Magnetic skyrmions are particle-like topological spin configurations, which can carry binary information and thus are promising building blocks for future spintronic devices. In this work, we investigate the relationship between the skyrmion dynamics and the characteristics of injected current in a skyrmion-based spin torque nano-oscillator, where the excitation source is introduced from a point nano-contact at the center of the nanodisk. It is found that the skyrmion will move away from the center of the nanodisk if it is driven by a spin-polarized current; however, it will return to the initial position in the absence of stimulus. Therefore, we propose a skyrmion-based artificial spiking neuron, which can effectively implement the leaky-integrate-fire operation. We study the feasibility of the skyrmion-based spiking neuron by using micromagnetic simulations. Our results may provide useful guidelines for building future magnetic neural networks with ultra-high density and ultra-low energy consumption.

1.
Y.
LeCun
,
Y.
Bengio
, and
G.
Hinton
,
Nature
521
,
436
(
2015
).
2.
M.
Prezioso
,
F.
Merrikh-Bayat
,
B. D.
Hoskins
,
G. C.
Adam
,
K. K.
Likharev
, and
D. B.
Strukov
,
Nature
521
,
61
(
2015
).
3.
D.
Kuzum
,
S.
Yu
, and
H. S. P.
Wong
,
Nanotechnology
24
(
38
),
382001
(
2013
).
4.
J.
Grollier
,
D.
Querlioz
, and
M. D.
Stiles
,
Proc. IEEE
104
(
10
),
2024
2039
(
2016
).
5.
A.
Sengupta
and
K.
Roy
,
Appl. Phys. Rev.
4
(
4
),
041105
(
2017
).
6.
A.
Sengupta
and
K.
Roy
,
Appl. Phys. Express
11
(
3
),
030101
(
2018
).
7.
X.
Wu
,
V.
Saxena
,
K.
Zhu
, and
S.
Balagopal
,
IEEE Trans. Circuits Syst. II
62
(
11
),
1088
1092
(
2015
).
8.
M.
Chu
,
B.
Kim
,
S.
Park
,
H.
Hwang
,
M.
Jeon
,
B. H.
Lee
, and
B.
Lee
,
IEEE Trans. Ind. Electron.
62
(
4
),
2410
2419
(
2015
).
9.
G.
Indiveri
and
S.
Liu
,
Proc. IEEE
103
(
8
),
1379
1397
(
2015
).
10.
U. K.
Rossler
,
A. N.
Bogdanov
, and
C.
Pfleiderer
,
Nature
442
,
797
801
(
2006
).
11.
N.
Nagaosa
and
Y.
Tokura
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
899
(
2013
).
12.
G.
Finocchio
,
F.
Büttner
,
R.
Tomasello
,
M.
Carpentieri
, and
M.
Kläui
,
J. Phys. D
49
,
423001
(
2016
).
13.
R.
Wiesendanger
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16044
(
2016
).
14.
W.
Kang
,
Y.
Huang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
W.
Zhao
,
Proc. IEEE
104
(
10
),
2040
2061
(
2016
).
15.
A.
Fert
,
N.
Reyren
, and
V.
Cros
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17031
(
2017
).
16.
W.
Jiang
,
G.
Chen
,
K.
Liu
,
J.
Zang
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rep.
704
,
1
49
(
2017
).
17.
K.
Everschor-Sitte
,
J.
Masell
,
R. M.
Reeve
, and
M.
Kläui
,
J. Appl. Phys.
124
,
240901
(
2018
).
18.
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
K. M.
Song
,
T. E.
Park
,
J.
Xia
,
M.
Ezawa
,
X.
Liu
,
W.
Zhao
,
G. P.
Zhao
, and
S.
Woo
,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
143001
(
2020
).
19.
S.
Mühlbauer
,
B.
Binz
,
F.
Jonietz
,
C.
Pfleiderer
,
A.
Rosch
,
A.
Neubauer
,
R.
Georgii
, and
P.
Böni
,
Science
323
,
915
(
2009
).
20.
Y.
Zhou
,
Natl. Sci. Rev.
6
(
2
),
210
212
(
2019
).
21.
F.
Jonietz
,
S.
Mühlbauer
,
C.
Pfleiderer
,
A.
Neubauer
,
W.
Münzer
,
A.
Bauer
,
T.
Adams
,
R.
Georgii
,
P.
Böni
,
R. A.
Duine
,
K.
Everschor
,
M.
Garst
, and
A.
Rosch
,
Science
330
,
1648
(
2010
).
22.
J.
Sampaio
,
V.
Cros
,
S.
Rohart
,
A.
Thiaville
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
839
(
2013
).
23.
J.
Iwasaki
,
M.
Mochizuki
, and
N.
Nagaosa
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
10
),
742
747
(
2013
).
24.
X.
Zhang
,
G. P.
Zhao
,
H.
Fangohr
,
J. P.
Liu
,
W. X.
Xia
,
J.
Xia
, and
F. J.
Morvan
,
Sci. Rep.
5
,
7643
(
2015
).
25.
S.
Woo
,
K.
Litzius
,
B.
Kruger
,
M.-Y.
Im
,
L.
Caretta
,
K.
Richter
,
M.
Mann
,
A.
Krone
,
R. M.
Reeve
,
M.
Weigand
,
P.
Agrawal
,
I.
Lemesh
,
M.-A.
Mawass
,
P.
Fischer
,
M.
Klaui
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
15
,
501
(
2016
).
26.
R.
Tomasello
,
E.
Martinez
,
R.
Zivieri
,
L.
Torres
,
M.
Carpentieri
, and
G.
Finocchio
,
Sci. Rep.
4
,
6784
(
2014
).
27.
X.
Zhang
,
M.
Ezawa
, and
Y.
Zhou
,
Sci. Rep.
5
,
9400
(
2015
).
28.
W.
Jiang
,
P.
Upadhyaya
,
W.
Zhang
,
G.
Yu
,
M. B.
Jungfleisch
,
F. Y.
Fradin
,
J. E.
Pearson
,
Y.
Tserkovnyak
,
K. L.
Wang
,
O.
Heinonen
,
S. G. E.
te Velthuis
, and
A.
Hoffmann
,
Science
349
,
283
(
2015
).
29.
C.
Moreau-Luchaire
,
C.
Moutafis
,
N.
Reyren
,
J.
Sampaio
,
C. A. F.
Vaz
,
N.
Van Horne
,
K.
Bouzehouane
,
K.
Garcia
,
C.
Deranlot
,
P.
Warnicke
,
P.
Wohlhüter
,
J.-M.
George
,
M.
Weigand
,
J.
Raabe
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
444
(
2016
).
30.
O.
Boulle
,
J.
Vogel
,
H.
Yang
,
S.
Pizzini
,
D.
de Souza Chaves
,
A.
Locatelli
,
T. O.
Mentes
,
A.
Sala
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
O.
Klein
,
M.
Belmeguenai
,
Y.
Roussigne
,
A.
Stashkevich
,
S. M.
Cherif
,
L.
Aballe
,
M.
Foerster
,
M.
Chshiev
,
S.
Auffret
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
449
(
2016
).
31.
G.
Yu
,
P.
Upadhyaya
,
X.
Li
,
W.
Li
,
S. K.
Kim
,
Y.
Fan
,
K. L.
Wong
,
Y.
Tserkovnyak
,
P. K.
Amiri
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
16
(
3
),
1981
1988
(
2016
).
32.
A.
Soumyanarayanan
,
M.
Raju
,
A. L.
Gonzalez Oyarce
,
A. K. C.
Tan
,
M.-Y.
Im
,
A. P.
Petrović
,
P.
Ho
,
K. H.
Khoo
,
M.
Tran
,
C. K.
Gan
,
F.
Ernult
, and
C.
Panagopoulos
,
Nat. Mater.
16
,
898
(
2017
).
33.
Z.
Hou
,
Q.
Zhang
,
G.
Xu
,
C.
Gong
,
B.
Ding
,
Y.
Wang
,
H.
Li
,
E.
Liu
,
F.
Xu
,
H.
Zhang
,
Y.
Yao
,
G.
Wu
,
X.-X.
Zhang
, and
W.
Wang
,
Nano Lett.
18
(
2
),
1274
1279
(
2018
).
34.
S.
Das
,
Y. L.
Tang
,
Z.
Hong
,
M. A. P.
Goncalves
,
M. R.
McCarter
,
C.
Klewe
,
K. X.
Nguyen
,
F.
Gomez-Ortiz
,
P.
Shafer
,
E.
Arenholz
,
V. A.
Stoica
,
S. L.
Hsu
,
B.
Wang
,
C.
Ophus
,
J. F.
Liu
,
C. T.
Nelson
,
S.
Saremi
,
B.
Prasad
,
A. B.
Mei
,
D. G.
Schlom
,
J.
Iniguez
,
P.
Garcia-Fernandez
,
D. A.
Muller
,
L. Q.
Chen
,
J.
Junquera
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Nature
568
,
368
372
(
2019
).
35.
Y.
Huang
,
W.
Kang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
W.
Zhao
,
Nanotechnology
28
(
8
),
08LT02
(
2017
).
36.
S.
Li
,
W.
Kang
,
Y.
Huang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
W.
Zhao
,
Nanotechnology
28
(
31
),
31LT01
(
2017
).
37.
D.
Pinna
,
F.
Abreu Araujo
,
J. V.
Kim
,
V.
Cros
,
D.
Querlioz
,
P.
Bessiere
,
J.
Droulez
, and
J.
Grollier
,
Phys. Rev. Appl.
9
(
6
),
064018
(
2018
).
38.
X.
Chen
,
W.
Kang
,
D.
Zhu
,
X.
Zhang
,
N.
Lei
,
Y.
Zhang
,
Y.
Zhou
, and
W.
Zhao
,
Nanoscale
10
(
13
),
6139
6146
(
2018
).
39.
M.-C.
Chen
,
A.
Sengupta
, and
K.
Roy
,
IEEE Trans. Magn.
54
(
8
),
1500207
(
2018
).
40.
Z.
He
and
D.
Fan
, “
A tunable magnetic skyrmion neuron cluster for energy efficient artificial neural network
,” paper presented at the Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE),
2017
.
41.
M. A.
Azam
,
D.
Bhattacharya
,
D.
Querlioz
, and
J.
Atulasimha
,
J. Appl. Phys.
124
(
15
),
152122
(
2018
).
42.
D.
Prychynenko
,
M.
Sitte
,
K.
Litzius
,
B.
Krüger
,
G.
Bourianoff
,
M.
Kläui
,
J.
Sinova
, and
K.
Everschor-Sitte
,
Phys. Rev. Appl.
9
(
1
),
014034
(
2018
).
43.
W.
Maass
,
Neural Networks
10
(
9
),
1659
1671
(
1997
).
44.
P.
Stoliar
,
J.
Tranchant
,
B.
Corraze
,
E.
Janod
,
M.-P.
Besland
,
F.
Tesler
,
M.
Rozenberg
, and
L.
Cario
,
Adv. Funct. Mater.
27
(
11
),
1604740
(
2017
).
45.
A. N.
Burkitt
,
Biol. Cybern.
95
(
1
),
1
19
(
2006
).
46.
R.
Brette
and
W.
Gerstner
,
J. Neurophysiol.
94
,
3637
3642
(
2005
).
47.
A. N.
Burkitt
,
Biol. Cybern.
95
(
2
),
97
112
(
2006
).
48.
W. H.
Brigner
,
N.
Hassan
,
L.
Jiang-Wei
,
X.
Hu
,
D.
Saha
,
C. H.
Bennett
,
M. J.
Marinella
,
J. A. C.
Incorvia
,
F.
Garcia-Sanchez
, and
J. S.
Friedman
,
IEEE Trans. Electron Devices
66
,
4970
(
2019
).
49.
S.
Zhang
,
J.
Wang
,
Q.
Zheng
,
Q.
Zhu
,
X.
Liu
,
S.
Chen
,
C.
Jin
,
Q.
Liu
,
C.
Jia
, and
D.
Xue
,
New J. Phys.
17
(
2
),
023061
(
2015
).
50.
I.
Dzyaloshinsky
,
J. Phys. Chem. Solids
4
,
241
(
1958
).
51.
T.
Moriya
,
Phys. Rev.
120
(
1
),
91
98
(
1960
).
52.
S.
Rohart
and
A.
Thiaville
,
Phys. Rev. B
88
,
184422
(
2013
).
53.
M. J.
Donahue
and
D. G.
Porter
, “
OOMMF user's guide, version 1.0
,” Interagency
Report No. NISTIR 6376
(National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD,
1999
).
54.
N.
Locatelli
,
A.
Hamadeh
,
F.
Abreu Araujo
,
A. D.
Belanovsky
,
P. N.
Skirdkov
,
R.
Lebrun
,
V. V.
Naletov
,
K. A.
Zvezdin
,
M.
Muñoz
,
J.
Grollier
,
O.
Klein
,
V.
Cros
, and
G.
de Loubens
,
Sci. Rep.
5
,
17039
(
2015
).
55.
A. V.
Khvalkovskiy
,
J.
Grollier
,
A.
Dussaux
,
K. A.
Zvezdin
, and
V.
Cros
,
Phys. Rev. B
80
,
140401(R)
(
2009
).
56.
K. Y.
Guslienko
,
O. V.
Sukhostavets
, and
D. V.
Berkov
,
Nanoscale Res. Lett.
9
,
386
(
2014
).
57.
A. D.
Belanovsky
,
N.
Locatelli
,
P. N.
Skirdkov
,
F.
Abreu Araujo
,
J.
Grollier
,
K. A.
Zvezdin
,
V.
Cros
, and
A. K.
Zvezdin
,
Phys. Rev. B
85
,
100409(R)
(
2012
).
58.
W.
Jiang
,
L.
Chen
,
K.
Zhou
,
L.
Li
,
Q.
Fu
,
Y.
Du
, and
R. H.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
192403
(
2019
).
59.
Y.
Ma
,
C.
Song
,
C.
Jin
,
Z.
Zhu
,
H.
Feng
,
H.
Xia
,
J.
Wang
,
Z.
Zeng
,
J.
Wang
, and
Q.
Liu
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
53
,
195004
(
2020
).
60.
G.
Siracusano
,
R.
Tomasello
,
A.
Giordano
,
V.
Puliafito
,
B.
Azzerboni
,
O.
Ozatay
,
M.
Carpentieri
, and
G.
Finocchio
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
087204
(
2016
).
61.
A. S.
Varentcova
,
S.
von Malottki
,
M. N.
Potkina
,
G.
Kwiatkowski
,
S.
Heinze
, and
P. F.
Bessarab
, arXiv:2002.05285v1.
62.
G.
Chen
,
A.
Mascaraque
,
A. T.
N'Diaye
, and
A. K.
Schmid
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
242404
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.