傳統的硅基集成電路技術發展迅速，但也逐漸逼近了功耗和尺寸的極限。為突破傳統以電荷為信息載體的馮·諾依曼計算架構限制，研究人員提出了利用電子自旋作為信息載體的自旋邏輯器件，這類器件因低功耗、內存與邏輯一體化等優點，受到廣泛關注。然而，目前多數的自旋邏輯器件僅僅利用電流的大小（標量）來控制磁矩的狀態，導致實現復雜邏輯功能需要更多的器件，從而限制了自旋邏輯器件的實際應用。

為了解決這一挑戰，新加坡國立大學材料科學與工程系陳景升教授團隊聯合北京航空航天大學張躍教授、山西師范大學許小紅教授和上海交通大學劉亮教授等科研團隊，提出了一種基于電流方向（矢量）的自旋邏輯器件——電流矢量加法器（current vector adder）。相關研究成果以“Spin logic enabled by current vector adder”為題發表在國際期刊《Nature Communications》上。

圖1 電流矢量加法器工作原理示意圖。(a) 兩個矢量相加示意圖。(b) 電流矢量在器件中心疊加的有限元仿真結果。(c) L11 CuPt/CoPt材料中的三種不同電流矢量疊加情況。

不同于傳統的標量電流自旋邏輯器件，該團隊提出的電流矢量自旋邏輯器件將輸入電流的方向作為一個新的邏輯變量。輸入電流的方向被視為矢量，通過對輸入矢量進行矢量加法操作，疊加后的方向決定了輸出狀態，從而實現了更加復雜的邏輯功能。

圖2 L11 CuPt/CoPt器件的結構及電流矢量疊加實驗驗證。(a) 器件的掃描透射電子顯微鏡圖像。(b) 器件光學顯微圖像。(c) 垂直磁化的異常霍爾效應信號。(d-f) 不同輸入電流方向的疊加實驗。(g-i) 外加磁場驗證矢量疊加方向的實驗。

該研究以L11晶體結構的CuPt/CoPt異質結構為基礎，利用其特殊的三重旋轉對稱性，成功實現了電流矢量的疊加。研究發現，當輸入電流沿晶體特定方向流動時，磁化狀態可以精確反映疊加電流矢量的方向，這使得單個器件即可實現高度復雜的邏輯功能。

圖3 可重構的布爾邏輯門示意圖。(a) 器件光學圖像與邏輯輸入輸出示意。(b) AND/OR門的真值表。(c) AND邏輯操作，用MOKE信號和霍爾電壓讀取結果。

該團隊成功在單一器件中實現了包括與（AND）、或（OR）、與非（NAND）、或非（NOR），甚至更復雜的蘊含（IMPLY）等基本布爾邏輯門操作，并僅使用兩個器件即實現了全加器功能。經仿真驗證，與統的自旋邏輯器件相比，該電流矢量加法器結構的全加器面積、功耗、延遲方面展示出了明顯的優勢。

本工作證明了電流矢量作為新型物理狀態變量在自旋邏輯中的巨大潛力，為高效低功耗的自旋電子學邏輯與計算器件開辟了新思路，為未來集成電路技術的發展提供了重要的新路徑。

該工作通過使用TuoTuo Technology的無掩模光刻機完成了所有vector adder器件的制備工作。

論文鏈接：

articles/s41467-025-58225-3