“信息的高速非易失性写入”是新型存储器所追求的目标之一，也是未来存算一体技术发展的关键。如何实现器件在高速信息写入时的动态过程探测和动力学机制研究，是重要的科学问题。

近日，清华大学信息国家研究中心联合德国慕尼黑工业大学等研究团队，在磁存储器件的超快自旋动力学探测方面取得重要进展。研究团队采用时间分辨的磁光克尔探测技术，结合空间分辨的微磁学模拟，首次报道了自旋轨道矩（Spin-orbit torque）磁存储器件在百皮秒时间尺度下的信息写入过程和自旋动力学机制，并实现了器件超快的多值存储和交换偏置调控。该成果对于推动高速磁随机存储器的发展，及其在存算一体、神经拟态计算方面的应用具有重要意义。

背景介绍

利用电子自旋作为信息载体的磁随机存储器（MRAM），在速度、耐久性、功耗等方面具有不可替代的优越性，被认为是最有前景的新型存储器之一。由于其兼具高速缓存的快速读写和外部存储的非易失性，有望通过“非冯诺依曼”的存内计算架构，解决制约计算系统性能的“存储墙”问题。因此，“高速的非易失性写入”是新型存储器和未来存算一体技术发展的核心。

随着基于自旋转移矩（STT）的第二代磁随机存储器STT-MRAM的发明，MRAM迈出了商业化的重要一步。然而其存在写入速度瓶颈（不低于5ns），很难应用到更快、更低级别的高速缓存（L1/L2）。增益速度需要增加流过隧道结的写入电流，导致器件耐久性的下降。相较于STT-MRAM，基于自旋轨道矩（SOT）的第三代磁随机存储器SOT-MRAM，将编程和读取路径分离，读写速度、抗击穿、耐久性等性能大幅提升，电学擦写速度可快至210ps，有望成为面向高速缓存的领先存储技术。如何探索SOT器件的信息读写速度极限，解析其“0”和“1”两种存储状态之间超快的动态切换过程，阐明其磁矩翻转的动力学机制亟待研究突破。

成果简介

为攻克自旋器件在极限写入速度时难以探测自旋状态的瓶颈，研究团队提出采用超快光电协同的磁动力学探测方法，设计开发了高速协同的光-电-磁耦合测试系统，突破了超快时空分辨的“电学泵浦+光学探测”的核心技术。采用数百皮秒脉冲电流对SOT器件进行信息写入，同时利用时间和空间分辨的微区磁光克尔效应，探测器件“0”和“1”之间的磁矩状态在100ps时间分辨率下的翻转过程，相较于传统准静态的电学探测时间（μs）提升了4个数量级。

图1 超快磁光克尔测试系统及器件结构示意图（上），时间分辨的多值磁化状态写入过程（下）。

研究表明，通过在SOT器件中引入“铁磁/反铁磁”交换偏置结构，不仅可以利用其有效交换偏置场，实现无需外磁场的信息写入操作，还能够克服热稳定性的挑战，提升信息写入速度。得益于反铁磁界面的多畴磁结构，实现了器件的多值存储，并可以通过外磁场、电流脉冲宽度、脉冲电流大小等灵活调控。更重要的是，这种多值存储过程可以在百皮秒到纳秒的时间尺度完成，并在电学脉冲撤掉之后稳定保持，克服了以往器件由于热效应带来的弛豫现象。同时，该研究首次证明，界面交换偏置磁结构也可以被1ns的电流脉冲高速翻转，为高热稳定的反铁磁MRAM器件的应用提供了技术基础。

此外，具有可解释性的自旋动力学是磁存储器件的一个重要优势。研究工作进一步通过空间分辨的微磁学模拟计算，解析了SOT器件中铁磁/反铁磁界面的磁畴演化过程，在纳米微区尺度证实了铁磁和反铁磁磁畴的超快协同翻转。未来，通过设计基于新材料、新结构、新机理的反铁磁SOT-MRAM器件，有望进一步提升器件写入速度并降低功耗，推动MRAM在神经拟态计算、存算一体等领域的应用。

图2 1ns脉冲电流驱动的交换偏置场变化（上），时间与空间分辨的磁化翻转过程的微磁学模拟计算（下）。

上述成果于2022年11月28日以“Time-resolved detection of spin–orbit torque switching of magnetization and exchange bias”为题发表在国际知名期刊《自然·电子》（Nature Electronics）上，清华大学信息国研中心副研究员、德国洪堡学者王钰言为论文共同第一作者和通讯作者，清华大学戴琼海院士、吴华强教授、宋成教授是论文的共同作者。研究工作得到德国洪堡基金、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、德国科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00870-3

全文预览：https://rdcu.be/c0zAz