Як спінтроніка та графен живлять квантові схеми наступного покоління

Як спінтроніка може революціонізувати обчислювальну техніку

Поступово світ апаратних обчислень починає дивитися далі кремнієвих чіпів або навіть класичних форм двійкових обчислень загалом. Це пояснюється тим, що звичайні чіпи та пам'ять у наших комп'ютерах та центрах обробки даних стають дедалі складнішими у виготовленні, а останнє покоління має транзистори розміром ледве кілька нанометрів.

Ще одним фактором є те, що споживання енергії стає проблемою, оскільки попит на обчислювальну потужність, особливо для систем штучного інтелекту, продовжує зростати.

Існує багато запропонованих рішень, серед яких квантові обчислення та фотоніка є найвидатнішими варіантами для зменшення попиту на обчислення або для того, щоб зробити їх швидшими та менш енергоємними.

Інша — це спінтроніка, яка використовує спін електронів замість електричного струму (потоку електронів).

Дослідники з Делфтського технологічного університету (Нідерланди), Цукубського національного інституту матеріалознавства (Японія), Валенсійського університету (Іспанія), Регенсбурзького університету (Німеччина) та Гарвардського університету (США) створили новий спінтроннічний пристрій на основі графену.

На відміну від попередньої версії цієї технології, вона не вимагає потужних магнітів, що робить її набагато суміснішою з іншими електронними компонентами. Свої результати вони опублікували в Nature Communications.¹, під назвою «Квантовий спіновий ефект Холла в магнітному графені".

Потенціал спінтроніки

Електронні компоненти, такі як транзистори, традиційно виготовляються з кремнію та залежать від напівпровідників. Сигнали 0 та 1 у двійковому коді вказують на проходження або блокування електричного струму.

Альтернативним способом виконання обчислень є пристрої спінтроніки, які працюють на спіну електронів (фундаментальній квантовій характеристикі), а не на електричному струмі (потоку електронів).

джерело: Аналітика IAS

Спінтроніка має кілька переваг перед класичними електронними системами, зокрема:

• Швидші дані, оскільки спін можна змінити набагато швидше.
• Менше споживання енергії, оскільки оберт можна змінити з меншою потужністю, ніж це потрібно для підтримки потоку електронів для створення струму.
• Замість складних напівпровідникових матеріалів можна використовувати прості метали.

Спінтроніка вже використовується для жорстких дисків і дозволила збільшити ємність сховища за останнє десятиліття.

«Спін — це квантово-механічна властивість електронів, яка подібна до крихітного магніту, що переноситься електронами, спрямованого вгору або вниз».

Ми можемо використовувати спін електронів для передачі та обробки інформації в так званих спінтронічних пристроях.

Таліє Гіасі - Постдокторські дослідженняr at Технологічний університет Делфта

Спінтроніка для квантових обчислень

Ключові переваги спінтроніки для квантових схем

Спін — це не електричний струм, а фундаментальна квантова характеристика електронів, де квантова інформація зберігається в орієнтації спіну.

Головна перевага спінтроніки полягає в тому, що вона має справу з перенесенням магнітних моментів, а не з перенесенням електронів. Тому немає потреби в русі матерії для передачі інформації.

А оскільки це вже спочатку квантовий елемент, ідея створення спінового кубіта є інтригуючою. Проблема, як це часто трапляється з квантовими обчислювальними системами, полягає в тому, щоб зберігати цю інформацію протягом достатньо тривалих періодів часу та на достатньо великих відстанях.

І можливо, саме це дослідники в цьому дослідженні й з'ясували, як вирішити за допомогою графену.

Графен для спінтроніки

Графен – це «чудодійний матеріал» у формі 2D шар вуглецюВін має потенціал не лише в обчислювальній техніці, але й у надпровідність, телекомунікації, матеріалознавство та каталіз.

Досі він насправді не використовувався для спінтроніки, незважаючи на свої чудові електричні властивості. Причина полягає в тому, що виявлення квантових спінових струмів у графені завжди вимагало великих магнітних полів, які практично неможливо інтегрувати на кристалі.

Дослідникам вдалося обійти потребу в зовнішніх магнітних полях, наклавши графен поверх CrPS₄ (тіофосфату хрому), двовимірного антиферомагнітного напівпровідника.

Цей магнітний шар суттєво змінив електронні властивості графену, що призвело до появи квантового спінового ефекту Холла (QSH) у графені.

«Ми спостерігали, що спіновий транспорт у графені модифікується сусіднім CrPS4 таким чином, що потік електронів у графені стає залежним від напрямку спіну електронів».

Таліє Гіасі - Постдокторські дослідженняr at Технологічний університет Делфта

Ефект QSH дозволяє електронам легко рухатися вздовж країв графену без перешкод, причому всі їхні спіни вирівняні в одному напрямку.

«Той факт, що ми зараз досягаємо квантових спінових струмів без потреби у зовнішніх магнітних полях, відкриває шлях для майбутніх застосувань цих квантових спінтронних пристроїв».

Таліє Гіасі - Постдокторські дослідженняr at Технологічний університет Делфта

Майбутні перспективи спінтроніки на основі графену

Оскільки квантові спінові струми «топологічно захищені», вони можуть долати відстані в десятки мікрометрів, не втрачаючи спінової інформації в ланцюзі.

«Ці топологічно захищені спінові струми стійкі до порушень та дефектів, що робить їх надійними навіть в недосконалих умовах. Збереження спінового сигналу без втрати інформації є життєво важливим для побудови спінтронних схем».

Таліє Гіасі - Постдокторські дослідженняr at Технологічний університет Делфта

Це відкриття прокладає шлях до створення надтонких спінтроннічних схем на основі графену. Спінові струми в графені можуть створювати ефективну та когерентну передачу квантової інформації, досі обмежувалися використанням світла для з'єднання компонентів квантових обчислень.

Тож, хоча це ще незавершена робота, це відкриття чітко показує, що остаточний дизайн квантових комп'ютерів і квантових мереж ще належить визначити, і такі матеріали, як графен, ймовірно, відіграватимуть певну роль у довгостроковій перспективі (як більша частина... графенові напівпровідники як категорія матеріалів), а також спінтроніка загалом.

Інвестиції в графенові компанії

Виробнича група Graphene (СДМ)

GMG — виробник графену, який зосередив свою пропозицію на вже перевірених продуктах на основі графену, таких як термопокриття та мастила, що підвищує ефективність промислового обладнання.

джерело: СДМ

Це робить GMG гарним вибором для інвесторів, які шукають прямого контакту з ринком графену, і компанії, яка вже активно займається масовим виробництвом графену та вдосконаленням поточного методу виробництва.

Якщо графен почне використовуватися у великих масштабах для інших застосувань, таких як обчислювальна техніка, досвід та виробничі потужності існуючих компаній, що виробляють графен, будуть перевагою для виходу на ці ринки.

Деякими іншими застосуваннями може бути створення графенових напівпровідників (див. «Графенові напівпровідники – вони нарешті тут?"), або навіть надпровідники кімнатної температури. Графенове покриття також може знайти застосування в батареях і технологіях водневих резервуарів під тиском.

GMG виробляє графен з метану та водню, що відрізняється від більшості конкурентів, які виробляють його з природних графітових родовищ. Це забезпечує вищу чистоту, більшу масштабованість та низьку вартість виробництва.

джерело: СДМ

Компанія запустила свій перший виробничий об'єкт в Австралії у 2023 році, з продуктивністю до 1 мільйона літрів покриття для теплообмінників на рік. Зараз він розширюється до виробництва 10 мільйонів тонн на рік.

Наступним кроком для компанії стане технологія акумуляторів на основі графену та алюмінієвих іонів, причому графенова суспензія буде добавкою для катодів літій-іонних акумуляторів. У довгостроковій перспективі вона може навіть повністю замінити графітові катоди.

Компанія розробляє такі графенові алюмінієво-іонні батареї з використанням графенового катода, які можуть досягати щільності енергії 290 Вт·год/кг. Це розроблено у партнерстві з гірничодобувним гігантом Rio Tinto і може спочатку знайти застосування у важкій промисловості (наприклад, у гірничодобувній промисловості), а не на ринках електромобілів.

джерело: СДМ

Дорожня карта розвитку акумуляторів передбачає будівництво пілотних заводів у 2025 році, рішення про інвестування в завод промислового масштабу у 2026 році, а його остаточне введення в експлуатацію та перші поставки клієнтам до 2027 року.

Цей вихід на ринок акумуляторів може бути великою авантюрою для GMG, але він також дає їй унікальну можливість на майбутньому ринку, який може відкритися для графену, зокрема для накопичення енергії та інших застосувань, пов'язаних з енергетикою.

Посилання на дослідження

^{1. Гіасі Т. С., Петросян Д., Інгла-Айнес Дж. та ін. Квантовий спіновий ефект Холла в магнітному графеніКомунікації природи 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}