2019年11月29日,大连理工大学物理学院、三束材料改性教育部重点实验室王译教授与新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授,在世界顶级期刊Science (《科学》)上发表重要工作:利用自旋波翻转磁矩实现数据存储与逻辑运算。

  遵循摩尔定律飞速发展的现代电子器件尺寸越来越小,芯片中因电荷高速运动和频繁碰撞引发严重发热,不但造成高能耗,同时限制芯片处理速度与集成密度的提高,成为阻碍当前器件发展的一个严重问题。在日常生活中,我们都能切身体会到电子产品耗电、发热而带来的严重不便。

  聚焦上述关键科学技术问题,王译教授与新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授创新性提出利用自旋波(准粒子:磁振子)来驱动磁矩翻转,实现芯片“0”和“1”的信息存储和逻辑运算,这完全不同于以往通过有热耗散电子自旋注入的传统技术。自旋波不局限于电子导体,可以以“波”的方式在多种介质中无热耗散、低阻尼、长距离传播自旋信息,重要的是该过程不需要导电电荷参与,因此这种新机制可以从根本上突破传统芯片发热、耗电等瓶颈。

  图A-B:磁振子转矩(A)与传统电子自旋转矩(B)对比示意图;图C:磁振子转矩器件光学照片;图D:磁振子转矩驱动NiFe磁矩翻转器件示意图;图E:Bi2Se3/NiO/NiFe 器件的自旋转矩铁磁共振测量示意图;图F:磁振子转矩强度与NiO厚度关系;图G:不同厚度NiO器件中磁振子转矩与温度的关系;图H:磁振子转矩效应驱动磁矩翻转磁光克尔成像  图A-B:磁振子转矩(A)与传统电子自旋转矩(B)对比示意图;图C:磁振子转矩器件光学照片;图D:磁振子转矩驱动NiFe磁矩翻转器件示意图;图E:Bi2Se3/NiO/NiFe 器件的自旋转矩铁磁共振测量示意图;图F:磁振子转矩强度与NiO厚度关系;图G:不同厚度NiO器件中磁振子转矩与温度的关系;图H:磁振子转矩效应驱动磁矩翻转磁光克尔成像

  在前期工作基础上,他们设计了异质薄膜结构,反铁磁绝缘体NiO作为磁振子高效传输通道,拓扑绝缘体Bi2Se3作为高强度磁振子产生源,开创性利用磁振子转矩效应实现商业广泛应用的NiFe和CoFeB铁磁薄膜自旋磁矩180°翻转。器件在室温下运行,磁振子转矩效应显著,预期通过进一步调控器件,磁振子转矩强度有望进一步增强。

  此工作实验证实了自旋波可有效翻转自旋磁矩,开辟了实现低功耗、高速度信息存储和逻辑运算芯片的新途径,必将发展磁振子学新研究方向,激发磁振子器件广泛探索,促进后摩尔时代器件革新。该工作中,大连理工大学王译教授为第一作者,成果部分得到大连理工大学人才启动资金的资助。

  王译,物理学院教授、博士生导师。大连理工大学“星海青千”人才获得者,入选2018年“大连市重点产业紧缺人才”。连续12年从事自旋电子学器件物理及应用研究。目前重点开展自旋轨道矩磁随机存储器的基础应用研究。

  王译教授在Science (一作),Physical Review Letters(一作),Nature Communications(一作),Nano Letters(一作),Nature Materials,Nature Nanotechnology,Nature Physics,Advanced Materials等国际著名期刊发表SCI论文24篇。现担任Physics Review Letters, Nano Letters,ACS Nano, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, IEEE Transactions on Magnetic等国际期刊审稿人。

  来源:大连理工大学