畴壁 (DW) 是两个相邻磁畴之间的边界。对纳米结构中这些边界的电操作最终可能会导致开发新的计算系统来存储和处理信息。比利时 IMEC 的研究人员最近开发了具有垂直磁隧道结 (MTJ) 作为写入/读取组件的新型 DW 设备。发表在Nature Electronics 上的一篇论文中介绍的这些设备由多个 MTJ 组成，这些 MTJ 通过纳米轨道磁性互连。写入/读取组件可以实现与现有磁性随机存取存储器技术相当的性能，而 MTJ 之间的快速 DW 运动可以通过自旋轨道扭矩控制。
“在基于 DW 的设备中，输入信息被编码到磁道中的磁域中，然后使用 DW 沿磁道的运动来操作设备，”负责这项研究的 IMEC 研究员 Van Dai Nguyen 告诉技术探索。“这些设备的关键特征是 DW 的运动可以以任意形式的磁道传输。”
在过去的几年里，电子工程师开发了各种不同的基于 DW 的设备，这些设备具有超高的存储密度、低功耗和灵活的设计。这些包括赛道记忆、自旋逻辑和神经形态计算设备。
DW 设备通常具有三个主要组件，每个组件都有特定的功能。第一个负责在磁道上生成 DW(即写入过程)，第二个负责将 DW 从输入沿 DW 导管层传输到输出(即传输过程)，最后一个使用输出来检测 DW 的到达(即读取过程)。
“在过去的十年中，研究主要集中在探索不同材料中新的物理机制以实现快速 DW 运动，”博士 Eline Raymenants 说。进行这项研究的 IMEC 候选人说。“这些发现为高性能器件中 DW 导管层的材料提供了多种选择。然而，到目前为止，还没有在纳米尺度上通过实验证明完整的功能 DW 器件。”
尽管许多工程师，尤其是自旋电子学领域的专家，一直在理论上探索 DW 器件的潜力，但迄今为止，这些器件的实际实现已被证明是极具挑战性的。造成这种情况的一个关键原因是，研究人员目前缺乏在纳米尺度上读写 DW 的电子手段。
Nguyen 和他的同事通过实现基于具有电读写能力的垂直 MTJ 的完全操作 DW 设备以及通过自旋轨道扭矩的快速 DW 运动，能够克服这些限制。在他们的纳米级 DW 设备中展示全电控制可以为开发超越 CMOS 自旋逻辑、跑道存储器和神经形态计算设备的新 DW 设备铺平道路。
自旋扭矩多数门 (STMG) 设备使用畴壁运动和磁性隧道结读/写来执行多数运算(左)和三输入一输出多数门(右)的真值表。图片来源：Raymenants 等人。
大多数现有的读写 DW 方法都基于使用外部磁场或传统 MTJ，这与高速 DW 运动不兼容。使用这些方法制造的器件还具有与其制造工艺的蚀刻图案化步骤相关的限制。
“为了克服这些挑战，我们开发了一种混合自由层 MTJ 堆栈，其中用于 DW 传输的第二个自由层被合并到传统的 MTJ 堆栈中，”Nguyen 说。“我们基于混合自由层设计的 DW 设备同时受益于当前磁性随机存取存储器技术的节能写入和读取过程，以及独立 DW 导管层中的快速 DW 运动。”
Nguyen 和他的同事设计的独特设计使他们能够独立优化材料以实现快速 DW 传输，同时在大规模集成到设备上时还降低了对工艺引起的损坏的敏感性。从理论上讲，这种方法可以将 DW 导管层中具有高 DW 速度的任何材料集成到高性能 DW 器件中，包括铁磁材料和合成反铁磁材料或亚铁磁体。
“作为一个例子，我们证明了基于合成反铁磁体的 DW 导管与铁磁体相比，具有实现可靠 DW 运动和更快写入速度的潜力，”Raymenants 说。“我们还表明，我们的设备提供了在纳米级操作模式下探索 DW 动力学物理学的可能性，其中当前的磁成像技术在低尺寸的完全集成设备中变得无效。”
IMEC 的研究人员团队以及他们在巴黎萨克雷大学和英特尔公司的合作者收集的研究结果可以增强当前对 DW 设备的理解，同时还可以开发基于先进 DW 导管材料的更先进技术。值得注意的是，他们提出的混合 DW 器件设计有助于实际实现基于 DW 的器件和其他自旋电子器件，包括基于斯格明子和自旋波的器件。
Raymenants 和合著者在他们的论文中提出的设备是使用 IMEC 的 300 毫米 CMOS 晶圆厂在全晶圆上制造的。这意味着它们相当容易复制并且与其他现有电子元件高度兼容。
到目前为止，研究人员仅使用他们的设计来演示全功能 DW 设备的最基本操作。因此，要实现他们的设备并针对实际应用进行测试，还有很长的路要走。
下一步，Nguyen 和他的同事将尝试使用他们的设计来创建自旋扭矩多数门器件，从而实现功能而不是尺寸缩放。已发现自旋扭矩多数门器件非常有前途，因为它们可以通过降低逻辑电路的复杂性来提高能源效率。这项工作目前得到英特尔公司的 Beyond CMOS 计划的支持。
“最简单的多数门版本具有三个输入和一个输出，”Nguyen 说。“如果超过 50% 的输入为‘真’，则输出变为‘真’，”这是一个民主的自旋逻辑设备。在自旋转矩多数门提议中，在每个输入磁隧道结处产生的大部分 DW 将合并在 DW 导管层中并传播到输出磁隧道结，以通过隧道磁阻读取。”