近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授与张悦教授团队在超快自旋电子器件领域取得重要进展。研究团队基于CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构，利用亚铁磁材料CoTb中稀土元素Tb的强自旋轨道耦合效应，实现了皮秒尺度的全电学垂直磁矩翻转。实验结果显示，最短写入脉宽达16皮秒，单比特功耗低至41飞焦，刷新了国际同类器件的最优记录。这一成果为推动自旋电子器件迈向太赫兹（THz）工作频段提供了重要技术支撑。相关研究发表于国际顶级期刊《自然通讯》。
自旋轨道矩（SOT）写入的自旋电子器件因其非易失性、高速和低功耗等优势，被认为是后摩尔时代存算一体架构的关键技术。然而，现有研究中实现皮秒级SOT驱动垂直磁矩翻转通常需要强外磁场辅助，而无外磁场条件下的全电学翻转仍是领域内的核心难题。传统无场SOT器件的翻转速度仅停留在纳秒量级，工作频率受限于吉赫兹（GHz）频段，且功耗较高，难以满足下一代芯片对速度和功耗的严格要求。
研究团队通过设计并制备CoTb/Ti/CoFeB/MgO多层膜结构，成功解决了这一难题。通过工艺优化，团队使自旋源CoTb层获得稳定的面内磁各向异性，从而同时产生面内与面外自旋流，打破传统SOT器件的对称性限制，实现无外磁场辅助的垂直磁矩翻转。亚铁磁材料的双亚晶格结构具有低饱和磁化强度和高矫顽场的特点，能够有效抑制杂散场干扰并提升热稳定性，从而显著提高器件集成度。此外，Tb元素带来的强自旋轨道耦合效应提升了电荷-自旋转换效率，降低了临界翻转电流。团队通过组分调控将自旋极化角稳定在55°，接近理论最优值，为实现超快、低功耗的无场翻转奠定了基础。
为验证实验结果，团队搭建了基于光电导开关的皮秒电脉冲测试平台。该平台以两套独立皮秒脉冲源为核心，采用低温GaAs衬底制备，可通过调节激光功率和偏置电压精确控制脉冲宽度和幅值。实验表明，基于亚铁磁CoTb的器件在16皮秒超短脉冲驱动下成功实现垂直磁矩无场翻转，而以铁磁Co为自旋源的器件最短翻转脉宽仅为36皮秒。在全脉宽范围内，基于CoTb的器件始终表现出更低的临界翻转电流，最低翻转能耗仅为41飞焦/比特，较传统铁磁器件降低了一个数量级。
为进一步揭示皮秒尺度SOT无场翻转磁矩的内在机制，团队结合微磁学模拟与理论建模进行了深入分析。结果表明，自旋极化角为55°时可在皮秒尺度下实现磁矩的稳定高效翻转。通过对比不同自旋极化角下的磁矩动力学行为，团队明确了面内与面外自旋流对翻转模式的关键影响，并证实提升自旋霍尔角可有效降低翻转能耗，与实验结果高度一致。理论建模还表明，皮秒尺度下的最优自旋极化角为45°，可同时实现超高速与超低功耗的磁矩翻转，为高性能SOT自旋电子器件的设计提供了理论依据。
该研究利用亚铁磁CoTb的独特物性优势，首次实现了皮秒级、全电学、超低功耗的垂直磁矩翻转，突破了传统SOT器件对外场依赖、功耗偏高和速度受限的三大瓶颈。这一成果不仅提升了自旋电子器件的工作频率，还兼具高密度、晶圆级制备及与CMOS工艺兼容的优势，为新一代超低功耗、超快自旋电子器件的发展提供了关键技术支撑。
该研究由北航集成电路科学与工程学院2022级博士生何宇、2021级博士生肖晨、2026届博士毕业生林克廉、张昆副教授、张博宇副教授和郑臻益副教授共同完成，张悦教授和赵巍胜教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金等项目的资助。
论文原文链接：[https://doi.org/10.1038/s41467-026-72582-7](https://doi.org/10.1038/s41467-026-72582-7)
