir örnektir, ancak burada söz konusu olan elektronik ve yapısal değişimlerdir.

Ekip, 800 nm yakın kızılötesi ve 400 nm görünür ışık darbelerinin farklı denge dışı durumlar oluşturduğunu belirledi.

Bu değişimleri izlemek için çok kısa zaman aralıklarında atomların hareketini ölçmek gerekiyordu. Araştırmacılar ultra hızlı elektron kırınımı (UED) yöntemini kullandı. Bu yöntem, pikosaniyeden daha kısa zaman ölçeklerindeki yapısal değişimleri izleyebilir; bir pikosaniye saniyenin trilyonda biridir.

Kristal yapının değişimi

Manyetitin düşük sıcaklıktaki yalıtkan fazı monoklinik kristal yapı gösterir. Bu yapının birim hücresindeki üç kenar farklı uzunluktadır; iki açı 90 derece, üçüncüsü farklıdır. Manyetitin her sıcaklıkta monoklinik olduğunu varsaymak doğru değildir.

Kaynak: ACS

800 nm ışık, monoklinik yapıda hızlı bir sıkışma başlatarak kübik yapıya doğru dönüşümü tetikledi. Süreçte metalik kübik ve yalıtkan monoklinik bölgeler birlikte oluştu. Araştırmacılar bu yapısal gelişimi yaklaşık 50 pikosaniyeye yayılan üç aşamada izledi.

400 nm ışık ise yapının genişlemesine yol açtı ve monoklinik yalıtkan fazın düzenini güçlendirdi. Buradaki malzeme saf demir metali değil, demir oksittir.

Bu denge dışı durumların incelenmesi, metal-yalıtkan geçişinin altında yatan süreçleri anlamaya yardımcı olur. Deneydeki daha kararlı durum, her koşulda kalıcı bir bellek elemanı anlamına gelmez.

Yeni elektronik sistemlere doğru

Bulgular, ışığın dalga boyu seçilerek manyetitin elektronik ve yapısal davranışının değiştirilebildiğini gösteriyor.

Kısa lazer darbeleriyle malzemenin durumunu kontrol etmek, gelecekteki aygıtlar için araştırılabilecek bir yaklaşım sunuyor.

Araştırmacılar, uygun biçimde seçilen ışık darbelerinin maddenin çok hızlı zaman ölçeklerinde kontrol edilmesine yeni olanaklar sağlayabileceğini belirtiyor.

Farklı durumların oluşturulması ve kontrol edilmesi, gelişmiş elektronik malzemelerin tasarımına katkı sağlayabilir.

Hızlı ve verimli biçimde durum değiştirebilen malzemeler, gelecekte hesaplama ve bellek uygulamalarında değerlendirilebilir. Bu olasılıkların ticari ürünlere dönüşmesi için daha fazla çalışma gerekir.

Bellek teknolojilerindeki olasılıklar

Spintronik, sabit disklerin ötesinde farklı bellek türlerinde de kullanılmaktadır. Manyetit üzerindeki temel araştırmalar ise mevcut ticari manyetik belleklerden ayrı değerlendirilmelidir.

Manyetik RAM (MRAM), bazı uygulamalarda DRAM gibi belleklerin alternatifi veya tamamlayıcısı olabilir. Ticari MRAM üreten şirketlerden biri Everspin adlı şirkettir. Şirketin müşterileri arasında Airbus da yer almıştır. Havacılıkta bellek seçimi, kullanılan ürünün sıcaklık ve radyasyon dayanımı gibi özelliklerinin uygulamaya göre doğrulanmasını gerektirir.

MRAM, veriyi güç kesildiğinde de tutabilmesi ve bazı kullanım durumlarında düşük güç tüketimiyle avantaj sağlayabilir. Enerji tasarrufunun büyüklüğü karşılaştırılan ürüne, işlem yüküne ve tasarıma bağlıdır; %80 tasarruf bütün MRAM ürünleri için geçerli bir sonuç değildir. İşlemciye gömülü bellek uygulamalarında kapasite, alan, hız ve ısı üretimi birlikte değerlendirilir.

Fotonikle bağlantısı

Lazerle manyetitin durumunu değiştirme yaklaşımı, fotonik alanındaki çalışmaları da akla getiriyor. Bu alanı yarı iletkenlerin ötesindeki hesaplama teknolojilerini geliştiren şirketler hakkındaki yazımızda ele almıştık.

Işıkla hesaplama yapan bir sistem ile ışıkla kontrol edilen bellek arasında doğrudan bağlantı kurulması, gelecekte bazı dönüştürme aşamalarını azaltabilir. Ancak bu çalışma, böyle bütünleşik bir sistemin performansını kanıtlamamaktadır.

Spintronik alanındaki şirketler

1. Everspin Technologies

Everspin, Haziran 2008’de Freescale’den ayrılarak kuruldu ve Ekim 2016’da halka arz edildi. Freescale daha sonra NXP tarafından satın alındı; yalnızca adını NXP olarak değiştirmedi.

Everspin, Freescale’in 2006’da ticari MRAM yongası sunmasıyla kazandığı deneyimi devralan önemli MRAM üreticilerinden biridir.

MRAM, güç kesildiğinde de veriyi koruyan kalıcı bir bellektir. Bu özellik, kritik verilerin korunması gereken uygulamalarda yararlı olabilir; tek başına veri kaybına karşı mutlak güvence sağlamaz.

Şirketin aktardığı tarihsel bir pazar tahmininde, veri analitiği, bulut bilişim, yapay zekâ ve endüstriyel nesnelerin interneti gibi uygulamaların etkisiyle kalıcı bellek pazarının 2020–2030 döneminde yıllık bileşik %27,5 büyüyebileceği öngörülüyordu. Bu, gerçekleşmiş büyüme oranı değil bir tahmindi.

Everspin

Kaynak: Everspin

Şirketin aktardığı başka bir tahmin, ilgili pazarın 2027’de 7,4 milyar dolara ulaşabileceğini öngörüyordu. Everspin’in 2023 yıl sonu sonuçları borçsuz bilanço ve pozitif serbest nakit akışına işaret ediyordu. Bu tarihsel mali veriler gelecekteki sonuçların garantisi değildir.

Everspin’in MRAM ürünleri havacılık, uydular, veri kaydediciler ve hasta izleme cihazları gibi güvenilirliğin önemli olduğu belirli pazarlara hitap eder.

Kaynak: Everspin

Yonga sistemleri, yapay zekâ ve yeni hesaplama mimarilerindeki gelişmeler uzun vadede talebi etkileyebilir; şirkete sağlayacağı faydanın büyüklüğü kesin değildir.

2. NVE Corporation

Spintronik alanında çalışan bir diğer şirket olan NVE, ilk manyetodirençli bellek patentini 1993’te aldı.

Şirket spintronik sensörler ve izolatörler üretir. Bu ürünler otomotiv, endüstriyel ölçüm, tıbbi cihazlar, güç kaynakları ve başka uygulamalarda kullanılır.

Kaynak: NVE

Bu ürün karması NVE’yi Everspin’den farklılaştırır. NVE daha çok spintronik sensörler ve sinyal yalıtımı gibi alanlara odaklanırken Everspin bellek ürünleri geliştirir. Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba ve Samsung gibi şirketler de çeşitli bellek teknolojileri üzerinde çalışmaktadır. Bu şirketlerin tümünün aynı MRAM ürününde doğrudan rakip olduğunu varsaymamak gerekir.

NVE ile Everspin’in uygunluğu, yatırımcının hedeflerine ve risk tercihine bağlıdır. Temettü ödemesi veya belirli bir pazar konumu, bir hisseyi risksiz yapmaz. Mali durum, müşteri yoğunlaşması, rekabet ve değerleme birlikte incelenmelidir.