客户成果 | 北航团队《Nature Communications》皮秒尺度全电学垂直磁矩翻转
发布时间：
2026-06-18
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、张悦教授团队在超快自旋轨道矩（SOT）领域实现重大突破，首次在
异质结构中实现皮秒级垂直磁化无场翻转，相关成果发表于国际知名期刊《Nature Communications》，论文题为 “Picosecond all-electrical perpendicular magnetization switching”。致真精密仪器PS1DX-Cryo低温探针台为本项研究的精密测试环节提供关键硬件支撑，保障实验数据精准可靠。
▲《Nature Communications》期刊论文截图。
当前，非易失性自旋电子存储 、逻辑器件已在类脑计算 、量子计算、传感等领域展现出广阔应用前景。但传统器件磁化翻转速度普遍处于纳秒量级，不仅限制运算速率，还存在能耗偏高的问题 。此前虽有研究利用超快激光实现皮秒级磁翻转，却无法兼容主流 CMOS 集成电路工艺；而基于自旋轨道矩的电驱动磁化翻转，长期难以在无外磁场条件下达成皮秒级超快响应，成为制约行业发展的技术瓶颈。
本研究创新性选用稀土 - 过渡金属亚铁磁合金CoTb作为自旋轨道矩源层 。该材料具备极强的自旋 - 轨道耦合效应，可同时产生面内、面外两类自旋电流，大幅提升电荷 - 自旋转换效率 。经过组分优化后，Co0.76Tb0.24体系展现出最优综合性能。
核心实验成果
1 ．超高速翻转：实现最短16 ps 的确定性磁化翻转，刷新电驱动垂直磁化无场翻转速度的世界纪录；
2 ．超低能耗：针对100 x 100nm2尺寸器件，单次翻转能耗低至41 fJ/bit，相比传统铁磁材料能耗降低一个数量级；
3 ．宽温区稳定工作：器件可在 10–350 K 超宽温度范围内实现稳定无场翻转，极大提升了实际应用价值。
▲《Nature Communications》论文部分截图
本研究需要在宽温环境下完成直流电学测试 、电流诱导磁化翻转、反常霍尔电阻检测等多项高精度实验，致真精密仪器PS1DX-Cryo低温探针台可提供温度范围＜8K~420K 有效保障实验顺利推进 。该设备可精准覆盖 10–350 K 全实验温区，温控稳定 、抗干扰能力强，能够有效屏蔽外界环境对微弱电 、磁信号的影响，保障测试精度 。同时设备完美适配Hall bar 微纳器件的测试需求，全程支撑团队完成毫秒级脉冲磁化翻转 、 电学参数标定等核心数据采集工作。依托低温探针台稳定可靠的运行性能，团队成功验证了器件在全温区范围内无场磁化翻转的稳定性，为论文核心结论提供了坚实的实验支撑。
结合微磁学模拟与数值分析， 团队进一步厘清了脉冲宽度 、 自旋电流配比与器件能耗、翻转效率的内在关联 。研究发现，当自旋极化倾角η约为 45° 时 ，器件可同时实现超快响应与最低能耗；16 ps 超快翻转遵循相干磁化转动机制，磁矩翻转过程整体均匀 、效率极高。
对比传统铁磁材料，COTb这类稀土亚铁磁合金优势十分突出： 电荷 - 自旋转换效率更高、杂散场微弱，适配高密度集成场景；且材料为非晶结构，可实现晶圆级大规模制备，与现有半导体工艺具备良好兼容性。
此项成果成功将自旋电子器件工作频率从吉赫兹（GHz）推向太赫兹（THz） 区间，为研发超高速、低功耗 、易集成的新一代自旋芯片开辟了全新方向 。而致真精密仪器低温探针台的应用，也再次证明国产精密测试设备在前沿自旋电子学研究中，已具备比肩国际水平的实力，能够为高端科研项目保驾护航。
资料来源：论文《Picosecond all-electrical perpendicularmagnetization switching》（Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-026-72582-7）
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