面向上述挑战,近日,南京大学物理学院缪峰教授、梁世军副教授与南京理工大学程斌教授合作团队另辟蹊径,将范德华铁磁体和拓扑半金属以“原子乐高”的方式搭建出新型范德华自旋轨道量子材料,利用低对称性和强自旋轨道耦合效应所诱导的非正交电荷-自旋转换机制,首次构筑了具有对称读写功能的可级联自旋轨道逻辑器件(图1),并以此为新型器件单元,构建出可重构的存内逻辑电路,为低能耗、可大规模级联的新型自旋计算器件的开发提供了全新的材料体系和可行的技术途径。
相关研究成果以“Cascadable in-memory computing based on symmetric writing and readout”(基于对称读写的可级联存内计算)为题于2022年12月9日在线发表在著名学术期刊Science Advances《科学进展》上。我校物理学院博士生王利铮和熊俊林为论文共同第一作者,缪峰教授、梁世军副教授与南京理工大学程斌教授为论文的共同通讯作者,南京大学物理学院张海军教授与博士生王福毅为论文的理论合作者。南京大学物理学院王振林教授课题组在样品的光学表征方面提供了帮助,中科院物理所石友国教授和博士生肖静静,以及美国Rutgers大学的Sang-Wook Cheong教授和博士生Xianghan Xu提供了实验所需样品。该工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重点/面上项目、中科院先导B项目、中央高校基本科研业务费、以及固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。
在这项工作中,研究团队首先利用二维材料异质结转移技术人工搭建了具有垂直磁各向异性自旋轨道(perpendicular-anisotropy spin-orbit (PASO))的人工量子材料WTe2/Fe3GeTe2(图2A和2B)。搭建的人工量子材料不仅保留了Fe3GeTe2垂直磁各向异性的特点,在不同温度下表现出稳定的反常霍尔电阻(图2C),而且,该量子材料中的低对称结构和强轨道自旋耦合效应通过共同作用,能够诱导产生非正交电荷-自旋转换效应,打破传统高对称材料中电荷流、自旋流、自旋极化三者必须正交的限制。利用这种全新的转换机制,使得通过在PASO量子材料中施加横向的电荷流,能够在范德华界面处产生与自旋流平行的垂直自旋极化(图1左),在无外磁场辅助下实现脉冲电流诱导的垂直磁矩翻转(图2D)。
进一步,合作研究团队利用上述非常规电荷-自旋转换的逆效应,设计并实现了垂直磁矩的对称读取方案。研究团队通过在PASO器件垂直方向施加电流的方法,使得电流中的电子与PASO器件的垂直磁矩发生交换作用,从而产生与电子运动方向平行的自旋极化。该具有共线特征的自旋流通过非正交的自旋-电荷转换机制,转换为平行于范德华界面的电荷流(图1右),最终在开路的条件下以电压的信号被探测到(如图3A所示)。当器件磁矩方向翻转时,注入电子的自旋极化方向同样发生翻转,这使得通过自旋-电荷转换效应产生的电流方向发生相应改变,因此可以通过探测横向电流信号实现对垂直磁矩状态的读取。该对称读取操作中的输出电流可直接被用来驱动下一级器件单元中磁状态的写入操作,展现出器件的高度可级联性,为进一步构建低能耗、可重构存内计算器件提供了物理基础。
利用PASO器件的对称读写机制,合作研究团队进一步设计了一种新型的可重构存内逻辑计算器件(图4A和B)。如图4A所示,该PASO逻辑器件具有三个独立的电流信号输入端(/A、/B和/control),通过非正交电荷-自旋转换效应,输入的脉冲电流/A和/B会在WTe2中产生垂直的自旋极化,从而实现Fe3GeTe2磁状态的写入;而在施加电流信号/A、/B之前,通过施加控制端脉冲电流信号/control可以对初始磁状态进行调控。研究团队定义在/A、/B和/control中施加正的电流脉冲信号为输入逻辑1,施加负的电流脉冲信号为输入逻辑0;磁矩的状态通过反常霍尔电阻的大小来确定,若为高阻态则被定义为输出逻辑1,低阻态被定义为输出逻辑0。通过改变输入端/A、/B和控制端/control信号,在单一PASO器件中分别实现了与非(图4C)、或非(图4D)、非(图4E)三种完备逻辑运算功能,以及这些逻辑功能的重构。将此存内逻辑器件作为基本构筑单元,合作研究团队进一步提出了存内逻辑计算电路方案,并通过器件级联实现了更复杂的半加器的存内逻辑计算功能(图4F和G),展示了PASO器件实现任意复杂存内逻辑计算功能的潜力。该工作为开发超低功耗、可大规模集成的自旋计算器件提供了全新的思路,有望未来应用于高能效存内计算与类脑计算电路中。
论文链接:http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6833