垂直超顺磁隧道结中熵辅助纳秒随机操作
Lucile Souma h,1,*Louise De splat,1,2,*,†Nhat -Tan Phan,1 Ahmed Sidi El
Valli,1 Advait Madhavan, 3,4 Florian Disdier,1 Stéphane A ufret,1 Rica rdo
C.Sousa,1 Ursula Ebels,1
Mark D.St iles，3 和 Philippe T alatchian1，‡
1 大学。格勒诺布尔阿尔卑斯，CEA，CNRS，格勒诺布尔 INP，SPINTEC，38000 格勒诺布尔，法国
2 纳米组，Q-MAT 研究中心和欧洲理论光谱学设施，从原子到材料的复杂和纠缠系统（CESAM），
列日大学，Sart Tilman B-4000，比利时 3 物理测量实验室，国家标准和技术研究所，盖瑟斯
堡，
美国马里兰州 20899
4 马里兰大学帕克分校电子与应用物理研究所，
美国马里兰州 20742
（2024 年 3 月 5 日收到；2025 年 5 月 6 日修订；2025 年 5 月 22 日接受；2025 年 7 月 2 日发
布）我们证明了在 50 nm 直径垂直方向上测量的平均停留时间之间的良好一致性-
超磁化超顺磁隧道结（SMTJs）和基于兰格理论的理论计算。由于大的熵贡献，该理论产生了测
量结在有限秒范围内的 Arrhenius 预因子，与通常假设的 1 ns 值形成鲜明对比。由于低预因子
和垂直磁各向异性的微调，我们报告了在可忽略的偏置电压下，在面内外加场下测量的平均停留
时间低至 2.7 ns。在垂直外加场下，我们预测了 Meyer-Neldel 补偿现象，其中前因子像活化能
的指数一样缩放，与测量的停留时间对场的指数依赖性一致。我们进一步预测了（亚）纳秒停留
时间的出现，作为零偏置电压下有效各向异性和结直径的函数。这些发现有望为开发超快低功耗
非常规计算方案铺平道路，该方案通过利用垂直 SMTJs 中的热噪声进行操作，可以缩小到 20 nm
以下。
DOI：10.1103/v53b-mz5b
在磁学中，掌握热激活对于理解控制自旋电子纳米
结构行为的温度和动力学的复杂相互作用至关重要。
虽然增强热稳定性对于防止非易失性存储器中的信息
丢失至关重要[1–3]，但稳定性的降低有助于快速状
态切换，从而实现节能认知计算方案[4，5]。
磁隧道结（MTJs）是热激活研究很重要的器件的一
个主要例子。MTJs 由两个被绝缘氧化物隔开的铁磁层
组成，并表现出两个亚稳态，对应于两个层中磁化的
相对取向，即平行（P）和反平行（AP）。这些状态
可通过隧道磁阻（ TMR）读取，具有不同的电阻水
平，并被能垒隔开。特别地，我们指的是热波动诱导
的结
*作者 L.S.还有 L.D。同样为这项工作做出了贡献。
†联系作者：louise.desplat@cea.fr
‡联系作者：philippe.talatchian@cea.fr
作为超顺磁隧道结（SMTJs），在几秒及以下的尺度
上在两种状态之间随机切换【6-8】。尽管它们固有
的随机电阻波动，但相应的状态概率可以通过电流感
应自旋转移扭矩（STTs）【9-11】或外部磁场进行确
定性控制。这种可调性，加上它们的能量效率，使得
SMTJs 对认知应用极具吸引力，包括人工神经网络的
随机实现[12]、脑启发[13]和概率方案[14，15]。
在这些方案中，进一步降低能耗的策略是通过将态
之间的能垒降低到几个 kTRT 来降低磁化反转之间的
平均停留时间【16】，其中 k 是玻尔兹曼常数，TRT
是室温。宏观自旋模型表明，即使能垒可忽略不计，
平均停留时间也不能低于特征尝试时间 τ 0 1 ns，
这 意 味着 显 著 的 速 度 限 制 [17] 。这 种 模 型 意 味 着
【6,17】平面内 MTJ 比垂直 MTJ 具有更大的极限速
度，重点研究平面内 MTJ，据报道，平面内 MTJ 的停
留时间达到几纳秒【6,18,19】。
