近日,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院龍世兵教授和高南特任研究員團隊在自旋神經(jīng)形態(tài)器件研究中取得新進展,。研究團隊基于反鐵磁氧化鈷材料，成功開發(fā)了具有非線性響應(yīng)特性和短時存儲特性的神經(jīng)形態(tài)器件,，并展示其了在儲池計算及多維度信息處理方面的應(yīng)用潛力,。該成果以“An Antiferromagnetic Neuromorphic Memory Based on Perpendicularly Magnetized CoO”為題,，近期發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上，并被選為封面論文,。
圖1. Nano Letters論文封面
后摩爾時代硅基器件的發(fā)展受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),，自旋電子器件憑借其低功耗、高工作速度,、抗輻照等特性而備受關(guān)注,。相比于傳統(tǒng)的鐵磁材料，反鐵磁材料由于其原子尺度交錯的磁矩分布,，具有更快的速度和更高的穩(wěn)定性,，是開發(fā)自旋神經(jīng)形態(tài)器件的理想候選材料。然而,，現(xiàn)有的絕緣反鐵磁材料大多不具備面外各向異性,，較大程度限制了其集成潛力；此外,，神經(jīng)形態(tài)計算進一步對器件提出了非線性響應(yīng),、短時存儲等新的要求。因而構(gòu)建反鐵磁神經(jīng)形態(tài)器件是當(dāng)前自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn),。
針對上述挑戰(zhàn),，研究團隊基于(111)取向的氧化鈷/鉑雙層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了巨大的面外磁各向異性。利用器件在自旋軌道力矩作用下磁矩部分翻轉(zhuǎn)的非線性特征以及在熱激發(fā)下的自發(fā)弛豫特性,，實現(xiàn)了全電學(xué)讀寫,，且具有非線性響應(yīng)和短時存儲能力的自旋神經(jīng)形態(tài)器件，并驗證了其可以在手寫數(shù)字識別和量子糾纏態(tài)分類等儲池計算任務(wù)中實現(xiàn)高的識別率,。進一步,，基于器件的雙向弛豫特性，提出并驗證了其在多維度信息處理方面的獨特優(yōu)勢,。
圖2.反鐵磁神經(jīng)形態(tài)器件及其應(yīng)用展示(a)器件結(jié)構(gòu) (b)器件的衰減特性 (c)器件的非線性電學(xué)響應(yīng)(d)器件在多維度信息處理方面的應(yīng)用
該工作首次基于純反鐵磁體系實現(xiàn)了自旋神經(jīng)形態(tài)器件,，并為進一步利用反鐵磁材料的優(yōu)勢，開發(fā)超高集成度和超高運算速度的類腦計算系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高南特任研究員和龍世兵教授為論文共同通訊作者,，博士生向?qū)W強為論文第一作者。此項研究工作得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目,、國家自然科學(xué)基金項目的資助,，并得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02340
（微電子學(xué)院）
