近年来，磁随机存储器（MRAM）因其优异性能获得工业界和学术界的高度关注。但受制于物理尺寸难以微缩到DRAM/NAND级别、写入速度无法达到SRAM（小于 1 纳秒，即十亿分之一秒）级别等关键技术瓶颈，MRAM在主流存储器市场上处于容量无法匹配DRAM/NAND、速度无法匹配SRAM的尴尬境地。MRAM写入速度无法匹配SRAM的根本物理限制，在于其通过电流产生阻尼自旋矩作用于存储层，实现电控“0”和“1”状态的切换。在STT-MRAM和自旋极化与磁矩共线的SOT-MRAM中，阻尼自旋矩会导致在“0”和“1”状态转换过程中的磁矩进动，这种进动需要持续2-10 ns，限制了MRAM的写入速度。

针对上述写入机制上的物理机理限制，中国科学院集成电路制造技术全国重点实验室三维存储器件与工艺科研团队发现了一种类场自旋矩导致的无磁矩进动、无外加磁场的超快电写入方式，有望从源头上解决MRAM在速度和高密度集成中面临的基础性物理问题。器件的实测结果表明，在低于阻尼自旋矩（当前STT/SOT-MRAM的写入机制）写入电流一个数量级的情况下，可在200 ps （0.2 ns）的时间内实现“0”和“1”状态的可靠写入，其数据保持时间和可集成密度均优于SRAM。该成果有望率先在对读写速度要求苛刻的人工智能和高性能计算领域得到应用。

上述工作以“Subnanosecond in-plane magnetization switching induced by fieldlike spin-orbit torques from ferromagnets”为题发表在Phys. Rev. Applied (23, 044041 (2025); 链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.044041 )。微电子所博士生张晗颖为论文第一作者。

该研究成果得到了北京市自然科学基金重点项目、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项等项目的支持。

（a）阻尼矩写入过程; （b）类场矩写入过程； （c）0.2纳秒写入脉冲导致的高低组态转变；（d）写入电流密度和写入脉宽的关系。