Temelji moderne elektronike, od pametnih telefona u našim džepovima do superračunala koja pokreću znanstvena istraživanja, izgrađeni su na siliciju. Ovaj sveprisutni poluvodički materijal desetljećima je bio okosnica tehnološkog napretka, no njegovo doba dominacije suočava se s fundamentalnim fizičkim granicama koje prijete usporavanjem inovacija. U svjetlu ovog izazova, tim istraživača s uglednog Massachusetts Institute of Technology (MIT) predstavio je revolucionarno rješenje: magnetski tranzistor koji ne samo da nadilazi ograničenja silicija, već otvara vrata potpuno novoj generaciji manjih, bržih i energetski drastično učinkovitijih elektroničkih uređaja.
Zastoj na kraju Mooreovog zakona
Tranzistori, minijaturni prekidači koji kontroliraju protok električne struje, predstavljaju osnovne građevne blokove svakog digitalnog sklopa. Njihova evolucija vođena je Mooreovim zakonom, proročanskim zapažanjem da se broj tranzistora na integriranom krugu udvostručuje otprilike svake dvije godine. Međutim, kako se dimenzije tranzistora smanjuju na nanometarsku skalu, inženjeri se susreću s nepremostivim preprekama. Silicij, kao poluvodič, ima inherentno ograničenje minimalnog napona potrebnog za rad, što izravno utječe na energetsku potrošnju. Daljnje smanjivanje dovodi do problema poput curenja struje i prekomjernog zagrijavanja, što ograničava performanse i pouzdanost. U suštini, era eksponencijalnog rasta koju je omogućio silicij približava se svom fizičkom kraju, prisiljavajući znanstvenu zajednicu na potragu za radikalno novim pristupima.
Spintronika: Nova paradigma upravljanja elektronikom
Odgovor na silicijsku krizu mogao bi ležati u spintronici, relativno mladoj, ali iznimno obećavajućoj grani fizike. Dok se tradicionalna elektronika temelji na kontroli naboja elektrona, spintronika iskorištava još jedno njegovo fundamentalno kvantno svojstvo – spin. Spin se može pojednostavljeno zamisliti kao sićušni unutarnji magnetizam elektrona, koji mu daje orijentaciju "gore" ili "dolje". Ova dva stanja mogu se koristiti za kodiranje binarne informacije (0 i 1), baš kao što to čini protok ili izostanak struje u klasičnim tranzistorima. Ključna prednost leži u činjenici da je za promjenu spina potrebno znatno manje energije nego za pokretanje struje elektrona. Upravo je ta ideja vodila MIT-jev tim u razvoju magnetskog tranzistora, uređaja koji koristi magnetizam za ultra-učinkovitu kontrolu električnog signala.
Kromov sulfid bromid: Materijal koji mijenja sve
U srcu ovog tehnološkog iskoraka nalazi se egzotičan materijal nazvan kromov sulfid bromid ($CrSBr$). Riječ je o dvodimenzionalnom materijalu, što znači da može postojati u slojevima debljine samo jednog atoma. No, za razliku od drugih poznatih 2D materijala poput grafena, $CrSBr$ posjeduje jedinstvenu kombinaciju svojstava: istovremeno je poluvodič i magnet. Chung-Tao Chou, jedan od vodećih autora studije objavljene 25. rujna 2025. u prestižnom časopisu Physical Review Letters, istaknuo je da je potraga za pravim materijalom bila jedan od najvećih izazova. "Isprobali smo mnoge druge materijale koji jednostavno nisu funkcionirali", objasnio je. $CrSBr$ se pokazao idealnim jer njegova magnetska stanja mogu biti vrlo čisto i glatko prebačena iz jednog u drugo, što je ključno za pouzdan rad tranzistora kao prekidača. Dodatna, nimalo zanemariva prednost jest njegova stabilnost na zraku, što uvelike pojednostavljuje proces proizvodnje u usporedbi s drugim osjetljivim 2D materijalima.
Revolucionarne performanse i elegantna izrada
Način na koji su istraživači konstruirali uređaj jednako je inovativan kao i sam materijal. Na silicijsku podlogu s prethodno postavljenim elektrodama, pažljivo su prenijeli iznimno tanak sloj kromovog sulfid bromida, debljine svega nekoliko desetaka nanometara. Pritom su koristili jednostavnu, ali genijalnu metodu prijenosa pomoću ljepljive trake. Ovaj pristup, kako navodi Chou, eliminira potrebu za otapalima ili ljepilima koja mogu kontaminirati osjetljivu površinu materijala i degradirati performanse tranzistora. Čistoća sučelja između materijala i elektroda pokazala se ključnom za postizanje izvanrednih rezultata.
Performanse novog magnetskog tranzistora daleko nadmašuju sve dosadašnje pokušaje. Dok su prethodni magnetski uređaji mogli promijeniti protok struje za svega nekoliko postotaka, MIT-jev tranzistor postiže promjenu za faktor od čak 10. To znači da može pojačati ili prekinuti električni signal s neviđenom efikasnošću. Znanstvenici su pokazali da se magnetsko stanje materijala, a time i stanje tranzistora ("uključeno" ili "isključeno"), može kontrolirati pomoću vanjskog magnetskog polja uz minimalan utrošak energije. Još važnije za praktičnu primjenu, dokazali su da se ista kontrola može postići i primjenom električne struje, što je preduvjet za integraciju milijuna takvih tranzistora na jedan čip.
Tranzistor s ugrađenom memorijom: Kraj uskog grla u računarstvu
Možda i najuzbudljiviji aspekt ovog otkrića jest činjenica da jedinstvena magnetska svojstva $CrSBr$-a omogućuju tranzistorima da posjeduju ugrađenu memoriju. U današnjim računalima, procesiranje (koje obavlja procesor) i pohrana podataka (u RAM memoriji) su fizički odvojeni. Stalno prebacivanje podataka između ove dvije komponente stvara takozvano "von Neumannovo usko grlo", koje troši dragocjeno vrijeme i energiju te predstavlja jedno od glavnih ograničenja modernih računalnih arhitektura.
Magnetski tranzistor s MIT-a elegantno rješava taj problem spajanjem obje funkcije u jedan jedini uređaj. On ne samo da obrađuje informaciju (kao prekidač), već je istovremeno i pamti (zadržavajući svoje magnetsko stanje čak i kada je napajanje isključeno). "Sada tranzistori ne samo da se uključuju i isključuju, oni i pamte informaciju", objašnjava Luqiao Liu, izvanredni profesor na MIT-u i jedan od starijih autora rada. "A budući da možemo prebacivati stanje tranzistora s puno većom magnitudom, signal je znatno jači, što nam omogućuje brže i pouzdanije očitavanje pohranjenih informacija." Ovaj koncept, poznat kao "računanje u memoriji" (in-memory computing), mogao bi dovesti do radikalno jednostavnijih i snažnijih dizajna sklopova te utrti put razvoju neuromorfnih čipova koji oponašaju učinkovitost ljudskog mozga.
Pogled u budućnost elektronike
Iako je demonstracija ovog magnetskog tranzistora ogroman znanstveni uspjeh, put do komercijalne primjene još uvijek zahtijeva daljnja istraživanja. Tim sada planira detaljnije proučiti metode kontrole uređaja pomoću električne struje i raditi na skalabilnosti procesa kako bi mogli proizvoditi ne samo pojedinačne tranzistore, već i čitave nizove, što je temelj za izradu kompleksnih integriranih krugova. Iako postoje izazovi, poput osiguravanja optimalnog rada na sobnim temperaturama i usavršavanja masovne proizvodnje, ovaj rad predstavlja ključni korak prema post-silicijskoj eri. Otvara se horizont za razvoj elektronike koja je ne samo snažnija, već i fundamentalno učinkovitija, što bi moglo imati dalekosežne posljedice na sve, od trajanja baterije u mobilnim uređajima do potrošnje energije u masivnim podatkovnim centrima koji pokreću umjetnu inteligenciju i cloud servise.
Kreirano: četvrtak, 25. rujna, 2025.
Pronađite smještaj u blizini