A*STAR团队实现单个斯格明子的全电读取和调控，为类脑计算带来机遇

在自旋电子学的研究中，对于磁性隧道结（MTJ，magnetic tunnel junction）研究，有效推动了现代半导体非易失存储器件的发展，比如磁硬盘及磁性随机存储器。

近年来，为进一步实现磁性隧道结的功耗降低和扩展应用，一个被认可的策略是利用自旋轨道力矩效应，实现结构磁性的调控。

除此之外，另一个策略是探索使用新的磁性材料和机制，例如使用手性磁性斯格明子（SK，skyrmions）结构。

磁性斯格明子，是在磁性多层薄膜中形成的纳米级自旋纹理。其所存在的拓扑结构，会导致独特的动态特性。

此前研究表明：可以通过利用电学手段，来调控斯格明子结构的移动、产生及消除。

然而，利用磁性隧道结器件实现单个斯格明子结构的全电读取和调控，一直是一个待解之题。

而实现室温可读可控的斯格明子-磁性隧道结器件，既能进一步推进磁性随机存储器的发展，将斯格明子-磁性隧道结与斯格明子纳米线器件加以结合亦将为非布尔逻辑和非常规计算的发展奠定基石。

在近期一项工作中，新加坡科技研究局 (Agency for Science，Technology and Research, A*STAR,）及新加坡国立大学（National University of Singapore, NUS）的科研人员，利用上钉扎的斯格明子-磁性隧道结器件，实现了单个斯格明子的全电读取和调控。

（来源：Nature）

通过利用磁力显微镜技术和微磁理论模拟手段，他们详细阐释了斯格明子结构在斯格明子-磁性隧道结中的翻转过程及机理。

特别地，本次工作发现相比传统磁性隧道结器件，斯格明子-磁性隧道结所需的电学调控能量密度能降低将近 1000 倍。

日前，相关论文以《全电斯格明子磁性隧道结》（All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction）为题发在 Nature[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

A*STAR 的高级科学家陈绍海、詹姆斯·卢伦班（Jame Lourembam ）和何彬 （Ho Pin） 是共同一作，A*STAR 的安扬·索米亚纳拉纳兰（Anjan Soumyanarayanan）教授担任通讯作者。

图 | 陈绍海（来源：陈绍海）

在同期 Nature 的《新闻与观点》刊目，香港科技大学邵启明教授为本次论文撰写了题为《磁性漩涡提供更好的数据存储》（Magnetic whirlpools offer improved data storage）的评述文章[2]。

除对本次成果进行介绍说明之外，其亦指出：斯格明子磁隧道结的实现，不仅是凝聚态物理领域期待已久的成就，还可以为类脑计算带来机遇。

特别是，磁隧道结和斯格明子都可以在人工神经网络中扮演突触和神经元的角色。

因此，将这两种计算元素结合起来，对非常规计算的未来发展具有令人兴奋的影响。

在应用前景上：

其一，本次工作所实现的斯格明子-磁性隧道结，可用于下一代低能耗多记录位磁性随机储存的研发。

其二，斯格明-磁性隧道结可应用于非布尔逻辑和非常规计算器件。

据介绍，本次工作的一个关键优势在于利用电压调控磁各向异性效应引入一个等效磁场，进而实现了在斯格明子-磁性隧道结中全电写入与消除斯格明子结构。

该研究的后续计划是将斯格明子-磁性隧道结用于斯格明子纳米线器件，为斯格明子赛道磁存储器件、以及斯格明子逻辑器件-斯格明子的全电读取提供有效探索。

参考资料：

1.Chen, S., Lourembam, J., Ho, P.et al. All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction. Nature 627, 522–527 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07131-7

2.Nature627, 494-495 (2024), DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-024-00576-w

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