Magnetic tunnel junctions driven by hybrid optical-electrical signals as a flexible neuromorphic computing platform

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作者
Felix Oberbauer,Tristan Winkel,Tim Böhnert,Clara C. Wanjura,Marcel S. Claro,Luana Benetti,İhsan Çaha,Francis Leonard Deepak,Farshad Moradi,Ricardo Ferreira,Markus Münzenberg,Tahereh Sadat Parvini
出处
期刊:Communications physics [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1)
标识
DOI:10.1038/s42005-025-02257-0
摘要

Abstract Magnetic tunnel junctions (MTJs) offer a promising pathway toward energy-efficient neuromorphic computing due to their nanoscale footprint, nonvolatile switching, and intrinsic nonlinear dynamics that emulate synaptic behavior. However, generating large thermoelectric voltages with bias-tunable nonlinearities for neuromorphic use remains largely unexplored. Here, we introduce a hybrid opto-electrical excitation scheme—combining pulsed laser heating with DC bias—to drive MTJs into the nonlinear bias-enhanced tunnel magneto-Seebeck regime. This regime yields thermoelectric voltages in the tens of millivolts with a strong contrast between magnetic states, while also revealing spiking and double-switching behavior linked to vortex dynamics and fixed-layer depinning. The thermovoltage exhibits cubic dependence on bias current, enabling tunable synaptic weights. We simulate a single-layer neuromorphic network using optically encoded inputs and achieve 93.7% classification accuracy on handwritten digits. These results establish hybrid-driven MTJs as a compact, CMOS-compatible platform for neuromorphic computing, integrating optical input with spintronic functionality.
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