现代电子设备的基石——晶体管，长期以来一直由硅材料制成。作为半导体，硅能够有效控制电路中的电流流动。然而，硅材料存在根本性的物理限制，这些限制制约了晶体管的紧凑程度和能源效率。现在，麻省理工学院（MIT）的研究人员通过用磁性半导体替代硅，成功开发出一种磁性晶体管，这一突破性技术有望实现更小、更快、更节能的电路。
突破传统：磁性半导体的革命性应用
"人们已经知道磁铁的存在已有数千年历史，但在电子设备中整合磁性的方法却非常有限。我们展示了一种高效利用磁性的新方法，为未来的应用和研究开辟了广阔的可能性，"MIT电气工程与计算机科学系（EECS）和物理系的博士生、该论文的共同第一作者周宗涛（Chung-Tao Chou）表示。
研究团队使用了一种新型磁性材料并通过优化工艺减少了材料缺陷，从而显著提升了晶体管的性能。这种材料的独特磁性特性还允许制造内置存储功能的晶体管，这将简化电路设计并解锁高性能电子设备的新应用。
突破物理极限：从硅到磁性半导质的转变
在电子设备中，硅半导体晶体管就像微小的电灯开关，可以打开或关闭电路，或在通信系统中放大弱信号。它们通过使用小输入电压来实现这些功能。然而，硅半导体的一个基本物理极限阻止了晶体管在低于特定电压的条件下运行，这限制了其能源效率。
为了制造更高效的电子设备，研究人员几十年来一直致力于开发利用电子自旋控制电流流动的磁性晶体管。电子自旋是电子的基本属性，使电子表现得像微小的磁铁。
"在这项工作中，我们将磁性与半导体物理相结合，实现了实用的自旋电子器件，"该研究的资深作者、EECS副教授刘国强（Luqiao Liu）解释道。
研究人员用铬硫溴化物（chromium sulfur bromide）替代了晶体管表面的硅层，这是一种作为磁性半导体的二维材料。由于该材料的结构，研究人员可以在两种磁性状态之间非常干净地切换，这使其非常适合在晶体管中平滑地在"开"和"关"之间切换。
"我们面临的最大挑战之一是找到合适的材料。我们尝试了许多其他材料但都不起作用，"周宗涛说。
他们发现，改变这些磁性状态会改变材料的电子特性，从而实现低能耗运行。与许多其他二维材料不同，铬硫溴化物在空气中保持稳定。
创新工艺：清洁转移技术的突破
为了制造晶体管，研究人员在硅基板上制作电极图案，然后仔细对齐并转移二维材料。他们使用胶带拾取只有几十纳米厚的微小材料片段，并将其放置在基板上。
"许多研究人员会使用溶剂或胶水进行转移，但晶体管需要非常清洁的表面。我们通过简化这一步骤消除了所有这些风险，"周宗涛解释道。
这种无污染的工艺使他们的设备性能优于现有的磁性晶体管。大多数其他晶体管只能产生微弱的磁效应，改变电流流动最多只有百分之几。而他们的新晶体管可以将电流切换或放大10倍。
他们使用外部磁场改变材料的磁性状态，使用比通常所需少得多的能量来切换晶体管。该材料还允许他们用电流控制磁性状态，这一点非常重要，因为工程师无法在电子设备中对单个晶体管施加磁场。他们需要通过电控方式控制每个晶体管。
内置存储：多功能晶体管的未来
材料的磁性特性还可能使晶体管具有内置存储功能，简化逻辑或存储电路的设计。典型的存储设备有一个磁性单元存储信息和一个晶体管读取信息。他们的方法可以将两者合并为一个磁性晶体管。
"现在，晶体管不仅能够开启和关闭，它们还能记住信息。而且由于我们可以以更大的幅度切换晶体管，信号要强得多，因此我们可以更快、更可靠地读取信息，"刘国强表示。
技术前景与实际应用
基于这一演示，研究人员计划进一步研究使用电流控制设备的方法。他们还在努力使他们的方法具有可扩展性，以便能够制造晶体管阵列。
这项研究得到了半导体研究公司、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部、美国陆军研究办公室以及捷克教育部、青年和体育部的部分支持。部分工作在MIT.nano设施进行。
磁性晶体管的开发代表了电子技术领域的一个重要里程碑。随着计算需求的不断增长和能源效率要求的提高，这种新型晶体管技术可能彻底改变从个人电子设备到大型数据中心的各种应用。
在计算领域，磁性晶体管的高效率和内置存储功能可能导致更节能的处理器，延长电池寿命，同时提供更高的计算能力。在通信领域，这些设备可能支持更快、更可靠的数据传输，为5G/6G网络和未来的量子通信铺平道路。
此外，这种技术还可能推动新型计算架构的发展，如神经形态计算，这种架构模仿人脑的工作方式，能够更有效地处理人工智能和机器学习任务。
挑战与未来方向
尽管这项研究取得了显著进展，但磁性晶体管技术仍面临一些挑战。首先，大规模生产这些晶体管需要开发新的制造工艺，以确保一致性和可靠性。其次，长期稳定性和耐用性测试对于实际应用至关重要。
研究人员正在探索多种方向来克服这些挑战。他们正在研究不同的二维磁性材料，以寻找性能更好、更容易制造的替代品。同时，他们也在开发新的制造技术，如原子层沉积和分子束外延，以提高晶体管的质量和产量。
另一个重要的研究方向是开发新的电路架构，充分利用磁性晶体管的独特特性。例如，研究人员正在探索如何利用这些设备的内置存储功能来创建更高效的内存计算系统，这种系统可以在存储数据的同时处理数据，减少数据移动所需的时间和能量。
行业影响与潜在变革
磁性晶体管的开发可能对电子行业产生深远影响。随着摩尔定律逐渐接近其物理极限，行业迫切需要新的技术来延续计算能力的指数级增长。磁性晶体管可能成为后摩尔时代的关键技术之一，为电子设备提供新的发展路径。
在消费电子领域，这项技术可能导致更小、更节能的设备，如智能手机、笔记本电脑和可穿戴设备。这些设备可能具有更长的电池寿命、更快的处理速度和更多的功能。
在工业和医疗领域，磁性晶体管可能推动新一代传感器和控制系统的发展，这些系统可以在恶劣环境中更可靠地运行，同时消耗更少的能量。在医疗设备中，这种技术可能支持更便携、更高效的诊断工具和治疗设备。
结语：电子技术的新纪元
MIT研究人员开发的磁性晶体管代表了电子技术的一个重要突破。通过将磁性与半导体物理相结合，他们创造了一种新型晶体管，不仅克服了硅材料的物理限制，还实现了内置存储功能，为电子设备的设计开辟了新的可能性。
随着这项技术的不断发展和成熟，我们可能会看到电子设备的革命性变化，从更高效的计算机和通信系统到创新的医疗设备和工业应用。磁性晶体管不仅是一项科学成就，更是未来电子技术发展的关键一步，可能引领我们进入一个更加智能、高效和可持续的数字时代。
研究人员创建的磁性晶体管可能实现更小、更快、更节能的电路。
