麻省理工學院（MIT）的工程團隊近日宣布，他們成功研製出一種全新的磁性電晶體（magnetic transistor），這一突破性設計有望徹底改變未來電子產品的運作方式。該設備不僅結構緊湊，還具備高性能與內建記憶體功能，為打造更小、更快且節能的電路提供全新可能。
當前電晶體是現代電子產品的核心元件，但長期以來主要以矽為材料。矽雖然能有效控制電流流動，但其基本物理限制使得電晶體難以在低於特定電壓下運行，進而限制了能效與尺寸的進一步縮減。為了突破這一瓶頸，科學界多年來一直嘗試利用電子自旋（electron spin）來設計新型元件。電子自旋如同微小磁鐵，可望成為操控電流的新途徑。然而，過去的磁性材料大多缺乏半導體所需的良好電子特性，導致性能始終無法達標。
此次 MIT 的研究人員選擇以硫溴化鉻（chromium sulfur bromide）取代矽，創造出一種全新的磁性半導體電晶體。這種二維材料兼具穩定磁性與良好的電子特性，使得研究人員能夠「乾淨」的在不同磁性狀態間切換，大幅提升電流控制的效率。該團隊共同資深作者、MIT 電子工程與電腦科學系副教授 Luqiao Liu 表示，結合磁性與半導體物理，實現實用的自旋電子設備（spintronic device）。
Luqiao Liu 還表示，研究過程中，團隊不僅找到合適的材料，還製程最佳化減少缺陷，使設備性能顯著提升。共同主要作者、EECS 與物理學系研究生 Chung-Tao Chou 指出，他們曾嘗試多種材料但未果，最終發現硫溴化鉻能在空氣中保持穩定，並能在低能耗下切換電子屬性，這是突破的關鍵。
製作流程，團隊先於矽基板上圖案化電極，再將厚度僅數 10 奈米的二維材料精準轉移。不同於傳統使用溶劑或膠水，用膠帶轉移，避免任何污染風險，確保表面潔淨度。受惠於此，新型電晶體的性能遠超過現有磁性電晶體。以往裝置僅能造成電流百分之幾的變化，而 MIT 團隊的新設計則能提升 10 倍以上的電流切換幅度，顯示潛力。目前，研究員仍以外部磁場改變材料的磁性狀態，但所需能量遠低於傳統方法。更重要的是，材料允許直接以電流控制磁性，代表未來無需額外磁場，就能在電子產品逐一操作電晶體。
而除了開關與放大功能，這種磁性電晶體還具備內建記憶體的特性。傳統記憶體架構需要磁性單元存儲資訊，再透過電晶體讀取，而 MIT 的設計則能將這兩項功能整合於單一元件。 Luqiao Liu 強調，電晶體不僅能開啟與關閉，還能記憶資訊。由於切換幅度更大，訊號更強，讀取速度與可靠性也隨之提升。尤其，磁鐵早已存在數千年，但這是首次將其有效融入電子產品中，為未來應用與研究開啟新方向。
現階段這項獲得美國國防高級研究計畫局（DARPA）、美國國家科學基金會（NSF）、能源部、陸軍研究辦公室、半導體研究公司（SRC），以及捷克教育部等多方支持，部分實驗則在MIT.nano設施完成的研究，成果已刊登於《物理評論快報》（Physical Review Letters）學術期刊。未來，研究人員計劃探索如何純粹透過電流控制這些電晶體，並開發可擴展的陣列製造方法，以推動實際應用。
(首圖來源：Freepik)
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