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研究背景

磁性軌道存儲器（racetrack memory）是利用移動磁疇壁進行數(shù)據(jù)存儲的創(chuàng)新技術(shù)，因其在提高數(shù)據(jù)存儲密度和讀取速度方面的潛力而成為了研究熱點。近年來，隨著對磁性材料和自旋電子學的深入研究，磁性軌道存儲器在多位存儲和邏輯設備中顯示出了巨大的應用前景。然而，當前技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)高精度的磁疇壁動態(tài)控制和有效檢測，特別是在納米尺度下，傳統(tǒng)的光學檢測方法存在空間分辨率不足和成像盲區(qū)的問題。

成果簡介

有鑒于此，馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所Jae-Chun Jeon（第一作者），Stuart S. P. Parkin院士團隊等人在Science期刊上發(fā)表了題為“Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks”的最新論文。他們提出了一種基于多個反?；魻栃b置的新型磁性軌道存儲器。這種設計使得能夠在整個納米級磁性軌道上進行高精度、納米空間分辨的磁疇壁檢測。

研究表明，電學檢測方法可以實現(xiàn)優(yōu)于40納米的空間分辨率，并成功追蹤多個移動的磁疇壁。此外，該研究揭示了通過電學信號可視化磁疇壁的動態(tài)行為，為未來開發(fā)超越傳統(tǒng)二元數(shù)字技術(shù)的非傳統(tǒng)計算設備奠定了基礎。這一突破為磁性軌道存儲器的實用化提供了重要的理論和實驗依據(jù)，有望推動新一代計算設備的誕生。

Stuart Parkin教授是馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所所長，馬丁路德·哈勒威登堡大學的洪堡教授。他的研究領域包括用于先進傳感器、存儲器和邏輯器件的自旋電子學材料和器件，氧化物異質(zhì)結(jié)薄膜，拓撲材料，新奇超導材料和認知器件。他在自旋電子學方面的發(fā)現(xiàn)使得磁盤驅(qū)動器容量實現(xiàn)了1萬倍的提升。因為他的發(fā)現(xiàn)，Parkin教授在2014年獲得了芬蘭技術(shù)院頒發(fā)的千禧年技術(shù)獎。最近，由于在三種不同的自旋存儲器方面的研究，他還獲得了2021年費薩爾國王科學獎。Stuart S. P. Parkin教授是美國國家科學院院士（2008年）、美國國家工程院院士（2009年）、倫敦皇家學會院士（2000年）、英國皇家工程院院士（2019年）和德國國家科學院院士（2015年)。他獲得了一系列獎項，包括美國物理學會新材料國際獎（1994）、歐洲物理的固態(tài)物理杰出貢獻獎（1997）、IUPAP磁學獎和尼爾獎章（2009）、材料學會的馮·希佩爾獎（2012）、IOP天鵝獎章（2013）、洪堡教授國際研究獎（2014）、千禧年技術(shù)獎（2014）、ERC先進基金-SORBET（2015）、費薩爾國王科學獎（2021）和ERC先進基金-SUPERMINT（2022）。

研究亮點

(1) 實驗首次實現(xiàn)了在納米級磁性軌道中，通過電學方式跟蹤移動磁疇壁的動態(tài)，獲得了優(yōu)于40納米的空間分辨率。通過在軌道上布置多個反?；魻栃b置，能夠在沒有盲點的情況下檢測磁疇壁的位置。

(2) 實驗通過使用幾何設計的自旋霍爾層（鉑翼結(jié)構(gòu)）大幅擴展了霍爾條的檢測范圍，達到了傳統(tǒng)霍爾條長度的40倍。隨著鉑翼寬度的增加，磁疇壁的檢測范圍也相應增加，最大可以檢測到距離霍爾條約8微米遠的磁疇壁。

(3) 實驗還通過電學方式成功實現(xiàn)了對多個磁疇壁的時空動態(tài)跟蹤，不僅展示了磁疇壁運動的隨機性與可控性，還揭示了磁性軌道存儲器作為未來非傳統(tǒng)計算設備平臺的潛力。

(4) 這些發(fā)現(xiàn)表明，磁性軌道存儲器有望在未來的計算技術(shù)中應用，尤其是在超越二元數(shù)字技術(shù)的非傳統(tǒng)計算領域中，展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展前景。

圖文解讀

圖1. 電學檢測電流誘導的磁疇壁運動。

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圖2. 整個磁性軌道中磁疇壁速度的電學映射。

圖3. 從隨機到可控的磁疇壁運動的演變。

圖4. 在50納米寬的SAF磁性軌道器件中連續(xù)注入磁疇壁。

圖5. 多核注入的時空數(shù)據(jù)分類及分段信號。

結(jié)論展望

本文研究展示了高精度的電學檢測方法，空間分辨率超過40納米，顯著提高了對磁疇壁動態(tài)的觀察能力。這種技術(shù)的突破，不僅深化了我們對磁疇壁運動機制的理解，還有助于開發(fā)新一代存儲器和邏輯器件，這些器件能夠超越傳統(tǒng)的二元數(shù)字技術(shù)，推動計算機科學的進一步發(fā)展。

其次，本文強調(diào)了通過電氣信號實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)測量的潛力，使得多個磁疇壁的動態(tài)處理成為可能。這一方法為信息存儲和處理提供了新的思路，表明磁性軌道存儲器有望成為未來計算平臺的核心。最后，這項研究還啟示我們，結(jié)合新材料和先進技術(shù)的集成，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、靈活的計算方式，從而在量子計算、人工智能等領域開辟新的應用前景。因此，深入探索和開發(fā)類似技術(shù)，將為實現(xiàn)未來智能計算的愿景奠定基礎。

文獻信息

Jae-Chun Jeon et al. ,Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks.Science386,315-322(2024).

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/10/21/564c9a1abb/

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