傳統(tǒng)的硅基集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，但也逐漸逼近了功耗和尺寸的極限。為突破傳統(tǒng)以電荷為信息載體的馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)限制，研究人員提出了利用電子自旋作為信息載體的自旋邏輯器件，這類器件因低功耗、內(nèi)存與邏輯一體化等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。然而，目前多數(shù)的自旋邏輯器件僅僅利用電流的大小（標(biāo)量）來控制磁矩的狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能需要更多的器件，從而限制了自旋邏輯器件的實(shí)際應(yīng)用。

為了解決這一挑戰(zhàn)，新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系陳景升教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)張躍教授、山西師范大學(xué)許小紅教授和上海交通大學(xué)劉亮教授等科研團(tuán)隊(duì)，提出了一種基于電流方向（矢量）的自旋邏輯器件——電流矢量加法器（current vector adder）。相關(guān)研究成果以“Spin logic enabled by current vector adder”為題發(fā)表在國際期刊《Nature Communications》上。

圖1 電流矢量加法器工作原理示意圖。(a) 兩個矢量相加示意圖。(b) 電流矢量在器件中心疊加的有限元仿真結(jié)果。(c) L11 CuPt/CoPt材料中的三種不同電流矢量疊加情況。

不同于傳統(tǒng)的標(biāo)量電流自旋邏輯器件，該團(tuán)隊(duì)提出的電流矢量自旋邏輯器件將輸入電流的方向作為一個新的邏輯變量。輸入電流的方向被視為矢量，通過對輸入矢量進(jìn)行矢量加法操作，疊加后的方向決定了輸出狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了更加復(fù)雜的邏輯功能。

圖2 L11 CuPt/CoPt器件的結(jié)構(gòu)及電流矢量疊加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a) 器件的掃描透射電子顯微鏡圖像。(b) 器件光學(xué)顯微圖像。(c) 垂直磁化的異?；魻栃?yīng)信號。(d-f) 不同輸入電流方向的疊加實(shí)驗(yàn)。(g-i) 外加磁場驗(yàn)證矢量疊加方向的實(shí)驗(yàn)。

該研究以L11晶體結(jié)構(gòu)的CuPt/CoPt異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用其特殊的三重旋轉(zhuǎn)對稱性，成功實(shí)現(xiàn)了電流矢量的疊加。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電流沿晶體特定方向流動時，磁化狀態(tài)可以精確反映疊加電流矢量的方向，這使得單個器件即可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的邏輯功能。

圖3 可重構(gòu)的布爾邏輯門示意圖。(a) 器件光學(xué)圖像與邏輯輸入輸出示意。(b) AND/OR門的真值表。(c) AND邏輯操作，用MOKE信號和霍爾電壓讀取結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)成功在單一器件中實(shí)現(xiàn)了包括與（AND）、或（OR）、與非（NAND）、或非（NOR），甚至更復(fù)雜的蘊(yùn)含（IMPLY）等基本布爾邏輯門操作，并僅使用兩個器件即實(shí)現(xiàn)了全加器功能。經(jīng)仿真驗(yàn)證，與統(tǒng)的自旋邏輯器件相比，該電流矢量加法器結(jié)構(gòu)的全加器面積、功耗、延遲方面展示出了明顯的優(yōu)勢。

本工作證明了電流矢量作為新型物理狀態(tài)變量在自旋邏輯中的巨大潛力，為高效低功耗的自旋電子學(xué)邏輯與計(jì)算器件開辟了新思路，為未來集成電路技術(shù)的發(fā)展提供了重要的新路徑。

該工作通過使用TuoTuo Technology的無掩模光刻機(jī)完成了所有vector adder器件的制備工作。

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articles/s41467-025-58225-3