自旋電子設(shè)備是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的誘人替代品，它提供了高能效的數(shù)字信息存儲(chǔ)，而且相對(duì)容易大規(guī)模生產(chǎn)。然而，與傳統(tǒng)的電子芯片相比，這些依賴于“磁記憶”存儲(chǔ)的設(shè)備仍然受到其相對(duì)較慢的速度的阻礙。
近日在《自然·電子》（Nature Electronics）雜志上發(fā)表的一篇論文中，由法國(guó)、美國(guó)學(xué)者合作領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)宣布研發(fā)出了一種新的磁化“開關(guān)”技術(shù)（將信息“寫入”到磁存儲(chǔ)器的過(guò)程），其切換比最先進(jìn)的自旋電子設(shè)備快近100倍。
這一進(jìn)步可能將引領(lǐng)計(jì)算機(jī)芯片的超快磁存儲(chǔ)器的發(fā)展，即使在沒(méi)有電力的情況下也能保留數(shù)據(jù)。
據(jù)研究人員報(bào)告稱，在這項(xiàng)研究中，他們使用極短的6皮秒電脈沖來(lái)切換磁器件中薄膜的磁化強(qiáng)度，從而獲得極高的能源效率。一皮秒即一萬(wàn)億分之一秒。
這項(xiàng)研究是由Jon Gorchon研究員法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)實(shí)驗(yàn)室的Jon Gorchon教授、加州大學(xué)伯克利分校的Jeffrey Bokor教授，以及加州大學(xué)河濱分校材料科學(xué)和工程學(xué)教授助理Richard Wilson一同完成的。
在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)的0和1以單個(gè)硅晶體管的“開”或“關(guān)”狀態(tài)存儲(chǔ)。而在磁存儲(chǔ)器中，同樣的信息可以存儲(chǔ)為相反極性的磁化，這通常被認(rèn)為是“上”或“下”狀態(tài)。
這種磁存儲(chǔ)器是磁硬盤存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)，磁硬盤存儲(chǔ)器則一般指向用于在云中存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的技術(shù)。
磁存儲(chǔ)器的一個(gè)關(guān)鍵特征是“數(shù)據(jù)非易失性”——這意味著即使在不使用電力的情況下，信息也能被保留下來(lái)。
“將磁存儲(chǔ)器直接集成到計(jì)算機(jī)芯片中是一個(gè)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，”Jon Gorchon教授表示。“這將允許本地芯片上的數(shù)據(jù)在斷電時(shí)被保留，而且它將使信息被訪問(wèn)比從遠(yuǎn)程磁盤驅(qū)動(dòng)器拉進(jìn)來(lái)要快得多。”
自旋電子學(xué)領(lǐng)域正在探索磁器件與電子集成的潛力。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域中，微型磁器件由傳統(tǒng)電子電路控制，全部在同一芯片上。
最先進(jìn)的自旋電子學(xué)是用所謂的自旋軌道轉(zhuǎn)矩裝置（spin-orbit torque device）來(lái)完成的。在這種裝置中，一小塊磁膜(磁位)被沉積在金屬線的頂部。流過(guò)導(dǎo)線的電流會(huì)產(chǎn)生帶有磁矩的電子流，這也被稱為自旋（spin）。這反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁力矩（magnetic torque）——稱為自旋-軌道力矩（spin-orbit torque）——在磁性鉆頭上。自旋軌道轉(zhuǎn)矩可以改變磁性鉆頭的極性。
目前開發(fā)的最先進(jìn)的自旋軌道轉(zhuǎn)矩裝置需要至少1納秒或百萬(wàn)分之一秒的電流脈沖來(lái)切換磁性位元，而最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管切換僅需1-2皮秒。這導(dǎo)致整個(gè)電路的速度受到緩慢磁開關(guān)速度的限制。
在這項(xiàng)研究中，研究人員將6皮秒寬的電流脈沖沿傳輸線發(fā)射到一個(gè)鈷基磁性比特上。結(jié)果表明，自旋轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)可以可靠地改變鈷鉆頭的磁化特性。
雖然在大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備中，電流加熱是一個(gè)似乎派不上真正用場(chǎng)的操作。但研究人員指出，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，超快的加熱有助于磁化逆轉(zhuǎn)。
“在長(zhǎng)時(shí)間和短時(shí)間尺度上，磁鐵對(duì)加熱的反應(yīng)是不同的，”威爾遜說(shuō)。“當(dāng)加熱速度如此之快時(shí)，只有少量的熱量可以改變磁特性，幫助逆轉(zhuǎn)磁鐵的方向。”
初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種“超快”自旋軌道轉(zhuǎn)矩裝置所需要的能量，幾乎比運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)得多的傳統(tǒng)自旋電子裝置小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
“這種新型、超快的磁開關(guān)過(guò)程帶來(lái)的高能效，是一個(gè)巨大的、非常受歡迎的突破。”Jeffrey Bokor教授指出，這樣一個(gè)高速、低能量的自旋電子設(shè)備可以潛在地解決當(dāng)前處理器級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能限制，它也可以用于邏輯應(yīng)用，并在磁性器件與電子學(xué)集成領(lǐng)域有廣闊發(fā)展前景。
研究人員使用的實(shí)驗(yàn)方法還提供了一種在超短時(shí)間尺度上觸發(fā)和探測(cè)自旋電子現(xiàn)象的新方法，這有助于更好地理解諸如自旋軌道轉(zhuǎn)矩等現(xiàn)象背后的物理作用。
