30、高效节能存储与计算的纳米磁与自旋电子器件

高效节能存储与计算的纳米磁与自旋电子器件

在当今对节能计算和存储设备需求日益增长的背景下，纳米磁和自旋电子器件展现出了巨大的潜力。本文将深入探讨这些器件的工作原理、性能特点以及应用前景。

1. 混合开关方案（STT + SAW）

在存储单元的写入操作中，为了确保数据的写入特异性，即明确写入哪个特定单元，采用了一种混合开关方案，结合了自旋转移矩（STT）和表面声波（SAW）。具体来说，SAW 单独无法翻转磁致伸缩层的磁化方向，必须同时有 SAW 和 STT 才能实现翻转。这样，只有注入自旋极化电流的单元才能切换到所需状态，而其他单元不受影响，从而保证了未寻址单元中存储的数据不被损坏。

实验表明，在 SAW 参数使得每个单元产生的峰值应力等于 6.1 MPa 的临界应力时，以 >99.99% 的概率切换寻址单元所需的最小自旋极化电流为 10.5 mA。如果仅使用 STT 进行切换（应力 = 0），在室温下以 >99.99% 的概率切换所需的最小电流为 23 mA，并且需要持续整个 5 ns 的半周期（而不仅仅是 2.5 ns 的四分之一周期）。因此，采用混合开关方案（STT + SAW），写入电流降低了 2.2 倍，电流持续时间降低了 2 倍。

在没有任何自旋极化电流的情况下，只要峰值应力保持在 6.1 MPa 或以下，SAW 在 5 ns 内切换磁体的概率 <0.01%，这进一步确保了 SAW 不会损坏未寻址单元。

混合方案中切换磁体所消耗的能量主要有三个来源：由于吉尔伯特阻尼在磁体中耗散的能量、SAW 耗散的能量以及自旋极化 STT 电流耗散的能量。对于 SAW 光束宽度为 5 μm、频率为 100 MHz（半周期 = 5