近日，人工微结构和介观物理国家重点实验室罗昭初研究员课题组与瑞士苏黎世联邦理工学院Pietro Gambardella教授、保罗·谢尔研究所Laura J. Heyderman教授合作，针对非共线手性耦合纳米磁结构中的磁交换相互作用，实现了电压调控磁耦合和铁磁-反铁磁相变，并在此基础上设计了可编程的伊辛网络，实现了可编程逻辑运算和伊辛问题求解器等功能。相关成果以 “固态离子门控的电学可编程纳米磁体伊辛网络”（Electrically programmable magnetic coupling in an Ising network exploiting solid-state ionic gating)为题，于2023年10月11日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

在自旋电子学领域，电流驱动磁矩的高效翻转已经成熟地应用于新一代高性能磁随机存储器中，而磁耦合的电学调控可以用于设计新范式存算一体化器件。耦合纳米磁体系统为探索集体现象以及开发各种高性能自旋电子学器件提供了灵活的介观平台，然而其中的磁耦合通常在器件制备之后被固定而不可调制，这限制了其在可编程运算方面的应用。

在该研究中，合作团队通过微纳加工制备了关键尺寸为50nm的手性耦合纳米磁体。通过固态电解质施加栅压，对纳米磁体区域中的磁各向异性进行局域调控，进而对近邻磁体间的交换相互作用进行调制，实现了相邻纳米磁体之间磁耦合的转变：当局域磁各向异性为面外时，对称交换相互作用占主导，有利于纳米磁体之间平行排列；当局域磁各向异性为面内时，反对称交换相互作用（即Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）占主导，有利于纳米磁体之间反平行排列。将此原理扩展到二维磁晶格中，可以获得电压调控的人工自旋冰结构，实现了铁磁-反铁磁相变的可逆调控。进一步，通过可寻址地控制每个相邻磁体间的磁耦合，可以实现可编程伊辛网络，并展示了其求解组合优化问题的能力，这为设计基于纳米磁体的伊辛求解器和神经形态计算机开辟了新途径。

耦合纳米磁体系统示意图：a.电压调控反平行（左图）/平行（右图）耦合纳米磁体器件结构示意图；b.耦合纳米磁体电子显微镜图；c.耦合纳米磁体在反铁磁耦合（左图）铁磁耦合（右图）的磁力显微镜结果。

基于此工作，可进一步研究集体现象：例如依赖于磁耦合的磁相图，混合铁磁/反铁磁伊辛人工自旋冰中的相变问题，以及自旋玻璃态中新奇的磁性相。此外，该工作还利用纳米磁体设计了可编程的布尔逻辑门，并且对求解组合优化问题的伊辛机器做了概念性验证演示，为基于纳米磁体的非常规计算设备的研究提供了新的研究思路。

北京大学物理学院“博雅”博士后贠超、2019级博士生梁中宇为共同第一作者。Pietro Gambardella、Laura J. Heyderman和罗昭初为该论文共同通讯作者。论文主要合作者还包括本实验室杨金波教授、北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授以及钢铁研究总院有限集团李卫院士和方以坤教授。

上述研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41830-5

信息来源：北京大学物理学院网站