Новый взгляд на одно из самых маленьких, но самых грандиозных изобретений 20-го века, транзистор, может помочь удовлетворить постоянно растущий аппетит мира к цифровой памяти, сократив при этом до 5% энергии из его энергоемкого рациона.
После многих лет инноваций Кристиана Бинека из Университета Небраски-Линкольна и Джонатана Берда и Кеке Хе из Университета Буффало физики недавно объединились для создания первого магнитоэлектрического транзистора.
По словам физика из Небраски Питера Доубена, наряду с сокращением энергопотребления любой микроэлектроники, разработка команды может уменьшить количество транзисторов, необходимых для хранения определенных данных, на целых 75%, что приведет к уменьшению размеров устройств. Он также может предоставить стальную ловушку памяти микроэлектроники, которая точно помнит, где его пользователи остановились, даже после выключения или внезапного отключения питания.
«Последствия этой последней демонстрации огромны», — сказал Доубен, соавтор недавней статьи о работе, которая украсила обложку журнала Advanced Materials.
Многие миллионы транзисторов выстилают поверхность каждой современной интегральной схемы или микрочипа, которые сами по себе производятся в ошеломляющих количествах — примерно 1 триллион только в 2020 году — из любимого в отрасли полупроводникового материала — кремния. Регулируя поток электрического тока внутри микрочипа, крошечный транзистор эффективно действует как наноскопический переключатель, необходимый для записи, чтения и хранения данных в виде единиц и нулей цифровой технологии.
Но микрочипы на основе кремния приближаются к своему практическому пределу, сказал Доубен. Эти ограничения заставляют полупроводниковую промышленность исследовать и финансировать каждую возможную многообещающую альтернативу.
«Традиционная интегральная схема сталкивается с некоторыми серьезными проблемами», — сказал Доубен, профессор физики и астрономии Чарльза Бесси в Небраске. «Существует предел того, насколько меньше он может стать. Мы в основном приближаемся к диапазону, где мы говорим о 25 или менее атомах кремния в ширину. И вы выделяете тепло каждым устройством на (интегральной схеме), поэтому вы также больше не может уносить достаточно тепла, чтобы все работало».
Это затруднительное положение вырисовывается даже тогда, когда спрос на цифровую память и энергию, необходимую для ее удовлетворения, резко возрос на фоне повсеместного внедрения компьютеров, серверов и Интернета. Умное оснащение телевизоров, автомобилей и других технологий с помощью микрочипов только увеличило этот спрос.
«Мы приближаемся к моменту, когда мы собираемся приблизиться к предыдущему потреблению энергии в Соединенных Штатах только для памяти (только)», — сказал Доубен. «И это не прекращается. Поэтому вам нужно что-то, что вы можете уменьшить, если это возможно. Но, прежде всего, вам нужно что-то, что работает иначе, чем кремниевый транзистор, чтобы вы могли значительно снизить энергопотребление».
«Теперь, когда это работает, начинается самое интересное»
Типичные кремниевые транзисторы состоят из нескольких выводов. Два из них, называемые истоком и стоком, служат начальной и конечной точками для электронов, протекающих по цепи. Над этим каналом находится еще один терминал, ворота. Подача напряжения между затвором и истоком может определять, протекает ли электрический ток с низким или высоким сопротивлением, что приводит либо к накоплению, либо к отсутствию зарядов электронов, что кодируется как 1 или 0 соответственно. Но память с произвольным доступом — форма, на которую опирается большинство компьютерных приложений — требует постоянного источника питания только для поддержания этих бинарных состояний.
Поэтому вместо того, чтобы полагаться на электрический заряд как на основу своего подхода, команда обратилась к вращению: связанному с магнетизмом свойству электронов, которое направлено вверх или вниз и может быть прочитано, как электрический заряд, как 1 или 0. Команда знали, что электроны, протекающие через графен, сверхпрочный материал толщиной всего в один атом, могут сохранять свою первоначальную ориентацию спина на относительно больших расстояниях — привлекательное свойство для демонстрации потенциала транзистора на основе спинтроники. На самом деле управление ориентацией этих спинов с использованием значительно меньшей мощности, чем у обычного транзистора, было гораздо более сложной задачей.
Для этого исследователям нужно было покрыть графен подходящим материалом. К счастью, Бинек уже посвятил годы изучению и модификации именно такого материала — оксида хрома. Крайне важно, что оксид хрома является магнитоэлектрическим, а это означает, что спины атомов на его поверхности можно переключать сверху вниз или наоборот, применяя небольшое временное напряжение, потребляющее энергию.
При подаче положительного напряжения спины нижележащего оксида хрома направлены вверх, в конечном итоге заставляя ориентацию спинов электрического тока графена отклоняться влево и давать детектируемый сигнал в процессе. Отрицательное напряжение вместо этого переворачивает спины оксида хрома вниз, при этом ориентация спинов тока графена переворачивается вправо и генерирует сигнал, четко отличимый от другого.
«Теперь вы начинаете получать действительно хорошую точность (в сигнале), потому что, если вы сидите с одной стороны устройства и приложили напряжение, ток идет в этом направлении. Вы можете сказать, что это ‘ на», — сказал Доубен. «Но если он говорит течению идти в другую сторону, это явно не так».
«Это потенциально дает вам огромную точность при очень небольших затратах энергии. Все, что вы сделали, это подали напряжение, и оно перевернулось».
Какой бы многообещающей и функциональной ни была демонстрация команды, Доубен сказал, что существует множество альтернатив графену, которые имеют толщину в один атом, но также обладают свойствами, более подходящими для магнитоэлектрического транзистора. По его словам, гонка за наложение оксида хрома на другие 2D-кандидаты уже началась и знаменует собой «не что-то, а начало чего-то».
«Теперь, когда это работает, начинается самое интересное, потому что у каждого будет свой любимый 2D-материал, и они собираются его опробовать», — сказал Доубен. «Некоторые из них будут работать намного лучше, а некоторые нет. Но теперь, когда вы знаете, что это работает, стоит инвестировать в другие, более сложные материалы, которые могли бы работать.
«Теперь каждый может принять участие в игре, выясняя, как сделать транзистор действительно хорошим и конкурентоспособным и, действительно, превзойти кремний».
