随着数据存储和计算技术的快速发展，如何有效操控和检测纳米级磁畴壁运动引起了广泛关注。磁畴壁是磁性材料中不同磁化方向区域的边界，其移动可以用于存储信息。为了解决上述问题，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院士团队设计了一种新型的纳米级磁性轨道存储器，通过在磁性轨道沿线布置多个反常霍尔效应装置，能够高精度、无盲点地电学检测磁畴壁的位置。相关结果在Science期刊上发表了题为「Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks」的最新论文。
在磁性轨道中移动的磁畴壁是计算应用中存储内存的有吸引力的候选者。通常，磁畴壁的位置是通过光学方法进行跟踪的。本文设计了一种系统，在轨道沿线放置了多个纳米级霍尔条。研究人员使用这些电传感器同时检测了多个磁畴壁的位置，其空间分辨率比先前使用光学方法所达到的精度高约25倍。——Jelena Stajic
研究背景
随着数据存储和计算技术的快速发展，如何有效操控和检测纳米级磁畴壁运动引起了广泛关注。磁畴壁是磁性材料中不同磁化方向区域的边界，其移动可以用于存储信息。因此，利用磁畴壁运动开发多位存储器，特别是磁性轨道存储器，成为了当前研究的热点。然而，传统的磁畴壁检测方法多依赖于光学成像技术，例如差分磁光克尔效应和扫描透射X射线显微镜。这些方法虽然能够跟踪磁畴壁的运动，但存在分辨率低、只能检测较大尺度的纳米线、需要多次重复实验等局限性。此外，传统轨道存储器在读取磁畴壁时，还需要移动整个存储数据集，增加了时间和能量消耗。
为了解决上述问题，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院士团队在Science期刊上发表了题为「Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks」的最新论文。他们设计了一种新型的纳米级磁性轨道存储器，通过在磁性轨道沿线布置多个反常霍尔效应装置，能够高精度、无盲点地电学检测磁畴壁的位置。这些霍尔效应装置利用自旋极化电流横向产生的电压，可以在不移动存储数据的情况下实时检测轨道内的磁畴壁运动。此外，通过对自旋霍尔层进行几何优化，扩大了检测范围，使得单个霍尔条的检测距离显著增加，达到传统方法的数十倍。
本研究解决了传统光学检测方法分辨率低、覆盖范围有限等问题，成功展示了以优于40纳米的空间分辨率电学跟踪纳米级磁畴壁动态的方法。这一方法不仅为深入理解磁畴壁的动态行为提供了新的视角，还为磁性轨道存储器在未来非传统计算设备中的应用奠定了基础。通过时空测量和多核忆阻器模型的引入，本研究揭示了磁畴壁数据流动的潜在机制，为轨道存储器作为新型计算平台提供了强有力的技术支持。
值得注意的是，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对移动磁畴壁的跟踪，并且达到了优于40纳米的空间分辨率。通过在磁性轨道沿线布置多个反常霍尔效应装置，成功解决了光学检测方法中分辨率不足和盲点问题，首次实现了对多个磁畴壁的高精度检测。
2）实验通过设计几何结构优化的自旋霍尔层，尤其是引入了宽度可调的「铂翼」，显著扩大了霍尔条的检测范围，能够检测距离霍尔条近8微米的磁畴壁。研究显示，随着「铂翼」宽度的增加，检测范围系统性地扩大，进一步验证了该方法的有效性。
3）实验结果表明，通过电学方式追踪磁畴壁的动态，不仅能够深入理解磁畴壁的动态行为，还为开发基于轨道存储器的非传统计算设备提供了理论支持和技术路径。这表明轨道存储器在未来计算技术中具有广泛的应用前景。
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
本文的研究揭示了在纳米级磁性轨道中，移动磁畴壁的电学跟踪技术具有高达40纳米的空间分辨率，显著提高了对磁畴壁动态的理解。这一进展不仅推动了磁性轨道存储器的发展，还为未来的非传统计算设备奠定了基础，超越了传统的二元数字技术。通过对多个磁畴壁的时空测量，研究者能够深入分析其动态行为，从而实现更高效的数据处理和存储。
该研究强调了几何设计的自旋霍尔层和反常霍尔效应在提升检测精度和范围方面的重要性，展示了如何通过优化结构设计来克服传统检测技术的局限。这些发现不仅对磁性存储和计算技术具有深远影响，也为开发新型的自旋电子学器件提供了新的思路。此外，这种电学跟踪方法在微观尺度上的应用，可能会推动更广泛的纳米技术研究，促进新一代计算设备的出现，从而推动信息技术的进一步发展。因此，研究团队的成果展现了纳米级磁性器件在未来科技中的重要潜力。
文献信息：
Jae-Chun Jeon et al. ,Multicore memristor from electrically readable nanoscopic racetracks.Science 386,315-322(2024).
DOI:10.1126/science.adh3419
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