8月20日，Cell旗下物理旗舰期刊《牛顿》（Newton）在线发表了我院交叉学科中心蔡凯明教授课题组与北京大学、南开大学等单位合作的重要研究成果，文章题目为“Ultrafast and reliable domain-wall and skyrmion logic in a chirally coupled ferrimagnet”，物理学院吴帝桦同学在本科生科研训练阶段参与该文章的主要理论工作，为该论文的共同第一作者，蔡凯明教授为文章共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

图1：亚铁磁体中超高速和可靠磁畴壁与斯格明子逻辑器件设计与实现

在当前计算机技术发展中，基于冯·诺依曼架构的传统计算机面临存储规模扩大带来的速度瓶颈，摩尔定律逼近物理极限使得CPU时钟频率停滞在~GHz，且硅基器件存在高能耗、数据传输延迟等“冯·诺依曼瓶颈”问题，亟需突破传统CMOS技术的新型计算方案。自旋电子学器件凭借电子自旋自由度，可实现数据非易失性存储与高效处理，其中基于磁畴壁(domain-wall)、斯格明子(skyrmion)等磁性结构的赛道逻辑，因易于构建大规模电路且能与高密度存储集成，成为下一代计算技术的重要方向。

吴帝桦同学在蔡凯明教授指导下，与合作团队创新性地利用界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）调控磁耦合特性，在补偿性亚铁磁合金体系CoGd中实现了全电学控制的磁畴壁与斯格明子逻辑器件。研究团队通过调控合金成分接近角动量补偿点，显著提升了磁畴壁运动速度，实测速度超过1km/s，在50nm尺寸的逻辑门中操作时间仅需50ps；同时，构建了具有拓扑稳定性的斯格明子非门（NOT gate），其斯格明子最大运动速度达0.83km/s，且维持拓扑数在逻辑操作中保持不变，有效避免数据丢失，解决了传统磁畴壁易受边缘缺陷影响的可靠性问题。

该研究成果为突破传统计算机“功耗墙”与速度瓶颈提供了关键技术路径：一方面，器件兼具亚太赫兹级操作频率与超低功耗，静态功耗接近零，且数据非易失无需频繁刷新；另一方面，其优异的尺寸可拓展性与CMOS技术兼容性，为未来人工智能、数据密集型任务所需的超快低功耗芯片研发奠定了基础，有望推动下一代存储-计算一体化微芯片的发展。

蔡凯明教授课题组长期致力于磁性存储器器件物理、自旋电子逻辑器件及集成技术研究，在亚铁磁材料调控、自旋轨道力矩效应、磁拓扑操控等领域积累了深厚的研究基础。课题组长期招聘优秀硕士、博士研究生及博士后，欢迎联系和加入，共同探索领域前沿科学问题与技术突破。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100208