图示：a.全金属逻辑非门电路。由两个50nm线宽的Invar点接触结构（CF，ED）和两个400纳米线宽的Invar金属线（CE，FD）构成。b.非门电路随时间变化的输入与输出特性。
近日，中科院物理所微加工实验室顾长志研究员领导的研究组与表面物理国家重点实验室夏钶研究员领导的研究组合作，设计并制作出全金属纳米结构的逻辑电路。相关工作发表在2月3日出版的《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）2008年第2期上。
磁性材料可以作为信息存储和信息处理的基本单元。而纳米磁性材料器件所表现的优异特性使我们可以得到更快的信息处理速度和更高的信息存储密度，并由此导致自旋电子学的加速发展。自旋电子学的目的就是在以电荷为信息载体的基础上增加自旋作为信息的载体，这对整个信息产业的发展具有深远的意义。目前，已经出现的自旋逻辑器件有电驱动、磁检测，磁驱动、电检测，或者磁驱动、光检测，但是它们都有一定的局限性。而现今的信息技术都是建立在利用电信号的基础上，所以实现电驱动和电检测的自旋逻辑器件对自旋电子学在信息技术领域的应用具有重要意义。
自旋极化电流与天然存在的磁畴壁间的角动量交换打开了磁与电之间联系的新通道。不需要外加磁场，仅用电流来操纵材料的磁化状态，克服了磁场难以屏蔽的困难，为自旋逻辑器件高度集成和信号高可靠性处理提供了可能。中国科学院物理研究所微加工实验室顾长志研究员领导的小组与表面物理国家重点实验室夏钶研究员领导的课题组合作，通过铁磁金属因瓦合金纳米点接触结构的设计和纳米加工，在认真研究电流驱动畴壁与纳米点接触电阻关系的基础上，设计并制作出基于畴壁运动的逻辑“非门”电路。其工作的基本原理是：铁磁金属纳米点接触结构能够在点接触位置钉扎住一个磁畴壁，并在自旋极化电流驱动下运动，使点接触电阻在高阻与低阻态间来回转换，配合一个具有固定电阻的金属纳米线作为参考电阻与之相比较，将点接触结构和金属纳米线串联之后联入电源两端，点接触和纳米线之间的连接点的电势会因为点接触电阻的改变而发生变化，电势的高低可以定义为逻辑信号，代表二进制的“0”和“1”。
这种逻辑电路在室温条件下直接用电信号驱动，并且使用电信号探测，具有集成度高、成本低、兼容性好和低功耗的特点，能够在磁性材料的居里温度以下正常工作(600℃)，并与现今的CMOS平面工艺完全兼容。由于电路以全金属结构实现，能够获得比现今的半导体电路更高的载流子密度和更细的线宽，为新型高密度纳米电路的研制奠定了基础。
该工作得到国家自然科学基金委、中国科学院和科技部的资助。（来源：中科院物理研究所）
（《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology），3, 97 - 100 (2008) doi:10.1038/nnano.2008.1，Peng Xu, Ke Xia, Changzhi Gu, Ling Tang, Haifang Yang & Junjie Li）
生物谷推荐原始出处：
Nature Nanotechnology 3, 97 - 100 (2008)
Published online: 3 February 2008 | doi:10.1038/nnano.2008.1
Subject Categories: Electronic properties and devices | Nanomagnetism and spintronics
An all-metallic logic gate based on current-driven domain wall motion
Peng Xu1, Ke Xia1, Changzhi Gu1, Ling Tang1, Haifang Yang1 & Junjie Li1
Abstract
The walls of magnetic domains can become trapped in a ferromagnetic metallic point contact when the thickness of the film and the width of the contact are less than their critical values1. The discovery that domain walls can be moved from such constrictions by a sufficiently large current has attracted considerable attention from researchers working on both fundamental research and potential applications2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Here we show that Invar nanocontacts fabricated on silica substrates exhibit a sharp drop in resistance with increasing bias voltage at room temperature in the absence of an applied magnetic field. Moreover, when two nanocontacts are combined in an all-metallic comparison circuit, it is possible to perform logical NOT operations. The use of electrical currents rather than applied magnetic fields to control the domain walls also reduces energy consumption and the risk of crosstalk in devices13, 14.
Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China
Correspondence to: Ke Xia1Changzhi Gu1 e-mail: czgu@aphy.iphy.ac.cn
