小于20 nm三维垂直磁性隧道结单元同时实现非易失性多态存储与逻辑操作功能
传统的基于垂直磁化隧道结的自旋转移力矩磁性随机存储器(STT-MRAM)，其中存储单元的磁化方向由于受（界面）磁各向异性作用而垂直膜面。在超高密度磁性存储器中，垂直磁化STT-MRAM在热稳定和功耗方面占有很大优势。由于垂直磁化STT-MRAM在功耗，运行速度和耐久性方面的出色表现，因此其有望在部分领域取代现有的半导体存储器件。而且，它能实现非易失性存储，即不需要电源来保存存储的信息，这对于未来的超低功率电子设备来说是必不可少的。
华中科技大学光电学院低功耗电子器件及系统课题组（游龙教授团队）和美国加州大学伯克利分校和佛罗里达国际大学相关课题组合作，展示了在小于20 nm垂直磁性隧道结单元能够同时实现非易失性多态存储与逻辑操作功能。这也是首次在实验上实现基于3D技术在小于20 nm单磁畴存储单元里实现多态存储，并概念性描述了存储与逻辑操作一体化功能实现。这些器件于2018年3月14日在Applied Physics Letters杂志上发布(Appl. Phys. Lett.112, 112402 (2018))，对以后基于自旋的存储与逻辑运算一体化研究，具有指导意义；是朝着构建超低功耗3D磁性存储方向迈出了重要一步。本文第一作者是华中科技大学Jeongmin Hong博士和佛罗里达国际大学M. Stone，通信作者为Jeongmin Hong博士和游龙教授。同时本课题也得到北京师范大学物理系夏柯团队理论指导。
基于磁性斯格明子的可重构逻辑门设计
磁性斯格明子(Magnetic skyrmion)则是一种新型的磁存储单元，其本质是一种呈环绕形态且具有拓扑特性的自旋结构，产生于手性磁体中。在铁磁纳米线轨道中，斯格明子可以看作准粒子态，其存在与否可以编码成数字信号“0”和“1”从而携带、传输信息。由于驱动电流低(~106A/m2)，结构尺寸小(可至几个纳米)，以及独特的拓扑稳定性，斯格明子在开发超低功耗、高密度、高稳定性的赛道存储以及逻辑器件方面，具有巨大的潜力。
该课题组首次提出了仅以斯格明子为信息载体的逻辑门器件。通过简单而巧妙的传输结构设计以及结合斯格明子在电流驱动下的运动规律，实现了与/或/非/与非/或非/同或/异或等逻辑功能；利用电压对磁各向异性的调控来选择斯格明子的传输通道，实现了逻辑功能的配置；采用微磁学模拟手段，对运算时间、尺寸缩放等性能进行了优化指导。该器件设计于2018年1月19日在Nano Letters杂志上发布(Nano Lett. 18, 1180(2018))，为电子自旋器件大家庭引入了一名新成员。论文第一作者是光电学院博士生罗时江，通信作者为游龙教授。同时本课题也得益于与美国加州大学伯克利分校许诺博士的讨论。
本课题组受国家自然基金委面上项目、项目以及华中科技大学“双一流”国际交流与合作高端外专引智计划资助。目前该课题组正在集中精力研发并有望在基于电子自旋的更小尺寸（如~5 nm）存储单元上实现更多信息位和更高智能化信息存储。
