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客戶成果丨新加坡國(guó)立大學(xué)《NC》:電流矢量疊加驅(qū)動(dòng)的高效自旋邏輯器件

來(lái)源:托托科技(蘇州)有限公司   2025年06月23日 16:57  

傳統(tǒng)的硅基集成電路技術(shù)發(fā)展迅速,但也逐漸逼近了功耗和尺寸的極限。為突破傳統(tǒng)以電荷為信息載體的馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)限制,研究人員提出了利用電子自旋作為信息載體的自旋邏輯器件,這類器件因低功耗、內(nèi)存與邏輯一體化等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。然而,目前多數(shù)的自旋邏輯器件僅僅利用電流的大?。?biāo)量)來(lái)控制磁矩的狀態(tài),導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能需要更多的器件,從而限制了自旋邏輯器件的實(shí)際應(yīng)用。


客戶成果丨新加坡國(guó)立大學(xué)《NC》:電流矢量疊加驅(qū)動(dòng)的高效自旋邏輯器件


為了解決這一挑戰(zhàn),新加坡國(guó)立大學(xué)材料科學(xué)與工程系陳景升教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)張躍教授、山西師范大學(xué)許小紅教授和上海交通大學(xué)劉亮教授等科研團(tuán)隊(duì),提出了一種基于電流方向(矢量)的自旋邏輯器件——電流矢量加法器(current vector adder)。相關(guān)研究成果以“Spin logic enabled by current vector adder”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》上。


客戶成果丨新加坡國(guó)立大學(xué)《NC》:電流矢量疊加驅(qū)動(dòng)的高效自旋邏輯器件

圖1 電流矢量加法器工作原理示意圖。(a) 兩個(gè)矢量相加示意圖。(b) 電流矢量在器件中心疊加的有限元仿真結(jié)果。(c) L11 CuPt/CoPt材料中的三種不同電流矢量疊加情況。

不同于傳統(tǒng)的標(biāo)量電流自旋邏輯器件,該團(tuán)隊(duì)提出的電流矢量自旋邏輯器件將輸入電流的方向作為一個(gè)新的邏輯變量。輸入電流的方向被視為矢量,通過(guò)對(duì)輸入矢量進(jìn)行矢量加法操作,疊加后的方向決定了輸出狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了更加復(fù)雜的邏輯功能。


客戶成果丨新加坡國(guó)立大學(xué)《NC》:電流矢量疊加驅(qū)動(dòng)的高效自旋邏輯器件

圖2 L11 CuPt/CoPt器件的結(jié)構(gòu)及電流矢量疊加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a) 器件的掃描透射電子顯微鏡圖像。(b) 器件光學(xué)顯微圖像。(c) 垂直磁化的異常霍爾效應(yīng)信號(hào)。(d-f) 不同輸入電流方向的疊加實(shí)驗(yàn)。(g-i) 外加磁場(chǎng)驗(yàn)證矢量疊加方向的實(shí)驗(yàn)。


該研究以L11晶體結(jié)構(gòu)的CuPt/CoPt異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用其特殊的三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,成功實(shí)現(xiàn)了電流矢量的疊加。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入電流沿晶體特定方向流動(dòng)時(shí),磁化狀態(tài)可以精確反映疊加電流矢量的方向,這使得單個(gè)器件即可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的邏輯功能。


客戶成果丨新加坡國(guó)立大學(xué)《NC》:電流矢量疊加驅(qū)動(dòng)的高效自旋邏輯器件

圖3 可重構(gòu)的布爾邏輯門(mén)示意圖。(a) 器件光學(xué)圖像與邏輯輸入輸出示意。(b) AND/OR門(mén)的真值表。(c) AND邏輯操作,用MOKE信號(hào)和霍爾電壓讀取結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)成功在單一器件中實(shí)現(xiàn)了包括與(AND)、或(OR)、與非(NAND)、或非(NOR),甚至更復(fù)雜的蘊(yùn)含(IMPLY)等基本布爾邏輯門(mén)操作,并僅使用兩個(gè)器件即實(shí)現(xiàn)了全加器功能。經(jīng)仿真驗(yàn)證,與統(tǒng)的自旋邏輯器件相比,該電流矢量加法器結(jié)構(gòu)的全加器面積、功耗、延遲方面展示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

本工作證明了電流矢量作為新型物理狀態(tài)變量在自旋邏輯中的巨大潛力,為高效低功耗的自旋電子學(xué)邏輯與計(jì)算器件開(kāi)辟了新思路,為未來(lái)集成電路技術(shù)的發(fā)展提供了重要的新路徑。

該工作通過(guò)使用TuoTuo Technology的無(wú)掩模光刻機(jī)完成了所有vector adder器件的制備工作。

論文鏈接:

articles/s41467-025-58225-3


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