自1980年代以來，互補式金屬氧化物半導體（CMOS）技術一直是半導體產業的主力。隨著移動設備的重要性日益提高，對具有高可擴展性和低功耗且超越CMOS技術的需求更加迫切，磁電自旋軌道（MESO）邏輯即被認為是能超越CMOS的新興技術。MESO包含兩種轉導機制：磁電轉換和自旋-電荷的拓撲轉換。曾教授團隊致力於發展這兩種轉導機制相關的關鍵材料，在室溫下合成了同時具備鐵電和反鐵磁的新型磁電鈣鈦礦薄膜，當薄膜與鐵磁層連接時，此異質結構可以實現電壓控磁性，且可以在低電壓範圍（+/- 1伏）內非常有效地控制鐵磁層的翻轉。除此之外，我們亦研究了拓撲絕緣子的自旋軌道能量和鐵磁體/重金屬異質結構的無場自旋軌道轉換。我們的最終目標是將兩個轉換組件結合，形成具有低壓（<1伏）可擴展互連的MESO邏輯，並證明相較於CMOS技術，MESO邏輯具有非揮發性和更優越的節能效果。

　　電晶體技術尺度微縮的進行，是將電場運用於高品質絕緣閘極介電層，控制半導體的導電率；這項基礎原則，自Moore和Dennard的開創性觀察結果提出後便長時間未有其他改變。儘管電晶體大小的尺度微縮發展是成功的，電壓和頻率的微縮發展卻相當緩慢，進一步地降低電壓，一直受到電流控制中波茲曼極限(室溫下電流每次改變10倍，電壓便會改變60 mV)的阻礙。為處理此問題，研究者已投入相當精力著手研發、發表並檢驗多種超越CMOS元件，然而，目前仍難以完成具有較佳能量效率、高邏輯密度(邏輯密度亦即每單位面積之運算函數數量)、非揮發性(抵銷洩漏功率)和高效能內連導線，而技術上合適的計算邏輯元件。

　　針對這點，研究團隊在2019年發表了磁電自旋-軌道(MESO)元件，MESO元件由兩項可微縮技術之轉換機制構成：鐵電/磁電切換機制和自旋流轉電流之拓撲轉換機制。該元件連接電內連導線，因此為電荷/電壓驅動，並如上述代表圖所示，產生電荷/電壓輸出。MESO元件由一磁電電容器、一鐵電和一自旋流轉電流轉換模組組成；相較於CMOS技術，MESO元件有較佳的切換能量(10至30倍)、較低的切換電壓(1/5倍)，以及提升的邏輯密度(5倍)；此外，其非揮發性使待機功率超低，這對現代運算是相當重要的。

　　曾教授的團隊致力於發展與上述兩種轉換機制相關的重要材料，近年來合成了新的磁電鈣鈦礦材料GdNi_xFe_1-xO₃ (GFNO)。GFNO室溫下在單斜晶結構內同時具備鐵電和反鐵磁性特性，GFNO的鐵電極化最高至70 μC/cm²，將其覆蓋一層Co鐵磁層後，完成的異質結構呈現電壓控制磁性，此異質結構元件呈現兩種顯著特性。首先，其VCM取決於運用之偏電壓的強度與極性，因此在固定電壓下，可讀出磁性狀態數量倍增，此外，元件的磁矩能有效地在+/-1伏特內達成翻轉，這兩種特性能滿足MESO元件對低功率、高紀錄密度的需求。

　　自旋流轉電流轉換材料方面，依據我們對拓撲絕緣體的研究，著重在可調整自旋-軌道能量以及厚度和界面控制；我們也以鐵磁-反鐵磁異質結構為基礎，開發出無磁場自旋-軌道切換元件。這些材料系統屬於自旋-軌道耦合(SOC)材料，與MESO元件所需的磁電材料同等重要。

　　本研究團隊的目標是整合兩種材料系統(電磁和SOC)，使具有非揮發性和高效能電荷式內連導線的可微縮超CMOS自旋電子邏輯元件得以發展。與CMOS相比，我們希望該元件能夠(i)每次操作在能量上持續微縮，接近至阿焦耳等級的切換能量；(ii)實質改善邏輯密度；(iii)因受電阻率的影響小，而改善內連導線的微縮性。我們所發展的技術，也需要有能與CMOS技術無縫整合的方式。我們相信，結合非揮發性和超低功率，MESO邏輯能發展出可免於對圖靈架構、馮諾伊曼架構和阿姆達爾定律做出妥協的電腦架構；量子材料、創新整合與新邏輯架構的結合，則能發展出超越先進CMOS技術的運算。