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研究背景

磁性轨道存储器（racetrack memory）是利用移动磁畴壁进行数据存储的创新技术，因其在提高数据存储密度和读取速度方面的潜力而成为了研究热点。近年来，随着对磁性材料和自旋电子学的深入研究，磁性轨道存储器在多位存储和逻辑设备中显示出了巨大的应用前景。然而，当前技术面临的挑战在于如何实现高精度的磁畴壁动态控制和有效检测，特别是在纳米尺度下，传统的光学检测方法存在空间分辨率不足和成像盲区的问题。

成果简介

有鉴于此，马克斯·普朗克微结构物理研究所Jae-Chun Jeon（第一作者），Stuart S. P. Parkin院士团队等人在Science期刊上发表了题为“Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks”的最新论文。他们提出了一种基于多个反常霍尔效应装置的新型磁性轨道存储器。这种设计使得能够在整个纳米级磁性轨道上进行高精度、纳米空间分辨的磁畴壁检测。

研究表明，电学检测方法可以实现优于40纳米的空间分辨率，并成功追踪多个移动的磁畴壁。此外，该研究揭示了通过电学信号可视化磁畴壁的动态行为，为未来开发超越传统二元数字技术的非传统计算设备奠定了基础。这一突破为磁性轨道存储器的实用化提供了重要的理论和实验依据，有望推动新一代计算设备的诞生。

Stuart Parkin教授是马克斯·普朗克微结构物理研究所所长，马丁路德·哈勒威登堡大学的洪堡教授。他的研究领域包括用于先进传感器、存储器和逻辑器件的自旋电子学材料和器件，氧化物异质结薄膜，拓扑材料，新奇超导材料和认知器件。他在自旋电子学方面的发现使得磁盘驱动器容量实现了1万倍的提升。因为他的发现，Parkin教授在2014年获得了芬兰技术院颁发的千禧年技术奖。最近，由于在三种不同的自旋存储器方面的研究，他还获得了2021年费萨尔国王科学奖。Stuart S. P. Parkin教授是美国国家科学院院士（2008年）、美国国家工程院院士（2009年）、伦敦皇家学会院士（2000年）、英国皇家工程院院士（2019年）和德国国家科学院院士（2015年)。他获得了一系列奖项，包括美国物理学会新材料国际奖（1994）、欧洲物理的固态物理杰出贡献奖（1997）、IUPAP磁学奖和尼尔奖章（2009）、材料学会的冯·希佩尔奖（2012）、IOP天鹅奖章（2013）、洪堡教授国际研究奖（2014）、千禧年技术奖（2014）、ERC先进基金-SORBET（2015）、费萨尔国王科学奖（2021）和ERC先进基金-SUPERMINT（2022）。

研究亮点

(1) 实验首次实现了在纳米级磁性轨道中，通过电学方式跟踪移动磁畴壁的动态，获得了优于40纳米的空间分辨率。通过在轨道上布置多个反常霍尔效应装置，能够在没有盲点的情况下检测磁畴壁的位置。

(2) 实验通过使用几何设计的自旋霍尔层（铂翼结构）大幅扩展了霍尔条的检测范围，达到了传统霍尔条长度的40倍。随着铂翼宽度的增加，磁畴壁的检测范围也相应增加，最大可以检测到距离霍尔条约8微米远的磁畴壁。

(3) 实验还通过电学方式成功实现了对多个磁畴壁的时空动态跟踪，不仅展示了磁畴壁运动的随机性与可控性，还揭示了磁性轨道存储器作为未来非传统计算设备平台的潜力。

(4) 这些发现表明，磁性轨道存储器有望在未来的计算技术中应用，尤其是在超越二元数字技术的非传统计算领域中，展现出了巨大的发展前景。

图文解读

图1. 电学检测电流诱导的磁畴壁运动。

图2. 整个磁性轨道中磁畴壁速度的电学映射。

图3. 从随机到可控的磁畴壁运动的演变。

图4. 在50纳米宽的SAF磁性轨道器件中连续注入磁畴壁。

图5. 多核注入的时空数据分类及分段信号。

结论展望

本文研究展示了高精度的电学检测方法，空间分辨率超过40纳米，显著提高了对磁畴壁动态的观察能力。这种技术的突破，不仅深化了我们对磁畴壁运动机制的理解，还有助于开发新一代存储器和逻辑器件，这些器件能够超越传统的二元数字技术，推动计算机科学的进一步发展。

其次，本文强调了通过电气信号实现时空数据测量的潜力，使得多个磁畴壁的动态处理成为可能。这一方法为信息存储和处理提供了新的思路，表明磁性轨道存储器有望成为未来计算平台的核心。最后，这项研究还启示我们，结合新材料和先进技术的集成，能够实现更高效、灵活的计算方式，从而在量子计算、人工智能等领域开辟新的应用前景。因此，深入探索和开发类似技术，将为实现未来智能计算的愿景奠定基础。

文献信息

Jae-Chun Jeon et al. ,Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks.Science386,315-322(2024).

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