在单个纳米轨道中实现和重新配置基于磁天体的逻辑门

（a） 具有不同拓扑电荷和螺旋数的Néel型磁天体的插图。（b） 基于Skyrmions的单纳米轨道逻辑器件，两端各有两个输入，中间有一个输出。图片来源：中国科学出版社

在一个单一的纳米轨道上，一个研究小组通过DMI的局部反转以及能量屏障对天体的固定效应，实现了两个具有相反手性的Skyrmion的湮灭，融合和分流。

本研究由杨红新教授（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）和余东兴博士（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）领导。第一性原理计算由杨红新教授进行，磁天体动力学的微磁模拟由余东兴进行。

“磁性天体的这些动力学行为对于基于磁天体的自旋电子器件（如逻辑门，晶体管，互补赛道存储器等）的设计非常可行，”杨红新教授说。随着手性多铁性材料的增加和DMI手性切换机制的出现，基于磁天体的逻辑门有望简化为一个单一的纳米轨道，实现布尔逻辑门的完全重构。

余东兴博士、杨红新教授、Mairbek Chshiev教授与诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert教授一起，探讨了逻辑门的重建与磁天体动力学之间的联系。通过局部控制DMI手性，该团队重建了非易失性能量势垒，以切换各种磁天体动态现象，从而实现和重新配置逻辑功能，包括AND，OR，NOT，NAND，NOR，XOR和XNOR。

通过分别将开关（a）切换到空闲，（b）到1和（c）到2来对可重构纳米轨道进行异或/或/NAND操作。XNOR/NOR/AND功能可以通过切换磁隧道结（output-MTJ）中固定层的磁化，从上述逻辑门转换而来，只有一半的NAND栅极可用于实现NOT栅极。图片来源：中国科学出版社

“这些功能或操作中的任何两个都可以通过在单个纳米轨道中使用电压控制来切换DMI的手性，轻松地从一个功能或操作转换为另一个，并且Skyrmions可以在每次操作后回收，”余东兴说。基于非易失性能量势垒的引脚和去引脚功能，该团队还模拟了skyrmion晶体管和skyrmion位复位的“开”和“关”状态。“这将是通过操纵拓扑学上不平凡的磁性结构（如磁性天体）来构建自旋电子器件的有益探索，”杨说。

与其他需要组合多个条带或一连串简单功能来执行两个或多个逻辑操作的可重构逻辑门相比，本研究通过微磁仿真实现了将七种逻辑功能实现和重新配置为一个单一的纳米轨道，从而进一步简化了基于自旋的逻辑器件的设计，并促进了基于磁天体的逻辑门的潜在应用。 在信息处理领域。

该研究发表在《国家科学评论》上。