近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队在超快自旋电子器件领域取得突破性进展。团队基于CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构，利用亚铁磁材料CoTb中稀土元素Tb带来的强自旋轨道耦合效应，实现皮秒尺度的全电学垂直磁矩翻转，最短写入脉宽达16ps，单比特功耗低至41fJ，刷新当前国际同类器件的最优纪录，推动自旋电子器件迈向太赫兹（THz）超快工作频段。相关研究成果以“Picosecond all-electrical perpendicular magnetization switching”为题，发表于国际顶级综合期刊《自然通讯》（Nature Communications）。
基于自旋轨道矩（SOT）写入的自旋电子器件具备非易失、高速、低功耗等突出优势，是后摩尔时代支撑存算一体架构的重要技术。尽管已有研究实现了皮秒尺度SOT驱动的垂直磁矩翻转，但均需依赖强外磁场才能完成确定性写入，因此无外磁场条件下实现垂直磁矩的皮秒尺度全电学翻转，仍是领域内亟待突破的核心难题。目前，传统无场SOT器件的磁矩翻转速度仅停留在纳秒量级，工作频率局限于吉赫兹（GHz）频段，且功耗偏高，难以满足下一代芯片在速度与功耗层面的严苛要求。
图1 在CoTb/Ti/CoFeB/MgO结构中实现SOT驱动垂直磁矩的无场翻转
针对这一核心难题，团队设计并制备CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构（图1）。通过工艺调控，使自旋源CoTb层获得稳定的面内磁各向异性，从而同时产生面内与面外自旋流，打破传统SOT器件的对称性限制，实现无外磁场辅助的垂直磁矩翻转。亚铁磁材料具有反铁磁耦合的双亚晶格结构，兼具低饱和磁化强度与高矫顽场，能有效抑制杂散场干扰、提升磁矩热稳定性，进而显著提升器件集成度。同时，Tb元素带来的强自旋轨道耦合效应，可显著提升电荷–自旋转换效率，有效降低器件临界翻转电流。通过组分调控，团队将自旋极化角η稳定在55°，接近理论最优值，为器件实现超快、低功耗的无场相干翻转奠定了关键基础。
图2 皮秒SOT驱动垂直磁矩无场翻转
团队进一步搭建基于光电导开关的皮秒电脉冲测试平台（图2）。该平台以两套独立皮秒脉冲源为核心，脉冲源采用低温GaAs衬底制备，可通过调控激光功率精确调节皮秒脉冲宽度，并结合偏置电压调控脉冲幅值。依托该平台，团队在基于亚铁磁CoTb的器件中成功实现16ps超短脉冲驱动下的垂直磁矩无场翻转；作为对比，以铁磁Co为自旋源的器件最短翻转脉宽仅为36ps。在全脉宽范围内，基于CoTb的器件始终具备更低的临界翻转电流，最优翻转能耗低至41fJ/bit，较传统铁磁器件降低一个数量级。与国际已报道成果相比，本工作同时实现了最短写入脉宽与最低功耗的双重突破（图3）。
图3 皮秒SOT无场翻转磁矩的能效分析
为进一步阐明皮秒尺度SOT无场翻转磁矩的内在机理，团队结合微磁学模拟与理论建模开展深入研究（图4）。结果表明，本研究工作获得的自旋极化角η=55°，能够在皮秒尺度下实现磁矩稳定高效的相干翻转。通过对比不同自旋极化角下的磁矩动力学行为，团队明确了面内与面外自旋流对翻转模式的关键影响，并证实提升自旋霍尔角可在全脉宽范围内有效降低翻转能耗，与实验结果高度一致。理论建模表明，皮秒尺度下的最优自旋极化角为45°，可同时实现超高速与超低功耗的磁矩翻转，为高性能SOT自旋电子器件的优化设计提供了重要理论支撑。
图4 皮秒SOT无场翻转磁矩的微磁学模拟
该研究工作利用亚铁磁CoTb的独特物性优势，首次实现皮秒尺度、全电学、超低功耗的垂直磁矩翻转，一举突破传统SOT器件对外场依赖、功耗偏高、速度受限等三大瓶颈。该成果不仅有效提升自旋电子器件的工作频率，推动器件性能向THz频段拓展，同时兼具高密度、可晶圆级制备及与CMOS工艺兼容等优势，为新一代超低功耗、超快自旋电子器件的发展提供关键技术支撑。
Science & Technology
北航集成电路科学与工程学院2022级博士生何宇、2021级博士生肖晨、2026届博士毕业生林克廉、张昆副教授、张博宇副教授和郑臻益副教授为共同第一作者，张悦教授、赵巍胜教授为共同通讯作者，北京航空航天大学为第一完成单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的支撑。
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