全新自旋晶体管，有望破解芯片数据拥堵

人工智能正面临一场能源危机，根源在于现代芯片内部出现的数据 “物理拥堵”。处理器需要持续在相互独立的计算单元与存储单元之间搬运数据，例如复杂大模型中数十亿个参数。这种数据拥堵被称作冯・诺依曼瓶颈，制约着高端处理器的运算速度与能效水平。

为攻克这一难题，科学家正在研发自旋电子学技术，利用电子的 “自旋”，也就是电子本征磁取向，打造更高能效的器件。该领域长期追寻的里程碑器件便是自旋晶体管：它将磁性存储比特与半导体开关融为一体，能够同时完成数据计算与存储。

“最大的挑战在于弄清纳米尺度器件中磁性与电流如何相互作用。” 主导这项研究的波士顿学院物理学教授 Brian Zhou 表示，“我们搭建了单自旋量子显微镜，用以观测原子级超薄器件在处理电信号过程中的磁态变化。”依托这套量子观测手段，这支由波士顿学院牵头的研究团队，为磁性晶体管的工程实现提出了全新设计思路。

单一晶体兼具计算与存储双重功能

研究团队展示了一套基于磁性半导体硫溴化铬（CrSBr）的器件架构，信号既可以通过磁场实现通断，也能够依靠电压进行调控。

硫溴化铬（CrSBr）单层 - 双层台阶结构两端配置横向偏移电极的空间电荷限制输运（SCST）器件示意图。

“传统方案需要拼接两种不同材料：磁性材料与半导体材料。” 布拉格化学与技术大学材料合成专家 Zdeněk Sofer 介绍，“我们制备出具备范德华特性的单一晶体 CrSBr，材料本身同时拥有半导体属性与磁性，彻底消除不同材料界面带来的能量损耗。”

Zhou 课题组采用两层厚度的 CrSBr 制备晶体管，在两层晶体上分别布设横向分隔的电极。这种独特结构迫使电流同时跨越两层磁性晶体、并在两层之间传输。

该器件有两种开关控制方式：既可以改变邻近栅极电压实现通断，也能够调整两层 CrSBr 晶体的相对磁取向。它和传统互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管原理相近，额外增加了磁调控维度。

观测磁场如何调控电流

为表征这款自旋晶体管性能，研究人员将电学测试与高分辨率量子传感探测手段相结合，采用金刚石氮 - 空位（NV）中心扫描磁测技术。这种特殊成像方式，通过追踪单个原子缺陷的磁共振变化，绘制局部磁场分布。

量子显微镜直观呈现出器件内磁性与电学行为的关联：磁化强度的空间变化如何改变器件电导，以及栅压如何调控两层磁性晶体在平行、反平行状态之间切换。

让自旋晶体管性能大幅提升的关键，是团队实现了空间电荷限制导电。在该导电区间内，材料内部电荷累积、电荷相互排斥会改变电流 - 电压关系，器件呈现幂律变化特征，而非常规欧姆体系的线性特性。

“这种快速幂律变化特性，让我们能够大范围调控电导。” 论文第一作者、研究生 Thomas K. M. Graham 说，“我们器件的电学开关比达到 10000 倍，磁控开关比达到 30 倍；后者指标相较以往研究实现显著提升。”

迈向瞬时启动芯片逻辑

这套架构将开关逻辑与非易失存储比特融为一体，为高性能 “瞬时启动” 处理器铺平道路。这类处理器无需频繁从存储器调取数据；同时还可支持可重构计算电路，在芯片制造完成后依旧能够重新配置功能。

Zhou 表示，想要充分释放该技术潜力，科研人员还需要持续推进纳米尺度成像技术，以及磁态电学调控相关研究。