基本布尔逻辑门的重构方法

中国科学院宁波材料技术与工程研究所杨洪新课题组利用Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用势垒及电控磁斯格明子的手性转换及动力学特性，在理论上实现了单纳米赛道 “异或门”, “或门”, “与非门”等7种基本布尔逻辑门。该成果近期发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR），作者包括中国科学院宁波材料技术与工程研究所于东星博士，格勒诺布尔阿尔卑斯大学Mairbek Chshiev教授和诺贝尔物理学奖得主Albert Fert 教授，通讯作者为杨洪新研究员。    

(a) 不同拓扑荷和螺旋度的奈尔型磁斯格明子；(b)磁斯格明子基单纳米赛道逻辑器件示意图。       构建结构简单、逻辑功能多样且可切换的磁逻辑门是现代信息处理技术发展的一个重要方向。

在这篇文章中，作者提出的磁斯格明子基逻辑门可将器件结构简化至单纳米赛道，并探索了基本布尔逻辑门的重构方法。 

研究者首先借助微磁模拟，并结合第一性原理计算，系统研究了单纳米赛道中磁斯格明子的钉扎、解钉扎、融合、湮灭等动力学行为。在此基础上，他们在二维CrN多铁材料中利用电压调控DMI势垒以及磁斯格明子手性翻转机制，在单纳米赛道上模拟实现了“异或门”, “或门”, “与非门”等7种基本布尔逻辑门的构建及其重构过程。

磁斯格明子基可重构逻辑门的构建思路。(a) “异或门”，(b)“或门”，(c) “与非门”。可分别通过将开关空置，拨向“1”和拨向“2”实现重构。“同或门”，“或非门”，“与门”可分别通过翻转上述三种逻辑门中磁隧道结固定层的磁化方向实现重构。利用(c)中“与非门”的左半边或右半边均可实现“非门”操作。

同时，基于电压门对磁斯格明子钉扎、分流等动力学行为的调控机制，该研究团队还探索了磁斯格明子基晶体管、互补型赛道存储器等其它自旋电子学器件的实现方案。

相对于传统逻辑架构，该研究具有以下核心优势：

1、单纳米赛道可重构逻辑门的设计方案可消除多赛道器件中互联的设备框架，使其在实际应用中能够更容易集成，并大幅提高相关信息处理技术的可靠性；

2、多种布尔逻辑功能可通过电压门在同一纳米赛道中相互切换，可为现代高性能逻辑运算提供一种低功耗、高效率的设计思路。

审核编辑 ：李倩