通过自旋轨道转矩在体相 PtCo/IrMn 中对多态存储进行有效操控

为数据驱动世界打造更聪明的存储

随着手机、计算机和人工智能系统不断增强，它们需要的不仅是更快、更小的存储，还要更节能。当前的存储芯片主要依靠移动电荷，这会以热量的形式浪费大量能量。本研究探索了一条不同的路径，利用电子的磁性“自旋”而非仅仅依赖电荷。作者展示了如何通过精心设计的金属叠层在单个单元中保存多个稳定的存储等级，用低电流切换它们，甚至模拟生物突触的渐进学习行为。

一种新的磁性构件

这项工作核心是由铂、钴以及一种名为 IrMn 的反铁磁体构成的超薄金属层“三明治”。与在钴层旁仅放置一层厚铂不同，团队将多个交替的 Pt/Co 薄层按从下到上的厚度逐步变化堆叠。该渐变结构在施加普通电荷电流时，会将整个叠层转化为一个强大的内部自旋电流源。这些自旋电流对磁化方向施加“转矩”，使微小磁位的方向可在不借助外加磁场的情况下被切换。

更强信号、更低功耗

研究人员将其渐变的“体相 PtCo/IrMn”设计与更传统的 Pt/Co/IrMn 结构进行了比较。他们将两者制作成微小的霍尔条器件，通过称为反常霍尔电阻的电压信号来读出磁态。新的体相设计产生了更强的信号——比传统叠层高出数倍——使得可靠检测存储状态更容易。同时，翻转磁化所需的电流显著降低。考虑到各层之间电流的分配后，实际用于开关的电流密度明显减少，表明能效更高、发热更少。

单个单元拥有多个稳定态

除了简单的“0”和“1”之外，作者展示了他们的结构可以容纳多种稳定的磁配置。这成为可能是因为 IrMn 层通过所谓的交换偏置效应“钉扎”了相邻的钴层，改变了磁化的优选方向。通过施加不同强度和极性的电流脉冲，他们可以逐渐重塑 PtCo 与 IrMn 界面的磁畴分布。电学测量显示出中心被偏移的磁滞回线，甚至出现两步式切换，这是上、下磁化区域混合的典型特征。域的显微成像证实这些电流脉冲会在界面处诱发并扩展具有不同磁化方向的区域，从而在同一器件内实现若干个不同的非易失性电阻等级。

来自磁性金属的人工突触

通过一系列电流脉冲对电阻等级进行精细调控的能力，使这些器件表现得像人工突触——大脑中随使用而增强或减弱的神经元连接。团队展示了通过改变脉冲的数量和幅度，霍尔电阻可以平滑地增加或减少，类似突触的强化与抑制。这种渐进的、类模拟的“突触权重”更新对于旨在直接在芯片上运行学习算法的类脑硬件至关重要。由于新结构将强读出信号与低开关电流结合起来，它有望在能耗、更好的抗噪能力和大规模硬件神经网络的稳定性方面带来优势。

重要性所在

简而言之，这项工作展示了如何通过巧妙分层的金属叠层存储超过传统开/关的信息，能以更低功耗可靠切换，并对电脉冲作出类似生物学习的响应。通过在渐变 PtCo/IrMn 结构中利用自旋轨道转矩和交换偏置，作者创建了一个将多级存储、模拟调谐与高效运作结合在一起的紧凑平台。这类自旋电子器件可能成为未来内存芯片与类脑处理器的基础，它们相较于当今基于电荷的电子学在速度与能效上都有显著优势。

引用: Wu, B., Fan, H., Feng, Z. et al. Effective manipulation of multi-state memory in bulk PtCo/IrMn via spin-orbit torque. Sci Rep 16, 11936 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42617-6

关键词: 自旋电子学存储, 自旋轨道转矩, 多态存储, 类脑硬件, 交换偏置