自旋存儲技術(shù)：從大容量硬盤到高性能磁存儲器

|作 者：王璐丁1,2　魏家琦1,2,?　林曉陽1,2,??

(1 杭州市北京航空航天大學國際創(chuàng)新研究院（北京航空航天大學國際創(chuàng)新學院） 自旋芯片與技術(shù)全國重點實驗室）

(2 北京航空航天大學集成電路科學與工程學院)

本文選自《物理》2025年第12期

摘要自旋電子學器件以電子自旋為信息載體，具有非易失性、低功耗和高可靠性等優(yōu)勢，成為后摩爾時代新興芯片技術(shù)的典型代表。文章系統(tǒng)概述了自旋存儲技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)與最新進展。首先從大容量硬盤存儲出發(fā)，介紹了以自旋轉(zhuǎn)移矩和自旋軌道矩為代表的高性能磁存儲器。之后圍繞“磁—光—電”交叉融合，面向新一代超快自旋存儲器研制，論述了基于全光磁寫入機制的磁存儲器在速度及功耗方面的獨特優(yōu)勢。展望未來，自旋存儲將進一步賦能后摩爾時代芯片技術(shù)的快速演進，為“存算一體”等全新架構(gòu)提供引領(lǐng)和支撐。

關(guān)鍵詞自旋電子學，自旋芯片，大容量磁存儲，磁隨機存儲器，磁—光—電融合技術(shù)

01

引 言

過去五十年來，半導體芯片在“摩爾定律”驅(qū)動下實現(xiàn)了持續(xù)快速發(fā)展。圍繞提升性能、降低尺寸等核心目標，半導體存儲引領(lǐng)了電子信息技術(shù)邁向大數(shù)據(jù)、人工智能時代。然而，隨著半導體工藝節(jié)點持續(xù)微縮進入亞納米量級，靜態(tài)漏電流效應(yīng)導致芯片出現(xiàn)嚴重的靜態(tài)功耗瓶頸。存儲技術(shù)的進一步發(fā)展不再能單純通過微縮晶體管尺寸來實現(xiàn)，摩爾定律正面臨失效的困境[1，2]。

作為后摩爾時代新興芯片技術(shù)的典型代表，自旋電子學(spintronics)是凝聚態(tài)物理、磁學和微電子學等領(lǐng)域的交叉方向，被廣泛認為是發(fā)展新型非易失、低功耗信息器件的前沿引領(lǐng)技術(shù)[1—4]。相比于傳統(tǒng)的半導體技術(shù)，自旋電子學通過操控電子的本征屬性“自旋”來實現(xiàn)信息的存儲、計算及傳感。它具有三方面的核心特征(圖1)：第一，通過調(diào)控自旋狀態(tài)，實現(xiàn)無供能情況下的非易失存儲；第二，基于磁電阻效應(yīng)，如巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance, GMR)、隧穿磁電阻效應(yīng)(tunneling magnetoresistance, TMR)等，可實現(xiàn)高可靠信息讀出[4]；第三，自旋狀態(tài)可由自旋極化電流[5—7]、飛秒激光[8—10]等手段調(diào)控，從而可實現(xiàn)高速率、低功耗的信息寫入。此外，自旋器件工藝與當前硅基CMOS工藝高度兼容[1，2]，為高密度集成與片上系統(tǒng)化應(yīng)用，提供了堅實支撐。

圖1　自旋電子學以電子自旋為信息載體，具有非易失信息存儲、高可靠信息讀出、超快低功耗信息寫入等核心特征，是后摩爾時代新興芯片技術(shù)的典型代表[3—6，8—12]

自旋存儲技術(shù)(詳見Box)肇始之初，首先應(yīng)用于大容量硬盤系統(tǒng)，推動硬盤容量在過去三十年間提升了10萬倍以上[11，12]，并與半導體晶體管等技術(shù)共同引領(lǐng)人類社會邁向大數(shù)據(jù)智能時代。法國科學院A. Fert教授與德國于利希研究中心P.Grünberg教授由于在自旋存儲技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻，獲得2008年諾貝爾物理學獎[4，11]。進入21世紀，自旋存儲進一步與集成電路科學交叉融合，發(fā)展出磁隨機存儲器(magnetic random access memory, MRAM)技術(shù)[12—16]。作為非易失型通用存儲器，MRAM具有一系列獨特性能，包括納秒級訪問速度、近于無限的可擦除壽命以及高可微縮性等。目前，MRAM已應(yīng)用在航空航天、消費電子領(lǐng)域，如大型客機、智能手表等，成為后摩爾時代磁存儲器關(guān)鍵核心技術(shù)之一，并具有顛覆主流“馮·諾依曼”存算范式的巨大技術(shù)潛力[6]。

過去30年間，圍繞磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction, MTJ)器件結(jié)構(gòu)與寫入機制的持續(xù)優(yōu)化，自旋存儲技術(shù)取得了多輪關(guān)鍵進展[17，18]。在器件結(jié)構(gòu)方面，以CoFeB/MgO為代表的垂直磁各向異性材料[19，20]，因其較高隧穿磁電阻等方面的特性，成為重要的MRAM芯片功能材料。近年來，研究者通過單原子層插層等納米工程手段[21，22]，大幅提升了器件隧穿磁電阻等關(guān)鍵性能。此外，反鐵磁材料體系[23—26]因其零凈磁矩、太赫茲級響應(yīng)與抗外磁場干擾等優(yōu)點，得到學術(shù)界的廣泛關(guān)注[27，28]；與此同時，基于斯格明子拓撲結(jié)構(gòu)及二維材料的MTJ器件[15，29—31]，也為探索自旋芯片“存算一體”新架構(gòu)，提供了新的可能路徑[32—34]。

Box

自旋存儲技術(shù)

自旋電子學是一門利用電子自旋來處理和存儲信息的新興學科。其興起可以追溯到1988年法國和德國科學家發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，這一成果很快應(yīng)用于硬盤讀寫磁頭，使硬盤容量百倍提升，并于2007年獲得諾貝爾物理學獎。1995年，人們又在磁性隧穿結(jié)中發(fā)現(xiàn)了隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)，即兩層磁性薄膜夾著一層極薄絕緣層時，電阻會隨磁化方向的平行或反平行而顯著不同。這一效應(yīng)使得存儲器可以通過電阻差來穩(wěn)定區(qū)分二進制“0”和“1”，成為現(xiàn)代自旋存儲器的物理基礎(chǔ)。

在實現(xiàn)可靠讀出的基礎(chǔ)上，如何高效寫入成為關(guān)鍵問題。20世紀初提出的自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)機制為這一難題提供了突破：當極化電流通過自由磁層時，電子自旋會把角動量轉(zhuǎn)移給磁體，從而驅(qū)動磁化翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)信息寫入?；赟TT技術(shù)構(gòu)造的磁隨機存儲器(STT-MRAM)具有非易失性、速度快等優(yōu)點，已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化，但其不足在于需要較高的電流密度，導致功耗較大。

隨后發(fā)展起來的自旋軌道矩(SOT)機制則進一步提升了性能。在重金屬與磁性層的界面，電流通過自旋霍爾效應(yīng)等途徑可以產(chǎn)生橫向自旋流，由自旋流再對磁體施加轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)。與STT相比，SOT寫入速度更快、能耗更低，同時讀寫通道相互獨立，可靠性更高，被普遍認為是下一代高性能磁隨機存儲器的核心方案。

總體來看，TMR提供了穩(wěn)定可靠的讀出機制，STT和SOT分別代表了兩代寫入技術(shù)路線。三者共同構(gòu)成了自旋存儲技術(shù)的核心框架，使其在后摩爾時代成為新型存儲與計算體系的重要候選。

在自旋磁存儲器寫入機理方面，早期的MRAM通過外磁場來實現(xiàn)信息寫入。通過在芯片上布置“寫”線，利用線電流產(chǎn)生的磁場翻轉(zhuǎn)MTJ自由層的磁化方向，從而實現(xiàn)二進制“0/1”的寫入。然而，該方法需要較高電流驅(qū)動，導致能耗較大。第二代MRAM技術(shù)則利用基于自旋極化電流的全電學方案來實現(xiàn)磁比特的翻轉(zhuǎn)。特別是以自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque, STT)和自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機制為代表的MRAM，在讀寫速度、功耗及器件尺寸等方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，并有望在嵌入式存儲和邊緣智能系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。然而，自旋存儲器的寫入機制長期受限于自旋的進動過程，寫入速度局限在納秒量級并伴有相對較大的能耗。因此，如何從根本上突破自旋存儲技術(shù)的速度瓶頸，實現(xiàn)自旋信息的超快寫入(圖2)，成為當前本領(lǐng)域?qū)W者重點關(guān)注的一項關(guān)鍵科學問題。

圖2 基于超快光學與自旋電子學的交叉研究，全光磁寫入機制為“磁—光—電”協(xié)同存儲奠定了物理基礎(chǔ)。圖中，透明方框表示磁性存儲單元，數(shù)字“0/1”為其邏輯狀態(tài)；藍色箭頭指示單元內(nèi)的磁化(自旋)方向。紅色錐形光束為飛秒激光脈沖，選擇性作用于目標單元并觸發(fā)磁化翻轉(zhuǎn)，使其由“1”寫為“0”，可實現(xiàn)皮秒級速度的自旋信息寫入，并具備100 fJ/bit的超低能耗[37—39]

最近，伴隨著超快光學技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光成為人類目前已商用的最快激勵源。1996年，法國科學家首次觀察到飛秒激光誘導鐵磁材料發(fā)生的超快退磁過程[35]，時間尺度遠快于傳統(tǒng)的自旋軌道或電子—聲子相互作用，為自旋電子學和超快光學搭建了一座橋梁[8—10]。更振奮人心的是，2007年，荷蘭奈梅亨大學的研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)[36]，特定亞鐵磁材料中磁矩可在單個飛秒脈沖作用下實現(xiàn)決定性翻轉(zhuǎn)(圖3)，響應(yīng)速度可達皮秒級。這一效應(yīng)被稱為全光磁化翻轉(zhuǎn)(all-optical switching，AOS)。AOS一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即引發(fā)了自旋電子學與超快光學領(lǐng)域的高度關(guān)注?；凇按拧狻姟苯徊嫒诤系淖孕怆娮訁f(xié)同存儲概念——AOS-MRAM應(yīng)運而生[32]，其概念示意圖見圖2。AOS機制理論上可實現(xiàn)10 ps級超快寫入速度，并具有100 fJ/bit超低寫入能耗[37—39]。本文將在第四部分對AOS-MRAM相關(guān)研究進展進行系統(tǒng)介紹。

圖3　飛秒激光誘導的全光磁化翻轉(zhuǎn)(AOS)效應(yīng) (a)在克爾顯微圖像中，分別以右/左圓偏振(

從科學研究及工程應(yīng)用的視角出發(fā)，當前自旋存儲技術(shù)已形成兩個發(fā)展方向：一是面向硬盤等大容量磁存儲系統(tǒng)，聚焦磁介質(zhì)及讀/寫頭的構(gòu)筑開發(fā)，實現(xiàn)存儲密度與穩(wěn)定性的持續(xù)提升；二是圍繞新一代MRAM高性能磁存儲芯片，重點關(guān)注自旋納米體系、調(diào)控機制及集成工藝，持續(xù)賦能后摩爾時代高速、低能耗芯片架構(gòu)。

02

大容量磁存儲的技術(shù)革新

大容量磁存儲是現(xiàn)代信息社會的重要支柱。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的廣泛應(yīng)用，海量數(shù)據(jù)的高效存儲與快速訪問已成為智能信息的核心需求。憑借較高的存儲密度和較低的靜態(tài)能耗，大容量磁存儲成為海量數(shù)據(jù)存儲的重要支撐，并逐漸發(fā)展為未來智能算力基礎(chǔ)設(shè)施體系的主力模塊[34]。

從技術(shù)演進路徑來看，大容量磁存儲的發(fā)展大致可分為兩個階段。早期以提升存儲密度與讀取可靠性為主要目標，重點集中在磁電阻讀頭與存儲介質(zhì)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。其中，MTJ讀頭的引入被認為是關(guān)鍵節(jié)點之一[40]。相較于基于電子散射效應(yīng)的GMR機制，基于量子隧穿效應(yīng)的MTJ讀頭可實現(xiàn)超過200%的磁電阻[21，41]，在提高數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定性的同時，進一步推動了高密度存儲的發(fā)展。

在存儲介質(zhì)方面，傳統(tǒng)的連續(xù)磁介質(zhì)已難以滿足更高密度的數(shù)據(jù)存儲需求。為此，點陣化磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)技術(shù)[42]通過將介質(zhì)劃分成高密度的納米“磁島”并各自對應(yīng)獨立的存儲單元，有效提升了記錄密度，被認為是實現(xiàn)10 Tb/in2級超高容量硬盤的潛在路徑之一。

近二十年來，為突破傳統(tǒng)磁寫入在尺寸微縮與能耗控制方面的瓶頸，研究重心逐步轉(zhuǎn)向?qū)懭霗C制方面的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)方案中，為了彌補比特尺寸減小所導致的介質(zhì)熱穩(wěn)定性下降問題，往往需要提高存儲介質(zhì)的磁各向異性，從而抬高能量勢壘，導致寫入能耗上升、錯誤率增加。為解決上述問題，能量輔助磁記錄技術(shù)應(yīng)運而生[42—46]，主要包括基于激光加熱的熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording，HAMR)及微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording，MAMR)兩條技術(shù)路徑，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　激光熱輔助磁記錄(HAMR)與微波輔助磁記錄(MAMR)的結(jié)構(gòu)示意圖[51]

具體來說，HAMR技術(shù)通過激光在寫入瞬間對磁介質(zhì)進行局部加熱，暫時降低其矯頑力，同時借助外加磁場完成數(shù)據(jù)寫入[47，48]。該過程涉及多物理場協(xié)同，包括近場光學設(shè)計[49，50]、熱擴散速率控制、磁場與激光脈沖同步性控制等，系統(tǒng)集成難度較高。目前，Seagate公司已基于該技術(shù)推出容量達30 TB級的商用硬盤[51]，代表了現(xiàn)階段磁記錄技術(shù)可量產(chǎn)的高端路徑。MAMR技術(shù)則依賴寫入頭中集成的自旋振蕩器(通常以MTJ為核心)產(chǎn)生微波磁場，激發(fā)介質(zhì)處于磁共振狀態(tài)[39，40]，誘導磁矩進入亞穩(wěn)態(tài)，從而有效降低翻轉(zhuǎn)能壘。該方法無需顯著加熱過程，具備能耗低、結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)勢，然而，MTJ結(jié)構(gòu)所能產(chǎn)生的微波磁場強度有限，仍是影響MAMR寫入性能的關(guān)鍵瓶頸。當前，東芝已將MAMR技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)級硬盤產(chǎn)品，主要面向低功耗、高密度數(shù)據(jù)冷存儲等場景。

從速度與功耗維度看，HAMR技術(shù)雖在存儲密度上取得了顯著突破，但熱輔助寫入需要激光加熱與冷卻過程，帶來了額外的熱管理與效率問題，整體訪問延遲仍維持在毫秒級別，單比特寫入能耗通常處于納焦耳以上，因此在高速場景中表現(xiàn)受限。相比之下，MAMR通過在寫入頭中引入微波場以降低介質(zhì)能壘，在能耗方面優(yōu)于HAMR，但其實際寫入速度與系統(tǒng)延遲仍受到自旋振蕩器輸出功率、定位精度及結(jié)構(gòu)復雜性的制約。

在前沿研究方面，基于“磁—光—電”耦合機制的AOS磁存儲，被視為繼HAMR技術(shù)之后的又一潛在突破路徑[8—10]。不同于依賴磁場或外部能量輔助的傳統(tǒng)寫入方式，AOS利用超快激光脈沖直接誘導磁性材料中的晶格間相互作用，無需外加磁場即可實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)，具備10 ps響應(yīng)速度與極低能耗的物理優(yōu)勢。已有研究表明[52—55]，稀土—過渡金屬合金體系可實現(xiàn)AOS驅(qū)動下的穩(wěn)定磁性翻轉(zhuǎn)，特別是對矯頑力高達數(shù)特斯拉的Tb基材料，可實現(xiàn)百萬次以上的低功耗寫入[56—59]。

盡管如此，基于“磁—光—電”融合的大容量磁存儲仍面臨多項挑戰(zhàn)，包括高矯頑力存儲介質(zhì)的熱穩(wěn)定性調(diào)控、飛秒激光模塊的微納集成難度，以及磁光耦合結(jié)構(gòu)的精密設(shè)計要求等。隨著相關(guān)技術(shù)瓶頸的逐步突破，AOS有望發(fā)展為同時滿足高速度、高密度與低能耗的全光磁存儲技術(shù)，為未來冷數(shù)據(jù)存儲與智能算力基礎(chǔ)設(shè)施提供有力支撐。

從總體趨勢來看，大容量磁存儲技術(shù)正由依靠單一物理機制的迭代優(yōu)化，轉(zhuǎn)向多物理場的融合作用及器件結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計。其中，寫入機制的持續(xù)革新、存儲介質(zhì)的微結(jié)構(gòu)化處理，以及“磁—光—電”跨領(lǐng)域集成，正在共同推動其朝著更高速度、更高密度與更低能耗的方向發(fā)展，并逐步構(gòu)建起一套面向復雜應(yīng)用需求的系統(tǒng)化演進路徑[2，8，18]。

03

自旋芯片：高性能磁性存儲芯片技術(shù)

作為后摩爾時代芯片技術(shù)的重要發(fā)展方向，自旋芯片以電子自旋為信息載體，在構(gòu)建非馮·諾依曼“存算一體”架構(gòu)方面展現(xiàn)出巨大潛力。其中，磁性隨機存取存儲器(MRAM)作為自旋電子學與集成電路深度融合的代表路徑，已成為當前高性能存儲技術(shù)的研究熱點[1—6]。相較于以電荷為信息載體的傳統(tǒng)半導體芯片，自旋芯片利用電子的自旋自由度，突破了由電荷輸運帶來的能耗和性能瓶頸，有效支撐了低功耗、非易失的數(shù)據(jù)存儲需求。

MRAM芯片技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段[3](圖5)。其中，第一代自旋MRAM以磁場寫入機制為核心，通過外加磁場調(diào)控自由層磁矩的方向?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。該技術(shù)的器件結(jié)構(gòu)相對簡單，工藝路徑成熟，典型寫入速度約為35 ns，能耗在100 pJ/bit左右。然而，磁場寫入機制難以隨器件尺寸同步微縮，限制了存儲密度的進一步提升。此外，寫入過程功耗較高，響應(yīng)延遲顯著，難以滿足當前智能計算系統(tǒng)對芯片性能的核心要求。

圖5 MRAM技術(shù)演變歷程[3]：從磁場驅(qū)動向自旋軌道矩(SOT)與磁電自旋軌道(MESO)架構(gòu)演進，在寫入速度及功耗性能方面取得跨越式提升

第二代自旋MRAM采用自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque, STT)機制，顯著提升了寫入效率與器件集成度。STT-MRAM通過在磁性多層結(jié)構(gòu)中注入極化電流，利用電子自旋角動量直接作用于自由層磁矩，從而在無外加磁場條件下實現(xiàn)全電學寫入[11—14]，如圖6所示。STT-MRAM相比前代技術(shù)顯著提升了寫入效率與器件集成度，典型寫入能耗已降至5—10 pJ/bit，寫入速度小于5 ns，且具備良好的CMOS工藝兼容性。當前，基于STT機制的MRAM芯片已進入產(chǎn)業(yè)化階段，在航空航天、國防電子與消費電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，由于高速寫入時所需的電流密度較高(通常超過106 A/cm2)，仍存在功耗與可靠性方面的技術(shù)瓶頸，制約了它在高性能通用計算平臺中的進一步拓展。

圖6　自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)寫入機理示意圖：基于自旋極化電流實現(xiàn)MRAM的全電學寫入

為進一步提升自旋存儲器的性能，學術(shù)界提出了基于自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機制的第三代MRAM芯片架構(gòu)。與STT通過垂直電流注入實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)移矩不同，SOT-MRAM通過在重金屬/鐵磁異質(zhì)結(jié)中激發(fā)自旋霍爾效應(yīng)或界面上的Rashba效應(yīng)，生成橫向自旋流以驅(qū)動自由層磁矩翻轉(zhuǎn)。SOT結(jié)構(gòu)將寫入路徑與讀出路徑物理隔離，有效避免了傳統(tǒng)STT-MRAM中“讀寫干擾”問題，在架構(gòu)可控性與可靠性方面具備明顯優(yōu)勢[3，16—18]。實驗數(shù)據(jù)顯示，SOT-MRAM的寫入速度可達10—50 ps，寫入能耗下降至亞pJ/bit水平，速度及功耗等性能指標較STT架構(gòu)提升一個數(shù)量級以上，并展現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用前景(圖7)，已成為當前學術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)布局的熱點方向。

圖7 MRAM的應(yīng)用前景示意圖，有望在嵌入式存儲、邊緣智能系統(tǒng)、內(nèi)存替代及存內(nèi)計算等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用

目前，我國在第三代自旋芯片SOT-MRAM的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化方面取得了階段性進展。北京航空航天大學建成了國內(nèi)首個8英寸自旋芯片公共研發(fā)平臺，其國產(chǎn)自研設(shè)備比例已超過50%。在此基礎(chǔ)上，北航聯(lián)合致真存儲公司成功研制出全球容量最大的128 Kb SOT-MRAM芯片，具備低功耗、高可靠性等性能優(yōu)勢，初步驗證了SOT技術(shù)路線在工程實現(xiàn)與應(yīng)用拓展方面的可行性[60]。與臺積電、英特爾等國際領(lǐng)先研究單位相比，國產(chǎn)SOT-MRAM芯片[60—62]在核心性能指標上已具備一定競爭優(yōu)勢，為推動我國自旋芯片產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控奠定了堅實基礎(chǔ)。

在器件結(jié)構(gòu)演進方面，基于反鐵磁材料的磁存儲器(antiferromagnetic RAM, ARAM)為自旋芯片的進一步微縮與性能提升提供了新的物理支撐路徑[23—26]。反鐵磁材料由于具有宏觀零磁矩特性，天然具備抗外部磁場干擾的能力，且可有效抑制鄰近單元間的磁耦合，適用于高密度磁存儲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。此外，其自旋動力學響應(yīng)頻率可達太赫茲(THz)量級，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鐵磁材料，為提升寫入速度提供了物理基礎(chǔ)。近期，北京航空航天大學聯(lián)合致真存儲與青島海存微電子公司，依托既有工藝平臺成功研制出全球首款反鐵磁存儲器ARAM，存儲容量達128 Kb，具備抗3 T磁場干擾能力，并在器件尺寸、功耗等關(guān)鍵指標上取得一定進展[62]。

面向未來，在SOT機制及反鐵磁材料取得顯著突破的基礎(chǔ)上，學術(shù)界進一步提出了新型磁電自旋軌道(magneto-electric spin-orbit, MESO)器件，致力于構(gòu)建自旋邏輯與非易失計算架構(gòu)的第四代自旋芯片[62—64]。通過將鐵電材料中的電極化行為與自旋軌道耦合機制聯(lián)動，實現(xiàn)基于鐵電層電場調(diào)控的自旋電流激發(fā)，進而完成磁化翻轉(zhuǎn)，有望實現(xiàn)aJ/bit的極低功耗非易失寫入。

此外，MESO架構(gòu)天然支持邏輯與存儲功能的融合，具有構(gòu)建超低功耗“存算一體”架構(gòu)的物理基礎(chǔ)。在材料實現(xiàn)方面，研究者已初步完成BiFeO3鐵電激勵層、Pt/CoFeB重金屬層、以及β-W等強自旋霍爾效應(yīng)材料的異質(zhì)集成，并展現(xiàn)出良好CMOS工藝兼容性[64，65]。當前，美國國防高級研究計劃局主導的科技研發(fā)項目已將MESO列為戰(zhàn)略性先導研究，美國英特爾公司也在大力推進其在低功耗邏輯、邊緣人工智能等場景中的系統(tǒng)級驗證。

MESO芯片通過“電控—自旋—軌道”多物理機制耦合協(xié)同，突破了傳統(tǒng)自旋器件在功耗、速度、穩(wěn)定性方面的結(jié)構(gòu)性瓶頸，成為自旋芯片發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向之一。未來，隨著材料與器件研究的進一步深化，MESO有望成為構(gòu)建非馮·諾依曼“存算一體”架構(gòu)的關(guān)鍵路徑。

04

“磁—光—電”三元融合：邁向下一代信息器件

從信息處理的角度來看，磁、光、電三類物理機制在融合體系中各具功能、協(xié)同共生。首先，飛秒激光作為自旋信息的寫入手段，以其超快的自旋動力學響應(yīng)速度(優(yōu)于1 ps)和非局域自旋角動量轉(zhuǎn)移等優(yōu)點，可實現(xiàn)對磁化狀態(tài)的超快調(diào)控；其次，隧穿磁電阻作為自旋信息的讀出手段，展現(xiàn)出優(yōu)異的器件集成度和CMOS工藝兼容性；第三，磁性材料作為自旋信息的非易失儲存載體，可保證數(shù)據(jù)長期保持而無需能量損耗。通過三類信息載體的協(xié)同耦合，磁光電融合技術(shù)可以在速度、能耗與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵性能上實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，為發(fā)展多物理機制耦合的新型自旋芯片奠定了基礎(chǔ)。

AOS效應(yīng)首次由Stanciu等人于2007年在亞鐵磁GdFeCo合金中觀測到[36]，并揭示了超快激光與磁性材料間的直接耦合機制。這一發(fā)現(xiàn)成為自旋光子相互作用領(lǐng)域的里程碑，引發(fā)了對光驅(qū)動自旋調(diào)控的廣泛關(guān)注。為深入揭示AOS過程的微觀機制，研究者開展了時間分辨與元素分辨兼具的X射線磁圓二色譜(XMCD)實驗[66，67]，對飛秒激光激發(fā)下的磁性材料演化過程進行了精準刻畫。圖8展示的實驗結(jié)果表明，AOS過程通常表現(xiàn)出“快速退磁—自旋交換—磁矩重建”三階段的動態(tài)行為，并具有典型的超快多體響應(yīng)特征。在實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，學術(shù)界相繼提出多種理論模型[68—70]，以解釋材料內(nèi)部自旋、晶格與電子溫度之間的耦合機制。其中，微觀三溫度模型作為代表性框架，將系統(tǒng)劃分為自旋子系統(tǒng)、晶格子系統(tǒng)與電子子系統(tǒng)，揭示了在飛秒尺度下，能量如何在三者之間快速交換，并驅(qū)動自旋有序狀態(tài)的演化。這一理論視角不僅拓寬了對AOS動力學過程的認知，也為后續(xù)開發(fā)高效率的磁光調(diào)控技術(shù)提供了理論支撐。

圖8　飛秒激光激發(fā)下AOS的超快自旋動力學。通過時間分辨XMCD測量，揭示了亞鐵磁材料中AOS“快速退磁(0—0.5 ps)—自旋交換(0.5—2 ps)—磁矩重建(2 ps— )”的動力學特征[67]

隨著AOS效應(yīng)在材料層面的深入探索，2019年起，學術(shù)界開始關(guān)注將AOS進一步運用在器件層面，探索與自旋存儲交叉融合的技術(shù)潛力[70—73]。相較傳統(tǒng)熱平衡驅(qū)動的自旋寫入機制，AOS依托飛秒激光誘導的非平衡態(tài)自旋動力學過程，僅需數(shù)十皮秒即可完成自旋信息的穩(wěn)定寫入，為超快非易失存儲技術(shù)提供了全新物理基礎(chǔ)，成為新一代MRAM研究的重要技術(shù)路徑。當前，基于“磁—光—電”融合的AOS-MRAM技術(shù)受到法國自旋電子中心(SPINTEC)、比利時微電子研究中心(IMEC)、荷蘭拉德堡德大學、美國明尼蘇達大學等國際一流研究機構(gòu)的系統(tǒng)布局與實質(zhì)推進。

為推動AOS機制由材料層面邁向集成器件層面，北京航空航天大學團隊于2022年提出并實現(xiàn)了首款皮秒級AOS-MTJ原型器件[10]，致力于探索“磁—光—電”融合路徑下的新型非易失存儲技術(shù)。該器件采用亞鐵磁/鐵磁復合自由層結(jié)構(gòu)Gd/Co/Ta/CoFeB/MgO，在保證與自旋芯片工藝完全兼容的基礎(chǔ)上，完成了多層界面的功能協(xié)同優(yōu)化：通過亞納米Ta層實現(xiàn)Co與CoFeB間的RKKY耦合；引入Gd/Co界面驅(qū)動自發(fā)AOS，并借助CoFeB/MgO接口實現(xiàn)高隧穿自旋極化率，共同構(gòu)筑出高度協(xié)同的磁—光—電耦合體系。如圖9所示，飛秒激光經(jīng)物鏡聚焦后寫入AOS-MTJ器件，并在小偏置電流下通過外接電路實時采集器件電阻。典型實驗結(jié)果顯示，在單脈沖激光入射時刻，器件電阻在高/低電阻態(tài)之間重復翻轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)，隧道磁電阻比高于34%。時間分辨磁光克爾實驗驗證了器件在激光寫入中的皮秒級自旋響應(yīng)，突破了傳統(tǒng)納秒級進動瓶頸；更重要的是，其結(jié)構(gòu)與STT-MRAM工藝平臺高度兼容，為“光寫入—電讀出”機制提供了從“概念驗證”到“工藝中試”的閉環(huán)支撐。

圖9　為推動AOS機制由材料層面邁向器件層面，研究團隊實現(xiàn)了皮秒級AOS-MTJ原型器件 (a)光泵—電測示意圖：飛秒激光脈沖(紅色箭頭)經(jīng)物鏡聚焦至MTJ自由層上方的開口區(qū)域(虛線圓)，在小偏置下通過外接電路實時采集單次飛秒脈沖激發(fā)下的器件電阻；(b)飛秒激光直接調(diào)控TMR典型實驗結(jié)果：上方紅色箭頭標示每一次約100 fs激光脈沖入射時刻，曲線在高/低電阻值之間重復翻轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)?？梢钥吹?，單脈沖光激可直接在MTJ中觸發(fā)磁化翻轉(zhuǎn)并實現(xiàn)“光寫—電讀”，為構(gòu)筑“磁—光—電”融合的高速非易失存儲器件奠定了一定基礎(chǔ)[10]

值得注意的是，反鐵磁材料在AOS機制下展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性與超高頻率響應(yīng)。其零凈磁矩特性使其對外磁場天然不敏感，同時抑制了鄰位擾動與熱噪聲；并且，反鐵磁材料自旋動力學理論頻率可達THz級，比傳統(tǒng)鐵磁材料高了至少1個數(shù)量級，是實現(xiàn)“極限寫入速度”的關(guān)鍵候選材料之一。2018年，荷蘭科研團隊在反鐵磁體系中論證了飛秒激光驅(qū)動下的超快自旋響應(yīng)[74]；2023年，北京航空航天大學則在IrMn薄膜中實現(xiàn)了激光誘導的交換偏置調(diào)控，進一步拓展了反鐵磁材料在磁存儲體系中的集成路徑[75]。

盡管當前實驗初步論證了AOS超快存儲的可行性，然而進一步實現(xiàn)實用化的關(guān)鍵在于能否實現(xiàn)飛秒激光光源的片上集成。目前廣泛使用的鈦寶石飛秒激光器能夠穩(wěn)定輸出所需脈沖，但其體積龐大、重復頻率較低、功耗及成本較高，難以與存儲芯片兼容。近年來，隨著集成光子學的發(fā)展，片上飛秒光源逐漸展現(xiàn)出巨大潛力。然而，片上光源仍受限于輸出能量不足、脈沖控制與熱管理等問題，并難與磁性隧穿結(jié)實現(xiàn)高效耦合。因此，如何在集成光子平臺上實現(xiàn)低功耗、小型化且與自旋芯片工藝兼容的飛秒激光光源，已成為AOS-MRAM從概念驗證邁向系統(tǒng)級應(yīng)用的首要挑戰(zhàn)。

圖10　片上AOS磁存儲概念示意圖 (a)集成光子學驅(qū)動的波導—存儲協(xié)同架構(gòu)：入射高斯脈沖沿片上波導，并結(jié)合波分復用選擇性耦合至磁比特陣列

C

C

圍繞上述問題，自2023年起，學術(shù)界進一步開展了“片上AOS磁存儲”研究，標志著AOS機制由材料器件層面，跨越至系統(tǒng)化、集成化的新階段(圖10)[76—78]。法國洛林大學團隊基于等離激元諧振結(jié)構(gòu)[79]設(shè)計得到納米級金屬天線陣列，實現(xiàn)了激光能量的亞波長局域聚焦與增強共振激發(fā)，在突破衍射極限的條件下有效誘導磁性薄膜實現(xiàn)穩(wěn)定磁化翻轉(zhuǎn)[80]；與此同時，荷蘭埃因霍溫理工大學的研究團隊運用基于LnP波導平臺結(jié)合仿真建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計[81，82]，展示了“光傳輸—磁寫入”機制在波導級別的可實現(xiàn)性與技術(shù)路徑[83]。上述研究進展表明，AOS是集成自旋技術(shù)的理想體系，在超快自旋存儲芯片方面展現(xiàn)出一定潛力。

05

總結(jié)與展望

自旋電子學作為后摩爾時代極具潛力的新興芯片技術(shù)，正從材料物理、器件結(jié)構(gòu)，邁向系統(tǒng)級集成與“磁—光—電”融合架構(gòu)。在大容量磁存儲方向，HAMR等能量輔助寫入機制通過局域熱激勵突破高密度磁介質(zhì)的寫入難題，為實現(xiàn)冷數(shù)據(jù)高密度存儲提供了可行路徑。與此同時，MRAM正持續(xù)與CMOS集成電路深度融合。以STT/SOT為代表的寫入機制為進一步實現(xiàn)低功耗、高可靠的非易失存儲芯片奠定了基礎(chǔ)。

基于飛秒激光的AOS機制正在開啟“磁—光—電”三元融合的信息器件新范式。AOS-MRAM具備皮秒級響應(yīng)速度和極低能耗等物理優(yōu)勢，并且與自旋MRAM芯片、集成光子學等多類技術(shù)體系兼容。盡管當前仍面臨材料調(diào)控、工藝窗口與系統(tǒng)穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，已有實驗路徑正在從材料驗證向器件原型、片上系統(tǒng)逐步推進，展現(xiàn)出強烈的技術(shù)成長性與前瞻價值。

作為展望，“磁—光—電”三元融合存儲在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用上蘊含豐富潛力。AOS-MRAM巧妙地實現(xiàn)了“磁—光—電”信息的互相轉(zhuǎn)化，在速度和能耗方面具有潛在的優(yōu)勢，可助力包括光學神經(jīng)計算在內(nèi)的新興領(lǐng)域取得更多突破。此外，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，“磁—光—電”交叉融合將進一步架起自旋電子學、超快光學與集成電路之間的橋梁，在光與自旋的相互作用研究方面取得更多的科學突破。隨著“磁—光—電”耦合機制研究的深入與片上集成工藝的不斷推進，未來自旋信息器件有望在速度、能耗與體系架構(gòu)等方面實現(xiàn)綜合突破，為后摩爾時代芯片技術(shù)的發(fā)展提供重要支撐。

致 謝感謝北京航空航天大學趙巍勝教授對本工作的指導。感謝杭州市北京航空航天大學國際創(chuàng)新研究院楊維博士后、李燊博士后對圖片及參考文獻的整理。

應(yīng)用物理專題

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《物理》50年精選文章