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基于自旋的存算一体器件

沈健

课题介绍

自巨磁电阻效应发现以来,自旋电子学研究发展迅猛,已在硬盘磁存储领域取得巨大成功,非易失磁随机存储在主流半导体产业中的大规模应用也呼之欲出。业界下一个目标是将自旋电子学植入逻辑运算领域,最终实现集自旋存储与逻辑运算于一体的目标。虽然Datta-Das早在30年前就提出了自旋场效应晶体管的概念,但是自旋逻辑研究进展依然缓慢,这是因为器件的自旋注入层/输运层/检测层之间存在着复杂的化学界面,造成了自旋注入效率低、自旋调控效率低、制备难度大等问题,无法有效进行逻辑运算。因此,迫切需要探索新型高效自旋电子材料与器件原理。

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图为同一关联电子材料中实现存算一体器件

为此,我们开辟了一个新的研究方向:关联电子材料自旋电子学。利用关联电子体系含不同自旋序的多量子态共存的特性及其高度可调控性,在同一材料中实现非挥发性自旋存储与逻辑运算的集成,从而建立新型的非冯诺依曼自旋信息处理架构。关联电子材料具有丰富的自旋序,包括铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁序等,这些自旋序与电子轨道态、电荷空间分布等其它量子态存在强烈耦合,因而可以通过外场来实现不同自旋序的时域和空域的调控。相对于存在化学界面的传统异质结构,在关联电子材料中利用外场限域调控,可以实现无化学界面的不同自旋序结构的空间可控排列,从而构筑基于同一材料的新型自旋电子器件。本研究将围绕关联电子体系多量子态的调控规律展开,通过自旋电子学与量子物理、表面物理以及电介质物理的交叉,探索具有多场(磁场、电场、光场、应变场)可控性的新型关联自旋电子材料,发展新型的多场调控技术,揭示自旋序与量子态耦合机理,设计新型自旋电子器件,进而实现在同一关联电子材料中集成非挥发性自旋存储与逻辑运算功能。主要研究内容包括:

1)通过局域外场调控技术,在同一关联电子氧化物材料中实时构筑自旋序的空间阵列;在此基础上,构建集自旋存储和逻辑运算于一体并具有非挥发性的新型自旋电子器件。该器件的特色是基于同一材料,避免了异质化学界面的不利影响,同时可以根据需求进行实时构筑、清除或重构。

2)开展二维关联电子体系自旋电子学的研究,探索新型磁性二维材料并研究其自旋输运性质,实现外场对二维电子体系电子结构和本征磁性的限域调控,设计并实现基于二维关联电子体系的自旋存储和逻辑运算器件。3)在磁性绝缘体材料中开展自旋波研究,利用自旋波与磁畴壁相互作用实现新型低能耗存算一体计算器件。由于磁畴壁中存在束缚态的自旋波,自旋波可以沿着磁畴壁传播,构成自旋波导线,因此畴壁可用于自旋波的传播、折射、反射和偏振等操作,构造自旋波逻辑器件。该器件完全基于非易失性磁存储和自旋波,可以规避由传导电子带来的焦耳热,降低能耗。


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