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Controllable Skyrmion Nucleation and Transition in a Confined Nanodisk for the Binarized Neuron Network of 2D Ferromagnet Fe5GeTe2

空中骑兵 材料科学 成核 铁磁性 凝聚态物理 纳米技术 物理 热力学
作者
Chengfang Che,Juan Hou,Chendi Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c04834
摘要

The integration of skyrmions in 2D ferromagnetic materials and advanced spintronic devices enables energy-efficient computing for artificial synapses in neuromorphic architecture. Nucleation of skyrmions plays a critical role in ensuring high reliability and low energy consumption. However, the key challenge lies in selectively generating skyrmions, excluded from trivial bubbles and their controllable transition. Here, as a concept example of 2D ferromagnets, we demonstrate the evolution of the skyrmion in Fe5GeTe2 excluded from the trivial bubbles within the geometrically confined 1 μm nanodisk. The skyrmions selectively nucleate from stripe domains, driven by the competition between dipolar-dipolar interactions and Zeeman energy, captured in real-time/space using in situ Lorentz TEM. Furthermore, we reveal a reversible skyrmion-to-trivial bubble transition in the 500 nm nanodisk induced by an in-plane magnetic field, confirmed by the micromagnetic simulation. The reversible switching of skyrmions and trivial bubbles enables the implementation of a binary-state neuromorphic computing framework. The skyrmion-based artificial synapses demonstrate over 85% handwriting recognition accuracy. The findings bridging fundamental skyrmion physics with practical applications offer key insights for designing next-generation 2D materials-based devices.
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