Spintronica: hoe de spin van het elektron computers slimmer en zuiniger moet maken

Bijgewerkt: 6 oktober 2026 · 7 min leestijd

Spintronica is een tak van de elektronica die niet alleen gebruikmaakt van de lading van elektronen, maar ook van hun zogeheten 'spin'. Spin is een eigenschap van elektronen die zich laat vergelijken met een heel klein magneetje dat ofwel 'omhoog' ofwel 'omlaag' wijst. Door die spin-richting te lezen en te sturen, kunnen onderzoekers informatie opslaan en verwerken op een manier die in potentie zuiniger en compacter is dan de chips die nu in vrijwel elke computer, telefoon en harde schijf zitten.

Een bekend en alledaags voorbeeld van spintronica staat letterlijk in miljoenen harde schijven: de leeskop die magnetische gegevens van de schijf afleest, maakt gebruik van een spintronisch effect om piepkleine magnetische signalen om te zetten in elektrische signalen. Zonder deze techniek zouden harde schijven veel minder data per vierkante centimeter kunnen opslaan dan ze nu doen. Spintronica is dus geen science fiction, maar voor een deel al decennialang verweven in apparaten die we dagelijks gebruiken — al gaat het onderzoek ondertussen door naar nieuwe toepassingen zoals geheugenchips en zelfs bouwstenen voor kwantumcomputers.

Wat is het precies?

Om spintronica te begrijpen, helpt het om eerst te kijken naar gewone elektronica. In een chip of geheugenbit wordt informatie meestal opgeslagen als de aan- of afwezigheid van elektrische lading: een '1' betekent bijvoorbeeld dat er lading aanwezig is, een '0' dat die er niet is. Dit heet ladingsgebaseerde elektronica, en het is de basis van vrijwel alle computerchips sinds de uitvinding van de transistor.

Elektronen hebben echter nog een tweede eigenschap naast hun lading: hun spin. Spin is een quantummechanische eigenschap — iets dat alleen op de kleinste schaal van atomen en deeltjes bestaat — die zich laat voorstellen als een minuscuul kompasnaaldje. Dat naaldje kan grofweg twee standen aannemen: 'spin-op' of 'spin-neer'. Die twee standen kunnen, net als de 1 en 0 van gewone elektronica, gebruikt worden om informatie te coderen.

Een belangrijke doorbraak die dit praktisch bruikbaar maakte, is het zogeheten GMR-effect (giant magnetoresistance, ofwel 'reuzenmagnetoweerstand'). Dit effect werd in 1988 onafhankelijk van elkaar ontdekt door de Franse natuurkundige Albert Fert en de Duitse natuurkundige Peter Grünberg. Zij ontdekten dat de elektrische weerstand van bepaalde gelaagde materialen sterk verandert afhankelijk van de spin-richting van de elektronen die erdoorheen stromen, in combinatie met een extern magneetveld. Voor deze ontdekking kregen beide onderzoekers in 2007 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Op basis van het GMR-effect zijn zogeheten spin-valves ontwikkeld: piepkleine gelaagde structuren die als een soort klep werken voor elektronen met een bepaalde spin-richting. Zo'n spin-valve laat elektronen met de ene spin-richting makkelijker door dan elektronen met de andere richting, en die eigenschap kan gebruikt worden om magnetische signalen te detecteren of om een geheugenbit uit te lezen.

Deze principes vormen de basis van MRAM, wat staat voor magnetoresistive random access memory. In tegenstelling tot het RAM-geheugen dat nu in de meeste computers zit en zijn inhoud verliest zodra de stroom uitgaat, is MRAM niet-vluchtig: het onthoudt de opgeslagen spin-toestand ook zonder stroom, ongeveer zoals een flashgeheugenkaart dat doet, maar dan via magnetische in plaats van elektrische opslag. Nieuwere technieken als spin-transfer torque (STT) en spin-orbit torque (SOT) maken het bovendien mogelijk om de spin-richting in zo'n geheugencel te veranderen met behulp van een elektrische stroom, zonder dat daar een extern magneetveld voor nodig is — iets wat MRAM praktischer en compacter maakt om in chips te integreren.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer achter spintronica is energiezuinigheid. Gewoon computergeheugen zoals DRAM moet voortdurend ververst worden met stroom om data niet te verliezen, zelfs als er niets gebeurt. MRAM en vergelijkbare spintronische geheugens hebben die constante stroom niet nodig omdat de spin-toestand, net als bij een magneet, ook zonder voeding blijft staan. Dat kan vooral in mobiele apparaten en datacenters een flink energievoordeel opleveren.

Een tweede doel is het overbruggen van de kloof tussen snel maar vluchtig werkgeheugen (RAM) en traag maar permanent opslaggeheugen (harde schijven, SSD's). Spintronisch geheugen belooft in theorie de snelheid van RAM te combineren met de duurzaamheid van opslag, wat nieuwe chiparchitecturen mogelijk zou kunnen maken.

Daarnaast kijkt een deel van het onderzoeksveld verder dan geheugen alleen, naar zogeheten spin-logica: transistors en rekeneenheden die niet op lading maar op spin gebaseerd zijn. De gedachte hierachter is dat gewone transistors steeds moeilijker kleiner te maken zijn — een fenomeen dat vaak wordt aangeduid als het vertragen van Moore's wet, de vuistregel dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Spin-gebaseerde logica zou in theorie een alternatieve weg kunnen bieden wanneer ladingsgebaseerde chips tegen fysieke grenzen aanlopen, al is dit vooralsnog grotendeels fundamenteel onderzoek.

Tot slot speelt spin een rol in een heel ander toekomstveld: kwantumcomputing. De spin van een enkel elektron kan namelijk dienen als qubit, de kwantumversie van een bit, en dit zogeheten spin-qubit is een van de meerdere concurrerende benaderingen om een werkende kwantumcomputer te bouwen.

Voorbeelden uit de praktijk

Het meest invloedrijke praktijkvoorbeeld is nog altijd de harde-schijf-leeskop. Nadat Fert en Grünberg in 1988 het GMR-effect beschreven, duurde het niet lang voordat de industrie dit omzette in een product: IBM introduceerde rond 1997 leeskoppen gebaseerd op spin-valves in zijn harde schijven. Dit maakte het mogelijk om veel meer data op hetzelfde oppervlak op te slaan, en legde daarmee de basis voor de enorme groei van opslagcapaciteit die in de jaren daarna volgde.

Op het gebied van geheugen bracht Everspin Technologies, een bedrijf dat voortkwam uit chipfabrikant Freescale (zelf weer een afsplitsing van Motorola), rond het midden van de jaren 2000 een van de eerste commercieel verkrijgbare MRAM-chips op de markt. Deze eerste generatie, vaak aangeduid als 'toggle MRAM', vond vooral een niche in industriële en ruimtevaarttoepassingen, waar de ongevoeligheid voor stroomuitval en stralingsbestendigheid waardevol zijn.

De afgelopen jaren is daar de nieuwere STT-MRAM-technologie bijgekomen, die inmiddels door verschillende chipfabrikanten als embedded geheugen wordt aangeboden binnen reguliere chipproductieprocessen, bijvoorbeeld als vervanger van flashgeheugen in microcontrollers voor industriële en IoT-toepassingen (internet-of-things, oftewel kleine verbonden apparaten zoals sensoren). De exacte generaties en jaartallen verschillen per fabrikant en worden voortdurend bijgewerkt, dus voor actuele specificaties is het raadzaam de eigen documentatie van chipmakers te raadplegen.

Een meer experimenteel voorbeeld is racetrack memory, een onderzoeksconcept van natuurkundige Stuart Parkin, verbonden aan IBM, dat hij rond 2008 publiceerde. Hierbij worden magnetische domeinen — stukjes materiaal met een bepaalde spin-oriëntatie — als een soort kralenketting langs een nanodraadje heen en weer geschoven, met als doel extreem veel geheugen in een piepklein volume te proppen. Dit concept heeft nog niet geleid tot een commercieel product.

Tot slot is er het onderzoek naar spin-qubits voor kwantumcomputing. Het Nederlandse onderzoeksinstituut QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en organisatie TNO, werkt onder leiding van onder anderen natuurkundige Lieven Vandersypen aan qubits gebaseerd op de spin van elektronen in silicium. Ook chipgigant Intel investeert in deze aanpak, als alternatief naast de supergeleidende qubits waarmee bedrijven als IBM en Google hun kwantumcomputers bouwen. Het idee achter spin-qubits in silicium is dat ze mogelijk makkelijker op te schalen zijn omdat ze voortbouwen op bestaande chipproductietechnieken.

Hoe ver is de techniek?

Spintronica is geen eensluidend verhaal van 'vroeg onderzoek' of 'volledig volwassen' — het is een veld met onderdelen die zich in heel verschillende ontwikkelfases bevinden. De leeskop-toepassing in harde schijven is al zo'n dertig jaar volledig ingeburgerde, bewezen technologie.

MRAM-geheugen is al langer commercieel verkrijgbaar, maar vooral in nichemarkten zoals industriële besturingssystemen, auto-elektronica en ruimtevaart, waar betrouwbaarheid en bestendigheid tegen stroomuitval of straling zwaarder wegen dan kostprijs. De nieuwere STT-MRAM-variant wint terrein als embedded geheugen in gespecialiseerde chips, maar een brede doorbraak als vervanger van het alomtegenwoordige DRAM- of flashgeheugen in gewone computers en telefoons is vooralsnog niet gelukt. Kostprijs, productie-complexiteit en de razendsnelle, continue verbetering van bestaande geheugentechnologieën maken die concurrentieslag lastig.

Spin-logica — chips waarin niet alleen het geheugen maar ook de rekenkundige bewerkingen op spin gebaseerd zijn — bevindt zich overwegend nog in het laboratorium. Er zijn werkende proof-of-concept-schakelingen, maar een praktische, energiezuinige en op grote schaal produceerbare spin-transistor die gewone transistors kan vervangen, bestaat nog niet.

Spin-qubits voor kwantumcomputing worden gezien als veelbelovend, vooral omdat ze voortbouwen op bestaande siliciumchiptechnologie, maar ze kampen net als andere qubit-benaderingen met foutgevoeligheid en de uitdaging om van een handvol qubits naar de duizenden of miljoenen op te schalen die nodig zijn voor praktisch bruikbare kwantumcomputers. Eerlijkheidshalve: spintronica is over het geheel genomen een veld van geleidelijke, incrementele vooruitgang. Er is geen enkele gebeurtenis geweest die van de ene op de andere dag alles veranderde — behalve misschien de oorspronkelijke ontdekking van het GMR-effect zelf, die wel vrij snel tot een praktische toepassing leidde.

Wie werken eraan?

Aan de bedrijfskant zijn het vooral gevestigde chip- en opslagfabrikanten die in spintronica investeren. IBM heeft een lange onderzoeksgeschiedenis op dit gebied, van de vroege spin-valve-leeskoppen tot racetrack memory. Everspin Technologies is gespecialiseerd in MRAM-chips. Ook grote namen als Samsung, TDK, Western Digital, Seagate en Intel hebben onderzoeks- en productieactiviteiten op het gebied van spintronische componenten, variërend van geheugenchips tot sensoren en, in het geval van Intel, spin-qubits.

Op onderzoeksgebied speelt Duitsland een prominente rol, mede dankzij het Forschungszentrum Jülich, waar Peter Grünberg zijn Nobelprijswinnende werk verrichtte, en diverse Max Planck-instituten. In Nederland is QuTech, de samenwerking tussen TU Delft en TNO, een belangrijk centrum voor spin-qubit-onderzoek. Japan heeft met onderzoeksinstituut RIKEN een sterke traditie in magnetisme- en spintronica-onderzoek, en in de Verenigde Staten speelt onder meer het National Institute of Standards and Technology (NIST) een rol in fundamenteel onderzoek. Over het geheel genomen zijn vooral Duitsland, de Verenigde Staten, Japan, Zuid-Korea en Nederland landen waar spintronica-onderzoek sterk vertegenwoordigd is, zowel in de academische wereld als bij bedrijven.