反鐵磁裡藏著「磁性滑輪」？新型自旋元件讓 AI 更像人腦
我們這篇研究提出了在 Pt/Co/IrMn 三層薄膜中，發現了一種隱藏在反鐵磁材料 IrMn 深處的「看不見的磁性有序度」。雖然一般量測到的交換偏壓( exchange bias，Hex）看起來可以被自旋軌道矩（Spin-orbit torque，SOT）完全翻轉，但實際上 IrMn 內部深層仍然存在一種像「滑輪（pulley）」一樣的深層磁性結構，會偷偷影響自旋軌道力矩切換的方向與難易度。
研究中發現，當破壞自旋軌道矩對稱性的外加磁場較小、或電流脈衝時間縮短時，這種隱藏的反鐵磁序會變得更加明顯，使磁化切換出現類似「棘輪（ratchet）」的不對稱行為：沿著初始交換偏壓的切換是漸進、類比式（analog）的，而順著初始交換偏壓的磁矩翻轉則會陡峭、數位式（digital）地切換。研究團隊利用自旋彈簧( exchange-spring）模型解釋這種現象，認為 IrMn 深處較穩定的自旋像是被壓縮的彈簧，會對磁化翻轉形成額外阻力。
更有趣的是，這種「類比＋數位雙重特性」非常適合模仿人腦神經突觸的學習行為。研究團隊進一步將不同脈衝寬度下的 SOT 切換曲線，轉換成類神經網路中的 活化函數，並實際導入 CNN 影像辨識架構中。結果發現，透過動態退火，辨識準確率可以接近傳統 ReLU 演算法，同時兼具硬體低功耗與可重組特性。
這項研究的重要意義在於：它不只是發現了反鐵磁材料中「超越交換偏壓的隱藏磁序」，也呈現了如何把材料本身的磁性動態直接轉換成 AI 運算功能，朝向更節能、更接近人腦運作方式的 類神經元計算邁進。
文章連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.6c00296
2026 自旋軌道矩技術相關發表。
讓反鐵磁「學會記憶」：尼爾張量與新的自旋軌道矩
在一般人的印象中，磁鐵之所以能被偵測，是因為它具有明顯的磁矩，也是廣義的磁性。但有一類材料叫做「反鐵磁材料（Antiferromagnet）」，其中的磁矩彼此相反排列，總磁化量幾乎互相抵消，因此外觀看起來像是「沒有磁性」。這讓反鐵磁材料雖然具有高速、低功耗、抗外界干擾等優勢，卻一直很難被真正應用在電子元件中，因為科學家很難直接「看見」或控制它內部的磁性排列。
現代電腦中的記憶體，大多依靠磁鐵方向來儲存資料。但傳統磁性材料容易受到外部磁場干擾，也逐漸面臨速度與功耗的瓶頸。因此，科學家開始將目光轉向「反鐵磁材料（Antiferromagnet）」，這是一種內部磁矩彼此抵消、幾乎沒有外部磁場的特殊材料。這類材料不但切換速度極快，還具有高穩定性，被視為下一代 AI 與低功耗記憶體的重要候選者。然而，真正的挑戰在於：現實中的反鐵磁材料大多是「多晶」結構，內部自旋排列非常混亂，難以像單晶材料那樣被精確控制。為了解決這個問題，研究團隊提出了一個全新的概念：「Néel tensor（尼爾張量）」。
不同於過去只用單一方向描述磁性的「尼爾序（Néel order）」，尼爾張量可以用統計方式描述多晶反鐵磁中複雜而隨機的自旋排列。研究中，我們團隊引入了類似人工智慧中的機器學習方法，利用統計分析去找出隱藏在混亂自旋中的規律。就像 AI 能從大量資料中辨識特徵一樣，研究人員從看似隨機的反鐵磁自旋中，萃取出一種新的「張量結構」。更驚人的是，這個尼爾張量不只是數學描述，它還會產生一種新的磁性作用力，研究團隊將其命名為「尼爾張量矩（Néel tensor torque）」。透過這種新型的自旋軌道矩能夠在沒有外加磁場的情況下，直接驅動相鄰鐵磁層的切換，實現所謂的「零場寫入」，此為第三代自旋軌道矩型磁記憶體的核心技術。而除了零場寫入的特性外，我們團隊發現元件會自然呈現不同的切換方向極性，有些順時針翻轉、有些逆時針翻轉，而且這種特性像「指紋」一樣，每顆元件都不完全相同。 這代表它除了可做為記憶體之外，還有機會應用在硬體安全中的物理不可複製功能（Physically Unclonable Function，PUF）技術。
這篇研究的重要性在於，它首次為多晶反鐵磁材料建立了一套完整的新理論與實驗架構，不僅揭露了隱藏在雜亂磁性中的統計規律，也開啟了反鐵磁自旋電子學的新方向。未來，這種可訓練、可重設、低功耗且高速的磁性元件，可能成為下一代智慧記憶體與 AI 晶片的重要核心技術。
本篇工作還入選 Adv. Mater. Inside Front Cover
文章連結：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202506462
2025 自旋軌道矩技術相關發表。
會失憶也能變成優點：一顆元件兼具記憶與亂數功能
對記憶體而言，每次輸入相同指令，都應該得到相同結果。因此，磁性元件在切換時出現的不確定性，過去通常被視為必須排除的致命缺陷。然而，在資訊安全與人工智慧應用中，適度的隨機性反而十分珍貴。我們研究團隊發現，只要在磁記憶體寫入的時候調整外加磁場強度，就能像轉動記憶的旋鈕一樣，控制自旋元件的隨機程度，使同一種元件在穩定記憶與亂數產生器之間切換。
我們研究團隊製作由鉑與鈷組成的雙層薄膜。鉑受到電流作用時，會產生具有特定自旋方向的電子流，並對鄰近鈷層的磁矩施力。這種效應稱為「自旋軌道力矩」，可以用電流改變鈷的磁化方向，是發展磁性記憶體的重要技術。然而磁性翻轉並不是整片材料同時轉向，而是先在局部產生一小塊反向磁區，再由磁區邊界逐漸擴張，最後完成整體翻轉。這個移動中的邊界稱為「磁壁」。磁壁如何前進，會直接決定元件的輸出是否穩定。
實驗中，我們沿著電流方向施加輔助磁場，並反覆進行寫入與讀取。當磁場為 500 Oe 時，磁區會像樹枝般向不同方向分岔生長，每次通電後形成的磁區形貌都不一樣。即使電流條件完全相同，中間磁化狀態仍出現明顯變化，電阻輸出也呈現接近高斯分布的隨機結果。而當磁場提高至 1500 Oe 時，情況截然不同。較強的磁場會使磁壁中的磁矩傾向沿著電流方向排列，抑制磁區斜向分岔，使磁壁以較一致的路徑向前推進。經過 30 次重複寫入與讀取後，中間狀態幾乎維持相同，代表元件可以被精確控制。這種可連續調整、又能記住先前狀態的特性，適合用於模擬生物突觸的憶阻器。但在較弱磁場下，原本被視為缺點的不確定輸出，反而能成為硬體亂數產生器的「熵源」。一般電腦產生的亂數多半來自數學演算法，只要知道運算規則與初始條件，理論上仍可能預測後續結果。硬體元件中的磁區隨機生長則源自真實物理過程，更難以複製或推算，可用來定期打亂演算法產生的數列。
我們團隊試著將這種隨機性作為一個真亂數產生器，將元件的隨機輸出分為 6 個區間，作為偽亂數產生器重新設定起始狀態的依據。最後得到的二進位序列中，「0」與「1」各占約一半，也沒有明顯的重複規律；卡方檢定結果亦顯示，各次輸出可視為彼此獨立的隨機事件。
這項研究最大的意義，在於揭示自旋軌道力矩元件具有兩種看似相反、卻都很有價值的功能。強磁場讓切換穩定可控，適合記憶與類神經運算；較弱磁場則保留磁區生長的隨機性，可用於加密與硬體安全。未來若以另一層平面磁性材料取代外加磁場，便可能將這個「隨機旋鈕」直接整合進晶片，打造可依需求切換功能的新型自旋電子元件。
文章連結：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202400422
2024 自旋軌道矩技術相關發表。
反鐵磁自旋電子元件，既能模仿大腦，也能產生亂數
傳統電腦將記憶與運算分開，資料必須在處理器和記憶體之間頻繁傳送，因而消耗大量能源。為了突破這項限制，科學家正嘗試開發能同時儲存與處理資訊的新型元件。其中，以電流操控磁性的「自旋軌道力矩」技術，不僅適合製作磁性記憶體，也可能應用於類神經運算與資訊安全。
我們研究團隊製作了鉑／鈷／銥錳三層薄膜。鉑可將電流轉換成自旋流，進而推動鈷的磁化方向翻轉；銥錳則是反鐵磁材料，內部磁矩彼此反向排列，能透過界面作用改變鈷的磁性行為。我們發現，只要調整銥錳的厚度，就能控制反鐵磁秩序的強弱，並讓元件呈現兩種截然不同的功能。當銥錳較厚時，元件可以穩定記住多個磁化狀態，適合模擬神經突觸；當銥錳較薄時，磁化結果則具有明顯隨機性，可望用於亂數產生與硬體安全。
這項轉變與一種稱為「迪亞洛辛斯基－守谷交互作用」的磁性交互作用有關，簡稱 DMI。DMI 會使磁矩傾向以特定方式扭轉，形成具有固定旋轉方向的磁壁。當磁壁受到自旋軌道力矩推動時，DMI 的強弱會影響磁區從哪裡產生、如何擴張，以及最後能否穩定停留。實驗顯示，當銥錳厚度增加至約 8 奈米時，反鐵磁秩序與交換偏壓逐漸建立。這股界面磁性會抑制鈷層中的磁矩扭轉，使 DMI 減弱，因此只需較小的輔助磁場便能完成磁化切換。更重要的是，強反鐵磁秩序會在界面形成較固定的磁區成核與磁壁釘扎位置，就像替磁壁設置一系列停靠站。輸入不同強度的電流脈衝後，磁壁能停留在對應位置，產生穩定且可重複的多階電阻狀態。這種行為與人腦突觸十分相似。神經連結強度會隨刺激逐步改變，而不是只有「開」與「關」兩種狀態。因此，具有 8 奈米銥錳的元件可作為憶阻元件，利用不同磁化程度代表不同權重，應用於類神經運算。
相反地，當銥錳只有約 2 奈米厚時，反鐵磁秩序尚未完整建立，界面缺乏固定的成核與釘扎位置。即使輸入相同電流，磁區每次產生與擴張的方式仍可能不同，使中間磁化狀態出現顯著變化。這種不確定性雖不利於傳統記憶體，卻能成為產生亂數的物理來源。研究團隊對薄銥錳元件重複寫入與讀取 82 次，再依電阻高低轉換成「0」與「1」。結果顯示，兩種數值各占約一半，也沒有明顯排列規律，展現出作為硬體亂數來源及物理不可複製功能的潛力。
這項研究證明，材料厚度不只是結構參數，更像一個決定運算模式的內建開關。較厚的反鐵磁層提供穩定的多階記憶，適合類神經運算；較薄的反鐵磁層則保留隨機性，適合機率運算與資訊安全。未來，同一套自旋元件架構可能依需求扮演不同角色，進一步連結人工智慧與安全運算兩大領域。
文章連結：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.202300472
2023 自旋軌道矩技術相關發表。
磁性世界裡的棘輪：同一顆元件為何一邊數位、一邊類比？
腳踏車的飛輪或扳手中的棘輪，可以朝一個方向順利轉動，反方向卻受到阻擋。這種「前進與後退不對稱」的機制，不只存在於機械裝置，也可能出現在奈米尺度的磁性材料中。我們研究團隊，在銥錳與鈷鐵硼的磁性界面發現特殊的「自旋軌道力矩棘輪」。元件受到不同方向的電流作用時，一個方向會快速、明確地完成磁化翻轉，呈現數位式切換；反方向則會經歷多個漸進狀態，展現類比式變化。
研究使用的銥錳是反鐵磁材料，內部相鄰磁矩大致朝相反方向排列；鈷鐵硼則是鐵磁材料，磁矩偏好朝薄膜上方或下方。當兩者緊密接觸時，界面上的自旋會互相牽引，形成所謂的「自旋彈簧」。自旋彈簧可以想像成一排彼此相連的小指南針。靠近鈷鐵硼的銥錳自旋，會跟著鈷鐵硼的磁矩轉動；距離界面較遠的自旋則受到銥錳內部反鐵磁秩序固定。兩端無法同時自由旋轉，於是中間自旋只能逐步扭曲，如同一條被轉緊的彈簧。當鈷鐵硼的磁矩朝某個方向翻轉時，必須對抗自旋彈簧的阻力，因此需要跨越較高的能障。一旦翻轉完成，能量便暫時儲存在扭曲的自旋結構中。若磁矩接著反向切換，彈簧便會釋放先前儲存的能量，協助磁化逐步回復。兩個方向面對的阻力不同，因而產生類似棘輪的單向不對稱性。
實際施加寫入電流後，正向電流造成快速而陡峭的磁化轉換，輸出主要在兩個狀態間切換，類似數位訊號的「0」與「1」；負向電流則產生較長的漸進尾端，包含多個可辨識的中間磁化狀態，如同連續變化的類比訊號。外加磁場還能調整類比區域的寬度，提供額外的控制能力。這種數位與類比並存的特性，與神經元的運作方式十分相似。神經元會先累積外來刺激，使膜電位逐漸上升；一旦超過門檻，便快速產生脈衝，再回到初始狀態。交換彈簧形成的類比變化，可用來模擬刺激累積或突觸權重；快速的數位切換，則可模擬神經元的放電與重設。
這項研究顯示，反鐵磁材料並非只能固定鄰近磁層，也能成為具有彈性與方向性的動態元件。藉由精密設計鐵磁／反鐵磁界面，未來可能在同一顆元件中整合多階記憶、數位切換與類神經運算，為低功耗人工智慧硬體開啟新的材料設計方向。
文章連結：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202111653
2022 自旋軌道矩技術相關發表。