2019年11月29日，我院王譯教授與新加坡國立大學(xué)Hyunsoo Yang教授，在世界頂級期刊Science (《科學(xué)》)上發(fā)表重要工作：利用自旋波翻轉(zhuǎn)磁矩實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與邏輯運(yùn)算[1]。
遵循摩爾定律飛速發(fā)展的現(xiàn)代電子器件尺寸越來越小，芯片中因電荷高速運(yùn)動(dòng)和頻繁碰撞引發(fā)嚴(yán)重發(fā)熱，不但造成高能耗，同時(shí)限制芯片處理速度與集成密度的提高，成為阻礙當(dāng)前器件發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重問題。在日常生活中，我們都能切身體會(huì)到電子產(chǎn)品耗電、發(fā)熱而帶來的嚴(yán)重不便。
聚焦上述關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，王譯教授與新加坡國立大學(xué)Hyunsoo Yang教授創(chuàng)新性提出利用自旋波(準(zhǔn)粒子：磁振子)來驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)芯片“0”和“1”的信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算，這完全不同于以往通過有熱耗散電子自旋注入的傳統(tǒng)技術(shù)。自旋波不局限于電子導(dǎo)體，可以以“波”的方式在多種介質(zhì)中無熱耗散、低阻尼、長距離傳播自旋信息，重要的是該過程不需要導(dǎo)電電荷參與，因此這種新機(jī)制可以從根本上突破傳統(tǒng)芯片發(fā)熱、耗電等瓶頸。
圖A-B：磁振子轉(zhuǎn)矩(A)與傳統(tǒng)電子自旋轉(zhuǎn)矩(B)對比示意圖；圖C：磁振子轉(zhuǎn)矩器件光學(xué)照片；圖D：磁振子轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)NiFe磁矩翻轉(zhuǎn)器件示意圖；圖E：Bi2Se3/NiO/NiFe器件的自旋轉(zhuǎn)矩鐵磁共振測量示意圖；圖F：磁振子轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度與NiO厚度關(guān)系；圖G：不同厚度NiO器件中磁振子轉(zhuǎn)矩與溫度的關(guān)系；圖H：磁振子轉(zhuǎn)矩效應(yīng)驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)磁光克爾成像。
在前期工作基礎(chǔ)上[2-4]，他們設(shè)計(jì)了異質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)，反鐵磁絕緣體NiO作為磁振子高效傳輸通道，拓?fù)浣^緣體Bi2Se3作為高強(qiáng)度磁振子產(chǎn)生源，開創(chuàng)性利用磁振子轉(zhuǎn)矩效應(yīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)廣泛應(yīng)用的NiFe和CoFeB鐵磁薄膜自旋磁矩180°翻轉(zhuǎn)。器件在室溫下運(yùn)行，磁振子轉(zhuǎn)矩效應(yīng)顯著，預(yù)期通過進(jìn)一步調(diào)控器件，磁振子轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度有望進(jìn)一步增強(qiáng)。
此工作實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自旋波可有效翻轉(zhuǎn)自旋磁矩，開辟了實(shí)現(xiàn)低功耗、高速度信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算芯片的新途徑，必將發(fā)展磁振子學(xué)新研究方向，激發(fā)磁振子器件廣泛探索，促進(jìn)后摩爾時(shí)代器件革新。該工作中，我校王譯教授為第一作者，成果部分得到大連理工大學(xué)人才啟動(dòng)資金的資助。
論文鏈接：
王譯教授主頁：http://faculty.
參考文獻(xiàn)：
[1] Yi Wang et al., Magnetization switching by magnon-mediated spin torque through an antiferromagnetic insulator, Science 366, 1125-1128 (2019)
DOI: 10.1126/science.aav8076
[2] Yi Wang et al., Room temperature magnetization switching in topological insulator-ferromagnet heterostructures by spin-orbit torques, Nature Communications 8, 1364 (2017)
DOI: 10.1038/s41467-017-01583-4
[3] Yi Wang et al., Room-Temperature Giant Charge-to-Spin Conversion at the SrTiO3–LaAlO3 Oxide Interface, Nano Letters 17, 7659 (2017)
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03714
[4] Yi Wang et al., Topological Surface States Originated Spin-Orbit Torques in Bi2Se3，Physical Review Letters 114, 257202 (2015)
DOI:
