2月14日，北京航空航天大学电子信息工程学院赵巍胜团队于《自然通讯（NatureCommunications）》在线发表了题为“Current-inducedmagnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicularmagnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance”的研究成果，通过使用基于单原子层钨的双界面结构，将自旋转移矩磁存储器STT-MRAM的核心器件——垂直磁各向异性磁隧道结的隧穿磁阻比率提高至249%，较IBM、IMEC及高通等国际领先机构此前公布的数据提高30%，达到世界领先水平；在国际上首次实现了基于该结构体系的自旋转移矩翻转，写入电流密度最低可至3.0MA cm^-2。2017届博士生王梦醒为该论文的第一作者，赵巍胜教授是唯一通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。该工作获得了我校大数据与脑机智能高精尖中心、国家自然科学基金及北京市科技计划的大力支持。

当前主流随机存取存储器主要基于半导体器件晶体管，其存储容量在过去50年中一直遵循摩尔定律快速增长，支撑着云计算等信息产业飞速发展。然而，先进集成电路制造工艺（如10nm）受到量子效应制约，造成静态功耗过大、数据稳定性差的局面，摩尔定律正在逐渐失效。基于自旋电子学的磁存储器件，如磁隧道结，表现出非易失性、超低功耗、无限次高速读写等优点，受到学术界与产业界的高度重视，被认为是能够解决功耗问题的关键技术。2018年，微电子制造领域三家领军企业——三星电子、台积电及GLOBALFOUNDRIES，相继宣布量产STT-MRAM。自旋电子学的起源可以追溯至1988年，法国南巴黎大学的艾尔伯·费尔（AlbertFert）教授和德国尤利西研究中心的彼得·格林贝格（PeterGrünberg）教授发现了巨磁阻现象，使硬盘存储容量快速大幅增长，推动了大数据及互联网信息时代的发展，两位教授也因此获得2007年诺贝尔物理学奖。

基于MgO/CoFeB结构的垂直磁各向异性磁隧道结表现出了诸多优势，为STT-MRAM的发展提供了无限可能。然而，垂直磁隧道结仍面临诸多挑战，包括将高隧穿磁阻比率与低电阻相结合、提高热稳定性因子，以及提高与产业化生产的兼容性，等等。赵巍胜团队对基于单原子层钨的垂直磁隧道结进行了历时4年的深入研究，结合理论计算与相关实验，设计并制备了具有MgO/CoFeB/W/CoFeB/MgO自由层和W过渡层的纳米磁隧道结器件。由于采用了重金属材料钨，该磁隧道结可以承受410°C退火，热稳定性因子约为60，能够满足数据存储的可靠性需求。此外，相关第一性原理计算表明，隧穿磁阻比率的提高可能与使用单原子层钨引起的共振隧穿相关。该工作瞄准国家重大战略需求与国际科技前沿，为STT-MRAM的广阔应用奠定了理论基础。