仅6皮秒！新技术打破磁存储器速度纪录 比最先进自旋电子设备快近100倍

自旋电子设备是传统计算机芯片的诱人替代品，它提供了高能效的数字信息存储，而且相对容易大规模生产。然而，与传统的电子芯片相比，这些依赖于“磁记忆”存储的设备仍然受到其相对较慢的速度的阻碍。

近日在《自然·电子》（Nature Electronics）杂志上发表的一篇论文中，由法国、美国学者合作领导的国际研究团队宣布研发出了一种新的磁化“开关”技术（将信息“写入”到磁存储器的过程），其切换比最先进的自旋电子设备快近100倍。

这一进步可能将引领计算机芯片的超快磁存储器的发展，即使在没有电力的情况下也能保留数据。

据研究人员报告称，在这项研究中，他们使用极短的6皮秒电脉冲来切换磁器件中薄膜的磁化强度，从而获得极高的能源效率。一皮秒即一万亿分之一秒。

这项研究是由Jon Gorchon研究员法国国家科学研究中心(CNRS)实验室的Jon Gorchon教授、加州大学伯克利分校的Jeffrey Bokor教授，以及加州大学河滨分校材料科学和工程学教授助理Richard Wilson一同完成的。

在传统的计算机芯片中，二进制数据的0和1以单个硅晶体管的“开”或“关”状态存储。而在磁存储器中，同样的信息可以存储为相反极性的磁化，这通常被认为是“上”或“下”状态。

这种磁存储器是磁硬盘存储器的基础，磁硬盘存储器则一般指向用于在云中存储大量数据的技术。

磁存储器的一个关键特征是“数据非易失性”——这意味着即使在不使用电力的情况下，信息也能被保留下来。

“将磁存储器直接集成到计算机芯片中是一个长期追求的目标，”Jon Gorchon教授表示。“这将允许本地芯片上的数据在断电时被保留，而且它将使信息被访问比从远程磁盘驱动器拉进来要快得多。”

自旋电子学领域正在探索磁器件与电子集成的潜力。在自旋电子学领域中，微型磁器件由传统电子电路控制，全部在同一芯片上。

最先进的自旋电子学是用所谓的自旋轨道转矩装置（spin-orbit torque device）来完成的。在这种装置中，一小块磁膜(磁位)被沉积在金属线的顶部。流过导线的电流会产生带有磁矩的电子流，这也被称为自旋（spin）。这反过来会产生一个磁力矩（magnetic torque）——称为自旋-轨道力矩（spin-orbit torque）——在磁性钻头上。自旋轨道转矩可以改变磁性钻头的极性。

目前开发的最先进的自旋轨道转矩装置需要至少1纳秒或百万分之一秒的电流脉冲来切换磁性位元，而最先进的计算机芯片中的晶体管切换仅需1-2皮秒。这导致整个电路的速度受到缓慢磁开关速度的限制。

在这项研究中，研究人员将6皮秒宽的电流脉冲沿传输线发射到一个钴基磁性比特上。结果表明，自旋转矩机构可以可靠地改变钴钻头的磁化特性。

虽然在大多数现代设备中，电流加热是一个似乎派不上真正用场的操作。但研究人员指出，在这个实验中，超快的加热有助于磁化逆转。

“在长时间和短时间尺度上，磁铁对加热的反应是不同的，”威尔逊说。“当加热速度如此之快时，只有少量的热量可以改变磁特性，帮助逆转磁铁的方向。”

初步实验结果显示，这种“超快”自旋轨道转矩装置所需要的能量，几乎比运行时间长得多的传统自旋电子装置小两个数量级。

“这种新型、超快的磁开关过程带来的高能效，是一个巨大的、非常受欢迎的突破。”Jeffrey Bokor教授指出，这样一个高速、低能量的自旋电子设备可以潜在地解决当前处理器级存储系统的性能限制，它也可以用于逻辑应用，并在磁性器件与电子学集成领域有广阔发展前景。

研究人员使用的实验方法还提供了一种在超短时间尺度上触发和探测自旋电子现象的新方法，这有助于更好地理解诸如自旋轨道转矩等现象背后的物理作用。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://www.nature.com/articles/s41928-020-00488-3

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201028124535.htm