由國立清華大學賴志煌教授與林秀豪教授所帶領的研究團隊，在科技部長期的支持下，研究MRAM的特性、製程與操控，獨步全球，成功以自旋流操控鐵磁-反鐵磁奈米膜層的磁性翻轉，研究成果刊登於材料領域頂尖期刊《自然材料》(Nature Materials)。

清華大學材料科學工程學系賴志煌教授(左)、清華大學物理學系林秀豪教授(右)

MRAM是極被看好的後摩爾定律世代的記憶體。其結構有如三明治，上層是自由翻轉的鐵磁層，可快速處理資料，底層則是釘鎖住的鐵磁層，可用作儲存資料，兩層中則有氧化層隔開。當此二鐵磁層的磁化方向相同，是低電阻態，代表「1」 ；此二鐵磁層的磁化方向相反，是高電阻態，代表「0」。有別於目前的主流記憶體(SRAM 與 DRAM)，MRAM兼具處理與儲存資訊的功能，且斷電時資訊不會流失，電源開啟可即時運作，耗能低、讀寫速度快。

其中一個技術關鍵，就是如何操控釘鎖住的鐵磁層。若想要將鐵磁層的磁矩方向釘鎖住，只需「黏」上一層反鐵磁層即可，製成的鐵磁-反鐵磁膜層即可應用在磁記憶體上。此現象稱為「交換偏壓」，雖發現至今已超過60年，其應用性極廣，但背後的物理機制未明。而且交換偏壓的操控性極為有限。必須將元件升溫，然後於外加磁場下降溫，才能改變鐵磁層磁矩的釘鎖方向。

無論是外加磁場或是升降溫度，都與現有電子元件的操作格格不入。世界各研究團隊莫不希望突破此困境，尋求嶄新的操控技術。其中一個突破點，就是善用自旋流。電子具有電荷，也具有自旋：當電荷流動時，即會產生熟悉的電流，若有辦法驅動自旋流動，即可產生自旋流。

賴教授與林教授的團隊利用自旋流通過鐵磁-反鐵磁膜層，率先展示操控元件「交換偏壓」方向與大小的里程碑。此技術可與現有電子元件的操控與製程無縫接軌，是MRAM的大突破，為自旋電子學的發展帶來嶄新視野。

利用自旋流操控交換偏置乃全球首見，賴教授表示當初投稿時引發諸多質疑，審稿委員懷疑是元件溫度升高所致，與自旋流無關。由於團隊橫跨材料與物理領域，兼具實驗與理論的專業能力，在面對高難度的質疑與挑戰時，能夠跳脫框架思考，以極高的效率與執行力，清楚精確地回應相關的質疑與挑戰。

目前研究團隊將此突破性的發現，應用到其它結構的奈米膜層，陸續發現更多具影響力的結果，除了學術的貢獻外，經由科技部半導體射月計畫的連結，將對於國內記憶體產業發展有決定性的影響力。

這項技術在學理上的存取速度接近 SRAM，具快閃記憶體的非揮發性特性，平均能耗遠低於 DRAM，應用於嵌入式記憶體（Embedded Memory）極具潛力，隨著人工智慧、物聯網裝置與更多的資料收集與感測需求，MRAM的市場也將迅速成長。