自旋電子設備是傳統計算機芯片的誘人替代品，它提供了高能效的數字信息存儲，而且相對容易大規模生產。然而，與傳統的電子芯片相比，這些依賴於“磁記憶”存儲的設備仍然受到其相對較慢的速度的阻礙。
近日在《自然·電子》(Nature Electronics)雜誌上發表的一篇論文中，由法國、美國學者合作領導的國際研究團隊宣佈研發出了一種新的磁化“開關”技術(將信息“寫入”到磁存儲器的過程)，其切換比最先進的自旋電子設備快近100倍。
這一進步可能將引領計算機芯片的超快磁存儲器的發展，即使在沒有電力的情況下也能保留數據。
據研究人員報告稱，在這項研究中，他們使用極短的6皮秒電脈衝來切換磁器件中薄膜的磁化強度，從而獲得極高的能源效率。一皮秒即一萬億分之一秒。
這項研究是由Jon Gorchon研究員法國國家科學研究中心(CNRS)實驗室的Jon Gorchon教授、加州大學伯克利分校的Jeffrey Bokor教授，以及加州大學河濱分校材料科學和工程學教授助理Richard Wilson一同完成的。
在傳統的計算機芯片中，二進制數據的0和1以單個硅晶體管的“開”或“關”狀態存儲。而在磁存儲器中，同樣的信息可以存儲為相反極性的磁化，這通常被認為是“上”或“下”狀態。
這種磁存儲器是磁硬盤存儲器的基礎，磁硬盤存儲器則一般指向用於在雲中存儲大量數據的技術。
磁存儲器的一個關鍵特徵是“數據非易失性”——這意味着即使在不使用電力的情況下，信息也能被保留下來。
“將磁存儲器直接集成到計算機芯片中是一個長期追求的目標，”Jon Gorchon教授表示。“這將允許本地芯片上的數據在斷電時被保留，而且它將使信息被訪問比從遠程磁盤驅動器拉進來要快得多。”
自旋電子學領域正在探索磁器件與電子集成的潛力。在自旋電子學領域中，微型磁器件由傳統電子電路控制，全部在同一芯片上。
最先進的自旋電子學是用所謂的自旋軌道轉矩裝置(spin-orbit torque device)來完成的。在這種裝置中，一小塊磁膜(磁位)被沉積在金屬線的頂部。流過導線的電流會產生帶有磁矩的電子流，這也被稱為自旋(spin)。這反過來會產生一個磁力矩(magnetic torque)——稱為自旋-軌道力矩(spin-orbit torque)——在磁性鑽頭上。自旋軌道轉矩可以改變磁性鑽頭的極性。
目前開發的最先進的自旋軌道轉矩裝置需要至少1納秒或百萬分之一秒的電流脈衝來切換磁性位元，而最先進的計算機芯片中的晶體管切換僅需1-2皮秒。這導致整個電路的速度受到緩慢磁開關速度的限制。
在這項研究中，研究人員將6皮秒寬的電流脈衝沿傳輸線發射到一個鈷基磁性比特上。結果表明，自旋轉矩機構可以可靠地改變鈷鑽頭的磁化特性。
雖然在大多數現代設備中，電流加熱是一個似乎派不上真正用場的操作。但研究人員指出，在這個實驗中，超快的加熱有助於磁化逆轉。
“在長時間和短時間尺度上，磁鐵對加熱的反應是不同的，”威爾遜説。“當加熱速度如此之快時，只有少量的熱量可以改變磁特性，幫助逆轉磁鐵的方向。”
初步實驗結果顯示，這種“超快”自旋軌道轉矩裝置所需要的能量，幾乎比運行時間長得多的傳統自旋電子裝置小兩個數量級。
“這種新型、超快的磁開關過程帶來的高能效，是一個巨大的、非常受歡迎的突破。”Jeffrey Bokor教授指出，這樣一個高速、低能量的自旋電子設備可以潛在地解決當前處理器級存儲系統的性能限制，它也可以用於邏輯應用，並在磁性器件與電子學集成領域有廣闊發展前景。
研究人員使用的實驗方法還提供了一種在超短時間尺度上觸發和探測自旋電子現象的新方法，這有助於更好地理解諸如自旋軌道轉矩等現象背後的物理作用。
編譯/前瞻經濟學人APP資訊組
參考資料:https://www.nature.com/articles/s41928-020-00488-3
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201028124535.htm