11 آوریل 2022 -توسط اسکات شریج، دانشگاه نبراسکا-لینکلن
تصویری در مقیاس نانو از دو ماده گرافن (خاکستری) و اکسید کروم (آبی) که در مجموع به محققان نبراسکا و بوفالو اجازه ساخت نوع جدیدی از ترانزیستور را می‌دهد. فلش‌های قرمز و سبز نشان‌دهنده اسپین هستند، یک ویژگی مرتبط با مغناطیس الکترون‌ها که می‌توان آن را به صورت 1 یا 0 خواند. اعتبار: Advanced Materials / John Wiley & Sons, Inc.
چرخشی جدید بر روی یکی از کوچک‌ترین اما بزرگ‌ترین اختراعات قرن بیستم، ترانزیستور، می‌تواند به اشتهای روزافزون جهان برای حافظه دیجیتال کمک کند و در عین حال تا 5 درصد از انرژی را از انرژی مورد نیازش را کاهش دهد.
به دنبال سال‌ها نوآوری از دانشگاه نبراسکا-لینکلن، کریستین بینک و دانشگاه جاناتان برد و کیک هی در بوفالو، فیزیکدانان اخیراً برای ساخت اولین ترانزیستور مغناطیسی-الکتریکی با یکدیگر همکاری کردند.
پیتر داوبن، فیزیکدان نبراسکا، گفت: علاوه بر محدود کردن مصرف انرژی هر میکروالکترونیکی که آن را در خود جای داده است، طراحی تیم می تواند تعداد ترانزیستورهای مورد نیاز برای ذخیره داده های خاص را تا 75 درصد کاهش دهد که منجر به تولید دستگاه های کوچکتر می شود. همچنین می‌تواند حافظه‌های تله فولادی میکروالکترونیکی را به آن قرض دهد که دقیقاً به خاطر می‌آورد که کاربرانش کجا کار را ترک می‌کنند، حتی پس از خاموش شدن یا قطع ناگهانی برق.
داوبن، که یکی از نویسندگان مقاله اخیر در مورد این اثر بود که روی جلد مجله Advanced Materials زینت بخشید، گفت: پیامدهای این نمایش اخیر عمیق است.
میلیون‌ها ترانزیستور روی سطح هر مدار مجتمع یا ریزتراشه مدرنی قرار گرفته‌اند که خود به تعداد حیرت‌انگیز – تقریباً 1 تریلیون تنها در سال 2020 – از ماده نیمه‌رسانای مورد علاقه صنعت، سیلیکون، ساخته شده است. با تنظیم جریان الکتریکی در یک ریزتراشه، ترانزیستور کوچک به طور موثر به عنوان یک کلید روشن و خاموش نانوسکوپی عمل می کند که برای نوشتن، خواندن و ذخیره داده ها مانند 1s و 0s فناوری دیجیتال ضروری است.
داوبن گفت، اما ریزتراشه های مبتنی بر سیلیکون به محدودیت های عملی خود نزدیک شده اند. این محدودیت‌ها باعث می‌شود که صنعت نیمه‌رسانا هر جایگزین امیدوارکننده‌ای را که می‌تواند بررسی کند و سرمایه‌گذاری کند.
داوبن، استاد فیزیک و نجوم در نبراسکا، چارلز بیسی، گفت: مدار مجتمع سنتی با مشکلات جدی مواجه است. “محدودیتی برای کوچکتر شدن آن وجود دارد. ما اساساً به محدوده ای رسیده ایم که در مورد 25 یا کمتر اتم سیلیکون عرض صحبت می کنیم. و شما با هر دستگاهی در یک مدار مجتمع گرما تولید می کنید. دیگر نمی توان گرمای کافی برای کار کردن همه چیز را تحمل کرد.”
حتی زمانی که تقاضا برای حافظه دیجیتال و انرژی مورد نیاز برای تطبیق با آن در بحبوحه پذیرش گسترده رایانه ها، سرورها و اینترنت افزایش یافته است، این وضعیت به چشم می خورد. هوشمندسازی تلویزیون‌ها، وسایل نقلیه و سایر فناوری‌ها با ریزتراشه تنها این تقاضا را افزایش داده است.
داوبن گفت: “ما به نقطه ای می رسیم که به مصرف انرژی قبلی ایالات متحده متوقف نمی شود.بنابراین شما به چیزی نیاز دارید که در صورت امکان بتوانید آن را کوچکتر کنید. اما مهمتر از همه، به چیزی نیاز دارید که متفاوت از ترانزیستور سیلیکونی عمل کند تا بتوانید مصرف برق را بسیار کاهش دهید.
ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون معمولی از چندین ترمینال تشکیل شده اند. دو مورد از آنها که منبع و تخلیه نامیده می شوند، به عنوان نقطه شروع و پایان برای الکترون هایی هستند که در مدار جریان می یابند. بالای آن کانال ترمینال دیگری قرار دارد، دروازه. اعمال ولتاژ بین گیت و منبع می‌تواند تعیین کند که جریان الکتریکی با مقاومت کم یا زیاد جریان داشته باشد، که منجر به تجمع یا عدم وجود بارهای الکترونی می‌شود که به ترتیب 1 یا 0 کد می‌شوند. اما حافظه با دسترسی تصادفی – شکلی که اکثر برنامه های کاربردی کامپیوتری به آن تکیه می کنند – فقط برای حفظ آن حالت های باینری به منبع تغذیه ثابت نیاز دارد.
بنابراین، تیم به جای وابستگی به بار الکتریکی به عنوان مبنای رویکرد خود، به چرخش روی آورد: یک خاصیت مرتبط با مغناطیس از الکترون‌ها که به بالا یا پایین اشاره می‌کند و می‌تواند مانند بار الکتریکی به‌عنوان 1 یا 0 خوانده شود. می‌دانستند که الکترون‌هایی که از گرافن، یک ماده فوق‌العاده قوی با ضخامت تنها یک اتم، جریان می‌یابند، می‌توانند جهت‌گیری‌های اولیه اسپین خود را برای فواصل نسبتاً طولانی حفظ کنند – یک ویژگی جذاب برای نشان دادن پتانسیل یک ترانزیستور مبتنی بر اسپینترونیک. در واقع کنترل جهت گیری آن اسپین ها، با استفاده از توان بسیار کمتر از یک ترانزیستور معمولی، چشم انداز بسیار چالش برانگیزی بود.
برای انجام این کار، محققان باید زیر گرافن را با مواد مناسب بپوشانند. خوشبختانه، بینک سال‌ها را به مطالعه و اصلاح چنین ماده‌ای، یعنی اکسید کروم، اختصاص داده بود. مهمتر از همه، اکسید کروم مغناطیسی-الکتریک است، به این معنی که اسپین های اتم ها در سطح آن را می توان با اعمال مقدار ناچیز ولتاژ موقت و انرژی گیر، از بالا به پایین چرخاند، یا برعکس.
