图1. 忆耦器的结构和原理示意图。通过施加电压改变磁电耦合系数的状态来写入信息，通过施加磁场来并行读取信息。
近期，中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室孙阳研究员、尚大山副研究员和柴一晟副研究员等提出了另一种非易失性器件—忆耦器（memtranstor），并在单个忆耦器上分别实现了两态存储、多态存储和布尔逻辑运算。忆耦器是一种基于非线性磁电耦合效应的记忆元件，源于第四种基本电路元件电耦器（transtor）。忆耦器的基本特征是其表现出非线性电荷-磁通回滞曲线。与忆阻器采用电阻（R = dv/di）的状态存储信息不同，忆耦器采用电耦（T = dq/dφ?，或者等效于磁电耦合系数 α= dE/dH）的状态来存储信息。忆耦器的信息处理原理采用电写磁读，具有高速度、高密度、低功耗、并行读取、结构简单、易于制备等优点。
图2. 基于忆耦器实现非易失性多态存储器。
孙阳研究组的研究生申见昕、丛君状和申世鹏等分别基于多种磁电耦合介质制备了几种忆耦器。他们首先在Ag/PMN-PT/Terfenol-D/Ag忆耦器中实现了室温下两态信息存储，第一次演示了忆耦器作为新型非易失性存储器的功能 [以Letter形式发表于Phys. Rev. Applied 6, 021001 (2016)]。在此基础上，他们又在该忆耦器中实现了多态（4态和8态）存储。常规存储器每个存储单元只能存储2种状态（0, 1），而多态存储器在每个存储位上可以存储2n个状态，因而具有更高的存储密度。与电阻型多态存储器相比，由于电耦值可以从正到负分布，因而忆耦器具有更高的存储密度和容错度。此后，他们采用简单金属Ni来替代复杂贵重合金Terfenol-D (Tb0.28Dy0.72Fe1.95)，制备了Ni/PMN-PT/Ni忆耦器，实现了非易失性两态和多态存储器。更为重要的是，他们基于单个Ni/PMN-PT/Ni忆耦器实现了非易失性通用逻辑门NOR和NAND。这一成果表明忆耦器与忆阻器类似，可以兼有信息存储和布尔逻辑运算的功能，因而有望用于实现非冯?诺依曼结构的下一代计算机。此外，研究生鲁佩佩等基于有机铁电体制备出Cu/P(VDF-TrFE)/Metglas和Cu/P(VDF-TrFE)/Ni有机忆耦器，并成功实现了非易失性多态信息存储。有机忆耦器有望在未来用于柔性可穿戴电子器件。
图3. 基于忆耦器实现非易失性逻辑门NOR
这些系列研究进展表明，忆耦器在开发下一代信息功能器件方面具有巨大的潜力。与目前人们广泛关注的忆阻器相比，忆耦器具有更低功耗和并行信息处理等优点。以上研究成果分别发表于Phys. Rev. Applied 6, 021001 (2016)；Phys. Rev. Applied 6, 064028 (2016)；Sci. Rep. 6, 34473 (2016)；Appl. Phys. Lett. 109, 252902 (2016)。在2016年11月于美国新奥尔良举行的第61届国际磁学与磁性材料大会（MMM）上，孙阳研究组关于忆耦器的工作被评为大会最佳张贴报告奖（Best Poster Award），是中国地区（包括台湾、香港和澳门）唯一获得该奖项的工作。
图4. 基于忆耦器实现非易失性逻辑门NAND。
该研究获得了国家自然科学基金、科技部和中国科学院项目的支持。
相关文章链接：
1. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.021001
2. http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.064028
3. http://www.nature.com/articles/srep34473
4. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4972304
编辑：J.C.
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