[科普中国]-全自旋逻辑器件

全自旋逻辑器件在内部和逻辑门层面均采用自旋作为状态变量来进行信息的处理和传递， 该器件利用纳磁体的磁化方向表征和存储信息， 利用自旋电流来传输和处理信息， 具有结构简单、集成密度高、体积小且可持续缩小等优点。

简介自旋电子器件 (spintronics) 是利用电子的自旋而不是传统的电子电荷作为状态变量来处理和存储信息的新型电子器件，由于电子的自旋极化和输运只需要非常小的电流来控制，并且自旋反转是瞬间完成的，所以自旋电子器件具有超低功耗、非易失性、能持续缩小等优点，这些特点使自旋电子器件有可能成为未来纳电子器件的重要候选者。但传统的自旋电子器件只是利用自旋作为内部变量，在逻辑门层面依然采用电子电荷作为状态变量，因此需要附加硬件结构来进行自旋信息与电荷信息间的不断转换，部分抵消了自旋作为状态变量进行逻辑运算的优势，同时也增加了器件电路的复杂度和功耗。全自旋逻辑器件在内部和逻辑门层面均采用自旋作为状态变量来进行信息的处理和传递，该器件利用纳磁体的磁化方向表征和存储信息，利用自旋电流来传输和处理信息，具有结构简单、集成密度高、体积小且可持续缩小等优点。1

自旋逻辑器件与全自旋逻辑器件对比过去的自旋逻辑器件和当今的自旋逻辑器件，有着共同的特点以及不同的工作原理。共同之处在于都利用的是非本地的自旋信号，而且都是由流产生场，进而携带着所需要的信息进行存储。但是二者之间的差异也是相当明显的，过去的逻辑器件采用放大非本地自旋电流加上安培磁场从而翻转磁性进行存储，现在提出新的策略，那就是直接利用这种非本地自旋电流去翻转，交流信号通过输入和输出磁铁之间非相邻的选择性路线进行传递。

基本工作原理

这种全自旋逻辑器件的基本工作原理如下：利用自旋矩效应翻转磁场，输入磁铁产生一个自旋流通过自旋耦合轨道（spin-coherent channel）到达预定位置，最终决定输出磁铁的最终状态。

在这个过程中我们要关注能量和信息的来源、去向以及传递这些能量和信息的方法，有两种不同的策略：

一是输入磁铁提供信息，电压提供能量，二者通过自旋流传递；

二是输入磁铁通过自旋流提供信息，电压提供能量。当负压降注入平行的自旋流时，输出磁铁以及输入磁铁成平行关系；而正压降注入平行态自旋流时，当负压降注入平行的自旋流时，输出磁铁以及输出磁铁的磁性成反平行关系。2

特点全自旋逻辑器件有以下五大特点：

concatenability可合并性：相同的结构之间能够进行自由组合；

non-linearly非线性：仅仅具有平行与反平行的这两种状态，对应数字电路中的0,1；

feedback elimination反馈抑制：输入输出不可逆；

gain获得：能量来源于外界激励，power supply；

a complete set of Boolean operations一套完整的布尔操作，由于是逻辑器件，就需要完成一定的逻辑运算功能。2

需要解决的问题结构统一基于这种工作原理的全自旋逻辑器件，科学家们希望在结构上能够得到统一。

典型情况下，输入磁铁的磁性是固定的状态，而输出磁铁是自由状态；该阶段输出需要作为下一阶段的输入，所以在结构上统一就可以更加方便地达到这个目的，但是与此同时，又希望这个输入-输出的过程是不可逆的（无反馈）。于是，提出了两种解决办法，一是，针对输入的过程，增强自旋注入的隧穿界面，可以考虑利用一些注入半导体/金属的材料，针对输出的过程，需要低阻界面去抑制后注入的自旋流（back-injection of spins）；或者在隧道中采用更小的信号来抑制反馈。2

注入自旋流效率低

另外就是注入自旋流效率低的问题。自旋流从铁磁结构注入半导体效率低，可以采用注入更大的自旋流以达到自旋积累来克服效率低的问题；或是利用较低的自旋积累——（转移信号）transfer signal。这是一种非常前沿的概念，过去，在平行和反平行两种状态之间转换，就需要跨越能量势垒，现在，我们将输出磁铁置于高能量状态，在能量上来看正是处在势垒最高点，transfer signal使其有向平行或反平行倾斜的趋势。给固定层施加电压能量来源）将输出的磁铁置于高能状态，积累固定层磁性方向的自旋，这给输出磁铁施加了非本地的自旋矩置于高能状态。在仿真当中，科学家验证了这种方法的可行性，另外他们发现相同数量的翻转磁性的自旋矩也可以做到这一点，在有热扰动以及其他非理想因素的情况下，在轨道中需要产生矩作用在输出磁铁上的transfer signal 只需要翻转磁性矩的十分之一，因为仅仅需要提供一个偏置。在这个过程中，有两个场需要克服，存在于薄层界面的单轴场令磁性更倾向于两种固定状态，而面外的消磁场，则倾向于保持面内磁性，难以置于高能量的中间状态，所以抑制这两种场可以有效降低翻转电压/电流。2

布尔操作

对于设计一套完整的布尔操作问题，科学家们首先从与或门入手，发射状态中，A门偏置电压给输入磁铁，传输transfer signal给输出磁铁，接收状态中，A门电压施加给输出结构，置于高能中间状态，做好接收信息的准备，最终状态取决于输入磁铁发射过来的transfer signal，等待状态中无电压。再根据上文中所提及的全自旋逻辑器件基本工作原理，就能够得到与或门结构。偏置电压的极性决定了是正相（COPY），还是反相（NOT），这样我们就可以利用这些基础的逻辑器件去拼接成其他的逻辑器件。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学