双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特及控制方法

本公开涉及自旋轨道矩概率比特，更具体地，涉及一种双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特及自旋轨道矩概率比特的控制方法。

背景技术：

1、问题优化、采样和反向计算等通常用传统数字计算机难以求解。基于超导量子比特的量子计算机虽然有希望高效地求解上述问题，但是需要运行在低温环境中。概率比特电路是一类受到量子计算启发的电路，并且可以在室温下基于概率比特器件的固有随机性高效求解优化、采样和反向计算等问题。

2、目前，基于自旋转移矩(stt)的低势垒概率比特由于热稳定性差，难以制备均一稳定的大规模自旋概率比特电路。垂直磁各向异性或垂直方向自旋排列的高势垒自旋轨道矩(sot)器件具有高热稳定性，容易制备均一稳定的大规模自旋概率比特电路。然而，现有的全电控垂直磁各向异性的高势垒sot概率比特方法需要利用图形化电极，且控制每个电路单元读写所需的晶体管至少为3个，这使得该方法的集成密度较低且难以进一步提升。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开实施例提供了一种双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特及自旋轨道矩概率比特的控制方法。

2、本公开实施例的一个方面提供了一种双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特，包括：

3、自旋轨道耦合层；

4、磁性自由层，设置在上述自旋轨道耦合层的上表面；

5、间隔层，设置在上述磁性自由层的上表面；

6、磁性参考层，设置在上述间隔层的上表面；

7、顶电极层，设置在上述磁性参考层的上表面；

8、其中，在同步施加第一脉冲电流和第二脉冲电流的情况下，上述第一脉冲电流流经上述自旋轨道耦合层，以对上述磁性自由层的磁化进行诱导，上述第二脉冲电流依次流经上述顶电极层、上述磁性参考层、上述间隔层、上述磁性自由层和上述自旋轨道耦合层，以改变上述磁性自由层的磁化的能量对称性，从而调控上述磁性自由层稳定于不同磁化态的概率。

9、根据本公开的实施例，上述自旋轨道耦合层的材料包括过渡金属和稀土元素及其合金、半金属、拓扑绝缘体中的至少一种，或过渡金属和稀土元素及其合金、半金属、拓扑绝缘体组成的合金或多层异质结构。

10、根据本公开的实施例，上述磁性自由层具有垂直磁各向异性或垂直方向的自旋排列，上述磁性自由层的材料包括铁磁性材料、亚铁磁性材料、反铁磁性材料中的至少一种。

11、根据本公开的实施例，上述间隔层的材料为具有半导体或绝缘体带隙的材料；

12、上述顶电极层的材料为具有导电性的金属。

13、根据本公开的实施例，上述磁性参考层包括：

14、至少一层磁性层，上述磁性层的材料包括铁磁性材料、亚铁磁性材料、反铁磁性材料中的至少之一种，上述磁性层具有垂直磁各向异性或垂直方向的自旋排列。

15、根据本公开的实施例，上述磁性参考层还包括：

16、至少一层反铁磁层，上述反铁磁层的材料包括irmn合金、ptmn合金、mn3pd、mn3sn、mn3ge、fege、fesn、ruo2、二维tacote2中的至少一种；

17、和/或

18、人工反铁磁层，上述人工反铁磁层的结构至少包括co/金属间隔层/co多层结构，用于钉扎住上述磁性材料的磁化方向；

19、其中，上述反铁磁层和上述人工反铁磁层均适用于钉扎上述磁性层的磁化方向。

20、本公开实施例的另一个方面提供了一种自旋轨道矩概率比特的控制方法，包括：

21、在上述自旋轨道矩概率比特的自旋轨道耦合层上施加第一脉冲电流，以对上述自旋轨道矩概率比特的磁性自由层的磁化进行诱导；

22、在施加上述第一脉冲电流的情况下，同步在上述自旋轨道矩概率比特的顶电极层上施加第二脉冲电流，以改变上述磁性自由层的磁化的能量对称性，从而调控上述磁性自由层稳定于不同磁化态的概率，其中，上述第二脉冲电流依次流经上述自旋轨道矩概率比特的顶电极层、磁性参考层、间隔层、上述磁性自由层和上述自旋轨道耦合层。

23、根据本公开的实施例，控制方法还包括：

24、在上述顶电极层上施加第三脉冲电流，以读取自旋轨道矩概率比特的磁电阻。

25、根据本公开的实施例，上述磁电阻的状态包括：

26、第一阻态，其中，上述第一阻态表征上述磁性自由层和磁性参考层的磁化状态平行排列。

27、根据本公开的实施例，上述磁电阻的状态还包括：

28、第二阻态，其中，上述第二阻态表征上述磁性自由层和磁性参考层的磁化状态反平行排列。

29、通过在自旋轨道矩概率比特的两端分别设置顶电极层和自旋轨道耦合层，无需图形化电极，使得自旋轨道矩概率比特只需要不超过2个晶体管用于控制读写操作，有效减低了电路单元尺寸，进而提升了集成密度，避免了图形化电极的自旋轨道矩概率器件需要至少3个晶体管造成的电路单元尺寸较大、集成密度较小的问题。

技术特征：

1.一种双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特，包括：

2.根据权利要求1所述的概率比特，其中，所述自旋轨道耦合层的材料包括过渡金属和稀土元素及其合金、半金属、拓扑绝缘体中的至少一种，或过渡金属和稀土元素及其合金、半金属、拓扑绝缘体组成的合金或多层异质结构。

3.根据权利要求1所述的概率比特，其中，所述磁性自由层具有垂直磁各向异性或垂直方向的自旋排列，所述磁性自由层的材料包括铁磁性材料、亚铁磁性材料、反铁磁性材料中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的概率比特，其中，所述间隔层的材料为具有半导体或绝缘体带隙的材料；

5.根据权利要求1所述的概率比特，其中，所述磁性参考层包括：

6.根据权利要求5所述的概率比特，其中，所述磁性参考层还包括：

7.一种自旋轨道矩概率比特的控制方法，包括：

8.根据权利要求7所述的控制方法，还包括：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其中，所述磁电阻的状态包括：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，所述磁电阻的状态还包括：

技术总结
本公开提供了一种双脉冲控制的自旋轨道矩概率比特及控制方法，该自旋轨道矩概率比特包括自旋轨道耦合层；磁性自由层，设置在自旋轨道耦合层的上表面；间隔层，设置在磁性自由层的上表面；磁性参考层，设置在间隔层的上表面；顶电极层，设置在磁性参考层的上表面；其中，在同步施加第一脉冲电流和第二脉冲电流的情况下，第一脉冲电流流经自旋轨道耦合层，以对磁性自由层的磁化进行诱导，第二脉冲电流依次流经顶电极层、磁性参考层、间隔层、磁性自由层和自旋轨道耦合层，以改变磁性自由层的磁化的能量对称性，从而调控磁性自由层稳定于不同磁化态的概率。

技术研发人员：王开友,兰修凯,雷坤
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16