|作 者：王璐丁1,2　魏家琦1,2,?　林曉陽1,2,??

(1 杭州市北京航空航天大學國際創(chuàng)新研究院（北京航空航天大學國際創(chuàng)新學院） 自旋芯片與技術全國重點實驗室）

(2 北京航空航天大學集成電路科學與工程學院)

本文選自《物理》2025年第12期

摘要自旋電子學器件以電子自旋為信息載體，具有非易失性、低功耗和高可靠性等優(yōu)勢，成為后摩爾時代新興芯片技術的典型代表。文章系統(tǒng)概述了自旋存儲技術的發(fā)展脈絡與最新進展。首先從大容量硬盤存儲出發(fā)，介紹了以自旋轉移矩和自旋軌道矩為代表的高性能磁存儲器。之后圍繞“磁—光—電”交叉融合，面向新一代超快自旋存儲器研制，論述了基于全光磁寫入機制的磁存儲器在速度及功耗方面的獨特優(yōu)勢。展望未來，自旋存儲將進一步賦能后摩爾時代芯片技術的快速演進，為“存算一體”等全新架構提供引領和支撐。

關鍵詞自旋電子學，自旋芯片，大容量磁存儲，磁隨機存儲器，磁—光—電融合技術

01

引 言

過去五十年來，半導體芯片在“摩爾定律”驅動下實現(xiàn)了持續(xù)快速發(fā)展。圍繞提升性能、降低尺寸等核心目標，半導體存儲引領了電子信息技術邁向大數(shù)據(jù)、人工智能時代。然而，隨著半導體工藝節(jié)點持續(xù)微縮進入亞納米量級，靜態(tài)漏電流效應導致芯片出現(xiàn)嚴重的靜態(tài)功耗瓶頸。存儲技術的進一步發(fā)展不再能單純通過微縮晶體管尺寸來實現(xiàn)，摩爾定律正面臨失效的困境[1，2]。

作為后摩爾時代新興芯片技術的典型代表，自旋電子學(spintronics)是凝聚態(tài)物理、磁學和微電子學等領域的交叉方向，被廣泛認為是發(fā)展新型非易失、低功耗信息器件的前沿引領技術[1—4]。相比于傳統(tǒng)的半導體技術，自旋電子學通過操控電子的本征屬性“自旋”來實現(xiàn)信息的存儲、計算及傳感。它具有三方面的核心特征(圖1)：第一，通過調控自旋狀態(tài)，實現(xiàn)無供能情況下的非易失存儲；第二，基于磁電阻效應，如巨磁電阻效應(giant magnetoresistance, GMR)、隧穿磁電阻效應(tunneling magnetoresistance, TMR)等，可實現(xiàn)高可靠信息讀出[4]；第三，自旋狀態(tài)可由自旋極化電流[5—7]、飛秒激光[8—10]等手段調控，從而可實現(xiàn)高速率、低功耗的信息寫入。此外，自旋器件工藝與當前硅基CMOS工藝高度兼容[1，2]，為高密度集成與片上系統(tǒng)化應用，提供了堅實支撐。

圖1　自旋電子學以電子自旋為信息載體，具有非易失信息存儲、高可靠信息讀出、超快低功耗信息寫入等核心特征，是后摩爾時代新興芯片技術的典型代表[3—6，8—12]

自旋存儲技術(詳見Box)肇始之初，首先應用于大容量硬盤系統(tǒng)，推動硬盤容量在過去三十年間提升了10萬倍以上[11，12]，并與半導體晶體管等技術共同引領人類社會邁向大數(shù)據(jù)智能時代。法國科學院A. Fert教授與德國于利希研究中心P.Grünberg教授由于在自旋存儲技術領域的開創(chuàng)性貢獻，獲得2008年諾貝爾物理學獎[4，11]。進入21世紀，自旋存儲進一步與集成電路科學交叉融合，發(fā)展出磁隨機存儲器(magnetic random access memory, MRAM)技術[12—16]。作為非易失型通用存儲器，MRAM具有一系列獨特性能，包括納秒級訪問速度、近于無限的可擦除壽命以及高可微縮性等。目前，MRAM已應用在航空航天、消費電子領域，如大型客機、智能手表等，成為后摩爾時代磁存儲器關鍵核心技術之一，并具有顛覆主流“馮·諾依曼”存算范式的巨大技術潛力[6]。

過去30年間，圍繞磁隧道結(magnetic tunnel junction, MTJ)器件結構與寫入機制的持續(xù)優(yōu)化，自旋存儲技術取得了多輪關鍵進展[17，18]。在器件結構方面，以CoFeB/MgO為代表的垂直磁各向異性材料[19，20]，因其較高隧穿磁電阻等方面的特性，成為重要的MRAM芯片功能材料。近年來，研究者通過單原子層插層等納米工程手段[21，22]，大幅提升了器件隧穿磁電阻等關鍵性能。此外，反鐵磁材料體系[23—26]因其零凈磁矩、太赫茲級響應與抗外磁場干擾等優(yōu)點，得到學術界的廣泛關注[27，28]；與此同時，基于斯格明子拓撲結構及二維材料的MTJ器件[15，29—31]，也為探索自旋芯片“存算一體”新架構，提供了新的可能路徑[32—34]。

Box

自旋存儲技術

自旋電子學是一門利用電子自旋來處理和存儲信息的新興學科。其興起可以追溯到1988年法國和德國科學家發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(GMR)，這一成果很快應用于硬盤讀寫磁頭，使硬盤容量百倍提升，并于2007年獲得諾貝爾物理學獎。1995年，人們又在磁性隧穿結中發(fā)現(xiàn)了隧穿磁電阻效應(TMR)，即兩層磁性薄膜夾著一層極薄絕緣層時，電阻會隨磁化方向的平行或反平行而顯著不同。這一效應使得存儲器可以通過電阻差來穩(wěn)定區(qū)分二進制“0”和“1”，成為現(xiàn)代自旋存儲器的物理基礎。

在實現(xiàn)可靠讀出的基礎上，如何高效寫入成為關鍵問題。20世紀初提出的自旋轉移矩(STT)機制為這一難題提供了突破：當極化電流通過自由磁層時，電子自旋會把角動量轉移給磁體，從而驅動磁化翻轉，實現(xiàn)信息寫入?；赟TT技術構造的磁隨機存儲器(STT-MRAM)具有非易失性、速度快等優(yōu)點，已經(jīng)進入產業(yè)化，但其不足在于需要較高的電流密度，導致功耗較大。

隨后發(fā)展起來的自旋軌道矩(SOT)機制則進一步提升了性能。在重金屬與磁性層的界面，電流通過自旋霍爾效應等途徑可以產生橫向自旋流，由自旋流再對磁體施加轉矩，實現(xiàn)磁化翻轉。與STT相比，SOT寫入速度更快、能耗更低，同時讀寫通道相互獨立，可靠性更高，被普遍認為是下一代高性能磁隨機存儲器的核心方案。

總體來看，TMR提供了穩(wěn)定可靠的讀出機制，STT和SOT分別代表了兩代寫入技術路線。三者共同構成了自旋存儲技術的核心框架，使其在后摩爾時代成為新型存儲與計算體系的重要候選。

在自旋磁存儲器寫入機理方面，早期的MRAM通過外磁場來實現(xiàn)信息寫入。通過在芯片上布置“寫”線，利用線電流產生的磁場翻轉MTJ自由層的磁化方向，從而實現(xiàn)二進制“0/1”的寫入。然而，該方法需要較高電流驅動，導致能耗較大。第二代MRAM技術則利用基于自旋極化電流的全電學方案來實現(xiàn)磁比特的翻轉。特別是以自旋轉移矩(spin transfer torque, STT)和自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機制為代表的MRAM，在讀寫速度、功耗及器件尺寸等方面表現(xiàn)出良好的綜合性能，并有望在嵌入式存儲和邊緣智能系統(tǒng)中獲得廣泛應用。然而，自旋存儲器的寫入機制長期受限于自旋的進動過程，寫入速度局限在納秒量級并伴有相對較大的能耗。因此，如何從根本上突破自旋存儲技術的速度瓶頸，實現(xiàn)自旋信息的超快寫入(圖2)，成為當前本領域學者重點關注的一項關鍵科學問題。

圖2 基于超快光學與自旋電子學的交叉研究，全光磁寫入機制為“磁—光—電”協(xié)同存儲奠定了物理基礎。圖中，透明方框表示磁性存儲單元，數(shù)字“0/1”為其邏輯狀態(tài)；藍色箭頭指示單元內的磁化(自旋)方向。紅色錐形光束為飛秒激光脈沖，選擇性作用于目標單元并觸發(fā)磁化翻轉，使其由“1”寫為“0”，可實現(xiàn)皮秒級速度的自旋信息寫入，并具備100 fJ/bit的超低能耗[37—39]

最近，伴隨著超快光學技術的發(fā)展，飛秒激光成為人類目前已商用的最快激勵源。1996年，法國科學家首次觀察到飛秒激光誘導鐵磁材料發(fā)生的超快退磁過程[35]，時間尺度遠快于傳統(tǒng)的自旋軌道或電子—聲子相互作用，為自旋電子學和超快光學搭建了一座橋梁[8—10]。更振奮人心的是，2007年，荷蘭奈梅亨大學的研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)[36]，特定亞鐵磁材料中磁矩可在單個飛秒脈沖作用下實現(xiàn)決定性翻轉(圖3)，響應速度可達皮秒級。這一效應被稱為全光磁化翻轉(all-optical switching，AOS)。AOS一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即引發(fā)了自旋電子學與超快光學領域的高度關注。基于“磁—光—電”交叉融合的自旋光電子協(xié)同存儲概念——AOS-MRAM應運而生[32]，其概念示意圖見圖2。AOS機制理論上可實現(xiàn)10 ps級超快寫入速度，并具有100 fJ/bit超低寫入能耗[37—39]。本文將在第四部分對AOS-MRAM相關研究進展進行系統(tǒng)介紹。

圖3　飛秒激光誘導的全光磁化翻轉(AOS)效應 (a)在克爾顯微圖像中，分別以右/左圓偏振(

從科學研究及工程應用的視角出發(fā)，當前自旋存儲技術已形成兩個發(fā)展方向：一是面向硬盤等大容量磁存儲系統(tǒng)，聚焦磁介質及讀/寫頭的構筑開發(fā)，實現(xiàn)存儲密度與穩(wěn)定性的持續(xù)提升；二是圍繞新一代MRAM高性能磁存儲芯片，重點關注自旋納米體系、調控機制及集成工藝，持續(xù)賦能后摩爾時代高速、低能耗芯片架構。

02

大容量磁存儲的技術革新

大容量磁存儲是現(xiàn)代信息社會的重要支柱。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的廣泛應用，海量數(shù)據(jù)的高效存儲與快速訪問已成為智能信息的核心需求。憑借較高的存儲密度和較低的靜態(tài)能耗，大容量磁存儲成為海量數(shù)據(jù)存儲的重要支撐，并逐漸發(fā)展為未來智能算力基礎設施體系的主力模塊[34]。

從技術演進路徑來看，大容量磁存儲的發(fā)展大致可分為兩個階段。早期以提升存儲密度與讀取可靠性為主要目標，重點集中在磁電阻讀頭與存儲介質結構的創(chuàng)新。其中，MTJ讀頭的引入被認為是關鍵節(jié)點之一[40]。相較于基于電子散射效應的GMR機制，基于量子隧穿效應的MTJ讀頭可實現(xiàn)超過200%的磁電阻[21，41]，在提高數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定性的同時，進一步推動了高密度存儲的發(fā)展。

在存儲介質方面，傳統(tǒng)的連續(xù)磁介質已難以滿足更高密度的數(shù)據(jù)存儲需求。為此，點陣化磁記錄(bit-patterned magnetic recording，BPMR)技術[42]通過將介質劃分成高密度的納米“磁島”并各自對應獨立的存儲單元，有效提升了記錄密度，被認為是實現(xiàn)10 Tb/in2級超高容量硬盤的潛在路徑之一。

近二十年來，為突破傳統(tǒng)磁寫入在尺寸微縮與能耗控制方面的瓶頸，研究重心逐步轉向寫入機制方面的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)方案中，為了彌補比特尺寸減小所導致的介質熱穩(wěn)定性下降問題，往往需要提高存儲介質的磁各向異性，從而抬高能量勢壘，導致寫入能耗上升、錯誤率增加。為解決上述問題，能量輔助磁記錄技術應運而生[42—46]，主要包括基于激光加熱的熱輔助磁記錄(heat-assisted magnetic recording，HAMR)及微波輔助磁記錄(microwave-assisted magnetic recording，MAMR)兩條技術路徑，其結構示意圖如圖4所示。

圖4　激光熱輔助磁記錄(HAMR)與微波輔助磁記錄(MAMR)的結構示意圖[51]

具體來說，HAMR技術通過激光在寫入瞬間對磁介質進行局部加熱，暫時降低其矯頑力，同時借助外加磁場完成數(shù)據(jù)寫入[47，48]。該過程涉及多物理場協(xié)同，包括近場光學設計[49，50]、熱擴散速率控制、磁場與激光脈沖同步性控制等，系統(tǒng)集成難度較高。目前，Seagate公司已基于該技術推出容量達30 TB級的商用硬盤[51]，代表了現(xiàn)階段磁記錄技術可量產的高端路徑。MAMR技術則依賴寫入頭中集成的自旋振蕩器(通常以MTJ為核心)產生微波磁場，激發(fā)介質處于磁共振狀態(tài)[39，40]，誘導磁矩進入亞穩(wěn)態(tài)，從而有效降低翻轉能壘。該方法無需顯著加熱過程，具備能耗低、結構相對簡單的優(yōu)勢，然而，MTJ結構所能產生的微波磁場強度有限，仍是影響MAMR寫入性能的關鍵瓶頸。當前，東芝已將MAMR技術應用于企業(yè)級硬盤產品，主要面向低功耗、高密度數(shù)據(jù)冷存儲等場景。

從速度與功耗維度看，HAMR技術雖在存儲密度上取得了顯著突破，但熱輔助寫入需要激光加熱與冷卻過程，帶來了額外的熱管理與效率問題，整體訪問延遲仍維持在毫秒級別，單比特寫入能耗通常處于納焦耳以上，因此在高速場景中表現(xiàn)受限。相比之下，MAMR通過在寫入頭中引入微波場以降低介質能壘，在能耗方面優(yōu)于HAMR，但其實際寫入速度與系統(tǒng)延遲仍受到自旋振蕩器輸出功率、定位精度及結構復雜性的制約。

在前沿研究方面，基于“磁—光—電”耦合機制的AOS磁存儲，被視為繼HAMR技術之后的又一潛在突破路徑[8—10]。不同于依賴磁場或外部能量輔助的傳統(tǒng)寫入方式，AOS利用超快激光脈沖直接誘導磁性材料中的晶格間相互作用，無需外加磁場即可實現(xiàn)磁矩翻轉，具備10 ps響應速度與極低能耗的物理優(yōu)勢。已有研究表明[52—55]，稀土—過渡金屬合金體系可實現(xiàn)AOS驅動下的穩(wěn)定磁性翻轉，特別是對矯頑力高達數(shù)特斯拉的Tb基材料，可實現(xiàn)百萬次以上的低功耗寫入[56—59]。

盡管如此，基于“磁—光—電”融合的大容量磁存儲仍面臨多項挑戰(zhàn)，包括高矯頑力存儲介質的熱穩(wěn)定性調控、飛秒激光模塊的微納集成難度，以及磁光耦合結構的精密設計要求等。隨著相關技術瓶頸的逐步突破，AOS有望發(fā)展為同時滿足高速度、高密度與低能耗的全光磁存儲技術，為未來冷數(shù)據(jù)存儲與智能算力基礎設施提供有力支撐。

從總體趨勢來看，大容量磁存儲技術正由依靠單一物理機制的迭代優(yōu)化，轉向多物理場的融合作用及器件結構的協(xié)同設計。其中，寫入機制的持續(xù)革新、存儲介質的微結構化處理，以及“磁—光—電”跨領域集成，正在共同推動其朝著更高速度、更高密度與更低能耗的方向發(fā)展，并逐步構建起一套面向復雜應用需求的系統(tǒng)化演進路徑[2，8，18]。

03

自旋芯片：高性能磁性存儲芯片技術

作為后摩爾時代芯片技術的重要發(fā)展方向，自旋芯片以電子自旋為信息載體，在構建非馮·諾依曼“存算一體”架構方面展現(xiàn)出巨大潛力。其中，磁性隨機存取存儲器(MRAM)作為自旋電子學與集成電路深度融合的代表路徑，已成為當前高性能存儲技術的研究熱點[1—6]。相較于以電荷為信息載體的傳統(tǒng)半導體芯片，自旋芯片利用電子的自旋自由度，突破了由電荷輸運帶來的能耗和性能瓶頸，有效支撐了低功耗、非易失的數(shù)據(jù)存儲需求。

MRAM芯片技術的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段[3](圖5)。其中，第一代自旋MRAM以磁場寫入機制為核心，通過外加磁場調控自由層磁矩的方向實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。該技術的器件結構相對簡單，工藝路徑成熟，典型寫入速度約為35 ns，能耗在100 pJ/bit左右。然而，磁場寫入機制難以隨器件尺寸同步微縮，限制了存儲密度的進一步提升。此外，寫入過程功耗較高，響應延遲顯著，難以滿足當前智能計算系統(tǒng)對芯片性能的核心要求。

圖5 MRAM技術演變歷程[3]：從磁場驅動向自旋軌道矩(SOT)與磁電自旋軌道(MESO)架構演進，在寫入速度及功耗性能方面取得跨越式提升

第二代自旋MRAM采用自旋轉移矩(spin transfer torque, STT)機制，顯著提升了寫入效率與器件集成度。STT-MRAM通過在磁性多層結構中注入極化電流，利用電子自旋角動量直接作用于自由層磁矩，從而在無外加磁場條件下實現(xiàn)全電學寫入[11—14]，如圖6所示。STT-MRAM相比前代技術顯著提升了寫入效率與器件集成度，典型寫入能耗已降至5—10 pJ/bit，寫入速度小于5 ns，且具備良好的CMOS工藝兼容性。當前，基于STT機制的MRAM芯片已進入產業(yè)化階段，在航空航天、國防電子與消費電子等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。然而，由于高速寫入時所需的電流密度較高(通常超過106 A/cm2)，仍存在功耗與可靠性方面的技術瓶頸，制約了它在高性能通用計算平臺中的進一步拓展。

圖6　自旋轉移矩(STT)寫入機理示意圖：基于自旋極化電流實現(xiàn)MRAM的全電學寫入

為進一步提升自旋存儲器的性能，學術界提出了基于自旋軌道矩(spin-orbit torque, SOT)機制的第三代MRAM芯片架構。與STT通過垂直電流注入實現(xiàn)自旋轉移矩不同，SOT-MRAM通過在重金屬/鐵磁異質結中激發(fā)自旋霍爾效應或界面上的Rashba效應，生成橫向自旋流以驅動自由層磁矩翻轉。SOT結構將寫入路徑與讀出路徑物理隔離，有效避免了傳統(tǒng)STT-MRAM中“讀寫干擾”問題，在架構可控性與可靠性方面具備明顯優(yōu)勢[3，16—18]。實驗數(shù)據(jù)顯示，SOT-MRAM的寫入速度可達10—50 ps，寫入能耗下降至亞pJ/bit水平，速度及功耗等性能指標較STT架構提升一個數(shù)量級以上，并展現(xiàn)出良好的工程應用前景(圖7)，已成為當前學術研究與產業(yè)布局的熱點方向。

圖7 MRAM的應用前景示意圖，有望在嵌入式存儲、邊緣智能系統(tǒng)、內存替代及存內計算等領域中獲得廣泛應用

目前，我國在第三代自旋芯片SOT-MRAM的研發(fā)與產業(yè)化方面取得了階段性進展。北京航空航天大學建成了國內首個8英寸自旋芯片公共研發(fā)平臺，其國產自研設備比例已超過50%。在此基礎上，北航聯(lián)合致真存儲公司成功研制出全球容量最大的128 Kb SOT-MRAM芯片，具備低功耗、高可靠性等性能優(yōu)勢，初步驗證了SOT技術路線在工程實現(xiàn)與應用拓展方面的可行性[60]。與臺積電、英特爾等國際領先研究單位相比，國產SOT-MRAM芯片[60—62]在核心性能指標上已具備一定競爭優(yōu)勢，為推動我國自旋芯片產業(yè)鏈的自主可控奠定了堅實基礎。

在器件結構演進方面，基于反鐵磁材料的磁存儲器(antiferromagnetic RAM, ARAM)為自旋芯片的進一步微縮與性能提升提供了新的物理支撐路徑[23—26]。反鐵磁材料由于具有宏觀零磁矩特性，天然具備抗外部磁場干擾的能力，且可有效抑制鄰近單元間的磁耦合，適用于高密度磁存儲結構的構建。此外，其自旋動力學響應頻率可達太赫茲(THz)量級，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鐵磁材料，為提升寫入速度提供了物理基礎。近期，北京航空航天大學聯(lián)合致真存儲與青島海存微電子公司，依托既有工藝平臺成功研制出全球首款反鐵磁存儲器ARAM，存儲容量達128 Kb，具備抗3 T磁場干擾能力，并在器件尺寸、功耗等關鍵指標上取得一定進展[62]。

面向未來，在SOT機制及反鐵磁材料取得顯著突破的基礎上，學術界進一步提出了新型磁電自旋軌道(magneto-electric spin-orbit, MESO)器件，致力于構建自旋邏輯與非易失計算架構的第四代自旋芯片[62—64]。通過將鐵電材料中的電極化行為與自旋軌道耦合機制聯(lián)動，實現(xiàn)基于鐵電層電場調控的自旋電流激發(fā)，進而完成磁化翻轉，有望實現(xiàn)aJ/bit的極低功耗非易失寫入。

此外，MESO架構天然支持邏輯與存儲功能的融合，具有構建超低功耗“存算一體”架構的物理基礎。在材料實現(xiàn)方面，研究者已初步完成BiFeO3鐵電激勵層、Pt/CoFeB重金屬層、以及β-W等強自旋霍爾效應材料的異質集成，并展現(xiàn)出良好CMOS工藝兼容性[64，65]。當前，美國國防高級研究計劃局主導的科技研發(fā)項目已將MESO列為戰(zhàn)略性先導研究，美國英特爾公司也在大力推進其在低功耗邏輯、邊緣人工智能等場景中的系統(tǒng)級驗證。

MESO芯片通過“電控—自旋—軌道”多物理機制耦合協(xié)同，突破了傳統(tǒng)自旋器件在功耗、速度、穩(wěn)定性方面的結構性瓶頸，成為自旋芯片發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向之一。未來，隨著材料與器件研究的進一步深化，MESO有望成為構建非馮·諾依曼“存算一體”架構的關鍵路徑。

04

“磁—光—電”三元融合：邁向下一代信息器件

從信息處理的角度來看，磁、光、電三類物理機制在融合體系中各具功能、協(xié)同共生。首先，飛秒激光作為自旋信息的寫入手段，以其超快的自旋動力學響應速度(優(yōu)于1 ps)和非局域自旋角動量轉移等優(yōu)點，可實現(xiàn)對磁化狀態(tài)的超快調控；其次，隧穿磁電阻作為自旋信息的讀出手段，展現(xiàn)出優(yōu)異的器件集成度和CMOS工藝兼容性；第三，磁性材料作為自旋信息的非易失儲存載體，可保證數(shù)據(jù)長期保持而無需能量損耗。通過三類信息載體的協(xié)同耦合，磁光電融合技術可以在速度、能耗與系統(tǒng)集成等關鍵性能上實現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，為發(fā)展多物理機制耦合的新型自旋芯片奠定了基礎。

AOS效應首次由Stanciu等人于2007年在亞鐵磁GdFeCo合金中觀測到[36]，并揭示了超快激光與磁性材料間的直接耦合機制。這一發(fā)現(xiàn)成為自旋光子相互作用領域的里程碑，引發(fā)了對光驅動自旋調控的廣泛關注。為深入揭示AOS過程的微觀機制，研究者開展了時間分辨與元素分辨兼具的X射線磁圓二色譜(XMCD)實驗[66，67]，對飛秒激光激發(fā)下的磁性材料演化過程進行了精準刻畫。圖8展示的實驗結果表明，AOS過程通常表現(xiàn)出“快速退磁—自旋交換—磁矩重建”三階段的動態(tài)行為，并具有典型的超快多體響應特征。在實驗結果基礎上，學術界相繼提出多種理論模型[68—70]，以解釋材料內部自旋、晶格與電子溫度之間的耦合機制。其中，微觀三溫度模型作為代表性框架，將系統(tǒng)劃分為自旋子系統(tǒng)、晶格子系統(tǒng)與電子子系統(tǒng)，揭示了在飛秒尺度下，能量如何在三者之間快速交換，并驅動自旋有序狀態(tài)的演化。這一理論視角不僅拓寬了對AOS動力學過程的認知，也為后續(xù)開發(fā)高效率的磁光調控技術提供了理論支撐。

圖8　飛秒激光激發(fā)下AOS的超快自旋動力學。通過時間分辨XMCD測量，揭示了亞鐵磁材料中AOS“快速退磁(0—0.5 ps)—自旋交換(0.5—2 ps)—磁矩重建(2 ps— )”的動力學特征[67]

隨著AOS效應在材料層面的深入探索，2019年起，學術界開始關注將AOS進一步運用在器件層面，探索與自旋存儲交叉融合的技術潛力[70—73]。相較傳統(tǒng)熱平衡驅動的自旋寫入機制，AOS依托飛秒激光誘導的非平衡態(tài)自旋動力學過程，僅需數(shù)十皮秒即可完成自旋信息的穩(wěn)定寫入，為超快非易失存儲技術提供了全新物理基礎，成為新一代MRAM研究的重要技術路徑。當前，基于“磁—光—電”融合的AOS-MRAM技術受到法國自旋電子中心(SPINTEC)、比利時微電子研究中心(IMEC)、荷蘭拉德堡德大學、美國明尼蘇達大學等國際一流研究機構的系統(tǒng)布局與實質推進。

為推動AOS機制由材料層面邁向集成器件層面，北京航空航天大學團隊于2022年提出并實現(xiàn)了首款皮秒級AOS-MTJ原型器件[10]，致力于探索“磁—光—電”融合路徑下的新型非易失存儲技術。該器件采用亞鐵磁/鐵磁復合自由層結構Gd/Co/Ta/CoFeB/MgO，在保證與自旋芯片工藝完全兼容的基礎上，完成了多層界面的功能協(xié)同優(yōu)化：通過亞納米Ta層實現(xiàn)Co與CoFeB間的RKKY耦合；引入Gd/Co界面驅動自發(fā)AOS，并借助CoFeB/MgO接口實現(xiàn)高隧穿自旋極化率，共同構筑出高度協(xié)同的磁—光—電耦合體系。如圖9所示，飛秒激光經(jīng)物鏡聚焦后寫入AOS-MTJ器件，并在小偏置電流下通過外接電路實時采集器件電阻。典型實驗結果顯示，在單脈沖激光入射時刻，器件電阻在高/低電阻態(tài)之間重復翻轉，分別對應反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)，隧道磁電阻比高于34%。時間分辨磁光克爾實驗驗證了器件在激光寫入中的皮秒級自旋響應，突破了傳統(tǒng)納秒級進動瓶頸；更重要的是，其結構與STT-MRAM工藝平臺高度兼容，為“光寫入—電讀出”機制提供了從“概念驗證”到“工藝中試”的閉環(huán)支撐。

圖9　為推動AOS機制由材料層面邁向器件層面，研究團隊實現(xiàn)了皮秒級AOS-MTJ原型器件 (a)光泵—電測示意圖：飛秒激光脈沖(紅色箭頭)經(jīng)物鏡聚焦至MTJ自由層上方的開口區(qū)域(虛線圓)，在小偏置下通過外接電路實時采集單次飛秒脈沖激發(fā)下的器件電阻；(b)飛秒激光直接調控TMR典型實驗結果：上方紅色箭頭標示每一次約100 fs激光脈沖入射時刻，曲線在高/低電阻值之間重復翻轉，分別對應反平行(AP)與平行(P)磁化狀態(tài)?？梢钥吹剑瑔蚊}沖光激可直接在MTJ中觸發(fā)磁化翻轉并實現(xiàn)“光寫—電讀”，為構筑“磁—光—電”融合的高速非易失存儲器件奠定了一定基礎[10]

值得注意的是，反鐵磁材料在AOS機制下展現(xiàn)出卓越的環(huán)境穩(wěn)定性與超高頻率響應。其零凈磁矩特性使其對外磁場天然不敏感，同時抑制了鄰位擾動與熱噪聲；并且，反鐵磁材料自旋動力學理論頻率可達THz級，比傳統(tǒng)鐵磁材料高了至少1個數(shù)量級，是實現(xiàn)“極限寫入速度”的關鍵候選材料之一。2018年，荷蘭科研團隊在反鐵磁體系中論證了飛秒激光驅動下的超快自旋響應[74]；2023年，北京航空航天大學則在IrMn薄膜中實現(xiàn)了激光誘導的交換偏置調控，進一步拓展了反鐵磁材料在磁存儲體系中的集成路徑[75]。

盡管當前實驗初步論證了AOS超快存儲的可行性，然而進一步實現(xiàn)實用化的關鍵在于能否實現(xiàn)飛秒激光光源的片上集成。目前廣泛使用的鈦寶石飛秒激光器能夠穩(wěn)定輸出所需脈沖，但其體積龐大、重復頻率較低、功耗及成本較高，難以與存儲芯片兼容。近年來，隨著集成光子學的發(fā)展，片上飛秒光源逐漸展現(xiàn)出巨大潛力。然而，片上光源仍受限于輸出能量不足、脈沖控制與熱管理等問題，并難與磁性隧穿結實現(xiàn)高效耦合。因此，如何在集成光子平臺上實現(xiàn)低功耗、小型化且與自旋芯片工藝兼容的飛秒激光光源，已成為AOS-MRAM從概念驗證邁向系統(tǒng)級應用的首要挑戰(zhàn)。

圖10　片上AOS磁存儲概念示意圖 (a)集成光子學驅動的波導—存儲協(xié)同架構：入射高斯脈沖沿片上波導，并結合波分復用選擇性耦合至磁比特陣列

C

C

圍繞上述問題，自2023年起，學術界進一步開展了“片上AOS磁存儲”研究，標志著AOS機制由材料器件層面，跨越至系統(tǒng)化、集成化的新階段(圖10)[76—78]。法國洛林大學團隊基于等離激元諧振結構[79]設計得到納米級金屬天線陣列，實現(xiàn)了激光能量的亞波長局域聚焦與增強共振激發(fā)，在突破衍射極限的條件下有效誘導磁性薄膜實現(xiàn)穩(wěn)定磁化翻轉[80]；與此同時，荷蘭埃因霍溫理工大學的研究團隊運用基于LnP波導平臺結合仿真建模與結構設計[81，82]，展示了“光傳輸—磁寫入”機制在波導級別的可實現(xiàn)性與技術路徑[83]。上述研究進展表明，AOS是集成自旋技術的理想體系，在超快自旋存儲芯片方面展現(xiàn)出一定潛力。

05

總結與展望

自旋電子學作為后摩爾時代極具潛力的新興芯片技術，正從材料物理、器件結構，邁向系統(tǒng)級集成與“磁—光—電”融合架構。在大容量磁存儲方向，HAMR等能量輔助寫入機制通過局域熱激勵突破高密度磁介質的寫入難題，為實現(xiàn)冷數(shù)據(jù)高密度存儲提供了可行路徑。與此同時，MRAM正持續(xù)與CMOS集成電路深度融合。以STT/SOT為代表的寫入機制為進一步實現(xiàn)低功耗、高可靠的非易失存儲芯片奠定了基礎。

基于飛秒激光的AOS機制正在開啟“磁—光—電”三元融合的信息器件新范式。AOS-MRAM具備皮秒級響應速度和極低能耗等物理優(yōu)勢，并且與自旋MRAM芯片、集成光子學等多類技術體系兼容。盡管當前仍面臨材料調控、工藝窗口與系統(tǒng)穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，已有實驗路徑正在從材料驗證向器件原型、片上系統(tǒng)逐步推進，展現(xiàn)出強烈的技術成長性與前瞻價值。

作為展望，“磁—光—電”三元融合存儲在基礎研究和工程應用上蘊含豐富潛力。AOS-MRAM巧妙地實現(xiàn)了“磁—光—電”信息的互相轉化，在速度和能耗方面具有潛在的優(yōu)勢，可助力包括光學神經(jīng)計算在內的新興領域取得更多突破。此外，在基礎研究領域，“磁—光—電”交叉融合將進一步架起自旋電子學、超快光學與集成電路之間的橋梁，在光與自旋的相互作用研究方面取得更多的科學突破。隨著“磁—光—電”耦合機制研究的深入與片上集成工藝的不斷推進，未來自旋信息器件有望在速度、能耗與體系架構等方面實現(xiàn)綜合突破，為后摩爾時代芯片技術的發(fā)展提供重要支撐。

致 謝感謝北京航空航天大學趙巍勝教授對本工作的指導。感謝杭州市北京航空航天大學國際創(chuàng)新研究院楊維博士后、李燊博士后對圖片及參考文獻的整理。

應用物理專題

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《物理》50年精選文章