Spintronics是尋求超越CMOS未來的一條新路徑。在當(dāng)今的電子設(shè)備利用電子電荷的地方，自旋電子學(xué)具有另一個(gè)關(guān)鍵特性：電子的自旋，即其固有的角動量，其指向“上”或“下”。自旋電子器件比CMOS器件耗電少得多，即使關(guān)閉電源，它們也可以保留其數(shù)據(jù)。
自旋已在內(nèi)存中使用，例如磁阻RAM（MRAM）。但是，為了執(zhí)行邏輯運(yùn)算而操縱微小的磁效應(yīng)更加困難。例如，在2018年，麻省理工學(xué)院的研究人員做把氫離子作為自旋電子晶體管的嘗試。他們的努力是非常初步的。該團(tuán)隊(duì) 承認(rèn)，要開發(fā)出能夠存儲和處理信息的功能齊全的自旋電子晶體管，還有很長的路要走。
現(xiàn)在，由博士學(xué)位候選人Eline Raymenants領(lǐng)導(dǎo)的imec和Intel的研究人員 已經(jīng)創(chuàng)建了一種自旋電子邏輯器件，該器件可以用電流而不是磁場進(jìn)行完全控制。Intel-imec團(tuán)隊(duì)在最近的IEEE國際電子設(shè)備會議（IEDM）上介紹了其工作。
電子的自旋產(chǎn)生磁矩。當(dāng)許多具有相同自旋的電子靠在一起時(shí)，它們的磁矩可以對齊并合力以形成更大的磁場。這樣的區(qū)域稱為magnetic domain，并且domains之間的邊界稱為domain walls。一種材料可以包括許多這樣的domain和domain walls，它們像磁化的馬賽克一樣組裝。
設(shè)備可以在這些域中對0和1進(jìn)行編碼。指向“上”的域可能表示0，其中“下”是1。Intel-imec的設(shè)備把domain放置在納米級線的single-file的line中。然后，該設(shè)備使用電流沿導(dǎo)線移動這些區(qū)域及其壁，就像沿著火車軌道上的汽車一樣。
軌道在磁性隧道結(jié)（ magnetic tunnel junctionMTJ）處與switch相交。它類似于當(dāng)今硬盤的讀取頭，但是研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種新型的MTJ，該MTJ經(jīng)過優(yōu)化可以更快地移動domain walls。MTJ從軌道讀取信息并充當(dāng)邏輯輸入。在IEDM上，研究人員提出了一種概念證明：幾個(gè)MTJ相當(dāng)于與門。
同樣的MTJ也是將信息寫入磁道的地方。為此，Intel-imec設(shè)備使用與當(dāng)今MRAM中相同的技術(shù)。該器件通過自旋極化電流-大多數(shù)電子在一個(gè)方向上自旋-通過magnetic domain。該電流可以重新排列磁場的方向，從而在此過程中創(chuàng)建或編輯domain walls。
它類似于racetrack存儲器，這是十年前首次提出的一種實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)存儲形式。racetrack存儲器還將信息寫入magnetic domains ，并使用電流沿納米線或“racetrack”將這些magnetic domains穿梭（shuttle）。但是，Intel-imec設(shè)備利用了材料方面的優(yōu)勢，使domain walks可以更快地沿線向下移動。研究人員說，這是允許邏輯的關(guān)鍵。
imec的研究人員Van Dai Nguyen表示，到目前為止，研究人員主要集中在優(yōu)化這些材料上。
Intel-imec團(tuán)隊(duì)并不孤單。2020年初，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員使用domain walls邏輯創(chuàng)建了邏輯門。麻省理工學(xué)院的研究人員最近還展示了一種基于domain walls的人工神經(jīng)元。像Intel-imec研究人員和racetrack存儲器一樣，這些設(shè)備還使用電流將domain向下移動。
但是，蘇黎世和麻省理工學(xué)院的設(shè)備依靠磁場來寫入信息。對于邏輯，這不是理想的。imec的研究人員Iuliana Radu說：“如果構(gòu)建邏輯電路，您將不會放……一塊巨大的磁鐵，您可以改變方向或打開或關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)邏輯。” Radu說，完全的電氣控制也將允許將Intel-imec設(shè)備連接到CMOS電路。
研究人員說，他們的下一步將是展示其裝置的實(shí)際作用。他們設(shè)計(jì)了一個(gè)多數(shù)門，如果大多數(shù)輸入為正，則返回正結(jié)果。但是，Radu說，他們還沒有真正探索這種設(shè)計(jì)。只有到那時(shí)，研究人員才能知道他們的自旋電子學(xué)邏輯將如何與CMOS建立相抗衡。