近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室羅昭初研究員課題組與瑞士蘇黎世聯邦理工學院Pietro Gambardella教授、保羅·謝爾研究所Laura J. Heyderman教授合作，針對非共線手性耦合納米磁結構中的磁交換相互作用，實現了電壓調控磁耦合和鐵磁-反鐵磁相變，并在此基礎上設計了可編程的伊辛網絡，實現了可編程邏輯運算和伊辛問題求解器等功能。相關成果以 “固态離子門控的電學可編程納米磁體伊辛網絡”（Electrically programmable magnetic coupling in an Ising network exploiting solid-state ionic gating)為題，于2023年10月11日在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

在自旋電子學領域，電流驅動磁矩的高效翻轉已經成熟地應用于新一代高性能磁随機存儲器中，而磁耦合的電學調控可以用于設計新範式存算一體化器件。耦合納米磁體系統為探索集體現象以及開發各種高性能自旋電子學器件提供了靈活的介觀平台，然而其中的磁耦合通常在器件制備之後被固定而不可調制，這限制了其在可編程運算方面的應用。

在該研究中，合作團隊通過微納加工制備了關鍵尺寸為50nm的手性耦合納米磁體。通過固态電解質施加栅壓，對納米磁體區域中的磁各向異性進行局域調控，進而對近鄰磁體間的交換相互作用進行調制，實現了相鄰納米磁體之間磁耦合的轉變：當局域磁各向異性為面外時，對稱交換相互作用占主導，有利于納米磁體之間平行排列；當局域磁各向異性為面内時，反對稱交換相互作用（即Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）占主導，有利于納米磁體之間反平行排列。将此原理擴展到二維磁晶格中，可以獲得電壓調控的人工自旋冰結構，實現了鐵磁-反鐵磁相變的可逆調控。進一步，通過可尋址地控制每個相鄰磁體間的磁耦合，可以實現可編程伊辛網絡，并展示了其求解組合優化問題的能力，這為設計基于納米磁體的伊辛求解器和神經形态計算機開辟了新途徑。

耦合納米磁體系統示意圖：a.電壓調控反平行（左圖）/平行（右圖）耦合納米磁體器件結構示意圖；b.耦合納米磁體電子顯微鏡圖；c.耦合納米磁體在反鐵磁耦合（左圖）鐵磁耦合（右圖）的磁力顯微鏡結果。

基于此工作，可進一步研究集體現象：例如依賴于磁耦合的磁相圖，混合鐵磁/反鐵磁伊辛人工自旋冰中的相變問題，以及自旋玻璃态中新奇的磁性相。此外，該工作還利用納米磁體設計了可編程的布爾邏輯門，并且對求解組合優化問題的伊辛機器做了概念性驗證演示，為基于納米磁體的非常規計算設備的研究提供了新的研究思路。

beat365官方网站“博雅”博士後贠超、2019級博士生梁中宇為共同第一作者。Pietro Gambardella、Laura J. Heyderman和羅昭初為該論文共同通訊作者。論文主要合作者還包括beat365官方网站楊金波教授、beat365材料科學與工程學院侯仰龍教授以及鋼鐵研究總院有限集團李衛院士和方以坤教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等支持。

論文原文鍊接

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41830-5