随着大模型时代的到来，激增的数据处理需求对芯片设计提出了更高要求。在冯·诺依曼架构中，数据存储与计算的分离导致了“存储墙”问题，严重影响了运算效率。同时，现有的计算芯片还面临着“能耗墙”的挑战，限制了高频高速处理器的可持续发展。为此，科研人员正积极探索基于新兴交叉科学-自旋电子学和磁子学的非易失多功能可编程存算一体化技术的新途径，以期开发出更为高效的存储与计算一体化单元器件。
11月7日，甬江实验室最新一期“高山讲堂”开讲。本期主讲人是自旋电子学、磁子学和磁学领域的专家——中国科学院物理研究所研究员、博士生导师韩秀峰。韩秀峰长期从事隧穿磁电阻(TMR)、量子阱共振隧穿磁电阻(QW-TMR)、库伦阻塞磁电阻(CBMR)、磁子阀和磁子结效应等前沿自旋量子效应的研究，探索这些新奇物理效应及相关纳米磁异质结在原型器件中的实际应用，致力于构建能够支持未来高性能计算和人工智能发展的基础创新架构。
什么是自旋电子学和磁子学？
什么是自旋电子学和磁子学？报告一开始，韩秀峰深入浅出地给大家做了简要的介绍。
自旋电子学，是凝聚态物理学、电子学、微电子学、固体电子学、光学和声学等多学科交叉形成的一门新兴学科。传统的电子学(如半导体技术)主要关注电子的电荷输运特性，而自旋电子学则引入了电子的自旋这一物理属性。
想象一下，我们平时说的电子在其自旋极化之后，就像是小小的磁针。这些磁针不仅有方向，还可以指向南或指向北。在自旋极化电子的世界里，电子的自旋方向可以“向上”、也可以“向下”，这是电子的一种内在量子特性。
简单来说，自旋电子学就是利用电子自旋的方向和输运性质，来做一些特别的事情。比如，可以让这些磁针只按照一个方向排列，用它们来存储信息，或者让它们通过一些特殊的材料或器件时，只让某个方向的自旋极化电子流通过，从而调控电流或者磁电阻。
而磁子学有点像是扩展版的自旋电子学。磁子是自旋波的最小能量子，是由大量电子自旋和磁矩的集体激发行为产生的。因此，磁子是一种准粒子，具有波粒二象性和电中性，可以用于定向传输动量和能量，所以磁子也可以用在信息传输、处理和存储方面。特别是在某些磁性绝缘体材料及其器件中，磁子流能够在没有电子电荷流的情况下传输自旋信息，因此就没有电阻及其焦耳热能耗。
但是，要做到这一点并不容易，因为要让电子的自旋方向按照我们的意愿排列，或者让它们通过特定的材料和器件时只保持一个方向，需要很高的技术和很特殊的磁性材料与介质。因此，韩秀峰及同领域里国内外数以千计的科学家及工程师们正在努力研究这些材料和技术，希望未来我们可以用上基于自旋电子学和磁子学的更先进、更高效的电子设备。
“我认为这两个新兴交叉学科-自旋电子学和磁子学，将会对人工智能和芯片存储等技术发展产生巨大的推动作用，未来可以成就数万亿美元的产业链。”在从事自旋电子学研究已超过25年时间的韩秀峰看来，这两门新兴学科正值百年一遇的历史发展好机遇。
自旋电子学的一个重要应用就是让存储设备变得更快、更小、更省电，磁子学未来也有研发出磁子型存储、逻辑、运算、传感等新一代信息技术的巨大潜力，有可能会成为未来发展人工智能技术的材料与器件基础。“我相信，未来我们不仅能有更多Made in China的优质芯片，还会有更好的Create in China的品牌芯片。”韩秀峰说。
新一代“MRAM”，重塑磁存储技术新未来
磁性存储技术在过去的几十年里取得了巨大的进步，从最初的磁带、Gbit磁硬盘(HDD)，到如今的Tbit超高密度磁硬盘和半导体固态硬盘(SSD)，存储密度不断提高，体积不断缩小，性能也在快速迭代。然而，随着信息技术的不断进步，现有的存储技术已经逐渐逼近其物理极限，因此需要寻找新的突破点。
而磁随机存取存储器(MRAM)能够通过控制磁性材料的磁矩方向，来实现信息的存储和读取，相比传统的磁性存储器，这种新型存储器具有更高的存储密度、更快的读写速度和更低的能耗。更重要的是，它还具有数据非易失性的特性，即在断电的情况下，存储的信息也不会丢失。
韩秀峰重点介绍了他所带领的研究团队在自旋电子学和磁子学领域的系列突破性成果，特别是在新型磁随机存取存储器方面的原创性研发进展。
为了发展MRAM原型器件，韩秀峰团队克服了诸多技术难题，通过20多年对纳米磁性薄膜材料及其器件的持续优化制备和精准调控研究，先后成功实现了对磁矩方向的自旋转移力矩(STT)和自旋轨道力矩(SOT)的有效调控和快速翻转，分别在2006年研发出了第二代纳米环STT-MRAM原型器件和2009年率先构建出第三代SOT-MRAM磁随机存储器，并获得中国发明专利授权及其后续相关国际专利授权，为发展磁性存储材料和信息存储技术开辟了新的研究方向。
特别是近几年他们率先发明和研制出的磁子阀(Magnon Valve)和磁子结(Magnon Junction)以及磁子晶体管(Magnon Transistor)等具有垂直纳米叠层结构的新型磁子器件，为发展磁子型存储、逻辑、运算、传感等更新一代自旋信息技术开辟了一条全新的技术途径和研究方向。
随着研究的不断深入和持之以恒，韩秀峰团队在自旋电子学和磁子学研究领域的国际影响力也逐渐扩大，迄今为止其团队共发表SCI学术论文500余篇；获中国发明和国际专利授权110项。他率领其团队与合作者已发现、提出或实验观测到了10种新奇自旋量子效应和磁子量子效应，累计已研制出了10余种新型自旋电子和磁子关键器件，研究成果得到了国内外同行的广泛认可和高度评价，为推动自旋电子学和磁子学两个新兴交叉学科的发展做出了重要贡献。
做科学前沿探索，需要营造“天时地利人和”的条件
在提问环节，甬江实验室的科研人员及许多来自东方理工大学、宁波大学等相关高校、院所、企业的各界代表都慕名而来，并踊跃提出了问题。韩秀峰一一与大家探讨专业领域的问题，并给科研工作者们提了三点寄语和期望。
第一，抓住“天时地利人和”，尽早进入新学科新领域。
韩秀峰认为，做科学前沿探索，需要营造“天时、地利、人和” 的条件。
“天时，是我赶上了自旋电子学和磁子学快速发展的黄金三十年。地利，是中国对科研的重视和持续投入，让更多像甬江实验室这样有条件的实验室和科研机构高效运转起来，能够让国内更多有志从事科研探索的科研人员(特别是年轻人)有条件走在科学研究的前沿。人和，则是我们国内能有一群共同探索的同仁、专家和学者们相互支持、学习和促进。”
韩秀峰期望青年科学家们，更加去注重新学科新领域的发展，抓住天时，用好地利，珍惜人和，早一些介入新学科的研究，创造出更多新领域的原创性科研成果。
第二，要让更多的苹果花，结成真正的红苹果。
“有了新的物理效应发现到研发出新的物理器件，就像是绽放的苹果花结出了真正的青苹果和熟透的红苹果”，这个比喻，贯穿了整场韩秀峰的分享。
韩秀峰和团队那些用独具匠心钻研出的原创论文能够成功发表，那些具有原创技术的专利能掌握在中国人自己手里的背后，是无数次不畏艰辛捍卫成果的信心和勇气。“不论是哪个领域，哪个行业，科研工作者真正要做的就是培育出更多苹果花，钻研出更多的物理新效应，让苹果花最终结出青苹果、转化成红苹果，让科研成果能够服务于产业，推动行业进步，改善人们的生活，造福于人类社会。”
第三，坚持深耕一个领域，珍惜每一分科研经费。
韩秀峰说，这一次来访甬江实验室，很惊喜地看到短短三年内拔地而起的新园区，不断进场的顶尖科研设备，来自各大高校和企业的优秀人才共同汇聚在这里，“这是一个不可多得，没有后顾之忧的科研环境。”
韩秀峰和青年科研工作者分享，25年来他们团队一直坚持自旋电子学和磁子学的应用基础链条式研究，把精力和重点始终放在最需要投入研究的从材料到物理和器件一条主线贯穿的领域，一路走到今天，才有了这些可以与大家分享的系列科研成果。
“能够在这样备受重视的科研环境中深耕自己的科研领域，还可以不急于求成、十年磨一剑，是非常幸运的一件事。我希望甬江实验室的各位青年科学家，能够珍惜每一分来自纳税人的科研经费，不放过探索任何一个有可能重塑行业未来的前沿科研发现。希望将来能够看到更多来甬江自实验室的突破性研究成果！”韩秀峰说。
