Artificial Neuron and Synapse Realized in an Antiferromagnet/Ferromagnet Heterostructure Using Dynamics of Spin–Orbit Torque Switching

反铁磁性 材料科学 铁磁性 异质结 凝聚态物理 扭矩 突触 自旋(空气动力学) 光电子学 神经科学 物理 量子力学 机械工程 工程类 生物
作者
A. Kurenkov,Samik DuttaGupta,Chaoliang Zhang,Shunsuke Fukami,Yoshihiko Horio,Hideo Ohno
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (23) 被引量:159
标识
DOI:10.1002/adma.201900636
摘要

Efficient information processing in the human brain is achieved by dynamics of neurons and synapses, motivating effective implementation of artificial spiking neural networks. Here, the dynamics of spin-orbit torque switching in antiferromagnet/ferromagnet heterostructures is studied to show the capability of the material system to form artificial neurons and synapses for asynchronous spiking neural networks. The magnetization switching, driven by a single current pulse or trains of pulses, is examined as a function of the pulse width (1 s to 1 ns), amplitude, number, and pulse-to-pulse interval. Based on this dynamics and the unique ability of the system to exhibit binary or analog behavior depending on the device size, key functionalities of a synapse (spike-timing-dependent plasticity) and a neuron (leaky integrate-and-fire) are reproduced in the same material and on the basis of the same working principle. These results open a way toward spintronics-based neuromorphic hardware that executes cognitive tasks with the efficiency of the human brain.
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