2026年7月22日——人工智能正面临一场能源危机，其根源在于现代计算机芯片内部存在物理层面的“交通堵塞”。

处理器必须在独立的计算节点和存储节点之间持续搬运数据，例如复杂模型中的数十亿个参数。这种“交通堵塞”现象，即著名的“冯·诺依曼瓶颈”，制约了先进处理器的速度和能耗表现。

为解决这一难题，科学家们正在开发自旋电子学技术。该技术利用电子的“自旋”（即其固有的磁化取向）来制造更高效的器件。该领域一个长期追求的目标是制造一种称为“自旋晶体管”的单一器件，它能够将磁位元与半导体开关结合起来，从而同时实现计算和存储数据的功能。

“主要挑战在于理解纳米尺度器件中磁性与电流如何相互作用，”领导该研究的波士顿学院物理学教授Brian Zhou表示。“我们开发了一种单自旋量子显微镜，用于观测原子级薄器件在主动处理电信息时的磁状态。”

这种基于量子视角的方法，让波士顿学院研究团队得以引入一种关于如何设计磁性晶体管的范式转变。在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项新研究中，该团队展示了一种利用磁性半导体——溴化铬硫（CrSBr）——构建的架构，该架构允许信号通过磁性或电压两种方式进行切换。

“传统上，这些器件需要将两种不同材料（一种磁体和一种半导体）结合在一起，”布拉格化工大学材料合成专家Zdeněk Sofer教授表示。“通过设计一种本身同时具备半导体和磁性的单块范德华晶体CrSBr，我们完全消除了界面处的损耗。”

Zhou的研究团队使用两层厚的CrSBr制造了这种晶体管，将横向分离的电极放置在相对的两层上。其独特的结构迫使电流既要在两个磁性层内部流动，又要在它们之间流动。该器件可以通过改变邻近栅极上的电压，或者改变两层CrSBr的相对磁化取向来实现“开”与“关”，这类似于传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管，但增加了一个磁性的“开关”。

为表征这种自旋晶体管，研究人员将电学测量与高分辨率量子传感探针（即扫描氮-空位（NV）中心磁力测量技术）相结合。这种专门的成像技术通过追踪单个原子缺陷磁共振的变化来绘制局部磁场图。量子显微镜生动地揭示了该器件中磁性与电学行为的相关性：磁化强度的空间变化如何改变器件电导，以及栅极电压如何在平行和反平行状态之间翻转磁性层。

提升所开发自旋晶体管性能的一个关键因素，是研究人员能够进入“空间电荷限制”电导区域。在此区域内，材料内部电荷的积聚和相互排斥会改变电流-电压关系，使其呈现出幂律标度行为，而非传统的线性欧姆行为。

“快速的幂律缩放使我们能够极大地调节电导率，”该研究的第一作者、研究生Thomas K. M. Graham说。“我们的器件实现了1000000%的电开关比和3000%的磁开关比，后者显著高于此前的尝试。”

通过将开关逻辑与非易失性存储位元融合，所开发的架构为超高效、“即时启动”的处理器铺平了道路，这种处理器无需从内存中获取数据，同时也支持可重构的计算电路，该电路可在制造后进行重新编程。

Zhou表示，要释放这一潜力，研究人员必须继续推进纳米尺度的成像技术以及对磁状态的电学控制。