磁电晶体管证明

研究人员说，这种新型晶体管设计不仅可以减少任何集成了它的微电子的能耗，还可以将存储特定数据所需的晶体管数量减少75%，从而实现更小的设备。根据研究人员的说法，它还可以提供微电子“钢陷阱”记忆，即使在被关闭或突然断电后，也能准确地记得用户离开的位置。

“传统的集成电路正面临一些严重的问题，”内布拉斯加州查尔斯贝西物理和天文学教授彼得·道本(Peter Dowben)说。“它能变小到什么程度是有限度的。我们基本上已经到了25个或更少的硅原子宽度的范围。而且集成电路上的每个设备都产生热量，所以你再也不能带走足够的热量来让一切工作。”

他说:“所以如果可能的话，你需要一种可以缩得更小的东西。”“但最重要的是，你需要一种不同于硅晶体管的工作方式，这样才能大幅降低功耗。”

典型的硅基晶体管由多个终端组成。源极和漏极是电子流过电路的起点和终点。通道上方是另一个终端，门。在栅极和源之间施加电压可以决定电流流动的电阻是低还是高，导致电子电荷的增加或缺失，分别编码为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——需要持续的电力供应来维持这些二进制状态。

因此，研究人员没有依赖于电荷作为研究方法的基础，而是转向了自旋——电子的一种与磁性相关的属性，它指向上或指向下，可以被读取，就像电荷可以读取1或0一样。研究人员知道，电子在石墨烯这种只有一个原子厚度的超坚固材料中流动，可以在相对较长的距离内保持其初始自旋方向——这是一个很有吸引力的特性，可以证明基于自旋电子晶体管的潜力。研究人员说，实际上控制这些自旋的方向比使用传统晶体管要少得多，这是一个更具挑战性的前景。

为了做到这一点，研究人员需要在石墨烯上添加合适的材料，并转向氧化铬，这是他们在之前的研究中熟悉的一种材料。研究人员说，至关重要的是，氧化铬是磁电性质的，这意味着通过施加少量的短暂的能量吸收电压，其表面原子的自旋可以从上到下翻转，或反之亦然。

当施加正电压时，底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，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，从而产生明显不同于其他电流的信号。

“现在你(在信号中)开始获得非常好的保真度，因为如果你坐在设备的一侧，你施加了一个电压，那么电流就会向这个方向流动。你可以说它‘开了’，”道本说。“但如果它告诉电流流向相反的方向，那显然是‘错了’。“这可能会让你以极低的能源成本获得极高的保真度。”你所做的只是施加电压，然后它就翻转了。”

研究人员说，正如他们的演示所展示的那样，有希望和功能，有很多替代品可以替代石墨烯，它们既具有石墨烯的单原子厚度，又拥有更适合磁电晶体管的特性。研究人员现在正致力于将氧化铬与其他2D候选物质叠加在一起。

Dowben说道:“现在它开始发挥作用了，因为每个人都将拥有自己最喜欢的2D材料，并且他们将尝试它。”“有些会更好，有些不会。但既然你知道它有效，那就值得投资其他更复杂的材料。现在每个人都可以进入这个游戏，想办法让晶体管变得更好，更有竞争力，甚至超越硅。”

更多信息，请参见"铬上的石墨烯:一种超室温自旋电子学系统”。