（通讯员 邓修齐）近日，集成电路学院赵巍胜/张悦/张昆课题组在磁旋逻辑器件（MESO）研究领域取得里程碑式突破。团队首次提出“磁隧道结（MTJ）增强型MESO逻辑”新架构，成功将器件读出电压从微伏级提升至毫伏级，相关成果以《Giant spin-orbit magnetic state readout enhanced by a magnetic tunnel junction》为题，发表于《Nature Communications》，为推动后摩尔时代超低功耗逻辑芯片走向实用化迈出了关键一步。

随着硅基CMOS技术逼近物理极限，漏电导致的静态功耗激增、尺寸微缩瓶颈等问题日益凸显，MESO凭借“电压控磁写入+自旋轨道耦合读出”的超低功耗、可级联特性，成为替代硅基晶体管的核心候选技术。MESO逻辑可在100mV超低电压下工作，兼具非易失性与高速运算优势，但长期受限于“自旋-电荷转换读出信号过弱”的瓶颈——传统MESO读出电压不足20μV，远低于逻辑级联所需的100mV阈值，严重制约器件级联与实际应用。

图1 MTJ增强的MESO器件概念、原理和应用

针对这一核心难题，研究团队创新性提出“MTJ+ MESO集成”新方案，通过共享铁磁层实现“逻辑运算+磁存储”一体化设计，从“自旋极化增强”与“电流调制放大”双维度破解读出信号微弱困境。该架构核心在于引入MgO基磁隧道结：一方面，利用CoFeB/MgO/CoFeB三明治结构的“自旋过滤效应”，实现自旋电流高效注入；另一方面，借助MTJ平行/反平行态的电阻差异，在电压源驱动下调制注入电流，叠加产生额外读出信号，双重放大输出强度。实验结果显示，该MTJ增强型MESO器件实现室温1.5mV超高读出电压，较传统MESO器件提升两个数量级，创下同类器件室温读出信号新纪录。

该项研究由杭州北京航空航天大学国际创新研究院（学院）自旋芯片全国重点实验室和北京航空航天大学集成电路科学与工程学院合作完成。北航赵巍胜教授、张悦教授和张昆副教授为论文通讯作者，杭州北航国际创新研究院博士后黄炎、北航集成电路学院博士生刘菓为论文第一作者。研究获国家自然科学基金“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划、国家自然科学基金金砖国家组织间合作项目、科技部国家重点研发计划支持。

此次北航团队的突破性进展，不仅攻克了MESO逻辑器件读出信号弱的核心难题，更创新了后摩尔时代逻辑器件设计架构，为超低功耗、高可靠自旋电子器件的实用化提供了全新技术路径。近年来，北航自旋芯片与技术全国重点实验室致力于低功耗高速自旋电子器件的技术研发，在物理机制、材料制备、器件工艺等层面都取得了一系列进展，已经在《自然·材料》（Nature Materials）、《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等国际知名期刊上发表一系列高水平论文。

图2 器件读出性能