经过内布拉斯加大学林肯分校的Christian Binek和布法罗大学的Jonathan Bird和Keke He多年的创新，物理学家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表示，除了抑制任何包含它的微电子设备的能耗外，该团队的设计还可以将存储某些数据所需的晶体管数量减少多达75%，从而导致更小的设备。它还可以借给那些微电子增加钢制陷阱内存，这些内存可以准确地记住用户离开的位置，即使在关闭或突然断电之后也是如此。
“最近这次演示的影响是深远的，”Dowben说，他最近与人合著了一篇关于这项工作的论文，该论文登上了《先进材料》杂志的封面。
数以百万计的晶体管排列在每个现代集成电路或微芯片的表面上，这些芯片本身的制造数量惊人 ，仅在2020年就大约1万亿 ， 来自业界最喜欢的半导体材料硅。通过调节微芯片内的电流，微型晶体管有效地充当了纳米开关，这对于数字技术的1和0的写入，读取和存储数据至关重要。
但硅基微芯片正在接近其实际极限，Dowben说。这些限制使半导体行业正在调查并资助每一个有希望的替代方案。
“传统的集成电路正面临一些严重的问题，”内布拉斯加州物理学和天文学教授查尔斯·贝西（Charles Bessey）道本说。“它可以变得更小是有限制的。我们基本上已经缩小到我们谈论25个或更少的硅原子的范围。而且，您在（集成电路）上的每个设备都会产生热量，因此您也无法再带走足够的热量来使一切工作。
即使对数字内存的需求以及适应数字存储器所需的能量在计算机，服务器和互联网的广泛采用中飙升，这种困境也迫在眉睫。支持微芯片的电视、车辆和其他技术的智能化只会增加这种需求。
“我们正在达到这样的地步，我们将接近美国以前的能源消耗，只是为了内存，”道本说。“它不会停止。
“所以需要一些可以缩小的东西，如果可能的话。但最重要的是，也需要一些与硅晶体管不同的东西，这样就可以大大降低功耗。
“现在它起作用了，乐趣开始了”。
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，用作流经电路的电子的起点和终点。该通道上方是另一个终端，即门。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，导致电子电荷的积聚或不存在，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）需要恒定的电源供应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，而是转向了自旋：电子的一种与磁性相关的性质，指向上方或向下，并且可以像电荷一样被读取为1或0。该团队知道，流经石墨烯的电子是一种只有一个原子厚的超坚固材料，可以在相对较长的距离内保持其初始自旋方向，这是证明基于自旋电子的晶体管的潜力的一个吸引人的特性。实际上，控制这些自旋的方向，使用比传统晶体管少得多的功率，是一个更具挑战性的前景。
为此，研究人员需要用正确的材料覆盖石墨烯。Binek已经花了数年时间研究和修改这种材料，即氧化铬。至关重要的是，氧化铬是磁电的，这意味着原子在其表面的自旋可以通过施加少量的临时能量消耗电压从上向下翻转，反之亦然。
当施加正电压时，底层氧化铬的自旋指向上方，最终迫使石墨烯电流的自旋方向向左偏转，并在此过程中产生可检测的信号。相反，负电压将氧化铬的自旋向下翻转，石墨烯电流的自旋方向向右翻转，并产生一个与另一个信号明显不同的信号。
“现在你开始获得非常好的保真度（在信号中），因为如果你坐在设备的一侧，并且你已经施加了电压，那么电流就会以这种方式流动。你可以说这是'开'，“道本说。“但如果它告诉电流走另一条路，那显然是'关闭'。
“这可能会以非常低的能源成本为您提供巨大的保真度。你所做的只是施加电压，它就会翻转。
与该团队的演示一样有前途和功能性，Dowben表示，石墨烯有很多替代品，它们具有与其单原子厚度相同的特性，但也具有更适合磁电晶体管的特性。
“现在它有效，乐趣开始了，因为每个人都会有自己喜欢的2D材料，他们将尝试一下，”Dowben说。“他们中的一些人会工作很多，更好，有些人不会。但是现在你知道它的工作原理，值得投资其他更复杂的材料。
“现在每个人都可以进入游戏，弄清楚如何使晶体管更好和有竞争力，并且确实超过硅。
道本说，到达这一点是一段漫长的旅程，铺满了“大量的进步”，特别是来自Binek和Bird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，“将内布拉斯加州磁性材料的着名专业知识与布法罗在纳米级半导体器件方面的能力相结合。
Dowben只讲述了该团队的一些重要进展。人们意识到磁电材料可以证明是一种可行的方法。氧化铬的鉴定。对它的修改，既是为了用电压而不是耗电的磁性来控制它的自旋，也是为了确保它在室温以上运行——因为，正如Dowben所说，“如果你要与半导体行业竞争，它就不能只在冬天在内布拉斯加州工作。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。
“这里没有爱迪生的时刻。你知道你要去哪里，但这需要一段时间，“道本说。“有很多技术问题需要解决。这是一个口号，它看起来并不漂亮。
“但有时结果绝对是壮观的，”他说，“这很有趣。”
该团队得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）的“促进竞争性研究既定计划”（Building Program to Inspire Competitive Research）和半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation）的支持，该计划资助了内布拉斯加州2000万美元的Emergent Quantum Materials and Technologies合作项目。
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