自旋电子学是微电子技术与磁性物理学结合形成的前沿交叉学科，旨在利用电子的自旋属性作为信息载体，同时兼具数据的非易失性存储、运算和传感功能，有望为后摩尔时代的新型智能芯片架构提供潜在解决方案。其中，由金属磁性层/绝缘层/金属磁性层的核心结构组成的磁性隧道结（MTJ），作为自旋电子学的核心器件，具有尺寸小、磁阻率高、功耗低、非易失以及本征的高频特性，在磁性传感、磁性存储、微波通讯、无线供能以及类脑计算等领域具有重要的应用价值，已经得到科研和产业界的广泛关注。
近年来，中科院苏州纳米所加工平台围绕磁性隧道结的多功能器件应用开展了一系列的创新性研究。例如：利用薄膜界面磁各向异性构建纳米磁性隧道结材料与器件，实现了无需外加磁场的低功耗、高灵敏的纳米微波探测器（Appl. Phys. Lett. 113 ,102401 (2018)；Appl. Phys. Lett. 117, 072409 (2020)；Appl. Phys. Lett. 122, 092405 (2023)）；开发了带宽大于3 GHz的宽频微波整流器件，并用于微波能量收集功能，演示了在无线供能方面的应用前景（Phys. Rev. Appl. 11 , 014022 (2019)；ACS Appl. Mater. Inter. 11 (32), 29382？29387 (2019)）。
基于磁性隧道结的多态存储、随机翻转以及微波动力学等特性，研究团队探索了基于磁性隧道结在人工智能方面的应用。利用微波整流输出特性模拟神经元稀疏激活特性（Appl. Phys. Lett. 114, 192402 (2019)）；利用磁性隧道结的随机翻转特性模拟了神经网络中Sigmoid人工神经元，神经网络识别率高达95%（Phys. Rev. Appl. 11, 034015 (2019)）；构筑了低功耗人工突触器件，实现了突触的尖峰放电时间依赖可塑性（Appl. Phys. Lett. 121, 232406 (2022)）；利用自旋二极管模拟神经元群体编码，并用于人工神经网络中实现可重构的人工神经元（Appl. Phys. Lett. 122, 122402 (2023)）等。
除了在微波探测和类脑功能的研究之外，磁性隧道结丰富的磁动力学特性也为微波放大功能的开发提供了可能。事实上，由半导体材料构建的传统微波放大器，在微波通讯等领域已经得到了广泛应用。随着物联网和5G通信技术的发展，对放大器的尺寸和功耗也提出了更高的要求。前期研究结果表明，利用电子自旋属性开发的纳米尺度磁性电子器件有望发展新一代小尺寸和高性能微波器件。近期，中科院苏州纳米所加工平台曾中明研究员等设计和制备出具有正交磁化的纳米磁性隧道结器件，在1-2.5 GHz频率范围内观测到了增益|S11|>2的微波放大，理论研究表明微波放大的物理机制源于注入锁相，该工作为设计新型纳米微波放大器提供了潜在方案。相关研究成果以Nonlinear amplification of microwave signals in spin-torque oscillators为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。中科院苏州纳米所硕士研究生朱可强、意大利巴里理工大学Mario Carpentieri博士、中科院苏州纳米所博士生张黎可为论文共同第一作者，中科院苏州纳米所方彬项目研究员、意大利墨西拿大学Giovanni Finocchio教授、中科院苏州纳米所曾中明研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、王宽诚教育基金、中科院率先行动引才计划等项目支持。
磁性隧道结微波器件的磁化结构、表征电路及微波放大性能测试