科研学术

 　　近日，电子科技大学张怀武教授团队在磁子晶体管信息器件领域取得最新研究进展，相关成果以“Realization of Multifunctional Bosonic Magnon Transistor via Thermal Phonon Gating”为题，在功能材料领域权威期刊Advanced Functional Materials发表。硕士生徐嘉鹏为论文第一作者，金立川教授为论文通讯作者，张怀武教授为共同作者，电子科技大学为论文唯一署名单位。

　　磁子作为一种玻色子，为自旋波的量子化基元，传输过程中具有无焦耳热以及低能耗等特点。磁子晶体管就是以磁子流取代电荷流作为信息载体，通过磁子量子效应，实现的一类超低功耗信息功能器件。此外，磁子器件还具有尺寸易于微缩、功能易于重构以及频率易于调谐等显著优势。通过联结多个磁子晶体管，实现的大规模磁子集成电路有望应用于数据的传输、存储与逻辑处理等多个领域，在下一代信息处理技术中具有巨大潜能。为了构建大规模磁子集成电路，作为最小单元的磁子晶体管必须能够有效控制磁子流的相位、放大以及关断，而这三种功能在单个磁子晶体管中的集成，目前还尚未实现。

　　为此，团队成员利用另一种玻色子——声子作为磁子的调控媒介，实现了一种多功能磁子晶体管。该晶体管以低损耗磁性绝缘体作为磁子流的载体，并以单层石墨烯作为高效率声子发生源，在热声子流的分级操控下分别实现了磁子流的反相、显著放大和完全关断。实验分析和理论计算表明，晶体管中磁声耦合机制介导的非平衡态以两种方式发挥作用：当热声子流较小时，由纵向自旋塞贝克效应引起的自旋矩对磁子流进行放大；而当热声子流较大时，由非平衡热磁子注入引起的双磁子散射作用对磁子流信号进行关断。进一步的，信号相位的线性控制来源于自旋波色散关系的线性漂移，这是由于磁性绝缘体饱和磁化强度对外界温度的敏感特性引起的。团队成员还借助热仿真软件对器件进行了热模拟，并在器件尺寸微缩后对功耗进行了计算。结果表明，微缩后的晶体管实现信号放大和截止的耗能最大为3.75 aJ，实现反相的耗能为0.13 aJ，比现有CMOS反相器的单个操作能耗低两至三个数量级。

图1 磁子晶体管示意图和显微实物图，通过全电学方式实现磁子流的激发、调制和探测

图2 不同热声子强度下的磁子流信号演化过程，分别呈现出π移相区、信号放大区和截止区

　　这项工作的科学意义主要体现在两方面：第一，采用全电学方式实现了晶体管中磁子流的激发、调制和探测，这将有利于磁子集成电路与现有的CMOS外围电路相互兼容；第二，深入研究了磁声耦合机制对磁子流的具体调控机制，为超低功耗可重构磁子晶体管的开发提供了新的思路。

　　徐嘉鹏为电子科学与工程学院2020级硕士研究生，其指导教师为电子学院金立川教授。徐嘉鹏的主要研究内容为新型磁子信息器件的开发。迄今为止，以第一/共同作者在Advanced Functional Materials、Advanced Science、AIP advances、Frontiers in Materials等期刊发表多篇SCI论文，以第一学生作者身份申请三项国家发明专利。

　　Advanced Functional Materials是Wiley出版社旗下国际材料科学领域最高层次期刊之一，为Nature Index收录期刊，中科院JCR分区一区，最新影响因子为19.924。期刊致力于报道材料科学领域取得的突破性进展，以其高质量的内容和高影响力而闻名，被业内公认为高学术质量科技期刊，涉及领域包括纳米技术、物理、化学以及生物学。

　　论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202203963