DE69510210T2

DE69510210T2 - Verfahren und gerät zum speichern von spinpolarisierte elektronen gebrauchenden daten

Info

Publication number: DE69510210T2
Application number: DE69510210T
Authority: DE
Inventors: Scott Halpine; Thomas Hurt
Original assignee: Terastore Inc
Current assignee: Terastore Inc
Priority date: 1994-09-23
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: EP0782745A1; BR9509469A; RU2153706C2; EP0867907A2; DE69510210D1; EP0782745B1; JPH11224484A; AU3637095A; ATE181171T1; AU1425299A; CA2234392A1; AU704605B2; KR100284237B1; DK0782745T3; WO1996009626A1; ES2134497T3; US5546337A; US6147894A; CA2200198A1; JPH10506494A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Datenspeicherung- und -wiedergewinnung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Datenspeichermedium und ein Verfahren und Gerät zum Speichern von Daten auf das Datenspeichermedium und Lesen der gespeicherten Daten von dort.

Hintergrund der Erfindung

Im Lauf der Jahre entstand ein zunehmender Bedarf an Hochgeschwindigkeitsmassendatenspeichervorrichtungen. Mit der Umstellung von analogen Systemen auf digitale Systeme und der zunehmenden Verarbeitungsgeschwindigkeit, die durch die heutige Prozessortechnologie demonstriert wird, eilt die Fähigkeit, auf große Datenmenge schnell zuzugreifen, hinter dem Bedarf nach. Dies gilt insbesondere in der wissenschaftlichen Welt für Computermodellierung und -simulationen sowie in der Welt der Verbraucher für hochauflösendes Fernsehen (HDTV), HDTV-Videoaufzeichnungen, Compact Discs, persönliche digitale Assistenten (PDAs), persönliche Kommunikationsassistenten (PCAs), digitale Magnetbandgeräte und sogar solche Artikel wie Automobile. Überdies werden die sich vermischenden Welten von Computern, Multimedia und Datenübermittlung bzw. Kommunikation durch virtuelle Realität, interaktives Fernsehen, (sprachlich interaktive) Spracherkennungssysteme, Handschrift- Erkennungssysteme und integrierte Datenübermittlungen mit Unterhaltungssystemen, die alle eine statische Massendatenspeicherung mit hoher Geschwindigkeit erfordern, auf Verbraucher auswirken.
Die Anwendung von herkömmlichen lithographischen Techniken und Prozessen zur inkrementalen Verbesserung auf gegenwärtige Speichertechnologien hat einen inkrementalen Fortschritt zur Folge. Dieser inkrementale Fortschritt wird das Mißverhältnis zwischen der zunehmenden Geschwindigkeit von Prozessoren und ihrer Fähigkeit, die benötigten Datenmengen zu speichern und effektiv zu nutzen, einfach vergrößern.
Das Dokument DE-A-40 08 022 beschreibt ein Verfahren zum magnetischen Speichern von Daten in einem Speichermedium, das eine Alternative zur vorliegenden Erfindung ist. Dort wird ein dickes magnetisches Speichermedium durch einen Energiestrahl erhitzt, um die Temperatur des Speichermediums lokal über den Curie-Punkt anzuheben, was ermöglicht, daß das magnetische Speichermedium unter dem Einfluß eines externen Magnetfeldes lokal polarisiert.

Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist die vorliegende Erfindung auf ein Datenspeichermedium und ein Verfahren und Gerät zum Speichern von Daten auf das Datenspeichermedium und Lesen der gespeicherten Daten von dort gerichtet, das im wesentlichen eines oder mehrere der Probleme aufgrund der Beschränkungen und Nachteile der verwandten Technik vermeidet.
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch praktische Umsetzung der Erfindung gelernt werden. Die Aufgaben und andere Vorteile der Erfindung werden durch das Verfahren und Gerät realisiert und erreicht, die insbesondere in der niedergeschriebenen Beschreibung und deren Ansprüchen sowie den beiliegenden Zeichnungen ausgeführt sind.
Um diese und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie sie verkörpert und allgemein beschrieben wird, umfaßt eine Datenspeichervorrichtung ein Element, das ein magnetisches Material aufweist; eine Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, wobei die Strahl-Elektronen eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen und der Strahl an einen von mehreren Abschnitten des Elements richtbar ist; eine Einrichtung, die auf ein Adreßsignal ansprechbar ist, zum Richten des Strahls auf einen Abschnitt des Elements entsprechend dem Adreßsignal und zum Steuern der Wellenlänge der Strahl-Elektronen derart, daß der Abschnitt des Elements eine magnetische Polarisation entsprechend der magnetischen Polarisation der Strahl- Elektronen annimmt; und eine Einrichtung, die auf das Adreßsignal ansprechbar ist, zum Erfassen der Polarisation eines Abschnitts des Elements entsprechend dem Adreßsignal durch Richten des Strahls an den Abschnitt.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, das ein Element mit einem magnetischen Material und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls von Elektronen umfaßt, wobei die Strahl-Elektronen eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen und der Strahl an einen von einer Mehrzahl von Abschnitten des Elements richtbar ist, die Schritte auf: Empfangen eines Adreßsignals; Richten des Strahls auf einen Abschnitt des Elements entsprechend dem Adreßsignal und Steuern der Wellenlänge der Strahl-Elektronen derart, daß der Abschnitt des Elements eine der magnetischen Polarisation der Strahl- Elektronen entsprechende Polarisation annimmt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, das ein Element mit einem magnetischen Material und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls von Elektronen umfaßt, wobei die Strahl-Elektronen eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen und der Strahl an einen einer Mehrzahl von Abschnitten des Elements richtbar ist, die Schritte auf: Empfangen eines Adreßsignals; Richten des Strahls auf einen Abschnitt des Elements entsprechend dem Adreßsignal und Steuern der Wellenlänge der Strahl-Elektronen derart, daß der Abschnitt des Elements eine der magnetischen Polarisation der Strahl-Elektronen entsprechende magnetische Polarisation annimmt; und anschließendes Erfassen der Polarisation eines Abschnitts des Elements entsprechend dem Adreßsignal durch Richten des Strahls an den Abschnitt.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Speichern von Daten als eine Polarisationsrichtung in einem magnetischen Material die Schritte auf: Vorsehen eines spin-polarisierten Elektrons mit einem Elektronen-Magnetfeld, wobei das Elektronen-Magnetfeld eine Polarisationsrichtung entsprechend einem von ersten und zweiten Datenwerten aufweist und das Elektron eine Wellenlängencharakteristik ungepaarter Elektronen aufweist, die das magnetische Moment des magnetischen Materials hervorrufen; und Richten des spin-polarisierten Elektrons durch eine elektrisch nicht leitende Umgebung an einen Abschnitt des magnetischen Materials, um die Polarisationsrichtung des Elektronen-Magnetfelds auf den Abschnitt zu übertragen.
Es versteht sich, daß sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und eine weitere Erläuterung der Erfindung, wie sie beansprucht ist, liefern sollen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die beiliegenden Zeichnungen, die miteinbezogen sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen ist/sind:
Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht eines Stigmatorelements zur Verwendung in der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3(a) und 3(b) partielle Querschnittansichten des Datenspeichermediums von Fig. 1;
Fig. 4(a) eine Draufsicht des Datenspeichermediums von Fig. 1;
Fig. 4(b) ein partielle Querschnittansicht des Datenspeichermediums von Fig. 1, die Park- und Ausrichtungsflächen bzw. -bereiche zeigt;
Fig. 5(a)-5(b) partielle Querschnittansichten des Datenspeichermediums von Fig. 1 während einer Datenspeicheroperation;
Fig. 6(a)-6(b) partielle Querschnittansichten des Datenspeichermediums von Fig. 1 während einer ersten Datenleseoperation;
Fig. 7(a)-7(b) partielle Querschnittansichten des Datenspeichermediums von Fig. 1 während einer zweiten Datenleseoperation;
Fig. 8 eine partielle Querschnittansicht der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung von Fig. 1 während einer Ausrichtoperation;
Fig. 9 eine partielle Querschnittansicht der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung von Fig. 1 während einer Austast/Parkoperation;
Fig. 10 eine aufgeschnittene Seitenansicht der bevorzugten Elektronenemissionsvorrichtung;
Fig. 11 eine aufgeschnittene Unteransicht der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung;
Fig. 12 eine Unteransicht der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung; und
Fig. 13 ein Diagramm, das eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung

Nun wird ausführlich auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, von der ein Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht ist.
Fig. 1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung enthält eine Steuereinheit 1, eine Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen mit einer Spitze 2b, einen Extraktor 4, Kollimatoren 6, 7 und 9, elektrostatische Linsen 10, 11 und 12 und isolierende Elemente 5 und 8. Die Datenspeicher- und - wiedergewinnungsvorrichtung umfaßt ferner ein Austastelement 13, Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15, einen Elektronendetektor 16, eine Datenspeicherschicht 17 und ein Substrat 18.
Die Steuereinheit 1 enthält einen Mikroprozessor oder eine andere Steuerschaltungsanordnung, die in der Technik bekannt ist. Die Steuereinheit 1 koordiniert die verschiedenen Funktionen und Operationen, die durch die Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung ausgeführt werden, und ordnet diese in einer Sequenz an, wie im folgenden ausführlicher erläutert wird. Die Steuereinheit 1 dient ferner dazu, die Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung mit einer (nicht dargestellten) externen Vorrichtung, wie z. B. einem Computer oder sogar einer anderen Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung, über Anschlüsse ADRESSE EIN, DATEN EIN und DATEN AUS schnittstellenmäßig zu verbinden. Durch dieses schnittstellenmäßige Verbinden können Steuersignale und Daten von der externen Vorrichtung zur Steuereinheit 1 übertragen und durch diese decodiert werden, wobei notwendige Protokolle verwendet werden. Die Steuereinheit 1 kann Steuerantworten und Daten entwickeln und die Daten zur externen Vorrichtung zurückleiten, wobei die notwendigen Protokolle verwendet werden. Es wird erwogen bzw. daran gedacht, daß die Steuereinheit 1 mit der externen Vorrichtung über z. B. elektrische oder optische Verbindungen verbunden sein kann. Beispielsweise kann eine optische Übertragung in die und aus der Steuereinheit 1 unter Verwendung elektrisch gepumpter Laserdioden ausgeführt werden.
Die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen einschließlich der Spitze 2b liefert spin-polarisierte Elektronen 3. Insbesondere werden die spin-polarisierten Elektronen 3 durch die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen entwickelt und in der Spitze 2b gesammelt. Die Spitze 2b ist eine modulierte, selbst-polarisierende scharfe Spitze zur Emission von Elektronen niedriger Energie, wie in der Anmeldung später ausführlicher beschrieben wird.
Jedes der spin-polarisierten Elektronen 3 weist ein Elektronen-Magnetfeld mit einer Polarisationsrichtung auf, die durch den Spin des Elektrons bestimmt ist. Die Polarisationsrichtung des Elektronen-Magnetfeldes entspricht einem von ersten und zweiten Datenwerten. Zum Beispiel kann ein aufwärts polarisiertes Elektronen-Magnetfeld einem Datenwert "1" entsprechen, während ein abwärts polarisiertes Elektron-Magnetfeld einem Datenwert "0" entsprechen kann oder umgekehrt.
An die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen wird durch die Steuereinheit 1 ein Potential V&sub1; angelegt. Die Stärke des Potentials V&sub1; kann durch die Steuereinheit 1 variiert werden, um die Intensität und den Strom der spin- polarisierten Elektronen 3 zu steuern. Ein Signal S&sub1;&sub9; wird ebenfalls durch die Steuereinheit 1 an die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen angelegt. Das Signal S&sub1;&sub9; steuert die Polarisationsrichtung der Magnetfelder der spin- polarisierten Elektronen 3. Vorzugsweise kann die Steuereinheit 1 das Potential V&sub1; und das Signal S&sub1;&sub9; während eines Betriebs der Vorrichtung variieren, um physikalische Änderungen in der Vorrichtung und ihrer Umgebung im Lauf der Zeit zu kompensieren.
Der Extraktor 4, die Kollimatoren 6, 7 und 9, die elektrostatischen Linsen 10-12, das Austastelement 13 und die Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 bilden jeweils z. B. ein elektrisch leitendes ringförmiges Element, das eine Apertur definiert. Der Extraktor 4 extrahiert die spin-polarisierten Elektronen 3 aus der Spitze 2b, und die Kollimatoren 6, 7 und 9 kollimieren die spin-polarisierten Elektronen 3 in einen Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen. Die elektrostatischen Linsen 10-12 fokussieren den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen, und die Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 richten den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen auf die Datenspeicherschicht 17.
Die Umgebung, durch die sich der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen ausbreitet, ist vorzugsweise eine elektrisch nicht leitende und nicht ionisierende Umgebung, wie z. B. Vakuum. Es wird jedoch erwogen, daß die Umgebung, durch die sich der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen ausbreitet, irgendeine Anzahl von in der Technik bekannten Umgebungen sein kann, die einen Durchgang des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen von der Elektronenquelle 2 zum Datenspeichermedium 17 nicht verschlechtern würden, sondern verbessern können.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Spitze 2b so positioniert, daß sie bei der Mitte der Apertur des Extraktors 4 und neben der Oberfläche des Extraktors 4 liegend oder nahe dieser senkrecht zur Ebene der Oberfläche des Extraktors 4 ist. Die Aperturen des Extraktors 4 und Kollimators 6 haben vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 Mikrometer bzw. 100 Mikrometer. Doch können je nach der speziellen Konstruktion der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung und der gewünschten Charakteristiken des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen größere oder kleinere Durchmesser ebenfalls verwendet werden.
Das isolierende Element 5, das z. B. Si oder dergleichen umfaßt, ist zwischen dem Extraktor 4 und dem Kollimator 6 positioniert, um ihre leitenden Oberflächen zu trennen. Der Durchmesser der Apertur des isolierenden Elements 5 ist vorzugsweise etwas größer als die Durchmesser der Aperturen des Extraktors 4 und Kollimators 6, um eine Wechselwirkung des isolierenden Elements 5 mit elektrostatischen Feldern, die in den Aperturen des Extraktors 4 und Kollimators 6 erzeugt werden, und durch die Aperturen des Extraktors 4 und Kollimators 6 durchgehenden Elektronen zu reduzieren.
Potentiale V&sub2; und V&sub3; werden durch die Steuereinheit 1 an den Extraktor 4 bzw. Kollimator 6 angelegt, um in deren Apertur jeweils ein Magnetfeld zu erzeugen. Die Position der Spitze 2b in bezug auf das in der Apertur des Extraktors 4 erzeugte elektrostatische Feld induziert, daß die spin- polarisierten Elektronen 3 von der Spitze 2b springen und durch die Apertur des Extraktors 4 zur Apertur des Kollimators 6 durchgehen. Der Kollimator 6 fokussiert die Elektronen in relativ parallele Trajektorien in Richtung auf die Datenspeicherschicht.
Die Kollimatoren 7 und 9 und das isolierende Element 8, die dem Extraktor 4, Kollimator 6 bzw. dem isolierenden Element 5 ähnlich oder damit identisch sein können, bilden eine optionale Linsenstufe, um beim Kollimieren der spin- polarisierten Elektronen 3 in den Strahl 19 spin-polarisierte Elektronen zu unterstützen. Die Kollimatoren 7 und 9 und das isolierende Element 8 können auch verwendet werden, um die spin-polarisierten Elektronen 3 zu beschleunigen oder zu verzögern, um eine gewünschte Strahlenergie zu erhalten.
Die Potentiale V&sub2;-V&sub5; können durch die Steuereinheit 1 eingestellt werden, um gewünschte Charakteristiken der spin- polarisierten Elektronen 3 und des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen zu erhalten. Die Steuerung der Potentiale V&sub2;-V&sub5; kann während eines Betriebs der Vorrichtung durchgeführt werden, um physikalische Änderungen in der Vorrichtung und ihrer Umgebung im Lauf der Zeit zu kompensieren.
Nach einem Durchgang durch den Kollimator 9 geht der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch die elektrostatischen Linsen 10-12 durch. Potentiale V&sub6;-V&sub8; werden durch die Steuereinheit 1 jeweils an die elektrostatischen Linsen 10-12 angelegt, um elektrostatische Felder durch die Linsenaperturen zu erzeugen. Diese elektrostatischen Felder fokussieren den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen mit einem gewünschten Durchmesser, z. B. 1-25 Nanometer. Die Aperturen der elektrostatischen Linsen 10-12 haben vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikrometer, können aber in Abhängigkeit von der speziellen Konstruktion der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung und der gewünschten Charakteristiken, z. B. Intensität, Strahlform etc., des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen variiert werden. Ferner können die Dicken der elektrostatischen Linsen 10-12, ihre relativen Positionen und die Potentiale V&sub6;- V&sub8; variiert werden, um gewünschte Charakteristiken des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen zu erhalten. Die Potentiale V&sub6;-V&sub8; können wieder durch die Steuereinheit 1 während eines Betriebs der Vorrichtung variiert werden, um physikalische Änderungen in der Vorrichtung und ihrer Umgebung im Lauf der Zeit zu kompensieren. Ferner können die elektrostatischen Linsen 10-12 durch weniger oder mehr derartige Linsen ersetzt werden. Anstelle der elektrostatischen Linsen 10-12, des Extraktors und der Kollimatoren 6, 7 und 9 oder zusätzlich zu diesen können auch magnetische Linsen verwendet werden.
Nach einem Durchgang durch die elektrostatische Linse 12 geht der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Austastelement 13. Wie unten ausführlicher erläutert wird, ist das Austastelement 13 ein optionales Element, das die Effekte des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen unwirksam macht. Die bevorzugte Stelle des Austastelements 13 ist oberhalb der Grob-Mikroablenkvorrichtung 14, wie in Fig. 1 gezeigt ist, um zu ermöglichen, daß der Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen einen stationären Zustand erreicht.
Nach Durchgang durch das Austastelement 13 geht der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch die Grob-Mikroablenkvorrichtung 14 und dann durch die Fein-Mikroablenkvorrichtung 15. Die Grob-Mikroablenkvorrichtung 14 weist vorzugsweise acht Pole auf, die durch von der Steuereinheit 1 gelieferte Signale S&sub2;-S&sub9; einzeln gesteuert werden. Die Fein-Mikroablenkvorrichtung 14 weist ebenfalls ähnlich vorzugsweise acht Pole auf, die durch ebenfalls durch die Steuereinheit 1 gelieferte Signale S&sub1;&sub0;-S&sub1;&sub7; einzeln gesteuert werden. Die Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 richten den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen in Richtung auf die Datenspeicherschicht 17. Während die Grob-Mikroablenkvorrichtung 14 die Trajektorie des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen in Richtung auf eine allgemeine Fläche bzw. Bereich auf der Datenspeicherschicht 17 richtet, stellt die Fein- Mikroablenkvorrichtung 15 die Trajektorie des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen ferner ein, um den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen an eine spezifische Fläche bzw. Bereich der Datenspeicherschicht 17 zu richten. Durch allmähliches Biegen des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen in dieser Weise können in den Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen eingeführte Verzerrungen und Aberrationen reduziert werden. Es wird erwogen, daß die Fein- Mikroablenkvorrichtung 15 ein Positionieren des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen auf dem atomaren Niveau der Datenspeicherschicht 17 ermöglichen kann. Obgleich die Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 so beschrieben wurden, daß sie jeweils acht Pole aufweisen, wird daran gedacht, daß die Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 andere, in der Technik bekannte Konfigurationen aufweisen können. Ferner können die relativen Positionen der Grob- und Fein-Mikroablenkvorrichtungen 14 bzw. 15 und die Datenspeicherschicht 17 als Funktion des X-Y-Achsen- Abtastbereichs des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen bestimmt sein.
Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, kann die Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung ferner ein Stigmatorelement wie das in Fig. 2 gezeigte aufweisen. Das Stigmatorelement ist vorzugsweise entweder zwischen der elektrostatischen Linse 12 und dem Austastelement 13 oder zwischen dem Austastelement 13 und der Grob- Mikroablenkvorrichtung 14 positioniert. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das Stigmatorelement z. B. ein elektrisch leitendes Material auf, das ein elektrostatisches Feld in der Apertur erzeugt, die durch acht Stigmatorelemente 25 gebildet wird, die mit Potentialen V&sub1;&sub2;-V&sub1;&sub9; einzeln vorgespannt sind. Es wird daran gedacht, daß das Stigmatorelement 25 andere, in der Technik bekannte Konfigurationen aufweisen kann. Die einzelnen Potentiale V&sub1;&sub2;-V&sub1;&sub9; werden durch die Steuereinheit 1 an die Stigmatorpole des Stigmatorelements 25 angelegt und während eines Betriebs der Vorrichtung eingestellt, um ein Feld zu entwickeln, das eine gewünschte Form des Strahls 19 spin-polarisierte Elektronen ergibt, und um physikalische Änderungen in der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung und ihrer Umgebung im Lauf der Zeit zu kompensieren. Obwohl das Stigmatorelement im allgemeinen verwendet wird, um den Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen mit einer runden Querschnittform zu liefern, kann das Stigmatorelement auch verwendet werden, um den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen mit einer anderen als runden, z. B. ovalen, Querschnittform zu versehen.
Der Elektronendetektor 16 weist ein elektrisch leitendes Material, wie z. B. ein Metall, auf und ist beispielsweise wie in Fig. 1 gezeigt aufgebaut, um die Erfassung von Elektronen, die von der Datenspeicherschicht 17 abgelenkt wurden, oder von Sekundärelektronen, die durch die Datenspeicherschicht 17 emittiert wurden, zu optimieren. Der Elektronendetektor 16 ist vorzugsweise so positioniert, daß er den Weg des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen nicht stört, aber nahe genug zur Datenspeicherschicht 17, um die abgelenkten oder emittierten Elektronen zu erfassen. Elektronen, die auf den Elektronendetektor 16 treffen, erzeugen ein Signal in dem Elektronendetektor 16, das als Signal S&sub1;&sub8; an die Steuereinheit 1 geliefert wird.
Die Datenspeichereinheit 17 und das Substrat 18 bilden zusammen ein Datenspeichermedium. Die Datenspeicherschicht 17 wird vorzugsweise über z. B. Sputtern, Laserablation oder ein anderes, in der Technik bekanntes Verfahren auf dem Substrat 18 abgelagert. Das Substrat 18 weist eine Dehnungsschicht 29, eine Signal-Routing-Schicht 30 und ein nichtmagnetisches und elektrisch nichtleitendes Material auf, wie z. B. Glas oder Keramik, das als ein mechanischer Träger für die Datenspeicherschicht 17, die Dehnungsschicht 29 und die Signal-Route-Schicht 30 dient.
Die Datenspeicherschicht 17 weist eine festgelegte Anzahl von Atomschichten eines magnetischen Materials auf, wobei die festgelegte Anzahl von Atomschichten die Datenspeicherschicht 17 mit einer zu ihrer Oberfläche senkrechten magnetischen Anisotropie, d. h. entlang ihrer Vorzugsachse, aufgrund gedehnter interatomarer Abstände, die durch die Dehnungsschicht 29 auferlegt werden, versieht. In dem Fall, in dem die Datenspeicherschicht 17 Fe aufweist, versehen z. B. drei Atomschichten aus Fe, die in einem tetragonalen raumzentrierten (bct) Gitter angeordnet sind, die Datenspeicherschicht mit einem starken magnetischen Moment in Richtung der Z-Achse, wenn sie über einer geeigneten Dehnungsschicht abgelagert werden, wie z. B. Ir. Bei mehr als drei Atomschichten beginnt jedoch Fe, sich zu einem kubisch flächenzentrierten (fcc) Gitter zu verschieben, was bewirkt, daß die magnetische Anisotropie der Fe-Atome sich zur X-Y- Ebene verschiebt. Ähnliche Ergebnisse können auch durch Kombinieren von Fe mit bestimmten Dotierstoffen oder Legierungselementen, wie z. B. Co oder Ni, oder durch Variieren der Zahl von Schichten erreicht werden.
Wegen der senkrechten magnetischen Anisotropie der Datenspeicherschicht 17 erzeugt jedes Gitter aus Atomen in der Datenspeicherschicht 17 ein Datenmagnetfeld mit einer Polarisation, die entlang ihrer Vorzugsachse, d. h. senkrecht zur Oberfläche der Datenspeicherschicht 17 verläuft. Diese Datenmagnetfelder sind in Fig. 3(a) als Datenmagnetfelder 23 veranschaulichend dargestellt. Wie die Magnetfelder, die durch die spin-polarisierten Elektronen 3 erzeugt werden, weist jedes in der Datenspeicherschicht 17 erzeugte Datenmagnetfeld eine Polarisationsrichtung auf, die einem von ersten und zweiten Datenwerten entspricht. Beispielsweise kann ein aufwärts polarisiertes Datenmagnetfeld dem Datenwert "1" entsprechen, während ein abwärts polarisiertes Datenmagnetfeld dem Datenwert "0" entsprechen kann oder umgekehrt. Mit dieser Anordnung speichern Abschnitte der Datenspeicherschicht 17 Daten in einem von zwei Zuständen, d. h. ersten und zweiten Richtungen einer magnetischen Polarität. Es wird daran gedacht, daß diese Abschnitte der Datenspeicherschicht 17 bis zu einem Atom breit und drei Atome dick sein können.
Wie in Fig. 4(a) und 4(b) gezeigt ist, enthält die Datenspeicherschicht 17 mehrere Ausrichtungsflächen 22 und eine Parkfläche 21. Jede der Ausrichtungsflächen 22 und der Parkfläche 21 umfaßt ein elektrisch leitendes Material 27, das durch einen Isolator 28 von der Datenspeicherschicht 17 elektrisch isoliert ist. Die Ausrichtungsflächen 22 und die Parkfläche 21 werden zum Durchführen von Ausrichtungs-, Park- und Austastoperationen verwendet, die unten ausführlicher beschrieben werden. Das Potential V&sub1;&sub0; der Parkfläche 21 und das Potential V&sub1;&sub1; der Ausrichtungsfläche 22 werden wie in Fig. 1 gezeigt durch die Steuereinheit 1 erfaßt.
Die Datenspeicherschicht 17 hat vorzugsweise eine planare Oberfläche. Es ist daran gedacht, daß das Datenspeichermedium eine beliebige Anzahl von Oberflächenformen aufweisen kann, eine dreidimensionale gekrümmte Oberfläche, um zu ermöglichen, daß alle Punkte auf der Datenspeicherschicht von der Mitte der feinen Apertur ungefähr äquidistant entfernt sind, wodurch die Elektronenlaufzeit reduziert und eine gleichmäßige Schärfentiefe des Strahls über die Oberfläche der Datenspeicherschicht geliefert wird.
Das Speichern von Daten in der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung von Fig. 1 wird wie folgt ausgeführt. Ein Steuergerät 1 empfängt ein Adreßsignal und ein Daten-ein-Signal. Die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen liefert je nach dem Daten-ein-Signal die spin- polarisierten Elektronen 3 mit einer Polarisationsrichtung, die einem von einem ersten und einem zweiten Datenwert entspricht. Als nächstes extrahiert der Extraktor 4 die spin- polarisierten Elektronen 3 von der Spitze 2b, kollimieren die Kollimatoren 6, 7 und 9 die spin-polarisierten Elektronen 3 in den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen, und die elektrostatischen Linsen 10-12 fokussieren den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen. Wie in Fig. 5(a) gezeigt ist, ist der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 an ein Datenmagnetfeld gerichtet, das in dem Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 erzeugt ist, an welchem die Daten zu speichern sind. Das Steuergerät 1 verwendet das Adreßsignal, um den Abschnitt zu bestimmen, an welchem Daten zu speichern sind. Wie in Fig. 5(b) gezeigt ist, trifft bei Treffen des Datenmagnetfelds mit der korrekten Wellenlänge der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen auf die Oberfläche der Datenspeicherschicht 17 auf, was einen Umkehreffekt kaskadierender Felder entlang der Vorzugsachse einer Magnetisierung bewirkt, die das Datenmagnetfeld erzeugt. Folglich wird die Polarisationsrichtung der Elektronen in dem Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen auf das Datenmagnetfeld übertragen.
Um den gewünschten Umkehreffekt kaskadierender Felder zu erreichen, sollte die Wellenlänge der Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen gemäß dem für die Datenspeicherschicht 17 verwendeten Material eingestellt sein. Insbesondere sollte die Wellenlänge des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen ungefähr gleich der De-Broglie- Wellenlänge der Elektronen in der äußeren d-Unterschale der Atome des Materials sein, das für die Datenspeicherschicht 17 verwendet wird. Mit anderen Worten, die Energie des Strahls sollte ungefähr gleich der kinetischen Energie der Elektronen in der äußeren d-Unterschale der Atome des für die Datenspeicherschicht 17 verwendeten Materials sein.
Wie oben erläutert wurde, wird erwogen, daß Abschnitte der Datenspeicherschicht 17, die nur eine geringe Breite von einem Atom aufweisen können, einen einzigen Datenwert repräsentieren. Es wird jedoch daran gedacht, daß Abschnitte der Datenspeicherschicht 17, die mehrere Atome breit sind, ebenfalls einen einzigen Datenwert repräsentieren können, wie in Fig. 3(b) schematisch gezeigt ist. Falls die Atome in der Datenspeicherschicht 17 so gruppiert sind, sollte der Durchmesser des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen groß genug gemacht sein, um den größeren Datenspeicherflächen bzw. -bereichen zu entsprechen.
Das Lesen von Daten von der Datenspeicherschicht 17 kann unter Verwendung von einem von zwei Verfahren ausgeführt werden. Im ersten Datenleseverfahren empfängt das Steuergerät 1 ein Adreßsignal. Die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen liefert die spin-polarisierten Elektronen 3 mit einer Polarisationsrichtung, die einem von einem und einem zweiten Datenwert entspricht. Als nächstes extrahiert der Extraktor 4 die spin-polarisierten Elektronen 3 aus der Spitze 2b, kollimieren die Kollimatoren 6, 7 und 9 die spin- polarisierten Elektronen 3 in den Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen, und die elektrostatischen Linsen 10 -12 fokussieren den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen. Der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen wird dann durch die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 an einen Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 gerichtet, von welchem Daten zu lesen sind. Das Steuergerät 1 verwendet das Adreßsignal, um den Abschnitt zu bestimmen, bei dem Daten zu lesen sind.
Wie in Fig. 6(a) gezeigt ist, werden, falls die Polarisationsrichtung des Datenmagnetfeldes des zu lesenden Abschnitts die gleiche wie die Polarisationsrichtung der Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen ist, die Elektronen im Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld angezogen und durch die Datenspeicherschicht 17 absorbiert. Die Absorption der Elektronen durch die Datenspeicherschicht 17 hat die Erzeugung eines Signals S&sub2;&sub0; zur Folge.
Wie in Fig. 6(b) gezeigt ist, werden, falls die Polarisationsrichtung des Datenmagnetfeldes der Polarisationsrichtung der Elektronen in dem Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen entgegengesetzt ist, die Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld abgelenkt und treffen auf den Elektronendetektor 16 auf. Wie vorher erläutert wurde, hat ein Auftreffen der Elektronen auf den Elektronendetektor 16 die Erzeugung des Signals S&sub1;&sub8; zur Folge.
Die Anziehung der Elektronen in dem Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld wird durch die Steuereinheit 1 als ein erster Datenwert, z. B. ein Datenwert "0", erfaßt, während eine Ablenkung der Elektronen im Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld durch die Steuereinheit 1 als ein zweiter Datenwert, z. B. ein Datenwert "1", erfaßt wird. Im einzelnen erfaßt die Steuereinheit 1 das Signal S&sub1;&sub8;, das Signal S&sub2;&sub0; oder sowohl das Signal S&sub1;&sub8; als auch das Signal S&sub2;&sub0; zu einer festgelegten Zeit in bezug auf die Erzeugung der spin- polarisierten Elektronen 3 und daher zu einer festgelegten Zeit in bezug auf das Auftreffen des Strahls 19 spin- polarisierter Elektronen auf die Datenspeicherschicht 17 und interpretiert diese. Falls durch die Steuereinheit 1 das Signal S&sub1;&sub8; nicht erfaßt wird und/oder die Spannung V&sub2;&sub0; eine spezifizierte Zeit nach der Erzeugung der spin-polarisierten Elektronen 3 erfaßt wird, bestimmt die Steuereinheit 1, daß die Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld angezogen und durch die Datenspeicherschicht 17 absorbiert wurden. Falls andererseits durch die Steuereinheit 1 das Signal S&sub1;&sub8; erfaßt und/oder das Signal S&sub2;&sub0; eine spezifizierte Zeit nach der Erzeugung der spin-polarisierten Elektronen 3 nicht erfaßt wird, bestimmt die Steuereinheit 1, daß die Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch das Datenmagnetfeld abgelenkt und durch den Elektronendetektor 16 erfaßt wurden. Überschußelektronen in der Datenspeicherschicht 17 werden vorzugsweise z. B. an der das Signal S&sub2;&sub0; erzeugenden Elektrode abgeleitet, während Überschußelektronen im Elektronendetektor 16 z. B. an der das Signal S&sub1;&sub8; erzeugenden Elektrode abgeleitet werden.
Wie es beim Speichern von Daten der Fall war, sollte, wenn Daten von der Datenspeicherschicht 17 unter Verwendung des ersten Verfahrens gelesen werden, der Energiepegel des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen gemäß dem Material eingestellt sein, das für die Datenspeicherschicht 17 verwendet wird. Wenn Daten unter Verwendung des ersten Verfahrens gelesen werden, sollte jedoch der Energiepegel des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen niedrig genug sein, um keine magnetische Änderung an den in der Datenspeicherschicht 17 erzeugten Datenmagnetfeldern zu bewirken.
In dem zweiten Datenleseverfahren liefert die Quelle 40 für spin-polarisierte Elektronen die spin-polarisierten Elektronen 3 mit einer Polarisationsrichtung entsprechend einem von einem ersten und einem zweiten Datenwert. Als nächstes extrahiert der Extraktor 4 die spin-polarisierten Elektronen 3 von der Spitze 2b, kollimieren die Kollimatoren 6, 7 und 9 die spin-polarisierten Elektronen 3 in den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen, und die elektrostatischen Linsen 10-12 fokussieren den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen. Der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen wird dann durch die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 an einen Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 gerichtet, von dem Daten zu lesen sind.
In diesem zweiten Verfahren liegt die Energie des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen bei einem höheren Wert als dem für eine Datenspeicheroperation und ist hoch genug, so daß der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen in den Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 eindringt, was bewirkt, daß dieser Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 Sekundärelektronen erzeugt. Die Energie des Strahls 19 spin- polarisierter Elektronen sollte vorzugsweise nicht so hoch sein, daß thermische Migration der Atome in den Gittern der Datenspeicherschicht 17 hervorgerufen wird.
Die durch die Datenspeicherschicht 17 erzeugten Sekundärelektronen weisen eine spezifische Energie und einen spezifischen Spin auf, die für die Beziehung zwischen der Polarisationsrichtung des durch den Abschnitt Datenspeicherschicht 17 erzeugten Datenmagnetfeldes und der Richtung der Polarisation der Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen charakteristisch sind. Diese Charakteristiken der Sekundärelektronen werden als einer des ersten und zweiten Datenwertes erfaßt.
Wie z. B. in Fig. 7(a) gezeigt ist, erzeugt, falls die Polarisationsrichtung des Datenmagnetfeldes die gleiche wie die Polarisationsrichtung der Elektronen im Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen ist, die Datenspeicherschicht 17 Sekundärelektronen 24 mit Charakteristiken einer ersten Energie und eines ersten Spins entsprechend dem ersten Datenwert, d. h. einem Datenwert "1". Wie in Fig. 7(b) gezeigt ist, erzeugt ähnlich, falls die Polarisationsrichtung des Datenmagnetfeldes der Polarisationsrichtung der Elektronen in dem Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen entgegengesetzt ist, die Datenspeicherschicht 17 Sekundärelektronen 26 mit Charakteristiken einer zweiten Energie und eines zweiten Spins entsprechend dem zweiten Datenwert, z. B. einem Datenwert "0". Die durch die Datenspeicherschicht 17 erzeugten Sekundärelektronen werden durch den Elektronendetektor 16 erfaßt, um ein Signal S&sub1;&sub8; zu erzeugen, das die Charakteristiken der Sekundärelektronen angibt. Die Steuereinheit 1 interpretiert auf ein Empfangen des Signals S&sub1;&sub8; hin die Charakteristiken der Sekundärelektronen.
Obwohl dieses zweite Verfahren als die Charakteristiken von Energie und Spin der durch die Datenspeicherschicht 17 erzeugten Sekundärelektronen erfassend beschrieben wurde, ist daran gedacht, daß andere Charakteristiken der Sekundärelektronen, die in der Technik bekannt sind, erfaßt werden können, um auf der Datenspeicherschicht 17 gespeicherte Daten zu lesen. Obgleich die meisten, durch die Datenspeicherschicht 17 erzeugten Sekundärelektronen durch die Datenspeicherschicht 17 emittiert werden, wie in Fig. 7(a) und 7(b) gezeigt ist, bleiben ferner einige der Sekundärelektronen innerhalb der Datenspeicherschicht 17, um ein Signal S&sub2;&sub0; zu erzeugen. Folglich wird erwogen, daß die Charakteristiken der durch die Datenspeicherschicht 17 erzeugten Sekundärelektronen durch die Steuereinheit 1 über das Signal S&sub2;&sub0; ebenfalls erfaßt und interpretiert werden können.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird eine Ausrichtung des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen durch Richten des Strahls an eine oder mehrere der Ausrichtungsflächen 22 durchgeführt. Wenn das Potential V&sub1;&sub1; durch die Steuereinheit 1 erfaßt wird, passen die adressierten und gezielten Ausrichtungsflächen zusammen. Falls das Potential V&sub1;&sub1; nicht erfaßt wird, können durch die Steuereinheit 1 Signale S&sub2;- S&sub1;&sub7; zu den Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 eingestellt werden, um eine etwaige Fehlausrichtung zu kompensieren. Die Ausrichtung des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen findet vorzugsweise periodisch während eines Betriebs der Vorrichtung statt.
Wie oben beschrieben wurde, verhindert das Austastelement 13 unter der Steuerung der Steuereinheit 1, daß der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen auf die Datenspeicherschicht 17 auftrifft. Das Austastelement 13 weist z. B. zwei Pole auf, die mit dem Signal S&sub1; gesteuert werden. Es wird daran gedacht, daß das Austastelement 13 andere, in der Technik bekannte Konfigurationen aufweisen kann und daß die Pole einzeln gesteuert werden können. Die Steuereinheit 1 legt das Signal S&sub1; zu einer spezifischen Zeit und für eine spezifische Dauer an das Austastelement 13 an, um den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen auszutasten, während er durch die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 bewegt wird, um auf einen verschiedenen Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 zu zielen. Das Austastelement 13 kann auch verwendet werden, um den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen während einer Datenleseoperation auszutasten, wenn die Steuereinheit 1 erfaßt, ob Elektronen durch die Datenspeicherschicht 17 gerade abgelenkt oder emittiert werden oder nicht. Die Pole des Austastelements 13 wirken, um den Strahl 19 spin- polarisierter Elektronen zu zerstreuen, so daß die Elektronen in dem Strahl nicht auf die Oberfläche der Datenspeicherschicht 17 als Strahl auftreffen.
Es wird erwogen, daß die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 alternativ verwendet werden können, um ein Austasten des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen während Datenleseoperationen durchzuführen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 1 die Mikroablenkvorrichtungen 14 und 15 mit Signalen S&sub2;-S&sub1;&sub7; versorgen, um zu veranlassen, daß der Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen an eine spezielle Fläche bzw. speziellen Bereich auf der Datenspeicherschicht 17 gerichtet wird, die zur Datenspeicherung nicht verwendet wird, z. B. eine Parkfläche 21, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Das Auftreffen des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen auf die Parkfläche 21 wird durch die Steuereinheit 1 als das Potential V&sub1;&sub0; erfaßt.
Als Folge der Fertigung, Verschlechterung oder anderer Ursachen, die eine oder mehr fehlerbehaftete Flächen bzw. Bereiche der Datenspeicherschicht 17 für eine Datenspeicherung unbrauchbar machen, können in der Datenspeicherschicht 17 Defektstellen existieren. Dementsprechend ist eine Formatoperation vorgesehen, um das Lesen von Daten von den fehlerbehafteten Flächen und das Speichern von Daten in diesen fehlerbehafteten Flächen zu verhindern. Während der Formatoperation steuert z. B. die Steuereinheit 1 jedes in der Datenspeicherschicht 17 erzeugte Datenmagnetfeld in einem Zyklus zwischen Auf- und Ab-Polaritäten zumindest einmal und verifiziert jedes Ergebnis. Diese Formatoperation kann z. B. durch sukzessives Verwenden der Datenlese- und Datenspeicheroperationen durchgeführt werden, die oben beschrieben wurden. Die Steuereinheit 1 bestimmt, ob bestimmte Abschnitte der Datenspeicherschicht 17, von denen geschriebene Daten nicht zuverlässig gelesen werden können, unbrauchbar sind. Bei Abschluß der Formatoperation werden die Stellen der unbrauchbaren Abschnitte der Datenspeicherschicht 17 in einem Speicher gespeichert, der z. B. durch die Steuereinheit 1 zur Verwendung beim Bestimmen, wo Daten während folgender Datenspeicheroperationen gespeichert werden können, verwaltet wird.
Es wird daran gedacht, daß die Formatoperation Stellen unbrauchbarer Abschnitte der Datenspeicherschicht 17 während eines Betriebs der Datenspeicher- und -wiedergewinnungsvorrichtung erfassen und speichern kann. Nach jeder Speicheroperation in einen Abschnitt der Datenspeicherschicht 17 könnte z. B. die Steuereinheit 1 dann von dem Abschnitt lesen, um zu verifizieren, daß der Abschnitt gegenwärtig nicht defekt ist.
Die Steuereinheit 1 kann auch den Speicher verwenden, um Stellen von Abschnitten nach der Datenspeicherschicht 17 zu speichern, die zum Speichern und Schützen von Daten verwendet werden, welche oft gelesen, aber selten gespeichert werden. Beispiele dieses Typs von in heutigen Speichermedien gespeicherten Daten sind Konfigurationsdaten und Treibersoftware, die in einem ROM gespeichert werden. Dieser Datentyp wird in Abschnitten der Datenspeicherschicht 17 gespeichert, die in dem Speicher als geschützt bezeichnet sind. Als eine zusätzliche Vorkehrung, um unbeabsichtigte Änderungen an geschützten Daten zu verhindern, können bestimmte Abschnitte der Datenspeicherschicht 17 ein anderes Material für die Datenspeicherschicht 17 aufweisen. Dieses andere Material würde eine verschiedene Intensität des Strahls spin-polarisierter Elektronen zum Speichern von Daten als diejenige erfordern, die durch ungeschützte Datenstellen verlangt wird. Folglich wäre sowohl ein Zugriff auf den Speicher der Steuereinheit 1 als auch eine Modifikation der Intensität des Strahls spin-polarisierter Elektronen notwendig, um Polaritäten solcher geschützter Daten zu ändern.
Der Strahl spin-polarisierter Elektronen wurde mit einer longitudinalen Spinpolarisation veranschaulicht; jedoch kann auch eine transversale Polarisation verwendet werden. Eine transversale Polarisation des Strahls spin-polarisierter Elektronen erfordert, daß magnetische Momente in den Medien parallel/antiparallel zu der Elektronenpolarisation sind und daß eine magnetische Kopplung zwischen Speicherbereichen nicht ausreicht, um Strahl/Medienwechselwirkungen zu stören.
Ein durch das beschriebene Verfahren und Gerät erreichter Vorteil ist die Beseitigung aller beweglichen Teile. Es wird erwogen, daß man mit der Hinzufügung bestimmter Mechanismen die Datenspeicherschicht sich bezüglich des Strahls bewegen lassen könnte. Diese Bewegung könnte eine Drehung der Datenspeicherschicht, den Austausch einer Datenspeicherschicht gegen eine andere oder andere Implementierungen zur Folge haben, die in der Technik bekannt sind. Ebenso kann man auch das Strahlerzeugungsgerät sich bewegen lassen.
Die Potentiale V&sub2;-V&sub8; und V&sub1;&sub2;-V&sub1;&sub9; und die Signale S&sub2; -S&sub9;, S&sub1;&sub0;-S&sub1;&sub7; und S&sub1;&sub9; haben vorzugsweise einstellbare Vorspannungskomponenten. Diese Vorspannungskomponenten werden verwendet, um eine Positionsfehlausrichtung, eine Strahlverformung und korrigierbare Effekte auf den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen zu kompensieren, die durch andere Elemente verursacht werden. Die Vorspannungskomponente eines Elements modifiziert den Effekt dieses Elements auf den Strahl 19 spin-polarisierter Elektronen durch Ändern der Intensität des Feldes innerhalb der Apertur des Elements. Vorspannungseinstellungen werden vorzugsweise durch die Steuereinheit 1 während eines Betriebs der Vorrichtung ausgeführt. Sie finden in einer speziellen Reihenfolge statt, wenn die Schreib- und Lesefunktionen die Polarität eines in der Datenspeicherschicht 17 erzeugten Datenmagnetfeldes nicht bestimmen oder modifizieren können. Der Betrag der Vorspannungskompensation für jedes Element wird durch Einstellungen bestimmt, die benötigt werden, um die Intensität, Wellenlänge und den Querschnitt des Strahls 19 spin-polarisierter Elektronen auf die Datenspeicherschicht 17 nachzufokussieren, so daß ein bekanntes Datenmagnetfeld modifiziert und gelesen werden kann.
Fig. 10 zeigt die Elektronenemissionsvorrichtung 40 ausführlicher. Die Spitze 2b ist eine modulierte, selbst polarisierende scharfe Spitze zur Emission von longitudinal polarisierten Elektronen niedriger Energie, wobei die Elektronen eine Spinachse parallel zum Emissionsweg haben. Ein Substrat 2a dient zum externen Befestigen der Spitze 2b und ist die Basiskomponente, auf der die restlichen Spitzenkomponenten gefertigt werden. Das Substrat 2a umfaßt Siliziumdixoid (SiO&sub2;), das eine magnetisierende Schicht 31 von einer leitenden Schicht 33 nahe einer Verlängerung 33a, dem elektrischen Kontakt für die leitende Schicht 33 elektrisch trennt.
Eine in Fig. 10 gezeigte isolierende Schicht 32 befindet sich auf der magnetisierenden Schicht 31 und verläuft an dem Rand der magnetisierenden Schicht 31 nahe der Verlängerung 33a der magnetisierenden Schicht vorbei. Die isolierende Schicht 32 umfaßt SiO&sub2;, das die Ströme in der magnetisierenden Schicht 31 und der leitenden Schicht 33 isoliert.
Die leitende Schicht 33 ist ein ultradünner Film aus ferromagnetischem Material, wie z. B. Fe, der auf der isolierenden Schicht 32 durch MBE oder ein anderes in der Technik bekanntes Verfahren abgelagert wurde. Die leitende Schicht 33 ist vorzugsweise eine einzige magnetische Domäne. Die Verlängerung 31a der magnetisierenden Schicht und die Verlängerung 33a der leitenden Schicht sind mit der magnetisierenden Schicht 31 bzw. der leitenden Schicht 33 elektrisch verbunden.
Fig. 11 zeigt eine aufgeschnittene Ansicht der Elektronenemissionsvorrichtung 40, die entlang der in Fig. 10 gezeigten Linie A-A betrachtet wird. (Fig. 10 ist eine aufgeschnittene Ansicht entlang der Linie B-B, die in Fig. 11 gezeigt ist). Die magnetisierende Schicht 31 ist ein leitendes metallisches Material, wie z. B. Au, das auf dem Substrat 2a durch eine lithographische Maske unter Verwendung einer Molekularstrahlepitaxie (Mbe) abgelagert wurde. Die magnetisierende Schicht 31 umfaßt eine Reihe planarer konzentrischer Ringe mit zwei elektrischen Kontakten außerhalb der Ebene für eine Signalspannung S&sub1;&sub9;.
Fig. 12 zeigt zwei elektrische Verbindungsflächen für das Signal S&sub1;&sub9; auf der Verlängerung 31a der magnetisierenden Schicht, eine Verlängerung außerhalb der Ebene der magnetisierenden Schicht 31. Eine elektrische Verbindungsfläche für eine Quellenspannung V&sub1; liegt auf der Verlängerung 33a der leitenden Schicht, einer Verlängerung außerhalb der Ebene der leitenden Schicht 33 (siehe auch Fig. 10). Die elektrischen Verbindungen sind mit einem Indium- Lötmittel oder einem anderen, in der Technik bekannten geeigneten Material direkt an die Verlängerung 31a der magnetisierenden Schicht und die Verlängerung 33a der leitenden Schicht gelötet.
Die Spitze 2b ist eine scharfe Spitze aus leitendem Material, das auf der leitenden Schicht 33 epitaktisch aufgewachsen werden kann. Eine integrale Verbindung zwischen der Spitze 2b und der leitenden Schicht 33 verhindert eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Schicht 33 und der Spitze 2b, wodurch eine Streuung von Elektronenspins, die die Grenzfläche zwischen der Schicht 33 und der Spitze 2b kreuzen, und eine spin-abgeleitete variable Impedanz zum Strom spin-polarisierter Elektronen in die Spitze 2b gemildert werden. Folglich kreuzen mehr Elektronen die Grenzfläche mit ihrer bewahrten bzw. beibehaltenen Polarisation.
Es ist keine Anfangsmagnetisierung der Spitze 2b oder irgendwelcher ihrer Komponenten erforderlich. Das Signal S&sub1;&sub9;, das eine Spannung abwechselnder [+] oder [-] Polarität ist, wird mit den beiden elektrischen Verbindungsflächen der Verlängerung 31a der magnetisierenden Schicht verbunden, die dem Substrat 2a benachbart ist. Ein Strom I&sub1;&sub9; fließt durch eine elektrische Verbindungsfläche einer magnetisierenden Schicht 31 durch die konzentrischen Ringe und aus der zweiten elektrischen Verbindungsfläche der magnetisierenden Schicht 31. Der Strom I&sub1;&sub9; richtet ein Magnetfeld unterhalb und oberhalb der Ebene der Schicht ein. Dieses erzeugte Magnetfeld verläuft senkrecht durch die isolierende Schicht 32 und die leitende Schicht 33. Die leitende Schicht 33 wird als Folge der Richtung des Stromflusses I&sub1;&sub9; in der magnetisierenden Schicht 31 in einer ersten Richtung magnetisiert. Nachdem die Signalspannung S&sub1;&sub9; entfernt ist, wird die leitende Schicht 33 magnetisiert bleiben, weil sie aus einem paramagnetischen Material besteht. Die Signalspannung S&sub1;&sub9; ist eine Spannung alternierender Polarität, die durch das Steuergerät 1 so gesteuert wird, daß sie mit der in Gang befindlichen Vorrichtungsoperation in Phase ist. Wenn durch das Steuergerät 1 die Signalspannung S&sub1;&sub9; zu der entgegengesetzten Polarität geschaltet wird, wird die leitende Schicht 33 in einer entgegengesetzten oder zweiten Richtung magnetisiert. Der an die leitende Schicht 33 gelieferte Quellenstrom I&sub1; wird durch die intrinsische Magnetisierung der leitenden Schicht 33 polarisiert. Der spin-polarisierte Strom wird aus der Spitze 2b bei der scharfen Spitze aufgrund der Durchdringung der spitzen Stelle der Spitze durch den elektrischen Feldgradienten vom Extraktor 1 an einer Stelle extrahiert, wo der Gradient des elektrischen Feldes der Spitze 2b am größten ist.
Stromträger können Elektronen oder Löcher sein. Die folgende Erläuterung beschreibt Elektronen. Die 3d- Unterschale eines Fe-Atoms weist 5 Elektronen mit einem Spin und ein sechstes Elektron mit einem entgegengesetzten Spin auf. Der Elektronenspin entwickelt ein magnetisches Moment durch den intrinsischen Drehimpuls, der vom Bahndrehimpuls getrennt ist und ungefähr dessen doppelte Größe aufweist. Jedes Elektron hat aufgrund dieses intrinsischen Drehimpulses ein resultierendes magnetisches Moment, das sich ausrichtet, um das atomare magnetische Moment zu bilden. Die ersten 5 Elektronen in der 3d-Unterschale eines Fe-Atoms richten ihren Spin und ihre resultierenden magnetischen Momente mit dem durch die magnetisierende Schicht 31 entwickelten externen Feld aus und werden zu ihm parallel (innerhalb der Einschränkungen der atomaren Elektronenorbitalstruktur). Der sechste Spin ist zu den ersten 5 antiparallel, wobei er ein magnetisches Moment eines Elektrons aufhebt. Der Strom beinhaltet Elektronen mit Zufallsspin. Wenn durch einen planaren dünnen Film, der durch ein externes Magnetfeld senkrecht durchdrungen wird, Strom fließt, wird daher der Strom polarisiert. Folglich sind die durch die leitende Schicht 33 fließenden Elektronen spin-polarisiert.
Die Komponenten der Spitze können in einer beliebigen Konfiguration vorliegen, vorausgesetzt die Magnetisierungsachse durch die leitende Schicht 33, die die Spins polarisiert, ist in Längsrichtung zur emittierenden Oberfläche nebeneinanderliegend angeordnet. Alternativ dazu kann die Erzeugung transversal polarisierter Elektronen durch Fertigung von Spitzenkomponenten in einer von der bevorzugten Ausführungsform geringfügig abgewandelten Konfiguration entwickelt werden. In dieser alternativen Ausführungsform ist die Magnetisierungsachse durch eine leitende Schicht senkrecht zur emittierenden Oberfläche nebeneinanderliegend angeordnet.
Im allgemeinen kann die Quelle für spin-polarisierte Elektronen eine beliebige Quelle zum Liefern spin-polarisierter Elektronen sein, die in der Technik bekannt ist. Die Spitze kann z. B die Spitze eines Rasterelektronenmikroskops oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung sein. Die Spitze hat vorzugsweise einen kleinen Durchmesser, wie z. B. den Durchmesser eines einzelnen Atoms.
Obwohl eine flache Datenspeicherschicht 17 veranschaulicht wurde, ist daran gedacht, daß andere Formen und Konfigurationen verwendet werden können. Zum Beispiel können die magnetischen Medien in eine Anordnung geometrischer Formationen wie z. B. Fliesen, Kegel, Pyramiden, Zylinder, Sphären, Kuben oder andere irreguläre Formen segmentiert sein, die voneinander elektrisch isoliert sein können oder auch nicht. Die geometrischen Formationen können eine beliebige Form aufweisen, vorausgesetzt die magnetische Achse der Elektronen im Strahl ist mit der magnetischen Achse der bestrahlten Atome in der geometrischen Formation parallel.
Fig. 13 zeigt einen Abschnitt einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zylinder 35 umfassen ein ferromagnetisches Material auf einem Substrat 34. Die magnetische Vorzugsachse der Zylinder 35 kann longitudinal sein. Diese magnetische Vorzugsachse ist parallel zu longitudinal spin-polarisierten Elektronen in dem Strahl 19 orientiert, um die magnetische Achse der Zylinder 35 zu polarisieren.
Als eine andere Alternative könnten die magnetischen Medien kegelförmige Formationen sein, die in einer regelmäßigen Anordnung auf einer Oberfläche abgelagert sind. Eine magnetische Achse der Kegel könnte mit der Ebene der Oberfläche parallel sein, was spin-polarisierte Elektronen erfordert, die in dem Strahl transversal polarisiert sind, um die magnetische Achse der Kegel zu polarisieren.
Obwohl ein magnetisches Fe-Medium veranschaulicht wurde, kann ein beliebiges Mehrelektronenmetall mit sich mischenden Bereichen von Bindungsenergien von Elektronen der f- oder s-Unterschale mit denjenigen für die äußere d-Unterschale, das so gefertigt werden kann, daß es eine gedehnte Struktur, wie z. B. bct, in einigen wenigen Atomschichten zeigt, als das magnetische Medium verwendet werden, weil das magnetische Moment der magnetischen Medien durch den Spin der Elektronen der äußeren d-Unterschale des Komponentenmetalls in den Medien hervorgerufen wird. Kandidatenmetalle für die magnetischen Medien können aus den drei Übergangsreihen der Periodentafel stammen. Kandidatenmetalle aus der 3d-Reihe können z. B. Co und Ni umfassen. Ähnlich können Kandidatenmetalle aus der 4d- und 5d-Reihe Mo bzw. Ir umfassen.
In diesen Metallen füllen Elektronen die nächste äußere f-Unterschale oder s-Unterschalen der nächsten äußeren Schale, bevor die äußere d-Unterschale gefüllt wird. Für die 3d-Reihe bestimmen die s-Elektronen chemische Eigenschaften des Atoms, während die d-Elektronen magnetische Eigenschaften des Atoms bestimmen. Im allgemeinen bleiben die Elektronen in der äußeren d-Unterschale, wann immer möglich, ungepaart. Die ersten fünf Elektronen in der Unterschale haben parallele Spins, die sich jeweils zu dem magnetischen Moment des Atoms addieren. Folgeatome müssen antiparallel sein, wie durch Analyse der Wechselwirkung der vierten Quantenzahl mit den niedrigen Elektronenenergiezuständen beobachtet werden kann. Diese antiparallelen Elektronen ordnen sich paarweise mit den ersten Elektronen an und heben ihre magnetischen Momente auf.

Claims

1. Eine Datenspeichervorrichtung mit folgenden Merkmalen:

ein Element (17, 18), das ein magnetisches Material aufweist;

eine Einrichtung (40) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (19), wobei die Strahl-Elektronen (3) eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen, und der Strahl (19) an einen von einer Mehrzahl von Abschnitten des Elements richtbar ist;

eine Einrichtung (1), die ansprechbar auf ein Adressensignal ist, zum Richten des Strahls zu einem Abschnitt des Elements, der dem Adressensignal entspricht, und zum Steuern der Wellenlänge der Strahl-Elektronen (3) derart, daß der Abschnitt des Elements eine magnetische Polarisation annimmt, die der magnetischen Polarisation der Strahl-Elektronen (3) entspricht; und

eine Einrichtung (1), die auf das Adressensignal ansprechbar ist, zum Erfassen der Polarisation eines Abschnitts des Elements, der dem Adressensignal entspricht, durch Richten des Strahls an den Abschnitt.

2. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element ein Substrat (18) aufweist; und

eine Mehrzahl von Atomschichten eines magnetischen Materials (17) auf dem Substrat (18) aufweist, wobei die feste Anzahl von Atomschichten eine magnetische Anisotropie senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats aufweist.

3. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Schichten (17) Fe aufweisen, das in einem tetragonalen raumzentrierten Gitter angeordnet ist, das eine mittlere Dicke von drei Atomschichten aufweist.

4. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element (17) mindestens ein Metall aus den drei Übergangsmetallreihen der Periodentafel aufweist.

5. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element (17) mindestens eins von Co, Ni, Ir und Mo aufweist.

6. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element (17) ferner ein Ausrichtungsgebiet aufweist.

7. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Ausrichtungsgebiet ein elektrisch leitendes Material aufweist, das von den Schichten elektrisch isoliert ist.

8. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Element eine planare Oberfläche definiert.

9. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Zwischenraum zwischen dem Element und der Strahlerzeugungseinrichtung eine elektrisch nichtleitende Umgebung ist.

10. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum Erfassen

einer Ablenkung des Strahls, wenn die Polarisationsrichtung des Abschnitts entgegengesetzt der Polarisationsrichtung des Strahls ist; oder

einer Anziehung des Strahls, wenn die Polarisationsrichtung des Abschnitts dieselbe wie die Polarisationsrichtung des Strahls ist.

11. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:

eine Einrichtung zum Richten des Strahls an den Abschnitt, um sekundäre Elektronen zu erzeugen, die eine erste Eigenschaft aufweisen, wenn die Polarisationsrichtung des Abschnitts entgegengesetzt zu der Polarisationsrichtung des Strahls ist, und eine zweite Eigenschaft aufweisen, wenn die Polarisationsrichtung des Abschnitts dieselbe wie die Polarisationsrichtung des Strahls ist; und

eine Einrichtung zum Erfassen der ersten und zweiten Eigenschaften der sekundären Elektronen.

12. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum Erfassen einer Energie und/oder eines Spins des sekundären Elektrons aufweist.

13. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung ein elektrisch leitendes Material aufweist, das konfiguriert ist, um eine Ablenkung des Elektronenstrahls zu erfassen.

14. Die Datenspeichervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erfassungseinrichtung ein elektrisch leitendes Material (16) aufweist, das konfiguriert ist, um sekundäre Elektronen zu erfassen.

15. Ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, das ein Element (17, 18), das ein magnetisches Material (17) aufweist, und eine Einrichtung (40) zum Erzeugen eines Strahls (19) von Elektronen (3) umfaßt, wobei die Strahl- Elektronen (3) eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen, und der Strahl (19) an einen von einer Mehrzahl von Abschnitten des Elements richtbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Empfangen eines Adressensignals;

Richten des Strahls (19) zu einem Abschnitt des Elements, der dem Adressensignal entspricht, und Steuern der Wellenlänge der Strahl-Elektronen derart, daß der Abschnitt des Elements eine magnetische Polarisation annimmt, die der magnetischen Polarisation der Strahl-Elektronen (3) entspricht.

16. Ein Verfahren zum Betreiben eines Systems, das ein Element, das ein magnetisches Material (17) aufweist, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls (19) von Elektronen (3) umfaßt, wobei die Strahl-Elektronen (3) eine gemeinsame magnetische Polarisation in einer von einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweisen, und der Strahl an einen von einer Mehrzahl von Abschnitten des Elements richtbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Empfangen eines Adressensignals;

Richten des Strahls zu einem Abschnitt des Elements, der dem Signal entspricht, und Steuern der Wellenlänge der Strahl- Elektronen derart, daß der Abschnitt des Elements eine magnetische Polarisation annimmt, die der magnetischen Polarisation des Strahls entspricht; und

ein nachfolgendes Erfassen der magnetischen Polarisation eines Abschnitts des Elements, das dem Adressensignal entspricht, durch Richten des Strahls an den Abschnitt.

17. Ein Verfahren zum Speichern von Daten als eine Polarisationsrichtung in einem magnetischen Material, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Vorsehen eines spin-polarisierten Elektrons (3), das ein Elektronen-Magnetfeld aufweist, wobei das Elektronen- Magnetfeld eine Polarisationsrichtung aufweist, die einem von ersten und zweiten Datenwerten entspricht, und das Elektron (3) eine Wellenlängeneigenschaft von ungepaarten Elektronen aufweist, die das Magnetmoment des magnetischen Materials hervorrufen; und

Richten der spin-polarisierten Elektronen durch eine elektrisch nichtleitende Umgebung an einen Abschnitt des magnetischen Materials, um die Polarisationsrichtung des Elektronen-Magnetfelds auf den Abschnitt zu übertragen.