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Der neue magnetoelektrische Transistor reduziert den Energieverbrauch und spart gleichzeitig Platz. Deshalb kann dies enorm sein

Anzeige mit Graphen (grau) und Chromoxid (blau) auf einem neuen Transistor, der den Spin (rote und grüne Pfeile) anstelle des Lesetrends auf 1 oder 0 ändert. Bildnachweis: Buffalo University / Advanced Materials.

Physiker in den Vereinigten Staaten haben gerade einen großen Durchbruch angekündigt und eine neue Erfindung buchstäblich in eine der größten Erfindungen der Geschichte verwandelt: den Transistor. Wissenschaftler haben ein völlig neues Schaltgerät namens magnetoelektrischen Transistor gebaut, das 5 % weniger Energie verbraucht als herkömmliche Halbleitertransistoren und gleichzeitig die Anzahl der zum Speichern von Daten erforderlichen Transistoren um bis zu 75 % reduzieren kann.

Eine neue Ära der Computer könnte vor uns liegen

Ein Halbleitertransistor besteht aus drei kritischen Anschlüssen, die mit einem Stromkreis verbunden werden müssen. Die “Quelle” und der “Drain” dienen als Start- bzw. Endpunkt, wodurch Elektronen durch den Stromkreis fließen können. Über diesen beiden Anschlüssen befindet sich das “Gate”, das den treffenden Namen trägt und den Stromfluss durch den Transistor zulässt oder einschränkt. Akkumulation oder Nichtaufladung wird als “1” oder “0” oder “ja” oder “nein” codiert, die grundlegende binäre Sprache, die verwendet werden kann, um alles zu berechnen. Mit genügend Transistoren, wie die Billionen, die in einem typischen modernen Computerchip stecken, können Sie alle möglichen erstaunlichen Dinge tun, vom Streamen Ihrer Lieblings-Comedy-Serie auf Ihr Telefon bis hin zum Steuern eines Roboter-Rover zum 35 Millionen Meilen entfernten Mars.

Seit ihrer ersten Erfindung im Jahr 1947 hat die Anzahl der in einem einzigen Siliziumchip untergebrachten Transistoren stetig an Dichte zugenommen, was zu einer exponentiellen Entwicklung von Computern geführt hat, die die Produktion immer leistungsfähigerer Computer ermöglichte. Dieser Fortschritt wird durch das Moore’sche Gesetz zusammengefasst, das besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Das Mooresche Gesetz war äußerst genau und ist bis heute nicht von seiner angegebenen Trendlinie abgewichen. Das heißt aber nicht, dass es ewig so weitergehen kann. Ein Transistor ist ein physikalisches Objekt und unterliegt daher strengen Beschränkungen, die durch die Naturgesetze definiert sind.

“Herkömmliche integrierte Schaltkreise stehen vor einigen ernsthaften Problemen”, sagte Peter Dowben, Charles Bessey, Professor für Physik und Astronomie in Nebraska. „Es gibt eine Grenze, wie klein es sein darf. Grundsätzlich sind wir in dem Bereich, in dem wir von einer Breite von 25 oder weniger Siliziumatomen sprechen. Und Sie erzeugen Wärme mit jedem Gerät in einem (integrierter Schaltkreis), sodass Sie nicht mehr genug Wärme übertragen können, um alles zum Laufen zu bringen.

Verschärft wird das Problem durch die doppelte Nachfrage nicht nur nach schnelleren, sondern auch nach energieeffizienteren Transistoren. Allein im Jahr 2020 hat die Welt eine Billion Computerchips hergestellt, die jeweils mit Milliarden winziger Transistoren gefüllt sind. In Zukunft müssen viel mehr Chips hergestellt und ausgeliefert werden, um den wachsenden Anforderungen des digitalen Zeitalters gerecht zu werden.

Es sind nicht nur Computer und Telefone, die Computer brauchen. Ein modernes Auto kann zum Beispiel leicht mehr als 3.000 Chips haben. Tatsächlich finden Sie Computerchips derzeit in fast allem, von Fernsehern bis zu Toastern. Alle diese elektronischen Geräte sind zwar nützlich, benötigen aber immer mehr Energie, um sie mit Strom zu versorgen. Allein das Bitcoin-Mining verbraucht so viel Strom wie die Philippinen, ein Land mit 110 Millionen Einwohnern. Bei diesem Tempo werden wir bald so viel Energie wie die gesamten Vereinigten Staaten allein für das Gedächtnis verbrauchen, warnt Dowben.

„Du brauchst also etwas, das du möglichst schrumpfen kannst. „Aber vor allem brauchen Sie etwas anderes als einen Siliziumtransistor, damit Sie den Energieverbrauch senken können – und zwar erheblich.“

Ein neuer Spin auf dem Transistor

In Anbetracht dieser Nachfrageprobleme und der physikalischen Einschränkungen des herkömmlichen Transistors haben Dowben und seine Kollegen ausgerechnet, dass sie sich etwas einfallen lassen müssen, das grundlegend anders funktioniert. Schließlich fanden sie heraus, wie man einen elektromagnetischen Transistor herstellt.

So funktioniert es. Anstatt den Elektronenfluss durch eine Schaltung zu nutzen, nutzt der elektromagnetische Transistor eine grundlegende Eigenschaft von Elektronen namens Spin, die entweder nach oben oder unten zeigen kann. Die Ausrichtung der Drehung eines Teilchens kann manipuliert werden, indem man – Sie haben es erraten – Magnetismus verwendet.

Um ihren auf der Spintronik basierenden Transistor zu bauen, begannen die Forscher mit einer Schicht aus atomdickem Graphen, das die attraktive Eigenschaft hat, dass es durchfließenden Elektronen erlaubt, ihre ursprüngliche Spinorientierung über relativ lange Distanzen beizubehalten. Aber um einen Übergangseffekt zu erzeugen, musste Graphen mit dem richtigen Material kombiniert werden. In diesem Fall verwendeten die Physiker Chromoxid, ein magnetoelektrisches Material, bei dem die Rotation von Atomen auf seiner Oberfläche durch Anlegen einer geringen Spannung nach oben oder unten umgekehrt werden kann.

Bei positiver angelegter Spannung zeigt der Spin der darunter liegenden Chromoxidatome nach oben. Dies zwingt die Spinorientierung der durch das Graphen fließenden Elektronen nach links und erzeugt dabei ein detektierbares Signal. Der negative Trend drückt die Chromoxidatome nach unten und die Elektronen in der Grafik nach rechts. Die beiden Signale sind klar voneinander unterscheidbar – das ist Ihre 1 oder 0.

Der resultierende Transistor verbraucht nicht nur 5 % weniger Strom als ein herkömmlicher moderner Transistor, sondern kann auch als viel effizienteres Speichergerät verwendet werden. Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder RAM benötigen eine konstante Stromversorgung, um seine binären Zustände aufrechtzuerhalten. Eine auf einem magnetoelektrischen Transistor basierende Mikroelektronik wird sich jedoch auch nach dem Ausschalten des Geräts genau merken können, wo der Benutzer aufgehört hat, da das Einschalten den Strom nicht ändert.

„Die Folgen dieser jüngsten Show sind tiefgreifend“, sagte Dauben.

Obwohl dieser Beweis der Idee beeindruckend ist, behaupten die Forscher, dass er nur an der Oberfläche kratzt. Jetzt, da diese Demonstration abgeschlossen ist, können andere Labors und Forschungsteams auf der ganzen Welt dieses Framework verwenden und dort weitermachen, wo Dowben und seine Mitarbeiter aufgehört haben. Es gibt viele andere zweidimensionale Materialien, die für magnetoelektrische Anwendungen besser geeignet sind als Graphen.

„Jetzt, wo es funktioniert, beginnt der Spaß, denn jeder wird sein Lieblings-2D-Material haben und es ausprobieren“, sagte Dowben. „Einige von ihnen werden viel, viel besser funktionieren, andere nicht. Aber jetzt, da Sie wissen, dass es funktioniert, lohnt es sich, in diese anderen, anspruchsvolleren Materialien zu investieren, die es könnten [work]. »

“Jetzt kann jeder ins Spiel einsteigen und entdecken, wie man den Transistor wirklich gut und konkurrenzfähig macht und tatsächlich Silizium übertrifft.”

Die Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe.

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