Voltage-based magnetization switching and reading in magnetoelectric spin-orbit nanodevices
针对CMOS技术缩放瓶颈与自旋器件高能耗问题，本研究利用BiFeO₃与CoFe的交换耦合、CoFe与Pt的自旋-电荷转换，在室温纳米器件中实现电压控磁化读写，为低功耗后CMOS自旋逻辑器件奠定基础。
2024-10-30 cond-mat.mes-hall
Spin-orbit torque in 3D topological insulator-ferromagnet heterostructure: crossover between bulk and surface transport
利用线性响应理论研究了由铁磁体沉积在三维拓扑绝缘体上构成的异质结构中电流驱动的自旋轨道矩。我们开发了一个紧束缚模型的异质结构，采用最小的界面杂交方案，促进诱导磁交换的拓扑表面状态，以及诱导Rashba样的自旋轨道耦合的铁磁体。因此，我们的模型考虑了自旋霍尔效应从体状态连同反向自旋电流和磁电效应在界面上平等的立足点。通过改变整个能带结构的输运能，我们发现了一个从表面为主的体为主的运输制度的交叉。我们表明，自旋密度分布和自旋轨道力矩的性质在这两个制度有很大不同。我们的研究结果，这与实验观察比较有利，表明最近报道的大阻尼扭矩更可能归因于界面磁电效应，而自旋霍尔扭矩仍然很小，即使在体占主导地位的制度。
2018-03-21 cond-mat.mes-hall
Spin-Orbit Logic with Magnetoelectric Nodes: A Scalable Charge Mediated Nonvolatile Spintronic Logic
随着纳米电子学接近纳米尺度，人们正在进行大量努力，以确定下一个可扩展的逻辑技术，超越互补金属氧化物半导体（CMOS）计算。这样的计算技术需要在减小的尺寸下提高开关能量和延迟，允许改进的互连并提供完整的逻辑/存储器家族。然而，可行的超越CMOS逻辑技术仍然难以捉摸。在这里，我们提出了一个可扩展的自旋电子逻辑器件，通过自旋轨道转换结合磁电开关。建议的磁电自旋轨道（MESO）逻辑，使一个新的范例，继续缩放的逻辑性能接近热力学极限GHz的逻辑（100千吨开关能量在100 ps延迟）。所提出的MESO器件具有很强的可扩展性，并且与器件的临界尺寸成正比，显示出开关能量与尺寸的立方关系（E_m与W^3成正比）和与电压的平方关系（E_m与V^2成正比）。由于自旋轨道效应（例如，逆自旋霍尔效应（ISHE）和逆Rashba-Edelstein效应（IREE））的性质以及电容对尺寸的依赖性，获得了优异的缩放。这些器件的工作电压预计< 100 mV，这使得电压随尺寸和相应的能量降低而缩放的历史趋势有了显著的飞跃。互连电阻是缩放超过10 nm尺寸的关键障碍。我们预测互连电阻的不利影响较小，并表明MESO逻辑适用于高电阻互连（100 μ Ohm.cm-1 mOhm.cm），这开启了使用纳米金属（宽度<体电子平均自由程）或掺杂半导体线（宽度<5 nm）的可能性。这里提出的可扩展的CMOS兼容的非易失性逻辑家族可…
2017-03-05 cond-mat.mes-hall
Theory of nonlinear magnetoelectric transport effects in normal-metal $-$ magnetic-insulator heterostructures
Dahlem Center for Complex Quantum Systems and Physics Department, Freie Universität Berlin（柏林自由大学达勒姆复杂量子系统中心与物理系）
本文提出正常金属-磁性绝缘体异质结构中非线性磁电输运效应的理论，分析了四种贡献的频率和磁化方向依赖性，为实验区分提供框架。
2025-09-18 cond-mat.mes-hall
Nanomagnetic Logic and Magnetization Switching Dynamics in Spin Torque Majority Gates
自旋力矩多数门建模和几个制度的磁化切换（一些导致故障）被发现。确定了STMG和基于STMG的加法器的开关速度和噪声容限，在80 μ A电流下开关时间为3ns，加法器的计算吞吐量与CMOS加法器相当。
2012-12-19 cond-mat.mes-hall
Proposal of a spin torque majority gate logic
提出了一种新的自旋逻辑器件。它是由一个共同的自由铁磁层分离的隧道结从三个输入和一个输出与单独的固定层。它具有多数门的功能，并通过自旋转移力矩进行切换。通过微磁学模拟验证了其逻辑运算的有效性。这种设备与垂直磁化的版本进行检查。切换包括移动畴壁。该器件重复使用了自旋扭矩RAM的大部分材料和结构，并且与CMOS技术完全兼容。
2010-06-23 cond-mat.mes-hall
Domain Wall in a Quantum Anomalous Hall Insulator as a Magnetoelectric Piston
理论研究了动态磁化织构与拓扑绝缘体界面诱导的量子反常霍尔绝缘体态的磁电耦合。特别是，我们提出的量子反常霍尔绝缘体的磁配置的域壁，当接触的电水库，作为一个磁电活塞。移动的畴壁在闭合电路中的电引线之间泵送电荷电流，而施加电偏压引起畴壁的往复运动。这种类似活塞的作用是通过载流子经由畴壁压印的手性模式的有限反射来实现的。此外，我们发现，当与最近发现的自旋-轨道扭矩诱导的畴壁运动在重金属相比，反射系数起着有效的自旋霍尔角的作用，建议的电控制畴壁的效率。定量地，这个有效的自旋霍尔角被发现接近$2$的普适值，提供了一个有效的方案来重新配置可能的存储器和逻辑应用的畴壁手性互连。
2016-02-02 cond-mat.mes-hall
Magnetoelectric control of topological phases in graphene
拓扑反铁磁（AFM）自旋电子学是一个新兴的研究领域，它涉及与AFM序参量N $\acute{\rm e}$ el矢量耦合的拓扑电子态。这些状态的控制设想通过操纵的N $\acute{\rm e}$ el矢量的自旋轨道扭矩驱动的电流。在这里，我们提出了一种不同的方法有利于低功耗AFM自旋电子学，其中的拓扑状态的控制在一个二维材料，如石墨烯，是通过邻近效应的N $\acute{\rm e}$ el矢量的电压感应开关在相邻的磁电AFM绝缘体，如氧化铬。通过对称性保护的边界磁化强度和在石墨烯与氧化铬之间的界面处诱导的Rashba型自旋轨道耦合，石墨烯中出现的拓扑相可以由N $\acute{\rm e}$ el矢量控制。利用密度泛函理论和紧束缚哈密顿方法，我们模拟了石墨烯/Cr_2O_3（0001）界面，并证明了石墨烯Dirac带在K谷和K'谷之间的非对称性.这导致了非常规的量子反常霍尔效应（QAHE），其具有$2e^2/h$的量子化值和接近于$e^2/2h$的值的附加阶梯状特征，以及自旋极化谷霍尔效应（VHE）的出现。此外，根据N $\acute{\rm e}$ el矢量的取向，我们预测了不同的拓扑相在石墨烯中的外观和转换跨越$180^{\circ}$ AFM域壁，涉及QAHE，谷极化QAHE和量子VHE（QVHE），和出现的手性边缘状态沿域壁。这些拓扑性质通过AFM绝缘体的磁电开关由电压…
2019-07-26 cond-mat.mes-hall
Spin torque transistor revisited
本文报道了基于磁绝缘体和自旋霍尔效应两项自主创新的自旋力矩晶体管差分电流增益的改进。由于除了少数例子之外，自旋晶体管缺乏对于许多应用来说必不可少的电流增益，因此与CMOS器件相比，自旋电子学和磁信息技术缺乏必要的功能。在这里，我们表明，负微分电阻和大的微分增益是可能的自旋扭矩晶体管的参数空间的大区域。我们还表明，功能被保留时，控制部分被替换为一个正常的金属膜具有大的自旋霍尔角。
2013-03-19 cond-mat.mes-hall
Magnetoelectric effects in superconductor/ferromagnet bilayers
我们证明了由超导层与相邻的自旋织构铁磁体组成的混合结构展示了源于传导电子自旋和超导电流之间耦合的各种平衡磁电效应。通过推导和求解考虑自旋过滤效应的广义Usadel方程，我们发现超导薄膜中的超导电流产生了与局域铁磁矩不共面的自旋极化。在这种结构中的逆磁电效应被证明是导致在整个磁拓扑缺陷，如畴壁和螺旋自旋织构的自发相位差。讨论了利用超导相位差获得无耗散自旋力矩和探测畴壁运动的可能性。
2019-06-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Kramers Weyl Semimetals as Quantum Solenoids and Their Applications in Spin-Orbit Torque Devices
Kramers Weyl半金属是具有固定在时间反演不变动量处的Weyl点的Weyl半金属。最近发现所有手征晶体在时间反演不变动量处都存在Weyl点，因此具有手征晶格对称性的金属都属于Kramers Weyl半金属范畴。在这项工作中，我们表明，由于手征晶格对称性，Kramers Weyl半金属具有独特的纵向磁电效应，其中的电荷电流诱导的自旋和轨道磁化平行于电流的方向。这一特性使得Kramers Weyl半金属可以作为具有轨道和自旋磁化的纳米级量子晶体。由于Kramers Weyl半金属的运动电子可以产生纵向磁化，Kramers Weyl半金属可以用于新设计的自旋轨道扭矩器件，具有垂直磁各向异性磁体的磁化切换的全电控制。
2021-03-31 cond-mat.mes-hall
Exploring Spin-Transfer-Torque Devices for Logic Applications
随着CMOS接近规划的规模路线图的终点，人们投入了大量精力来寻找可以实现存储器和逻辑的新材料和器件。自旋电子学是后CMOS时代的发展方向之一。虽然自旋电子存储器的潜力是相对众所周知的，实现逻辑仍然是一个开放和关键的挑战。全自旋逻辑（ASL）是近年来提出的一种基于非局域自旋矩原理，利用自旋转移矩（STT）器件实现布尔逻辑的逻辑样式。ASL具有密度高、不挥发、工作电压低等优点。然而，它也有缺点，如低速度和静态功耗。最近的工作表明，在简单算术电路（加法器、乘法器）的背景下，使用利用其独特特性的技术可以大大提高ASL的效率。考虑到已知的优化技术，在广泛的电路中评估ASL是确定其可行性的重要下一步。在这项工作中，我们提出了一个系统的方法合成的ASL电路。我们的方法进行各种优化，有利于ASL，如周期内电源门控，堆叠ASL纳米磁体，细粒度的逻辑流水线。我们利用所提出的方法来评估ASL实现广泛的基准，即随机组合和时序逻辑，数字信号处理电路，和莱昂SPARC3通用处理器的适用性。根据我们的评估，我们确定（i）在快速开关速度下纳米磁体的大电流要求，（ii）全金属器件中的静态功耗，以及（iii）互连中的短自旋翻转长度是限制ASL竞争力的关键瓶颈。
2015-03-23 cond-mat.mes-hall
Magnetic Tunnel Junction Random Number Generators Applied to Dynamically Tuned Probability Trees Driven by Spin Orbit Torque
本文提出用自旋轨道矩驱动pMTJ并结合动态可调概率树直接从任意分布采样，通过蒙特卡罗粒子输运验证性能，并证明其在速度和能耗上优于CMOS与忆阻器RNG。
2023-11-27 cond-mat.mes-hall
Spin-orbit torque generated by amorphous Fe$_{x}$Si$_{1-x}$
虽然大量的工作已经进入自旋-轨道扭矩和自旋电流产生，电荷-自旋转换效率仍然很弱，在硅到目前为止，一般源于低自旋-轨道耦合（低原子序数，Z）和缺乏体晶格反转对称性破缺。在这里，我们报告的非晶，非铁磁Fe $_{x}$ Si $_{1-x}$ /钴双层在室温下，使用自旋扭矩铁磁共振和谐波霍尔测量的自旋轨道扭矩的观察。这两种技术都提供了约3%的最小自旋扭矩效率，与原型重金属如Pt或Ta相当。根据自旋霍尔效应的传统理论，不期望非晶材料中的自旋电流具有来自电子能带结构的任何实质贡献。这与Fe $_{x}$ Si $_{1-x}$不含任何高Z元素的事实相结合，为理解自旋轨道相互作用的基础物理学铺平了新的途径，并开辟了一类新的材料系统-硅化物-它与集成自旋电子学应用的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺直接兼容。
2020-06-14 cond-mat.mes-hall
Magnetoelectric Control of Helical Light Emission in a Moiré Chern Magnet
研究在莫尔MoTe2双层膜中通过极小电流高效控制自发铁磁性与光发射螺旋性，实现了零磁场下三子光致发光螺旋性的连续调节，为基于半导体平坦陈能带的拓扑光自旋电子学铺路。
2025-03-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Materials Relevant to Realizing a Field-Effect Transistor based on Spin-Orbit Torques
自旋轨道力矩是一种很有前途的磁存储器写入机制，而场效应晶体管是逻辑操作的黄金标准器件。自旋-轨道矩场效应晶体管（SOTFET）是一种通过磁电多铁性材料中的转换将自旋-轨道矩控制的铁磁体耦合到半导体晶体管沟道的器件。这使得SOTFET既可以作为存储器又可以作为逻辑器件工作，但其实现取决于适当材料的选择。在这份报告中，我们讨论和参数化的材料类型，可以导致SOTFET异质结构。
2019-12-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Maximizing Spin-Orbit Torque Generated by the Spin Hall Effect of Pt
自旋-轨道力矩的有效产生是自旋-轨道电子学的核心问题。铂是典型的自旋霍尔材料，由于其巨大的自旋霍尔电导率、低电阻率、高稳定性以及与CMOS电路兼容的能力，它有可能成为自旋轨道扭矩的杰出提供者。然而，具有低电阻率的纯清洁极限Pt仍然提供低阻尼类自旋轨道扭矩效率，这限制了其实际应用。增加Pt的自旋霍尔比和界面的自旋跃迁可以显著提高Pt基磁性异质结构的自旋-轨道矩效率。在这里，我们回顾了最近的进展，了解物理的自旋电流产生，界面自旋输运，和计量学的自旋轨道扭矩，并总结了基于Pt的自旋轨道扭矩存储器和逻辑的目标，是快速，高效，可靠，可扩展，和非易失性的进展。
2021-07-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Exploring Ultra Low-Power on-Chip Clocking Using Functionality Enhanced Spin-Torque Switches
新兴的自旋力矩（ST）现象可能会导致超低压，高速纳米磁开关。这种基于电流的开关对于设计低摆幅的全局互连（如时钟网络和数据总线）可能是有吸引力的。在这项工作中，我们提出了使用这种ST开关的低功耗片上时钟的基本思想。对于时钟网络，自旋霍尔效应（SHE）可以用来产生一个辅助场，用于使用摆幅小于100 mV的全局网格时钟的快速ST切换。ST开关作为一个紧凑的锁存器，由超低电压输入脉冲写入。使用高电阻隧道结读取数据。时钟驱动的SHE写辅助可以在大量ST锁存器之间共享，从而减少用于时钟分配的负载电容。SHE辅助可以由低摆幅时钟（~ 150 mV）激活，因此可以促进超低电压时钟分配。由于减少了时钟负载和低电压工作，所提出的方案可以实现97%的低功耗芯片上的时钟相比，最先进的CMOS设计。严格的器件电路模拟和系统级建模所提出的计划将在未来解决。
2013-12-30 cond-mat.mes-hall
Spin-orbit torque switching of Néel order in band-inverted antiferromagnetic bilayer MnBi$_2$Te$_4$
University of Alabama at Birmingham（阿拉巴马大学伯明翰分校）
研究通过第一性原理证明自旋轨道扭矩可直接电控反铁磁双层MnBi₂Te₄的Néel配置，重构其边界谱，并在掺杂下增强扭矩，提供无焦耳加热的无耗散间隙扭矩和增强的电流诱导扭矩控制方法。
2026-04-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantization of magnetoelectric fields
量子相干性涉及宏观自由度，并且发生在远大于单个原子的系统中，是现代物理学的热门领域之一。由于材料的色散，宏观量子电动力学的唯象方法，其中没有正则表达式的尝试，使用。当必须考虑材料结构的几何形状时，问题变得更加复杂。磁饱和准二维铁氧体圆盘中的磁偶极模（MDM）振荡是宏观量子化状态。在这种亚铁磁结构中，电子自旋位置上的长程偶极偶极关联可以用系统整体的集体激发来处理。MDM铁氧体圆盘附近的近场具有空间和时间对称性破缺。这种MDM起源的场，称为磁电（ME）场，携带自旋和轨道角动量。由于独特的拓扑结构，ME场不同于自由空间电磁场。ME场是真空中的量子涨落。我们把这些量子化状态称为ME光子。没有虚拟的电磁光子。我们发现，能量，自旋和轨道角动量的MDM振荡构成的关键物理量，表征ME场的配置。我们表明，真空可以诱导一个MDM铁氧体磁盘，金属壁，和电介质样品之间的卡西米尔扭矩。
2018-01-24 cond-mat.mes-hall physics.optics
Comprehensive and Macrospin-Based Magnetic Tunnel Junction Spin Torque Oscillator Model - Part II: Verilog-A Model Implementation
磁隧道结（MTJ）自旋力矩振荡器（STO）技术的快速发展需要一种分析模型来构建基于MTJ STO的电路和系统，以便在各种应用中评估和利用MTJ STO。在本文的第一部分，一个分析模型的基础上的宏观自旋近似，已被引入和验证，通过比较它与三个不同的MTJ STO的测量。在第二部分中，提出了完整的Verilog-A实现所提出的模型。为了实现可靠的模型，已经提出并成功地采用了再现由MTJ STO生成的相位噪声的方法。实现的模型产生一个时域信号，它保留了工作频率，线宽，振荡幅度和直流工作点的特性，相对于磁场和所施加的直流电流。Verilog-A的实现验证了分析模型，提供了等效的偏置条件的全范围的设备特性。此外，包括MTJ STO和CMOS RF电路的系统进行了模拟，以验证所提出的模型的系统和电路级设计。仿真结果表明，所提出的模型打开了可能性，探索STO技术在广泛的应用。
2015-01-17 cond-mat.mes-hall
Nanosecond True Random Number Generation with Superparamagnetic Tunnel Junctions -- Identification of Joule Heating and Spin-Transfer-Torque effects
本文研究了在直径为50 nm的面内磁化磁性隧道结（MTJ）中的纳秒超顺磁开关。由于小的面内单轴各向异性，小于10 ns的停留时间和自相关时间下降到5 ns的圆形超顺磁性隧道结（SMTJ）的测量。SMTJ表现出磁自由层的概率切换，这可以用于生成真随机数。随机比特流的质量，由我们的SMTJ产生的，与一个统计测试套件（NIST STS，SP 800-22）进行评估，并显示真正的随机性后，三个随机SMTJ比特流的XOR操作。提出了一种用于快速和节能的随机数生成的低封装CMOS电路。我们证明了1或0的概率可以通过自旋转移矩（STT）来调节，而平均比特产生速率主要受电流密度通过焦耳加热的影响。虽然这两种效应总是存在于MTJ中，但焦耳热通常被忽略。然而，在电阻面积（RA）积为15 $Ωμ$ m $^2$且电流密度为1 MA/cm $^2$量级的情况下，隧穿位点处的温度升高导致开关速率的显著增加。由于焦耳加热和STT的规模与电流密度不同，器件设计可以根据我们的研究结果进行优化。
2023-01-13 cond-mat.mes-hall
Terahertz switching of antiferromagnetic order by Néel spin-orbit torques
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Fritz-Haber Institute of the Max Planck Society（马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）；University of Konstanz（康斯坦茨大学）
通过太赫兹电流脉冲在反铁磁体Mn₂Au中实现室温下超快、非热的奈尔向量旋转，展示了电场驱动反铁磁自旋轨道电子学的潜力。
2025-12-29 cond-mat.mes-hall
Spin-Orbit-Torque Driven Propagating Spin Waves
自旋-轨道力矩（SOT）可以驱动一类新兴微波器件中的持续自旋波（SW）自振荡，称为自旋霍尔纳米振荡器（SHNO），其具有高度非线性特性，在直接服从高速神经形态计算的频率下控制鲁棒的相互同步。然而，所有的演示都依赖于通过偶极耦合和/或直接交换相互作用的局部SW模式。由于纳米磁需要传播SW用于数据传输，并且可以使用SW干涉来实现附加的计算功能，所以SOT驱动的传播SW将是非常有利的。在这里，我们演示了垂直磁各向异性如何将磁纳米收缩中SOT驱动的自振荡频率提高到远高于SW间隙的水平，从而有效地产生场和电流可调的传播SW。我们的演示极大地扩展了SHNO的功能和设计自由度，使长距离SOT驱动的SW传播的纳米磁，SW逻辑和神经形态计算，直接与CMOS技术兼容。
2019-04-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Paving Spin-Wave Fibers in Magnonic Nanocircuits Using Spin-Orbit Torque
最近的研究表明，磁性纳米结构中的畴壁可以作为紧凑、节能的自旋波波导，用于构建磁振子器件，这些磁振子器件被认为是克服当今CMOS技术的挑战和瓶颈的有希望的候选者。然而，将长条畴壁压印到磁性纳米线中仍然是一个挑战，特别是在弯曲的几何形状中。在这里，通过微磁学模拟，我们提出了一种方法写入带畴壁弯曲的磁性纳米线使用自旋轨道扭矩。我们采用Y形磁性纳米结构以及S形磁性纳米线来演示注入过程。此外，我们验证了Y形的纳米结构，纳入条带畴壁可以作为优越的自旋波多路复用器，并且可以可控地操纵沿每个管道的自旋波传播。这种基于条形畴壁的自旋波多路复用器有望成为磁振子自旋电子学中的关键信号处理器件。
2017-01-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tuning a binary ferromagnet into a multi-state synapse with spin-orbit torque induced plasticity
受人脑中离子主导的突触可塑性的启发，神经形态计算的人工突触采用与电荷相关的量作为它们的权重。尽管现有的电荷导出的突触仿真，在铁磁器件中控制电子自旋的方案也吸引了相当大的兴趣，由于其低能耗，无限的耐力，和有利的CMOS兼容性的优点。然而，在没有外部磁场的情况下，将二元铁磁体调谐成具有纯自旋主导的突触可塑性的多态存储器的普遍适用的方法仍然缺失。在这里，我们展示了如何突触可塑性的垂直铁磁FM 1层时，它是层间交换耦合的另一个面内铁磁FM2层，其中磁场自由电流驱动的多状态磁化切换的FM 1在Pt/FM 1/Ta/FM 2结构是由自旋轨道扭矩引起的。我们使用电流脉冲来设置垂直磁化状态，作为突触的重量，并证明自旋电子实现的兴奋性/抑制性突触后电位和尖峰时间依赖的可塑性。这种功能是可能的，通过在平面内层间交换耦合场的作用，导致加宽，多状态的磁反转特性。数值模拟，结合一个单一的垂直磁化Pt/FM 1/Ta结构的参考样品的调查，揭示了加宽是由于在平面内的场分量调谐的自旋轨道扭矩的效率，以驱动域壁的景观不同的钉扎电位。因此，我们的Pt/FM 1/Ta/FM2结构内的传统的二进制FM 1与固有的面内耦合场被调谐成一个多状态的垂直铁磁体，并表示神经形态计算的突触模拟器。
2018-10-22 cond-mat.mes-hall
Physics-Based Models for Magneto-Electric Spin-Orbit Logic Circuits
自旋电子器件由于其能量效率和与CMOS的兼容性，是一种有前途的超CMOS器件选择。为了准确地捕捉它们的多物理动力学，需要严格处理自旋和电荷以及它们之间的相互转换。在这里，我们提出了基于物理的设备模型的基础上的4x 4矩阵的自旋轨道耦合部分的磁电自旋轨道（MESO）设备。基于Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）和Landau-Khalatnikov（LK）方程，提出了一个更严格的铁电和磁电开关的物理模型。在SPICE电路仿真环境中实现了组合模型，仿真结果表明MESO实现的可行性和缓冲器，振荡器和多数门的功能操作。
2021-10-21 cond-mat.mes-hall cs.ET physics.app-ph
Materials Requirements of High-Speed and Low-Power Spin-Orbit-Torque Magnetic Random-Access Memory
随着自旋轨道力矩磁性随机存取存储器（SOT-MRAM）作为下一代低功耗、高速片上高速缓存存储器的广泛应用，分析其与CMOS存取晶体管集成时实现亚ns和~fJ写入操作所需的磁性隧道结（MTJ）特性变得至关重要。在本文中，一个2 T-1 MTJ单元级建模框架的面内型Y SOT-MRAM表明，高自旋霍尔电导率和适度的SOT材料的方块电阻是首选。我们基准写能量和速度性能的Y型SOT电池的各种SOT材料的基础上，实验报道的文献中，包括重金属，拓扑绝缘体和半金属。然后，我们进行了详细的SOT材料Pt，β-W，BixSe（1-x）与不同的厚度和电阻率的基准。我们进一步讨论了如何扩展我们的2 T-1 MTJ模型来分析SOT-MRAM的其他变体，包括垂直（Z型）和X型SOT-MRAM，双端SOT-MRAM，以及自旋转移矩（STT）和电压控制磁各向异性（VCMA）辅助的SOT-MRAM。这一工作将为SOT-MRAM材料、器件和电路的研究提供重要的指导。
2020-05-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Spin-orbit torque based physical unclonable function
本文介绍了基于物理不可克隆函数（PUF）的自旋轨道转矩MRAM（SOT-MRAM）的概念。将PUF的秘密存储到垂直SOT-MRAM矩阵的随机状态中。在这里，我们通过实验和微磁模拟表明，这种随机状态是由SOT激发的存储器的自由层的固有非线性动力学驱动的。详细地，足够大的电流沿着面内方向驱动磁化。一旦电流被移除，面内磁状态变得不稳定，随机地向两个垂直稳定配置之一演变。此外，混合CMOS/自旋电子学模型被用来评估与16 × 16 SOT-MRAM单元的阵列实现的PUF的电特性。除了对电压和温度变化的鲁棒性之外，基于这种PUF方案的硬件认证还具有优于其他PUF技术的其他优点，例如非易失性（待机模式下无功耗），可重新配置性（秘密可以重写）和可扩展性。我们相信，这项工作是一个步骤向前的自旋电子器件的安全应用的设计。
2019-10-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Ultra-High Density, High-Performance and Energy-Efficient All Spin Logic
所有自旋逻辑门采用多个纳米磁体通过使用非磁性通道的自旋扭矩相互作用。紧凑性，非易失性和超低电压操作是ASL的一些有吸引力的特性，而低开关速度（与CMOS门相比，纳米磁体）和静态功耗可以被确定为主要瓶颈。在这项工作中，我们探索设计技术，利用特定的设备特性的ASL，以克服效率低下，并提高这种技术的优点，对于一组给定的设备参数。我们利用纳米磁体的非易失性来模拟可以实现更高性能的全流水线ASL。与纳米磁体相比，流水线ASL中的电源的时钟将需要CMOS晶体管，其可能消耗显著大的电压净空和面积。我们表明，使用泄漏晶体管可以显着减轻这种瓶颈，而不牺牲能源效率和鲁棒性。利用ASL中偏置电荷电流和自旋电流路径之间的固有隔离，我们提出堆叠多个ASL金属层，从而实现超高密度和节能的3-D计算块。FIR滤波器的设计结果表明，ASL可以实现的性能和功耗与CMOS相比，而超高密度的ASL可以被投影作为其相对于CMOS的主要优势。
2013-08-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall
All-electrical detection of the spin-charge conversion in nanodevices based on SrTiO3 two-dimensional electron gases
本文在基于SrTiO3二维电子气的纳米器件中实现全电学自旋注入与逆Edelstein自旋-电荷转换，通过背栅调控优化信号并排除伪效应，为后CMOS低功耗计算架构提供新思路。
2023-09-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Spin-Orbit Torque Devices for Hardware Security: From Deterministic to Probabilistic Regime
保护知识产权（IP）已成为芯片设计人员面临的严峻挑战。大多数对策都是针对CMOS集成而定制的，并且往往会导致额外的电路或器件级修改造成的过度开销。另一方面，功率密度是亚50纳米节点的关键问题，需要替代设计概念。虽然最初是为容错应用程序量身定制的，但不精确计算已经成为一种通用设计技术。目前正在探索新兴设备，以实现用于不精确计算应用的超低功耗电路。在本文中，我们量化了使用新兴设备的不精确计算的安全威胁。更具体地说，我们利用固有的多态性和可调的随机行为的自旋轨道力矩（SOT）设备，特别是，巨大的自旋霍尔效应（GSHE）开关。我们直接在GSHE设备级别同时启用IP保护（通过逻辑锁定和加密），用于确定性和概率计算。我们使用最先进的布尔可满足性（SAT）攻击进行了全面的安全分析;这项研究表明，我们的GSHE原语在为确定性计算量身定制时具有卓越的弹性。我们还演示了概率计算如何阻止大多数（如果不是全部）现有的SAT攻击。基于这一发现，我们提出了一种攻击方案称为概率SAT（PSAT），它可以绕过逻辑锁定和不精确计算方案的加密提供的防御。此外，我们说明了如何仔细应用我们的GSHE原语可以保持安全，即使在应用程序的PSAT攻击。最后，我们还讨论了侧信道攻击和侵入式监控，这可以说是比SAT攻击更值得关注的威胁。
2019-03-31 cond-mat.mes-hall cs.CR cs.ET
