Drei aktuelle Forschungsarbeiten zeigen unterschiedliche Wege auf, das Konzept der Halbleiter über traditionelle Strukturen hinaus zu erweitern: Schaltkreise aus Bakterienkolonien, die logische Operationen ausführen können, ein auf antiferromagnetischen Materialien basierendes Bauelement, das aktuelle Eingaben speichert und ältere vergisst, sowie ein hochentropisches Oxidmaterial, das halbleitende Eigenschaften mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit verbindet. Diese Ergebnisse wurden in getrennten Forschungsarbeiten veröffentlicht und am 25. August 2026 von der Website Semiconductor Engineering vorgestellt.
Bakterien führen logische Operationen aus
Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelang es, das Bakterium Pantoea agglomerans so zu entwickeln, dass es als Transistor in Schaltkreisen zur Umweltüberwachung fungiert. Das Team entwarf zwei Transistortypen: Einer wird durch das Molekül OC-6 eingeschaltet, während der andere in Gegenwart desselben Moleküls ausgeschaltet wird. In beiden Fällen erfasst der Transistor ein Zielmolekül namens OC-12 und erzeugt anschließend ein Ausgangsmolekül namens OHC-14.
Die Forscher verwendeten drei Bakterienstämme, um das OHC-14-Signal in eine Ausgabe zu übersetzen, die an einen weiteren Transistor weitergeleitet werden kann. Die Bakterienkolonien wurden auf Agarplatten aufgebracht, wobei zwischen den Kolonien ein Abstand von etwa 5 Millimetern gelassen wurde, damit die Signale zur nächstgelegenen Kolonie und anschließend in eine Richtung zur nächsten weitergeleitet werden konnten.
Die Experimente belegten die Ausführung mehrerer logischer Gatter mit mehreren Eingängen, darunter „Oder“ und „Implikation“. Außerdem wurden die Transistoren kombiniert, um Schaltkreise zur Addition zweier Signale, zur Verarbeitung mehrerer Signale und einen Demultiplexer zu bauen. Der größte Schaltkreis enthielt 24 Bakterienkolonien. Jeder Rechenvorgang dauert jedoch etwa acht Stunden – eine Zeitspanne, die die Forscher für biologische Anwendungen als geeignet betrachteten, nicht aber als Ersatz für herkömmliche Computer. Das Team hofft, diese Schaltkreise auf den Blättern oder Wurzeln von Pflanzen einsetzen zu können, um Umweltbelastungen zu überwachen und darauf zu reagieren.
Vergessen als Rechenfunktion
In Südkorea entwickelten Forscher der Seoul National University und der Sungkyunkwan University ein halbleitendes Bauelement auf Basis eines antiferromagnetischen Materials, das aktuelle Eingaben speichern und ältere Informationen automatisch vergessen kann. Das zweipolige Bauelement kombiniert Zirkoniumdioxid mit amorphem Indium-Gallium-Zink-Oxid (a-IGZO).
Die Optimierung der Zusammensetzung von a-IGZO führte selbst bei begrenzten Änderungen des Gerätezustands zu deutlichen Stromunterschieden und erzielte ein Ein-Aus-Verhältnis von etwa 890. Außerdem unterschied das Bauelement 16 verschiedene Kombinationen von 4-Bit-Eingaben und erreichte bei der Erkennung handgeschriebener Ziffern eine Genauigkeit von 90,4 Prozent, während die Eingabedaten um 75 Prozent reduziert wurden.
Was ändert sich in der Praxis? Anstatt die Rückkehr des Materials in seinen ursprünglichen Zustand nach dem Entfernen der Spannung als Nachteil zu betrachten, nutzten die Forscher sie als „Vergessensmechanismus“ für die Verarbeitung von Zeitreihendaten. Nach Angaben des Teams vereint das Bauelement nichtlineare Transformation, Kurzzeitgedächtnis und natürliche Initialisierung in einer einzigen Komponente. Dennoch plant das Team weiterhin, die Fläche des Bauelements zu verkleinern und die Schaltkreise auf Matrixebene zu validieren, bevor es auf ein Edge-KI-System für akustische, biologische und umweltbezogene Signale ausgeweitet wird.
Mehrere Elemente mischen, um ein neues Material herzustellen
Forscher der Carnegie Mellon University und der Pennsylvania State University wandelten ein isolierendes Metalloxid durch hochentropisches Mischen in einen Halbleiter um. Das Material A₆WO₄ basiert darauf, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink in ein Gerüst aus Wolframoxid innerhalb einer einzigen Kristallstruktur einzubringen, die als Wolframit bekannt ist.
Das Material verbindet halbleitenden Transport mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit – zwei Eigenschaften, die sich in Oxiden nach Angaben der Forscher gewöhnlich nur schwer kombinieren lassen. Die Bedeutung des Ergebnisses liegt darin, dass die chemische Unordnung nicht zufällig eingesetzt wurde, sondern als Mittel zur gemeinsamen Abstimmung elektronischer und thermischer Eigenschaften. Das Team ist der Ansicht, dass dies den Weg für Materialien thermoelektrischer Geräte ebnen könnte, die Abwärme in Strom umwandeln. Diese Anwendung befindet sich jedoch weiterhin im Bereich der Forschungspotenziale und erfordert zusätzliche Entwicklung.