Spintronica: de toekomst van energiezuinig computergebruik

Hoe spintronica de computerwereld kan revolutioneren

De wereld van hardware computing kijkt steeds verder dan siliciumchips, of zelfs klassieke vormen van binair computergebruik. Dit komt doordat de gebruikelijke chips en geheugens in onze computers en datacenters steeds moeilijker te bouwen zijn, waarbij de nieuwste generatie transistors slechts enkele nanometers groot zijn.

Een andere factor is dat het energieverbruik een steeds groter probleem wordt, omdat de vraag naar computerkracht, met name voor AI-systemen, blijft toenemen.

Er worden veel oplossingen voorgesteld, maar quantum computing en fotonica zijn de belangrijkste opties om de vraag naar computing te verminderen of computing sneller en minder energie-intensief te maken.

Een andere is spintronica, die gebruikmaakt van de spin van elektronen, een kwantumkenmerk, in plaats van de elektrische stroom (de stroom van elektronen).

Wetenschappers zijn bezig om spintronica zo efficiënt te maken dat het een aanzienlijk deel van onze computerbehoeften zou kunnen vervangen.

Uit een recent wetenschappelijk artikel van onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology (KIST), de Seoul National University, de Kunsan National University (Korea), de Yonsei University en de Johannes Gutenberg University Mainz (Duitsland) blijkt dat spinverlies weer kan worden omgezet in magnetisatie, waardoor spintronische elektronica nog energiezuiniger wordt.

Ze publiceerden hun resultaten in Nature Communications¹, onder de titel "Magnetisatieschakeling aangestuurd door magnetische spindissipatie'.

Een andere recente ontdekking door onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen, het National Synchrotron Radiation Laboratory (China), ShanghaiTech University en Beihang University is hoe onvolkomenheden in spintronische materialen gebruikt kunnen worden om elektronica sneller, slimmer en efficiënter te maken.

Ze publiceerden hun resultaten in Nature Materials², onder de titel "Onconventionele schaalvergroting van het orbitale Hall-effect'.

Voordelen en potentiële toepassingen van spintronica

Elektronische componenten, zoals transistors, zijn traditioneel gemaakt van silicium en maken gebruik van halfgeleiders. De 0- en 1-signalen in binaire vorm geven aan of er een elektrische stroom doorstroomt of blokkeert.

Een alternatieve manier om berekeningen uit te voeren is met behulp van spintronica-apparaten, die werken op de spin van elektronen (een fundamentele kwantumeigenschap) in plaats van op de elektrische stroom (de stroom van elektronen).

Bron: Inzicht IAS

Gegevens kunnen worden gecodeerd in zowel het spin-impulsmoment, dat kan worden voorgesteld als een ingebouwde 'omhoog'- of 'omlaag'-oriëntatie van het elektron, als het orbitaal-impulsmoment, dat beschrijft hoe elektronen rond atoomkernen bewegen.

Omdat spin meer informatie bevat dan alleen 0 en 1, kan het meer gegevens per atoom bevatten dan traditionele elektronica.

Spintronics heeft er een paar Overige voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, met name:

• Snellere gegevens, omdat de spin veel sneller kan worden gewijzigd.
• Minder energieverbruik, omdat spin kan worden veranderd met minder kracht dan nodig is om een ​​stroom van elektronen in stand te houden om een ​​stroom te creëren.
• Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleidermaterialen.
• Spin is minder volatiel dan de halfgeleiderstatus, waardoor de gegevensopslag stabieler is.

Veeg om te scrollen →

Spintronica wordt al gebruikt voor harde schijven en heeft ervoor gezorgd dat de opslagcapaciteit voor gegevens de afgelopen tien jaar is toegenomen.

“Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen. Het is te vergelijken met een klein magneetje dat door de elektronen wordt gedragen en naar boven of beneden wijst.

We kunnen de spin van elektronen gebruiken om informatie over te brengen en te verwerken in zogenaamde spintronica-apparaten.”

Talieh Ghiasi - Postdoc-onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft

Het overwinnen van materiële uitdagingen in spintronica

Ondanks deze voordelen moeten spintronica nog commercieel succes boeken. Dit komt deels door de rol van materiaaldefecten. Het introduceren van onvolkomenheden in een materiaal kan het soms gemakkelijker maken om data in geheugenbits te "schrijven" door de benodigde stroom te verminderen.

Deze defecten verhogen echter ook de elektrische weerstand en verminderen de spin-Hall-geleiding, waardoor het gebruik van spin om gegevens te coderen aanzienlijk lastiger wordt.

Een oplossing zou kunnen zijn om strontiumruthenaat (SrRuO3) te gebruiken, een overgangsmetaaloxide waarvan de eigenschappen nauwkeurig kunnen worden afgesteld.

Door het zorgvuldig oplossen van defecten in het materiaal met behulp van speciaal ontworpen apparaten en nauwkeurige meetmethoden, verandert de manier waarop spins hierop reageren.

“Verstrooiingsprocessen die normaal gesproken de prestaties verslechteren, verlengen feitelijk de levensduur van het orbitale impulsmoment, waardoor de orbitale stroom wordt versterkt.”

Dr. Xuan Zheng - Chinese Wetenschapsacademie

Dit verschilt radicaal van conventionele spingebaseerde systemen. In deze experimenten resulteerde aangepaste geleidingsmodulatie in een drievoudige verbetering van de schakelenergie-efficiëntie.

"Dit werk herschrijft in wezen de spelregels voor het ontwerpen van deze apparaten. In plaats van te vechten tegen materiële onvolkomenheden, kunnen we ze nu uitbuiten."

Prof. Zhiming Wang – Chinese Academie van Wetenschappen

Energiezuinig computergebruik met Spintronics

Magnetisme en spin

Omdat spin een kenmerk is van de elektronendeeltjes, is het misschien niet verrassend dat onderzoekers nieuwe verbanden vinden tussen spin en de magnetisatie van elektronische materialen.

De Koreaanse onderzoekers bestudeerden dit verband. Traditioneel vereist het omschakelen van de magnetisatie van een elektronische component tussen 1 en 0 grote stromen om de magnetisatierichting om te keren. Dit proces resulteert in spinverlies, wat wordt beschouwd als een belangrijke bron van energieverspilling en een lage efficiëntie.

In plaats van te proberen dit verlies te beperken en de spindissipatie te verminderen, proberen ze dit te benutten door één ferromagnetisch metaal te combineren met een antiferromagnetische isolator.

Bron: Natuur materialen

Bron: Natuur materialen

Spinstromen

De onderzoekers concentreerden zich op spinstromen, ook wel spinstromen genoemd. magnonen.

Bron: Hubpage

Ze ontdekten dat de efficiëntie van de spin-naar-magnon-omzetting het hoogst was wanneer de magneto-kristallijne gemakkelijke as (n) het dichtst bij de spinpolarisatie (μ) lag.

In de praktijk betekent dit dat het verlies aan spin werd gebruikt om de energie te leveren die nodig was om een ​​verandering in de magnetische status van het materiaal teweeg te brengen. 

Bron: Natuur materialen

Schaalbaar met behulp van huidige technieken

Deze methode maakt gebruik van een eenvoudige apparaatstructuur die compatibel is met bestaande halfgeleiderproductieprocessen.

“Tot nu toe heeft het vakgebied spintronica zich alleen gericht op het verminderen van spinverliezen, maar wij hebben een nieuwe richting geïntroduceerd door de verliezen als energie te gebruiken om magnetisatieschakeling te induceren,”

Dokter Dong-Soo Han - Ssenior onderzoeker bij KIST.

Hierdoor is het zeer geschikt voor massaproductie en het biedt ook voordelen voor miniaturisatie en hoge mate van integratie, iets wat de acceptatie van radicalere nieuwe ontwerpen in de elektronica drastisch kan vertragen.

Daarom kan deze ontdekking snel worden toegepast in het geheugen en de computertechnologie van AI-halfgeleiders, geheugens met een extreem laag stroomverbruik, neuromorfisch computergebruik en op waarschijnlijkheid gebaseerde computerapparaten.

Omdat deze sectoren al in opkomst zijn, kan dit deze technologie enorme kansen bieden.

"We zijn van plan om actief ultrakleine en energiezuinige AI-halfgeleiderapparaten te ontwikkelen, omdat deze als basis kunnen dienen voor ultrazuinige computertechnologieën die essentieel zijn in het AI-tijdperk."

Dokter Dong-Soo Han - Ssenior onderzoeker bij KIST.

Conclusie

Tot nu toe beperkte spintronica zich tot de technologie van harde schijven. Maar dankzij een beter begrip van hoe we de spins van elektronen kunnen manipuleren en gebruiken, verandert dit snel.

Hierdoor ontstaat een nieuw type elektronica dat niet zozeer krachtiger is, zoals gebruikelijk is bij nieuwe en kleinere chips, maar energiezuiniger en bovendien eenvoudiger te produceren. Beide punten zijn belangrijk, aangezien energieverbruik steeds meer een knelpunt wordt bij de inzet van AI-datacenters en edge computing (zoals voor zelfrijdende auto's of robotica).

Spintronica-bedrijven

1. Everspin-technologieën

Everspin is een tak van Freescale (nu bekend als NXP, beursticker NXPI) die zich toelegt op de ontwikkeling van MRAM-geheugensystemen. Het bedrijf werd in 2016 afgesplitst en naar de beurs gebracht.

Everspin wordt beschouwd als de leider op het gebied van MRAM-technologie (Magnetoresistive Random-Access Memory), en heeft de ervaring van Freescale geërfd de eerste die in 2006 een MRAM-chip op de markt bracht.

Omdat MRAM geheugen is dat ook blijft bestaan ​​als er geen stroom aanwezig is, wordt het steeds vaker gebruikt in gevoelige toepassingen waarbij belangrijke gegevens te belangrijk zijn om het risico te lopen ze verloren te laten gaan.

Aangedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data-analyse, cloud computing, zowel terrestrische als buitenaardse, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge AI, inclusief industrieel IoT, wordt verwacht dat de markt voor persistent geheugen tussen 27.5 en 2020 met een CAGR van 2030% zal groeien.

Everspin

Bron: Everspin

Het bedrijf verwacht dat de markt tegen 7.4 een omvang van 2027 miljard dollar zal bereiken. Sinds 2021 heeft het bedrijf geen schulden meer en een positieve vrije kasstroom.

Everspin MRAM-producten bezetten momenteel een kleine maar groeiende niche in markten waar betrouwbaarheid cruciaal is, zoals de lucht- en ruimtevaart, satellieten, gegevensrecorders, patiëntbewakingsapparatuur, enzovoort.

Bron: Everspin

De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan ook een langetermijnboost voor het bedrijf zijn.

2. NVE Maatschappij

Een andere leider van de spintronica, NVE werkt aan deze technologie sinds het eerste patent op de MRAM-technologie in 1995Het produceert spintronische sensor  en  isolatoren, meestal gebruikt in meet- en sensorsystemen voor auto's, tandwielen, medische apparaten, voedingen en andere industriële apparaten.

Bron: NVE

Daarmee valt NVE in een iets andere categorie dan Everspin. NVE is meer een industrieel bedrijf met een sterke positie in een nichemarkt (magnetometers die gebruikmaken van spintronica), terwijl Everspin meer een geheugen-/computerbedrijf is dat samenwerkt en concurreert met bedrijven als Intel, Qualcomm, Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM-product ontwikkelen.

Dit kan de aantrekkelijkheid van het aandeel vergroten of verkleinen, afhankelijk van het profiel van de belegger. De aandelen van NVE zullen eerder in de smaak vallen bij conservatieve beleggers die op zoek zijn naar een dividendrendement en veiligheid.

Geciteerde studies

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Onconventionele schaalvergroting van het orbitale Hall-effect. Nature Materialen. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetisatieschakeling aangestuurd door magnetische spindissipatie. Nature Communicaties 16 (5859). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>