近年來，磁隨機存儲器（MRAM）因其優異性能獲得工業界和學術界的高度關注。但受制于物理尺寸難以微縮到DRAM/NAND級別、寫入速度無法達到SRAM（小于 1 納秒，即十億分之一秒）級別等關鍵技術瓶頸，MRAM在主流存儲器市場上處于容量無法匹配DRAM/NAND、速度無法匹配SRAM的尷尬境地。MRAM寫入速度無法匹配SRAM的根本物理限制，在于其通過電流產生阻尼自旋矩作用于存儲層，實現電控“0”和“1”狀態的切換。在STT-MRAM和自旋極化與磁矩共線的SOT-MRAM中，阻尼自旋矩會導致在“0”和“1”狀態轉換過程中的磁矩進動，這種進動需要持續2-10 ns，限制了MRAM的寫入速度。

針對上述寫入機制上的物理機理限制，集成電路制造技術全國重點實驗室科研團隊發現了一種類場自旋矩導致的無磁矩進動、無外加磁場的超快電寫入方式，有望從源頭上解決MRAM在速度和高密度集成中面臨的基礎性物理問題。器件的實測結果表明，在低于阻尼自旋矩（當前STT/SOT-MRAM的寫入機制）寫入電流一個數量級的情況下，可在200 ps （0.2 ns）的時間內實現“0”和“1”狀態的可靠寫入，其數據保持時間和可集成密度均優于SRAM。該成果有望率先在對讀寫速度要求苛刻的人工智能和高性能計算領域得到應用。

上述工作以“Subnanosecond in-plane magnetization switching induced by fieldlike spin-orbit torques from ferromagnets”為題發表在Phys. Rev. Applied (23, 044041 (2025); 鏈接:?https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.044041?)。微電子所博士生張晗穎為論文第一作者。

該研究成果得到了北京市自然科學基金重點項目、國家自然科學基金、中國科學院戰略先導專項等項目的支持。

（a）阻尼矩寫入過程; （b）類場矩寫入過程； （c）0.2納秒寫入脈沖導致的高低組態轉變；（d）寫入電流密度和寫入脈寬的關系。