Neuromorphic computing aims to mimic the architecture of the human brain to carry out computational tasks that are challenging and much more energy consuming for standard hardware. Despite progress in several fields of physics and engineering, the realization of artificial neural networks, which combine high operating speeds with fast and low-energy adaptability, remains a challenge. Here, we demonstrate an opto-magnetic neural network capable of learning and classification of digitized 3 × 3 characters exploiting local storage in the magnetic material. Using picosecond laser pulses, we find that micrometer sized synapses absorb well below 100 picojoule per synapse per laser pulse, with favorable scaling to smaller spatial dimensions. We, thus, managed to combine the speed and low-dissipation of optical networks with the low-energy adaptability and non-volatility of magnetism, providing a promising approach to fast and energy-efficient neuromorphic computing.

1.
B.
Lannoo
, in
TREND Final Workshop
, Brussels,
2013
.
2.
P. A.
Merolla
,
J. V.
Arthur
,
R.
Alvarez-Icaza
,
A. S.
Cassidy
,
J.
Sawada
,
F.
Akopyan
,
B. L.
Jackson
,
N.
Imam
,
C.
Guo
,
Y.
Nakamura
,
B.
Brezzo
,
I.
Vo
,
S. K.
Esser
,
R.
Appuswamy
,
B.
Taba
,
A.
Amir
,
M. D.
Flickner
,
W. P.
Risk
,
R.
Manohar
, and
D. S.
Modha
,
Science
345
(
6197
),
668
(
2014
).
3.
M.
Prezioso
,
F.
Merrikh-Bayat
,
B. D.
Hoskins
,
G. C.
Adam
,
K. K.
Likharev
, and
D. B.
Strukov
,
Nature
521
(
7550
),
61
64
(
2015
).
4.
J.
Torrejon
,
M.
Riou
,
F. A.
Araujo
,
S.
Tsunegi
,
G.
Khalsa
,
D.
Querlioz
,
P.
Bortolotti
,
V.
Cros
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
,
M. D.
Stiles
, and
J.
Grollier
,
Nature
547
,
428
(
2017
).
5.
M.
Davies
,
N.
Srinivasa
,
T.
Lin
,
G.
Chinya
,
Y.
Cao
,
S. H.
Choday
,
G.
Dimou
,
P.
Joshi
,
N.
Imam
,
S.
Jain
,
Y.
Liao
,
C.
Lin
,
A.
Lines
,
R.
Liu
,
D.
Mathaikutty
,
S.
McCoy
,
A.
Paul
,
J.
Tse
,
G.
Venkataramanan
,
Y.
Weng
,
A.
Wild
,
Y.
Yang
, and
H.
Wang
,
IEEE Micro
38
(
1
),
82
99
(
2018
).
6.
M.
Romera
,
P.
Talatchian
,
S.
Tsunegi
,
F.
Abreu Araujo
,
V.
Cros
,
P.
Bortolotti
,
J.
Trastoy
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
,
M.
Ernoult
,
D.
Vodenicarevic
,
T.
Hirtzlin
,
N.
Locatelli
,
D.
Querlioz
, and
J.
Grollier
,
Nature
563
(
7730
),
230
234
(
2018
).
7.
Y.
van de Burgt
,
A.
Melianas
,
S. T.
Keene
,
G.
Malliaras
, and
A.
Salleo
,
Nat. Electron.
1
(
7
),
386
397
(
2018
).
8.
K.
Roy
,
A.
Jaiswal
, and
P.
Panda
,
Nature
575
(
7784
),
607
617
(
2019
).
9.
T.
Chen
,
J.
van Gelder
,
B.
van de Ven
,
S. V.
Amitonov
,
B.
de Wilde
,
H.-C.
Ruiz Euler
,
H.
Broersma
,
P. A.
Bobbert
,
F. A.
Zwanenburg
, and
W. G.
van der Wiel
,
Nature
577
(
7790
),
341
345
(
2020
).
10.
D.
Brunner
and
D.
Psaltis
,
Nat. Photonics
15
(
5
),
323
324
(
2021
).
11.
X.
Lin
,
Y.
Rivenson
,
N. T.
Yardimci
,
M.
Veli
,
Y.
Luo
,
M.
Jarrahi
, and
A.
Ozcan
,
Science
361
(
6406
),
1004
(
2018
).
12.
C.
Rios
,
N.
Youngblood
,
Z. G.
Cheng
,
M. L.
Gallo
,
W. H. P.
Pernice
,
C. D.
Wright
,
A.
Sebastian
, and
H.
Bhaskaran
,
Sci. Adv.
5
(
2
),
eaau5759
(
2019
).
13.
J.
Grollier
,
D.
Querlioz
,
K. Y.
Camsari
,
K.
Everschor-Sitte
,
S.
Fukami
, and
M. D.
Stiles
,
Nat. Electron.
3
(
7
),
360
370
(
2020
).
14.
M.
Hermans
,
M.
Burm
,
T.
Van Vaerenbergh
,
J.
Dambre
, and
P.
Bienstman
,
Nat. Commun.
6
,
6729
(
2015
).
15.
J.
Bueno
,
S.
Maktoobi
,
L.
Froehly
,
I.
Fischer
,
M.
Jacquot
,
L.
Larger
, and
D.
Brunner
,
Optica
5
(
6
),
756
760
(
2018
).
16.
D.
Silver
,
A.
Huang
,
C. J.
Maddison
,
A.
Guez
,
L.
Sifre
,
G.
van den Driessche
,
J.
Schrittwieser
,
I.
Antonoglou
,
V.
Panneershelvam
,
M.
Lanctot
,
S.
Dieleman
,
D.
Grewe
,
J.
Nham
,
N.
Kalchbrenner
,
I.
Sutskever
,
T.
Lillicrap
,
M.
Leach
,
K.
Kavukcuoglu
,
T.
Graepel
, and
D.
Hassabis
,
Nature
529
(
7587
),
484
489
(
2016
).
17.
T.
Brown
,
B.
Mann
,
N.
Ryder
,
M.
Subbiah
,
J. D.
Kaplan
,
P.
Dhariwal
,
A.
Neelakantan
,
P.
Shyam
,
G.
Sastry
,
A.
Askell
,
S.
Agarwal
,
A.
Herbert-Voss
,
G.
Krueger
,
T.
Henighan
,
R.
Child
,
A.
Ramesh
,
D.
Ziegler
,
J.
Wu
,
C.
Winter
,
C.
Hesse
,
M.
Chen
,
E.
Sigler
,
M.
Litwin
,
S.
Gray
,
B.
Chess
,
J.
Clark
,
C.
Berner
,
S.
McCandlish
,
A.
Radford
,
I.
Sutskever
, and
D.
Amodei
, presented at the Advances in Neural Information Processing Systems,
2020
.
18.
J.
Jumper
,
R.
Evans
,
A.
Pritzel
,
T.
Green
,
M.
Figurnov
,
O.
Ronneberger
,
K.
Tunyasuvunakool
,
R.
Bates
,
A.
Žídek
,
A.
Potapenko
,
A.
Bridgland
,
C.
Meyer
,
S. A. A.
Kohl
,
A. J.
Ballard
,
A.
Cowie
,
B.
Romera-Paredes
,
S.
Nikolov
,
R.
Jain
,
J.
Adler
,
T.
Back
,
S.
Petersen
,
D.
Reiman
,
E.
Clancy
,
M.
Zielinski
,
M.
Steinegger
,
M.
Pacholska
,
T.
Berghammer
,
S.
Bodenstein
,
D.
Silver
,
O.
Vinyals
,
A. W.
Senior
,
K.
Kavukcuoglu
,
P.
Kohli
, and
D.
Hassabis
,
Nature
596
,
583
589
(
2021
).
19.
K.
Vahaplar
,
A. M.
Kalashnikova
,
A. V.
Kimel
,
D.
Hinzke
,
U.
Nowak
,
R.
Chantrell
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
103
(
11
),
117201
(
2009
).
20.
A.
Stupakiewicz
,
K.
Szerenos
,
D.
Afanasiev
,
A.
Kirilyuk
, and
A. V.
Kimel
,
Nature
542
,
71
(
2017
).
21.
T. A.
Ostler
,
J.
Barker
,
R. F. L.
Evans
,
R. W.
Chantrell
,
U.
Atxitia
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
S. E.
Moussaoui
,
L. L.
Guyader
,
E.
Mengotti
,
L. J.
Heyderman
,
F.
Nolting
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
D.
Afanasiev
,
B. A.
Ivanov
,
A. M.
Kalashnikova
,
K.
Vahaplar
,
J.
Mentink
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nat. Commun.
3
,
666
(
2012
).
22.
C. H.
Lambert
,
S.
Mangin
,
B. S. D. C. S.
Varaprasad
,
Y. K.
Takahashi
,
M.
Hehn
,
M.
Cinchetti
,
G.
Malinowski
,
K.
Hono
,
Y.
Fainman
,
M.
Aeschlimann
, and
E. E.
Fullerton
,
Science
345
(
6202
),
1337
(
2014
).
23.
M. S.
El Hadri
,
P.
Pirro
,
C. H.
Lambert
,
S.
Petit-Watelot
,
Y.
Quessab
,
M.
Hehn
,
F.
Montaigne
,
G.
Malinowski
, and
S.
Mangin
,
Phys. Rev. B
94
(
6
),
064412
(
2016
).
24.
R.
Medapalli
,
D.
Afanasiev
,
D. K.
Kim
,
Y.
Quessab
,
S.
Manna
,
S. A.
Montoya
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
,
A. V.
Kimel
, and
E. E.
Fullerton
,
Phys. Rev. B
96
(
22
),
224421
(
2017
).
25.
G.
Kichin
,
M.
Hehn
,
J.
Gorchon
,
G.
Malinowski
,
J.
Hohlfeld
, and
S.
Mangin
,
Phys. Rev. Appl.
12
(
2
),
024019
(
2019
).
26.
A.
Chakravarty
,
J. H.
Mentink
,
C. S.
Davies
,
K. T.
Yamada
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
19
),
192407
(
2019
).
27.
A. D.
McAulay
,
J.
Wang
, and
X.
Xu
,
Appl. Opt.
32
(
8
),
1346
1353
(
1993
).
28.
N. P.
Barnes
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
13
(
3
),
435
447
(
2007
).
29.
T.-M.
Liu
,
T.
Wang
,
A. H.
Reid
,
M.
Savoini
,
X.
Wu
,
B.
Koene
,
P.
Granitzka
,
C. E.
Graves
,
D. J.
Higley
,
Z.
Chen
,
G.
Razinskas
,
M.
Hantschmann
,
A.
Scherz
,
J.
Stöhr
,
A.
Tsukamoto
,
B.
Hecht
,
A. V.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
H. A.
Dürr
,
Nano Lett.
15
(
10
),
6862
6868
(
2015
).
30.
A.
El-Ghazaly
,
B.
Tran
,
A.
Ceballos
,
C.-H.
Lambert
,
A.
Pattabi
,
S.
Salahuddin
,
F.
Hellman
, and
J.
Bokor
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
23
),
232407
(
2019
).
31.
S.
Horst
, Towards Parallelism in Optomagnetic Artificial Neural Networks, Doctoral dissertation,
Radboud University
,
Nijmegen
,
2021
.
32.
L.
Aviles-Felix
,
A.
Olivier
,
G.
Li
,
C. S.
Davies
,
L.
Alvaro-Gomez
,
M.
Rubio-Roy
,
S.
Auffret
,
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
,
T.
Rasing
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
R. C.
Sousa
,
B.
Dieny
, and
I. L.
Prejbeanu
,
Sci. Rep.
10
(
1
),
5211
(
2020
).
33.
L.
Aviles-Felix
,
L.
Alvaro-Gomez
,
G.
Li
,
C. S.
Davies
,
A.
Olivier
,
M.
Rubio-Roy
,
S.
Auffret
,
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
,
T.
Rasing
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
R. C.
Sousa
,
B.
Dieny
, and
I. L.
Prejbeanu
,
AIP Adv.
9
(
12
),
125328
(
2019
).
34.
E. M. T.
Fadaly
,
A.
Dijkstra
,
J. R.
Suckert
,
D.
Ziss
,
M. A. J.
van Tilburg
,
C.
Mao
,
Y.
Ren
,
V. T.
van Lange
,
K.
Korzun
,
S.
Kölling
,
M. A.
Verheijen
,
D.
Busse
,
C.
Rödl
,
J.
Furthmüller
,
F.
Bechstedt
,
J.
Stangl
,
J. J.
Finley
,
S.
Botti
,
J. E. M.
Haverkort
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Nature
580
(
7802
),
205
209
(
2020
).
35.
Z.
Wang
,
C.
Li
,
W.
Song
,
M.
Rao
,
D.
Belkin
,
Y.
Li
,
P.
Yan
,
H.
Jiang
,
P.
Lin
,
M.
Hu
,
J. P.
Strachan
,
N.
Ge
,
M.
Barnell
,
Q.
Wu
,
A. G.
Barto
,
Q.
Qiu
,
R. S.
Williams
,
Q.
Xia
, and
J. J.
Yang
,
Nat. Electron.
2
(
3
),
115
124
(
2019
).
You do not currently have access to this content.