随着传统CMOS技术趋近物理极限，自旋电子器件因具备低功耗、高集成度和多功能性的潜力，成为后摩尔时代的重要发展方向。实现高效的电控磁性是其中的关键，目前主要有两种技术路径：一是基于电流的调控，以自旋轨道力矩（SOT）为代表，通过自旋电流操纵磁化状态；二是利用电压控制，借助磁电耦合、应变、电化学等效应对磁性进行低能耗调控。将电流与电压调控方式耦合于单一器件，有望显著提升性能并拓展其功能，核心策略在于发展高效、可重构的电压调控SOT技术。然而，以往基于界面电荷或界面Rashba效应的调控方法受限于库仑屏蔽效应，难以有效调控体磁性。
近年来，借助氢离子（H⁺）嵌入的新型电控磁机制受到广泛关注。作为最小最轻的离子，H⁺具备优异的可逆性和迁移能力，能够实现对体相磁性的高效调控。将其与SOT结合，有望实现可靠的双模（电压+电流）电控磁，为发展高性能自旋存储与逻辑器件奠定基础。此外，氢离子在材料中的迁移行为可模拟生物神经系统中离子的动态特性，结合自旋电子器件本身的低功耗与快速响应优势，为构建神经形态计算系统提供了潜在的路径。
近期，我们构筑了基于重金属/铁磁异质结构的离子型场效应管器件（Au/GdOx/Pd/Pd65Co35），在器件中实现了电压驱动氢化和电流诱导SOT的双模电控磁方法耦合（图1）：通过电压控制氢离子嵌入/析出诱导磁性层在铁磁态和顺磁态之间的可逆转变；同时，利用电流驱动的SOT实现无外磁场下的磁化翻转。进一步地，通过电压调节氢化程度可调控SOT诱导的磁化翻转的极性、幅值和临界翻转电流密度。基于上述电压与电流协同调控机制，我们构建了一种可编程的自旋逻辑单元（图2），以栅压和电流脉冲作为输入信号，以反常霍尔电阻作为输出信号，在单个器件中实现了多种逻辑门功能（如NAND、NOR等）。此外，器件在室温下氢化过程呈现半非易失特性，导致了磁性随时间演化，为构建物理储池计算提供原理基础（图3）。我们利用反常霍尔电阻随时间非线性弛豫的特性，仿真构建了物理储池神经网络，在语音识别（准确率98.4%）和混沌系统预测（方均根误差< 0.1）等时序任务中表现出优异性能。本工作为构筑集成存储、逻辑和神经形态计算功能于一体的自旋电子学器件提供了可能。
相关工作以“Programmable Logic and Reservoir Computing Based on Hydrogenation-Engineered Spin-Orbit Torque”为题发表在Advanced Functional Materialshttps://doi.org/10.1002/adfm.202519753，博士生涂宇辰为该论文的第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等的资助。
图1. 氢离子型场效应管器件中实现电压和电流双模电控磁
图2. 基于电压和电流双模电控磁的自旋逻辑单元
图3. 基于氢离子型场效应管的物理储池计算
