中國科學院寧波材料技術與工程研究所楊洪新課題組利用Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用勢壘及電控磁斯格明子的手性轉換及動力學特性，在理論上實現了單納米賽道“異或門”, “或門”, “與非門”等7種基本布爾邏輯門。該成果近期發表在《國家科學評論》（National Science Review, NSR），作者包括中國科學院寧波材料技術與工程研究所于東星博士，格勒諾布爾阿爾卑斯大學Mairbek Chshiev教授和諾貝爾物理學獎得主Albert Fert教授，通訊作者為楊洪新研究員。

(a) 不同拓撲荷和螺旋度的奈爾型磁斯格明子；(b)磁斯格明子基單納米賽道邏輯器件示意圖。 構建結構簡單、邏輯功能多樣且可切換的磁邏輯門是現代信息處理技術發展的一個重要方向。

在這篇文章中，作者提出的磁斯格明子基邏輯門可將器件結構簡化至單納米賽道，并探索了基本布爾邏輯門的重構方法。

研究者首先借助微磁模擬，并結合第一性原理計算，系統研究了單納米賽道中磁斯格明子的釘扎、解釘扎、融合、湮滅等動力學行為。在此基礎上，他們在二維CrN多鐵材料中利用電壓調控DMI勢壘以及磁斯格明子手性翻轉機制，在單納米賽道上模擬實現了“異或門”, “或門”, “與非門”等7種基本布爾邏輯門的構建及其重構過程。

磁斯格明子基可重構邏輯門的構建思路。(a) “異或門”，(b)“或門”，(c) “與非門”。可分別通過將開關空置，撥向“1”和撥向“2”實現重構。“同或門”，“或非門”，“與門”可分別通過翻轉上述三種邏輯門中磁隧道結固定層的磁化方向實現重構。利用(c)中“與非門”的左半邊或右半邊均可實現“非門”操作。

同時，基于電壓門對磁斯格明子釘扎、分流等動力學行為的調控機制，該研究團隊還探索了磁斯格明子基晶體管、互補型賽道存儲器等其它自旋電子學器件的實現方案。

相對于傳統邏輯架構，該研究具有以下核心優勢：

1、單納米賽道可重構邏輯門的設計方案可消除多賽道器件中互聯的設備框架，使其在實際應用中能夠更容易集成，并大幅提高相關信息處理技術的可靠性；

2、多種布爾邏輯功能可通過電壓門在同一納米賽道中相互切換，可為現代高性能邏輯運算提供一種低功耗、高效率的設計思路。

審核編輯 ：李倩