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(tuán)隊在自旋神經(jīng)形態(tài)器件研究中取得新進(jìn)展。研究團(tuán)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(jìn)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(tuán)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(tuán)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）
