自旋电子器件是传统计算机芯片的有吸引力的替代品，它提供了高能效的数字信息存储，也比较容易大规模制造。然而，与传统的电子芯片相比，这些依靠磁存储器的设备仍然受阻于其相对缓慢的速度。在《自然电子学》杂志上发表的一篇论文中，一个国际研究小组报道了一种新的磁化切换技术--用于将信息 "写入 "磁存储器的过程--比最先进的自旋电子器件快近100倍。这一进展可能会导致开发用于计算机芯片的超快磁存储器，即使在没有电源的情况下也能保留数据。

在这项研究中，研究人员报告说，使用极短的6皮秒电脉冲来切换具有高能效的磁性设备中薄膜的磁化强度。皮秒等于万亿分之一秒。

该研究由在法国洛林大学L'Institut Jean Lamour工作的法国国家科学研究中心（CNRS）研究员Jon Gorchon领导，加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授Jeffrey Bokor和加州大学河滨分校机械工程和材料科学与工程助理教授Richard Wilson合作。该项目开始于加州大学伯克利分校，当时Gorchon和Wilson是Bokor实验室的博士后研究员。

在传统的计算机芯片中，二进制数据的0和1被存储为单个硅晶体管的 "开 "或 "关 "状态。在磁存储器中，这种同样的信息可以存储为磁化的相反极性，通常被认为是 "上 "或 "下 "状态。这种磁存储器是磁硬盘存储器的基础，该技术用于存储云端的大量数据。

磁性存储器的一个关键特征是数据是 "非易失性 "的，这意味着即使在没有施加电力的情况下，信息也会被保留下来。

"将磁存储器直接集成到计算机芯片中一直是一个长期追求的目标，"Gorchon说。"这将使芯片上的本地数据在电源关闭时得以保留，而且它将使信息的访问速度远比从远程磁盘驱动器中拉入更快。"

用于创建超快磁化开关的实验设计示意图。在实验中，一个光泵被导向光导开关，它将光转化为6皮秒的电脉冲。该结构引导这些脉冲朝向磁体。当脉冲到达磁体时，它们会触发磁化开关。

在自旋电子学领域，正在探索磁性器件与电子学集成的潜力，其中微小的磁性器件由传统的电子电路控制，所有这些都在同一芯片上。

最先进的自旋电子学是通过所谓的自旋轨道转矩装置来完成的。在这种装置中，小面积的磁性薄膜（磁位）被沉积在金属线之上。流过金属丝的电流导致具有磁矩的电子流动，也就是所谓的自旋。这反过来又会在磁位上施加一个磁力矩--称为自旋-轨道力矩。自旋-轨道转矩可以切换磁位的极性。

迄今为止开发的最先进的自旋-轨道转矩装置需要至少一纳秒或百万分之一秒的电流脉冲来切换磁位，而最先进的计算机芯片中的晶体管只需1到2皮秒就能切换。这就导致整个电路的速度被缓慢的磁开关速度所限制。

在这项研究中，研究人员将6皮秒宽的电流脉冲沿着传输线发射到钴基磁位中。然后证明了钴位的磁化可以通过自旋轨道转矩机制可靠地切换。

虽然在大多数现代设备中，电流加热是一个衰弱的问题，但研究人员指出，在这个实验中，超快的加热有助于磁化逆转。

"磁体对长时标与短时标的加热反应不同，"威尔逊说。"当加热速度如此之快时，只有少量的加热才能改变磁力特性，帮助磁体逆转方向。"

事实上，初步的能量使用估计是令人难以置信的，这种 "超快 "自旋轨道转矩器件所需的能量几乎比在更长的时间尺度下工作的传统自旋电子器件小两个数量级。

"这种新颖的超高速磁开关工艺的高能效是一个很大的、非常受欢迎的惊喜，"Bokor说。"这样一种高速、低能耗的自旋电子器件有可能解决当前处理器级存储器系统的性能限制，而且它还可以用于逻辑应用。"

研究人员使用的实验方法还提供了一种在超快时间尺度上触发和探测自旋电子学现象的新方法，这有助于更好地理解自旋轨道转矩等现象中起作用的基础物理学。

该论文的共同作者包括CNRS的Kaushalya Jhuria、Julius Hohlfeld、Elodie Martin、Aldo Ygnacio Arriola Córdova、Sebastien Petit-Watelot、Juan Carlos Rojas-Sanchez、Gregory Malinowski、Stéphane Mangin、Aristide Lemaître和Michel Hehn；加州大学伯克利分校的Akshay Pattabi和Roberto Lo Conte；以及加州大学河滨分校的史新平。

这项工作得到了法国国家研究机构（ANR）、RENATECH网络、欧盟欧洲区域发展基金（FEDER）、大学微电子联合计划（JUMP）、美国国家科学基金会和美国能源部的支持。