Як хіральна спінтроніка може трансформувати обчислювальну техніку

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 і 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 найпоширенішими варіантами для зменшення попиту на обчислення або для їх пришвидшення та зменшення енергоємності.

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

Переваги та потенційні застосування спінтроніки

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

Альтернативний спосіб виконання обчислень – це використання спінтроннічних пристроїв, які працюють на основі спіну електронів (фундаментальної квантової характеристики), а не електричного струму (потоку електронів).

джерело: Аналітика IAS

Дані можуть бути закодовані як у спіновому кутовому моменті, який можна уявити як вбудовану орієнтацію електрона «вгору» або «вниз», так і в орбітальному кутовому моменті, який описує, як електрони рухаються навколо атомних ядер.

Оскільки це містить більше інформації, ніж просто 0 та 1, спін може містити більше даних на атом, ніж традиційна електроніка.

Спінтроніка має кілька інших переваг перед класичними електронними системами, зокрема:

• Швидші дані, оскільки обертання можна змінювати 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.
• Спін менш волатильний, ніж напівпровідниковий стан, що робить зберігання даних стабільнішим.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Спінтроніка комерціалізується у зчитувальних головках жорстких дисків з 1990-х років, значно підвищивши щільність зберігання даних за останні 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 – постдокторант Делфтського технологічного університету

Значного прогресу останнім часом досягнуто у спінтроніці, наприклад, у тому, що Втрати спіна можна перетворити назад на намагніченість, що робить електроніку спінтроніки ще більш енергоефективною., або що спінтроніка та графен може квантові схеми наступного покоління.

І вчені досі відкривають нові методи вдосконалення пристроїв спінтроніки, як-от дослідники з Сеульського національного університету (Південна Корея), Корейського університету, Корейського інституту науки і технологій та Медичної школи Файнберга (США). Вони створили магнітні наноспіралі, які можуть контролювати спін електронів, що може створити цілу нову галузь так званих пристроїв «хіральної спінтроніки».

Вони опублікували свої результати у престижному науковому журналі Science¹, під назвою «Спін-селективний транспорт через хіральні феромагнітні наноспіралі".

Хіральна спінтроніка

Що таке хіральність у спінтроніці?

У природі симетрія є фундаментальною рисою багатьох речей, включаючи компоненти ДНК та саме світло. Можливо, що дві майже ідентичні молекули відрізняються не своїм складом чи формою, а своєю орієнтацією, концепція, яка називається «хіральністю».

Хіральність можна пояснити в найпростішій формі як відмінність нашої лівої руки від правої, незважаючи на те, що обидві руки ідентичні за формою, структурою та функціями.

Хіральність відіграє фундаментальну роль у біології, оскільки природний відбір відібрав виключно «праві» молекули ДНК, цукор та амінокислоти (базовий компонент білків).

Однак це рідко трапляється в неорганічних матеріалах, які, як правило, або неорганізовані, або утворюють кристали без хіральності.

Як метали набувають хіральності для спінтроніки

Вченим вдалося створити як ліво-, так і правозакручені хіральні магнітні наноспіралі шляхом електрохімічного контролю процесу кристалізації металу. Сплав кобальту та заліза був обраний завдяки його феромагнітним властивостям.

Ключовим нововведенням у цьому процесі є використання слідових кількостей хіральних органічних молекул, таких як цинхонін або цинхонідин, які керували формуванням спіралей.

«У металах та неорганічних матеріалах контролювати хіральність під час синтезу надзвичайно складно, особливо на нанорівні».

Той факт, що ми могли програмувати напрямок неорганічних спіралей, просто додаючи хіральні молекули, є проривом у хімії матеріалів».

Pr. Кі Те Нам – Професор в Сеульський національний університет

Щоб продемонструвати хіральність цих наноспіралей, вони виміряли електромагнітні поля (ЕРС), що генеруються спіралями під дією обертових магнітних полів.

Це створює простий спосіб перевірити, чи матеріал був виготовлений належним чином, оскільки ліво- та правозаворотні спіралі виробляли протилежні сигнали ЕРС, що дозволяє кількісно перевірити хіральність, не вимагаючи сильної взаємодії магнітного матеріалу зі світлом, що є звичайним способом перевірки хіральності.

Що ще важливіше, вони виявили, що ці хіральні магнітні метали також можуть відповідно спрямовувати спін: вони переважно пропускають один напрямок спіну, тоді як протилежний спін не може.

«Хіральність добре вивчена в органічних молекулах, де орієнтація структури часто визначає її біологічну чи хімічну функцію»,

Pr. Кі Те Нам – Професор в Сеульський національний університет

Потенційні застосування хіральної спінтроніки

Завдяки властивій матеріалу намагніченості (вирівнюванню спінів) став можливим перенесення спіну на великі відстані за кімнатної температури.

Цей ефект виявився постійним, незалежно від кута між хіральною віссю та напрямком інжекції спіну. Оскільки він не спостерігався в немагнітних наноспіралях такого ж масштабу, він, ймовірно, безпосередньо пов'язаний з хіральними магнітними спіралями.

Це дозволило б вперше виявити асиметричний спіновий перенос у відносно макромасштабному матеріалі.

Команда також продемонструвала твердотільний пристрій, який демонстрував сигнали провідності, залежні від хіральності, прокладаючи шлях для практичних застосувань спінтроніки.

«Ці наноспіралі досягають спінової поляризації, що перевищує ~80% — лише завдяки своїй геометрії та магнетизму»,

Це рідкісне поєднання структурної хіральності та власного феромагнетизму, що дозволяє здійснювати спінову фільтрацію за кімнатної температури без складних магнітних схем або кріогенних процесів, а також забезпечує новий спосіб проектування поведінки електронів за допомогою структурного проектування.

Pr. Молодий Кен Кім – Професор в Університет Кореї

Ще однією перевагою цієї нової технології є те, що процес виробництва є відносно простим і дешевим, без використання рідкісних матеріалів чи складних технологій.

«Ми вважаємо, що ця система може стати платформою для хіральної спінтроніки та архітектури хіральних магнітних наноструктур».

Ця робота являє собою потужне поєднання геометрії, магнетизму та спінового переносу, побудованих з масштабованих неорганічних матеріалів.

Pr. Молодий Кен Кім – Професор в Університет Кореї

Ще багато роботи потрібно виконати, щоб повністю дослідити потенціал цієї нової ідеї та матеріалів. Наприклад, кількість ниток (подвійні, множинні спіралі) можна змінювати за бажанням, і це може призвести до різних характеристик, які ще належить відкрити.

Очікується, що здатність контролювати спрямованість (ліва/права) і навіть кількість ниток (подвійні, множинні спіралі) за допомогою цього універсального електрохімічного методу зробить значний внесок у нові галузі застосування.

Pr. Молодий Кен Кім – Професор в Університет Кореї

Завдяки простоті виробництва та можливості передачі спіну на великі відстані, це може бути дуже корисним для виробництва повністю спінових комп'ютерів та мереж, з економічними перевагами завдяки меншому споживанню енергії та стабільному зберіганню даних.

Інвестування в новаторів Spintronic

1. Everspin Technologies

Everspin – це філія Freescale (тепер відома як NXP, біржовий тікер NXPI), що займається розробкою систем пам'яті MRAM, найпоширенішої форми спінтроніки, яка сьогодні є комерційно життєздатною. Вона була виділена та стала публічною у 2016 році.

Everspin вважається лідером технології MRAM (магніторезистивна пам'ять з довільним доступом), успадкувавши досвід Freescale. першим, хто комерціалізував чіп MRAM у 2006 році.

Оскільки MRAM – це пам'ять, яка зберігає свою пам'ять навіть за відсутності струму, вона все частіше використовується в делікатних випадках, коли критично важливі дані занадто важливі, щоб ризикувати їх втратою.

Завдяки поширенню таких застосувань, як аналітика даних, хмарні обчислення, як наземні, так і позаземні, штучний інтелект (ШІ) та периферійний ШІ, включаючи промисловий Інтернет речей, прогнозується, що ринок постійної пам'яті зростатиме зі середньорічним темпом зростання (CAGR) 27.5% у період з 2020 по 2030 рік.

Everspin

джерело: Everspin

Компанія оцінює, що до 7.4 року обсяг ринку досягне 2027 млрд доларів. З 2021 року компанія не має боргів та має позитивний вільний грошовий потік.

Продукти Everspin MRAM зараз займають невелику, але зростаючу нішу, обслуговуючи ринки, де надійність має вирішальне значення, такі як аерокосмічна галузь, супутники, реєстратори даних, пристрої моніторингу пацієнтів тощо.

джерело: Everspin

Зростання чіпсетів, штучного інтелекту та синаптичних систем також може стати довгостроковим стимулом для компанії.

2. Корпорація NVE

Ще один лідер спінтроніки, NVE працює над цією технологією з моменту свого першого патенту на технологію MRAM у 1995 роціВін виробляє спінтроніку датчиків та  ізолятори, в основному використовується в вимірювальних і сенсорних системах для автомобілів, передач, медичних пристроїв, блоків живлення та інших промислових пристроїв.

джерело: NVE

Це ставить NVE в дещо іншу категорію, ніж Everspin, де NVE є радше промисловою компанією з сильними позиціями на нішевому ринку (магнітометри з використанням спінтроніки), тоді як Everspin — це радше компанія з виробництва пам'яті/обчислювальних машин, яка працює та конкурує з такими компаніями, як Intel, Qualcomm, Toshiba та Samsung, які також розробляють власний продукт MRAM.

Це може зробити акції більш (або менш) привабливими залежно від профілів інвесторів, причому акції NVE, швидше за все, будуть привабливішими для більш консервативних інвесторів, які шукають дивідендної дохідності та безпеки.

Дослідження, на які посилаються

^{1. Ю Сан Чон, І ін. Спін-селективний транспорт через хіральні феромагнітні наноспіралі. наука. 4 вересня 2025. Том 389, Випуск 6764. стр. 1031-1036. DOI: 10.1126/science.adx5963}