研究人员制造出一种新型晶体管：两种材料，石墨烯(灰色)和氧化铬(蓝色)的纳米级渲染，红色和绿色箭头代表自旋，自旋是电子的一种与磁性相关的属性，可以被解读为1或0。图片来源：《Advanced Materials》
经过多年的创新，研究人员最近联手制造了第一个磁电晶体管。除了抑制任何包含它的微电子设备的能耗外，该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%，从而实现更小的设备。它还可以用于微电子钢制存储器，即使在关闭或突然断电之后，也能准确记住用户离开的位置。
这一研究的影响是深远的，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，而这些晶体管本身的制造数量惊人—仅在2020年就大约1万亿个——由业界最喜欢的半导体材料硅制成。通过调节微芯片内的电流流动，微型晶体管有效地充当纳米级开关，对于写入、读取和存储数据作为数字技术的1 和0至关重要。
硅基微芯片已接近其实际极限。这些限制让半导体行业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，它可以变得更小是有限度的。研究人员基本上已经达到了25个或更少硅原子宽的范围。而且你会在（集成电路）上的每个设备产生热量，所以你也不能再带走足够的热量来使一切正常工作。
即使随着计算机、服务器和互联网的广泛采用，对数字内存的需求以及容纳它所需的能量已经飙升，这种困境仍然迫在眉睫。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。
因此，如果可能的话，我们需要一些可以缩小得更小的东西。但最重要的是，这需要一些不同于硅晶体管的东西，这样就可以大大降低功耗。
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，用作电子流过电路的起点和终点。在该通道上方是另一个终端，即大门。在栅极和源极之间施加电压可以决定电流以低电阻还是高电阻流动，从而导致分别编码为 1 或 0 的电子电荷的累积或缺失。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——需要持续的电源来维持这些二进制状态。
因此，该团队不再将电荷作为其方法的基础，而是转向自旋：一种与磁性相关的电子特性，它可以指向上方或下方，并且可以像电荷一样读取为 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方向，这是展示基于自旋电子的晶体管潜力的吸引人的特性。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，研究人员需要用合适的材料在石墨烯上打底。幸运的是，研究团队已经花费了数年的时间来研究和修改这种材料，氧化铬。至关重要的是，氧化铬是磁电的，这意味着其表面原子的自旋可以通过施加少量的临时能量吸收电压从上到下翻转，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，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向右翻转，并产生一个与另一个明显可区分的信号。
这可能会以极少的能源成本为您提供巨大的保真度。您所做的只是施加电压，然后它就会翻转。存在许多石墨烯的替代品，它们共享其单原子厚度，但也拥有更适合磁电晶体管的特性。与其他2D候选材料叠加氧化铬的竞赛已经开始。
