Synchronization of electrical oscillators is a crucial step toward practical implementation of oscillator-based and bio-inspired computing. Here, we report the emergence of an unusual stochastic pattern in coupled spiking Mott nanodevices. Although a moderate capacitive coupling results in a deterministic alternating spiking, increasing the coupling strength leads counterintuitively to stochastic disruptions of the alternating spiking sequence. The disruptions of the deterministic spiking sequence are a direct consequence of the small intrinsic stochasticity in electrical triggering of the insulator–metal transition. Although the stochasticity is subtle in individual nanodevices, it becomes dramatically enhanced just in a single pair of coupled oscillators and, thus, dominates the synchronization. This is different from the stochasticity and multimodal coupling, appearing due to collective effects in large oscillator networks. The stochastic spiking pattern in Mott nanodevices results in a discrete inter-spike interval distribution resembling those in biological neurons. Our results advance the understanding of the emergent synchronization properties in spiking oscillators and provide a platform for hardware-level implementation of probabilistic computing and biologically plausible electronic devices.

1.
G.
Csaba
and
W.
Porod
,
Appl. Phys. Rev.
7
,
011302
(
2020
).
2.
A.
Mallick
,
M. K.
Bashar
,
D. S.
Truesdell
,
B. H.
Calhoun
,
S.
Joshi
, and
N.
Shukla
, in
IEEE International Symposium on Circuits and Systems
(
IEEE
,
2021
), pp.
1
5
.
3.
A.
Parihar
,
N.
Shukla
,
M.
Jerry
,
S.
Datta
, and
A.
Raychowdhury
,
Sci. Rep.
7
,
911
(
2017
).
4.
S.
Dutta
,
A.
Khanna
,
A. S.
Assoa
,
H.
Paik
,
D. G.
Schlom
,
Z.
Toroczkai
,
A.
Raychowdhury
, and
S.
Datta
,
Nat. Electron.
4
,
502
(
2021
).
5.
I.
Ahmed
,
P.-W.
Chiu
,
W.
Moy
, and
C. H.
Kim
,
IEEE J. Solid-State Circuits
56
,
2870
(
2021
).
6.
A.
Mallick
,
M. K.
Bashar
,
D. S.
Truesdell
,
B. H.
Calhoun
,
S.
Joshi
, and
N.
Shukla
,
Nat. Commun.
11
,
4689
(
2020
).
7.
A.
Taherkhani
,
A.
Belatreche
,
Y.
Li
,
G.
Cosma
,
L. P.
Maguire
, and
T. M.
McGinnity
,
Neural Networks
122
,
253
(
2020
).
8.
H.
Tanaka
,
T.
Morie
, and
K.
Aihara
,
IEICE Trans. Fundam.
E92-A
,
1690
(
2009
).
9.
W.
Moy
,
I.
Ahmed
,
P.
Chiu
,
J.
Moy
,
S. S.
Sapatnekar
, and
C. H.
Kim
,
Nat. Electron.
5
,
310
(
2022
).
10.
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
).
11.
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
,
230
(
2018
).
12.
I.
Mahboob
and
H.
Yamaguchi
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
275
(
2008
).
13.
I.
Mahboob
,
E.
Flurin
,
K.
Nishiguchi
,
A.
Fujiwara
, and
H.
Yamaguchi
,
Nat. Commun.
2
,
198
(
2011
).
14.
J. C.
Coulombe
,
M. C. A.
York
, and
J.
Sylvestre
,
PLoS One
12
,
e0178663
(
2017
).
15.
W.
Yi
,
K. K.
Tsang
,
S. K.
Lam
,
X.
Bai
,
J. A.
Crowell
, and
E. A.
Flores
,
Nat. Commun.
9
,
4661
(
2018
).
16.
M. D.
Pickett
,
G.
Medeiros-Ribeiro
, and
R. S.
Williams
,
Nat. Mater.
12
,
114
(
2013
).
17.
M. H.
Matheny
,
J.
Emenheiser
,
W.
Fon
,
A.
Chapman
,
A.
Salova
,
M.
Rohden
,
J.
Li
,
M.
Hudoba de Badyn
,
M.
Pósfai
,
L.
Duenas-Osorio
,
M.
Mesbahi
,
J. P.
Crutchfield
,
M. C.
Cross
,
R. M.
D'Souza
, and
M. L.
Roukes
,
Science
363
,
eaav7932
(
2019
).
18.
M.
Zahedinejad
,
H.
Fulara
,
R.
Khymyn
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
S.
Fukami
,
S.
Kanai
,
H.
Ohno
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Mater.
21
,
81
(
2022
).
19.
A. A.
Awad
,
P.
Dürrenfeld
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
E.
Iacocca
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Phys.
13
,
292
(
2017
).
20.
S. B.
Shim
,
M.
Imboden
, and
P.
Mohanty
,
Science
316
,
95
(
2007
).
21.
M. H.
Matheny
,
M.
Grau
,
L. G.
Villanueva
,
R. B.
Karabalin
,
M. C.
Cross
, and
M. L.
Roukes
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
014101
(
2014
).
22.
M.
Jerry
,
K.
Ni
,
A.
Parihar
,
A.
Raychowdhury
, and
S.
Datta
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
139
(
2018
).
23.
A.
Parihar
,
M.
Jerry
,
S.
Datta
, and
A.
Raychowdhury
,
Front. Neurosci.
12
,
210
(
2018
).
24.
Y.
Kalcheim
,
A.
Camjayi
,
J.
del Valle
,
P.
Salev
,
M.
Rozenberg
, and
I. K.
Schuller
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
2985
(
2020
).
25.
J. G.
Ramirez
,
T.
Saerbeck
,
S.
Wang
,
J.
Trastoy
,
M.
Malnou
,
J.
Lesueur
,
J.-P.
Crocombette
,
J. E.
Villegas
, and
I. K.
Schuller
,
Phys. Rev. B
91
,
205123
(
2015
).
26.
S.
Cheng
,
M.
Lee
,
R.
Tran
,
Y.
Shi
,
X.
Li
,
H.
Navarro
,
C.
Adda
,
Q.
Meng
,
L.-Q.
Chen
,
R. C.
Dynes
,
S. P.
Ong
,
I. K.
Schuller
, and
Y.
Zhu
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
118
,
e2105895118
(
2021
).
27.
R.
Gütig
and
H.
Sompolinsky
,
Nat. Neurosci.
9
,
420
(
2006
).
28.
Y.
Cui
,
I.
Prokin
,
A.
Mendes
,
H.
Berry
, and
L.
Venance
,
Sci. Rep.
8
,
8139
(
2018
).
29.
M.
Ozer
,
M.
Uzuntarla
,
M.
Perc
, and
L. J.
Graham
,
J. Theor. Biol.
261
,
83
(
2009
).
30.
P.
Maršálek
,
C.
Koch
, and
J.
Maunsell
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
94
,
735
(
1997
).
31.
H.
Liu
,
T.
Wu
,
X.
Yan
,
J.
Wu
,
N.
Wang
,
Z.
Du
,
H.
Yang
,
B.
Chen
,
Z.
Zhang
,
F.
Liu
,
W.
Wu
,
J.
Guo
, and
H.
Wang
,
Nano Lett.
21
,
3465
(
2021
).
32.
J.
del Valle
,
P.
Salev
,
F.
Tesler
,
N. M.
Vargas
,
Y.
Kalcheim
,
P.
Wang
,
J.
Trastoy
,
M. H.
Lee
,
G.
Kassabian
,
J. G.
Ramírez
,
M. J.
Rozenberg
, and
I. K.
Schuller
,
Nature
569
,
388
(
2019
).
33.
R.
Tobe
,
M. S.
Mian
, and
K.
Okimura
,
J. Appl. Phys.
127
,
195103
(
2020
).
34.
A.
Velichko
,
M.
Belyaev
,
V.
Putrolaynen
,
A.
Pergament
, and
V.
Perminov
,
Int. J. Mod. Phys. B
31
,
1650261
(
2017
).
35.
A.
Parihar
,
N.
Shukla
,
S.
Datta
, and
A.
Raychowdhury
,
J. Appl. Phys.
117
,
054902
(
2015
).
36.
A.
Longtin
,
J. Stat. Phys.
70
,
309
(
1993
).
37.
A.
Longtin
,
A.
Bulsara
, and
F.
Moss
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
656
(
1991
).
38.
K. M.
Stiefel
,
B.
Englitz
, and
T. J.
Sejnowski
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
7886
(
2013
).
39.
C. F.
Stevens
and
A. M.
Zador
,
Nat. Neurosci.
1
,
210
(
1998
).
40.
G.
Kim
,
J. H.
In
,
Y. S.
Kim
,
H.
Rhee
,
W.
Park
,
H.
Song
,
J.
Park
, and
K. M.
Kim
,
Nat. Commun.
12
,
2906
(
2021
).
41.
K.
Wang
,
Q.
Hu
,
B.
Gao
,
Q.
Lin
,
F. W.
Zhuge
,
D. Y.
Zhang
,
L.
Wang
,
Y. H.
He
,
R. H.
Scheicher
,
H.
Tong
, and
X. S.
Miao
,
Mater. Horiz.
8
,
619
(
2021
).
42.
G.
Indiveri
,
E.
Chicca
, and
R. J.
Douglas
,
Cognit. Comput.
1
,
119
(
2009
).
43.
R.
Rocco
,
J.
del Valle
,
H.
Navarro
,
P.
Salev
,
I. K.
Schuller
, and
M.
Rozenberg
,
Phys. Rev. Appl.
17
,
024028
(
2022
).
44.
M. R.
Tinsley
,
S.
Nkomo
, and
K.
Showalter
,
Nat. Phys.
8
,
662
(
2012
).
45.
A. M.
Hagerstrom
,
T. E.
Murphy
,
R.
Roy
,
P.
Hövel
,
I.
Omelchenko
, and
E.
Schöll
,
Nat. Phys.
8
,
658
(
2012
).
46.
L.
Larger
,
B.
Penkovsky
, and
Y.
Maistrenko
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
054103
(
2013
).
47.
L.
Schmidt
,
K.
Schönleber
,
K.
Krischer
, and
V.
García-Morales
,
Chaos
24
,
013102
(
2014
).
48.
J. F.
Totz
,
J.
Rode
,
M. R.
Tinsley
,
K.
Showalter
, and
H.
Engel
,
Nat. Phys.
14
,
282
(
2018
).
49.
Y.
Zhang
,
Z. G.
Nicolaou
,
J. D.
Hart
,
R.
Roy
, and
A. E.
Motter
,
Phys. Rev. X
10
,
11044
(
2020
).
50.
M.
Patzauer
and
K.
Krischer
,
Phys. Rev. Lett.
126
,
194101
(
2021
).
51.
M.
Pfeiffer
and
T.
Pfeil
,
Front. Neurosci.
12
,
774
(
2018
).
52.
A.
Tavanaei
,
M.
Ghodrati
,
S. R.
Kheradpisheh
,
T.
Masquelier
, and
A.
Maida
,
Neural Networks
111
,
47
(
2019
).
53.
E. M.
Izhikevich
,
IEEE Trans. Neural Networks
15
,
1063
(
2004
).
54.
J.
Kaiser
and
S.
Datta
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
150503
(
2021
).
55.
N. A.
Aadit
,
A.
Grimaldi
,
M.
Carpentieri
,
L.
Theogarajan
,
J. M.
Martinis
,
G.
Finocchio
, and
K. Y.
Camsari
,
Nat. Electron.
5
,
460
(
2022
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.