Magnetic skyrmions are topologically protected spin textures that have nanoscale dimensions and can be manipulated by an electric current. These properties make the structures potential information carriers in data storage, processing and transmission devices. However, the development of functional all-electrical electronic devices based on skyrmions remains challenging. Here we show that the current-induced creation, motion, detection and deletion of skyrmions at room temperature can be used to mimic the potentiation and depression behaviours of biological synapses. In particular, the accumulation and dissipation of magnetic skyrmions in ferrimagnetic multilayers can be controlled with electrical pulses to represent the variations in the synaptic weights. Using chip-level simulations, we demonstrate that such artificial synapses based on magnetic skyrmions could be used for neuromorphic computing tasks such as pattern recognition. For a handwritten pattern dataset, our system achieves a recognition accuracy of ~89%, which is comparable to the accuracy achieved with software-based ideal training (~93%). The electrical current-induced creation, motion, detection and deletion of skyrmions in ferrimagnetic multilayers can be used to mimic the behaviour of biological synapses, providing devices that could be used for neuromorphic computing tasks such as pattern recognition.

The well-known empirical phenomenon known as Moore's Law has held true for the past half century. However, it is beginning to break down, owing to limitations arising from leakage currents caused by the quantum effect. As a result, the search for alternatives or complementary technologies that can aid the downscaling of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology has been accelerated in the field of electronics. Among various potential candidates, spintronic technology has attracted considerable interest and attention, especially for the topological spin textures known as magnetic skyrmions. Magnetic skyrmions are expected to have topologically protected stability and nanoscale size, and require a very low driving current density, therefore they are considered as potential building blocks for future spintronic devices and integrated circuits. Furthermore, recent experimental demonstrations of the control of individual nanometer-scale skyrmions, including their creation, detection, transportation, and manipulation at room temperature, further highlight their potential for future electronic applications. In this paper, we review the current status and outlook of skyrmions from the viewpoint of electronic applications. First, the fundamental and elementary functionality of skyrmions, such as electric write-in, read-out, transmission, and manipulation, are introduced. Then, potential electronic applications of skyrmions for nonvolatile memory and logic circuits are described with case studies. Finally, we conclude with an analysis of current challenges, limitations, and future trends of skyrmion research.

Perpendicular magnetic tunnel junctions based on MgO/CoFeB structures are of particular interest for magnetic random-access memories because of their excellent thermal stability, scaling potential, and power dissipation. However, the major challenge of current-induced switching in the nanopillars with both a large tunnel magnetoresistance ratio and a low junction resistance is still to be met. Here, we report spin transfer torque switching in nano-scale perpendicular magnetic tunnel junctions with a magnetoresistance ratio up to 249% and a resistance area product as low as 7.0 {\Omega}.{\mu}m2, which consists of atom-thick W layers and double MgO/CoFeB interfaces. The efficient resonant tunnelling transmission induced by the atom-thick W layers could contribute to the larger magnetoresistance ratio than conventional structures with Ta layers, in addition to the robustness of W layers against high temperature diffusion during annealing. The switching critical current density could be lower than 3.0 MA.cm-2 for devices with a 45 nm radius.

Magnetic skyrmions are promising candidates for next-generation information carriers, owing to their small size, topological stability, and ultralow depinning current density. A wide variety of skyrmionic device concepts and prototypes have been proposed, highlighting their potential applications. Here, we report on a bioinspired skyrmionic device with synaptic plasticity. The synaptic weight of the proposed device can be strengthened/weakened by positive/negative stimuli, mimicking the potentiation/depression process of a biological synapse. Both short-term plasticity(STP) and long-term potentiation(LTP) functionalities have been demonstrated for a spiking time-dependent plasticity(STDP) scheme. This proposal suggests new possibilities for synaptic devices for use in spiking neuromorphic computing applications.

Neuromorphic computing, inspired by the biological nervous system, has attracted considerable attention. Intensive research has been conducted in this field for developing artificial synapses and neurons, attempting to mimic the behaviors of biological synapses and neurons, which are two basic elements of a human brain. Recently, magnetic skyrmions have been investigated as promising candidates in neuromorphic computing design owing to their topologically protected particle-like behaviors, nanoscale size and low driving current density. In one of our previous studies, a skyrmion-based artificial synapse was proposed, with which both short-term plasticity and long-term potentiation functions have been demonstrated. In this work, we further report on a skyrmion-based artificial neuron by exploiting the tunable current-driven skyrmion motion dynamics, mimicking the leaky-integrate-fire function of a biological neuron. With a simple single-device implementation, this proposed artificial neuron may enable us to build a dense and energy-efficient spiking neuromorphic computing system.

Two-dimensional (2D) magnetic layered materials have gained significant interest in spintronic for memory storage devices. Herein, the electronic and magnetic properties of high-quality single crystals of chromium (Cr)-doped hafnium diselenide were studied. The electronic study indicated that the Cr-doped HfSe2 reveals the semiconducting nature with a proper bandgap as identified by angle-resolved photoemission spectroscopy and first-principle density functional theory (DFT) calculations. The magnetic results indicate that the HfSe₂ exhibited ferromagnetic characteristics with the substitution of Cr atoms in a perpendicular direction. The Cr-doped HfSe2 sample shows a ferromagnetic phase below ∼58 K, indicating the critical temperature (Tc) of magnetic order, while above this temperature, it shows a paramagnetic phase that can follow the Curie-Weiss Law. It can be seen that the magnetic moment is approximately 0.16 emu/g at 5 K, which further decreases with increasing temperature until 60 K and then transforms to a paramagnetic phase. The sample can clearly show a weak out-of-plane magnetic anisotropy with a coercivity of around 50.56 Oe and a saturation magnetization value of 0.029 emu/g. Convincingly, it was observed from the ARPES results that the valence band is split due to the spin-orbit interaction of Cr atoms, which can induce ferromagnetic order. At the same time, the temperature-dependent ARPES data shows that the splitting is higher below the Tc, while it is weaker above the Tc. The DFT results revealed that near the Fermi level, the spin-up and spin-down are spin-polarized with asymmetric trends. It can be observed that substituting Cr on the octahedral sites of Hf atoms influences the electron spin order created by Hf vacancies (as validated by the magnetic coupling measured by electron paramagnetic resonance spectroscopy experiments), which can change the magnetic alignment to induce the magnetism in HfSe2. This study highlights that doping transition metal in HfSe2 has promising potential for future applications, especially in memory devices and spintronic technologies.