纳米磁体中的随机翻转时间常数与不稳定性

面向未来计算机的磁性骰子

许多新兴计算机不仅仅是进行计算；它们将直接利用随机性。微小的磁性器件，尺寸仅为十亿分之一米级，能够像微观骰子一样自然地来回翻转。本文研究这些翻转能够发生得有多快，以及为何一个长期沿用的关于其时序的经验法则是错误的——这一洞见对更快速、更可靠的概率式与类脑硬件具有重要意义。

为何纳米磁体的时序至关重要

当化学反应发生或磁体翻转其方向时，平均等待时间常用阿累尼乌斯（Arrhenius）型定律来描述：能垒越高，过程越慢。隐藏在此定律中的一个关键数字称为“尝试时间”，它决定了随机过程的基本时钟。数十年来，研究者一直假定对于纳米尺度的磁体，该时间大约为一纳秒。这个方便的估计影响了工程师对磁性存储稳定性以及新兴的随机磁性隧道结（利用随机磁翻转作为信息载体）操作速度的评估。

直接测量随机翻转

作者构建并研究了磁性隧道结，其中一薄磁层在薄膜平面内具有易轴，同时还存在使其倾向于出平面的竞争性磁各向异性。通过仔细调整层厚，他们在不改变基本器件设计的前提下调节这种垂直倾向。随后在对磁体而言为“难”方向上施加外加磁场。这个横向场重新塑造了将两个优选磁取向分隔开的能量景观，从而拉伸或压缩翻转之间的平均等待时间。

监听电报噪声

这些磁体不断在两种电阻状态之间跳变，产生一种称为随机电报噪声的嘈杂信号——时间上呈现为一系列突升突降的阶跃。研究团队使用能分离该信号快慢分量的电路，记录了从十亿分之一秒到数秒的极广时间尺度内的翻转事件，且均在室温下进行。通过汇编随着横向磁场扫描而变化的翻转间隔统计，他们提取出有效能垒的变化，并且关键在于，必须如何选择基线尝试时间，才能使所有数据塌缩到一致的阿累尼乌斯型趋势中。

一种新的时钟速度与隐藏的延迟

分析推翻了传统假设。尝试时间并非固定为一纳秒，而是被发现大致位于四到十二纳秒之间，并系统性地依赖于垂直磁各向异性的强度。这意味着真实器件在其最基本层面上可能比许多早期设计假定的慢数倍。为了解原因，作者超越了简单的“单块”磁体模型，考虑了称为自旋波的集体激发。在热驱动的翻转过程中，均匀的磁矩运动可能变得不稳定并将能量泄入这些波纹状的自旋波——这一过程称为Suhl不稳定性。将整体磁矩与这些内部波耦合的数值模拟表明，这种能量漏散显著延缓了实际反转，符合实验中观测到的较长尝试时间。

面向基于随机性的芯片的设计规则

通过揭示内部磁性波动可以在不改变能量垒本身的情况下减慢翻转，这项工作重新定义了工程师在为概率计算、真随机数生成器和类脑电路设计纳米磁体时应采取的策略。尝试时间并非固定的普适常数，而是可通过材料选择与几何形状调控的量——例如，通过调整垂直各向异性、器件尺寸或交换刚度以抑制不希望的自旋波。从实用角度看，这项研究既提供了一套测量方法，也给出了构建更快速、更节能的随机磁性隧道结的物理路线图，从而确保未来基于随机性的计算机以恰当的速度掷动它们的微观骰子。

引用: Kanai, S., Hayakawa, K., Elyasi, M. et al. Stochastic switching time constant and instability in nanomagnets. Commun Mater 7, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01149-2

关键词: 随机磁性隧道结, 纳米磁体翻转, 尝试时间, 自旋波不稳定性, 概率计算