基于電子自旋的磁隨機存儲器具有非易失性、超長耐久度、超快讀寫速度和超低功耗等優點，被視為是未來實現新型存儲和計算的潛在技術之一。目前，磁隨機存儲器的構筑主要依賴于垂直磁各向異性的磁隧穿結單元。器件磁狀態的寫入依賴于自旋轉移轉矩或者外加磁場輔助的自旋軌道轉矩，而器件磁狀態的讀取則需要利用隧穿磁電阻效應。這種不對稱的讀寫方式以及外加磁場的輔助極大地限制了器件的功耗降低、級聯與小型化。構筑新型的自旋電子器件結構、并且探索電荷-自旋之間的全新轉換機制被認為是解決上述挑戰的有效途徑。

　　面向上述挑戰，近日，南京大學物理學院繆峰教授、梁世軍副教授與南京理工大學程斌教授合作團隊另辟蹊徑，將范德華鐵磁體和拓撲半金屬以“原子樂高”的方式搭建出新型范德華自旋軌道量子材料，利用低對稱性和強自旋軌道耦合效應所誘導的非正交電荷-自旋轉換機制，首次構筑了具有對稱讀寫功能的可級聯自旋軌道邏輯器件（圖1），并以此為新型器件單元，構建出可重構的存內邏輯電路，為低能耗、可大規模級聯的新型自旋計算器件的開發提供了全新的材料體系和可行的技術途徑。

圖1：范德華自旋軌道量子材料對稱讀寫的機制示意圖。自旋軌道量子材料由范德華鐵磁體（下層材料）和低對稱拓撲半金屬（上層材料）搭建而成，基于非正交電荷-自旋相互轉換機制，實現對稱的磁狀態寫入和讀取操作。綠色（黃色）長箭頭代表電荷流（自旋流）的方向，橘色箭頭代表磁矩的方向，藍色（紅色）箭頭代表向上（向下）極化的電子自旋。

　　相關研究成果以“Cascadable in-memory computing based on symmetric writing and readout”（基于對稱讀寫的可級聯存內計算）為題于2022年12月9日在線發表在著名學術期刊Science Advances《科學進展》上。我校物理學院博士生王利錚和熊俊林為論文共同第一作者，繆峰教授、梁世軍副教授與南京理工大學程斌教授為論文的共同通訊作者，南京大學物理學院張海軍教授與博士生王福毅為論文的理論合作者。南京大學物理學院王振林教授課題組在樣品的光學表征方面提供了幫助，中科院物理所石友國教授和博士生肖靜靜，以及美國Rutgers大學的Sang-Wook Cheong教授和博士生Xianghan Xu提供了實驗所需樣品。該工作得到了國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金重點/面上項目、中科院先導B項目、中央高?；究蒲袠I務費、以及固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等的支持。

　　在這項工作中，研究團隊首先利用二維材料異質結轉移技術人工搭建了具有垂直磁各向異性自旋軌道（perpendicular-anisotropy spin-orbit (PASO)）的人工量子材料WTe₂/Fe₃GeTe₂（圖2A和2B）。搭建的人工量子材料不僅保留了Fe₃GeTe₂垂直磁各向異性的特點，在不同溫度下表現出穩定的反?；魻栯娮瑁▓D2C），而且，該量子材料中的低對稱結構和強軌道自旋耦合效應通過共同作用，能夠誘導產生非正交電荷-自旋轉換效應，打破傳統高對稱材料中電荷流、自旋流、自旋極化三者必須正交的限制。利用這種全新的轉換機制，使得通過在PASO量子材料中施加橫向的電荷流，能夠在范德華界面處產生與自旋流平行的垂直自旋極化（圖1左），在無外磁場輔助下實現脈沖電流誘導的垂直磁矩翻轉（圖2D）。

圖2：器件結構和電流誘導的磁翻轉。（A）PASO器件示意圖，器件由范德華材料WTe₂和Fe₃GeTe₂組裝構成。電學輸運測試時，沿著x軸方向施加電流，在y軸方向探測霍爾電阻。插圖：WTe₂和Fe₃GeTe₂的晶格結構示意圖。（B）PASO器件的光學顯微鏡照片（黑色虛線：WTe₂；紅色虛線：Fe₃GeTe₂；比例尺：2μm）。（C）30K到200K溫度下的反?；魻栯娮?，反映垂直磁矩狀態。（D）溫度在120K時，在不同橫向磁場（沿著x軸方向）輔助下，脈沖電流誘導垂直磁矩的翻轉，紅色（藍色）曲線代表施加的脈沖電流由-x（x）方向逐漸變成x（-x）方向。

　　進一步，合作研究團隊利用上述非常規電荷-自旋轉換的逆效應，設計并實現了垂直磁矩的對稱讀取方案。研究團隊通過在PASO器件垂直方向施加電流的方法，使得電流中的電子與PASO器件的垂直磁矩發生交換作用，從而產生與電子運動方向平行的自旋極化。該具有共線特征的自旋流通過非正交的自旋-電荷轉換機制，轉換為平行于范德華界面的電荷流（圖1右），最終在開路的條件下以電壓的信號被探測到（如圖3A所示）。當器件磁矩方向翻轉時，注入電子的自旋極化方向同樣發生翻轉，這使得通過自旋-電荷轉換效應產生的電流方向發生相應改變，因此可以通過探測橫向電流信號實現對垂直磁矩狀態的讀取。該對稱讀取操作中的輸出電流可直接被用來驅動下一級器件單元中磁狀態的寫入操作，展現出器件的高度可級聯性，為進一步構建低能耗、可重構存內計算器件提供了物理基礎。

圖3：垂直磁矩的對稱性讀取。（A）上圖：對稱性讀取器件的示意圖，器件由范德華材料WTe₂和Fe₃GeTe₂組裝構成，橘色的箭頭代表Fe3GeTe2磁矩的方向。在實驗中，沿著垂直方向施加電流，通過利用WTe₂上的開路電壓信號表征非正交自旋-電荷轉換機制產生的橫向電流。下圖：對稱性讀取器件的光學顯微鏡圖（黑色虛線：WTe₂；紅色虛線：Fe₃GeTe₂；白色虛線：用來施加輸入電流的電極；比例尺：5μm）。（B-C）施加垂直向下（B）和垂直向上（C）的電流時，所測電阻（水平開路電壓除以垂直注入電流）和外加垂直磁場的關系，紅色（藍色）曲線代表外加磁場方向由垂直向下（向上）逐漸變成垂直向上（向下），表現出該器件對垂直磁矩讀取的能力。其中，橫向讀取電阻定義為橫向讀取電壓和施加電流的比值。插圖：垂直磁矩讀取機制的示意圖，黑色長箭頭代表施加電流的方向，橘色箭頭代表Fe₃GeTe₂磁矩的方向，藍色（紅色）箭頭代表向上（向下）極化的電子自旋。

　　利用PASO器件的對稱讀寫機制，合作研究團隊進一步設計了一種新型的可重構存內邏輯計算器件（圖4A和B）。如圖4A所示，該PASO邏輯器件具有三個獨立的電流信號輸入端（/A、/B和/control），通過非正交電荷-自旋轉換效應，輸入的脈沖電流/A和/B會在WTe₂中產生垂直的自旋極化，從而實現Fe3GeTe2磁狀態的寫入；而在施加電流信號/A、/B之前，通過施加控制端脈沖電流信號/control可以對初始磁狀態進行調控。研究團隊定義在/A、/B和/control中施加正的電流脈沖信號為輸入邏輯1，施加負的電流脈沖信號為輸入邏輯0；磁矩的狀態通過反?；魻栯娮璧拇笮泶_定，若為高阻態則被定義為輸出邏輯1，低阻態被定義為輸出邏輯0。通過改變輸入端/A、/B和控制端/control信號，在單一PASO器件中分別實現了與非（圖4C）、或非（圖4D）、非（圖4E）三種完備邏輯運算功能，以及這些邏輯功能的重構。將此存內邏輯器件作為基本構筑單元，合作研究團隊進一步提出了存內邏輯計算電路方案，并通過器件級聯實現了更復雜的半加器的存內邏輯計算功能（圖4F和G），展示了PASO器件實現任意復雜存內邏輯計算功能的潛力。該工作為開發超低功耗、可大規模集成的自旋計算器件提供了全新的思路，有望未來應用于高能效存內計算與類腦計算電路中。

圖4：基于對稱讀寫的可級聯存內邏輯計算器件與電路。（A）左圖：單一PASO邏輯器件示意圖，其具有三個獨立的電流輸入端（/A、/B和/control），用來實現磁狀態的寫入。右圖：PASO邏輯器件的示意簡圖。（B）PASO器件的邏輯功能表（與非、非、或非）。（C）與非邏輯功能展示。定義/A、/B和/control中施加向上（向下）的電流脈沖為輸入邏輯1（0），定義反?；魻栯娮杼幱诟撸ǖ停┳钁B時為輸出邏輯1（0）。（D）或非邏輯功能展示。（E）非邏輯功能展示。（F）基于四個PASO邏輯器件的半加器電路示意圖，每個器件單元的邏輯功能進行了標出。（G）半加器邏輯功能展示：兩個輸入邏輯均為1時的工作模式。左上圖：每個單元控制端不同時間的輸入狀態；右上圖：每個單元施加垂直電流（進行磁矩狀態的讀?。┑墓ぷ鳡顟B；左下圖：兩個輸入端/A、/B的工作狀態；右下圖：兩個最終輸出端的工作狀態。

　　論文鏈接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6833