近日，松山湖材料實驗室自旋量子材料與器件課題組與北京大學、北京航空航天大學、華南師范大學和大灣區大學合作，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，在二維范德華材料助力室溫自旋邏輯研究方面取得新突破。相關成果發表于《納米快報》（Nano Letters）。
近年來，依靠縮小器件尺寸和增大集成密度從而提高芯片性能的成本與工藝困難急劇上升，亟待運用新材料、新機制和新效應突破摩爾瓶頸。原子級厚度、高質量的接觸界面、突破晶格匹配限制、易受外場調控的自旋極化等物理屬性使得二維磁性金屬材料呈現新奇的物理效應，在磁存儲、磁傳感和磁邏輯等自旋電子器件和芯片領域具有重大的應用前景；更重要的是自旋電子器件能夠在信息非易失性存儲的基礎上集成邏輯功能從而實現存內運算，有望解決存儲墻和功耗墻難題，實現非馮·諾伊曼架構的存算一體芯片。
階梯式Fe3GaTe2器件在不同溫度下的反對稱磁阻及霍爾電阻與機制示意圖。研究團隊供圖
自旋邏輯操作是實現基于自旋的邏輯計算架構中的基礎，具有非易失性數據存儲、邏輯和存儲單元之間高密度數據的高速傳輸以及與納米級設備縮放的兼容性等關鍵優勢。自旋邏輯架構的一個關鍵組件是磁疇壁——不同磁取向區域之間的動態邊界，可實現信息處理和存儲。盡管具有這些優勢，基于磁疇壁的自旋邏輯的實際實現仍然具有挑戰性。
對磁疇壁的成核、操縱和穩定的精確控制對于可靠的操作和最小的錯誤率至關重要。實現這種控制通常需要復雜的設備工程和先進的材料合成，增加了制造的復雜性。此外，傳統方法依賴于復雜的納米結構，例如窄磁道或圖案化釘扎位置，這進一步使器件設計復雜化并提高生產成本。相比之下，二維范德華磁性材料由于其獨特的結構和物理性質，為自旋邏輯器件的研究提供了一個理想的研究平臺。
研究人員采用居里溫度高于室溫的新型范德華二維鐵磁材料Fe3GaTe2，成功構建出結構簡單的自旋邏輯器件，并實現了室溫下的自旋邏輯操作。通過反常霍爾效應/磁電阻等自旋輸運測試，結合磁光克爾顯微鏡對磁疇結構的實時觀測，他們發現分層的Fe3GaTe2能夠實現自旋邏輯功能：由于不同層數Fe3GaTe2的垂直磁各向異性和矯頑力不同，因此可以通過磁場掃描在一定的區間調控薄層和厚層Fe3GaTe2產生相反的磁疇結構，從而在不同Fe3GaTe2層的臺階處可控的形成磁疇壁，當外加電流通過磁疇壁時由于兩側非平衡的霍爾電壓的作用會在磁疇壁處形成渦流分布，從而影響了整體磁電阻產生反對稱磁電阻效應，因此通過磁疇結構的平行態和兩種反平行態的磁疇搭配器件可以實現三種不同的高、中、低電阻狀態和自旋邏輯運算功能。
此外，通過層數控制和器件結構設計等手段調控磁疇結構和磁疇壁渦旋電流的分布，還可進一步將器件功能擴展到五態和更多的磁電阻狀態，從而開發更為復雜的自旋邏輯器件功能。該研究結果和發現為未來開發基于二維范德華磁性材料的室溫、可編程和全電控存算一體自旋邏輯器件提供了新的路徑。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01819