近年来依靠缩小器件尺寸和增大集成密度从而提高芯片性能的成本与工艺困难急剧上升，亟待运用新材料、新机制和新效应突破摩尔瓶颈。原子级厚度、高质量的接触界面、突破晶格匹配限制、易受外场调控的自旋极化等物理属性使得二维磁性金属材料呈现新奇的物理效应，在磁存储、磁传感和磁逻辑等自旋电子器件和芯片领域具有重大的应用前景；更重要的是自旋电子器件能够在信息非易失性存储的基础上集成逻辑功能从而实现存内运算，有望解决存储墙和功耗墙难题，实现非冯·诺伊曼架构的存算一体芯片。

自旋逻辑操作是实现基于自旋的逻辑计算架构中的基础，具有非易失性数据存储、逻辑和存储单元之间高密度数据的高速传输以及与纳米级设备缩放的兼容性等关键优势。自旋逻辑架构的一个关键组件是磁畴壁——不同磁取向区域之间的动态边界，可实现信息处理和存储。尽管具有这些优势，基于磁畴壁的自旋逻辑的实际实现仍然具有挑战性。对磁畴壁的成核、操纵和稳定的精确控制对于可靠的操作和最小的错误率至关重要。实现这种控制通常需要复杂的设备工程和先进的材料合成，增加了制造的复杂性。此外，传统方法依赖于复杂的纳米结构，例如窄磁道或图案化钉扎位置，这进一步使器件设计复杂化并提高生产成本。相比之下，二维范德华(vdW)磁性材料由于其独特的结构和物理性质，为自旋逻辑器件的研究提供了一个理想的研究平台。

近期，松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组与北京大学、北京航空航天大学、华南师范大学和大湾区大学合作，采用居里温度高于室温的新型范德华二维铁磁材料Fe₃GaTe₂构建了一种结构简单的自旋逻辑器件，实现了室温下的自旋逻辑操作。通过反常霍尔效应/磁电阻等自旋输运测试，结合磁光克尔显微镜对磁畴结构的实时观测，发现分层的Fe₃GaTe₂能够实现自旋逻辑功能：由于不同层数Fe₃GaTe₂的垂直磁各向异性和矫顽力不同，因此可以通过磁场扫描在一定的区间调控薄层和厚层Fe₃GaTe₂产生相反的磁畴结构，从而在不同Fe₃GaTe₂层的台阶处可控的形成磁畴壁，当外加电流通过磁畴壁时由于两侧非平衡的霍尔电压的作用会在磁畴壁处形成涡流分布，从而影响了整体磁电阻产生反对称磁电阻效应，因此通过磁畴结构的平行态和两种反平行态的磁畴搭配器件可以实现三种不同的高、中、低电阻状态和自旋逻辑运算功能。此外，通过层数控制和器件结构设计等手段调控磁畴结构和磁畴壁涡旋电流的分布，还可进一步将器件功能扩展到五态和更多的磁电阻状态，从而开发更为复杂的自旋逻辑器件功能。这一研究结果和发现为未来开发基于二维范德华磁性材料的室温、可编程和全电控存算一体自旋逻辑器件提供了新的路径。

图1. 阶梯式Fe₃GaTe₂器件在不同温度下的反对称磁阻及霍尔电阻与机制示意图

相关研究成果以“Room-Temperature Spin Logic Operations in van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂”为题发表在Nano Letters期刊，松山湖材料实验室为论文第一单位，江龙兴硕士、李庆超博士和李京峰副研究员为论文第一/共同第一作者，吴昊研究员为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划(2022YFA1402801)、国家自然科学基金(52271239和 52311530674)、广东省基础与应用基础研究基金(2022B1515120058)、广东省量子科学专项(GDZX2302003、GDZX2301002和GDZX2202001)、珠江人才引进计划(2023QN10C732)和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开放基金(2024-skllmd-03)的经费支持。

撰稿：自旋量子材料与器件团队