JP2023009623A - 記憶装置と記憶媒体とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】通信用パルス光が伝達するデータを、その通信用パルス光で書込む記憶装置を提供する。【解決手段】単位明パルスの照射によって昇温して磁化方向を外部磁界の方向に変化させるとともに電界を印加すると磁壁が移動する光感応型磁性細線に通信用パルス光を照射して電界を印加する。通信用パルス光自体で磁化方向を変化させるために、光通信の速度で書込むことができ、書込みに要する電力量が低下する。必要時には複数本の磁性細線を時系列に従って使い分け、複数ビットの同時読取技術を併用する。光通信の速度で読取ることが可能となる。【選択図】図1
Description
本明細書は、通信用パルス光で書込可能な記憶装置と記憶媒体を開示し、記憶媒体の製造方法を開示する。
本明細書における下記の用語は下記を意味する。
通信用パルス光:データに対応して点滅または明暗が変化するパルス光をいう。1Gbps以上の高速通信速度を持っており、明パルスの光強度がmW以下の微弱なものであり得る。
通信用光ファイバー:通信用パルス光が通過する光ファイバーをいい、インフラを構成する光ファイバーのみならず、家屋・車両あるいは装置・機器・システム等における光通信に利用する光ファイバーを総称する。
通信用光ファイバーを通過したパルス光:通信用光ファイバーを、周波数が異なる複数種類の通信用パルス光や偏光面が異なる複数種類の通信用パルス光が重畳した光が通過していることがある。本明細書では、通信用光ファイバーを通過した重畳光を波長と偏光面等で分光した光を、通信用光ファイバーを通過したパルス光という。通信用光ファイバーを通過したパルス光は、通信用パルス光の一種である。ただし、近距離光通信システム等では光ファイバーを利用しないことがあり、通信用光ファイバーを通過しない通信用パルス光も存在する。
磁性細線:電界を印加すると磁区が材料中で移動する(磁区を画定する一対の磁壁が移動するといってもよい)材料で形成されている細線をいう。印加された電界によって電流が流れる場合と、例えば絶縁体を介して電位差を加えるために、電界は印加されても電流が流れない場合がある。合金の単一膜で形成されているものと、複数種類の膜が積層されているものがある。
光感応型磁性細線:電界が印加されると磁区が移動する前記の磁性細線のうち、通信用パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化する磁性細線をいう。磁性細線自体が光感応型材料(単位明パルスの照射によって磁化方向が変化する現象が生じるものを光感応型という)で形成されていてもよいし、光感応型の材料とその材料に磁気結合している磁性細線の組み合わせで構成してもよい。後者の場合の磁性細線は、光感応型であってもよいし光感応型でなくてもよい。
記憶装置:光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置を備えており、通信用パルス光が伝達するデータ(例えば、1,1,1・・・あるいは1,0,1・・・といったビットの時系列的変化のパターン)を磁性細線に書込むことができる記憶装置をいう。データを記憶しておくことが重要であり、データを書込む際にはデータを読取る必要がない場合もある。データ読取装置は必要時に追加できればよく、この記憶装置に不可欠でない。
単位明パルス:通信用パルス光に含まれる最短持続時間の明パルスをいい、その持続時間を単位明パルス時間という。複数個の単位明パルスが連続する場合があることから、実際の明パルスの持続時間が単位明パルス時間の倍数となることがある。
単位暗パルス:通信用パルス光に含まれる最短持続時間の暗パルスをいい、その持続時間を単位暗パルス時間という。単位暗パルス時間は、単位明パルス時間に等しい場合もあれば、異なる場合もある。複数個の単位暗パルスが連続する場合があることから、実際の暗パルスの持続時間が単位暗パルス時間の倍数となることがある。
単位パルス:単位明パルスと単位暗パルスを総称する。
通信用パルス光:データに対応して点滅または明暗が変化するパルス光をいう。1Gbps以上の高速通信速度を持っており、明パルスの光強度がmW以下の微弱なものであり得る。
通信用光ファイバー:通信用パルス光が通過する光ファイバーをいい、インフラを構成する光ファイバーのみならず、家屋・車両あるいは装置・機器・システム等における光通信に利用する光ファイバーを総称する。
通信用光ファイバーを通過したパルス光:通信用光ファイバーを、周波数が異なる複数種類の通信用パルス光や偏光面が異なる複数種類の通信用パルス光が重畳した光が通過していることがある。本明細書では、通信用光ファイバーを通過した重畳光を波長と偏光面等で分光した光を、通信用光ファイバーを通過したパルス光という。通信用光ファイバーを通過したパルス光は、通信用パルス光の一種である。ただし、近距離光通信システム等では光ファイバーを利用しないことがあり、通信用光ファイバーを通過しない通信用パルス光も存在する。
磁性細線:電界を印加すると磁区が材料中で移動する(磁区を画定する一対の磁壁が移動するといってもよい)材料で形成されている細線をいう。印加された電界によって電流が流れる場合と、例えば絶縁体を介して電位差を加えるために、電界は印加されても電流が流れない場合がある。合金の単一膜で形成されているものと、複数種類の膜が積層されているものがある。
光感応型磁性細線:電界が印加されると磁区が移動する前記の磁性細線のうち、通信用パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化する磁性細線をいう。磁性細線自体が光感応型材料(単位明パルスの照射によって磁化方向が変化する現象が生じるものを光感応型という)で形成されていてもよいし、光感応型の材料とその材料に磁気結合している磁性細線の組み合わせで構成してもよい。後者の場合の磁性細線は、光感応型であってもよいし光感応型でなくてもよい。
記憶装置:光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置を備えており、通信用パルス光が伝達するデータ(例えば、1,1,1・・・あるいは1,0,1・・・といったビットの時系列的変化のパターン)を磁性細線に書込むことができる記憶装置をいう。データを記憶しておくことが重要であり、データを書込む際にはデータを読取る必要がない場合もある。データ読取装置は必要時に追加できればよく、この記憶装置に不可欠でない。
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磁性細線にデータを書込む技術が盛んに研究されている。通常は、電流によって生じる磁界を利用して磁性細線の全長中の一部の長さ範囲の磁化方向を反転させる手法を用い、反転させるか反転させないかを時系列に従って制御することによってデータを書込む。この技術によって、通信用パルス光が伝達するデータを磁性細線に書込もうとすると、通信用パルス光の明暗の変化パターンに従って通電の有無を切換える必要があり、光電変換過程が必要とされ、書込処理に必要な電力量が大きなものとなる。通信用パルス光自体によって磁性細線にデータを書込むことはできない。
非特許文献1では、磁性細線の一部にレーザー光を照射することによって磁化方向を反転させる。この技術では、レーザー光が備えている磁気項を利用して電子のスピン方向を反転させるために、高強度レーザー光を極短時間だけ照射する必要があり、出力が100KWにも及ぶフェムト秒レーザーを利用する。フェムト秒レーザーの繰返し動作速度は遅く、データの書込速度は0.1bpsとなっている。この技術では、強度がmW以下の通信用パルス光によって磁化方向を反転させることはできない。また1Gbps以上の通信速度に対応することもできない。
Integrating all-optical switching with spintronics, M.L.M. Lalieu, R. Lavrijsen & B. Koopmans, Nature Communications (2019) 10:110
上記の技術では、通信用パルス光によって磁性細線にデータを書込むことができない。そんな折に、発明者らの研究によって、磁性細線の種類・仕様等を選択すると、通信用パルス光が含む単位明パルスを磁性細線に照射したときに、照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化する現象が得られることが判明した。すなわち、通信用パルス光が「明」のときにはその昇温効果によって照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化するとともに「暗」のときには磁化方向を変化させない磁性細線が存在することが確認された。この明細書では、単位明パルス照射後の磁化方向が、照射前の磁化方向から変化する磁性細線を光感応型磁性細線という。
本明細書では、通信用パルス光によって磁化方向を変化させる光感応型現象と、磁区を磁性細線の長さに沿って移動させる現象を組み合わせることによって、通信用パルス光によって、その通信用パルス光が伝達するデータを、時系列に従って、磁性細線中に書込む装置を開示する。また記憶媒体とその製造方法を開示する。
本明細書では、通信用パルス光によって磁化方向を変化させる光感応型現象と、磁区を磁性細線の長さに沿って移動させる現象を組み合わせることによって、通信用パルス光によって、その通信用パルス光が伝達するデータを、時系列に従って、磁性細線中に書込む装置を開示する。また記憶媒体とその製造方法を開示する。
レーザー光を磁性細線に照射する条件によっては、磁性細線が局所的に加熱され、磁性細線膜の膜面に沿った方向および/または垂直方向に大きな温度勾配が瞬間的に生じ、この温度勾配に沿って大量の熱電子流が生じる。この熱電子流はスピンを持っており、熱スピン流となる。この熱スピン流が作るSTT(スピン移行トルク)やSOT(スピン軌道トルク)により、磁化方向を外部磁界の方向に変化させる現象が容易化される。上記の熱スピン流を利用すると、磁化方向を変化させるのに要する単位明パルスの強度を低下することが可能となる。熱スピン流を有効に活用するためには、磁性層と重金属層の材料の組み合わせや厚みの選定が重要となる。本技術には、温度勾配に沿って流れる熱スピン流を利用して微弱な単位明パルスによって磁化方向を変化させる技術を適用することができる。
本明細書で開示する記憶装置は、光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置を備えている。
光感応型磁性細線は、通信用光パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化するとともに電界が印加されると磁区が長さ方向に移動する性質を備えている。ここでいう磁区の移動とは、磁性細線自体は静止しており、その静止している磁性細線内において磁区が移動することをいう。
電界印加装置は、磁性細線に電界を印加する。電界を印加することによって磁性細線に電流が流れる場合もあるが、例えば絶縁体を介して電位差を加えるために、電界は印加されても電流が流れないことがある。磁区移動速度は、電界強度または電流密度によって調整可能である。
光感応型磁性細線は、通信用光パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化するとともに電界が印加されると磁区が長さ方向に移動する性質を備えている。ここでいう磁区の移動とは、磁性細線自体は静止しており、その静止している磁性細線内において磁区が移動することをいう。
電界印加装置は、磁性細線に電界を印加する。電界を印加することによって磁性細線に電流が流れる場合もあるが、例えば絶縁体を介して電位差を加えるために、電界は印加されても電流が流れないことがある。磁区移動速度は、電界強度または電流密度によって調整可能である。
書込装置は、通信用パルス光が含む単位明パルスと外部磁界を利用して、光感応型磁性細線の照射領域の磁化方向を外部磁界の方向に変化させる。すなわち、通信用パルス光が明のときは、その明のパルス光に照射されることによって昇温し、照射領域の磁化方向を外部磁界の方向に変化させる。前記した熱スピン流を利用して磁化方向を変化させる場合もある。その一方において、通信用パルス光が暗(パルス光の強度がゼロまたは微弱)のときは、磁化方向を変化させる温度にまで昇温させない。
磁性細線の磁化方向を変化させるために、光感応型磁性細線にパルス光を直接に照射する技術を利用してもよいし、磁性細線に磁気結合している材料にパルス光を照射する技術を利用してもよい。その材料に、単位明パルスの照射によって昇温して外部磁界の方向に変化させる現象が生じれば、その磁化方向の変化現象を磁性細線に伝搬して磁性細線の一部の長さの磁化方向を外部磁界の方向に反転させることができる。
この技術では、外部磁界の方向に変化させる前の磁化方向を、外部磁界と異なる方向に向けておく必要がある。そのための構成は特に限定されず、磁性細線の全長に亘って前記の異なる方向に着磁させておいてもよいし、書込装置を通過するに先立って初期磁化装置を通過するようにし、その初期磁化装置で前記の異なる方向に着磁させてもよい。本明細書では磁化方向を外部磁界と異なる方向から外部磁界の方向に変化させることを、外部磁界の方向に反転させるということがある。
本明細書で開示する記憶装置では、「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(単位明パルス時間+単位暗パルス時間)」の関係に設定しておく。ここでいう磁区移動速度とは、単位明パルス時間と単位暗パルス時間を通算した合計時間について算出した磁区の平均移動速度を意味する。単位明パルス時間内に磁区移動速度が変化する場合(例えば磁性細線に間欠的に電界を印加すると磁区は間欠的に移動する)、あるいは単位暗パルス時間内に磁区移動速度が変化する場合は、前記合計時間内の平均移動速度をいう。この速度条件が満たされていると、単位となる最小非反転磁区を挟んで隣接する2個の反転磁区の間に非反転磁区が残存し、非反転磁区が消失することがない。
ここでいう単位反転磁区長とは、単位明パルスの照射によって磁化方向が反転する領域の磁性細線の長さに沿った距離をいう。後記する単位非反転磁区長と相違することがあるし、単位磁区長とも相違することがある。本明細書でいう長さは、特に断らない限り、磁性細線の長さに沿った距離をいう。
必要ならこの記憶装置に読取装置を付加することができる。後記のように読取装置には電気信号処理が必要とされ、通信用パルス光の通信速度が高速の場合には、明暗の変化周期内に読取処理を完了することが難しい。この記憶装置の場合、後記するように、複数本の磁性細線と複数個の磁化方向検出装置を同時に利用して実質的な読取速度を高速化することができ、通信用パルス光の通信速度と、書込速度と、実質的な読取速度を一致させることができる。例えばハードディスクといった外部装置に、通信用パルス光が伝達したデータを中継・伝送・転送することができる。
1本の磁性細線に書込んだ磁区の並びを、複数本の転写磁性細線に分散して転写することも可能である。例えば、3本の転写磁性細線を利用し、第1転写磁性細線に第1,4,7・・・ビットを記憶し、第2転写磁性細線に第2,5,8・・・ビットを記憶し、第3転写磁性細線に第3,6,9・・・ビットを記憶することもできる。このようにしても、データの読取に利用可能な時間を長時間化することができる。
本明細書で開示する技術は、様々な記憶媒体を新たに提供する。例えば、単位明パルスによる昇温に関連して集光レンズ・断熱性・ヒートシンク等に特徴を持つ記憶媒体を提供し、データを二重ないし分散して記憶するために複数本の磁性細線を備えている記憶媒体を提供し、複数本の磁性細線を実現する新たな構造を提供する。また磁化方向検出装置と磁化方向に依存してオン・オフするトランジスタ等によってM-RAM構造を実現する記憶媒体を提供する。さらに、記憶媒体の製造方法も提供する。
本明細書で開示する記憶装置では、通信用パルス光(正確には単位明パルス)による昇温によって直接ないし間接に磁性細線の一部の長さの磁化方向を反転させる現象と、その磁区を磁性細線の長さに沿って移動させる現象を組み合わせて用い、磁性細線中に明パルスに対応する反転磁区と暗パルスに対応する非反転磁区の並びを形成し、通信用パルス光が伝達したデータを磁性細線中に記憶することができる。
通信用パルス光自体で直接ないし間接に磁性細線にデータを書込むために、光を利用する高速度通信に対応することができる。また光電変換過程を必要としないために記憶装置の運転に必要な電力量が低減される。
通信用パルス光自体で直接ないし間接に磁性細線にデータを書込むために、光を利用する高速度通信に対応することができる。また光電変換過程を必要としないために記憶装置の運転に必要な電力量が低減される。
(第1実施例)
図1は、実施例の記憶装置1の平面図を示し、光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置と読取装置(再生装置)と切換装置を備えている。本実施例では、磁性細線自体が光感応型である2本の光感応型磁性細線2A,2Bを交互に利用する。以下では、光感応型磁性細線2A,2Bを磁性細線2A,2Bと略称する。電界印加装置は、2個の直流電源装置15A,15Bと、2個のスイッチ14A,14Bと、2本の非磁性導線4A,4Bと、共通する非磁性導線4を備えている。書込装置は、初期磁化用の外部磁界発生装置6と、書込用の外部磁界発生装置8を備えており、通信用光ファイバーを通過したパルス光の照射範囲10を利用する。読取装置は、磁性細線2Aに書込まれた複数ビットのデータを同時に読取るセンサ列12Aと、磁性細線2Bに書込まれた複数ビットのデータを同時に読取るセンサ列12Bとを備えている。本実施例では、磁性細線の磁化方向に依って抵抗値が変化するTMRセンサを配列している。実施例の記憶装置は、その他に、制御装置16を備えており、通信用パルス光が伝達したデータを、ハードディスク装置HDD17に転送ないし中継する。制御装置16は、通信用パルス光に含まれるクロック信号に基づいて、電源装置15A,15Bとスイッチ14A,14Bの動作を制御し、センサ列12A,12Bで検出されたデータをHDD17に伝送する。磁性細線2A,2Bは、電界印加装置と書込装置と読取装置の夫々の一部でもある。また、制御装置16とスイッチ14A,14B等が切換装置を構成している。
図1は、実施例の記憶装置1の平面図を示し、光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置と読取装置(再生装置)と切換装置を備えている。本実施例では、磁性細線自体が光感応型である2本の光感応型磁性細線2A,2Bを交互に利用する。以下では、光感応型磁性細線2A,2Bを磁性細線2A,2Bと略称する。電界印加装置は、2個の直流電源装置15A,15Bと、2個のスイッチ14A,14Bと、2本の非磁性導線4A,4Bと、共通する非磁性導線4を備えている。書込装置は、初期磁化用の外部磁界発生装置6と、書込用の外部磁界発生装置8を備えており、通信用光ファイバーを通過したパルス光の照射範囲10を利用する。読取装置は、磁性細線2Aに書込まれた複数ビットのデータを同時に読取るセンサ列12Aと、磁性細線2Bに書込まれた複数ビットのデータを同時に読取るセンサ列12Bとを備えている。本実施例では、磁性細線の磁化方向に依って抵抗値が変化するTMRセンサを配列している。実施例の記憶装置は、その他に、制御装置16を備えており、通信用パルス光が伝達したデータを、ハードディスク装置HDD17に転送ないし中継する。制御装置16は、通信用パルス光に含まれるクロック信号に基づいて、電源装置15A,15Bとスイッチ14A,14Bの動作を制御し、センサ列12A,12Bで検出されたデータをHDD17に伝送する。磁性細線2A,2Bは、電界印加装置と書込装置と読取装置の夫々の一部でもある。また、制御装置16とスイッチ14A,14B等が切換装置を構成している。
図2は、断面図を示し、上記部材は、ポリカーボネイト基板18上に形成されている。センサ列12A,12Bの各々には、16個のTMRセンサが配置されており、各センサが制御装置16に接続されているが、図2では一部の接続関係の図示を省略している。図2において、参照番号19は誘電体であり、基板18上に、センサ列12A,12B、磁性細線2A,2B、外部磁界発生膜6,8等を固定し、相互に絶縁している。
なお本出願に用いる図面はあくまで技術説明のためのものあり、詳細の図示が省略されており、寸法等が正確に図示されていないことがある。
なお本出願に用いる図面はあくまで技術説明のためのものあり、詳細の図示が省略されており、寸法等が正確に図示されていないことがある。
スイッチ14Aがオンすると直流電源装置15Aから電流が流れ、その電流は磁性細線2Aを左から右に流れる。磁性細線2Aは、RE-TMフェリ磁性材で形成するのが好ましく、本実施例ではTbCoFe合金を使用した。これに限定されるものでなく、希土類元素と3d遷移元素を母体とする合金でもよいし、希土類元素と3d遷移金属元素からなる多層膜でもよい。これらはフェリ磁性体であり、磁化容易軸が膜面に垂直な垂直磁化膜である。垂直磁化膜となる3d遷移金属と貴金属からなる多層膜でもよい。これらの磁性細線は、電界を印可すると磁区が移動するだけでなく、通信用パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化して固定される現象が生じる。磁性細線2Aは、光感応型の材料で形成されており、それ自体が光感応型磁性細線である。
電流で磁壁が移動するためにはスピン移行トルク(STT)が必要であり、磁性層と重金属層のヘテロ構造により大きなスピン軌道トルク(SOT)を有するものが良い。STTは磁性体内を流れる電子のスピンが磁壁を駆動する力であるのに対し、SOTは重金属層を流れる電子の流れが、ヘテロ界面の影響で磁性層側に侵入することで磁壁を駆動する。一方、レーザー光を磁性細線に照射すると局所的に加熱され、膜面面内方向および垂直方向に大きな温度勾配が瞬間的に生じ、この温度勾配に沿って大量の熱電子流が生じる。この熱電子はスピンを持っている熱スピン流となる。この熱スピン流が作るSTTやSOTにより記録磁区が容易に形成できる。小さなレーザーパワーでも記録磁区が形成できる。この熱スピン流を有効に活用するためには、磁性層と重金属層の材料の組み合わせや厚みの選定が重要となる。
光による昇温効果を高めるためには、磁性細線の光入射側と光透過側に、最適な誘電体層や光反射膜を配置して光を閉じ込める効果を増大する方法が良い。そのために磁性細線が光を透過させるほど薄いものが良い。光の閉じ込め効果を最大化するためには、反射光が光入射側に戻らない、あるいは透過光が出てこない構成が良い。
昇温効果を高めるためには、光を閉じ込めるだけでなく、磁性細線が断熱的だと良い。基板も含めて断熱構造とするのが有利である。例えば、基板には熱伝導率が小さなガラスやプラスチックが良い。Si基板の場合にも基板表面には100nm以上の誘電体膜があることが好ましい。
磁性細線2Aに電界が印加されて電流が流れると、磁性細線2A中の磁区と磁壁が電流と同方向に移動する。磁区と磁壁の移動速度は、電流値によって調整することができ、本実施例では、2500m/secの速度で移動する電流値を通電する。
磁性細線2Bでも同様であり、重複記載は省略する。
本明細書では、複数本の磁性細線を区別するために、添え字にアルファベットの大文字を用いる。複数本の磁性細線に共通する事象を説明する場合には、添え字を省略する。
磁性細線2Bでも同様であり、重複記載は省略する。
本明細書では、複数本の磁性細線を区別するために、添え字にアルファベットの大文字を用いる。複数本の磁性細線に共通する事象を説明する場合には、添え字を省略する。
初期磁化用の外部磁界発生装置(実施例では磁界発生膜)6は、常温における磁性細線2の保磁力より大きい強度の下向き磁界を磁性細線2に加える。外部磁界発生装置6は磁性細線2の左端に磁気結合しており、磁気結合領域を左から右に移動する磁区の磁化方向を下向きに揃える。
書込用の外部磁界発生装置(実施例では磁界発生膜)8は、常温での磁性細線2の保磁力よりは小さいが、昇温した磁性細線2の保磁力よりは大きい強度の上向きの磁界を磁性細線2に加える。外部磁界発生装置8は、外部磁界発生装置6よりも磁壁の移動方向の下流に配置されており、外部磁界発生装置6によって磁化方向が下向きに揃えられた磁区が外部磁界発生装置8と磁気結合する。外部磁界発生装置8は、通信用パルス光の照射領域10の内側に配置されており、通信用パルス光の単位明パルスの照射によって昇温された領域が外部磁界発生装置8と磁気結合する。磁区が外部磁界発生装置8と磁気結合している領域を通過する際に、明パルスによって昇温されていれば、その通過磁区の磁化方向が上向きに反転し、暗パルスによって昇温されていなければ、その通過磁区の磁化方向は反転せず、下向きに維持される。これによって、明パルス照射中に外部磁界発生装置8との磁気結合領域を通過した磁区の磁化方向が上向きとなり、暗パルス照射中に磁気結合領域を通過した磁区の磁化方向が下向きとなり、磁性細線2の長さに沿って、明暗の時系列的変化パターンに対応するデータが書込まれる。
磁性細線2の保磁力は昇温すると低下することから、保磁力=「外部磁界の強度」にまで昇温した時点で、磁性細線の磁化方向が反転する。以下では特に断らない限り、書込用の外部磁界を外部磁界と略称する。本明細書では、保磁力=「外部磁界の強度」の関係となる温度を反転温度という。磁性細線の材質によって反転温度を選択することができ、磁性細線の周囲に配置する要素によって磁性細線の放熱性ないし断熱性を調整することができることから、単位明パルスのパルス時間(この事例では40psec)内に磁性細線が反転温度にまで昇温する関係に設定することができる。本明細書では、明パルスの照射開始時刻から反転温度に昇温するまでの時間を要昇温時間という。例えば、明パルスの照射開始時刻から38psecだけ経過した時点で反転温度にまで上昇して反転する現象が生じるように設定することができる。この場合は、要昇温時間=38psecとなる。要昇温時間の経過後は、明パルスの終了時まで、磁壁の移動に伴って反転磁区の長さが伸びていく。
用語の意味を整理する。
外部磁界:特に断らない限り、初期磁化用の外部磁界でなく、書込用の外部磁界をいう。
外部磁界有効領域:磁化方向を反転させる書込用の外部磁界が優越している領域をいう。
反転温度:保磁力=「外部磁界の強度」の関係となる温度をいう。
昇温領域=反転温度以上に昇温した領域をいう。明パルスの経過時間とともに拡大し、単位暗パルスの期間内に冷却されて消失する。
要昇温時間:明パルスの照射開始時刻から反転温度に昇温するまでの時間
外部磁界:特に断らない限り、初期磁化用の外部磁界でなく、書込用の外部磁界をいう。
外部磁界有効領域:磁化方向を反転させる書込用の外部磁界が優越している領域をいう。
反転温度:保磁力=「外部磁界の強度」の関係となる温度をいう。
昇温領域=反転温度以上に昇温した領域をいう。明パルスの経過時間とともに拡大し、単位暗パルスの期間内に冷却されて消失する。
要昇温時間:明パルスの照射開始時刻から反転温度に昇温するまでの時間
本技術では、明パルス光で昇温して外部磁界の方向に反転させる現象を利用するので、昇温領域と外部磁界有効領域が重複する領域で、磁化方向が反転する。
経過時間とともに昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大する場合、昇温領域が外部磁界有効領域を含むまで拡大した時点で外部磁界有効領域内の磁性細線の磁化方向がほぼ一斉に反転する。この一斉に反転する領域の磁性細線の長さに沿った距離を「一斉反転長」という。昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大する場合は、「一斉反転長」=「外部磁界有効領域長」の関係となる。
経過時間とともに昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大する場合、昇温領域が外部磁界有効領域を含むまで拡大した時点で外部磁界有効領域内の磁性細線の磁化方向がほぼ一斉に反転する。この一斉に反転する領域の磁性細線の長さに沿った距離を「一斉反転長」という。昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大する場合は、「一斉反転長」=「外部磁界有効領域長」の関係となる。
外部磁界有効領域が広く、明パルス光の持続時間内に昇温領域が拡大しても、外部磁界有効領域内に留まることがある。この場合は、昇温領域の拡大に追従して反転磁区の長さが伸びていく。この場合の単位明パルスに対応する単位反転磁区長は、昇温領域のサイズよって決定される。通常は、昇温領域の拡大速度が磁区移動速度以上であることから、単位反転磁区長は明パルスの終了時点における昇温領域のサイズで決定される。
図1の実施例では、昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大する関係にあり、外部磁界発生装置8が磁化方向を上向きに反転させる領域の磁性細線2の長さに沿った距離が100nmに設定されている。また照射領域10を照射する通信用パルス光の単パルス時間は40psecであり、25Gbpsの通信速度を持っている。
図4は、単位明パルスの照射開始時刻をゼロとした場合の温度変化を示している。8psecの経過時点では、反転温度にまで昇温した領域40-8が狭く、外部磁界発生装置8は磁化方向を上向きに反転させない。経過時間とともに反転温度にまで昇温した領域は増大する。本実施例では、38psecが経過すると、外部磁界発生装置8と磁気結合している領域が反転温度以上に昇温する。すなわち、外部磁界発生装置8と磁気結合している領域が昇温領域40-38内に含まれる。この結果、明パルスの照射開始時刻から38psecが経過した時点で、外部磁界発生装置8と磁気結合している領域の磁化方向がほぼ一斉に上向きに反転する。このときの反転領域の長さは100mmである。一斉反転長=100mmである。
本実施例では、パルス時間が40psecであり、反転後の2psecの間は明パルスが持続し、その間も磁区は移動する。前記したように本実施例では、磁壁が2500m/secの速度で移動する電流値を磁性細線に通電するので、2psecの間に5nmだけ反転磁区が拡大する。結果、単位明パルスによって105nmの長さの反転磁区が形成される。本実施例の単位反転磁区長=105nmである。
本実施例では、パルス時間が40psecであり、反転後の2psecの間は明パルスが持続し、その間も磁区は移動する。前記したように本実施例では、磁壁が2500m/secの速度で移動する電流値を磁性細線に通電するので、2psecの間に5nmだけ反転磁区が拡大する。結果、単位明パルスによって105nmの長さの反転磁区が形成される。本実施例の単位反転磁区長=105nmである。
昇温領域が外部磁界有効領域を含むように拡大して外部磁界有効領域でほぼ一斉に反転が生じる場合、一般に、単位反転磁区長=一斉反転長+磁区移動速度×(要昇温時間後の明パルス持続時間)の関係となる。
集光レンズ等を利用してパルス光の照射範囲を絞ったり、照射範囲内にプラズモンアンテナやヒートシンクを配置したりすることによって、単位明パルスの終了時点における昇温領域を狭めることが可能である。昇温領域を微小化することによって磁区サイズを微小化することも可能である。昇温領域を微小化することによって磁区サイズを微小化する場合は、外部磁界有効領域を狭い領域に閉じ込める必要がない。この場合は、単位明パルスの終了時点における昇温領域の長さが単位反転磁区長となる。一般的に、昇温領域の拡大速度が磁区移動速度より早いために、単位明パルスの終了時点における昇温領域の長さが単位反転磁区長となる。
図3の(2)は、通信用パルス光の明暗の時系列変化例を示し、30Aは最短の暗パルスを示し、32Aは最短の明パルスを示している。両者のパルス時間は等しく、本実施例では40psecである。30Bは最短の暗パルスが2個連続した暗パルスを示し、32Bは最短の明パルスが2個連続した明パルスを示している。(2)の場合、「明・暗・明・明・暗・暗・明・暗・・・」の時系列変化を示し、これが本明細書でいうデータの例である。
図5は、データと、磁性細線中の磁区と磁化方向の関係を示している。(1)はパルス光が「明・暗・明・暗・・・」と変化する場合を示し、(1a)は磁性細線中の磁区と磁化方向の関係を示している。ハッチ付きの磁区は、外部磁界の方向に反転した反転磁区を示し、ハッチのない磁区は、外部磁界によって反転しなかった非反転磁区を示している。51aは明パルス51によって形成された反転磁区を示し、52aは暗パルス52に対応して残存した非反転磁区を示し、53aは明パルス53によって形成された反転磁区を示し、54aは暗パルス54に対応して残存した非反転磁区を示している。図5(1)に示す期間T55はパルス時間である(本実施例では40psec)。期間T56は、要昇温時間である(本実施例では38psec)。期間T57は、図4の38~40psecに対応する。期間T57内に反転磁区51aを形成する。反転磁区51aの長さは、一斉反転長(本実施例では図4の100nm)+期間T57内の磁区移動距離(本実施例では5nm)であり、本実施例の単位反転磁区長は105nmである。期間T58は、磁区を反転させない期間に相当し、その期間の長さは、パルス時間+要昇温時間に等しい。非反転領域52aの長さは、(パルス時間+要昇温時間)×磁区移動速度-「一斉反転長」となり、本実施例では95nmである。なお(パルス時間+要昇温時間)×磁区移動速度-「一斉反転長」=(2×パルス時間)×磁区移動速度-単位反転磁区長の関係となる。
前記したように、本実施例の単位反転磁区長は105nmであり、単位非反転磁区長は95nmであり、両者は相違する。
前記したように、本実施例の単位反転磁区長は105nmであり、単位非反転磁区長は95nmであり、両者は相違する。
図5(2)は、「暗・暗」が連続する場合を示す。期間T′58は連続する暗パルスによって磁区を反転させない期間に相当し、それに対応する非反転磁区の長さは、(パルス時間×2+要昇温時間)×磁区移動速度-「一斉反転長」となり、本実施例では195nmである。
図5(3)は、「明・明」が連続する場合を示す。期間T′57は連続する明パルスによって磁区を反転させる期間に相当し、それに対応する反転磁区の長さは、一斉反転長(本実施例では100nm)+期間T′57内の磁区移動距離(本実施例では105nm)であり、本実施例では205nmである。
図5(3)は、「明・明」が連続する場合を示す。期間T′57は連続する明パルスによって磁区を反転させる期間に相当し、それに対応する反転磁区の長さは、一斉反転長(本実施例では100nm)+期間T′57内の磁区移動距離(本実施例では105nm)であり、本実施例では205nmである。
図5(1a)(2a)(3a)に示すように、明暗の変化パターンによって磁壁位置は変化し、一定にならないが、大きくずれることはなく、例えば、位置P1は、明暗のパターンに依らず、最初のパルス51に対応する磁区内にあり、位置P2は2個目のパルス52に対応する磁区内にあり、位置P3は3個目のパルス53に対応する磁区内にあり、位置P4は4個目のパルス54に対応する磁区内にある。
上記を利用すると、複数ビットのデータを同時並列的に読取ことが可能となる。P1の位置に最初の磁区の磁化方向に対応して変化する値を検出するセンサを配置し、P2の位置に2個目の同一センサを配置し、P3の位置に3個目の同一センサを配置し、P4の位置に4個目の同一センサを配置しておけば、4個の磁区の磁化方向を同時並行して読取ることができる。
前記したように、本実施例では1ビットの書込みは40psecでできる。これに対して磁化方向に対応して変化する値を検出するセンサ(例えばTunneling Magneto Resistive, TMR)によって磁化方向を検出するには 100psec以上を必要する。複数個のセンサで複数ビットを同時並行的に読取ることを可能にすれば、各センサによる読取処理が低速で通信速度に追従できないという問題を解決することができる。
本実施例では、パルス時間×磁区移動速度=100nmであり、前記した位置P1,P2,P3,P4の間隔に等しい。本明細書では、パルス時間×磁区移動速度=単位磁区長という。磁性細線の磁化方向に依って異なる値を検出するセンサを単位磁区長の間隔で配列しておけば、複数個の磁区の磁化方向を同時並行的に読取ることが可能となる。
以上で説明した用語を整理しておく。
単位磁区長:パルス時間×磁区移動速度をいう。
単位反転磁区長:単位明パルスによって形成される単位反転磁区の長さをいう。反転磁区の形成時に、昇温に時間を要したり、ほぼ一斉に反転する領域が形成されたり、昇温領域が広がりを持つために、単位磁区長から相違する。
単位非反転磁区長:単位暗パルスに対応して残留する単位非反転磁区の長さをいう。その長さは、(2×パルス時間)×磁区移動速度-単位反転磁区長である。要昇温時間の経過時にほぼ一斉に反転する現象が生じる場合は、(パルス時間+要昇温時間)×磁区移動速度-「一斉反転長」に等しくなる。「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(2×パルス時間)」の関係にあれば、単位暗パルスに対応する最小非反転磁区を挟んで隣接する2個の反転磁区の間に非反転磁区が残存し、非反転磁区が消失することがない。
単位磁区長:パルス時間×磁区移動速度をいう。
単位反転磁区長:単位明パルスによって形成される単位反転磁区の長さをいう。反転磁区の形成時に、昇温に時間を要したり、ほぼ一斉に反転する領域が形成されたり、昇温領域が広がりを持つために、単位磁区長から相違する。
単位非反転磁区長:単位暗パルスに対応して残留する単位非反転磁区の長さをいう。その長さは、(2×パルス時間)×磁区移動速度-単位反転磁区長である。要昇温時間の経過時にほぼ一斉に反転する現象が生じる場合は、(パルス時間+要昇温時間)×磁区移動速度-「一斉反転長」に等しくなる。「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(2×パルス時間)」の関係にあれば、単位暗パルスに対応する最小非反転磁区を挟んで隣接する2個の反転磁区の間に非反転磁区が残存し、非反転磁区が消失することがない。
図1の12Aは、16個のTMRセンサの列を示し、隣接するセンサ間の間隔は、図5の位置P1,P2,P3・・・の関係を満たす。すなわち、間隔=単位磁区長の関係に置かれている。
図5の(1a)~(3a)に示すように、1磁区の長さは、95nmであったり、105nmであったりする。各磁区の長さは必ずしも単位磁区長にならない。ただし、間隔=単位磁区長の関係を満たす間隔でセンサ群を配列しておくと、各センサが各磁区のほぼ中央に対向する位置関係を得ることができる。これによって複数の磁区の磁化方向を同時に読取ることが可能となる。
図5の(1a)~(3a)に示すように、1磁区の長さは、95nmであったり、105nmであったりする。各磁区の長さは必ずしも単位磁区長にならない。ただし、間隔=単位磁区長の関係を満たす間隔でセンサ群を配列しておくと、各センサが各磁区のほぼ中央に対向する位置関係を得ることができる。これによって複数の磁区の磁化方向を同時に読取ることが可能となる。
本実施例の場合、16個の連続したパルスに対しては、磁性細線2Aの16個の磁区にデータを書込む。その後の16個の連続したパルスに対しては、磁性細線2Bの16個の磁区にデータを書込む。各処理に要する時間は「40psec×16」である。本実施例では、磁性細線2Bの16個の磁区にデータを書込む間に、磁性細線2Aの16個の磁区の磁化方向を読取る。各センサでの処理には40psec以上を要するが、16ビットのデータを同時並行的に読取るために、16ビットのデータを「40psec×16」以内に検出することができ、読取ったデータをHDD17に中継することができる。各センサによるデータの読取に時間を要しても、16ビットを同時並行して読取ることから、HDD17には光通信速度でデータを中継することができる。
図3は、タイミングチャートを示す。(1)と(2)は通信用パルス光の明暗パタ―ンを示している。図では、理解の便宜のために(1)のクロック信号と(2)のデータ信号を分離して示したが、実際には、クロック信号・データ信号・クロック信号・データ信号が時系列的に送られてくる。図では、クロック信号を1ビットで示しているが、実際には所定のプロトコルに従った複数ビットの信号がクロック信号とされている。
本実施例では、所定タイミング(クロック信号を利用して所定タイミングの到来を判別する)でスイッチ14Aをオンして磁性細線2Aに通電し、磁性細線2Aの磁壁を移動させ始める((3)参照)。このとき、磁性細線2Bでは磁壁を移動させない((5)参照)。磁壁が移動する磁性細線2Aに、通信用パルス光の明暗パタ―ンが長さ方向に書込まれていく。16×40psecが経過したら、さらに所定時間((3)の34)だけ通電してから磁性細線2Aへの通電を停止する。所定時間34は、最後に外部磁界発生装置8を通過したビットが、センサ列12Aのうちの最上流センサに対向する位置にまで移動する時間に設定されている。通電停止時には16個の磁区が16個のセンサに対応して停止している状態となる。期間36の間に16個の磁区の磁化方向を同時並行的に読取り、読取られたデータをHDD17に送る。HDD17には、データをパラレルで送ってもよいし、シリアルで送ってもよい。
磁性細線2Aに16ビットのデータを書込んだら、スイッチ14Bをオンして磁性細線2Bに通電し、磁性細線2Bの磁壁を移動させ始める((5)参照)。磁壁が移動する磁性細線2Bに、通信用パルス光の明暗パタ―ンが長さ方向に書込まれていく。16×40psecが経過したら、さらに所定時間((5)の38)だけ通電してから通電を停止する。所定時間38は、最後に外部磁界発生装置8を通過したビットが、センサ列12Bのうちの最上流センサに対向する位置にまで移動する時間に設定されている。通電停止時には16個の磁区が16個のセンサに対応して停止している状態となる。その後、磁性細線2Bに再びデータを書込むまでの間(この間は磁性細線2Aにデータを書込む)に、16個の磁区の磁化方向を同時並行的に読取り、読取られたデータをHDD17に送る。HDD17には、データをパラレルで送ってもよいし、シリアルで送ってもよい。
それ以後は、「磁性細線2Aにデータを書込ながら磁性細線2Bのデータを読取る」処理期間と、「磁性細線2Bにデータを書込ながら磁性細線2Aのデータを読取る」処理期間を交互に切換える。スイッチ14A,14B等は切換え装置を構成する。
それ以後は、「磁性細線2Aにデータを書込ながら磁性細線2Bのデータを読取る」処理期間と、「磁性細線2Bにデータを書込ながら磁性細線2Aのデータを読取る」処理期間を交互に切換える。スイッチ14A,14B等は切換え装置を構成する。
以上によって、本実施例によると、
(1)mW以下という微弱な通信用パルス光によってデータを書込める。
(2)明暗が高速(1Gbps以上)に変化する通信用パルス光によってデータを書込める。
(3)データの書込みに光電変換装置を要しない。
(4)データの伝送速度よりデータの読取速度が遅いという問題には、複数ビットを同時並行的に読取る技術で対処できる。
(5)複数ビットを同時並行して読取る間のデータ記憶のために、複数本の磁性細線を時系列に従って使い分ける。
といった特徴が発揮され、データ記憶の新しい世界が実現される。
(1)mW以下という微弱な通信用パルス光によってデータを書込める。
(2)明暗が高速(1Gbps以上)に変化する通信用パルス光によってデータを書込める。
(3)データの書込みに光電変換装置を要しない。
(4)データの伝送速度よりデータの読取速度が遅いという問題には、複数ビットを同時並行的に読取る技術で対処できる。
(5)複数ビットを同時並行して読取る間のデータ記憶のために、複数本の磁性細線を時系列に従って使い分ける。
といった特徴が発揮され、データ記憶の新しい世界が実現される。
なお以上はあくまで実施例であり、例示のものに限定されない。例えば、
(1)磁性細線はRE-TMフェリ磁性材に限られない。明の単パルスで反転温度にまで昇温し、反転温度を超えると外部磁界の方向に反転するとともに、電界を印加すると磁区(磁壁)が移動する材料であって、必要な磁区移動速度が得られものであれば利用可能である。
(2)電界を印加することによって電流が流れる磁性細線に限定されない。電界を印加しても電流が流れない磁性細線を利用してもよい。
(3)磁性細線の長手方向に通電すると磁壁が長手方向に移動する磁性細線に限定されない。磁性細線の横断面に沿った電界を印加すると磁壁が長手方向に移動する磁性細線を利用してもよい。
(4)磁性細線の本数は2本に限られず、3本以上であってもよい。
(5)光通信の速度で記録できればよく、データの読取には別の状況・技術で対処することができる場合も存在する。この場合、読取装置を省略することができ、磁性細線の本数は1本でよい。
(6)同時に読取可能なビット数は16に限られず、これより多くても少なくてもよい。
(7)磁化方向の検出センサは、トンネル電流の検出センサに限定されず、磁気センサ・電圧センサ・電流センサ・光センサであってもよい。
(8)光通信のプロトコルによっては、単位明パルス時間と単位暗パルス時間が相違する場合がある。その場合でも「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(単位明パルス時間+単位暗パルス時間)」の関係にあれば、単位暗パルスに対応する最小非反転磁区を挟んで隣接する2個の反転磁区の間に非反転磁区が残存し、非反転磁区が消失することがない。
(9)磁性細線にデータを書込む際に、磁区移動速度が変化することがあり得る。たとえば、磁性細線に間欠的に電界を印加して磁壁を間欠的に移動させる場合がある。この場合は、前記(8)に記載した磁区移動速度は、単位明パルス時間と単位暗パルス時間を通算した合計時間について計算した磁壁の平均移動速度をいう。
(10)保持温度以上に昇温した時に磁化方向が外部磁界の方向に変化する磁性材料に代えて、所定温度以上に昇温してから所定温度以下に冷却された時に、磁化方向が外部磁界の方向に固定される磁性材料を用いることが可能である。
(第2実施例)
(1)磁性細線はRE-TMフェリ磁性材に限られない。明の単パルスで反転温度にまで昇温し、反転温度を超えると外部磁界の方向に反転するとともに、電界を印加すると磁区(磁壁)が移動する材料であって、必要な磁区移動速度が得られものであれば利用可能である。
(2)電界を印加することによって電流が流れる磁性細線に限定されない。電界を印加しても電流が流れない磁性細線を利用してもよい。
(3)磁性細線の長手方向に通電すると磁壁が長手方向に移動する磁性細線に限定されない。磁性細線の横断面に沿った電界を印加すると磁壁が長手方向に移動する磁性細線を利用してもよい。
(4)磁性細線の本数は2本に限られず、3本以上であってもよい。
(5)光通信の速度で記録できればよく、データの読取には別の状況・技術で対処することができる場合も存在する。この場合、読取装置を省略することができ、磁性細線の本数は1本でよい。
(6)同時に読取可能なビット数は16に限られず、これより多くても少なくてもよい。
(7)磁化方向の検出センサは、トンネル電流の検出センサに限定されず、磁気センサ・電圧センサ・電流センサ・光センサであってもよい。
(8)光通信のプロトコルによっては、単位明パルス時間と単位暗パルス時間が相違する場合がある。その場合でも「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(単位明パルス時間+単位暗パルス時間)」の関係にあれば、単位暗パルスに対応する最小非反転磁区を挟んで隣接する2個の反転磁区の間に非反転磁区が残存し、非反転磁区が消失することがない。
(9)磁性細線にデータを書込む際に、磁区移動速度が変化することがあり得る。たとえば、磁性細線に間欠的に電界を印加して磁壁を間欠的に移動させる場合がある。この場合は、前記(8)に記載した磁区移動速度は、単位明パルス時間と単位暗パルス時間を通算した合計時間について計算した磁壁の平均移動速度をいう。
(10)保持温度以上に昇温した時に磁化方向が外部磁界の方向に変化する磁性材料に代えて、所定温度以上に昇温してから所定温度以下に冷却された時に、磁化方向が外部磁界の方向に固定される磁性材料を用いることが可能である。
(第2実施例)
図6に示すように、書込用の外部磁界発生装置8Aは、上向き磁界を発生させる磁化膜8eと、その周囲に配置された下向き磁界を発生させる磁化膜8a,8b,8c,8d,8fの集合膜であってもよい。周囲に配置された下向き磁界を発生させる時間膜8a,8b,8c,8d,8fは、磁性細線2に上向き磁界を発生させる領域を狭く限定し、反転磁区の長さを微小化するのに有利である。磁区の長さが短くなると、同じ長さの磁性細線に記憶可能なデータ量が増大する。また磁壁の移動速度を低速化することができる。
(第3実施例)
(第3実施例)
図7の実施例では、直流電源8aと非磁性導線8bによって書込用の外部磁界発生装置8を構成する。導線8bは、照射領域10内において、磁性細線2A,2Bの長さ方向に対して直交する姿勢で磁性細線2A,2Bと立体交差する。
導線8bを流れる電流によって導線8bの右側の領域には、上向きの磁界が発生する。上向きの外部磁界によって、磁性細線2A,2Bの磁化方向を上向きに反転させることができる。書込用の外部磁界発生装置8となる。
図7の場合、データの書込みに先立って、磁性細線2A,2Bの全長に亘って下向きに磁化させておく(着磁しておく)。下向きに磁化させておく手法には限定がなく、保磁力以上の強度の下向き磁界内に磁性細線2A,2Bをおけばよい。導電路8bの左側の領域には、下向きの磁界が発生する。磁性細線2A,2Bが下向きに初期されているので、特段の問題は生じない。
(第4実施例)
導線8bを流れる電流によって導線8bの右側の領域には、上向きの磁界が発生する。上向きの外部磁界によって、磁性細線2A,2Bの磁化方向を上向きに反転させることができる。書込用の外部磁界発生装置8となる。
図7の場合、データの書込みに先立って、磁性細線2A,2Bの全長に亘って下向きに磁化させておく(着磁しておく)。下向きに磁化させておく手法には限定がなく、保磁力以上の強度の下向き磁界内に磁性細線2A,2Bをおけばよい。導電路8bの左側の領域には、下向きの磁界が発生する。磁性細線2A,2Bが下向きに初期されているので、特段の問題は生じない。
(第4実施例)
図8は、基板18と磁性細線2等の断面を示す。この記憶媒体は、通信用パルス光9の入射側から、光強度増強誘電体膜84,薄い保護膜83,磁性細線2,光強度増強誘電体膜82,金属反射膜81,基板18の順序で積層されている。光強度増強誘電体膜84は、通信用パルス光9の照射領域では形成されているが、磁化方向の検出センサ列12が配置されている領域では形成されていない。磁化方向の検出センサ列12の配置位置では、検出センサ12と磁性細線2の距離を縮めて検出感度を高めている。
金属反射膜81は、磁性細線2を通過したパルス光9を磁性細線2に向けて反射し、微弱(mW以下) なパルス光によって磁性細線2を昇温できるようにする。光強度増強誘電体膜84と光強度増強誘電体膜82は、両者間に通信用パルス光9を閉じ込めて、微弱な通信用パルス光によって磁性細線2を昇温できるようにする。
金属反射膜81は、磁性細線2を通過したパルス光9を磁性細線2に向けて反射し、微弱(mW以下) なパルス光によって磁性細線2を昇温できるようにする。光強度増強誘電体膜84と光強度増強誘電体膜82は、両者間に通信用パルス光9を閉じ込めて、微弱な通信用パルス光によって磁性細線2を昇温できるようにする。
本実施例の記憶媒体は、微弱な通信用パルス光を有効に利用する光学的な工夫に加え、微弱な通信用パルス光9によって磁性細線2を昇温しやすくするための熱特性にも配慮している。パルス光9の照射領域では厚い光強度増強誘電体膜84を利用して断熱性を高めて磁性細線2を昇温しやすくしている。これに対して断熱が不要なデータ読取領域では、厚い光強度増強誘電体膜84を除去して検出感度を高めている。
(第5実施例)
(第5実施例)
図9は、通信用パルス光の照射領域10内に1本の磁性細線2を配置する場合を示す。カーブ91は、磁性細線の横断方向における温度分布を示し、カーブ92は、磁性細線の長さ方向における温度分布を示している。ほぼ円形の昇温領域40の中心近傍を磁性細線2が通過する位置関係を利用すると、反転磁区93の形状をほぼ矩形とすることができ、書込・読取エラーの発生を抑制することができる。
(第6実施例)
(第6実施例)
図10は、昇温領域40の左側にヒートシンク104を付加した例を示す。この場合、カーブ102に示すように、磁性細線の長さ方向における温度分布が非対象となり、照射領域10の中心から左側では急激に温度が低下する。昇温領域40は、前記中心から右側に広がるが、左側にはほとんど広がらない。この結果、単位反転磁区103の長さは短くなる。
(第7実施例)
(第7実施例)
図11は、昇温領域40の左側にヒートシンク104を付加し、右側の一部の領域に外部磁界有効領域118を形成した例を示す。この結果、単位反転磁区113の長さはさらに短くなる。
(第8実施例)
(第8実施例)
図12は、磁化方向検出装置12の動作周波数と、通信用パルス光9の点滅周波数が等しい場合の実施例を示している。この場合は、1本の磁性細線2を利用すればよい。
この実施例では、電源15から磁区が磁性細線2中を左から右に移動する電流を流し、最上流部で初期化用の磁化膜6によって磁性細線2の磁化方向を下向きに備える。光ファイバー123を通過した通信用パルス光9は集光レンズ122によって集光され、書込用の磁化膜8と磁気結合している領域を照射する。本実施例では、単位明パルスの終了時点における昇温領域のサイズと、外部磁界有効領域のサイズがほぼ等しい関係にある。外部磁界有効領域を通過する時点で明パルスであった磁区は、昇温されて磁化膜8の磁化方向(上向き)に反転される。外部磁界有効領域を通過する時点で暗パルスであった磁区は、昇温されないために、磁化膜8の磁化方向(上向き)に反転せず、下向きの磁化方向を維持する。磁化方向検出装置12は、通過する磁区毎に、磁化方向が上向きか下向きかを検出し、検出結果を時系列に従って出力する。この装置によると、通信用パルス光9が伝達するデータを1本の磁性細線2に記憶することができ、記録したデータを再生することができる。この実施例の磁性細線2は、光感応型磁性細線である。
この実施例では、電源15から磁区が磁性細線2中を左から右に移動する電流を流し、最上流部で初期化用の磁化膜6によって磁性細線2の磁化方向を下向きに備える。光ファイバー123を通過した通信用パルス光9は集光レンズ122によって集光され、書込用の磁化膜8と磁気結合している領域を照射する。本実施例では、単位明パルスの終了時点における昇温領域のサイズと、外部磁界有効領域のサイズがほぼ等しい関係にある。外部磁界有効領域を通過する時点で明パルスであった磁区は、昇温されて磁化膜8の磁化方向(上向き)に反転される。外部磁界有効領域を通過する時点で暗パルスであった磁区は、昇温されないために、磁化膜8の磁化方向(上向き)に反転せず、下向きの磁化方向を維持する。磁化方向検出装置12は、通過する磁区毎に、磁化方向が上向きか下向きかを検出し、検出結果を時系列に従って出力する。この装置によると、通信用パルス光9が伝達するデータを1本の磁性細線2に記憶することができ、記録したデータを再生することができる。この実施例の磁性細線2は、光感応型磁性細線である。
図13は、図12の実施例において、書込みに要したパワーを横軸に示し、読取れた信号の電圧を縦軸に示している。マイナス35dBm以上のパワーさえあれば、検出可能な強度の信号を読取ることが可能なことを示している。なおこの実験は、1Gpbsで実行した。
図14は、図12の実施例において、通電した電流密度を横軸に示し、得られた磁区移動速度を縦軸に示したものである。電流密度を増やせば磁区移動速度は増大し、5000m/sec以上の高速移動を実現できる。
図15は、受信感度を横軸に示し、データ転送速度を縦軸に示したものである。範囲152は従来の光通信の場合を示し、範囲151が本技術による場合のものである。本技術によって性能向上が得られる。
図16は、データの転送速度を横軸に示し、転送に要する消費電力を縦軸に示したものである。直線162は従来の光通信の場合を示し、直線161が本技術による場合のものである。本技術によって、消費電力の劇的な低減が可能となる。
図14は、図12の実施例において、通電した電流密度を横軸に示し、得られた磁区移動速度を縦軸に示したものである。電流密度を増やせば磁区移動速度は増大し、5000m/sec以上の高速移動を実現できる。
図15は、受信感度を横軸に示し、データ転送速度を縦軸に示したものである。範囲152は従来の光通信の場合を示し、範囲151が本技術による場合のものである。本技術によって性能向上が得られる。
図16は、データの転送速度を横軸に示し、転送に要する消費電力を縦軸に示したものである。直線162は従来の光通信の場合を示し、直線161が本技術による場合のものである。本技術によって、消費電力の劇的な低減が可能となる。
磁性細線の磁気特性に予め空間的な分布を付与することによって、磁性細線上に記録した磁区をより低電流で駆動することが可能となる。例えば、熱処理用レーザー光を磁性細線の中央部に集光し、その集光部を磁性細線の長さ方向に移動させる。この熱処理を予め実施しておくと、磁性細線中央部の保磁力が低下し、細線中央部の磁壁が少ない電流密度で駆動できるようになる。
波長690nmの赤色レーザーを対物レンズの開口数(NA)0.5でGdFeCo磁性細線に集光すると、細線上には1μmφ程度の光スポットが出来る。これを1μm/秒で細線に沿って連続的に照射する。すると、レーザー照射前の保磁力が850Oeだったのに対し、細線中央部の保磁力は520Oeに低下した。これにより、レーザー照射前のパルス幅3nsecの磁壁駆動電流密度は3x1011A/m2、磁壁移動速度は1900m/secだったのに対し、レーザー照射後には電流密度が0.5x1011A/m2に低減し、磁壁移動速度は3000m/secにまで高速化できた。同様の現象は予め磁性細線に大きな電流密度の電流を印加しておくことでも確認できた。すなわち、上記と同じ磁性細線に電流密度40x1011A/m2を1μsec印加すると、磁性細線中央部の保磁力が680Oeにまで低減した。これにより磁壁駆動電流密度が1.8x1011A/m2にまで低減し、磁壁移動速度が2200m/secにまで高速化した。通常の3nsecパルス幅で3x1011A/m2の磁壁駆動電流パルスを磁性細線に100回印加しても磁性細線中央の保磁力は850Oeのままなので、予め大きな電流密度のロングパルス電流を印加することが磁壁移動速度向上や駆動電流密度低減に有効であることがわかった。
この発見は本提案にとって極めて重要である。このメカニズムとして、レーザー照射や大電流印加が、磁性細線作成時の初期磁気特性のバラつきを大幅に低減させ、磁壁駆動の障害となるピンニングサイトを大幅に減少させることが考えられ、その評価には磁性細線の空間的な保磁力分布測定が有効である。
この発見は本提案にとって極めて重要である。このメカニズムとして、レーザー照射や大電流印加が、磁性細線作成時の初期磁気特性のバラつきを大幅に低減させ、磁壁駆動の障害となるピンニングサイトを大幅に減少させることが考えられ、その評価には磁性細線の空間的な保磁力分布測定が有効である。
(別例1)
図17は、4本の光ファイバー171a,171b,171c,171dに対する記憶装置を示している。記憶装置172の受光面(表面)には、図18に示すように、4組の記憶装置が形成されている。アルファベット小文字の添え字が対応関係を示しており、例えば10aは光ファイバー171aに対する照射範囲である。
本実施例では、1本の光ファイバーにつき4本の磁性細線2A,2B,2C,2Dを利用する。4本の磁性細線を利用すると、3本の磁性細線、例えば磁性細線2B,2C,2Dに順々にデータを書込んでいる間に、1本の磁性細線2Aに書込んだデータを読取ればよく、読取りに関する時間制限が緩和される。
なお1本の光ファイバーに用いる磁性細線の本数に制約はなく、図19に示すように、11本であってもよいし、それ以上であってもよい。
図17は、4本の光ファイバー171a,171b,171c,171dに対する記憶装置を示している。記憶装置172の受光面(表面)には、図18に示すように、4組の記憶装置が形成されている。アルファベット小文字の添え字が対応関係を示しており、例えば10aは光ファイバー171aに対する照射範囲である。
本実施例では、1本の光ファイバーにつき4本の磁性細線2A,2B,2C,2Dを利用する。4本の磁性細線を利用すると、3本の磁性細線、例えば磁性細線2B,2C,2Dに順々にデータを書込んでいる間に、1本の磁性細線2Aに書込んだデータを読取ればよく、読取りに関する時間制限が緩和される。
なお1本の光ファイバーに用いる磁性細線の本数に制約はなく、図19に示すように、11本であってもよいし、それ以上であってもよい。
使用に先立って磁性細線2Aから2Kの全部を下向きに着磁させておくとともに、磁性細線2Aから2Kの全部にデータを記憶したら新たな記憶媒体にデータを記憶するという利用方法が可能であり、この場合は初期磁化用の磁界発生装置は不要である。図19に示すように、照射領域10内に、通電用の導線4と、書込用の外部磁界発生装置8を配置してもよい。
図20から図22に示すように、透明基板173の表面(パルス光の照射面)側に集光レンズ22a,22b,22c,22dを配置し、裏面側に磁性細線2等を配置することが可能である。この場合、透明基板にポリカーボネイトを用いると磁区移動速度が高速化する。また、樹脂基板であるために、後記するナノインプリント技術によって安価に製造することができる。
図23は、昇温領域40と磁性細線2と非磁性導線4の関係を示している。本実施例では、外部磁界有効領域が広く広がっている。図23に示すように、磁性細線2と非磁性導線4の境界は、昇温領域40の内側にわずかに入り込んだ位置にある。製造の際には、磁性細線2のみならず、非磁性導線4の形成範囲にも、RE-TMによって配線パターンを形成しておく。その後に、非磁性導線4とする部分には、イオン注入処理を施して、磁区移動能力を失わせる。イオン注入方法を採用することによって、磁性細線2と非磁性導線4の境界を昇温領域40の内側にわずかに入り込んだ位置に調整することができる。
本実施例によると、磁性細線2が昇温領域40内に入り込んだ部分2αで磁性細線2の磁化方向が反転する。磁性細線2が昇温領域40内に入り込んだ部分2αが単位反転磁区長となる。部分2αの長さの調整によって単位反転磁区長を微細化することができる。
図24は、通信用パルス光で直接に磁性細線を照射することに代え、磁性細線に磁気結合している材料に通信用パルス光を照射し、照射によってその材料が昇温し、昇温することでその材料の磁化方向が反転する現象を得、その反転現象を磁性細線に伝搬する実施例を示す。図24の実施例では、単位明パルスの照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化する材料242と、その材料242に磁気結合している磁性細線2の組み合わせで光感応型磁性細線を形成している。
図24において、242は光磁気記憶材料に多用されている多層膜であり、記録層とメモリ層を備えている。保持温度以上に昇温すると、その昇温領域内の磁化が反転し、その反転現象が外周側に伝搬する(昇温領域を超えて外周側に伝搬する)。保持温度以下に冷却されると、冷却された領域内の磁化が再び反転し(初期磁化方向に戻る)、その再反転現象が外周側に伝搬する。参照数字242αは、材料242と磁性細線2が磁気結合している領域を示し、磁性細線2の磁化方向は、部分242αの磁化方向に揃う。磁性細線2と材料242の間は、絶縁膜243で絶縁されているが、絶縁膜243は薄く、磁気結合を妨げない。
本実施例でも、パルス光の明暗の変化パターンを、材料242を介して磁性細線2に書込むことができる。単位反転磁区の長さは、材料242と磁性細線2が磁気結合している領域の長さで調整でき、所望の長さに調整しやすい。
図25は、磁性細線2に交差するもう1本の磁性細線252を利用する実施例であり、追加された磁性細線252をパルス光で照射する。磁性細線2と磁性細線252の間は、非磁性導線254で接続している。この非磁性導線254は、磁性細線にイオン注入して磁区移動能力を失わせたものである。磁性細線2と磁性細線252が立体交差する部分では両者間に絶縁膜253を介在させ、短絡回路が形成されないようにする。
磁性細線252は、全長に亘って下向きに着磁されている。明パルスが照射領域10を照射すると、その中心は保磁温度以上に加熱される。昇温領域の周囲の磁性細線252は下向きに着磁されていることから、昇温領域には、その周囲の磁性細線252から漏洩する磁界が加えられる。下向きの磁界の中心には、上向きの磁界が生じる。この結果、昇温領域には上向きの外部磁界が作用し、その磁化方向が上向きに反転する。本実施例では、下向きに着磁された磁性細線252が外部磁界発生装置を兼用しており、その漏洩磁界を利用して昇温領域の磁化方向を反転させる。暗パルスの照射時には、昇温領域が形成されず、反転現象が生じない。
本実施例では、磁性細線252に、パルス光の明暗の変化パターンに対応して磁化方向が反転した磁区の並びが形成され、それが下方に移動し、磁性細線2と立体交差部分を通過する。立体交差部分を通過する際に、磁性細線252の磁化方向が磁性細線2に転写される。この結果、パルス光の明暗の変化パターンに対応して磁化方向が反転する磁区の並びが磁性細線2に形成され、その並びが左から右に移動する。
本実施例によると、磁性細線2に形成される単位反転磁区の長さは、磁性細線252と磁性細線2が立体交差する部分の形状で調整でき、所望の長さに調整しやすい。本実施例の磁性細線252は光感応型であるが、磁性細線2は光感応型でなくてもよい。
本実施例によると、磁性細線2に形成される単位反転磁区の長さは、磁性細線252と磁性細線2が立体交差する部分の形状で調整でき、所望の長さに調整しやすい。本実施例の磁性細線252は光感応型であるが、磁性細線2は光感応型でなくてもよい。
図26では、非磁性導線264が磁性細線2と立体交差する。非磁性導線264と磁性細線2には、非磁性導線264によって書込用の外部磁界を発生させるとともに磁性細線2内の磁壁を移動させる電流を通電する。パルス光の中心は、立体交差部分の右側にあり右側に位置する磁性細線2をよく加熱する。立体交差部分の右側では、非磁性導線264を流れる電流が、上向きの外部磁界を発生させる。
この実施例では、明パルスの照射時には、立体交差部の右側の領域で昇温して磁化方向が上向きに反転する。暗パルスの照射時には、昇温しないために反転しない。この実施例では、磁性細線2内の磁壁を移動させる電流を、書込用の外部磁界を得るための電流とすることができる。
立体交差部分の左側では電流によって下向きの磁界が発生する。磁路を配置することによって下向き磁界が磁性細線2の特定個所を集中して通過する関係を得ることができる。磁性細線の常温での保磁力以上の強度の下向き磁界を磁性細線2に印加することができ、これを初期磁化用の外部磁界とすることができる。本実施例の磁性細線2には、光感応型を用いる。
この実施例では、明パルスの照射時には、立体交差部の右側の領域で昇温して磁化方向が上向きに反転する。暗パルスの照射時には、昇温しないために反転しない。この実施例では、磁性細線2内の磁壁を移動させる電流を、書込用の外部磁界を得るための電流とすることができる。
立体交差部分の左側では電流によって下向きの磁界が発生する。磁路を配置することによって下向き磁界が磁性細線2の特定個所を集中して通過する関係を得ることができる。磁性細線の常温での保磁力以上の強度の下向き磁界を磁性細線2に印加することができ、これを初期磁化用の外部磁界とすることができる。本実施例の磁性細線2には、光感応型を用いる。
磁性細線に通電用パルス光を照射する場合、通電用パルス光が如何に微弱であっても、照射し続けることによって磁性細線2が劣化する懸念がある。図27は、光ファイバー272の先端をXYアクチュエータ273によってX方向とY方向に変位可能としている。X方向に移動することによって、利用する磁性細線を選択することができ、Y方向に移動することで照射位置を磁性細線の長さ方向に変位させことができる。これによって記憶装置の寿命を伸ばすことができる。
図27の場合、透明基板271の裏面に集光レンズ274を形成し、透明基板の表面に磁性細線2等を形成している。
図27の場合、透明基板271の裏面に集光レンズ274を形成し、透明基板の表面に磁性細線2等を形成している。
図28は、透明基板271の裏面に集光レンズ274を形成し、透明基板271の表面に磁性細線2等を形成する過程を示している。透明基板271は樹脂製であり、成形型を使って成形することが可能である。集光レンズ274は、成形型にレンズ面を形成しておくことで成形することができる。
本実施例では、成形型を利用して磁性細線形成領域に段差を作っておく。その段差形成領域にRE-TM膜を蒸着する。段差形状を調整することによって段差の頂面に堆積したRE-TM膜と、段差の底面に堆積したRE-TM膜を電磁気的に絶縁すること可能である。これによって磁性細線群を量産することができる。成形型を利用するナノインプリント技術によると、記憶装置の量産性を高めて製造コストを圧縮することができる。また、頂面に堆積したRE-TM膜と段差の底面に堆積したRE-TM膜は、図28の上下方向に分離されていることから、左右方向では隣接する磁性細線の間に隙間を形成する必要がない。単位面積あたりに形成可能な磁性細線の本数を高めることができる。
本実施例では、成形型を利用して磁性細線形成領域に段差を作っておく。その段差形成領域にRE-TM膜を蒸着する。段差形状を調整することによって段差の頂面に堆積したRE-TM膜と、段差の底面に堆積したRE-TM膜を電磁気的に絶縁すること可能である。これによって磁性細線群を量産することができる。成形型を利用するナノインプリント技術によると、記憶装置の量産性を高めて製造コストを圧縮することができる。また、頂面に堆積したRE-TM膜と段差の底面に堆積したRE-TM膜は、図28の上下方向に分離されていることから、左右方向では隣接する磁性細線の間に隙間を形成する必要がない。単位面積あたりに形成可能な磁性細線の本数を高めることができる。
なお、磁性細線2には、合金を利用する場合もあれば、多層膜を利用する場合もある。多層膜を利用する場合には、段差部分に対する蒸着工程を繰り返せばよく、ナノインプリントで製造することができる。
(他の実施形態)
図29に示すように、複数本の磁性細線A1,A2,A3,A4を、集光された通信用パルス光9Aの光軸に沿って配置してもよい。各磁性細線は薄くて透明であり、光軸に沿って配置された磁性細線A1,A2,A3,A4の全部が、通信用パルス光9Aによって保持温度以上に昇温される現象を得ることができる。この場合、磁性細線A1,A2,A3,A4の中から磁壁を移動させる電流を印加する磁性細線を選択することによって、データを書込む磁性細線を選択することができる。光軸にそって複数本の磁性細線を配置することによって記憶容量を本数分だけ増大することができる。
図29に示すように、複数本の磁性細線A1,A2,A3,A4を、集光された通信用パルス光9Aの光軸に沿って配置してもよい。各磁性細線は薄くて透明であり、光軸に沿って配置された磁性細線A1,A2,A3,A4の全部が、通信用パルス光9Aによって保持温度以上に昇温される現象を得ることができる。この場合、磁性細線A1,A2,A3,A4の中から磁壁を移動させる電流を印加する磁性細線を選択することによって、データを書込む磁性細線を選択することができる。光軸にそって複数本の磁性細線を配置することによって記憶容量を本数分だけ増大することができる。
複数本の磁性細線A1,A2,A3,A4を通信用パルス光9Aの光軸に沿って配置する場合、TEMセンサによって磁化方向を検出することが難しい。この場合は、読取用の光29を用い、磁化方向を読取る磁性細線を選択して通電する。すると、通電された磁性細線と読取用の光29の間で磁気光学現象が発生し、それを検出することで、通電した磁性細線の磁化方向を検出することができる。磁気光学効果を測定する場合、ある程度の光量が光検出器に入力される必要があるので、読取用の光29に対して、一定以上の反射率や透過率が得られる光学設計が重要となる。磁性細線2の光入射側と光透過側に配置する誘電膜または反射膜を選択することによって、光検出器に入力する読取用の光29の反射光ないし透過光の光量を確保することが可能となり、通信用パルス光9によって磁性細線2を効率よく加熱することが可能となる。両者を両立させることができる。
さらに大きな記憶容量が必要な場合は、通信用パルス光9の焦点深さが光軸方向に変位可能とする。図29の場合、9A,9B,9Cのように、通信用パルス光9の焦点深さが3段階で調整可能な場合を示している。9Bは図示されていないが、9Aと9Cの中間深さにある。
図29の場合、集光された通信光9Aに対して4本の磁性細線A1,A2,A3,A4が配置され、集光された通信光9Bに対して4本の磁性細線B1,B2,B3,B4が配置され、集光された通信光9Cに対して4本の磁性細線C1,C2,C3,C4が配置されている。磁性細線Aのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Aに示す焦点深さに調整し、磁性細線Bのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Bに示す焦点深さに調整し、磁性細線Cのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Cに示す焦点深さに調整する。例えば9B(図示されていない)に調整すると、4本の磁性細線A1,A2,A3,A4に対して は集光された通信用パルス光9Bが深すぎて保持温度に加熱されないし、4本の磁性細線C1,C2,C3,C4に対して は集光された通信用パルス光9Bが浅すぎて保持温度に加熱されない。それに対して、4本の磁性細線B1,B2,B3,B4は通信用パルス光9Bによって保持温度以上に加熱される。
この場合、読取用の光29についても焦点深さが光軸方向に変位可能とする。磁性細線Aのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Aに示す焦点深さに調整し、磁性細線Bのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Bに示す焦点深さに調整し、磁性細線Cのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Cに示す焦点深さに調整する。
図29の場合、集光された通信光9Aに対して4本の磁性細線A1,A2,A3,A4が配置され、集光された通信光9Bに対して4本の磁性細線B1,B2,B3,B4が配置され、集光された通信光9Cに対して4本の磁性細線C1,C2,C3,C4が配置されている。磁性細線Aのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Aに示す焦点深さに調整し、磁性細線Bのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Bに示す焦点深さに調整し、磁性細線Cのうちのいずれかの1本に記憶する場合は、9Cに示す焦点深さに調整する。例えば9B(図示されていない)に調整すると、4本の磁性細線A1,A2,A3,A4に対して は集光された通信用パルス光9Bが深すぎて保持温度に加熱されないし、4本の磁性細線C1,C2,C3,C4に対して は集光された通信用パルス光9Bが浅すぎて保持温度に加熱されない。それに対して、4本の磁性細線B1,B2,B3,B4は通信用パルス光9Bによって保持温度以上に加熱される。
この場合、読取用の光29についても焦点深さが光軸方向に変位可能とする。磁性細線Aのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Aに示す焦点深さに調整し、磁性細線Bのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Bに示す焦点深さに調整し、磁性細線Cのうちのいずれかの1本のデータを読取る場合は、29Cに示す焦点深さに調整する。
前記したように1本の通信用光ファイバーを波長や偏光面が異なる複数種類のパルス光が通過することがある。この場合は、種類ごとのパルス光に分光することができる。そうして分光したパルス光に対して図29の装置を適用することができる。例えば、波長がλ1のパルス光を9Aのように集光してA1~A4の磁性細線に記憶し、波長がλ2のパルス光を9Bのように集光してB1~B4の磁性細線に記憶し、波長がλ3のパルス光を9Cのように集光してC1~C4の磁性細線に記憶することができる。
図30は、通信光9の照射領域を狭く限定するために、プラズモンアンテナを利用する実施例を示す。プラズモンアンテナ30a,30bを利用すると、通信用パルス光9の照射領域を30cに示す狭い範囲に集中することができ、磁性細線2Aの昇温効果を高め、反転磁区長を短くしてデータの記憶密度を高めることができる。プラズモンアンテナ30d,30eを利用すると、通信用パルス光9の照射領域を30fに示す狭い範囲に集中することができ、磁性細線2Bの昇温効果を高め、反転磁区長を短くしてデータの記憶密度を高めることができる。
図31に示すように、プラズモンアンテナ31a,31b,31cを利用して、通信用パルス光9の照射領域を、磁性細線2A上の狭い領域31dと磁性細線2B上の狭い領域31eに集中することもできる。
図31に示すように、プラズモンアンテナ31a,31b,31cを利用して、通信用パルス光9の照射領域を、磁性細線2A上の狭い領域31dと磁性細線2B上の狭い領域31eに集中することもできる。
図32に示すように、磁性細線2が分岐線2aと2bに分岐していてもよい。この場合分岐前の磁性細線2に形成された磁区の並びが、分岐した磁性細線2aと2bの両方に移動して記憶され、データのミラーリングが可能となる。分岐線の本数には制約がなく、3本以上であってもよい。また分岐点の数にも制約がなく、複数個所で分岐してもよい。
連続した磁性細線の長さに沿った位置に応じて、磁区移動速度を変えることができる。図32の場合、分岐前の磁性細線2には2Iの電流が流れ、分岐後の磁性細線2a,2bの各々にIの電流が流れる。この結果、分岐前の磁性細線2では磁区移動速度が速く、分岐後の磁性細線2a、2bでは磁区移動速度が遅い。たとえば、分岐前の磁性細線2における磁区移動速度が2500m/secであり、分岐後の磁性細線2a、2bにおける磁区移動速度が1250m/secであるといった現象が得られる(電流と磁区移動側は必ずしも比例しないが、比例する場合もある)。この場合、分岐前の磁性細線2における磁区32Aの長さが250nmあり、分岐後の磁性細線2a、2bにおける磁区32B,32Cの長さ125nmあるといった関係を得ることができ、記憶密度を高めることができる。
図33に示すように、1本の光感応型磁性細線330に記憶したデータを複数本の磁性細線に分散させて転写・記憶することができる。図33の場合は、331~346に示す(ただし333~344の参照番号の表示を省略している)16本の磁性細線に転写・記憶する。磁性細線330には、領域370にパルス光を照射し、パルス光の明暗の変化パターンに対応して磁化方向が変化する磁区の並びを記憶する。矢印350は磁性細線330の磁区移動方向を示す。単位明パルスによって磁化方向が反転する材料を介して、磁性細線330に磁区の並びを記憶してもよい。
16本の磁性細線331~346は、磁性細線330における単位磁区長に対応する間隔で1本の磁性細線330に立体交差している。矢印351は磁性細線331~346の磁区移動方向を示している。
本実施例では、データに応じて磁区の磁化方向を変える書込磁性細線330に対して、複数本の転写磁性細線331~346が、磁性細線330における単位磁区長に対応する間隔で立体交差しており、立体交差部分で磁気結合している。
本実施例によると、第1の転写磁性細線331に第1,17,33,49・・・ビットのデータが記憶され、第2の転写磁性細線332に第2,18,34,50・・・ビットのデータが記憶され、第15の転写磁性細線345に第15,31,47,63・・・ビットのデータが記憶され、第16の転写磁性細線346に第16,32,48,64・・・ビットのデータが記憶される。
なお図33の360は、後記するM-RAMを示す。
16本の磁性細線331~346は、磁性細線330における単位磁区長に対応する間隔で1本の磁性細線330に立体交差している。矢印351は磁性細線331~346の磁区移動方向を示している。
本実施例では、データに応じて磁区の磁化方向を変える書込磁性細線330に対して、複数本の転写磁性細線331~346が、磁性細線330における単位磁区長に対応する間隔で立体交差しており、立体交差部分で磁気結合している。
本実施例によると、第1の転写磁性細線331に第1,17,33,49・・・ビットのデータが記憶され、第2の転写磁性細線332に第2,18,34,50・・・ビットのデータが記憶され、第15の転写磁性細線345に第15,31,47,63・・・ビットのデータが記憶され、第16の転写磁性細線346に第16,32,48,64・・・ビットのデータが記憶される。
なお図33の360は、後記するM-RAMを示す。
図34は、磁性細線330のデータを3本の磁性細線331,332,333に分散して記憶するプロセスを示している。簡単のために、ここでは(a)に示すように、単位明パルスと単位暗パルスが交互に繰り返す場合を説明する。(c)から(g)は、磁性細線330と,転写磁性細線331,332,333における磁区を模式的に示しており、左下がりのハッチは、磁性細線330内の反転磁区を示し、右下がりのハッチは、転写磁性細線331,332,333内の反転磁区を示し、両者が重複する領域には、クロスハッチを付している。時刻t4は、第4ビットに相当する単位暗パルスの終了時刻を示し、磁性細線330内の各磁区の右端が転写磁性細線331,332,333の右端に一致している。時刻t4aは、時刻t4から磁性細線330内の各磁区が右進し、磁性細線330内の各磁区の左端が、転写磁性細線331,332,333の左端に一致した時刻を示している。時刻t4からt4aの期間は、各転写磁性細線331,332,333の磁性細線330と磁気結合している領域の磁化方向が変化しない。(b)に示すように、時刻t4からt4aの期間内に、転写磁性細線331,332,333の磁区を上方に移動させる電流を通電すると、前記期間内に前記磁化方向を持つ磁区が上方に移動する。転写磁性細線331に第1ビットのデータが記憶され、転写磁性細線332に第2ビットのデータが記憶され、転写磁性細線332に第3ビットのデータが記憶される。
時刻t7は、第7ビットに相当する単位明パルスの終了時刻を示し、磁性細線330内の各磁区の右端が転写磁性細線331,332,333の右端に一致している。すなわち第4ビットに対応する磁区の右端が転写磁性細線331の右端に一致し、第5ビットに対応する磁区の右端が転写磁性細線332の右端に一致し、第6ビットに対応する磁区の右端が転写磁性細線333の右端に一致している。時刻t7aは、磁性細線330内の各磁区が右進し、磁性細線330内の各磁区の左端が転写磁性細線331,332,333の左端に一致した時刻を示している。すなわち、第4ビットに対応する磁区の左端が転写磁性細線331の左端に一致し、第5ビットに対応する磁区の左端が転写磁性細線332の左端に一致し、第6ビットに対応する磁区の左端が転写磁性細線333の左端に一致している。時刻t7からt7aの期間は、各転写磁性細線331,332,333の磁性細線330と磁気結合している領域の磁化方向が変化しない。(b)に示すように、時刻t7からt7aの期間内に、磁性細線331,332,333の磁区を上方に移動させる電流を通電すると、前記期間内に前記磁化方向を持つ磁区は上方に移動する。転写磁性細線331に第4ビットのデータが新たに記憶され、転写磁性細線332に第5ビットのデータが新たに記憶され、転写磁性細線332に第6ビットのデータが新たに記憶される。
上記の結果、(g)に示すように、転写磁性細線331に第1,4・・・ビットのデータが記憶され、転写磁性細線332に第2,5・・・ビットのデータが記憶され、転写磁性細線332に第3,6・・・ビットのデータが記憶される。各転写磁性細線331,332,333におけるデータ伝送速度は、磁性細線330におけるデータ伝送速度の1/3まで遅くなっている。(a)(b)から明らかに、転写用磁性細線には、(a)に示す通信用パルス光の複数パルスおきに、(b)に示す電界を印可する。図34の場合、通信用パルス光の3パルスおきに転写磁性細線に電界を印可する。
転写磁性細線331,332,333では磁区が間欠的に移動し、停止期間を利用してデータを読取ることができる。またデータの読取りに利用可能な期間が長くとれ、データ読取り処理に割当てる時間を長時間化することができる。
転写磁性細線331,332,333では磁区が間欠的に移動し、停止期間を利用してデータを読取ることができる。またデータの読取りに利用可能な期間が長くとれ、データ読取り処理に割当てる時間を長時間化することができる。
図1に示したセンサ12には、TMRセンサを用いることができる。TMRセンサは、図35に示すように、磁性細線の磁区380と中間層382と磁化方向が下向きに固定されている固定層384の直列抵抗をセンサ386によって検出する。磁区380と固定層384の磁化方向が一致していれば低抵抗となり、一致していなければ高抵抗となることから、抵抗を検出するセンサ386の出力によって磁性細線380の磁化方向を検出することができる。図36に示すようにフリー層390と中間層382と固定層384とセンサ386が積層されている既存のTMRセンサに絶縁層388を介して磁性細線380を密着させてもよい。フリー層390には、磁性細線380の磁化方向が転写される。磁区380の磁界方向に依ってセンサ386が検出する抵抗値が変化する。
抵抗値を検出する構造に代えて、その抵抗によってオン・オフするトランジスタに置換えることができる。図37は図35のセンサ386をトランジスタ392に置換えたものであり、M―RAMとなっている。図38は、図36と同様に、既存のM―RAMに絶縁層388を介して磁性細線380を密着させたものである。磁区380の磁化方向に依存してトランジスタ392はオン・オフする。たとえば、磁区380の磁化方向が反転していればトランジスタ392がオフし、磁区380の磁化方向が反転していなければ、トランジスタ392がオンする関係を得ることができる。逆に、トランジスタ392のオンまたはオフから、磁区380の磁化方向、その磁区に対応するパルスの明暗、さらには磁性細線に書込まれたデータの1,0が判明する。図37と図38の構造は、M―RAMそのものであり、データにランダムにアクセスして演算することを可能する。すなわち、HDD17に伝送する際に、データを用いた演算を可能とする。
図39に示すように、1本の通信用光ファイバー391を通過するデータを、複数本の光感応型磁性細線に分散して記憶することができる。図39は、25本の磁性細線392-1~392-25に分散して記憶する実施例を示し、第1磁性細線に392-1に、第1,26,51・・・ビットのデータを記憶し、第2磁性細線に392-2に、第2,27,52・・・ビットのデータを記憶し、第25磁性細線に392-25に、第25,50,75・・・ビットのデータを記憶する。
通信用光ファイバー391には、25個のEO変調器EO1~EO25が取り付けられている。各EO変調器は、電圧を印加するか否かで、光ファイバー391のクラッドの屈折率が変化する現象を利用する。電圧を印加しなければ、クラッドの屈折率は通常の値であり、通信光はコアに閉じ込められた状態で光ファイバーの長さに沿って進行する。EO変調器に電圧を印加すると、クラッドの屈折率が増大し、通信光はコアからクラッドを経て光ファイバー外に漏れ出る。漏れ出た通信光が集光レンズで集光され、対応する光感応型磁性細線を照射する。
本実施例では、図39の(3)に示すように、単位明パルス時間Tと単位暗パルス時間Tがともに40psecであり、通信速度は25Gbpsである。コアの屈折率は1.5である。
図39の(1)は、時刻t1における光ファイバー391内の通信光の明暗の分布を示している。通信用光ファイバー391内における通信光速度は、真空中の光速度/コアの屈折率の関係にあることから、明領域の長さLと暗領域の長さLは8mmとなっている。25個のEO変調器EO1~EO25は、 明領域の長さLと暗領域の長さLに等しい8mmの間隔で配置されている。なお矢印Aは、明領域と暗領域の進行方向を示し、ハッチは明領域を示し、ハッチのない領域は暗領域を示している。また1,2等の数字は、ビット番号を示している。
時刻t1は、光ファイバー391内の明領域と暗領域(以下では総称してパルス領域という)の先端が各EO変調器の右端に一致した時刻を示している。この時刻において第1EO変調器EO1に対応するパルス領域を第1ビットとすると、第2EO変調器EO2に対して第2ビットが対応し、第25EO変調器EO25に対して第25ビットが対応する位置にある。
図39の(2)に示す時刻t1aは、パルス領域の後端が各EO変調器の左端に一致した時刻を示している。時刻t1~t1aの間は、第1EO変調器EO1に対して第1ビットが対応し続け、第2EO変調器EO2に対して第2ビットが対応し続け、第25EO変調器EO25に対して第25ビットが対応し続ける位置にあることが分かる。
時刻t1~t1aの間に、EO変調器EO1~EO25に電圧を印加すれば、第1ビットの通信光が第1磁性細線392-1を照射し、第2ビットの通信光が第2磁性細線392-2を照射し、第25ビットの通信光が第25磁性細線392-25を照射する。磁性細線を照射する通信光が明であれば、磁性細線の照射領域の磁区は反転し、磁性細線を照射する通信光が暗であれば、磁性細線の照射領域の磁区は反転しない。ハッチ付きの磁区は反転磁区を示し、ハッチのない磁区は非反転磁区を示している。光感応型磁性細線に、通信光が伝達するデータが書き込まれる。
図39の(2)に示す時刻t1aは、パルス領域の後端が各EO変調器の左端に一致した時刻を示している。時刻t1~t1aの間は、第1EO変調器EO1に対して第1ビットが対応し続け、第2EO変調器EO2に対して第2ビットが対応し続け、第25EO変調器EO25に対して第25ビットが対応し続ける位置にあることが分かる。
時刻t1~t1aの間に、EO変調器EO1~EO25に電圧を印加すれば、第1ビットの通信光が第1磁性細線392-1を照射し、第2ビットの通信光が第2磁性細線392-2を照射し、第25ビットの通信光が第25磁性細線392-25を照射する。磁性細線を照射する通信光が明であれば、磁性細線の照射領域の磁区は反転し、磁性細線を照射する通信光が暗であれば、磁性細線の照射領域の磁区は反転しない。ハッチ付きの磁区は反転磁区を示し、ハッチのない磁区は非反転磁区を示している。光感応型磁性細線に、通信光が伝達するデータが書き込まれる。
図39の(1)における時刻t2は、時刻t1から40psec×25パルス時間だけ経過した時刻を示す。時刻t2では、第1変調器EO1に対して第26ビットが対応する位置にあり、第2EO変調器EO2に対して第27ビットが対応する位置にあり、第25EO変調器EO25に対して第50ビットが対応する位置ある。時刻t2においてEO変調器EO1~EO25に電圧を印加すれば、第26ビットのデータが第1磁性細線392-1に記憶され、第27ビットのデータが第2磁性細線392-2に記憶され、第50ビットのデータが第2磁性細線392-25に記憶される。
各磁性細線は、データ光が明であれば反転磁区が形成され、データ光が暗であれば非反転磁区が形成される。その磁区の磁区長はほぼ1μmである。各磁性細線には、矢印B方向に磁区を移動させる電流を通電している。この記憶装置の場合、25ビットごとに1回の記憶処理を実施する。記憶処理の周期は1000psecである。各磁性細線では、磁区が1μm/1000psecの速度(1000m/秒)で移動する電流を通電する。
図では寸法比が不正確であるが、隣接するEO変調器の間隔Lが8mmであるのに対し、磁性細線の幅Wはほぼ1μmである。そこで、図39の(4)に示すように、隣接する磁性細線の間に1μmの間隔Gを確保しながら、隣接するEO変調器の間隔L内に、4000本の磁性細線を配置することが可能である。EO変調器群に対して、磁性細線群が矢印A方向に相対移動可能とすれば、4000本の磁性細線の中からデータを記憶する磁性細線を選択することが可能となる。記憶容量を4000倍することできる。
上記は一実施例であり、それに限定されない。例えば、通信速度が100Gbpsであり、パルス時間が10psecの場合、隣接するEO変調器の間隔Lを2mmとし、磁性細線中の磁区の移動速度を6000m/秒に調整すればよく、いずれも調整可能である。また隣接するEO変調器の間隔Lに複数本の磁性細線を配置することもできる。
1:記憶装置
2:磁性細線
4:非磁性導線
6:初期化用の外部磁界発生装置
8:書込用の外部磁界発生装置
9:通信用光ファイバー-通過したパルス光
10:照射領域
12:磁化方向検出装置(センサ)列
14:スイッチ
15:直流電源
16:制御装置
17:ハードディスク装置18:基板
19:絶縁膜
40:昇温領域
242:磁化方向反転・伝搬材料
273:XYアクチュエータ
2:磁性細線
4:非磁性導線
6:初期化用の外部磁界発生装置
8:書込用の外部磁界発生装置
9:通信用光ファイバー-通過したパルス光
10:照射領域
12:磁化方向検出装置(センサ)列
14:スイッチ
15:直流電源
16:制御装置
17:ハードディスク装置18:基板
19:絶縁膜
40:昇温領域
242:磁化方向反転・伝搬材料
273:XYアクチュエータ
Claims (19)
- 光感応型磁性細線と電界印加装置と書込装置を備えており、
前記光感応型磁性細線は、通信用パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化するとともに電界が印加されると磁区が長さ方向に移動する性質を備えており、
前記電界印加装置は、前記光感応型磁性細線に前記電界を印加し、
前記書込装置は、前記通信用パルス光が明パルスのときは前記明パルスの照射による昇温と前記外部磁界を利用して前記照射領域の磁化方向を前記外部磁界の方向に変化させ、前記通信用パルス光が暗パルスのときは前記磁化方向を変化させないことを特徴とする記憶装置。 - 単位明パルスの持続時間を単位明パルス時間とし、単位暗パルスの持続時間を単位暗パルス時間とし、単位明パルスの照射によって磁化方向が変化する領域の前記光感応型磁性細線の長さに沿った距離を単位反転磁区長としたときに、前記電界印加装置が、「磁区移動速度」>「単位反転磁区長/(単位明パルス時間+単位暗パルス時間)」の関係を満たす磁区移動速度をもたらす強度の電界を印加することを特徴とする請求項1に記載の記憶装置。
- 前記光感応型磁性細線の複数本が存在し、
前記電界印加装置が、前記電界を印加する前記光感応型磁性細線を時分割方式で選択することを特徴とする請求項1または2に記載の記憶装置。 - 複数本の転写磁性細線と、その転写磁性細線群に電界を印加する転写用電界印加装置をさらに備えており、
前記転写磁性細線群は、単位磁区長に対応する間隔で、前記光感応型磁性細線に磁気結合しており、
前記転写用電界印加装置が、前記通信用パルス光の複数パルスおきに、前記転写磁性細線群に前記電界を印可することを特徴とする請求項1または2に記載の記憶装置。 - 前記通信用パルス光が通過する光ファイバーと、複数本の前記光感応型磁性細線と、複数個のEO変調器を備えており、
前記光ファイバーに対して、前記複数個のEO変調器が、前記光ファイバー内の単位パルス領域長に等しい間隔で配置されており、
各EO変調器に対して、各光感応型磁性細線が配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の記憶装置。 - 前記光感応型磁性細線が、前記単位明パルスの照射領域の磁化方向が前記外部磁界の方向に変化する材料で形成されている磁性細線であることを特徴とする1~5のいずれかの1項に記載の記憶装置。
- 前記光感応型磁性細線が、前記単位明パルスの照射領域の磁化方向が前記外部磁界の方向に変化する材料と、その材料に磁気結合している磁性細線の組み合わせで形成されていることを特徴とする1~5のいずれかの1項に記載の記憶装置。
- 前記書込装置が、外部磁界発生装置を備えていることを特徴とする請求項1~7のいずれかの1項に記載の記憶装置。
- 前記書込装置が、非反転領域からの漏洩磁界を前記外部磁界に利用することを特徴とする請求項1~7のいずれかの1項に記載の記憶装置。
- 基板上に、通信用パルス光が含む単位明パルスに照射されると照射領域の磁化方向が外部磁界の方向に変化するとともに電界が印加されると磁区が長さ方向に移動する性質を備えている光感応型磁性細線が形成されている記憶媒体。
- 透明基板の片側面に集光レンズが形成されており、
前記透明基板の反対面に前記光感応型磁性細線が形成されていることを特徴とする請求項10に記載の記憶媒体。 - 前記透明基板が樹脂基板であり、その樹脂基板の一部に前記集光レンズに成形されていることを特徴とする請求項11に記載の記憶装置。
- 前記透明基板が樹脂基板であり、その樹脂基板の一部の範囲に段差が形成されており、その範囲にRE-TM膜が製膜されており、前記段差によってRE-TM膜が複数本の前記光感応型磁性細線に分離されていることを特徴とする請求項11または12に記載の記憶装置。
- 前記光感応型磁性細線と室温との間の断熱性が、前記光感応型磁性細線に前記通信用パルス光を照射する領域では高く、前記光感応型磁性細線の磁化方向を検出する領域では低いことを特徴とする請求項10~13のいずれかの1項に記載の記憶媒体。
- 前記光感応型磁性細線に前記通信用パルス光を照射する領域の一部にヒートシンクが形成されていることを特徴とする請求項10~13のいずれかの1項に記載の記憶媒体。
- 前記光感応型磁性細線の磁化方向を検出する検出装置を備えており、
前記検出装置が、前記光感応型磁性細線の磁化方向に依存してオン・オフするトランジスタを備えていることを特徴とする請求項10~15のいずれかの1項に記載の記憶媒体。 - 前記光感応型磁性細線の磁化方向を検出する検出装置の複数個を備えていることを特徴とする請求項10~16のいずれかの1項に記載の記憶媒体。
- 成形型を使って、集光レンズを成形した透明樹脂基板を成形する工程と、
前記透明樹脂基板上に光感応型磁性細線を製造する工程を備えている記憶媒体製造方法。 - 成形型を使って、一部の領域に段差が成形されている樹脂基板を成形する工程と、
前記樹脂基板の段差成形領域に製膜して複数本の光感応型磁性細線を製造する工程を備えている記憶媒体製造方法。
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