石墨烯(灰色)和氧化铬(蓝色)这两种材料的纳米级渲染图，共同让来自内布拉斯加州和布法罗的研究人员制造出一种新型晶体管。红色和绿色箭头代表自旋，这是一种与磁性相关的电子属性，可以解读为1或0。鸣谢:先进材料/ John Wiley & Sons，Inc .对20世纪最小但最伟大的发明之一晶体管的新诠释，可能有助于满足世界对数字存储器日益增长的需求，同时从高耗电的饮食中削减高达5%的能源。经过内布拉斯加大学林肯分校的克里斯蒂安·比内克和布法罗大学的乔纳森·伯德和唐珂·何多年的创新，物理学家们最近联手制造了第一个磁电晶体管。
内布拉斯加州物理学家Peter Dowben说，随着抑制任何包含它的微电子器件的能耗，该团队的设计可以将存储某些数据所需的晶体管数量减少75%，从而导致更小的设备。它还可以借给那些微电子钢阱存储器，即使在关机或突然断电后，它也能准确地记住用户离开的位置。
“最近的这次演示意义深远，”道本说，他最近与人合著了一篇论文，该论文登上了《先进材料》杂志的封面。
每一个现代集成电路或微芯片的表面都排列着数百万个晶体管，而芯片本身的制造数量惊人——仅在2020年就约有1万亿个——是由业界最喜爱的半导体材料硅制成的。通过调节微芯片内的电流流动，这个微小的晶体管有效地充当了纳米级的开关，这对于数字技术的1和0来说，是写入、读取和存储数据的必要条件。
道本说，但是硅基微芯片已经接近实用极限。这些限制促使半导体行业尽可能地研究和资助每一种有前途的替代方案。
“传统的集成电路正面临着一些严重的问题，”内布拉斯加州查尔斯·贝塞物理学和天文学教授道本说。“它能变得更小是有限度的。我们基本上是在谈论25个或者更少的硅原子的范围内。集成电路上的每一个器件都会产生热量，所以你也不能再带走足够的热量来让一切正常工作。”
尽管随着计算机、服务器和互联网的广泛应用，对数字内存的需求以及满足这种需求所需的能源激增，但这种困境仍在隐现。由微芯片实现的电视、汽车和其他技术的智能化只会增加这种需求。
“我们正在接近美国以前仅仅为了记忆(单独)的能源消耗，”道本说。“而且它不会停止。
“所以你需要一些可以缩小的东西，如果可能的话。但最重要的是，你需要一种不同于硅晶体管的工作方式，这样你就可以大幅降低功耗。”
现在它工作了，有趣的事情开始了
典型的硅基晶体管由多个端子组成。其中两个称为源极和漏极，是电子在电路中流动的起点和终点。在那个通道的上方是另一个终端，大门。在栅极和源极之间施加电压可以决定电流是以低电阻还是高电阻流动，从而导致电子电荷的积累或缺乏，分别被编码为1或0。但是随机存取存储器——大多数计算机应用程序所依赖的形式——需要持续供电来维持这些二进制状态。
因此，该团队没有依赖电荷作为其方法的基础，而是转向自旋:电子的一种与磁性相关的属性，指向上或下，可以像电荷一样被读取为1或0。该团队知道，流经石墨烯(一种只有一个原子厚的超坚固材料)的电子可以在相对较长的距离内保持其初始自旋取向——这是一种展示基于自旋电子的晶体管潜力的诱人属性。实际控制这些自旋的方向，使用比传统晶体管少得多的能量，是一个更具挑战性的前景。
为了做到这一点，研究人员需要用正确的材料来支撑石墨烯。幸运的是，比内克已经花了数年时间研究和改进氧化铬这种材料。至关重要的是，氧化铬是磁电的，这意味着通过施加少量的临时能量吸收电压，其表面的原子自旋可以从上向下翻转，反之亦然。
当施加正电压时，下层氧化铬的自旋向上，最终迫使石墨烯电流的自旋方向向左转向，并在此过程中产生可检测的信号。相反，负电压会使氧化铬的自旋向下翻转，石墨烯电流的自旋方向会向右翻转，并产生一个与其他电流明显不同的信号。
“现在你开始获得真正良好的保真度(在信号中)，因为如果你坐在设备的一侧，你施加了电压，那么电流就会朝这个方向流动。你可以说那是‘开’的，”道本说。“但如果它告诉水流向相反的方向，那显然是‘关’的。”
“这有可能以极低的能耗为您带来巨大的保真度。你所做的只是施加电压，它就翻转了。”
尽管该团队的演示充满希望且功能强大，但Dowben表示，石墨烯有很多替代品，它们具有单原子厚度，但也拥有更适合磁电晶体管的特性。他说，将氧化铬与其他2D候选人相提并论的竞赛已经开始，这标志着“不是某事，而是某事的开始”
“现在它工作了，乐趣开始了，因为每个人都将有自己最喜欢的2D材料，他们将尝试它，”道本说。“有些人会做得更好，有些人不会。但是现在你知道它是有效的，值得投资于其他更复杂的材料。
“现在，每个人都可以加入这场游戏，弄清楚如何让晶体管变得真正优秀、更有竞争力，甚至超越硅。”
道本说，到达那一点是一个漫长的旅程，铺满了“巨大的进步”，特别是来自比内克和伯德的二人组。
“这种项目展示了合作研究的影响力和有效性，”伯德说，“它将内布拉斯加州在磁性材料方面的著名专业知识与水牛城在纳米半导体设备方面的能力结合起来。”
道本只讲述了该团队的一些重要进展。人们意识到磁电材料可能是一种可行的方法。氧化铬的鉴定。对它的修改，既要用电压控制它的旋转，而不是消耗能量的磁性，也要确保它能在室温以上运行——因为，正如道本所说，“如果你要与半导体行业竞争，它不能只在内布拉斯加州的冬天工作。它必须在夏天在沙特阿拉伯工作。”然后是理论支持的计算机模拟和多个早期原型。
“这里没有爱迪生式的时刻。道本说:“你知道自己要去哪里，但这需要一段时间。“有很多技术问题需要解决。很辛苦，而且看起来不太好。
“但有时结果绝对壮观，”他说，“而且很有趣。”
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