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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據存儲的創新技術，因其在提高數據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，當前技術面臨的挑戰在于如何實現高精度的磁疇壁動態控制和有效檢測，特別是在納米尺度下，傳統的光學檢測方法存在空間分辨率不足和成像盲區的問題。

成果簡介

有鑒于此，馬克斯·普朗克微結構物理研究所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常霍爾效應裝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優于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行為，為未來開發超越傳統二元數字技術的非傳統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，有望推動新一代計算設備的誕生。

Stuart Parkin教授是馬克斯·普朗克微結構物理研究所所長，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，氧化物異質結薄膜，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現使得磁盤驅動器容量實現了1萬倍的提升。因為他的發現，Parkin教授在2014年獲得了芬蘭技術院頒發的千禧年技術獎。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，獲得了優于40納米的空間分辨率。通過在軌道上布置多個反常霍爾效應裝置，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（鉑翼結構）大幅擴展了霍爾條的檢測范圍，達到了傳統霍爾條長度的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了對多個磁疇壁的時空動態跟蹤，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計算設備平臺的潛力。

(4) 這些發現表明，磁性軌道存儲器有望在未來的計算技術中應用，尤其是在超越二元數字技術的非傳統計算領域中，展現出了巨大的發展前景。

圖文解讀

圖1. 電學檢測電流誘導的磁疇壁運動。

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注入磁疇壁。

圖5. 多核注入的時空數據分類及分段信號。

結論展望

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的觀察能力。這種技術的突破，不僅深化了我們對磁疇壁運動機制的理解，還有助于開發新一代存儲器和邏輯器件，這些器件能夠超越傳統的二元數字技術，推動計算機科學的進一步發展。

其次，本文強調了通過電氣信號實現時空數據測量的潛力，使得多個磁疇壁的動態處理成為可能。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，結合新材料和先進技術的集成，能夠實現更高效、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，深入探索和開發類似技術，將為實現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).

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