石墨烯纳米带晶体管的基本配置及功能

电子的基本属性之一是它的自旋，它可以向上或向下，这对任何热血的电气工程师来说都是“1”或“0”。这种现象是一个新兴的研究领域的核心，该研究领域被称为自旋电子学的未来可能路径。它保证了太赫兹范围内的时钟速度以及极小尺寸和大大降低功率要求的潜力。

在德克萨斯大学工作的一组科学家提出了一种基于碳纳米管的设计。他们还展示了一个重要的必备条件，如果该概念要实现实用性——级联能力——让一个设备的输出直接作为另一个设备的输入，而无需任何中介。

石墨烯纳米带晶体管  

石墨烯纳米带晶体管 (GNR) 的基本配置如下所示。这三个“线”由石墨烯纳米管构成。中心线，即 GNR 本身，部分“拉开”，因此它本质上是一个二维纳米带。微小的电流，我 CTRL 通过两个控制（CNT），平行和在 GNR 的任一侧。电流通过任何导线都会产生磁场，这里产生的磁场记为B。GNR 的磁化强度更强，当然，最接近各自的 CNT，磁化强度越接近带状中心的位置越小。

在这种特殊的石墨烯结构中，磁化可以改变 GNR 的铁磁排序，这与电子的实际自旋有关。两种可能的状态，反铁磁有序 (AFM) 和铁磁有序 (FM)，决定了通过 GNR 的电导。在 AFM 状态下，电导较低，而在 FM 状态下，电导较高。通过 GNR 始终保持稳定的电压，因此电导的变化直接转化为电流的变化。从低电导和低电流到高电导和高电流的变化非常剧烈，就像在传统的硅器件中一样，可以表示一和零。 

量子计算 和基于 纳米结构的计算 是活跃的研究领域，但在这个游戏阶段，大多数是独立设备。GNR 真正令人兴奋的是，它们的输出电流可以直接连接到下一个 GNR 晶体管。一个GNR可以将I CTRL 提供给后续GNR的控制纳米管之一，而另一个GNR可以将I CTRL 提供给该后续GNR的另一个控制纳米管。因此，两个 GNR 直接将“输入”提供给第三个 GNR。 

GNR 晶体管的逻辑功能 

当流过两个控制纳米管的电流大小相同且流向相同时，GNR 两端的磁化强度相同。这会导致 AFM 状态，并且 GNR 的电导会很低，从而导致输出为零。如果其中一个控制纳米管承载高电流，而另一个承载低电流，则 GNR 边缘的磁化强度将不同。出现 FM 状态，导致输出为 1。 

以这种方式，可以影响组合逻辑。 

此外，更复杂的几何形状也是可能的，将多个晶体管的逻辑功能组合到一个设备中。电流是 GNR 晶体管的状态变量，而不是电压，就像硅器件一样。这导致了惊人的快速切换时间，时钟频率可以达到 2 太赫兹范围。最后，与硅器件不同，GNR 的功耗在很大程度上与频率无关。

基于自旋电子学的组件距离商业化还有很长的路要走。然而，研究人员已经证明，在不久的将来，这项技术显然将成为一项重要技术的基础。 

　　审核编辑：汤梓红