A 20. század egyik legkisebb, de legnagyszerűbb találmányának, a tranzisztornak egy új változata segíthet a világ egyre növekvő digitális memóriaéhségének kielégítésében, miközben az energiaigényből akár 5 százalékot is lefaraghat.
Néhány fizikus, a Nebraska-Lincoln Egyetem munkatársa, Christian Binek, valamint a Buffalói Egyetem munkatársai, Jonathan Bird és Keke He évek óta tartó innovációi után nemrégiben összefogtak, hogy megalkossák az első magneto-elektromos tranzisztort.
Peter Dowben, a nebraskai egyetem fizikusa szerint a csapat terve amellett, hogy csökkenti az energiafogyasztást, akár 75 százalékkal mérsékelheti egyes adatok tárolásához szükséges tranzisztorok számát, ami kisebb eszközökhöz vezethet. Emellett olyan memóriát is adhat ezeknek a mikroelektronikai eszközöknek, amelyek pontosan emlékeznek arra a pontra, ahol a felhasználók abbahagyták a munkát, még leállítás vagy hirtelen áramkimaradás után is.
"Ennek a legújabb demonstrációnak mélyreható következményei vannak" - mondta Dowben, aki társszerzője volt a munkáról szóló, nemrégiben megjelent tanulmánynak az Advanced Materials című folyóiratban.
Tranzisztorok milliói sorakoznak minden egyes modern integrált áramkör, azaz mikrochip felületén, amelyeket elképesztő mennyiségben gyártanak. A szilícium lapkákból 2020-ban nagyjából 1 billió készült. A mikrocsipen belüli elektromos áram haladásának szabályozásával az apró tranzisztor gyakorlatilag egy nanoszkopikus ki-be kapcsolóként működik, amely elengedhetetlen az adatok írásához, olvasásához és tárolásához, mint a digitális technológia 1-es és 0-s értékei. Dowben szerint azonban a szilíciumalapú mikrochipek már közelednek gyakorlati határaikhoz. E korlátok miatt a félvezetőipar minden lehetséges ígéretes alternatívát megvizsgál és finanszíroz.
"A hagyományos integrált áramkör komoly problémákkal néz szembe. Van egy határ, ami után már nem lehet tovább kicsinyíteni. Lényegében már ott tartunk, hogy 25 vagy annál kevesebb szilíciumatom szélességről beszélünk. És egy (integrált áramkörön) minden egyes eszközzel hőt termelünk, így már nem tudunk annyi hőt elvezetni, hogy minden működjön" - mondta Dowben professzor. Ez a kényszerhelyzet még akkor is fennáll, amikor a számítógépek, szerverek és az internet széles körű elterjedése miatt a digitális memória iránti kereslet és az ahhoz szükséges energia iránti igény ugrásszerűen megnőtt. A tévékészülékek, járművek és egyéb technológiák mikrochipekkel történő kiokosítása csak tovább növelte ezt az igényt.
"Eljutunk arra a pontra, ahol megközelítjük az Egyesült Államok korábbi energiafogyasztását, csak a memóriák miatt. És ez nem áll meg. Szóval szükség van valamire, amit lehetőség szerint kisebbre lehet zsugorítani. De mindenekelőtt olyasmire van szükség, ami másképpen működik, mint a szilíciumtranzisztorok, hogy csökkenteni tudjuk az energiafogyasztást, méghozzá jócskán. Most, hogy ez működik, kezdődik a móka" - szögezte le Dowben.
A tipikus szilíciumalapú tranzisztorok több terminálból állnak. Ezek közül kettő, az úgynevezett source és drain, az áramkörön keresztül áramló elektronok kezdő- és végpontjaként szolgál. A csatorna felett egy másik terminál, a kapu helyezkedik el. A kapu és a forrás között feszültséget alkalmazva meg lehet határozni, hogy az elektromos áram alacsony vagy magas ellenállással folyik-e, ami az elektronok töltésének felhalmozódásához vagy hiányához vezet, amit 1 vagy 0 értékként kódolnak. A véletlen hozzáférésű memória - az a forma, amelyre a legtöbb számítógépes alkalmazás támaszkodik - azonban állandó áramellátást kíván, már csak a bináris állapotok fenntartásához is.
Ahelyett tehát, hogy az elektromos töltésen alapult volna a megközelítésük, a csapat a spinhez fordult: az elektronok mágnesességgel kapcsolatos tulajdonság felfelé, amely két irányba mutathat, és az elektromos töltéshez hasonlóan 1 vagy 0 értékként olvasható. A csapat tudta, hogy a grafénon - egy mindössze egy atom vastagságú, rendkívül robusztus anyagon - átáramló elektronok viszonylag nagy távolságokra is képesek megtartani kezdeti spinorientációjukat. Ez vonzó tulajdonság a spintronikus alapú tranzisztorban rejlő lehetőségek bemutatásához. A spinek orientációjának tényleges szabályozása, a hagyományos tranzisztoroknál lényegesen kevesebb energiát felhasználva, sokkal nagyobb kihívást jelentett.
Ehhez a kutatóknak a megfelelő anyagot kellett a grafén alá fektetniük. Szerencsére Binek már éveket szentelt egy ilyen anyag, a króm-oxid tanulmányozásának és módosításának. A króm-oxid mágneses-elektromos, ami azt jelenti, hogy a felületén lévő atomok spinjei felfelé és lefelé mutatnak, vagy fordítva, és egy csekély mennyiségű, átmeneti, energiabeviteli feszültség alkalmazásával felcserélhetők.
Pozitív feszültség alkalmazása esetén az alatta lévő króm-oxid spinjei felfelé mutatnak, ami végül arra kényszeríti a grafén elektromos áramának spinorientációját, hogy balra forduljon, és ezáltal kimutatható jelet adjon. A negatív feszültség ellenben a króm-oxid spinjeit lefelé fordítja, a grafén áramának spinorientációja pedig jobbra fordul, és egyértelműen megkülönböztethető jelet eredményez.
"Ez potenciálisan óriási hűséget teremt nagyon kis energiaköltséggel. Csak feszültséget kell kapcsolni, és máris megfordul" - mondta Dowben. Bármennyire is ígéretes és működőképes volt a csapat demonstrációja, a professzor szerint a grafénnek rengeteg olyan alternatívája létezik, amely osztozik az egyatomos vastagságában, de olyan tulajdonságai vannak, amelyek jobban megfelelnek egy mágneses-elektromos tranzisztornak. A verseny, hogy a króm-oxidot ezekkel a más 2D-s jelöltekkel fedjék le, már elkezdődött, mondta, és "nem a valamit, hanem a valaminek a kezdetét jelzi".
"Most már mindenki beszállhat a játékba, kitalálva, hogyan lehet a tranzisztort igazán jóvá és versenyképessé tenni, és valóban felülmúlni a szilíciumot" - állapította meg a fizikus.
