Tietojenkäsittely
Kuinka kiraalinen spintroniikka voisi mullistaa tietojenkäsittelyn
Securities.io noudattaa tiukkoja toimituksellisia standardeja ja voi saada korvausta tarkistetuista linkeistä. Emme ole rekisteröity sijoitusneuvoja, eikä tämä ole sijoitusneuvontaa. Katso lisätietoja tytäryhtiöiden ilmoittaminen.
Kuinka spintroniikka voisi mullistaa laskennan
Vähitellen laitteistolaskennan maailma alkaa katsoa piisirujen tai edes klassisten binäärilaskennan muotojen ulkopuolelle.
Tämä johtuu siitä, että tietokoneissamme ja datakeskuksissamme tavanomaisten sirujen ja muistien rakentaminen on yhä vaikeampaa, ja uusimman sukupolven transistorit ovat kooltaan vain muutaman nanometrin kokoisia.
Toinen tekijä on, että energiankulutuksesta on tulossa ongelma, koska laskentatehon kysyntä, erityisesti tekoälyjärjestelmissä, kasvaa jatkuvasti.
Ratkaisuja on ehdotettu monia, ja kvanttilaskenta ja fotoniikka ovat näkyvimmät vaihtoehdot joko laskennan kysynnän vähentämiseksi tai sen nopeuttamiseksi ja energiatehokkuuden vähentämiseksi.
Toinen on spintroniikka, joka hyödyntää elektronien spiniä, kvanttiominaisuutta, sähkövirran (elektronien virtauksen) sijaan.
Spintroniikan edut ja mahdolliset sovellukset
Elektroniset komponentit, kuten transistorit, on perinteisesti valmistettu piistä ja ne perustuvat puolijohteisiin. Binäärikoodissa 0 ja 1 signaalit osoittavat sähkövirran kulkemisen tai estymisen.
Vaihtoehtoinen tapa suorittaa laskenta on spintronisten laitteiden avulla, jotka toimivat elektronien spinillä (perustavanlaatuinen kvanttiominaisuus) sähkövirran (elektronien virtauksen) sijaan.
Lähde: Tieto IAS
Data voidaan koodata sekä spin-kulmamomenttina, joka voidaan kuvitella elektronin sisäänrakennettuna "ylös"- tai "alas"-suuntauksena, että orbitaaliseen kulmassa, joka kuvaa, miten elektronit liikkuvat atomiytimien ympäri.
Koska tämä sisältää enemmän tietoa kuin vain 0 ja 1, spin voi sisältää enemmän dataa atomia kohden kuin perinteinen elektroniikka.
Spintroniikalla on muutamia muita etuja klassisiin elektronisiin järjestelmiin verrattuna, erityisesti:
- Nopeampi data, koska spiniä voidaan muuttaa paljon nopeammin.
- Vähemmän energiankulutusta, koska spiniä voidaan muuttaa pienemmällä teholla kuin tarvitaan elektronivuon ylläpitämiseen virran luomiseksi.
- Monimutkaisten puolijohdemateriaalien sijasta voidaan käyttää yksinkertaisia metalleja.
- Spin on vähemmän haihtuva kuin puolijohdetila, mikä tekee tiedontallennuksesta vakaampaa.
Pyyhkäise vierittääksesi →
| Ominaisuus | Perinteinen elektroniikka | spintroniikan |
|---|---|---|
| Tietojen välittäjä | Sähkövirta (0 tai 1) | Elektronin spin (ylös/alas) |
| Energiatehokkuus | Suuri tehontarve | Alhaisempi virrankulutus |
| Nopeus | Virtauksen rajoittama | Nopeampi linkouskytkentä |
| Materiaalit | Monimutkaiset puolijohteet | Yksinkertaiset metallit/oksidit |
| Tietojen vakaus | Haihtuva varastointi | Vakaa, haihtumaton |
Spintronics-tuotteita on kaupallistettu kiintolevyjen lukupäissä 1990-luvulta lähtien, ja tallennustiheys on kasvanut merkittävästi viime vuosikymmeninä.
"Spin on elektronien kvanttimekaaninen ominaisuus, joka on kuin elektronien kantama pieni magneetti, joka osoittaa ylös tai alas."
Voimme hyödyntää elektronien spiniä tiedon siirtämiseen ja käsittelyyn niin kutsutuissa spintroniikkalaitteissa.
Talieh Ghiasi – postdoc-tutkija Delftin teknillisessä yliopistossa
Spintroniikan alalla on viime aikoina edistytty paljon, esim. spin-häviö voidaan muuntaa takaisin magnetisaatioksi, mikä tekee spintroniikan elektroniikasta entistä energiatehokkaampaa, tai tuota spintroniikka ja grafeeni voisi seuraavan sukupolven kvanttipiirien teho.
Ja tiedemiehet löytävät edelleen uusia menetelmiä spintroniikan laitteiden parantamiseksi, kuten Soulin kansallisen yliopiston (Etelä-Korea), Korean yliopiston, Korean tiede- ja teknologiainstituutin sekä Feinbergin lääketieteellisen tiedekunnan (USA) tutkijat. He loivat magneettisia nanoheliksiä, jotka voivat ohjata elektronien spiniä, mikä voisi luoda kokonaan uuden alan niin kutsuttuja "kiraalisia spintroniikan" laitteita.
He julkaisivat tuloksensa arvostetussa tiedelehdessä Science.1, otsikon alla "Spin-selektiivinen kuljetus kiraalisten ferromagneettisten nanoheliksien läpi".
Kiraalinen spintroniikka
Mitä on kiraalisuus spintroniikassa?
Luonnossa symmetria on monien asioiden, kuten DNA:n ja itse valon, perusominaisuus. On mahdollista, että kaksi lähes identtistä molekyyliä eroavat toisistaan koostumuksensa tai muotonsa sijaan, tätä käsitettä kutsutaan kiraalisuudeksi.
Kiraalisuus voidaan yksinkertaisimmillaan selittää siten, että vasen kätemme eroaa oikeasta kädestamme, vaikka molemmat kädet ovat muodoltaan, rakenteeltaan ja toiminnaltaan identtiset.
Kiraalisuudella on keskeinen rooli biologiassa, ja luonnonvalinta on valinnut yksinomaan "oikeakätisiä" DNA-molekyylejä, sokeria ja aminohappoja (proteiinien peruskomponentti).
Se on kuitenkin harvinaista epäorgaanisissa materiaaleissa, jotka ovat yleensä joko epäorganisoituneita tai kiteitä ilman kiraalisuutta.
Miten metallit saavat kiraalisuutta spintroniikassa
Tutkijat onnistuivat luomaan sekä vasen- että oikeakätisiä kiraalisia magneettisia nanoheliksiä sähkökemiallisesti kontrolloimalla metallin kiteytymisprosessia. Koboltti-rautaseos valittiin sen ferromagneettisten ominaisuuksien vuoksi.
Keskeinen innovaatio tässä prosessissa on kiraalisten orgaanisten molekyylien, kuten sinkoniinin tai sinkonidiinin, pienten määrien käyttö, jotka ohjasivat heliksien muodostumista.
”Metallien ja epäorgaanisten materiaalien kiraalisuuden hallitseminen synteesin aikana on erittäin vaikeaa, erityisesti nanoskaalassa.”
Se, että pystyimme ohjelmoimaan epäorgaanisten heliksien suunnan yksinkertaisesti lisäämällä kiraalisia molekyylejä, on läpimurto materiaalikemiassa.
Näiden nanoheliksien kiraalisuuden osoittamiseksi he mittasivat pyörivien magneettikenttien alla heliksien tuottamia sähkömagneettisia kenttiä (EMF).
Tämä luo helpon tavan testata, onko materiaali tuotettu oikein, koska vasen- ja oikeakätiset heliksit tuottivat vastakkaisia EMF-signaaleja, mikä mahdollisti kiraalisuuden kvantitatiivisen varmentamisen ilman, että magneettisen materiaalin tarvitsee olla voimakkaassa vuorovaikutuksessa valon kanssa, mikä on tavanomainen tapa tarkistaa kiraalisuus.
Vielä tärkeämpää on, että he havaitsivat, että nämä kiraaliset magneettiset metallit voivat myös ohjata spiniä vastaavasti: ne ensisijaisesti sallivat yhden spin-suunnan kulkea läpi, kun taas vastakkainen spin ei voi.
”Kiraliteetti ymmärretään hyvin orgaanisissa molekyyleissä, joissa rakenteen kätisyys usein määrää sen biologisen tai kemiallisen funktion.”
Kiraalisen spintroniikan mahdolliset sovellukset
Materiaalin luontaisen magnetisaation (spin-kohdistumisen) kautta pitkän matkan spin-kuljetus huoneenlämmössä tuli mahdolliseksi.
Tämä vaikutus osoittautui vakioksi riippumatta kiraalisen akselin ja spin-injektiosuunnan välisestä kulmasta. Koska sitä ei havaittu saman kokoisissa ei-magneettisissa nanoheliksissä, se näyttää liittyvän suoraan kiraalisiin magneettisiin helikseihin.
Tämä tekisi historian ensimmäisestä löydetystä epäsymmetrisestä spin-kuljetuksesta suhteellisen makroskaalaisessa materiaalissa.
Tiimi esitteli myös kiinteän olomuodon laitteen, joka osoitti kiraalisuudesta riippuvia johtavuussignaaleja, mikä tasoitti tietä käytännön spintronisille sovelluksille.
”Nämä nanoheliksit saavuttavat yli 80 %:n spinpolarisaation – pelkästään geometriansa ja magnetisminsa ansiosta.”
Tämä on harvinainen yhdistelmä rakenteellista kiraalisuutta ja luontaista ferromagnetismia, joka mahdollistaa spin-suodatuksen huoneenlämmössä ilman monimutkaisia magneettipiirejä tai kryogeniikkaa ja tarjoaa uuden tavan suunnitella elektronien käyttäytymistä rakennesuunnittelun avulla.
Tämän uuden teknologian toinen etu on, että valmistusprosessi on suhteellisen yksinkertainen ja halpa, eikä siinä käytetä harvinaisia materiaaleja tai monimutkaisia tekniikoita.
"Uskomme, että tästä järjestelmästä voisi tulla alusta kiraaliselle spintroniikalle ja kiraalisten magneettisten nanorakenteiden arkkitehtuurille."
Tämä työ edustaa voimakasta geometrian, magnetismin ja spin-kuljetuksen konvergenssia, joka on rakennettu skaalautuvista, epäorgaanisista materiaaleista.
Tämän uuden idean ja materiaalien potentiaalin täysimääräinen tutkiminen vaatii vielä paljon työtä. Esimerkiksi säikeiden lukumäärää (kaksinkertaiset, moninkertaiset kierteet) voidaan muuttaa halutessa, ja ne saattavat tuottaa erilaisia, vielä löytämättömiä ominaisuuksia.
Tämän monipuolisen sähkökemiallisen menetelmän avulla voidaan hallita kätisyyttä (vasen/oikea) ja jopa säikeiden lukumäärää (kaksinkertaiset, moninkertaiset heliksit) ja sen odotetaan edistävän merkittävästi uusia sovellusalueita.
Tuotannon helppouden ja pitkän matkan spin-siirron mahdollisuuden ansiosta tämä voisi olla erittäin hyödyllistä täysin spin-pohjaisten tietokoneiden ja verkkojen tuotannossa, ja taloudellisia etuja olisivat alhaisempi energiankulutus ja vakaa tiedontallennus.
Investoiminen Spintronic-innovaattoreihin
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin on Freescalen (nykyisin NXP, pörssitunnus NXPI) tytäryhtiö, joka on omistautunut kehittämään MRAM-muistijärjestelmiä, jotka ovat nykyään yleisin kaupallisesti kannattava spintroniikan muoto. Se eriytettiin ja listautui pörssiin vuonna 2016.
Everspiniä pidetään MRAM-teknologian (Magnetoresistive Random-Access Memory) johtajana, ja se perii Freescalen kokemuksen... ensimmäinen, joka kaupallisti MRAM-sirun vuonna 2006.
Koska MRAM on muisti, joka säilyy myös ilman virtaa, sitä käytetään yhä enemmän herkissä käyttötapauksissa, joissa kriittiset tiedot ovat liian tärkeitä menetettäväksi.
Laajalle levinneiden sovellusten, kuten data-analytiikan, pilvipalveluiden (sekä maanpäällisten että maan ulkopuolisten), tekoälyn (AI) ja reuna-alueiden tekoälyn, mukaan lukien teollisen esineiden internetin, vetämänä pysyvän muistin markkinoiden ennustetaan kasvavan 27.5 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla vuosina 2020–2030.
Lähde: Everspin
Yhtiö arvioi markkinoiden saavuttavan 7.4 miljardin dollarin koon vuoteen 2027 mennessä. Yhtiöllä ei ole ollut velkaa ja sillä on ollut positiivinen vapaa kassavirta vuodesta 2021 lähtien.
Everspin MRAM -tuotteet ovat tällä hetkellä pienellä mutta kasvavalla markkinaraolla ja palvelevat markkinoita, joilla luotettavuus on ratkaisevan tärkeää, kuten ilmailu- ja avaruustekniikkaa, satelliitteja, datatallentimia, potilasvalvontalaitteita jne.
Lähde: Everspin
Piirisarjojen, tekoälyn ja synaptisten järjestelmien kasvu saattaa myös olla yritykselle pitkän aikavälin sysäys.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Toinen spintroniikan johtaja, NVE on työskennellyt tämän tekniikan parissa ensimmäisestä MRAM-teknologian patentistaan vuonna 1995Se tuottaa spintroniikkaa anturit ja eristimet, käytetään enimmäkseen autojen, vaihteiden, lääketieteellisten laitteiden, virtalähteiden ja muiden teollisuuslaitteiden mittaus- ja anturijärjestelmissä.
Lähde: NVE
Tämä asettaa NVE:n hieman eri kategoriaan kuin Everspinin. NVE on enemmänkin teollisuusyritys, jolla on vahva asema kapealla markkinaraolla (spintroniikkaa hyödyntävä magnetometri), kun taas Everspin on enemmänkin muisti-/tietokoneyritys, joka tekee yhteistyötä ja kilpailee sellaisten yritysten kuin Intel, Qualcomm, Toshiba ja Samsung kanssa, jotka myös kehittävät omaa MRAM-tuotettaan.
Se voi tehdä osakkeesta houkuttelevamman (tai vähemmän) sijoittajaprofiilien mukaan, ja NVE:n osake todennäköisemmin vetoaa konservatiivisempiin sijoittajiin, jotka etsivät osinkotuottoa ja turvallisuutta.
Viitatut tutkimukset
1. Yoo Sang Jeon, Et ai. Spin-selektiivinen kuljetus kiraalisten ferromagneettisten nanoheliksien läpi. tiede. 4 syyskuu 2025. Voi 389, numero 6764. s. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963
