JP2018147466A - 乱数発生器、乱数発生装置、ニューロモロフィックコンピュータ及び量子コンピュータ - Google Patents

Abstract

【課題】スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いて自然乱数を発生できる乱数発生器を提供することを目的とする。【解決手段】この乱数発生器は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が交差している。【選択図】図１

Description

本発明は、乱数発生器、乱数発生装置、ニューロモロフィックコンピュータ及び量子コンピュータに関する。

乱数には、擬似乱数と自然乱数がある。擬似乱数は、予め定められたプログラムにより計算機を用いて得られる乱数である。擬似乱数は、プログラムに入力する初期値が同一の場合、同一の結果が出力されるという問題や、計算機のレジスタ数に基づき乱数が特定の周期性を有するという問題がある。これに対し、自然乱数は自然界で生じる確率的事象から得られる乱数であり、乱数がランダムであることについては疑いようがない。

自然乱数を得る手段としては、トンネル接合における雑音（熱雑音とショットノイズの和）を利用したもの（特許文献１）、熱雑音を単一電子トランジスタ効果により増幅したもの（特許文献２）、熱雑音を負性抵抗素子により増幅しもの（特許文献３）、磁気抵抗効果素子における概場による磁化自由層の揺動を利用したもの（特許文献４）及び極薄膜ＳＯＩ（silicon-on-insulator）トランジスタにおける電子の捕捉、放出を利用したもの（非特許文献１）等が知られている。

特開２００３−１０８３６４号公報 特開２００４−３００７１号公報 特開２００５−１８５００号公報 特開２００８−３１０４０３号公報

K.Uchida et al.,J.Appl.Phys,No.90,(2001),pp3551. I.M.Miron,K.Garello,G.Gaudin,P.-J.Zermatten,M.V.Costache,S.Auffret,S.Bandiera,B.Rodmacq,A.Schuhl,and P.Gambardella,Nature,476,189(2011).

しかしながら、特許文献１〜３に記載の乱数発生器は、雑音を増幅するための増幅回路及び情報を二値化するための閾値回路が必要であり、乱数発生器が大型化してしまう。また非特許文献１に記載の乱数発生器は、乱数発生速度が１００ｋｂｉｔ／秒であり、乱数発生器がこの動作速度を満たして動作することが難しい。

また特許文献４に記載の乱数発生器は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用し乱数を発生させている。しかしながらこの乱数発生器は、乱数を得るために印加する電流及び磁場のマージンが小さく、外的要因の影響を受けやすい。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いて自然乱数を発生できる乱数発生器を提供することを目的とする。

近年、反転電流を低減する手段としてスピン軌道相互作用により生成された純スピン流を利用した磁化反転に注目が集まっている（例えば、非特許文献２）。本発明者らは、鋭意検討の結果、このスピン軌道相互作用によって生じるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した新たな乱数発生器を生み出した。

（１）第１の態様にかかる乱数発生器は、強磁性金属層と、前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が交差している。

（２）上記態様にかかる乱数発生器は、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が４５°以上９０°以下傾いていてもよい。

（３）上記態様にかかる乱数発生器は、前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が直交していてもよい。

（４）上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線に複数接合していてもよい。

（５）上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、第２強磁性金属層とを順に備えてもよい。

（６）上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層に磁場を印加する外部磁場印加手段をさらに有してもよい。

（７）上記態様にかかる乱数発生器は、前記強磁性金属層及び前記スピン軌道トルク配線を挟む、或いは囲む磁気シールドをさらに有してもよい。

（８）第２の態様にかかる乱数発生装置は、上記態様にかかる乱数発生器と、前記乱数発生器の前記スピン軌道トルク配線に電流を流す電流印加手段と、を有する。

（９）第３の態様にかかるニューロモロフィックコンピュータは、上記態様にかかる乱数発生器を備える。

（１０）第４の態様にかかる量子コンピュータは、上記態様にかかる乱数発生器を備える。

上記態様にかかる乱数発生器は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を用いて自然乱数を発生できる。

第１実施形態に係る乱数発生器を模式的に示した斜視図である。 スピンホール効果について説明するための模式図である。 第１実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。 第１実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。 第１実施形態に係る乱数発生器１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を印加した状態を模式的に示した斜視図である。 ＳＴＴを用いた乱数発生器の動作を説明するための模式図である。 磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる乱数発生器の斜視模式図である。 第２実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。 第３実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。 磁気シールドが設けられた乱数発生器を模式的に示した断面図である。 磁気シールドが設けられた乱数発生器の別の例を模式的に示した断面図である。 第４実施形態にかかる乱数発生器を模式的に示した斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

「第１実施形態」
（乱数発生装置、乱数発生器）
図１は、第１実施形態に係る乱数発生器を模式的に示した斜視図である。第１実施形態にかかる乱数発生器１００は、強磁性金属層１０と、スピン軌道トルク配線２０とを有する。乱数発生器１００は、スピン軌道トルク配線２０に電流を印加する電流印加手段（図視略）に接続することで、乱数発生装置として機能する。

以下の実施形態において、強磁性金属層１０の積層方向をｚ方向、スピン軌道トルク配線２０が延在する第１の方向をｘ方向、ｚ方向及びｘ方向のいずれにも直交する第２の方向をｙ方向とする。

＜強磁性金属層＞
強磁性金属層１０は、磁化容易方向と磁化困難方向とを有する。磁化容易方向は、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０が最も配向しやすい方向であり、磁化困難方向はその他の方向である。強磁性金属層１０は、磁化容易方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。強磁性金属層１０の面積を小さくし、乱数発生器１００のサイズを微細化するためには、垂直磁化膜であることが好ましい。

強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０は、外力が印加されていない状態では、磁化容易方向に向いている。図１は、外力が印加されていない状態で磁化Ｍ_１０が強磁性金属層１０の積層面に対して垂直な方向（ｚ方向）に配向している。すなわち、図１に示す強磁性金属層１０は、磁化容易方向がｚ方向である垂直磁化膜である。以下、この例を基に説明する。

強磁性金属層１０には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。またホイスラー合金等を用いてもよい。

＜スピン軌道トルク配線＞
スピン軌道トルク配線２０は、ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線２０は、強磁性金属層１０のｚ方向の一面に接続されている。

スピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道相互作用に由来するスピンを強磁性金属層１０へ供給する。スピン軌道相互作用に由来するスピンは、スピン軌道トルク配線２０に電流が流れることによって生じるスピンホール効果及び異種元素界面間での界面ラシュバ効果によって発生する。

まずスピンホール効果について説明する。スピンホール効果は、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。図２は、スピンホール効果について説明するための模式図である。図２は、図１に示す乱数発生器１００をｘ方向に沿って切断した断面図に対応する。図２に基づいてスピンホール効果により純スピン流が生み出されるメカニズムを説明する。

図２に示すように、スピン軌道トルク配線２０の延在方向に電流Ｉを流すと、紙面奥側に配向した第１スピンＳ１と紙面手前側に配向した第２スピンＳ２はそれぞれ電流と直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。

非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しい。そのため、図中で上方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と下方向に向かう第２スピンＳ２の電子数は等しい。第１スピンＳ１の電子の流れをＪ_↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。Ｊ_Ｓは分極率が１００％の電子の流れである。すなわち、スピン軌道トルク配線２０内において、電荷の正味の流れとしての電流はゼロであり、この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。

純スピン流が生じているスピン軌道トルク配線２０に強磁性金属層１０を接合すると、図２において上方向に向かう第１スピンＳ１が強磁性金属層１０に拡散して流れ込む。

次いで、界面ラシュバ効果について説明する。界面ラシュバ効果は、異種元素間の界面の影響を受けて、スピンが所定の方向に配向しやすくなり、所定の方向に配向したスピンが界面近傍に蓄積する現象をいう。

例えば、図２において強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線２０の界面は異種元素間の界面に対応する。そのため、スピン軌道トルク配線２０の強磁性金属層１０側の面には所定の方向に配向したスピンが蓄積する。蓄積したスピンは、エネルギー的な安定を得るために、強磁性金属層１０側に拡散し流れ込む。

スピン軌道トルク配線２０は、スピンが生成される材料で構成される部分（スピン生成部）と、スピンが生成されない材料で構成される部分とを有してもよい。

図３は、第１実施形態にかかる乱数発生器の一例の断面図である。図３に示すスピン軌道トルク配線２０は、スピン軌道トルク配線２０の延在方向（ｘ方向）に、スピン生成部２０Ａと低抵抗部２０Ｂとを有する。

スピン生成部２０Ａは、強磁性金属層１０に注入するスピンを生み出す必要があり、材料が限定される。そのため、スピン生成部２０Ａは配線抵抗が高くなることが多い。低抵抗部２０Ｂを設けることで、スピン軌道トルク配線２０全体の抵抗を下げることができる。低抵抗部２０Ｂには導電性の高いＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ等を用いることができる。

一方で図４は、第１実施形態にかかる乱数発生器の別の例の断面図である。図４に示すように、スピン軌道トルク配線２０の積層方向（ｚ方向）に、スピン生成部２０Ａとスピン伝導部２０Ｃとを有する。

スピン生成部２０Ａとスピン伝導部２０Ｃとが積層構造を形成することで、異種元素の界面が増える。その結果、界面ラシュバ効果を利用した強磁性金属層１０へのスピン注入を、より効率的に行うことができる。ここでスピン伝導部２０Ｃは、蓄積したスピンを強磁性金属層１０へ伝えるために、スピン拡散長の長い材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、ＧａＡｓ、Ｇｅ等を用いることができる。

図３及び図４のいずれの構成においてもスピン生成部２０Ａは、強磁性金属層１０へ注入するためのスピンを生成する材料により構成される。スピン軌道トルク配線２０を構成する材料は、単体の元素からなる材料に限らない。

スピン生成部２０Ａは、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン生成部２０Ａは、非磁性の重金属だけからなってもよい。

非磁性の重金属は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。非磁性の重金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きい。スピン生成部２０Ａは、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。

通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流Ｊ_Ｓが発生しやすい。

またスピン生成部２０Ａは、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン生成部２０Ａのスピン流生成効率を高くできるからである。スピン生成部２０Ａは、反強磁性金属だけからなってもよい。

スピン軌道相互作用は、スピン生成部２０Ａを構成する物質の固有の内場によって生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生した純スピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線におけるスピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。

またスピン生成部２０Ａは、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン生成部２０Ａは、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成することができる。

トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ_１．５Ｓｂ_０．５Ｔｅ_１．７Ｓｅ_１．３，ＴｌＢｉＳｅ_２，Ｂｉ_２Ｔｅ_３，（Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘ）_２Ｔｅ_３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。

乱数発生器１００は、強磁性金属層１０とスピン軌道トルク配線２０以外の構成要素を有していてもよい。例えば、支持体として基板等を有していてもよい。基板は、平坦性に優れることが好ましく、材料として例えば、Ｓｉ、ＡｌＴｉＣ等を用いることができる。

＜乱数発生装置の動作＞
電流印加手段によりスピン軌道トルク配線２０に電流を流すと、界面ラシュバ効果に伴うスピン蓄積及び純スピン流が生じる。発生したスピンは、強磁性金属層１０に拡散して流れ込む。つまり、スピン軌道トルク配線２０で発生したスピンＳ_２０は、強磁性金属層１０に注入される。

図５は、本実施形態に係る乱数発生器１００のスピン軌道トルク配線２０に電流を印加した状態を模式的に示した斜視図である。スピン軌道トルク配線２０から注入されるスピンＳ_２０の向きは、電流印加手段と接続されるスピン軌道トルク配線２０の両端子方向（ｘ方向）と直交する。

図１に示すように、注入されるスピンＳ_２０の向きは、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０の向き（磁化容易方向）に対して直交している。そのため、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０は、注入されるスピンＳ_２０の影響を受ける。ｚ方向に配向した磁化Ｍ_１０は、あたかもｙ方向に外部磁場が加えられたようなｙ方向のトルクを受ける。

トルクが加わるベクトル方向は、磁化容易方向（図１におけるｚ方向）に対して直交している。このトルクを受けて、初期状態として磁化容易方向（図１におけるｚ方向）に配向していた磁化Ｍ_１０は、磁化困難方向（図５における−ｙ方向）に配向する。スピン軌道トルク配線２０に電流を印加し続ける限り、この状態は維持される。

スピン軌道トルク配線２０に印加する電流は以下の関係式（１）を満たすことが好ましい。

ここで、Ｍ_Ｓは強磁性金属層１０の飽和磁化（ｅｍｕ／ｃｍ^３）、ｔ_Ｆは強磁性金属層１０の膜厚（ｃｍ）、θ_ＳＨはスピン軌道トルク配線２０の有効スピンホール角度、Ｈ_{Ｋ，ｅｆｆ}は強磁性金属層１０の有効異方性磁界（Ｏｅ）、Ｈ_ｘはスピン軌道トルク配線２０の電流印加方向にかかる外部磁界（Ｏｅ）である。

スピン軌道トルク配線２０に上記関係式（１）を満たす電流を印加すれば、十分な量のスピンＳ_２０を強磁性金属層１０に供給することができ、磁化Ｍ_１０が磁化困難方向（図５における−ｙ方向）に向いた状態を安定的に維持できる。

磁化Ｍ_１０が注入されるスピンＳ_２０により受けるトルクのベクトル方向は、−ｙ方向である。そのため、印加電流量が多くなりトルクの大きさが大きくなっても、磁化Ｍ_１０が−ｚ方向に反転してしまうことはない。なお、ＳＯＴを利用した磁化反転素子等は、磁化困難方向まで磁化が回転した状態に更なる外力（外部磁場等）を与えることで、その外力をきっかけとした磁化反転を生み出しているが、乱数発生器においては更なる外力は印加しないため、磁化Ｍ_１０は磁化困難方向を向いた状態が保持される。

一方で従来のＳＴＴを用いた乱数発生器は、電流印加時の磁化の向きの調整が難しい。図６は、ＳＴＴを用いた乱数発生器の動作を説明するための模式図である。図６に示すＳＴＴを用いた乱数発生器３０は、順に積層された自由層３１と、非磁性層３２と、固定層３３と、これらを挟む二つの配線３４とを有する。

図６に示す乱数発生器では、二つの配線３４間に電流を流すと、固定層３３から自由層３１へスピンが注入される。固定層３３から注入されるスピンは、固定層３３の磁化Ｍ_３３と同じ＋ｚ方向を有する。そのため、自由層３１の磁化Ｍ_３１は＋ｚ方向の力を受ける。ＳＴＴを利用した乱数発生器１０１では、＋ｚ方向に係る力を調整し、電流印加時の磁化Ｍ_３１の配向方向がｘ方向又はｙ方向（磁化困難方向）となるように調整する。

このようにＳＴＴを用いた乱数発生器３０では、電流印加時に磁化Ｍ_３１を向けたい方向（ｘ方向又はｙ方向）と、磁化Ｍ_３１に加わる力の方向（＋ｚ方向）とが一致していない。そのため、電流印加時に磁化Ｍ_３１の向きを磁化困難方向に保つためには、印加電流量の微妙な調整が必要となる。また熱等の外的要因が加わる場合は、その度に印加電流量の調整が必要になる。

これに対し本実施形態にかかるＳＯＴを利用した乱数発生器１００は、図５に示すように、電流印加時に磁化Ｍ_１０を向けたい方向（−ｙ方向）と、磁化Ｍ_１０に加わる力の方向（−ｙ方向）とが一致している。そのため、閾値を超える電流量を印加すればよく、微妙な調整が不要となる。

次いで、乱数を発生させるために、乱数発生器１００のスピン軌道トルク配線２０に印加していた電流を止める。スピン軌道トルク配線２０に印加していた電流を止めると、強磁性金属層１０に注入されていたスピンＳ_２０が注入されなくなる。すなわち、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０を−ｙ方向に向けていた力を失う。

磁化Ｍ_１０は、磁化容易方向（ｚ方向）に配向することがエネルギー的に安定である。そのため、−ｙ方向に配向する力を失った磁化Ｍ_１０は、磁化容易方向（ｚ方向）に戻ろうとする。この際、磁化Ｍ_１０は、＋ｚ方向又は−ｚ方向のいずれかに向く。−ｙ方向に対して＋ｚ方向と−ｚ方向はいずれも等価であり、磁化Ｍ_１０が＋ｚ方向に向く確率、及び、−ｚ方向に向く確率はいずれも５０％となる。そのため、例えば＋ｚ方向に向いた場合を「１」、−ｚ方向に向いた場合を「０」とすると、「１」と「０」が出る確率が５０％である乱数が得られる。

スピン軌道トルク配線２０に印加する電流を（１）式で示す閾値電流以上に上げた場合に、バックホッピング現象が生じ、磁化Ｍ_１０が磁化困難方向からずれる場合がある。しかしながら、この場合でも「１」と「０」が出る確率が５０％である乱数を得ることができることは変わらない。スピン軌道トルク配線２０に印加していた電流を止めると、磁化Ｍ_１０は、バックホッピング現象によりずれた方向に対応した磁化容易方向（＋ｚ方向、−ｚ方向）へ戻る。磁化Ｍ_１０方向のずれは、ランダムに生じることから、戻った磁化容易方向（＋ｚ方向、−ｚ方向）もランダムになり、やはり、「１」と「０」が出る確率が５０％である乱数が得られる。

磁化Ｍ_１０が＋ｚ方向と−ｚ方向のいずれの方向に配向しているかの情報は、種々の手段で取り出すことができる。例えば、磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる。図７は、磁化の配向状態の違いを抵抗値変化として読み出すことができる乱数発生器１０１の斜視模式図である。

図７に示す乱数発生器１０１は、強磁性金属層１０のスピン軌道トルク配線２０と反対側に、非磁性層５０と、第２強磁性金属層６０と、配線層７０とを順に備える。

乱数発生器１０１は、スピン軌道トルク配線２０と配線層７０間の抵抗値を測定することで、強磁性金属層１０の磁化状態を読み出す。抵抗値は、第２強磁性金属層６０の磁化Ｍ_６０の向き（−ｚ方向）に対して強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０の向きが平行（−ｚ方向）の場合は低くなり、反平行（＋ｚ方向）の場合は高くなる。

非磁性層５０には、公知の材料を用いることができる。非磁性層５０が絶縁体の場合は、強磁性金属層１０と非磁性層５０と第２強磁性金属層６０とでＴＭＲ素子を構成する。非磁性層５０が金属の場合は、強磁性金属層１０と非磁性層５０と第２強磁性金属層６０とでＧＭＲ素子を構成する。磁化Ｍ_１０の配向方向の違いをより明確に得るためには、大きな磁気抵抗変化が得られるＴＭＲ素子であることが好ましい。

例えば、非磁性層５０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
また、非磁性層５０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。

非磁性層５０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、トンネルバリア層の膜厚は２ｎｍ以上であることが好ましい。トンネルバリア層の膜厚が２ｎｍ以上であると、磁気抵抗変化量が大きくなる。そのため、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０の配向状態を確認するためにスピン軌道トルク配線２０と配線層７０間に印加する電流量を小さくでき、乱数発生器１０１の発熱が抑えられる。その結果、安定性の高い乱数発生器が得られる。

第２強磁性金属層６０は、強磁性金属層１０より磁気異方性が相対的に強く、磁化方向が１方向に固定された固定層である。

第２強磁性金属層６０の材料としては、公知のものを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。またホイスラー合金等を用いてもよい。

第２強磁性金属層６０の保磁力をより大きくするために、第２強磁性金属層６０の非磁性層５０と反対側の面にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を接触させてもよい。さらに、第２強磁性金属層６０の漏れ磁場を強磁性金属層１０に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。

配線層７０は、導電性を有するものであれば特に問わない。例えば、銅、アルミ等を用いることができる。

「第２実施形態」
図８は、第２実施形態にかかる乱数発生器１０２を模式的に示した斜視図である。図８に示す乱数発生器１０２は、強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１１に注入されるスピンＳ_２０の向きとが、直交しておらず交差している点が、第１実施形態にかかる乱数発生器１００と異なる。図８では、強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１は、ｘｙ平面のｘ軸及びｙ軸から４５°傾いた方向に、磁化容易軸を有する。

第１実施形態にかかる乱数発生器１００は、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１０に注入されるスピンＳ_２０の向きと強磁性金属層１０の磁化容易方向とが直交し、「１」と「０」が出る確率が５０％で等価であった。

しかしながら乱数発生器は、自然界で生じる確率的事象から乱数を生み出すものであれば、「１」と「０」の発生確率が必ずしも５０％である必要はない。例えば、「１」の発生確率が７０％、「０」の発生確率が３０％であっても、１回１回の事象が確率的に生じるものであれば、自然乱数である。

第２実施形態にかかる乱数発生器１０２は、強磁性金属層の磁化の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線から強磁性金属層に注入されるスピンの向きとのなす角を調整し、「１」と「０」の発生確率を変動させている。

強磁性金属層１１の磁化容易方向は、強磁性金属層１１を構成する材料種、強磁性金属層１１の形状等によって制御することができる。例えば、強磁性金属層１１に形状異方性を与えると、強磁性金属層１１の長軸方向が磁化容易方向となる。

図８に示す乱数発生器１０２もスピン軌道トルク配線２０に電流を印加している場合は、スピン軌道トルク配線２０から供給されるスピンＳ_２０の影響を受けて、−ｙ方向に配向する。スピン軌道トルク配線２０に印加する電流を止めると、強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１を−ｙ方向に向けていた力が失われ、強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１は磁化容易方向に戻る。

強磁性金属層１１の磁化容易方向は、＋ｘ軸から＋ｙ方向に４５°傾いた第１の方向と、−ｘ軸から−ｙ方向に４５°傾いた第２の方向の２つの方向である。スピン軌道トルク配線２０に電流を供給している際の磁化Ｍ_１１の磁化Ｍ_１１が−ｙ方向であるため、第１の方向に向く場合、磁化Ｍ_１１は１３５°回転する必要がある。これに対し、第２の方向に向く場合は、磁化は４５°回転するだけで良い。すなわち、磁化Ｍ_１１は、第１の方向に向くより第２の方向に向きやすい。

しかしながら、磁化Ｍ_１１の挙動はあくまで確率的な挙動である。そのため、磁化Ｍ_１１は第２の方向に向きやすいからと言って、必ず第２の方向に向くわけではなく、第１の方向に向く場合もある。この場合、第１の方向に向く確率をＡ、第２の方向に向く確率をＢとすると、Ａ＜Ｂとなる。

このように、強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１１に注入されるスピンＳ_２０の向きとがなす角を調整することで、乱数発生器の発生確率を調整することができる。

強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１１に注入されるスピンＳ_２０の向きとがなす角は、４５°以上９０°以下であることが好ましい。強磁性金属層１１の磁化Ｍ_１１の磁化容易方向と、スピン軌道トルク配線２０から強磁性金属層１１に注入されるスピンＳ_２０の向きとがなす角が小さいと、ＳＴＴを用いた乱数発生器３０と挙動が近くなり、印加電流量の調整が必要になってくる。

「第３実施形態」
図９は、第３実施形態にかかる乱数発生器１０３を模式的に示した斜視図である。図９に示す乱数発生器１０３は、強磁性金属層１０に磁場を印加する外部磁場印加手段８０が設けられている点が、第１実施形態にかかる乱数発生器１００と異なる。図９では、外部磁場印加手段８０として配線を強磁性金属層１０上に配設した。配線に電流を流すことにより、配線を中心とした磁界が生じる。

外部磁場印加手段８０を設けることで、乱数発生器の「１」と「０」の発生確率を調整することができる。例えば、熱等の影響を受けて発生確率が５０％からずれる場合は、外部磁場印加手段８０を用いて発生確率が５０％となるように調整できる。また発生確率を５０％からずらしたい場合にも用いることができる。

このように乱数発生器の「１」と「０」の発生確率は、外部磁場により調整することができる。一方で換言すると、乱数発生器は周辺回路から発生する磁界の影響を受ける可能性があるとも言える。そこで、周辺回路からの磁界の影響を抑制するために、強磁性金属層及びスピン軌道トルク配線を囲む磁気シールドを設けてもよい。

図１０及び図１１は、磁気シールドを設けた乱数発生器の模式図である。図１０は、強磁性金属層１０及びスピン軌道トルク配線２０を挟むように磁気シールド９０が設けられている。また図１１は、強磁性金属層１０及びスピン軌道トルク配線２０を囲むように磁気シールド９０が設けられている。磁気シールド９０と強磁性金属層１０及びスピン軌道トルク配線２０との間は、絶縁されている（図視略）。磁気シールド９０には、ＮｉＦｅ等の高透磁率磁性体を用いることができる。

「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかる乱数発生器１０４を模式的に示した斜視図である。図１０に示す乱数発生器１０４は、スピン軌道トルク配線２０に接合する強磁性金属層１０が複数である点が、第１実施形態にかかる乱数発生器１００と異なる。

複数の強磁性金属層１０は、それぞれ乱数を発生させる。そのため、これらの平均をとることで、乱数発生器が生み出す乱数の精度を高めることができる。

上記実施形態にかかる乱数発生器は、自然乱数を生み出すことができる。また上記実施形態にかかる乱数発生器は、電流印加時に磁化を向けたい方向と、磁化に与える力の方向が一致している。そのため、電流の供給量等の調整が不要であり、乱数発生器の安定性が高い。またこの乱数発生器のスピン軌道トルク配線２０をトランジスタ等の半導体回路等と接続し、半導体集積素子として用いてもよい。

また上記実施形態にかかる乱数発生器は、ニューロモルフィックコンピュータ、量子コンピュータ等におけるアナログ信号発生器として利用できる。具体的には例えば、乱数発生器をアレイ配置した積和演算回路と、入力信号に重み付けを行う素子とを有し、脳を模擬したニューロモロフィックコンピュータに適用できる。

（乱数発生器の製造方法）
上述の乱数発生器は、スパッタリング等の公知の成膜手段と、フォトリソグラフィー等の加工技術を用いて作製できる。支持体となる基板上に、各層を構成する金属等を順に積層し、その後所定の形に加工する。

成膜法としてはスパッタリング法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等が挙げられる。フォトリソグラフィー法では、レジスト膜を残したい部分に形成し、イオンミリング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の処理により不要部を除去する。

情報の読み出し手段として、例えば非磁性層を絶縁体としたＴＭＲ素子を作製する場合は、強磁性金属層上に最初に０．４〜２．０ｎｍ程度の金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後の熱処理を行うことで、トンネルバリア層を形成してもよい。

本発明は、上記実施形態に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

「実施例１」
実施例１では、図７と同様の配置の乱数発生器を作製した。スピン軌道トルク配線２０としてＴａを用い、強磁性金属層１０としてＦｅＢを用いた。強磁性金属層１０の厚みは１ｎｍであり、強磁性金属層１０の磁化Ｍ_１０の配向方向はｚ方向であった。強磁性金属層１０の飽和磁化Ｍｓは、１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３であり、強磁性金属層１０の有効異方性磁界Ｈ_{Ｋ，ｅｆｆ}は５ＫＯｅであり、スピン軌道トルク配線の有効スピンホール角度θ_ＳＨは０．０７であった。外部磁場は印加しなかった。また非磁性層５０としてＭｇＯを用い、第２強磁性金属層６０としてＣｏＦｅＢを用いた。

そして乱数発生器のスピン軌道トルク配線２０に５．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２の電流を印加した。この電流量は、関係式（１）の右辺から求められる電流密度Ｊｃ（４．３×１０^７Ａ／ｃｍ^２）より大きかった。

乱数発生器を１００００回動作させ、強磁性金属層１０と第２強磁性金属層６０の磁化が反平行になる確率と平行になる確率を求めた。その結果、乱数発生器が平行と反平行が確率的に発生させ、それぞれの発生確率が５０％となることを確認した。

１０，１１…強磁性金属層、２０…スピン軌道トルク配線、２０Ａ…スピン生成部、２０Ｂ…低抵抗部、２０Ｃ…スピン伝導部、３０…ＳＴＴを用いた乱数発生器、３１…自由層、３２…非磁性層、３３…固定層、３４…配線、５０…非磁性層、６０…第２強磁性金属層、７０…配線層、８０…外部磁場印加手段、Ｍ_１０，Ｍ_１１，Ｍ_３１，Ｍ_３３，Ｍ_６０…磁化、Ｓ_２０…スピン、１００，１０１，１０２，１０３，１０４…乱数発生器

Claims (10)

1. 強磁性金属層と、
   前記強磁性金属層の積層方向に対して交差する第１の方向に延在し、前記強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
   前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が交差している、乱数発生器。
2. 前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が４５°以上９０°以下傾いている、請求項１に記載の乱数発生器。
3. 前記スピン軌道トルク配線から前記強磁性金属層に注入されるスピンの向きと、前記強磁性金属層の磁化容易方向と、が直交している、請求項１または２のいずれかに記載の乱数発生器。
4. 前記強磁性金属層が、前記スピン軌道トルク配線に複数接合している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の乱数発生器。
5. 前記強磁性金属層の前記スピン軌道トルク配線と反対側の面に、非磁性層と、第２強磁性金属層とを順に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の乱数発生器。
6. 前記強磁性金属層に磁場を印加する外部磁場印加手段をさらに有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の乱数発生器。
7. 前記強磁性金属層及び前記スピン軌道トルク配線を挟む、或いは囲む磁気シールドをさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の乱数発生器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の乱数発生器と、
   前記乱数発生器の前記スピン軌道トルク配線に電流を流す電流印加手段と、を有する乱数発生装置。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の乱数発生器を有するニューロモルフィックコンピュータ。
10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の乱数発生器を有する量子コンピュータ。
    

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