Som våra smartphones, bärbara datorer, och datorer blir mindre och snabbare, så gör transistorerna inuti dem som styr flödet av elektricitet och lagrar information. Men traditionella transistorer kan bara krympa så mycket. Nu, forskare vid Stevens Institute of Technology har utvecklat en ny atomtunn magnetisk halvledare som gör det möjligt att utveckla nya transistorer som fungerar på ett helt annat sätt; de kan inte bara utnyttja en elektronladdning utan också kraften i dess snurrning, ger en alternativ väg till att skapa allt mindre och snabbare elektronik.

Istället för att förlita sig på att göra mindre och mindre elektriska komponenter, den nya upptäckten, rapporterade i april 2020 -numret av Naturkommunikation , potentiellt ger en kritisk plattform för att främja spintronics (spin + elektronik), ett helt nytt sätt att använda elektronik och ett välbehövligt alternativ till fortsatt miniatyrisering av elektroniska standardutrustningar. Förutom att ta bort miniatyriseringsbarriären, den nya atomtunna magneten kan också möjliggöra snabbare bearbetningshastighet, lägre energiförbrukning och ökad lagringskapacitet.

"En tvådimensionell ferromagnetisk halvledare är ett material där ferromagnetism och halvledande egenskaper samexisterar i ett, och eftersom vårt material fungerar vid rumstemperatur, det låter oss enkelt integrera det med den väletablerade halvledarteknologin, "sa EH Yang, professor i maskinteknik vid Stevens Institute of Technology, som ledde detta projekt.

"Magnetfältstyrkan i detta material är 0,5 mT; medan en sådan svag magnetfältstyrka inte kan tillåta oss att ta upp ett gem, det är tillräckligt stort för att förändra elektronernas snurr, som kan användas för kvantbitsapplikationer, "sa Stefan Strauf, professor i fysik vid Stevens.

När datorer byggdes första gången, de fyllde ett helt rum, men nu får de plats i din bakficka. Anledningen till detta är Moores lag, vilket tyder på att vartannat år, antalet transistorer som passar på ett datorchip kommer att fördubblas, effektivt fördubbla en gadgets hastighet och kapacitet. Men transistorer kan bara bli så små innan de elektriska signalerna som de ska styra inte längre följer deras kommandon.

Medan de flesta prognosmakare förväntar sig att Moores lag kommer att upphöra år 2025, alternativa metoder, som inte förlitar sig på fysisk skalning, har utretts. Manipulera elektronernas snurr, istället för att enbart förlita sig på sin avgift, kan ge en lösning i framtiden.

Bygga en ny magnetisk halvledare med hjälp av tvådimensionella material-det vill säga två atomer tjocka- gör det möjligt att utveckla en transistor för att styra elektricitet med kontroll av spinnet på en elektron, antingen upp eller ner, medan hela enheten förblir lätt, flexibel och transparent.

Med hjälp av en metod som kallas in situ substitutionell dopning, Yang och hans team syntetiserade framgångsrikt en magnetisk halvledare varigenom en molybden -disulfidkristall substitueras med isolerade järnatomer. Under denna process, järnatomerna sparkar igång några av molybdenatomerna och tar plats, på exakt plats, skapa ett transparent och flexibelt magnetiskt material - igen, bara två atomer tjocka. Materialet befinner sig förbli magnetiserat vid rumstemperatur, och eftersom det är en halvledare, den kan direkt integreras i den befintliga arkitekturen för elektroniska enheter i framtiden.

Yang och hans team på Stevens arbetade med flera institutioner för att bilda materialet - atom för atom - för att bevisa att järnatomerna tog platsen för några av molybdenatomerna. Dessa institutioner inkluderade University of Rochester, Rensselaer yrkeshögskola, Brookhaven National Laboratory, och Columbia University.

"Att göra något stort inom vetenskap, du måste få andra att samarbeta med dig, "sa Shichen Fu, en doktorsexamen student i maskinteknik vid Stevens. "Den här gången, vi samlade alla rätt människor - laboratorier med olika styrkor och olika perspektiv - för att få detta att hända. "