客户成果丨新加坡国立大学《Nature communications》：电流矢量叠加驱动的高效自旋逻辑器件

传统的硅基集成电路技术发展迅速，但也逐渐逼近了功耗和尺寸的极限。为突破传统以电荷为信息载体的冯·诺依曼计算架构限制，研究人员提出了利用电子自旋作为信息载体的自旋逻辑器件，这类器件因低功耗、内存与逻辑一体化等优点，受到广泛关注。然而，目前多数的自旋逻辑器件仅仅利用电流的大小（标量）来控制磁矩的状态，导致实现复杂逻辑功能需要更多的器件，从而限制了自旋逻辑器件的实际应用。

为了解决这一挑战，新加坡国立大学材料科学与工程系陈景升教授团队联合北京航空航天大学张跃教授、山西师范大学许小红教授和上海交通大学刘亮教授等科研团队，首次提出了一种基于电流方向（矢量）的自旋逻辑器件——电流矢量加法器（current vector adder）。相关研究成果以“Spin logic enabled by current vector adder”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。

图1 电流矢量加法器工作原理示意图。(a) 两个矢量相加示意图。(b) 电流矢量在器件中心叠加的有限元仿真结果。(c) L11 CuPt/CoPt材料中的三种不同电流矢量叠加情况。

不同于传统的标量电流自旋逻辑器件，该团队提出的电流矢量自旋逻辑器件将输入电流的方向作为一个新的逻辑变量。输入电流的方向被视为矢量，通过对输入矢量进行矢量加法操作，叠加后的方向决定了输出状态，从而实现了更加复杂的逻辑功能。

图2 L11 CuPt/CoPt器件的结构及电流矢量叠加实验验证。(a) 器件的扫描透射电子显微镜图像。(b) 器件光学显微图像。(c) 垂直磁化的异常霍尔效应信号。(d-f) 不同输入电流方向的叠加实验。(g-i) 外加磁场验证矢量叠加方向的实验。

该研究以L11晶体结构的CuPt/CoPt异质结构为基础，利用其特殊的三重旋转对称性，成功实现了电流矢量的叠加。研究发现，当输入电流沿晶体特定方向流动时，磁化状态可以精确反映叠加电流矢量的方向，这使得单个器件即可实现高度复杂的逻辑功能。

图3 可重构的布尔逻辑门示意图。(a) 器件光学图像与逻辑输入输出示意。(b) AND/OR门的真值表。(c) AND逻辑操作，用MOKE信号和霍尔电压读取结果。

该团队成功在单一器件中实现了包括与（AND）、或（OR）、与非（NAND）、或非（NOR），甚至更复杂的蕴含（IMPLY）等基本布尔逻辑门操作，并仅使用两个器件即实现了全加器功能。经仿真验证，与传统的自旋逻辑器件相比，该电流矢量加法器结构的全加器面积、功耗、延迟方面展示出了明显的优势。

本工作证明了电流矢量作为新型物理状态变量在自旋逻辑中的巨大潜力，为高效低功耗的自旋电子学逻辑与计算器件开辟了新思路，为未来集成电路技术的发展提供了重要的新路径。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了所有vector adder器件的制备工作。本研究得到了新加坡教育部、中国国家自然科学基金、中国科技部等多个机构的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-58225-3