Abstract In the brain, learning is achieved through the ability of synapses to reconfigure the strength by which they connect neurons (synaptic plasticity). In promising solid-state synapses called memristors, conductance can be finely tuned by voltage pulses and set to evolve according to a biological learning rule called spike-timing-dependent plasticity (STDP). Future neuromorphic architectures will comprise billions of such nanosynapses, which require a clear understanding of the physical mechanisms responsible for plasticity. Here we report on synapses based on ferroelectric tunnel junctions and show that STDP can be harnessed from inhomogeneous polarization switching. Through combined scanning probe imaging, electrical transport and atomic-scale molecular dynamics, we demonstrate that conductance variations can be modelled by the nucleation-dominated reversal of domains. Based on this physical model, our simulations show that arrays of ferroelectric nanosynapses can autonomously learn to recognize patterns in a predictable way, opening the path towards unsupervised learning in spiking neural networks.

Magnetic skyrmions are nanoscale windings of the spin configuration that hold great promise for technology due to their topology-related properties and extremely reduced sizes. After the recent observation at room temperature of sub-100 nm skyrmions stabilized by interfacial chiral interaction in magnetic multilayers, several pending questions remain to be solved, notably about the means to nucleate individual compact skyrmions or the exact nature of their motion. In this study, a method leading to the formation of magnetic skyrmions in a micrometer-sized track using homogeneous current injection is evidenced. Spin-transfer-induced motion of these small electrical-current-generated skyrmions is then demonstrated and the role of the out-of-plane magnetic field in the stabilization of the moving skyrmions is also analyzed. The results of these experimental observations of spin torque induced motion are compared to micromagnetic simulations reproducing a granular type, nonuniform magnetic multilayer in order to address the particularly important role of the magnetic inhomogeneities on the current-induced motion of sub-100 nm skyrmions for which the material grains size is comparable to the skyrmion diameter.

The recent observation of current-induced domain wall (DW) motion with large velocity in ultrathin magnetic wires has opened new opportunities for spintronic devices. However, there is still no consensus on the underlying mechanisms of DW motion. Key to this debate is the DW structure, which can be of Bloch or N\'eel type, and dramatically affects the efficiency of the different proposed mechanisms. To date, most experiments aiming to address this question have relied on deducing the DW structure and chirality from its motion under additional in-plane applied fields, which is indirect and involves strong assumptions on its dynamics. Here we introduce a general method enabling direct, in situ, determination of the DW structure in ultrathin ferromagnets. It relies on local measurements of the stray field distribution above the DW using a scanning nanomagnetometer based on the Nitrogen-Vacancy defect in diamond. We first apply the method to a Ta/Co40Fe40B20(1 nm)/MgO magnetic wire and find clear signature of pure Bloch DWs. In contrast, we observe left-handed N\'eel DWs in a Pt/Co(0.6 nm)/AlOx wire, providing direct evidence for the presence of a sizable Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) at the Pt/Co interface. This method offers a new path for exploring interfacial DMI in ultrathin ferromagnets and elucidating the physics of DW motion under current.

The intense recent research on skyrmions has focused on multilayers of classical magnetic materials, such as Co, CoFeB, or Fe. Here, the authors explore skyrmions in van der Waals bi-dimensional magnets, a new type of magnetic material in the broad family of 2D materials that contains graphene. Using $a\phantom{\rule{0}{0ex}}b$ $i\phantom{\rule{0}{0ex}}n\phantom{\rule{0}{0ex}}i\phantom{\rule{0}{0ex}}t\phantom{\rule{0}{0ex}}i\phantom{\rule{0}{0ex}}o$ and Monte Carlo calculations, they demonstrate that skyrmions should exist in the so-called Janus transition metal dichalcogenides. The temperature and magnetic field range for observation of skyrmions are also predicted, as a guide for experimental exploration.

The control of domain walls in magnetic wires underpins an emerging class of spintronic devices. Propagation of these walls in imperfect media requires defects that pin them to be characterized on the nanoscale. Using a magnetic microscope based on a single nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, we report domain-wall imaging on a 1-nanometer-thick ferromagnetic nanowire and directly observe Barkhausen jumps between two pinning sites spaced 50 nanometers apart. We further demonstrate in situ laser control of these jumps, which allows us to drag the domain wall along the wire and map the pinning landscape. Our work demonstrates the potential of NV microscopy to study magnetic nano-objects in complex media, whereas controlling domain walls with laser light may find an application in spintronic devices.