Neuromorphic computing uses brain-inspired principles to design circuits that can perform computational tasks with superior power efficiency to conventional computers. Approaches that use traditional electronic devices to create artificial neurons and synapses are, however, currently limited by the energy and area requirements of these components. Spintronic nanodevices, which exploit both the magnetic and electrical properties of electrons, can increase the energy efficiency and decrease the area of these circuits, and magnetic tunnel junctions are of particular interest as neuromorphic computing elements because they are compatible with standard integrated circuits and can support multiple functionalities. Here, we review the development of spintronic devices for neuromorphic computing. We examine how magnetic tunnel junctions can serve as synapses and neurons, and how magnetic textures, such as domain walls and skyrmions, can function as neurons. We also explore spintronics-based implementations of neuromorphic computing tasks, such as pattern recognition in an associative memory, and discuss the challenges that exist in scaling up these systems. This Review Article examines the development of spintronic devices for neuromorphic computing, exploring how magnetic tunnel junctions and magnetic textures can act as artificial neurons and synapses, as well as considering the challenges that exist in scaling up current systems.

Current-induced effective magnetic fields can provide efficient ways of electrically manipulating the magnetization of ultrathin magnetic heterostructures. Two effects, known as the Rashba spin orbit field and the spin Hall spin torque, have been reported to be responsible for the generation of the effective field. However, a quantitative understanding of the effective field, including its direction with respect to the current flow, is lacking. Here we describe vector measurements of the current-induced effective field in Ta|CoFeB|MgO heterostructrures. The effective field exhibits a significant dependence on the Ta and CoFeB layer thicknesses. In particular, a 1 nm thickness variation of the Ta layer can change the magnitude of the effective field by nearly two orders of magnitude. Moreover, its sign changes when the Ta layer thickness is reduced, indicating that there are two competing effects contributing to it. Our results illustrate that the presence of atomically thin metals can profoundly change the landscape for controlling magnetic moments in magnetic heterostructures electrically.

Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

We investigated perpendicular CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions (MTJs) with a recording structure consisting of two CoFeB-MgO interfaces, MgO/CoFeB (1.6 nm)/Ta (0.4 nm)/CoFeB (1.0 nm)/MgO. Thermal stability factor of MTJ with the structure having junction size of 70 nmφ was increased by a factor of 1.9 from the highest value of perpendicular MTJs with single CoFeB-MgO interface having the same device structure. On the other hand, intrinsic critical current for spin transfer torque switching of the double- and single-interface MTJs was comparable.

We investigate properties of perpendicular anisotropy magnetic tunnel junctions (MTJs) with a recording structure of MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO down to junction diameter (D) of 11 nm from 56 nm. Thermal stability factor (Δ) of MTJ with the structure starts to decrease at D = 30 nm. D dependence of Δ agrees well with that expected from magnetic properties of blanket film taking into account the change in demagnetizing factors of MTJs. Intrinsic critical current (IC0) reduces with decrease of D in the entire investigated D range. A ratio of Δ to IC0 shows continuous increase with decrease of D down to 11 nm.

Skyrmion, a topologically-protected soliton, is known to emerge via electron spin in various magnetic materials. The magnetic skyrmion can be driven by low current density and has a potential to be stabilized in nanoscale, offering new directions of spintronics. However, there remain some fundamental issues in widely-studied ferromagnetic systems, which include a difficulty to realize stable ultrasmall skyrmions at room temperature, presence of the skyrmion Hall effect, and limitation of velocity owing to the topological charge. Here we show skyrmion bubbles in a synthetic antiferromagnetic coupled multilayer that are free from the above issues. Additive Dzyaloshinskii-Moriya interaction and spin-orbit torque (SOT) of the tailored stack allow stable skyrmion bubbles at room temperature, significantly smaller threshold current density or higher speed for motion, and negligible skyrmion Hall effect, with a potential to be scaled down to nanometer dimensions. The results offer a promising pathway toward nanoscale and energy-efficient skyrmion-based devices.

We study the device size dependence of spin-orbit torque induced magnetization switching in a Ta/CoFeB/MgO structure with perpendicular easy axis. The miniaturization of the device from micrometer-sized wire to 80-nm dot results in the increase of the threshold current density Jth by one order, whereas Jth increases only slightly with further reducing the device size down to 30 nm. No significant increase in Jth is seen, as the current pulse width decreases from 100 ms down to 3 ns. We reveal that the switching in devices at reduced size is reasonably well explained by the macrospin model, in which the effects of both the Slonczewski-like torque and field-like torque are included.

Abstract Since the qubit’s performance of solid-state spin centers depends highly on the host material, spin centers using new host materials may offer new qubit applications. We investigate the optical properties of Ce-implanted MgO and MgAl2O4 as potential materials holding the optically accessible qubit. We find that the photoluminescence of Ce-implanted MgAl2O4 is more than 10 times brighter than that of Ce-implanted MgO and observe polarization-dependent emission of Ce center in MgAl2O4 with 2% at 4 K under 500 mT, suggesting that the properties required for initializing and reading the state of the spin qubit have been achieved.