清華新聞網(wǎng)12月1日電 利用電子自旋作為信息載體的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM），在速度、耐久性、功耗等方面具有不可替代的優(yōu)越性，被認(rèn)為是最有前景的新型存儲(chǔ)器之一。由于其兼具高速緩存的快速讀寫(xiě)和外部存儲(chǔ)的非易失性，有望通過(guò)“非馮諾依曼”的存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)，解決制約計(jì)算系統(tǒng)性能的“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題?？梢?jiàn)，“信息的高速非易失性寫(xiě)入”是新型存儲(chǔ)器所追求的目標(biāo)之一，也是未來(lái)存算一體技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，如何探索MRAM的信息寫(xiě)入速度極限，解析高速存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，闡明其動(dòng)力學(xué)機(jī)制，是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)信息國(guó)家研究中心聯(lián)合德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，在磁存儲(chǔ)器件的超快自旋動(dòng)力學(xué)探測(cè)方面取得突破。研究團(tuán)隊(duì)采用時(shí)間分辨的磁光克爾探測(cè)技術(shù)，結(jié)合空間分辨的微磁學(xué)模擬，首次報(bào)道了自旋軌道矩（SOT）磁存儲(chǔ)器件在百皮秒時(shí)間尺度下的信息寫(xiě)入過(guò)程和自旋動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)了器件超快的多值存儲(chǔ)和交換偏置調(diào)控。該成果對(duì)于推動(dòng)高速磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的發(fā)展，以及其在存算一體、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算方面的應(yīng)用具有重要意義。
圖1.超快磁光克爾測(cè)試系統(tǒng)及器件結(jié)構(gòu)示意圖（上），時(shí)間分辨的多值磁化狀態(tài)寫(xiě)入過(guò)程（下）
為攻克自旋器件在極限寫(xiě)入速度時(shí)難以探測(cè)自旋狀態(tài)的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出采用超快光電協(xié)同的磁動(dòng)力學(xué)探測(cè)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了高速協(xié)同的光-電-磁耦合測(cè)試系統(tǒng)，突破了超快時(shí)空分辨的“電學(xué)泵浦+光學(xué)探測(cè)”的核心技術(shù)。采用數(shù)百皮秒脈沖電流對(duì)SOT器件進(jìn)行信息寫(xiě)入，同時(shí)利用時(shí)間和空間分辨的微區(qū)磁光克爾效應(yīng)，探測(cè)器件“0”和“1”之間的磁矩狀態(tài)在100ps時(shí)間分辨率下的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，相較于傳統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)的電學(xué)探測(cè)時(shí)間（μs）提升了4個(gè)數(shù)量級(jí)。
研究表明，通過(guò)在SOT器件中引入“鐵磁/反鐵磁”交換偏置結(jié)構(gòu)，不僅可以利用其有效交換偏置場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)需外磁場(chǎng)的信息寫(xiě)入操作，還能夠克服熱穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，提升信息寫(xiě)入速度。得益于反鐵磁界面的多疇磁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了器件的多值存儲(chǔ)，并可以通過(guò)外磁場(chǎng)、電流脈沖寬度、脈沖電流大小等靈活調(diào)控。更重要的是，這種多值存儲(chǔ)過(guò)程可以在百皮秒到納秒的時(shí)間尺度完成，并在電學(xué)脈沖撤掉之后穩(wěn)定保持，克服了以往器件由于熱效應(yīng)帶來(lái)的弛豫現(xiàn)象。同時(shí)，該研究首次證明，界面交換偏置磁結(jié)構(gòu)也可以被1ns的電流脈沖高速翻轉(zhuǎn)，為高熱穩(wěn)定的反鐵磁MRAM器件的應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
此外，具有可解釋性的自旋動(dòng)力學(xué)是磁存儲(chǔ)器件的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。研究工作進(jìn)一步通過(guò)空間分辨的微磁學(xué)模擬計(jì)算，解析了SOT器件中鐵磁/反鐵磁界面的磁疇演化過(guò)程，在納米微區(qū)尺度證實(shí)了鐵磁和反鐵磁磁疇的超快協(xié)同翻轉(zhuǎn)。未來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)基于新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理的反鐵磁SOT-MRAM器件，有望進(jìn)一步提升器件寫(xiě)入速度并降低功耗，推動(dòng)MRAM在神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算、存算一體等領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖2.1ns脈沖電流驅(qū)動(dòng)的交換偏置場(chǎng)變化（上），時(shí)間與空間分辨的磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程的微磁學(xué)模擬計(jì)算（下）
相關(guān)研究成果近日以“自旋軌道矩調(diào)控磁矩和交換偏置翻轉(zhuǎn)的時(shí)間分辨探測(cè)”（Time-resolved detection of spin–orbit torque switching of magnetization and exchange bias）為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·電子》（Nature Electronics）上。
清華大學(xué)信息國(guó)家研究中心副研究員、德國(guó)洪堡學(xué)者王鈺言為論文共同第一作者和通訊作者，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)克里斯蒂安·貝克（Christian Back）教授為共同通訊作者。論文作者還包括清華大學(xué)戴瓊海院士、吳華強(qiáng)教授、宋成教授等。研究工作得到德國(guó)洪堡基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、德國(guó)科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00870-3
供稿：信息國(guó)家研究中心
編輯：李華山
審核：郭玲
