近日，中國科學技術大學微電子學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)表在國際知名學術期刊《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、短時存儲等新的要求。因而構建反鐵磁神經(jīng)形態(tài)器件是當前自旋電子學領域的一個挑戰(zhàn)。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊基于(111)取向的氧化鈷/鉑雙層結構，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)了全電學讀寫，且具有非線性響應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)器件及其應用展示(a)器件結構 (b)器件的衰減特性 (c)器件的非線性電學響應(d)器件在多維度信息處理方面的應用

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。

中國科學技術大學高南特任研究員和龍世兵教授為論文共同通訊作者，博士生向學強為論文第一作者。此項研究工作得到了中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金項目的資助，并得到了中國科學技術大學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

（微電子學院）