Инженеры разработали магнитный транзистор для более энергоэффективной электроники

Ученые совершили прорыв, заменив традиционный кремний магнитным полупроводником, что открывает путь к созданию более компактных, мощных и экономичных электронных устройств.

Транзисторы — это основа всей современной электроники. Сегодня их обычно изготавливают из кремния. Этот материал является полупроводником, что позволяет управлять потоком электричества в цепи. Однако у кремния есть фундаментальные физические ограничения, которые не позволяют further уменьшать размеры транзисторов и повышать их энергоэффективность.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) нашли решение, заменив кремний на магнитный полупроводник. Они создали магнитный транзистор, который позволит создавать более миниатюрные, быстрые и энергоэкономичные схемы. Магнетизм нового материала напрямую влияет на его электронные свойства, обеспечивая более эффективный контроль над потоком электричества.

Команда использовала новейший магнитный материал и усовершенствовала процесс его производства, снизив количество дефектов. Это значительно повысило производительность транзистора.

Уникальные магнитные свойства материала также позволяют создавать транзисторы со встроенной памятью. Это упростит проектирование микросхем и откроет новые возможности для создания высокопроизводительной электроники.

«Человечеству магниты известны тысячи лет, но способов интегрировать магнетизм в электронику до сих пор было очень мало. Мы продемонстрировали новый эффективный метод использования магнетизма, который открывает множество возможностей для будущих применений и исследований», — отмечает Чунг-Тао Чоу, аспирант MIT и соавтор статьи.

Преодоление границ

В электронном устройстве кремниевые транзисторы работают как крошечные выключатели, которые включают и выключают цепь или усиливают слабые сигналы. Но фундаментальный предел кремниевых полупроводников не позволяет транзистору работать ниже определенного напряжения, что снижает его энергоэффективность.

Чтобы создать более экономичную электронику, исследователи десятилетиями работали над магнитными транзисторами, которые используют спин электрона для управления током. До сих пор progress сдерживался ограниченным выбором подходящих магнитных материалов.

«В этой работе мы объединили магнетизм и физику полупроводников, чтобы создать практичные спинтронные устройства», — говорит старший автор работы Луцяо Лю.

Исследователи заменили кремний в транзисторе на хром серы бромид — двумерный материал, который действует как магнитный полупроводник. Благодаря своей структуре этот материал позволяет эффективно переключаться между двумя магнитными состояниями, что идеально для четкой работы транзистора в режимах «включено» и «выключено».

«Одной из самых больших трудностей был поиск подходящего материала. Мы испытали множество других вариантов, которые не сработали», — признается Чоу.

Они обнаружили, что изменение магнитных состояний модифицирует электронные свойства материала, позволяя работать на низких энергиях. В отличие от многих других 2D-материалов, хром серы бромид стабилен в воздушной среде.

Использование силы магнетизма

Отсутствие загрязнений в новом материале позволило создать устройство, превосходящее существующие магнитные транзисторы. В то время как большинство аналогов могут создавать лишь слабый магнитный эффект, меняя ток на несколько процентов, новый транзистор способен переключать или усиливать электрический ток в 10 раз.

Используя внешнее магнитное поле для изменения состояния материала, ученые смогли переключать транзистор с significantly меньшими затратами энергии. Кроме того, материал позволяет управлять магнитными состояниями с помощью электрического тока, что критически важно для управления отдельными транзисторами в микросхеме.

Встроенная память — еще одно ключевое преимущество. Обычное устройство памяти состоит из магнитной ячейки для хранения информации и транзистора для ее считывания. Новая технология объединяет обе функции в одном магнитном транзисторе.

«Теперь транзисторы не только включаются и выключаются, но и запоминают информацию. А поскольку мы можем переключать транзистор с большей амплитудой, сигнал становитсяmuch сильнее, что позволяет считывать информацию быстрее и надежнее», — поясняет Лю.

На основе этого успеха исследователи планируют и дальше изучить управление устройством с помощью электрического тока и разработать масштабируемую технологию для производства целых массивов таких транзисторов.