中國科大在自旋神經(jīng)形態(tài)器件研究中取得新進(jìn)展

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(duì)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(duì)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(shí)存儲(chǔ)特性的神經(jīng)形態(tài)器件，并展示其了在儲(chǔ)池計(jì)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(shí)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(cuò)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(jì)算進(jìn)一步對(duì)器件提出了非線性響應(yīng)、短時(shí)存儲(chǔ)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(gè)挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)基于(111)取向的氧化鈷/鉑雙層結(jié)構(gòu)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了全電學(xué)讀寫，且具有非線性響應(yīng)和短時(shí)存儲(chǔ)能力的自旋神經(jīng)形態(tài)器件，并驗(yàn)證了其可以在手寫數(shù)字識(shí)別和量子糾纏態(tài)分類等儲(chǔ)池計(jì)算任務(wù)中實(shí)現(xiàn)高的識(shí)別率。進(jìn)一步，基于器件的雙向弛豫特性，提出并驗(yàn)證了其在多維度信息處理方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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(shí)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(shì)，開發(fā)超高集成度和超高運(yùn)算速度的類腦計(jì)算系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。