Die Grundlagen der modernen Elektronik, von den Smartphones in unseren Taschen bis zu den Supercomputern, die die wissenschaftliche Forschung antreiben, basieren auf Silizium. Dieses allgegenwärtige Halbleitermaterial ist seit Jahrzehnten das Rückgrat des technologischen Fortschritts, doch seine Ära der Dominanz stößt an grundlegende physikalische Grenzen, die Innovationen zu verlangsamen drohen. Angesichts dieser Herausforderung hat ein Forscherteam des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine revolutionäre Lösung vorgestellt: einen magnetischen Transistor, der nicht nur die Grenzen von Silizium überwindet, sondern auch die Tür zu einer völlig neuen Generation von kleineren, schnelleren und drastisch energieeffizienteren elektronischen Geräten öffnet.

Stillstand am Ende des Mooreschen Gesetzes

Transistoren, die winzigen Schalter, die den Fluss des elektrischen Stroms steuern, sind die grundlegenden Bausteine jeder digitalen Schaltung. Ihre Entwicklung wurde vom Mooreschen Gesetz angetrieben, einer prophetischen Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Da die Abmessungen der Transistoren jedoch auf den Nanometerbereich schrumpfen, stoßen Ingenieure auf unüberwindbare Hindernisse. Silizium als Halbleiter hat eine inhärente Grenze für die zum Betrieb erforderliche Mindestspannung, was sich direkt auf den Energieverbrauch auswirkt. Eine weitere Verkleinerung führt zu Problemen wie Leckstrom und übermäßiger Erwärmung, was die Leistung und Zuverlässigkeit einschränkt. Im Wesentlichen nähert sich die Ära des exponentiellen Wachstums, die durch Silizium ermöglicht wurde, ihrem physikalischen Ende und zwingt die wissenschaftliche Gemeinschaft, nach radikal neuen Ansätzen zu suchen.

Spintronik: Ein neues Paradigma zur Steuerung der Elektronik

Die Antwort auf die Siliziumkrise könnte in der Spintronik liegen, einem relativ jungen, aber äußerst vielversprechenden Zweig der Physik. Während die traditionelle Elektronik auf der Steuerung der Ladung eines Elektrons basiert, nutzt die Spintronik eine weitere seiner fundamentalen Quanteneigenschaften – den Spin. Der Spin kann vereinfacht als winziger innerer Magnetismus des Elektrons vorgestellt werden, der ihm eine „Aufwärts“- oder „Abwärts“-Orientierung verleiht. Diese beiden Zustände können zur Kodierung binärer Informationen (0 und 1) verwendet werden, genau wie der Fluss oder das Ausbleiben von Strom in klassischen Transistoren. Der entscheidende Vorteil liegt darin, dass für die Änderung des Spins erheblich weniger Energie benötigt wird als für die Bewegung des Elektronenstroms. Genau diese Idee leitete das MIT-Team bei der Entwicklung des magnetischen Transistors, eines Geräts, das Magnetismus zur ultra-effizienten Steuerung eines elektrischen Signals nutzt.

Chromsulfidbromid: Das Material, das alles verändert

Im Herzen dieses technologischen Durchbruchs steht ein exotisches Material namens Chromsulfidbromid ($CrSBr$). Es handelt sich um ein zweidimensionales Material, was bedeutet, dass es in Schichten von nur einem Atom Dicke existieren kann. Doch im Gegensatz zu anderen bekannten 2D-Materialien wie Graphen besitzt $CrSBr$ eine einzigartige Kombination von Eigenschaften: Es ist gleichzeitig ein Halbleiter und ein Magnet. Chung-Tao Chou, einer der Hauptautoren der am 25. September 2025 in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Studie, betonte, dass die Suche nach dem richtigen Material eine der größten Herausforderungen war. „Wir haben viele andere Materialien ausprobiert, die einfach nicht funktioniert haben“, erklärte er. $CrSBr$ erwies sich als ideal, da seine magnetischen Zustände sehr sauber und reibungslos von einem in den anderen geschaltet werden können, was für den zuverlässigen Betrieb eines Transistors als Schalter entscheidend ist. Ein weiterer, keineswegs zu vernachlässigender Vorteil ist seine Stabilität an der Luft, was den Herstellungsprozess im Vergleich zu anderen empfindlichen 2D-Materialien erheblich vereinfacht.

Revolutionäre Leistung und elegante Fertigung

Die Art und Weise, wie die Forscher das Gerät konstruiert haben, ist ebenso innovativ wie das Material selbst. Auf ein Siliziumsubstrat mit zuvor platzierten Elektroden übertrugen sie sorgfältig eine extrem dünne Schicht Chromsulfidbromid, nur wenige zehn Nanometer dick. Dabei verwendeten sie eine einfache, aber geniale Übertragungsmethode mit Klebeband. Dieser Ansatz, so Chou, eliminiert die Notwendigkeit von Lösungsmitteln oder Klebstoffen, die die empfindliche Oberfläche des Materials kontaminieren und die Leistung des Transistors beeinträchtigen können. Die Sauberkeit der Grenzfläche zwischen Material und Elektroden erwies sich als entscheidend für das Erreichen der hervorragenden Ergebnisse.

Die Leistung des neuen magnetischen Transistors übertrifft bei weitem alle bisherigen Versuche. Während frühere magnetische Bauelemente den Stromfluss nur um wenige Prozent verändern konnten, erreicht der Transistor des MIT eine Veränderung um den Faktor 10. Das bedeutet, dass er ein elektrisches Signal mit beispielloser Effizienz verstärken oder unterbrechen kann. Die Wissenschaftler zeigten, dass der magnetische Zustand des Materials und damit der Zustand des Transistors („ein“ oder „aus“) mit minimalem Energieaufwand durch ein externes Magnetfeld gesteuert werden kann. Noch wichtiger für die praktische Anwendung ist, dass sie bewiesen haben, dass die gleiche Steuerung auch durch Anlegen eines elektrischen Stroms erreicht werden kann, was eine Voraussetzung für die Integration von Millionen solcher Transistoren auf einem einzigen Chip ist.

Ein Transistor mit eingebautem Speicher: Das Ende des Computer-Flaschenhalses

Der vielleicht aufregendste Aspekt dieser Entdeckung ist die Tatsache, dass die einzigartigen magnetischen Eigenschaften von $CrSBr$ es Transistoren ermöglichen, einen eingebauten Speicher zu besitzen. In heutigen Computern sind die Verarbeitung (durch den Prozessor) und die Datenspeicherung (im RAM) physisch getrennt. Die ständige Übertragung von Daten zwischen diesen beiden Komponenten erzeugt den sogenannten „von-Neumann-Flaschenhals“, der wertvolle Zeit und Energie verbraucht und eine der Haupteinschränkungen moderner Computerarchitekturen darstellt.

Der magnetische Transistor des MIT löst dieses Problem elegant, indem er beide Funktionen in einem einzigen Gerät vereint. Er verarbeitet nicht nur Informationen (als Schalter), sondern merkt sie sich auch gleichzeitig (indem er seinen magnetischen Zustand auch bei ausgeschalteter Stromversorgung beibehält). „Jetzt schalten die Transistoren nicht nur ein und aus, sie merken sich auch Informationen“, erklärt Luqiao Liu, außerordentlicher Professor am MIT und einer der Seniorautoren der Arbeit. „Und weil wir den Transistorzustand mit einer viel größeren Amplitude umschalten können, ist das Signal deutlich stärker, was uns ermöglicht, die gespeicherten Informationen schneller und zuverlässiger auszulesen.“ Dieses als „In-Memory-Computing“ bekannte Konzept könnte zu radikal einfacheren und leistungsfähigeren Schaltungsdesigns führen und den Weg für die Entwicklung neuromorpher Chips ebnen, die die Effizienz des menschlichen Gehirns nachahmen.

Ein Blick in die Zukunft der Elektronik

Obwohl die Demonstration dieses magnetischen Transistors ein großer wissenschaftlicher Erfolg ist, erfordert der Weg zur kommerziellen Anwendung noch weitere Forschung. Das Team plant nun, die Methoden zur Steuerung des Geräts mittels elektrischen Stroms genauer zu untersuchen und an der Skalierbarkeit des Prozesses zu arbeiten, um nicht nur einzelne Transistoren, sondern ganze Arrays herstellen zu können, was die Grundlage für die Herstellung komplexer integrierter Schaltungen ist. Obwohl es Herausforderungen gibt, wie die Gewährleistung eines optimalen Betriebs bei Raumtemperatur und die Perfektionierung der Massenproduktion, stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt in die Post-Silizium-Ära dar. Es eröffnet sich der Horizont für die Entwicklung von Elektronik, die nicht nur leistungsfähiger, sondern auch grundlegend effizienter ist, was weitreichende Folgen für alles haben könnte, von der Akkulaufzeit in mobilen Geräten bis zum Energieverbrauch in den riesigen Rechenzentren, die künstliche Intelligenz und Cloud-Dienste antreiben.