Podstawy nowoczesnej elektroniki, od smartfonów w naszych kieszeniach po superkomputery napędzające badania naukowe, zbudowane są na krzemie. Ten wszechobecny materiał półprzewodnikowy od dziesięcioleci stanowił trzon postępu technologicznego, ale jego era dominacji napotyka na fundamentalne ograniczenia fizyczne, które grożą spowolnieniem innowacji. W świetle tego wyzwania zespół naukowców z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT) przedstawił rewolucyjne rozwiązanie: tranzystor magnetyczny, który nie tylko przezwycięża ograniczenia krzemu, ale także otwiera drzwi do zupełnie nowej generacji mniejszych, szybszych i drastycznie bardziej energooszczędnych urządzeń elektronicznych.

Zastój na końcu prawa Moore'a

Tranzystory, miniaturowe przełączniki kontrolujące przepływ prądu elektrycznego, stanowią podstawowe elementy budulcowe każdego układu cyfrowego. Ich ewolucja była napędzana przez prawo Moore'a, proroczą obserwację, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się mniej więcej co dwa lata. Jednak w miarę jak wymiary tranzystorów maleją do skali nanometrycznej, inżynierowie napotykają na przeszkody nie do pokonania. Krzem, jako półprzewodnik, ma nieodłączny limit minimalnego napięcia wymaganego do działania, co bezpośrednio wpływa na zużycie energii. Dalsze zmniejszanie prowadzi do problemów, takich jak upływ prądu i nadmierne nagrzewanie, co ogranicza wydajność i niezawodność. W istocie era wykładniczego wzrostu, którą umożliwił krzem, zbliża się do swojego fizycznego końca, zmuszając społeczność naukową do poszukiwania radykalnie nowych podejść.

Spintronika: Nowy paradygmat sterowania elektroniką

Odpowiedzią na kryzys krzemowy może być spintronika, stosunkowo młoda, ale niezwykle obiecująca gałąź fizyki. Podczas gdy tradycyjna elektronika opiera się na kontroli ładunku elektronu, spintronika wykorzystuje inną jego fundamentalną właściwość kwantową – spin. Spin można w uproszczeniu wyobrazić sobie jako maleńki wewnętrzny magnetyzm elektronu, który nadaje mu orientację „w górę” lub „w dół”. Te dwa stany mogą być używane do kodowania informacji binarnej (0 i 1), tak jak robi to przepływ lub brak prądu w klasycznych tranzystorach. Kluczowa zaleta leży w fakcie, że zmiana spinu wymaga znacznie mniej energii niż wprawienie w ruch prądu elektronów. Właśnie ta idea przyświecała zespołowi z MIT przy opracowywaniu tranzystora magnetycznego, urządzenia, które wykorzystuje magnetyzm do ultra-wydajnej kontroli sygnału elektrycznego.

Bromek siarczku chromu: Materiał, który zmienia wszystko

W sercu tego technologicznego przełomu znajduje się egzotyczny materiał o nazwie bromek siarczku chromu ($CrSBr$). Jest to materiał dwuwymiarowy, co oznacza, że może istnieć w warstwach o grubości zaledwie jednego atomu. Jednak w przeciwieństwie do innych znanych materiałów 2D, takich jak grafen, $CrSBr$ posiada unikalne połączenie właściwości: jest jednocześnie półprzewodnikiem i magnesem. Chung-Tao Chou, jeden z głównych autorów badania opublikowanego 25 września 2025 roku w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters, podkreślił, że poszukiwanie odpowiedniego materiału było jednym z największych wyzwań. „Próbowaliśmy wielu innych materiałów, które po prostu nie działały”, wyjaśnił. $CrSBr$ okazał się idealny, ponieważ jego stany magnetyczne można bardzo czysto i płynnie przełączać z jednego na drugi, co jest kluczowe dla niezawodnego działania tranzystora jako przełącznika. Dodatkową, wcale nie bez znaczenia, zaletą jest jego stabilność w powietrzu, co znacznie upraszcza proces produkcji w porównaniu z innymi wrażliwymi materiałami 2D.

Rewolucyjna wydajność i eleganckie wykonanie

Sposób, w jaki naukowcy skonstruowali urządzenie, jest równie innowacyjny jak sam materiał. Na krzemowe podłoże z wcześniej umieszczonymi elektrodami, ostrożnie przenieśli niezwykle cienką warstwę bromku siarczku chromu o grubości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów. Użyli przy tym prostej, ale genialnej metody transferu za pomocą taśmy klejącej. Takie podejście, jak twierdzi Chou, eliminuje potrzebę stosowania rozpuszczalników lub klejów, które mogą zanieczyścić wrażliwą powierzchnię materiału i pogorszyć wydajność tranzystora. Czystość interfejsu między materiałem a elektrodami okazała się kluczowa dla osiągnięcia znakomitych wyników.

Wydajność nowego tranzystora magnetycznego znacznie przewyższa wszystkie dotychczasowe próby. Podczas gdy poprzednie urządzenia magnetyczne mogły zmieniać przepływ prądu zaledwie o kilka procent, tranzystor z MIT osiąga zmianę o współczynnik aż 10. Oznacza to, że może wzmacniać lub przerywać sygnał elektryczny z niespotykaną dotąd wydajnością. Naukowcy wykazali, że stan magnetyczny materiału, a tym samym stan tranzystora („włączony” lub „wyłączony”), można kontrolować za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego przy minimalnym zużyciu energii. Co ważniejsze dla zastosowań praktycznych, udowodnili, że taką samą kontrolę można osiągnąć, stosując prąd elektryczny, co jest warunkiem wstępnym integracji milionów takich tranzystorów na jednym chipie.

Tranzystor z wbudowaną pamięcią: Koniec wąskiego gardła w informatyce

Być może najbardziej ekscytującym aspektem tego odkrycia jest fakt, że unikalne właściwości magnetyczne $CrSBr$ pozwalają tranzystorom posiadać wbudowaną pamięć. W dzisiejszych komputerach przetwarzanie (wykonywane przez procesor) i przechowywanie danych (w pamięci RAM) są fizycznie oddzielone. Ciągłe przenoszenie danych między tymi dwoma komponentami tworzy tak zwane „wąskie gardło von Neumanna”, które zużywa cenny czas i energię oraz stanowi jedno z głównych ograniczeń nowoczesnych architektur komputerowych.

Tranzystor magnetyczny z MIT elegancko rozwiązuje ten problem, łącząc obie funkcje w jednym urządzeniu. Nie tylko przetwarza informację (jako przełącznik), ale jednocześnie ją zapamiętuje (zachowując swój stan magnetyczny nawet po wyłączeniu zasilania). „Teraz tranzystory nie tylko włączają się i wyłączają, ale także zapamiętują informację”, wyjaśnia Luqiao Liu, profesor nadzwyczajny na MIT i jeden ze starszych autorów pracy. „A ponieważ możemy przełączać stan tranzystora ze znacznie większą magnitudą, sygnał jest znacznie silniejszy, co pozwala nam szybciej i bardziej niezawodnie odczytywać przechowywane informacje.” Ta koncepcja, znana jako „przetwarzanie w pamięci” (in-memory computing), może prowadzić do radykalnie prostszych i potężniejszych projektów układów oraz utorować drogę do rozwoju chipów neuromorficznych, które naśladują wydajność ludzkiego mózgu.

Spojrzenie w przyszłość elektroniki

Chociaż demonstracja tego tranzystora magnetycznego jest ogromnym sukcesem naukowym, droga do zastosowań komercyjnych wciąż wymaga dalszych badań. Zespół planuje teraz dokładniej zbadać metody sterowania urządzeniem za pomocą prądu elektrycznego i pracować nad skalowalnością procesu, aby móc produkować nie tylko pojedyncze tranzystory, ale całe ich macierze, co jest podstawą do tworzenia złożonych układów scalonych. Chociaż istnieją wyzwania, takie jak zapewnienie optymalnego działania w temperaturach pokojowych i doskonalenie masowej produkcji, ta praca stanowi kluczowy krok w kierunku ery post-krzemowej. Otwiera się horyzont dla rozwoju elektroniki, która jest nie tylko potężniejsza, ale i fundamentalnie bardziej wydajna, co mogłoby mieć daleko idące konsekwencje dla wszystkiego, od żywotności baterii w urządzeniach mobilnych po zużycie energii w ogromnych centrach danych, które napędzają sztuczną inteligencję i usługi chmurowe.