基本布爾邏輯門的重構方法

中國科學院寧波材料技術與工程研究所楊洪新課題組利用Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用勢壘及電控磁斯格明子的手性轉(zhuǎn)換及動力學特性，在理論上實現(xiàn)了單納米賽道“異或門”, “或門”, “與非門”等7種基本布爾邏輯門。該成果近期發(fā)表在《國家科學評論》（National Science Review, NSR），作者包括中國科學院寧波材料技術與工程研究所于東星博士，格勒諾布爾阿爾卑斯大學Mairbek Chshiev教授和諾貝爾物理學獎得主Albert Fert教授，通訊作者為楊洪新研究員。

(a) 不同拓撲荷和螺旋度的奈爾型磁斯格明子；(b)磁斯格明子基單納米賽道邏輯器件示意圖。 構建結構簡單、邏輯功能多樣且可切換的磁邏輯門是現(xiàn)代信息處理技術發(fā)展的一個重要方向。

在這篇文章中，作者提出的磁斯格明子基邏輯門可將器件結構簡化至單納米賽道，并探索了基本布爾邏輯門的重構方法。

研究者首先借助微磁模擬，并結合第一性原理計算，系統(tǒng)研究了單納米賽道中磁斯格明子的釘扎、解釘扎、融合、湮滅等動力學行為。在此基礎上，他們在二維CrN多鐵材料中利用電壓調(diào)控DMI勢壘以及磁斯格明子手性翻轉(zhuǎn)機制，在單納米賽道上模擬實現(xiàn)了“異或門”, “或門”, “與非門”等7種基本布爾邏輯門的構建及其重構過程。

磁斯格明子基可重構邏輯門的構建思路。(a) “異或門”，(b)“或門”，(c) “與非門”。可分別通過將開關空置，撥向“1”和撥向“2”實現(xiàn)重構。“同或門”，“或非門”，“與門”可分別通過翻轉(zhuǎn)上述三種邏輯門中磁隧道結固定層的磁化方向?qū)崿F(xiàn)重構。利用(c)中“與非門”的左半邊或右半邊均可實現(xiàn)“非門”操作。

同時，基于電壓門對磁斯格明子釘扎、分流等動力學行為的調(diào)控機制，該研究團隊還探索了磁斯格明子基晶體管、互補型賽道存儲器等其它自旋電子學器件的實現(xiàn)方案。

相對于傳統(tǒng)邏輯架構，該研究具有以下核心優(yōu)勢：

1、單納米賽道可重構邏輯門的設計方案可消除多賽道器件中互聯(lián)的設備框架，使其在實際應用中能夠更容易集成，并大幅提高相關信息處理技術的可靠性；

2、多種布爾邏輯功能可通過電壓門在同一納米賽道中相互切換，可為現(xiàn)代高性能邏輯運算提供一種低功耗、高效率的設計思路。

審核編輯 ：李倩