自旋存储技术：从大容量硬盘到高性能磁存储器

|作 者：王璐丁1,2　魏家琦1,2,†　林晓阳1,2,††

(1 杭州市北京航空航天大学国际创新研究院（北京航空航天大学国际创新学院） 自旋芯片与技术全国重点实验室）

(2 北京航空航天大学集成电路科学与工程学院)

本文选自《物理》2025年第12期

摘要自旋电子学器件以电子自旋为信息载体，具有非易失性、低功耗和高可靠性等优势，成为后摩尔时代新兴芯片技术的典型代表。文章系统概述了自旋存储技术的发展脉络与最新进展。首先从大容量硬盘存储出发，介绍了以自旋转移矩和自旋轨道矩为代表的高性能磁存储器。之后围绕“磁—光—电”交叉融合，面向新一代超快自旋存储器研制，论述了基于全光磁写入机制的磁存储器在速度及功耗方面的独特优势。展望未来，自旋存储将进一步赋能后摩尔时代芯片技术的快速演进，为“存算一体”等全新架构提供引领和支撑。

关键词自旋电子学，自旋芯片，大容量磁存储，磁随机存储器，磁—光—电融合技术

01

引 言

过去五十年来，半导体芯片在“摩尔定律”驱动下实现了持续快速发展。围绕提升性能、降低尺寸等核心目标，半导体存储引领了电子信息技术迈向大数据、人工智能时代。然而，随着半导体工艺节点持续微缩进入亚纳米量级，静态漏电流效应导致芯片出现严重的静态功耗瓶颈。存储技术的进一步发展不再能单纯通过微缩晶体管尺寸来实现，摩尔定律正面临失效的困境[1，2]。

作为后摩尔时代新兴芯片技术的典型代表，自旋电子学(spintronics)是凝聚态物理、磁学和微电子学等领域的交叉方向，被广泛认为是发展新型非易失、低功耗信息器件的前沿引领技术[1—4]。相比于传统的半导体技术，自旋电子学通过操控电子的本征属性“自旋”来实现信息的存储、计算及传感。它具有三方面的核心特征(图1)：第一，通过调控自旋状态，实现无供能情况下的非易失存储；第二，基于磁电阻效应，如巨磁电阻效应(giant magnetoresistance, GMR)、隧穿磁电阻效应(tunneling magnetoresistance, TMR)等，可实现高可靠信息读出[4]；第三，自旋状态可由自旋极化电流[5—7]、飞秒激光[8—10]等手段调控，从而可实现高速率、低功耗的信息写入。此外，自旋器件工艺与当前硅基CMOS工艺高度兼容[1，2]，为高密度集成与片上系统化应用，提供了坚实支撑。

图1　自旋电子学以电子自旋为信息载体，具有非易失信息存储、高可靠信息读出、超快低功耗信息写入等核心特征，是后摩尔时代新兴芯片技术的典型代表[3—6，8—12]

自旋存储技术(详见Box)肇始之初，首先应用于大容量硬盘系统，推动硬盘容量在过去三十年间提升了10万倍以上[11，12]，并与半导体晶体管等技术共同引领人类社会迈向大数据智能时代。法国科学院A. Fert教授与德国于利希研究中心P.Grünberg教授由于在自旋存储技术领域的开创性贡献，获得2008年诺贝尔物理学奖[4，11]。进入21世纪，自旋存储进一步与集成电路科学交叉融合，发展出磁随机存储器(magnetic random access memory, MRAM)技术[12—16]。作为非易失型通用存储器，MRAM具有一系列独特性能，包括纳秒级访问速度、近于无限的可擦除寿命以及高可微缩性等。目前，MRAM已应用在航空航天、消费电子领域，如大型客机、智能手表等，成为后摩尔时代磁存储器关键核心技术之一，并具有颠覆主流“冯·诺依曼”存算范式的巨大技术潜力[6]。

过去30年间，围绕磁隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)器件结构与写入机制的持续优化，自旋存储技术取得了多轮关键进展[17，18]。在器件结构方面，以CoFeB/MgO为代表的垂直磁各向异性材料[19，20]，因其较高隧穿磁电阻等方面的特性，成为重要的MRAM芯片功能材料。近年来，研究者通过单原子层插层等纳米工程手段[21，22]，大幅提升了器件隧穿磁电阻等关键性能。此外，反铁磁材料体系[23—26]因其零净磁矩、太赫兹级响应与抗外磁场干扰等优点，得到学术界的广泛关注[27，28]；与此同时，基于斯格明子拓扑结构及二维材料的MTJ器件[15，29—31]，也为探索自旋芯片“存算一体”新架构，提供了新的可能路径[32—34]。

Box

自旋存储技术

自旋电子学是一门利用电子自旋来处理和存储信息的新兴学科。其兴起可以追溯到1988年法国和德国科学家发现的巨磁电阻效应(GMR)，这一成果很快应用于硬盘读写磁头，使硬盘容量百倍提升，并于2007年获得诺贝尔物理学奖。1995年，人们又在磁性隧穿结中发现了隧穿磁电阻效应(TMR)，即两层磁性薄膜夹着一层极薄绝缘层时，电阻会随磁化方向的平行或反平行而显著不同。这一效应使得存储器可以通过电阻差来稳定区分二进制“0”和“1”，成为现代自旋存储器的物理基础。

在实现可靠读出的基础上，如何高效写入成为关键问题。20世纪初提出的自旋转移矩(STT)机制为这一难题提供了突破：当极化电流通过自由磁层时，电子自旋会把角动量转移给磁体，从而驱动磁化翻转，实现信息写入。基于STT技术构造的磁随机存储器(STT-MRAM)具有非易失性、速度快等优点，已经进入产业化，但其不足在于需要较高的电流密度，导致功耗较大。

随后发展起来的自旋轨道矩(SOT)机制则进一步提升了性能。在重金属与磁性层的界面，电流通过自旋霍尔效应等途径可以产生横向自旋流，由自旋流再对磁体施加转矩，实现磁化翻转。与STT相比，SOT写入速度更快、能耗更低，同时读写通道相互独立，可靠性更高，被普遍认为是下一代高性能磁随机存储器的核心方案。

总体来看，TMR提供了稳定可靠的读出机制，STT和SOT分别代表了两代写入技术路线。三者共同构成了自旋存储技术的核心框架，使其在后摩尔时代成为新型存储与计算体系的重要候选。

在自旋磁存储器写入机理方面，早期的MRAM通过外磁场来实现信息写入。通过在芯片上布置“写”线，利用线电流产生的磁场翻转MTJ自由层的磁化方向，从而实现二进制“0/1”的写入。然而，该方法需要较高电流驱动，导致能耗较大。第二代MRAM技术则利用基于自旋极化电流的全电学方案来实现磁比特的翻转。特别是以自旋转移矩(spin transfer torque, STT)和自旋轨道矩(spin-orbit torque, SOT)机制为代表的MRAM，在读写速度、功耗及器件尺寸等方面表现出良好的综合性能，并有望在嵌入式存储和边缘智能系统中获得广泛应用。然而，自旋存储器的写入机制长期受限于自旋的进动过程，写入速度局限在纳秒量级并伴有相对较大的能耗。因此，如何从根本上突破自旋存储技术的速度瓶颈，实现自旋信息的超快写入(图2)，成为当前本领域学者重点关注的一项关键科学问题。

图2 基于超快光学与自旋电子学的交叉研究，全光磁写入机制为“磁—光—电”协同存储奠定了物理基础。图中，透明方框表示磁性存储单元，数字“0/1”为其逻辑状态；蓝色箭头指示单元内的磁化(自旋)方向。红色锥形光束为飞秒激光脉冲，选择性作用于目标单元并触发磁化翻转，使其由“1”写为“0”，可实现皮秒级速度的自旋信息写入，并具备100 fJ/bit的超低能耗[37—39]

最近，伴随着超快光学技术的发展，飞秒激光成为人类目前已商用的最快激励源。1996年，法国科学家首次观察到飞秒激光诱导铁磁材料发生的超快退磁过程[35]，时间尺度远快于传统的自旋轨道或电子—声子相互作用，为自旋电子学和超快光学搭建了一座桥梁[8—10]。更振奋人心的是，2007年，荷兰奈梅亨大学的研究团队进一步发现[36]，特定亚铁磁材料中磁矩可在单个飞秒脉冲作用下实现决定性翻转(图3)，响应速度可达皮秒级。这一效应被称为全光磁化翻转(all-optical switching，AOS)。AOS一经发现，即引发了自旋电子学与超快光学领域的高度关注。基于“磁—光—电”交叉融合的自旋光电子协同存储概念——AOS-MRAM应运而生[32]，其概念示意图见图2。AOS机制理论上可实现10 ps级超快写入速度，并具有100 fJ/bit超低写入能耗[37—39]。本文将在第四部分对AOS-MRAM相关研究进展进行系统介绍。

图3　飞秒激光诱导的全光磁化翻转(AOS)效应 (a)在克尔显微图像中，分别以右/左圆偏振(

从科学研究及工程应用的视角出发，当前自旋存储技术已形成两个发展方向：一是面向硬盘等大容量磁存储系统，聚焦磁介质及读/写头的构筑开发，实现存储密度与稳定性的持续提升；二是围绕新一代MRAM高性能磁存储芯片，重点关注自旋纳米体系、调控机制及集成工艺，持续赋能后摩尔时代高速、低能耗芯片架构。

02

大容量磁存储的技术革新

大容量磁存储是现代信息社会的重要支柱。随着大数据和人工智能的广泛应用，海量数据的高效存储与快速访问已成为智能信息的核心需求。凭借较高的存储密度和较低的静态能耗，大容量磁存储成为海量数据存储的重要支撑，并逐渐发展为未来智能算力基础设施体系的主力模块[34]。

从技术演进路径来看，大容量磁存储的发展大致可分为两个阶段。早期以提升存储密度与读取可靠性为主要目标，重点集中在磁电阻读头与存储介质结构的创新。其中，MTJ读头的引入被认为是关键节点之一[40]。相较于基于电子散射效应的GMR机制，基于量子隧穿效应的MTJ读头可实现超过200%的磁电阻[21，41]，在提高数据读取稳定性的同时，进一步推动了高密度存储的发展。

在存储介质方面，传统的连续磁介质已难以满足更高密度的数据存储需求。为此，点阵化磁记录(bit-patterned magnetic recording，BPMR)技术[42]通过将介质划分成高密度的纳米“磁岛”并各自对应独立的存储单元，有效提升了记录密度，被认为是实现10 Tb/in2级超高容量硬盘的潜在路径之一。

近二十年来，为突破传统磁写入在尺寸微缩与能耗控制方面的瓶颈，研究重心逐步转向写入机制方面的创新。在传统方案中，为了弥补比特尺寸减小所导致的介质热稳定性下降问题，往往需要提高存储介质的磁各向异性，从而抬高能量势垒，导致写入能耗上升、错误率增加。为解决上述问题，能量辅助磁记录技术应运而生[42—46]，主要包括基于激光加热的热辅助磁记录(heat-assisted magnetic recording，HAMR)及微波辅助磁记录(microwave-assisted magnetic recording，MAMR)两条技术路径，其结构示意图如图4所示。

图4　激光热辅助磁记录(HAMR)与微波辅助磁记录(MAMR)的结构示意图[51]

具体来说，HAMR技术通过激光在写入瞬间对磁介质进行局部加热，暂时降低其矫顽力，同时借助外加磁场完成数据写入[47，48]。该过程涉及多物理场协同，包括近场光学设计[49，50]、热扩散速率控制、磁场与激光脉冲同步性控制等，系统集成难度较高。目前，Seagate公司已基于该技术推出容量达30 TB级的商用硬盘[51]，代表了现阶段磁记录技术可量产的高端路径。MAMR技术则依赖写入头中集成的自旋振荡器(通常以MTJ为核心)产生微波磁场，激发介质处于磁共振状态[39，40]，诱导磁矩进入亚稳态，从而有效降低翻转能垒。该方法无需显著加热过程，具备能耗低、结构相对简单的优势，然而，MTJ结构所能产生的微波磁场强度有限，仍是影响MAMR写入性能的关键瓶颈。当前，东芝已将MAMR技术应用于企业级硬盘产品，主要面向低功耗、高密度数据冷存储等场景。

从速度与功耗维度看，HAMR技术虽在存储密度上取得了显著突破，但热辅助写入需要激光加热与冷却过程，带来了额外的热管理与效率问题，整体访问延迟仍维持在毫秒级别，单比特写入能耗通常处于纳焦耳以上，因此在高速场景中表现受限。相比之下，MAMR通过在写入头中引入微波场以降低介质能垒，在能耗方面优于HAMR，但其实际写入速度与系统延迟仍受到自旋振荡器输出功率、定位精度及结构复杂性的制约。

在前沿研究方面，基于“磁—光—电”耦合机制的AOS磁存储，被视为继HAMR技术之后的又一潜在突破路径[8—10]。不同于依赖磁场或外部能量辅助的传统写入方式，AOS利用超快激光脉冲直接诱导磁性材料中的晶格间相互作用，无需外加磁场即可实现磁矩翻转，具备10 ps响应速度与极低能耗的物理优势。已有研究表明[52—55]，稀土—过渡金属合金体系可实现AOS驱动下的稳定磁性翻转，特别是对矫顽力高达数特斯拉的Tb基材料，可实现百万次以上的低功耗写入[56—59]。

尽管如此，基于“磁—光—电”融合的大容量磁存储仍面临多项挑战，包括高矫顽力存储介质的热稳定性调控、飞秒激光模块的微纳集成难度，以及磁光耦合结构的精密设计要求等。随着相关技术瓶颈的逐步突破，AOS有望发展为同时满足高速度、高密度与低能耗的全光磁存储技术，为未来冷数据存储与智能算力基础设施提供有力支撑。

从总体趋势来看，大容量磁存储技术正由依靠单一物理机制的迭代优化，转向多物理场的融合作用及器件结构的协同设计。其中，写入机制的持续革新、存储介质的微结构化处理，以及“磁—光—电”跨领域集成，正在共同推动其朝着更高速度、更高密度与更低能耗的方向发展，并逐步构建起一套面向复杂应用需求的系统化演进路径[2，8，18]。

03

自旋芯片：高性能磁性存储芯片技术

作为后摩尔时代芯片技术的重要发展方向，自旋芯片以电子自旋为信息载体，在构建非冯·诺依曼“存算一体”架构方面展现出巨大潜力。其中，磁性随机存取存储器(MRAM)作为自旋电子学与集成电路深度融合的代表路径，已成为当前高性能存储技术的研究热点[1—6]。相较于以电荷为信息载体的传统半导体芯片，自旋芯片利用电子的自旋自由度，突破了由电荷输运带来的能耗和性能瓶颈，有效支撑了低功耗、非易失的数据存储需求。

MRAM芯片技术的发展大致经历了三个阶段[3](图5)。其中，第一代自旋MRAM以磁场写入机制为核心，通过外加磁场调控自由层磁矩的方向实现数据写入。该技术的器件结构相对简单，工艺路径成熟，典型写入速度约为35 ns，能耗在100 pJ/bit左右。然而，磁场写入机制难以随器件尺寸同步微缩，限制了存储密度的进一步提升。此外，写入过程功耗较高，响应延迟显著，难以满足当前智能计算系统对芯片性能的核心要求。

图5 MRAM技术演变历程[3]：从磁场驱动向自旋轨道矩(SOT)与磁电自旋轨道(MESO)架构演进，在写入速度及功耗性能方面取得跨越式提升

第二代自旋MRAM采用自旋转移矩(spin transfer torque, STT)机制，显著提升了写入效率与器件集成度。STT-MRAM通过在磁性多层结构中注入极化电流，利用电子自旋角动量直接作用于自由层磁矩，从而在无外加磁场条件下实现全电学写入[11—14]，如图6所示。STT-MRAM相比前代技术显著提升了写入效率与器件集成度，典型写入能耗已降至5—10 pJ/bit，写入速度小于5 ns，且具备良好的CMOS工艺兼容性。当前，基于STT机制的MRAM芯片已进入产业化阶段，在航空航天、国防电子与消费电子等领域展现出广阔应用前景。然而，由于高速写入时所需的电流密度较高(通常超过106 A/cm2)，仍存在功耗与可靠性方面的技术瓶颈，制约了它在高性能通用计算平台中的进一步拓展。

图6　自旋转移矩(STT)写入机理示意图：基于自旋极化电流实现MRAM的全电学写入

为进一步提升自旋存储器的性能，学术界提出了基于自旋轨道矩(spin-orbit torque, SOT)机制的第三代MRAM芯片架构。与STT通过垂直电流注入实现自旋转移矩不同，SOT-MRAM通过在重金属/铁磁异质结中激发自旋霍尔效应或界面上的Rashba效应，生成横向自旋流以驱动自由层磁矩翻转。SOT结构将写入路径与读出路径物理隔离，有效避免了传统STT-MRAM中“读写干扰”问题，在架构可控性与可靠性方面具备明显优势[3，16—18]。实验数据显示，SOT-MRAM的写入速度可达10—50 ps，写入能耗下降至亚pJ/bit水平，速度及功耗等性能指标较STT架构提升一个数量级以上，并展现出良好的工程应用前景(图7)，已成为当前学术研究与产业布局的热点方向。

图7 MRAM的应用前景示意图，有望在嵌入式存储、边缘智能系统、内存替代及存内计算等领域中获得广泛应用

目前，我国在第三代自旋芯片SOT-MRAM的研发与产业化方面取得了阶段性进展。北京航空航天大学建成了国内首个8英寸自旋芯片公共研发平台，其国产自研设备比例已超过50%。在此基础上，北航联合致真存储公司成功研制出全球容量最大的128 Kb SOT-MRAM芯片，具备低功耗、高可靠性等性能优势，初步验证了SOT技术路线在工程实现与应用拓展方面的可行性[60]。与台积电、英特尔等国际领先研究单位相比，国产SOT-MRAM芯片[60—62]在核心性能指标上已具备一定竞争优势，为推动我国自旋芯片产业链的自主可控奠定了坚实基础。

在器件结构演进方面，基于反铁磁材料的磁存储器(antiferromagnetic RAM, ARAM)为自旋芯片的进一步微缩与性能提升提供了新的物理支撑路径[23—26]。反铁磁材料由于具有宏观零磁矩特性，天然具备抗外部磁场干扰的能力，且可有效抑制邻近单元间的磁耦合，适用于高密度磁存储结构的构建。此外，其自旋动力学响应频率可达太赫兹(THz)量级，显著优于传统铁磁材料，为提升写入速度提供了物理基础。近期，北京航空航天大学联合致真存储与青岛海存微电子公司，依托既有工艺平台成功研制出全球首款反铁磁存储器ARAM，存储容量达128 Kb，具备抗3 T磁场干扰能力，并在器件尺寸、功耗等关键指标上取得一定进展[62]。

面向未来，在SOT机制及反铁磁材料取得显著突破的基础上，学术界进一步提出了新型磁电自旋轨道(magneto-electric spin-orbit, MESO)器件，致力于构建自旋逻辑与非易失计算架构的第四代自旋芯片[62—64]。通过将铁电材料中的电极化行为与自旋轨道耦合机制联动，实现基于铁电层电场调控的自旋电流激发，进而完成磁化翻转，有望实现aJ/bit的极低功耗非易失写入。

此外，MESO架构天然支持逻辑与存储功能的融合，具有构建超低功耗“存算一体”架构的物理基础。在材料实现方面，研究者已初步完成BiFeO3铁电激励层、Pt/CoFeB重金属层、以及β-W等强自旋霍尔效应材料的异质集成，并展现出良好CMOS工艺兼容性[64，65]。当前，美国国防高级研究计划局主导的科技研发项目已将MESO列为战略性先导研究，美国英特尔公司也在大力推进其在低功耗逻辑、边缘人工智能等场景中的系统级验证。

MESO芯片通过“电控—自旋—轨道”多物理机制耦合协同，突破了传统自旋器件在功耗、速度、稳定性方面的结构性瓶颈，成为自旋芯片发展的重要战略方向之一。未来，随着材料与器件研究的进一步深化，MESO有望成为构建非冯·诺依曼“存算一体”架构的关键路径。

04

“磁—光—电”三元融合：迈向下一代信息器件

从信息处理的角度来看，磁、光、电三类物理机制在融合体系中各具功能、协同共生。首先，飞秒激光作为自旋信息的写入手段，以其超快的自旋动力学响应速度(优于1 ps)和非局域自旋角动量转移等优点，可实现对磁化状态的超快调控；其次，隧穿磁电阻作为自旋信息的读出手段，展现出优异的器件集成度和CMOS工艺兼容性；第三，磁性材料作为自旋信息的非易失储存载体，可保证数据长期保持而无需能量损耗。通过三类信息载体的协同耦合，磁光电融合技术可以在速度、能耗与系统集成等关键性能上实现协同优化，为发展多物理机制耦合的新型自旋芯片奠定了基础。

AOS效应首次由Stanciu等人于2007年在亚铁磁GdFeCo合金中观测到[36]，并揭示了超快激光与磁性材料间的直接耦合机制。这一发现成为自旋光子相互作用领域的里程碑，引发了对光驱动自旋调控的广泛关注。为深入揭示AOS过程的微观机制，研究者开展了时间分辨与元素分辨兼具的X射线磁圆二色谱(XMCD)实验[66，67]，对飞秒激光激发下的磁性材料演化过程进行了精准刻画。图8展示的实验结果表明，AOS过程通常表现出“快速退磁—自旋交换—磁矩重建”三阶段的动态行为，并具有典型的超快多体响应特征。在实验结果基础上，学术界相继提出多种理论模型[68—70]，以解释材料内部自旋、晶格与电子温度之间的耦合机制。其中，微观三温度模型作为代表性框架，将系统划分为自旋子系统、晶格子系统与电子子系统，揭示了在飞秒尺度下，能量如何在三者之间快速交换，并驱动自旋有序状态的演化。这一理论视角不仅拓宽了对AOS动力学过程的认知，也为后续开发高效率的磁光调控技术提供了理论支撑。

图8　飞秒激光激发下AOS的超快自旋动力学。通过时间分辨XMCD测量，揭示了亚铁磁材料中AOS“快速退磁(0—0.5 ps)—自旋交换(0.5—2 ps)—磁矩重建(2 ps— )”的动力学特征[67]

随着AOS效应在材料层面的深入探索，2019年起，学术界开始关注将AOS进一步运用在器件层面，探索与自旋存储交叉融合的技术潜力[70—73]。相较传统热平衡驱动的自旋写入机制，AOS依托飞秒激光诱导的非平衡态自旋动力学过程，仅需数十皮秒即可完成自旋信息的稳定写入，为超快非易失存储技术提供了全新物理基础，成为新一代MRAM研究的重要技术路径。当前，基于“磁—光—电”融合的AOS-MRAM技术受到法国自旋电子中心(SPINTEC)、比利时微电子研究中心(IMEC)、荷兰拉德堡德大学、美国明尼苏达大学等国际一流研究机构的系统布局与实质推进。

为推动AOS机制由材料层面迈向集成器件层面，北京航空航天大学团队于2022年提出并实现了首款皮秒级AOS-MTJ原型器件[10]，致力于探索“磁—光—电”融合路径下的新型非易失存储技术。该器件采用亚铁磁/铁磁复合自由层结构Gd/Co/Ta/CoFeB/MgO，在保证与自旋芯片工艺完全兼容的基础上，完成了多层界面的功能协同优化：通过亚纳米Ta层实现Co与CoFeB间的RKKY耦合；引入Gd/Co界面驱动自发AOS，并借助CoFeB/MgO接口实现高隧穿自旋极化率，共同构筑出高度协同的磁—光—电耦合体系。如图9所示，飞秒激光经物镜聚焦后写入AOS-MTJ器件，并在小偏置电流下通过外接电路实时采集器件电阻。典型实验结果显示，在单脉冲激光入射时刻，器件电阻在高/低电阻态之间重复翻转，分别对应反平行(AP)与平行(P)磁化状态，隧道磁电阻比高于34%。时间分辨磁光克尔实验验证了器件在激光写入中的皮秒级自旋响应，突破了传统纳秒级进动瓶颈；更重要的是，其结构与STT-MRAM工艺平台高度兼容，为“光写入—电读出”机制提供了从“概念验证”到“工艺中试”的闭环支撑。

图9　为推动AOS机制由材料层面迈向器件层面，研究团队实现了皮秒级AOS-MTJ原型器件 (a)光泵—电测示意图：飞秒激光脉冲(红色箭头)经物镜聚焦至MTJ自由层上方的开口区域(虚线圆)，在小偏置下通过外接电路实时采集单次飞秒脉冲激发下的器件电阻；(b)飞秒激光直接调控TMR典型实验结果：上方红色箭头标示每一次约100 fs激光脉冲入射时刻，曲线在高/低电阻值之间重复翻转，分别对应反平行(AP)与平行(P)磁化状态。可以看到，单脉冲光激可直接在MTJ中触发磁化翻转并实现“光写—电读”，为构筑“磁—光—电”融合的高速非易失存储器件奠定了一定基础[10]

值得注意的是，反铁磁材料在AOS机制下展现出卓越的环境稳定性与超高频率响应。其零净磁矩特性使其对外磁场天然不敏感，同时抑制了邻位扰动与热噪声；并且，反铁磁材料自旋动力学理论频率可达THz级，比传统铁磁材料高了至少1个数量级，是实现“极限写入速度”的关键候选材料之一。2018年，荷兰科研团队在反铁磁体系中论证了飞秒激光驱动下的超快自旋响应[74]；2023年，北京航空航天大学则在IrMn薄膜中实现了激光诱导的交换偏置调控，进一步拓展了反铁磁材料在磁存储体系中的集成路径[75]。

尽管当前实验初步论证了AOS超快存储的可行性，然而进一步实现实用化的关键在于能否实现飞秒激光光源的片上集成。目前广泛使用的钛宝石飞秒激光器能够稳定输出所需脉冲，但其体积庞大、重复频率较低、功耗及成本较高，难以与存储芯片兼容。近年来，随着集成光子学的发展，片上飞秒光源逐渐展现出巨大潜力。然而，片上光源仍受限于输出能量不足、脉冲控制与热管理等问题，并难与磁性隧穿结实现高效耦合。因此，如何在集成光子平台上实现低功耗、小型化且与自旋芯片工艺兼容的飞秒激光光源，已成为AOS-MRAM从概念验证迈向系统级应用的首要挑战。

图10　片上AOS磁存储概念示意图 (a)集成光子学驱动的波导—存储协同架构：入射高斯脉冲沿片上波导，并结合波分复用选择性耦合至磁比特阵列

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围绕上述问题，自2023年起，学术界进一步开展了“片上AOS磁存储”研究，标志着AOS机制由材料器件层面，跨越至系统化、集成化的新阶段(图10)[76—78]。法国洛林大学团队基于等离激元谐振结构[79]设计得到纳米级金属天线阵列，实现了激光能量的亚波长局域聚焦与增强共振激发，在突破衍射极限的条件下有效诱导磁性薄膜实现稳定磁化翻转[80]；与此同时，荷兰埃因霍温理工大学的研究团队运用基于LnP波导平台结合仿真建模与结构设计[81，82]，展示了“光传输—磁写入”机制在波导级别的可实现性与技术路径[83]。上述研究进展表明，AOS是集成自旋技术的理想体系，在超快自旋存储芯片方面展现出一定潜力。

05

总结与展望

自旋电子学作为后摩尔时代极具潜力的新兴芯片技术，正从材料物理、器件结构，迈向系统级集成与“磁—光—电”融合架构。在大容量磁存储方向，HAMR等能量辅助写入机制通过局域热激励突破高密度磁介质的写入难题，为实现冷数据高密度存储提供了可行路径。与此同时，MRAM正持续与CMOS集成电路深度融合。以STT/SOT为代表的写入机制为进一步实现低功耗、高可靠的非易失存储芯片奠定了基础。

基于飞秒激光的AOS机制正在开启“磁—光—电”三元融合的信息器件新范式。AOS-MRAM具备皮秒级响应速度和极低能耗等物理优势，并且与自旋MRAM芯片、集成光子学等多类技术体系兼容。尽管当前仍面临材料调控、工艺窗口与系统稳定性等挑战，已有实验路径正在从材料验证向器件原型、片上系统逐步推进，展现出强烈的技术成长性与前瞻价值。

作为展望，“磁—光—电”三元融合存储在基础研究和工程应用上蕴含丰富潜力。AOS-MRAM巧妙地实现了“磁—光—电”信息的互相转化，在速度和能耗方面具有潜在的优势，可助力包括光学神经计算在内的新兴领域取得更多突破。此外，在基础研究领域，“磁—光—电”交叉融合将进一步架起自旋电子学、超快光学与集成电路之间的桥梁，在光与自旋的相互作用研究方面取得更多的科学突破。随着“磁—光—电”耦合机制研究的深入与片上集成工艺的不断推进，未来自旋信息器件有望在速度、能耗与体系架构等方面实现综合突破，为后摩尔时代芯片技术的发展提供重要支撑。

致 谢感谢北京航空航天大学赵巍胜教授对本工作的指导。感谢杭州市北京航空航天大学国际创新研究院杨维博士后、李燊博士后对图片及参考文献的整理。

应用物理专题

参考文献

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