Magnetosähköinen transistori

Kahden materiaalin, grafeenin (harmaa) ja kromioksidin (sininen), nanomittakaavainen renderöinti, jonka ansiosta Nebraskan ja Buffalon tutkijat pystyivät valmistamaan uudentyyppisiä transistoreita. Punaiset ja vihreät nuolet edustavat spiniä, joka voidaan lukea 1:nä tai 0:na.

Suurempi kuva

Uudenlainen spiniä hyödyntävä rakenne voi leikata jopa viisi prosenttia maailman digitaalisesta energiabudjetista. Sen toimintatapa auttaa säästämään piirialaa ja säilyttää muistin jos virta katkeaa.

Nebraska-Lincolnin yliopiston Christian Binekin ja Buffalon yliopiston Jonathan Birdin ja Keke Hein vuosien innovaatioiden jälkeen fyysikot yhdistivät voimansa luodakseen ensimmäisen magnetosähköisen transistorin.

Sen lisäksi, että siihen liittyvän mikroelektroniikan energiankulutusta hillitään, tiimin suunnitelma voisi vähentää transistorien määrää, jotka tarvitaan tietyn datan tallentamiseen jopa 75 %, sanoo Nebraskan fyysikko Peter Dowben. Se voisi muistaa tarkalleen, mihin sen käyttäjät lopettavat, jopa sammutettuaan tai äkillisesti käyttöjännitteen menetettyään.

Energiankulutuksen kasvun ja piifysiikan rajat saavat puolijohdeteollisuuden tutkimaan ja rahoittamaan kaikki mahdolliset lupaavat vaihtoehdot.

Ahdinko vain kasvaa kun digitaalisen muistin kysyntä ja sen käyttämiseen tarvittava energia ovat kasvaneet tietokoneiden, palvelimien ja Internetin laajan käyttöönoton aikana. Televisioiden, ajoneuvojen ja muun tekniikan mikrosiruilla älyllistäminen on vain lisännyt kysyntää.

Tämä ja monet muut ryhmät ovat siirtyneet tutkimaan spinin käyttöä: elektronien magnetismiin liittyvään ominaisuuteen, joka osoittaa ylös tai alas ja joka voidaan lukea, kuten sähkövaraus, joka voi olla 1 tai 0.

Tutkijatiimi tiesi, että elektronit, jotka virtaavat grafeenin läpi voivat säilyttää alkuperäisen spin-orientaationsa suhteellisen pitkiä matkoja – tämä on houkutteleva ominaisuus spintroniikkapohjaisen transistorin potentiaalin osoittamiseksi.

Tällaisten spinien suunnan ohjailu huonelämpötilassa ja huomattavasti vähemmällä käyttöteholla kuin perinteinen transistori olikin haastava mahdollisuus.

Sitä varten tutkijoiden piti peittää grafeeni oikealla materiaalilla. Onneksi Christian Binek oli jo vuosia käyttänyt sopivan materiaalin, kromioksidin, tutkimiseen ja muokkaamiseen. Ratkaisevaa on, että kromioksidi on magnetosähköistä, mikä tarkoittaa, että sen pinnalla olevien atomien spinit voidaan kääntää ylhäältä alas tai päinvastoin käyttämällä vähäistä määrää energiaa sipaisevaa jännitettä.

Positiivista jännitettä käytettäessä alla olevan kromioksidin spinit osoittavat ylöspäin, mikä lopulta pakottaa grafeenin sähkövirran spin-orientaation kääntymään vasemmalle ja tuottamaan prosessissa havaittavan signaalin. Negatiivinen jännite sen sijaan kääntää kromioksidin spinit alaspäin, jolloin grafeenin virran spin-orientaatio kääntyy oikealle ja tuottaa signaalin, joka erottuu selvästi toisesta.

"Tämä mahdollistaa vahvan vaikutuksen erittäin pienillä energiakustannuksilla. Sopivalla jännitteellä se kääntyy nollaksi tai ykköseksi.

Niin lupaava ja toimiva kuin ryhmän esittely olikin, Dowben sanoi, että grafeenille on olemassa monia vaihtoehtoja, jotka jakavat sen yhden atomin paksuuden, mutta joilla on myös ominaisuuksia, jotka sopivat paremmin magnetosähköiseen transistoriin. Kilpa kromioksidin päällekkäisyydestä muiden 2D-ehdokkaiden kanssa on jo käynnissä, hän sanoi, ja se ei merkitse "jotain, vaan jonkin alkua".

Aiheesta aiemmin:

Huonelämpötilainen spintransistori

Kvanttimateriaaleja puolijohteiden tilalle

Tehokkaampia muistimateriaaleja