JP2023055588A - 磁壁移動素子の初期化方法および磁気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流供給により磁性細線の磁壁を移動させて書込みをする磁壁移動素子について、電流密度を高くすることなく磁壁を生成することができる初期化方法を提供する。【解決手段】磁壁移動素子１０は、垂直磁気異方性の磁性層１１とスピンホール効果を有するチャネル層１２とを積層してｘ方向に沿った細線状に形成してなる磁性細線１、および磁性細線１の下側に配置された磁性細線１に沿った棒磁石状のナノ磁石５４ａ，５４ｂを備える。外部磁界を下向きに印加して磁性層１１を下向きの単磁区とした後、外部磁界Ｈinitを細線方向に印加しながら電流Ｉinitを磁性細線１に供給することにより、磁性層１１のナノ磁石５４ａの漏れ磁界Ｈpinが上向きに印加されている領域で、磁化反転する。【選択図】図５Ｃ

Description

本発明は、磁壁移動素子の初期化方法、ならびに、磁壁移動素子を二次元配列した磁気メモリまたは空間光変調器を備える磁気装置に関する。

メモリセルにおける磁気抵抗効果素子の抵抗の高低を２値のデータとする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive Random Access Memory：ＭＲＡＭ）においては、書込み、すなわち磁気抵抗効果素子の一部の磁性膜（自由層）の磁化反転方式として、初期の磁界印加方式に対して、高速化およびセルの微細化のために、電流を膜面垂直に供給する方式のＳＴＴ（Spin Transfer Torque：スピン注入トルク）－ＭＲＡＭが開発されている。そしてさらなる高速化のために、磁壁移動方式のＭＲＡＭ（例えば、特許文献１、非特許文献１）や、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque：スピン軌道トルク）－ＭＲＡＭ（例えば、特許文献２，３）が開発されている。

磁壁移動方式は、磁気抵抗効果素子の自由層を両側に延伸した細線状に形成して、その長手方向の所定の２点間における磁化方向を変化させる。詳しくは、幅が数ｎｍ～数百ｎｍの細線状に形成された磁性体（以下、磁性細線）は、その長手方向に２以上の磁区が生成し易く、さらに当該長手方向（細線方向）に電流を所定の電流密度以上で供給されると、磁区同士を区切るように生成している磁壁がＳＴＴ効果によって電流の逆方向に（正極側へ）移動する。また、このような磁性細線の所定領域（磁化反転可能領域）における磁化反転を利用して、磁性細線を磁気光学材料で形成して光変調素子とした磁気光学式の空間光変調器が開発されている（例えば、特許文献４，５）。

ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の自由層に、Ｔａ（タンタル）等のスピンホール効果（Spin Hall Effect：ＳＨＥ）を有するスピンホール層を積層して備える。スピンホール層は、膜面（ｘｙ面）内における一方向（ｘ方向）に電流を供給されると、ｙ方向の互いに逆向きのスピンを有する電子が上下の各表層に分かれて蓄積され、自由層との界面近傍の電子が自由層の磁化方向を反転させる。ＳＯＴ効果は磁性細線における磁壁移動にも作用することが知られ（例えば、非特許文献２～７）、ＳＴＴ効果を超える磁壁移動の高速化、低電流化が期待されている。さらに非特許文献４では、磁壁の磁気構造によって磁壁を移動させるスピンの向きが異なることが報告されている。また、非特許文献７では、外部から面内方向に磁界を印加することで、磁壁移動が高速化することが報告されている。また、ＳＯＴ効果を利用した、磁性細線を光変調素子とした空間光変調器が開発されている（例えば、特許文献６）。

特許第５５９８６９７号公報 国際公開第２０１７／０９０７３０号 国際公開第２０１９／０５４４８４号 特許第４９３９４８９号公報 特開２０１８－０７３８７１号公報 特開２０２０－１３４７５４号公報

S. Fukami, T. Suzuki, K. Nagahara, N. Ohshima, Y. Ozaki, S. Saito, R. Nebashi, N. Sakimura, H. Honjo, K. Mori, C. Igarashi, S. Miura, N. Ishiwata, T. Sugibayashi, "Low-Current Perpendicular Domain Wall Motion Cell for Scalable High-Speed MRAM", 2009 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 12A-2 Luqiao Liu, O. J. Lee, T. J. Gudmundsen, D. C. Ralph, R. A. Buhrman, "Current-Induced Switching of Perpendicularly Magnetized Magnetic Layers Using Spin Torque from the Spin Hall Effect", Physical Review Letters, Volume 109, 096602, 2012 Soo-Man Seo, Kyoung-Whan Kim, Jisu Ryu, Hyun-Woo Lee, Kyung-Jin Lee, "Current-induced motion of a transverse magnetic domain wall in the presence of spin Hall effect", Applied Physics Letters, Volume 101, 022405 (2012) A. V. Khvalkovskiy, V. Cros, D. Apalkov, V. Nikitin, M. Krounbi, K. A. Zvezdin, A. Anane, J. Grollier, A. Fert, "Matching domain-wall configuration and spin-orbit torques for efficient domain-wall motion", Physical Review B87, 020402(R), 2013 Kab-Jin Kim, et al., "Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets", Nature Materials volume 16, pp. 1187-1192, 2017 黒川雄一郎，粟野博之，"Pt/[Tb/Co]n多層配線の電流誘起磁壁移動におけるPt層の効果"，第40回 日本磁気学会学術講演概要集，5pE-3，２０１６年 Kenichi Aoshima, Nobuhiko Funabashi, Ryo Higashida, Kenji Machida, "Current induced domain wall motion with a Ta/Gd-Fe/Si-N magnetic nanowire for a magneto-optical light modulator", AIP Advances 10, 015336, 2020

磁性細線を備える磁気抵抗効果素子や光変調素子（以下、磁壁移動素子）を二次元配列したＭＲＡＭや空間光変調器は、初期設定として、すべての磁壁移動素子の磁性細線について、磁化反転可能領域の一端に磁壁を生成して、磁化反転可能領域における磁化方向を揃える必要がある。そのために、一例として、磁壁移動素子が磁性細線の端部における下側に硬磁性体を備えて、外部磁界印加により硬磁性体および磁性細線をそれぞれ一様な磁化方向とした後に、磁性細線に電流を供給して、硬磁性体から印加される磁界で局所的に磁化反転させて磁壁を生成する。この磁壁を生成するための電流の電流密度が高いので、磁壁移動に必要な電流がＳＯＴ効果等で小さくすることができても、初期設定で大電流を供給されるために、配線や磁壁移動素子毎に設けられるスイッチング素子（トランジスタ）を大電流に耐えられる構造とする必要がある。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、供給する電流の電流密度を高くすることなく、磁性細線に磁壁を生成することができる磁壁移動素子の初期化方法、ならびに電流密度の高くない電流による初期化が可能な磁気メモリや空間光変調器を備える磁気装置を提供することが課題である。

すなわち、本発明に係る磁壁移動素子の初期化方法は、垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、前記一部を含まない所定領域内を細線方向に移動する磁壁移動素子の初期化方法である。そして、前記磁壁移動素子の初期化方法は、前記硬磁性材料が垂直磁気異方性を有し、前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界を上向きまたは下向きに印加する第１磁化工程と、前記磁壁移動素子に磁界を細線方向における一方向に印加しながら、前記磁性細線に電流を細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行う。また、前記磁壁移動素子の別の初期化方法は、前記硬磁性材料が面内磁気異方性を有し、前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界を、前記磁性細線の細線方向における一方向に印加する第１磁化工程と、前記磁壁移動素子に、前記磁性層の保磁力以上の磁界を、上向きまたは下向きに印加する第２磁化工程と、前記磁壁移動素子に前記磁界印加部材の保磁力未満の磁界を細線方向における一方向に印加しながら、前記磁性細線に電流を細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行う。あるいは、前記第２磁化工程を行わず、前記初期磁区形成工程を、前記磁界の印加方向または前記電流の供給方向の一方を反転させて２回行う。かかる手順により、磁壁移動素子の磁性細線に電流密度の高くない電流を供給して、磁性細線を局所的に磁化反転させて磁壁を生成させることができる。

本発明に係る磁気装置は、二次元配列した磁壁移動素子および前記磁壁移動素子毎のスイッチング素子を備える空間光変調器と、前記磁壁移動素子に前記スイッチング素子を介して電流を供給する電流源と、前記空間光変調器のすべての前記磁壁移動素子に磁界を印加する磁界印加手段と、を備える。前記磁気装置において、前記磁壁移動素子は、垂直磁気異方性の磁気光学材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性層の所定領域を細線方向に挟む両外側の少なくとも一方の領域に、前記磁界印加部材が発する磁界が前記磁性細線の膜面垂直方向に印加され、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されることにより、前記磁性層に生成している磁壁が細線方向に移動して前記磁性層の前記所定領域における磁化方向が反転するように構成される。そして、前記空間光変調器は、前記磁壁移動素子を、前記磁性細線の細線方向を揃えて二次元配列し、前記磁界印加手段は、前記磁性細線の細線方向に磁界を印加することを特徴とする。

本発明に係る別の磁気装置は、二次元配列した磁壁移動素子および前記磁壁移動素子毎のスイッチング素子を備える磁気メモリと、前記磁壁移動素子に前記スイッチング素子を介して電流を供給する電流源と、前記磁気メモリのすべての前記磁壁移動素子に磁界を印加する磁界印加手段と、を備える。前記磁気装置において、前記磁壁移動素子は、垂直磁気異方性の磁気光学材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の所定領域における前記磁性層側に順次積層した非磁性金属膜または絶縁膜の一方および前記磁性層の保磁力以上の保磁力を有する垂直磁気異方性材料からなる参照層と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性層の前記所定領域を細線方向に挟む両外側の少なくとも一方の領域に、前記磁界印加部材が発する磁界が前記磁性細線の膜面垂直方向に印加され、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されることにより、前記磁性層に生成している磁壁が細線方向に移動して前記磁性層の前記所定領域における磁化方向が反転するように構成される。そして、前記磁気メモリは、前記磁壁移動素子を、前記磁性細線の細線方向を揃えて二次元配列し、前記磁界印加手段は、前記磁性細線の細線方向に磁界を印加することを特徴とする。

かかる構成により、磁気装置の空間光変調器や磁気メモリにおいて、磁界印加手段で磁性細線の磁性層を一様な磁化方向とした後に、磁性細線の細線方向に磁界印加手段が磁界を印加しながら電流源が電流を供給することにより、前記電流の電流密度が高くなくても磁性層に磁壁を生成することができる。

本発明に係る磁壁移動素子の初期化方法によれば、磁壁移動素子の磁性細線に電流密度の高い電流を供給する必要がないので、磁性細線、および磁性細線に接続されるスイッチング素子や配線を大電流に耐える構造とする必要がない。そして、本発明に係る磁気装置によれば、空間光変調器や磁気メモリの高精細化が容易となる。

本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 磁性細線におけるネール型磁壁の磁気構造、およびスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。 磁性細線におけるネール型磁壁の磁気構造、および磁界印加とスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。 磁性細線におけるネール型磁壁の磁気構造、および磁界印加とスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における第１磁化工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における第２磁化工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す磁壁移動素子を備える空間光変調器の等価回路図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法における第１磁化工程後の模式図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の変形例の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の変形例の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 図８Ａおよび図８Ｂに示す磁壁移動素子を備える磁気メモリの等価回路図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における第１磁化工程を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における第２磁化工程を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法における初期磁区形成工程を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の変形例の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子の変形例の構造および動作を模式的に説明する断面図である。 本発明に係る初期化方法を実施した、磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルの磁性細線の磁気光学顕微鏡写真である。 本発明に係る初期化方法を実施した、磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルの磁性細線の磁気光学顕微鏡写真である。 比較例に係る初期化方法を実施した、磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルの磁性細線の磁気光学顕微鏡写真である。

以下、本発明に係る磁壁移動素子の初期化方法および磁気装置を実現するための形態について、図面を参照して説明する。図面に示す磁壁移動素子および磁気装置、ならびにそれらの要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。

〔第１実施形態〕
（磁壁移動素子）
本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子（以下、第１実施形態に係る磁壁移動素子）１０は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、垂直磁気異方性材料からなる磁性層１１とスピンホール効果を有するチャネル層１２とを上から順に積層して細線状に形成してなる磁性細線１と、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に互いに細線方向に離間して接続した、面内磁気異方性の硬磁性材料からなるナノ磁石（磁界印加部材）５４ａ，５４ｂと、を備え、さらに、ナノ磁石５４ａ，５４ｂの下面に接続する電極６１，６２を備える。また、磁壁移動素子１０においては、磁性細線１の周囲等の空白部に絶縁体が設けられる。本明細書では適宜、磁性細線１の細線方向をｘ方向、細線幅方向をｙ方向、厚さ方向をｚ方向と称する。磁壁移動素子１０は、光変調素子であり、上方から入射した光を反射して偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射する（例えば、特許文献４，５参照）。したがって、磁壁移動素子１０は、後記するように、画素として二次元配列されて空間光変調器９０を構成する。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。

磁性層１１は、磁壁移動素子１０の主要部材であり、一部の領域の磁化方向が上向きまたは下向きの所望の方向を示して、カー効果により、入射した光を反射する際に偏光方向を２値の角度（＋θ_k／－θ_k）に変化させる。磁性層１１は、細線状に形成された垂直磁気異方性材料からなり、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、磁壁ＤＷによって細線方向に区切られ、異なる磁化方向（図中、ハッチングを付した矢印で表す）の２つの磁区、すなわち上向きの磁区と下向きの磁区とに分割されている。磁性層１１は、後記するように、この磁壁ＤＷが電気的手段によって細線方向に移動させられ、磁壁ＤＷの移動の始点－終点間における磁化方向が移動の前後で変化する。磁性層１１における磁壁ＤＷの移動の始点－終点間の領域を、磁化反転可能領域１_SWと称し、画素の開口部とすることができる。磁性層１１は、磁化反転可能領域１_SWの細線方向両外側に隣接した領域が、それぞれ磁化方向が上向き、下向きに固定された領域となり、磁化固定領域１_FX1，１_FX2と称する。磁壁移動素子１０において、磁性層１１は、ナノ磁石５４ａ，５４ｂのそれぞれの直上の領域同士の間の領域が、細線方向に、磁化固定領域１_FX1、磁化反転可能領域１_SW、磁化固定領域１_FX2に区画される。

磁壁移動素子１０は、磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWで反射した光を所望の偏光方向に変化させる。そのために、磁性層１１は、垂直磁気異方性材料の、保磁力が比較的大きくないものを適用されることが好ましく、さらに磁気光学効果の高いものが好ましく、ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子等に適用されるＣＰＰ－ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子の磁化自由層に用いられる公知の磁性材料を適用することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比１：２～４程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜、Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏ，Ｇｄ－Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ－ＴＭ合金）、Ｌ１₀系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ，ＣｒＰｔ₃等が挙げられる。本実施形態においては、保磁力が小さく、磁気光学効果の高いＧｄ－Ｆｅ合金が特に好適である。

磁性細線１を構成する磁性層１１およびチャネル層１２のそれぞれは、厚さと幅が一様な直線状であることが好ましい。磁性層１１は、厚さおよび幅に対して十分に長い細線状に形成される。さらに、磁性層１１は、厚さと幅の積である断面積が小さいほど、磁性細線１に供給する電流を小さくすることができる。一方、磁性層１１は、磁化の保持のためにある程度の保磁力Ｈc_fを有するように、厚さおよび幅を有することが好ましく、また、厚さが大きいほど光変調度が高く（カー回転角θ_kが大きく）なり、具体的には、厚さが５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましい。ただし、磁性層１１は、材料にもよるが、厚さが２０ｎｍ程度を超えると光変調度の上昇が鈍化し、さらに厚膜化すると垂直磁気異方性が保持され難い場合がある。また、磁性層１１が厚いと磁壁ＤＷが移動し難くなる。したがって、磁性層１１は、厚さが３０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。また、画素の開口部である磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWが広いことが好ましく、入射光の波長にもよるが、幅、および磁化反転可能領域１_SWの細線方向長が、２００～３００ｎｍ程度以上であることが好ましい。また、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1，１_FX2はそれぞれ、細線方向長が細線幅の１／２以上であることが好ましい。

チャネル層１２は、電流を流すパスであり、磁性層１１の片面、ここでは下面に積層され、磁性層１１と同じ平面（ｘｙ面）視形状に形成される。チャネル層１２は、電流が流れるとスピンホール効果（ＳＨＥ）によってスピン流を発生させる薄膜であり、例えば、常磁性の遷移金属の中でも高比重のＴａ，Ｐｔ，Ｗが適用される。また、チャネル層１２は、ＢｉＳｂ，ＢｉＳｅ等のトポロジカル絶縁体を適用することもできる。チャネル層１２は、厚さが１ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることが好ましい。

ナノ磁石５４は、ｚ方向の漏れ磁界を磁性層１１の細線方向における一部に印加する。ナノ磁石５４は、磁壁移動素子１０においては２個設けられ、－ｘ側をナノ磁石５４ａ、＋ｘ側をナノ磁石５４ｂと称する。ナノ磁石５４ａは、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1に＋ｚ方向の磁界＋Ｈ_pinを印加し、ナノ磁石５４ｂは、磁化固定領域１_FX2に－ｚ方向の磁界－Ｈ_pinを印加する。ナノ磁石５４は、ｘ方向長がｙ方向長および厚さよりも長い、磁性細線１の細線方向に沿った極小の棒磁石であり、ここでは＋ｘ側をＮ極とする。なお、別途記載のない限り、各図面において、ナノ磁石５４ａ，５４ｂおよび後記のナノ磁石５１，５２は、極性「Ｎ」、「Ｓ」を付し、さらに、Ｎ極側にハッチングを付して表す。また、図１Ａおよび図１Ｂに、ナノ磁石５４からの磁力線を破線で表す。ナノ磁石５４は、その上方や下方であってｘ方向両外側近傍に、＋ｚ方向、－ｚ方向の漏れ磁界を発生させ、上方で発生した一部が磁性層１１に到達する。磁壁移動素子１０においては、ナノ磁石５４ａ，５４ｂが磁性細線１のｘ方向に互いに離間し、磁性細線１の細線方向の両外側に張り出して配置され、－ｘ側のナノ磁石５４ａはＮ極が、＋ｘ側のナノ磁石５４ｂはＳ極が、それぞれ磁性層１１の下側に配置されている。したがって、－ｘ側の磁化固定領域１_FX1にはナノ磁石５４ａのＮ極側から＋ｚ方向の磁界＋Ｈ_pinが印加され、＋ｘ側の磁化固定領域１_FX2にはナノ磁石５４ｂのＳ極側から－ｚ方向の磁界－Ｈ_pinが印加される。また、ナノ磁石５４ａ，５４ｂは、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に接続して設けられ、ナノ磁石５４ａ，５４ｂの下面に電極６１，６２が接続する。したがって、ナノ磁石５４ａ，５４ｂは、電極６１，６２と共に、磁性細線１への電流Ｉ_wの供給経路を構成する。

ナノ磁石５４は、保磁力Ｈc_pが十分に大きいことが好ましく、少なくとも磁性層１１の保磁力Ｈc_fよりも大きい。また、ナノ磁石５４は、後記するように、磁性層１１に印加される漏れ磁界＋Ｈ_pin，－Ｈ_pinが必要な強さとなるような磁力を有する。そのために、ナノ磁石５４は、面内磁気異方性を有する硬磁性体からなり、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比２～４：１程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｔ多層膜等の多層膜が適用される。

電極６１および電極６２は、磁性細線１に、外部から電流を細線方向（＋ｘ方向、－ｘ方向）に供給するための端子である。そのために、電極６１，６２は、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1，１_FX2のｘ方向外側で、磁性細線１に電気的に接続する。本実施形態に係る磁壁移動素子１０においては、電極６１，６２は、それぞれナノ磁石５４ａ，５４ｂを介在して磁性細線１に接続する。電極６１，６２は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で、磁性細線１に供給する電流の大きさに対応した厚さや幅に形成される。

磁壁移動素子１０において、磁性細線１やナノ磁石５４ａ，５４ｂの周囲等の空白部に設けられる絶縁体は、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，Ａｌ₂Ｏ₃等の半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料が適用され、部位によって異なる材料を設けてもよい。特に、磁性層１１がＲＥ－ＴＭ合金等の酸化し易い材料からなる場合には、磁性層１１と接触する部位、具体的には磁性細線１の上面や側面に、ＳｉＮ等の非酸化物やＭｇＯを適用することが好ましい。また、磁壁移動素子１０（空間光変調器９０）の製造時においては、このような絶縁材料を厚さ１～１０ｎｍ程度の保護膜として、チャネル層１２、磁性層１１をそれぞれ形成する材料と連続して成膜することが好ましい。

（磁性細線における磁壁移動）
本実施形態に係る磁壁移動素子の、電流供給による磁性細線における磁壁移動について、図２、図３、および図４を参照して説明する。これらの図面では、磁性細線１の、磁性層１１が、磁化反転可能領域１_SW（図１Ａ、図１Ｂ参照）に２つの磁壁ＤＷ１，ＤＷ２を有していると仮定し、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２を含む部分を特に細線方向（ｘ方向）に拡大して表す。まず、磁壁の磁気構造について説明する。強磁性体である磁性層１１は、磁化方向が下向きの磁区Ｄ１と上向きの磁区Ｄ２との境界では、磁化方向が下向きから上向きに急激に切り換わらず、隣り合う磁気モーメントｍ，ｍを同じ向きに揃えようとする交換相互作用が働くので、磁区Ｄ１－磁区Ｄ２間には、磁気モーメントｍが磁区Ｄ１側から磁区Ｄ２側へ少しずつ傾斜して配列した磁壁ＤＷ１が生成する。同様に、磁化方向が上向きの磁区Ｄ２と下向きの磁区Ｄ３との境界の磁壁ＤＷ２においては、配列した磁気モーメントｍが磁区Ｄ２側から磁区Ｄ３側へ少しずつ傾斜している。これらの図面の磁壁ＤＷ１のように、－ｘ側が下向き、＋ｘ側が上向きの磁化方向となる磁壁を、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁と称する。反対に、磁壁ＤＷ２のように、－ｘ側が上向き、＋ｘ側が下向きの磁化方向となる磁壁を、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁と称する。

ここで、垂直磁気異方性材料からなる磁性体の磁壁には２種類の磁気構造がある。一つは、図２、図３、および図４に示すように、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２における磁気モーメントｍが、磁壁面（ｙｚ面）に垂直な細線方向（ｘ方向）に向けて傾斜して、ｘｚ面内で１８０°回転するネール（Neel）型磁壁である。もう一つは、磁気モーメントｍが、細線幅方向（ｙ方向）に向けて傾斜して、磁壁面（ｙｚ面）内で１８０°回転するブロッホ（Bloch）型磁壁である（図示省略）。さらにそれぞれの磁壁において、磁気モーメント回転方向が、右旋回（right-handed chirality）と左旋回（left-handed chirality）とを示し得る。図２に示す磁壁ＤＷ１，ＤＷ２は右旋回のネール型の磁気構造であり、図３に示す磁壁ＤＷ１および図４に示す磁壁ＤＷ２は左旋回のネール型の磁気構造である。通常、細線状に形成された垂直磁気異方性の磁性体において、磁壁は、磁気構造がこれら４通りに交互に変化しながら移動する。ただし、細線幅が十分に細い場合には、ネール型磁壁になり易く、右旋回と左旋回の２通りに変化する。さらに、磁性細線１の積層構造（チャネル層１２／磁性層１１／絶縁体）に依拠するジャロシンスキー－守谷相互作用（Dzyaloshinskii - Moriya Interaction：ＤＭＩ）による有効磁界（ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁においては＋ｘ方向、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁においては－ｘ方向）により、右旋回のネール型が優勢である。

このような磁性細線１に、電流Ｉ_wを細線方向の一方向（＋ｘ方向）に供給しているとき、図２上段に示すように、チャネル層１２にｙｚ面の単位面積当たりの電流Ｊが＋ｘ方向に流れる。すると、チャネル層１２においては、スピンホール効果によってスピン流が誘起されて、細線幅方向の互いに逆向き（－ｙ方向、＋ｙ方向）のスピンを有する電子ｅ^-が、上下の各表層に分かれて蓄積される。したがって、上側の磁性層１１との界面近傍に、－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-が偏在する。－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-は、磁性層１１の磁壁ＤＷ１，ＤＷ２の磁気モーメントｍをｘｚ面内で反時計回りに回転させる。なお、図２、図３、および図４において、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２の磁気モーメントｍに回転方向を表す矢印を付す。また、同時に、磁性層１１にも、チャネル層１２との抵抗差に応じた電流密度の電流が流れる。この電流密度が十分に高いと、磁性層１１は、ジュール熱が発生して温度が上昇することによって保磁力がＨc_fから一時的にＨc_f´（≦Ｈc_f）に低下して磁気異方性が低下し、磁気モーメントｍが弱くなって回転し易くなる。その結果、右旋回のネール型の磁壁ＤＷ１，ＤＷ２が、見かけ上、白抜きの破線矢印で示すように電流Ｉ_wと同じ＋ｘ方向に移動して、後側の磁区Ｄ１が伸長し、前側の磁区Ｄ３が短縮し、間の磁区Ｄ２が＋ｘ方向に移動する。反対に、図２下段に示すように、磁性細線１に電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給しているときには、チャネル層１２における磁性層１１との界面近傍に＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-が偏在する。＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-は、磁性層１１の磁壁ＤＷ１，ＤＷ２の磁気モーメントｍをｘｚ面内で時計回りに回転させるので、見かけ上、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２が－ｘ方向に移動する。すなわち、磁壁が電流の供給方向に移動する。

一方、図３に示す磁性細線１においては、磁壁ＤＷ１が左旋回のネール型の磁気構造である。図３上段に示すように、このような磁性細線１に電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給しているとき、積層したチャネル層１２の界面近傍に、－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-が偏在する。－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-は、磁壁ＤＷ１の磁気モーメントｍを反時計回りに回転させるので、左旋回のネール型の磁壁ＤＷ１は、見かけ上、白抜きの破線矢印で示すように電流Ｉ_wと逆の－ｘ方向に移動する。そして、図３下段に示すように、電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給されていると、＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-が、磁気モーメントｍを時計回りに回転させるので、見かけ上、磁壁ＤＷ１が＋ｘ方向に移動する。すなわち、左旋回のネール型の磁壁は、電流の供給方向と逆方向に移動する。このように、磁性細線において、磁壁は、磁気構造によって、電流の供給方向に対する移動方向が異なる。しかし、前記したように、磁壁は、右旋回のネール型の磁気構造が優勢であるので、図２に示すように電流の供給方向に移動する。

ここで、図３および図４に示すように、外部から、細線方向における所定の一方向の磁界Ｈ_assが磁性層１１に印加されていると、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２は、磁性層１１の細線幅にかかわらず、磁気モーメント回転方向が一方向のネール型の磁気構造で安定する。具体的には、図３に示すように、磁性層１１に磁界Ｈ_assが＋ｘ方向に印加されていることにより、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷ１は左旋回のネール型の磁気構造、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁ＤＷ２は右旋回のネール型の磁気構造で、それぞれ安定する。反対に、図４に示すように、磁性層１１に磁界Ｈ_assが－ｘ方向に印加されていることにより、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷ１は右旋回のネール型の磁気構造、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁ＤＷ２は左旋回のネール型の磁気構造で、それぞれ安定する。このように、磁界印加により磁壁ＤＷ１，ＤＷ２の磁気構造が安定すると、磁壁ＤＷ１，ＤＷ２を電流Ｉ_wの供給で高速に移動させることができ、また、低い電流密度の電流Ｉ_wで移動させることができる。

ただし、磁界Ｈ_assを印加されていると、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷ１とｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁ＤＷ２とは、磁気モーメント回転方向が異なるので、電流Ｉ_wの供給による移動方向が互いに逆になる。詳しくは、図３上段に示すように、磁性細線１に電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給しているとき、磁壁ＤＷ１は電流Ｉ_wと逆の－ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷ２は電流Ｉ_wと同じ＋ｘ方向に移動する。その結果、磁区Ｄ２が前後に伸張し、後側の磁区Ｄ１および前側の磁区Ｄ３が共に短縮する。反対に、図３下段に示すように、磁性細線１に電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給しているとき、磁壁ＤＷ１は＋ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷ２は－ｘ方向に移動する。その結果、後側の磁区Ｄ１および前側の磁区Ｄ３が共に伸張し、間の磁区Ｄ２が前後に短縮し、最終的には磁区Ｄ２が消失し、それを区切る磁壁ＤＷ１，ＤＷ２も消失して下向きの磁区Ｄ１，Ｄ３が一体化する。一方、図４上段に示すように、磁性細線１に電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給しているとき、図３下段と同様に、磁壁ＤＷ１が＋ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷ２が－ｘ方向に移動して、磁区Ｄ２が前後に短縮する。そして、図４下段に示すように、磁性細線１に電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給しているとき、図３上段と同様に、磁壁ＤＷ１が－ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷ２が＋ｘ方向に移動して、磁区Ｄ２が前後に伸張する。

このように、磁性細線１にその細線方向に電流を供給することにより、磁性層１１において磁壁ＤＷを電流の供給方向に移動させることができる。また、外部から磁性層１１に磁界を細線方向に印加しながら電流を供給することにより、磁壁ＤＷを高速移動させ、また、磁界の印加方向によって、磁壁ＤＷを電流の供給方向と同じ方向または逆方向に移動させることができる。さらに、磁性層１１の磁区の数にかかわらず、電流が細線方向に流れる領域全体を、上向きまたは下向きの所望の磁化方向にすることができる。詳しくは、電流の供給方向と磁界の印加方向とが同じ方向のときに上向きの磁化方向になり（図３上段、図４下段）、逆方向のときに下向きの磁化方向になる（図３下段、図４上段）。

（磁壁移動素子の動作）
本実施形態に係る磁壁移動素子１０の、磁性細線１の磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化反転動作について、図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する。磁壁移動素子１０は、磁性細線１が、下面に接続されたナノ磁石５４ａ，５４ｂを介して電流Ｉ_wを供給されるので、ナノ磁石５４ａ，５４ｂの直上の領域におけるチャネル層１２では、電流Ｉ_wが細線方向（ｘ方向）だけでなく膜面垂直方向（ｚ方向）にも分流し、スピンホール効果が低い。言い換えると、磁性細線１は、ナノ磁石５４ａ，５４ｂと接続した各領域の間の領域において、電流Ｉ_wが細線方向に十分な電流密度で流れ、ＳＯＴ効果が発現し易い。磁性細線１のこの領域をＳＯＴ領域と称する。したがって、磁性細線１に電極６１，６２から電流Ｉ_wを供給したとき、磁性層１１のＳＯＴ領域内で磁壁ＤＷが移動して磁化反転し得る。さらに、磁壁移動素子１０においては、ナノ磁石５４ａ，５４ｂによって、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1に上向きの漏れ磁界＋Ｈ_pinが、磁化固定領域１_FX2に下向きの漏れ磁界－Ｈ_pinが、それぞれ印加されている。したがって、磁化固定領域１_FX1，１_FX2では、磁気モーメントｍが磁界＋Ｈ_pin，－Ｈ_pinと同じ向きを維持しようするので、上向き、下向きの磁化方向が維持されて磁化反転せず、すなわち磁壁ＤＷが移動してこない。このように、磁壁移動素子１０は、磁性層１１が、ＳＯＴ領域の両端の磁化固定領域１_FX1，１_FX2における磁化方向が固定されているので、電流Ｉ_wの供給方向や磁界Ｈ_assの印加方向に応じて、磁化反転可能領域１_SWに限定して磁化反転し、磁性層１１のＳＯＴ領域から磁壁ＤＷが消失しない。したがって、磁壁移動素子１０は、電流Ｉ_wの供給方向を切り替えて、繰り返し、磁化反転可能領域１_SWを磁化反転させることができる。

磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化方向を、図１Ａに示す上向きの状態から下向きの状態に磁化反転させるときには、磁壁ＤＷを－ｘ方向に移動させるために、図１Ｂに示すように、電極６１を電流源の－極に、電極６２を＋極に接続して電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給する。反対に、磁化反転可能領域１_SWの磁化方向を図１Ｂに示す下向きから上向きに磁化反転させるときには、図１Ａに示すように、電極６１を＋極に、電極６２を－極に接続して電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給する。図１Ａ、図１Ｂ、および後記図面において、磁性細線１に細線方向に流れる電流Ｉ_wを、太破線矢印で表す。

さらに、電流Ｉ_wを供給する際に磁界Ｈ_assを印加することにより、低い電流密度の電流Ｉ_wで磁壁ＤＷを移動させて磁化反転可能領域１_SWを磁化反転させることができ、また、電流密度に対して高速で磁化反転可能領域１_SWを磁化反転させることができる。磁壁ＤＷはｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁であるので、図１Ａ、図１Ｂ、および図３に示すように、磁界Ｈ_assを＋ｘ方向に印加して右旋回の磁気構造で安定させる。あるいは、図４に示すように磁界Ｈ_assを－ｘ方向に印加してもよく、この場合には、電流Ｉ_wの供給方向と磁化反転可能領域１_SWの磁化方向との関係が入れ替わる。なお、磁界Ｈ_assは、磁化固定領域１_FX1，１_FX2においてｚ方向の磁界＋Ｈ_pin，－Ｈ_pinを打ち消さないような強さに設定することが好ましい。

そして、前記したように、磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWで反射した光は、磁化方向によって、偏光方向が入射光に対して角度＋θ_k／－θ_k回転（旋光）した２値の光のいずれかとなる。したがって、２値の光の一方を明（白）に、他方を暗（黒）に設定することにより、磁壁移動素子１０は反射型の空間光変調器の画素に使用することができる。

磁性細線１に供給する電流Ｉ_wの電流密度が高いほど、ｙ方向における一方向のスピンを有する電子ｅ^-がチャネル層１２の磁性層１１との界面に多く蓄積するので、そして、磁性層１１の一時保磁力Ｈc_f´が小さくなるので、高速で磁壁ＤＷが移動して磁化反転可能領域１_SWが磁化反転する。一方で、電流Ｉ_wの電流密度が高いと、磁性細線１が劣化し易くなる。また、磁性細線１に電流Ｉ_wを供給している時に磁界Ｈ_assを印加すると、電流密度に対して高速で磁化反転可能領域１_SWが磁化反転し、さらに磁界Ｈ_assが大きいほどより高速になる。磁壁移動速度は、電流Ｉ_wの電流密度、および磁界Ｈ_assの印加の有無やその強さ等に依存するので、これらに応じて、磁壁ＤＷの移動距離が磁化反転可能領域１_SWの細線方向長以上になるように、電流Ｉ_wの供給時間を設定する。磁化反転可能領域１_SWの細線方向長が１μｍ程度であれば、磁壁移動速度によるが、電流Ｉ_wの供給時間は１０ｎｓ程度である。このような極めて短時間の直流電流を供給するために、供給時間をピーク期間に設定した直流パルス電流として電流Ｉ_wを供給することが好ましい。また、電流Ｉ_wの供給と磁界Ｈ_assの印加とは、開始と停止をそれぞれ同時としてもよいし、ずらしてもよい。ただし、電流Ｉ_wの供給のみでも磁壁ＤＷが低速であるが移動し得るので、電流Ｉ_wを供給しているときには常時、磁界Ｈ_assを印加しているように制御することが好ましい。

なお、磁性層１１は、厚さが大きくなると、チャネル層１２との界面当たりにおいて、体積が増大して磁気モーメントｍが強くなり、一方、チャネル層１２の界面近傍の電子ｅ^-が有する角運動量は一定であるので、ＳＯＴ効果により磁壁ＤＷを移動させるためには、一般的には、電流Ｉ_wの電流密度を高くする必要がある。さらには、磁性層１１の断面積の拡大と相まって、電流Ｉ_wを大きくすることになる。しかし、本実施形態では、外部磁界Ｈ_assの印加によって、磁性層１１の磁壁ＤＷが右旋回のネール型の磁気構造に揃えられて安定していることにより、磁性層１１がある程度厚くても低い電流密度で磁気モーメントを回転させることができると考えられる。

（磁壁移動素子の初期化方法）
磁壁移動素子１０の磁性細線１の磁化反転動作で説明した、磁性細線１におけるＳＯＴ効果による磁気モーメントの回転は、磁壁内に限られない。細線方向に電流を供給しながら、上向きまたは下向きの磁区に逆向きの磁界を印加することにより、磁区内の磁気モーメントを１８０°回転させることができる。ただし、磁壁内の傾いた磁気モーメントを回転させる、すなわち磁壁を移動させるよりも大きな運動量が必要である。そこで、磁壁移動と同様に、磁界を細線方向にも印加することにより、電流密度を高くせずに、下向きまたは上向きの磁界を印加した部分を磁化反転させて磁壁を生成することができる。以下、磁壁移動素子の初期化方法について、図５Ａ～図５Ｄを参照して説明する。

初期化処理は、磁壁移動素子１０のナノ磁石５４ａ，５４ｂの極性を所定の方向に着磁し、また、磁性細線１の磁性層１１のＳＯＴ領域において、細線方向に磁区が２つに分割されて、磁化固定領域１_FX1側を上向き、磁化固定領域１_FX2側を下向きの磁化方向として、これら２つの磁区の境界に磁壁ＤＷを生成する。本発明の第１実施形態に係る初期化方法は、磁壁移動素子１０に、ナノ磁石（磁界印加部材）５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界Ｈ_mag1を＋ｘ方向（細線方向における一方向）に印加する着磁工程（第１磁化工程）と、磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界Ｈ_mag2を下向きに印加する単磁区化工程（第２磁化工程）と、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向（細線方向における一方向）に印加しながら、磁性細線１に電流Ｉ_initを＋ｘ方向（細線方向）に供給する初期磁区形成工程と、を順に行う。

着磁工程は、磁壁移動素子１０の磁性材料のうち保磁力が最も大きいナノ磁石５４を、所定の極性に着磁する。ここでは、＋ｘ側がＮ極、－ｘ側がＳ極の棒磁石とする。そのために、図５Ａに示すように、外部から磁壁移動素子１０に、ナノ磁石５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界Ｈ_mag1（Ｈ_mag1≧Ｈc_p）を＋ｘ方向に印加する。磁界Ｈ_mag1は、ナノ磁石５４の保磁力Ｈc_pよりも大きいこと（Ｈ_mag1＞Ｈc_p）が好ましい。

単磁区化工程は、磁性細線１の磁性層１１を上向きまたは下向きの単磁区構造とする。ここでは、図５Ｂに示すように、外部から磁壁移動素子１０に、磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界Ｈ_mag2（Ｈ_mag2≧Ｈc_f）を－ｚ方向（下向き）に印加する。磁界Ｈ_mag2は、磁性層１１の保磁力Ｈc_fよりも大きいこと（Ｈ_mag2＞Ｈc_f）が好ましい。単磁区化工程により、垂直磁気異方性材料からなる磁性層１１の全体が下向きの磁化方向となる。

初期磁区形成工程は、単磁区構造の磁性層１１に、磁壁ＤＷを挟んだ２つの磁区を生成する。ここでは、単磁区化工程で磁性層１１が下向きの単磁区構造とされたので、上向きの磁区を部分的に生成する。図３および図４を参照して説明したように、磁性細線１に、磁界を細線方向に印加しながらその方向と同じ方向に電流を供給すると、上向きの磁区を伸張することができる。また、磁性層１１に、ナノ磁石５４ａによって、その直上の＋ｘ側近傍の領域には、＋ｚ方向の漏れ磁界＋Ｈ_pinが印加されている。同様に、ナノ磁石５４ｂによって、その直上の－ｘ側近傍の領域には、－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている。そこで、ここでは図５Ｃに示すように、外部から＋ｘ方向に磁界Ｈ_initを印加しながら、磁性細線１に電極６１，６２およびナノ磁石５４ａ，５４ｂを介して電流Ｉ_initを＋ｘ方向に供給する。

電流Ｉ_initにより、磁性層１１は、発生したジュール熱で温度が上昇して保磁力が一時的に低下して磁気モーメントが弱くなる。また、チャネル層１２のＳＯＴ領域においては、＋ｘ方向に流れる電流Ｉ_initにより、スピンホール効果によって、磁性層１１との界面近傍に－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-が偏在する（図３上段参照）。すると、磁性層１１は、逆向き（＋ｚ方向）の磁界＋Ｈ_pinを印加されている領域の磁気モーメントが、チャネル層１２の－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ^-によって、下向き（－ｚ方向）から反時計回りに回転して＋ｘ方向を経て＋ｚ方向に反転する。さらに、＋ｘ方向の磁界Ｈ_initによって、磁気モーメントが－ｚ方向から＋ｘ方向への反時計回りの回転を促進される。

その結果、図５Ｃに示すように、磁性層１１は、磁界＋Ｈ_pinを印加されている領域が上向きの磁区に分割され、この磁区を挟んで磁壁ＤＷ´，ＤＷが生成される。この上向きの磁区を初期形成磁区と称する。－ｘ側の磁壁ＤＷ´は、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁であり、＋ｘ方向の磁界Ｈ_initによって左旋回のネール型の磁気構造となる（図３の磁壁ＤＷ１参照）。＋ｘ側の磁壁ＤＷは、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁であり、有効磁界と同じ＋ｘ方向の磁界Ｈ_initによって右旋回のネール型の磁気構造となる。

磁性層１１に初期形成磁区および磁壁ＤＷ´，ＤＷが生成された後も引き続き、電流Ｉ_initを供給し、磁界Ｈ_initを印加していると、前記の磁性細線における磁壁移動で説明したように、磁性層１１において、磁壁ＤＷ´が電流Ｉ_initの供給方向と逆向きの－ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動して、上向きの初期形成磁区が図３上段に示すように両方向に伸張する。ナノ磁石５４ａの直上の領域ではスピンホール効果が低いので、図５Ｄに示すように、この領域の手前（＋ｘ側の境界）、すなわちＳＯＴ領域の端で磁壁ＤＷ´が停止し、ナノ磁石５４ａの直上の領域は下向きの磁化方向が維持される。一方、ナノ磁石５４ｂによって－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている領域においても、下向きの磁化方向が維持されるので、図５Ｄに示すように、この領域の手前（－ｘ側の境界）で磁壁ＤＷが停止する。したがって、初期化処理により、磁壁移動素子１０は、図１Ａに示すように、磁性層１１に、上向きの磁化方向の磁化固定領域１_FX1および下向きの磁化方向の磁化固定領域１_FX2が形成され、磁化固定領域１_FX2の－ｘ側の境界に磁壁ＤＷが配置されて磁化反転可能領域１_SWにおいて上向きの磁化方向となる。また、このように、磁性層１１は、ＳＯＴ領域外であるナノ磁石５４ａの直上の領域では下向きの磁化方向が維持されて、その＋ｘ側の境界に磁壁ＤＷ´が存在するが、図１Ａおよび図１Ｂでは省略し、磁化固定領域１_FX1と同じ上向きの磁化方向とする。この磁壁ＤＷ´は、初期化処理後、すなわち磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化反転動作においては移動しない。また、磁性層１１のナノ磁石５４ａの直上の領域が狭い場合には、磁界＋Ｈ_pinを印加されている領域が上向きに磁化反転する際に、－ｘ側の端まで共に磁化反転して磁壁ＤＷ´が生成しないことがある。

このように、本実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法は、外部から磁界を、軸方向を変えて３回印加し、最後の磁界印加の際に磁性細線１に電流を供給する。なお、単磁区化工程で磁界Ｈ_mag2を上向きに印加してもよく、この場合には、初期磁区形成工程は、磁界Ｈ_initの印加方向と電流Ｉ_initの供給方向とを互いに逆向きとする。また、下向きの単磁区構造とした磁性層に対する初期磁区形成工程において、磁界Ｈ_initの印加方向と電流Ｉ_initの供給方向とを互いに逆向きとしても、上向きの初期形成磁区を形成することはできる。ただし、電流Ｉ_initによって上向きの磁区を短縮するように磁壁ＤＷ´，ＤＷが移動するので（図３下段、図４上段）、初期形成磁区を形成するために、より大きな運動量が必要となる。

１つの磁区の一部の領域を磁化反転させて磁壁を生成するために必要な運動量は、磁壁を移動させるために必要な運動量よりも大きい。したがって、初期磁区形成工程において、電流Ｉ_initおよび磁界Ｈ_initは、それぞれ電流Ｉ_w以上、磁界Ｈ_ass以上（Ｉ_init≧Ｉ_w、Ｈ_init≧Ｈ_ass）に設定することが好ましい。しかし、電流Ｉ_initが大きいと、磁壁移動素子１０を備える空間光変調器９０において、配線や磁壁移動素子１０毎に設けられるスイッチング素子（トランジスタ）をこのような電流Ｉ_initに耐えられる構造とする必要がある。したがって、電流Ｉ_initは、電流Ｉ_wに対して大き過ぎないことが好ましく、電流Ｉ_wと同じ大きさであることが最も好ましい。一方、磁界Ｈ_initが強いほど電流Ｉ_initの電流密度を低くすることができる。ただし、磁界Ｈ_initが過剰に強いと、ナノ磁石５４ａ，５４ｂからの漏れ磁界＋Ｈ_pin，－Ｈ_pinが打ち消されて却って磁化反転し難く、また、磁壁ＤＷを磁化固定領域１_FX1，１_FX2で停止させることができないので、磁界Ｈ_initは磁界Ｈ_pinを打ち消さない程度の強さとすることが好ましく、磁界Ｈ_pin以下である（Ｈ_init≦Ｈ_pin）ことがより好ましい。言い換えると、電流Ｉ_wに対して大き過ぎない電流Ｉ_initとの組み合わせによって磁化反転可能な磁界Ｈ_init，Ｈ_pinに設定し、さらに、ナノ磁石５４が、磁界Ｈ_initで打ち消されない強さの漏れ磁界Ｈ_pinを発生させる磁力を有することが好ましい。

磁性層１１の磁界＋Ｈ_pinが印加されている領域における磁化反転（図５Ｃ参照）に要する時間（磁壁生成時間）は、電流Ｉ_initの電流密度、磁界Ｈ_initの強さ、ナノ磁石５４の漏れ磁界Ｈ_pinの強さ、および磁性層１１の保磁力等に依存するので、これらに応じて、電流Ｉ_initの供給および磁界Ｈ_initの印加の時間を設定する。磁壁生成時間は、前記の磁性層１１の磁化反転可能領域１_SW全体における磁壁移動による磁化反転よりも長いが極めて短時間であり、このような直流電流を供給するために、供給時間をピーク期間に設定した直流パルス電流として電流Ｉ_initを供給することが好ましい。供給時間は、マージンを含めて設定することが好ましい。さらに、磁界＋Ｈ_pinによって磁性層１１が局所的に磁化反転した後、磁化反転可能領域１_SW全体を磁化反転（磁壁移動）させることが好ましい。したがって、電流Ｉ_initの供給および磁界Ｈ_initの印加の時間を磁壁移動時間も含めて設定する。または、少なくとも磁壁ＤＷが生成するまで電流Ｉ_initを供給し、その後、一旦停止してから、あるいはすぐに電流Ｉ_wに大きさを切り換え、一方、磁界Ｈ_initの印加は継続しまたは磁界に強さを切り換え、磁化反転可能領域１_SWを完全に磁化反転させてもよい。なお、磁性細線における磁壁移動と同様に、電流Ｉ_initの供給と磁界Ｈ_initの印加とは、開始と停止をそれぞれ同時としてもよいし、ずらしてもよいが、電流Ｉ_initを供給しているときには常時、磁界Ｈ_initを印加しているように制御することが好ましい。

（空間光変調器）
磁壁移動素子１０は、一例として、図６に示す空間光変調器９０に配列された画素９の光変調素子として搭載される。なお、図６においては、簡潔に説明するために、磁壁移動素子１０について、磁性細線１（抵抗器の図記号で表す）および電極６１，６２（線で表す）のみを示し、また、４列×４行の１６個の画素９を示す。画素９は、磁壁移動素子１０と共に、磁壁移動素子１０の電極６１に接続するトランジスタ７１をさらに備える。空間光変調器９０は、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似し、列方向に延設したワード線８４および行方向に延設したビット線８１を備える。ビット線８１はトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力する。また、電極６２は、すべての画素９の共通電位に接続する。

トランジスタ７１は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、Ｓｉ基板の表層に形成される。したがって、Ｓｉ基板を土台として、画素９を配列することができる。ビット線８１およびワード線８４は、電極６１，６２と同様に金属電極材料で形成される。さらに、これらの配線およびトランジスタ７１は、電流Ｉ_w，Ｉ_initに対応した構造とする。例えば、電流Ｉ_w，Ｉ_initが１．０ｍＡ以下であれば、０．１３μｍプロセスのＭＯＳＦＥＴを適用することができる。また、配線間や隣り合う画素９，９のそれぞれの磁性細線１同士等の間隙には、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の、半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料が充填される。

空間光変調器９０において、磁壁移動素子１０は、磁性細線１の細線方向がすべての画素９で揃うように配列される。これは、磁壁移動素子１０の初期化処理で、またはさらに書込み（磁性細線１の磁化反転動作）で、空間光変調器９０の外部から細線方向に磁界を印加するためである。ただし、画素９の配列方向と磁壁移動素子１０の磁性細線１の細線方向（ｘ方向）とは合わせなくてよい。例えば、画素の開口率を高くするために、磁性細線１の細線方向長が長くなるように、配列の対角線方向を細線方向に設計することができる。また、隣の画素９の磁性細線１やナノ磁石５４と互いに磁気的な影響を受けることのないように、間隔を空けて画素９のレイアウトを設計する。また、画素９における磁化反転可能領域１_SWの配置がすべての画素９で揃うようにレイアウトを設計されていることが好ましい。

（磁気装置）
本発明の実施形態に係る磁気装置は、空間光変調器９０と、空間光変調器９０の磁壁移動素子１０の磁性細線１にトランジスタ（スイッチング素子）７１を介して電流を供給する電流源と、空間光変調器９０のすべての磁壁移動素子１０に磁界を印加する磁界発生装置（磁界印加手段）と、を備える（図示省略）。この磁気装置は、磁界発生装置が、磁性細線１の細線方向および膜面垂直方向（上向きまたは下向き）に向きを切り替えて磁界を印加し、また、磁壁移動素子１０のナノ磁石（磁界印加部材）５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界、および磁性細線１の磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界に強さを切り換える。磁気装置はさらに、列デコーダや行デコーダ等の空間光変調器９０の周辺回路を備える（図示省略）。

電流源は、パルス電流源であることが好ましく、電流Ｉ_w，Ｉ_initを直流パルス電流として空間光変調器９０に供給する。磁界発生装置は、空間光変調器９０（磁壁移動素子１０）の初期化において磁界Ｈ_mag1，Ｈ_mag2，Ｈ_initを印加し、さらに書込みで磁界Ｈ_assを印加してもよい。そのために、磁界発生装置は、磁界を空間光変調器９０全体に一様な強さかつ方向に印加することができ、さらに磁界を２段階以上の強さに切り換えることができ、最大でナノ磁石５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界Ｈ_mag1を印加するものとする。磁界発生装置は、公知の装置を適用することができ、このような強い磁界を発生させることができる電磁石方式の装置が好適である。また、磁界発生装置は、空間光変調器９０に対して２軸方向（ｘ方向とｚ方向）に切り替えて磁界を印加することができるように、例えば、当該磁界発生装置または空間光変調器９０の向きを９０°変える支持部材を備える。

（書込方法）
空間光変調器９０の書込み、すなわち、所望の明暗のパターンに応じて、画素９毎に磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化方向を上向きまたは下向きにする方法の一例は、以下の通りである。磁性細線１に電流Ｉ_wを供給するためのビット線８１（トランジスタ７１のソース）と電極６２との電位差をＶ_wとすると、電流源の一方の端子を０Ｖに接続し、この端子にすべての画素９の電極６２を接続する。そして、磁化反転可能領域１_SWを下向きの磁化方向にする（図１Ａ参照）ためには、電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給するように、電流源の他方の端子を電位＋Ｖ_wと選択した行のビット線８１とに接続し、書き込む対象の画素９の列のワード線８４をゲート電源に接続する。反対に、磁化反転可能領域１_SWを上向きの磁化方向にする（図１Ｂ参照）ためには、電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給するように、電流源の他方の端子を電位－Ｖ_wに接続する。

（初期化方法）
空間光変調器９０に二次元配列された磁壁移動素子１０の初期化処理は、前記した通りであり、空間光変調器９０の製造時または使用前に行うことができる。初期化処理は、空間光変調器９０に対して、製造時だけでなく、起動時毎や定期的に行ってもよい。空間光変調器９０の起動時等に行う場合には、更新処理（リフレッシュ）として、単磁区化工程および初期磁区形成工程のみを行うこともでき、比較的保磁力の小さい磁性細線１の磁性層１１を図１Ａまたは図１Ｂに示す所定の磁化状態とする。

本発明の実施形態に係る磁気装置は、磁壁移動素子１０のナノ磁石５４の着磁（着磁工程）を行わず、更新処理（単磁区化工程、初期磁区形成工程）のみを行う構成でもよい。この場合には、磁界発生装置は、磁界Ｈ_mag2，Ｈ_init、さらに磁界Ｈ_assを印加するので、磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界Ｈ_mag2を印加することができればよく、ヘルムホルツ方式の装置を適用することができる。

（変形例）
空間光変調器９０は、すべての画素９のトランジスタ７１のソースを共通電位に接続し、電極６２をビット線８１に接続してもよい。また、空間光変調器９０は、ｘ方向に隣り合う２つの画素９において、一方の磁壁移動素子１０の電極６１と電極６２の配置を入れ替えて、２つの磁壁移動素子１０の電極６２および電極６２に接続するナノ磁石５４ｂ，５４ａを一体化して共有することができる。このような空間光変調器９０において、これら２つの画素９の磁壁移動素子１０は、電流Ｉ_init，Ｉ_wの供給方向と磁界Ｈ_init，Ｈ_assの印加方向との関係が異なる。したがって、初期化処理（初期磁区形成工程）や書込みにおいて、画素９のｘアドレスが奇数か偶数かによって電流Ｉ_init，Ｉ_wの供給方向を反転させる。

本実施形態に係る磁気装置は、磁界発生装置が磁界Ｈ_assを＋ｘ方向、－ｘ方向の双方向に切り替えて印加する構成として、空間光変調器９０の書込みにおいて、磁性細線１への電流Ｉ_wの供給方向を、＋ｘ方向または－ｘ方向の一方向とすることができる。したがって、空間光変調器９０の画素９は、スイッチング素子として、トランジスタ７１に代えてダイオードを備えていてもよい。このような構成により、磁気装置は、空間光変調器９０を簡易な構成とすることができる。

磁性細線１は、チャネル層１２が磁性層１１の上面に積層されていてもよい。このような磁性細線１を備える磁壁移動素子１０は、電流Ｉ_wの供給方向と磁壁ＤＷの移動方向との関係が逆になる。また、この場合、チャネル層１２は、磁性層１１に入出射する光を十分に透過するように、光の透過率が比較的高い材料を選択したり、厚さを抑えることが好ましい。

磁壁移動素子１０は、磁性細線１の下面に直接に電極６１，６２を接続してもよく、そのために、ナノ磁石５４（５４ａ，５４ｂ）を磁性細線１の上側に配置する。このような磁壁移動素子１０においては、ナノ磁石５４は磁性細線１の上面に接続せずに、間に絶縁膜を設けることができる。絶縁膜は厚さ３ｎｍ以上であることが好ましく、ただし、ナノ磁石５４と磁性細線１との間隔が長いと、ナノ磁石５４の磁力に対して、磁性細線１に印加される漏れ磁界＋Ｈ_pin，－Ｈ_pinが弱くなるので、過剰に厚くしないことが好ましい。さらに、このように、磁壁移動素子１０においてナノ磁石５４が磁性細線１と絶縁している場合、空間光変調器９０は、ｘ方向に隣り合う画素９において、－ｘ側の磁壁移動素子１０のナノ磁石５４ｂと＋ｘ側の磁壁移動素子１０のナノ磁石５４ａとを一体化して共有することができる。

磁壁移動素子１０は、ナノ磁石５４（５４ａ，５４ｂ）を１つのみ備える構成とすることもできる。例えば、ナノ磁石５４ａのみを備え、電極６２は磁性細線１の下面に直接に接続する。このような磁壁移動素子１０は、磁性層１１が磁化固定領域１_FX2に下向きの漏れ磁界を印加されない。したがって、初期化処理の初期磁区形成工程においては、磁壁ＤＷがＳＯＴ領域の＋ｘ側の端まで到達しないように、電流Ｉ_initの供給時間を調整する。同様に、磁化反転可能領域１_SWを上向きに磁化反転させるときも、電流Ｉ_wの供給時間を調整する。また、磁化固定領域１_FX2を、磁壁ＤＷが停止する範囲としてマージンを十分に設けて、ｘ方向に長く設計することが好ましい。

（磁壁移動素子の初期化方法の変形例）
ＳＯＴ効果により磁性細線の磁壁を移動させる際に磁界を細線方向に印加することにより、特定の磁化方向の磁区を、その前後の磁壁を互いに逆向きに移動させて伸張または短縮させることができる（図３、図４参照）。また、磁性細線は、通常、外部から磁界を印加される前（初磁化状態）において、磁区が細線方向に分割されている。これらのことから、本実施形態に係る磁壁移動素子１０は、初期化処理において、膜面垂直方向に磁界を印加して磁性層１１を単磁区化しなくても、磁化反転可能領域１_SWに１つの磁壁を設けることができる。すなわち本発明の第１実施形態の変形例に係る初期化方法は、磁壁移動素子１０に、ナノ磁石（磁界印加部材）５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界Ｈ_mag1を＋ｘ方向（細線方向における一方向）に印加する着磁工程（第１磁化工程）と、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向（細線方向）に印加しながら、磁性細線１に電流Ｉ_initを細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行い、初期磁区形成工程は、電流Ｉ_initの供給方向を＋ｘ方向と－ｘ方向とに切り替えて２回行う。以下、本変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法について、図７Ａ～図７Ｄを参照して説明する。

着磁工程は、図５Ａに示す前記実施形態と同様である。着磁工程により、図７Ａに示すように、磁壁移動素子１０のナノ磁石５４ａ，５４ｂが、＋ｘ側がＮ極、－ｘ側がＳ極の棒磁石となる。また、この時点で、磁性細線１の磁性層１１は、その保磁力Ｈc_f以上の磁界を膜面垂直方向（ｚ方向）に印加されておらず、１ないし２以上の磁壁により、細線方向に磁区が分割されている。ここでは、２つの磁壁ＤＷ２，ＤＷ１により、上向き、下向き、上向きの３つの磁区に分割されているものとする。

初期磁区形成工程は、図５Ｂに示す前記実施形態と同様に、磁性細線１に、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向に印加しながらその方向と同じ方向に電流Ｉ_initを供給する。すると、磁性層１１のＳＯＴ領域において、上向きの磁区が伸張し、下向きの磁区が短縮する。ここでは、磁性層１１は、図７Ａに示すように、ＳＯＴ領域に２つの磁壁ＤＷ２，ＤＷ１が下向きの磁区を挟んで生成しているので、磁壁ＤＷ２，ＤＷ１が互いに近付くように移動して、下向きの磁区が消失し、図７Ｂに示すように上向きの単磁区構造になる。

本変形例において、初期磁区形成工程は、引き続き磁界Ｈ_initを＋ｘ方向に印加しながら、電流Ｉ_initを－ｘ方向に反転させて供給する。すると、図７Ｃに示すように、磁性層１１は、ナノ磁石５４ｂによって－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている領域において、上向き（＋ｚ方向）から時計回りに回転して＋ｘ方向を経て－ｚ方向に反転する。その結果、磁性層１１は、この領域が下向きの磁区に分割され、この初期形成磁区を挟んで磁壁ＤＷ，ＤＷ´が生成される。引き続き、電流Ｉ_initを供給し、磁界Ｈ_initを印加することにより、図７Ｄに示すように、初期形成磁区が伸張するように、－ｘ側の磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動して、ナノ磁石５４ａによって＋ｚ方向の漏れ磁界＋Ｈ_pinが印加されている領域の手前で停止する。＋側の磁壁ＤＷ´は＋ｘ方向に移動して、ナノ磁石５４ｂの直上の領域の手前、すなわちＳＯＴ領域の端で停止する。したがって、初期化処理により、磁壁移動素子１０は、図１Ｂに示すように、磁性層１１に、上向きの磁化方向の磁化固定領域１_FX1および下向きの磁化方向の磁化固定領域１_FX2が形成され、磁化固定領域１_FX1の＋ｘ側の境界に磁壁ＤＷが配置されて磁化反転可能領域１_SWにおいて下向きの磁化方向となる。

なお、電流Ｉ_initが十分に電流密度が高く、または磁界Ｈ_initが十分に強い場合、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向に印加しながら電流Ｉ_initを＋ｘ方向に供給しているときに（図７Ｂ参照）、図７Ｃに示すように、磁性層１１は、ナノ磁石５４ｂによって－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている領域において、下向きの初期形成磁区が形成される。ただし、この段階では、初期形成磁区は漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている領域から伸張せず、電流Ｉ_initの供給方向を－ｘ方向に反転させると、図７Ｄに示すように伸張する。

初期磁区形成工程前（着磁工程後）において、磁性層１１が、図７Ａに示す磁化方向とは逆に、下向き、上向き、下向きの３つの磁区に分割されている場合には、磁性層１１は、初期磁区形成工程により次のように磁化状態が変化する。まず、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向に印加しながらその方向と同じ方向に電流Ｉ_initを供給すると、上向きの磁区が伸張するように、－ｘ側の磁壁は－ｘ方向に移動して、ナノ磁石５４ａの直上の領域の手前、すなわちＳＯＴ領域の端で停止する。＋ｘ側の磁壁は＋ｘ方向に移動して、ナノ磁石５４ｂによって－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pinが印加されている領域の手前で停止する。すなわち図５Ｄに示す状態になり、磁性層１１が磁化反転可能領域１_SWにおいて上向きの磁化方向となり、－ｘ側の磁壁は磁壁ＤＷ´に、＋側の磁壁は磁壁ＤＷになる。そして、引き続き磁界Ｈ_initを＋ｘ方向に印加しながら、電流Ｉ_initを－ｘ方向に反転させて供給すると、磁壁ＤＷが－ｘ方向に移動して、磁性層１１が磁化反転可能領域１_SWにおいて下向きの磁化方向となる。したがって、磁性層１１は、初期磁区形成工程前の磁化状態にかかわらず、初期磁区形成工程により、図１Ｂに示すように、磁壁ＤＷが磁化固定領域１_FX1の＋ｘ側の境界に配置され、磁化反転可能領域１_SWにおいて下向きの磁化方向となる。

このように、本変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法は、外部から磁界を、強さを２段階に変えて磁性細線１の細線方向に印加し、後の弱い磁界印加の際に、磁性細線１に電流を供給方向を反転させて２回供給する。なお、本変形例に係る初期化方法において、初期磁区形成工程は、先に電流Ｉ_initを－ｘ方向（磁界Ｈ_initの印加方向と逆向き）に供給してから、その後＋ｘ方向に反転させて供給してもよい。この場合には、図１Ａに示すように、磁壁ＤＷが磁化固定領域１_FX2の－ｘ側の境界に配置され、磁化反転可能領域１_SWにおいて上向きの磁化方向となる。また、初期磁区形成工程は、電流Ｉ_initを＋ｘ方向または－ｘ方向の一方向に供給し、磁界Ｈ_initの印加方向を＋ｘ方向から－ｘ方向にまたは－ｘ方向から＋ｘ方向に反転させてもよい。

本変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法によれば、磁壁移動素子１０の磁性層１１に、その初磁化状態にかかわらず、所定の位置に磁壁ＤＷを配置することができる。したがって、前記実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法と同様に、空間光変調器９０に外部から、そのすべての磁壁移動素子１０に磁界を印加して初期化することができる。また、本変形例に係る磁壁移動素子の初期化方法を行うために、磁気装置は、磁界発生装置が、空間光変調器９０の書込みも含めて空間光変調器９０に対して１軸方向（ｘ方向）にのみ磁界を印加すればよいので、簡易な構成とすることができる。また、磁気装置は、更新処理、すなわち初期磁区形成工程のみを行う構成でもよい。この場合にも、磁界発生装置は、ｘ方向にのみ磁界を印加すればよいので、１軸のヘルムホルツ方式の装置を適用することができ、さらに簡易な構成とすることができる。

（磁気抵抗効果素子）
本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層の磁化反転可能領域上に絶縁膜および垂直磁気異方性の磁性膜を積層することで、磁気抵抗効果素子を構成することができる。以下、変形例に係る磁壁移動素子およびそれを備える磁気メモリの構成について、図８Ａ、図８Ｂ、および図９を参照して説明する。第１実施形態（図１～図６参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第１実施形態の変形例に係る磁壁移動素子１０Ａは、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に互いに細線方向に離間して接続した、面内磁気異方性の硬磁性材料からなるナノ磁石（磁界印加部材）５４ａ，５４ｂと、磁性層１１の細線方向中央における上面に積層された障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３と、を備え、さらに、ナノ磁石５４ａ，５４ｂのそれぞれの下面に接続する電極６１，６２、および磁化固定層４３の上面に接続する電極６３を備える。したがって、磁壁移動素子１０Ａは、前記実施形態に係る磁壁移動素子１０に対して、磁性細線１の磁性層１１上に障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を順に積層した構成である。磁壁移動素子１０Ａは磁気抵抗効果素子であり、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子とすることができる。

磁性細線１の構成は、前記実施形態で説明した通りである。ただし、磁壁移動素子１０Ａにおいては、磁性層１１の上に障壁層３および磁化固定層４３が積層されるために、チャネル層１２は磁性層１１の下に積層される必要がある。また、磁性層１１は、磁気光学効果が不要であり、一方、ある程度の大きさの保磁力を有していることが好ましい。また、磁性層１１は、厚さおよび幅が、磁化の保持や熱擾乱耐性のために必要な大きさであればよく、具体的には、厚さが５ｎｍ以上、幅が１０ｎｍ以上であることが好ましい。同様に、磁化反転可能領域１_SWおよびその両側の磁化固定領域１_FX1，１_FX2（図８Ａ、図８Ｂ参照）の各細線方向長は、１０ｎｍ以上かつ細線幅の１／２以上であることが好ましい。また、磁性層１１は、幅が３００ｎｍ以下であることが、磁区が幅方向に分割され難く好ましい。

障壁層３および磁化固定層４３は、磁性層１１と合わせた３層の積層構造からなるＴＭＲ素子を構成して、磁壁移動素子１０Ａの読出しとして、磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化方向を検出するために設けられる。すなわち、磁性層１１の、磁化固定層４３の直下における領域が、前記ＴＭＲ素子の磁化自由層となり、したがって、この領域が磁化反転可能領域１_SWに内包されるように磁化固定層４３が配置される。そのために、磁化固定層４３は、細線方向（ｘ方向）において、磁化反転可能領域１_SW内に配置され、細線方向長が磁化反転可能領域１_SWよりも短い。障壁層３および磁化固定層４３は、その直下の磁性層１１と合わせて、ＴＭＲ素子として好適な材料および形状であればよい。なお、磁化固定層４３は、細線幅方向（ｙ方向）においては、磁性細線１以下の長さ（幅）でもよいし、磁性細線１の外側へ張り出して大きく形成されていてもよい。磁化固定層４３は、磁化方向が上向きまたは下向きに固定され、ここでは上向きとする。したがって、磁化固定層４３は、保磁力が磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上であり、保磁力Ｈc_fよりも大きいことが好ましい。また、磁化固定層４３は、当該磁化固定層４３が発する磁界が磁壁ＤＷの移動を阻害しないように、磁力がナノ磁石５４よりも十分に弱い構成とする。そのために、磁化固定層４３は、磁性層１１と同様に公知の垂直磁気異方性材料を適用することができ、特に、ＣＰＰ－ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の磁化固定層（参照層）に用いられる材料が好適である。また、磁化固定層４３は、厚さが磁性層１１の厚さ以上であることが好ましい。障壁層３は、公知のＴＭＲ素子の障壁層の絶縁膜であり、ＭｇＯを適用することが好ましく、厚さ３ｎｍ未満であることが好ましい。障壁層３は、少なくとも磁性層１１と磁化固定層４３との間に設けられ、保護膜を兼ねて磁性層１１の上面全体に設けられていてもよい。電極６３は、電極６１，６２と同様に金属電極材料で形成される。

本変形例に係る磁壁移動素子１０Ａの、電流供給による磁性細線における磁壁移動は、前記実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様である。そして、磁壁移動素子１０Ａは、磁化固定層４３とその直下の領域における磁性層１１とで磁化方向が平行であるときよりも反平行であるときの方が、磁化固定層４３－磁性層１１間の膜面垂直方向の抵抗が高い。すなわち、磁壁移動素子１０Ａは、磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化方向が上向きのとき（図８Ａ参照）には、電極６１－６３間や電極６２－６３間の抵抗が低く、磁化反転可能領域１_SWの磁化方向が下向きのとき（図８Ｂ参照）には抵抗が高い。したがって、磁壁移動素子１０Ａは、例えば、低抵抗の状態をデータ“０”、高抵抗の状態をデータ“１”と設定して、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子に使用することができる。

本変形例に係る磁壁移動素子１０Ａの初期化方法は、図５Ａ～図５Ｄに示す前記実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様である。ただし、単磁区化工程（第２磁化工程）においては、磁化固定層（参照層）４３の保磁力以上の磁界Ｈ_mag2を上向きに印加して、磁性層１１の全体を上向きの磁化方向にすると共に、磁化固定層４３の磁化方向を上向きにする。

（磁気メモリ）
磁壁移動素子１０Ａは、一例として、図９に示す磁気メモリ９０Ａに配列されたメモリセル９Ａの磁気抵抗効果素子として搭載される。なお、図９においては、簡潔に説明するために、４列×４行の１６個のメモリセル９Ａを示し、また、磁壁移動素子１０Ａについて、磁性細線１、障壁層３、および磁化固定層４３（符号１Ａを付す）を抵抗器と可変抵抗器の図記号を組み合わせて表し、電極６１，６２，６３を線で表す。メモリセル９Ａは、磁壁移動素子１０Ａと共に、磁壁移動素子１０Ａの電極６１に接続するトランジスタ７１、および電極６３にアノードが接続するダイオード７２を備える。磁気メモリ９０Ａは、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似して、列方向に延設したビット線８２およびワード線８４、ならびに行方向に延設したソース線８１Ａを備え、さらに、ビット線８２に直交して行方向に延設した読出ワード線８３を備える。ビット線８２は電極６２に接続し、ソース線８１Ａはトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力し、読出ワード線８３はダイオード７２を経由して電極６３に接続する。

空間光変調器９０と同様に、トランジスタ７１はＳｉ基板の表層に形成されて、このＳｉ基板を土台として、メモリセル９Ａを配列することができる。一方、ダイオード７２は、磁性細線１や磁化固定層４３の上側に設けられるために、これらの材料にもよるが、１５０℃程度の低温で成膜可能な多結晶シリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）で形成されることが好ましい。

磁気メモリ９０Ａの書込みは、前記実施形態に係る磁壁移動素子１０を備える空間光変調器９０の書込みと同様に行うことができる。選択した（書き込む対象の）行のソース線８１Ａを電流源の一方の端子に接続し、選択したメモリセル９Ａの列のビット線８２を電流源の他方の端子に接続すると共に、同列のワード線８４をゲート電源に接続する。データ“０”を書き込む場合には、ソース線８１Ａを電流源の＋（電位＋Ｖw）の端子に接続し、ビット線８２を電流源の－（電位０Ｖ）の端子に接続する。データ“１”を書き込む場合には、電流源の＋／－の端子を入れ替えて接続する。また、書込みにおいては、磁壁移動素子１０Ａの磁化固定層４３に電流が流れないように、すべての読出ワード線８３を電位＋Ｖ_w以上に接続することが好ましい。

磁気メモリ９０Ａの読出しは、すべてのワード線８４を０Ｖに接続して、すべてのメモリセル９Ａのトランジスタ７１をＯＦＦにする。そして、選択したメモリセル９Ａのビット線８２に定電流源の＋極を、読出ワード線８３に－極を、それぞれ接続して、定電流Ｉ_rを供給しながら、定電流源と並列に接続した電圧計により、抵抗値を測定する。なお、定電流Ｉ_rは、磁壁移動素子１０Ａの磁性層１１の磁壁ＤＷが移動しない程度の大きさに設定する。また、読出しにおいては、非選択の列のビット線８２を定電流源の－極以下の電位に接続し、非選択の行の読出ワード線８３を＋極以上の電位に接続することが好ましい。

（磁気装置）
本発明の実施形態の変形例に係る磁気装置は、磁気メモリ９０Ａと、磁気メモリ９０Ａの磁壁移動素子１０Ａの磁性細線１にトランジスタ（スイッチング素子）７１を介して電流を供給する電流源と、磁気メモリ９０Ａのすべての磁壁移動素子１０Ａに磁界を印加する磁界発生装置（磁界印加手段）と、を備える（図示省略）。この磁気装置は、磁界発生装置が、磁性細線１の細線方向および膜面垂直方向（上向きまたは下向き）に向きを切り替えて磁界を印加し、また、磁壁移動素子１０Ａのナノ磁石（磁界印加部材）５４の保磁力Ｈc_p以上の磁界、および磁化固定層（参照層）４３の保磁力以上の磁界に強さを切り換える。磁気装置はさらに、列デコーダや行デコーダ等の磁気メモリ９０Ａの周辺回路を備える（図示省略）。磁気装置のその他の構成は、前記実施形態と同様である。

磁気装置は、空間光変調器９０を備える磁気装置と同様に、磁界発生装置が磁界Ｈ_assを＋ｘ方向、－ｘ方向の双方向に切り替えて印加する構成として、磁気メモリ９０Ａのメモリセル９Ａは、スイッチング素子として、トランジスタ７１に代えてダイオードを備えていてもよい。また、磁気メモリ９０Ａは、空間光変調器９０と同様に、ｘ方向に隣り合うメモリセル９Ａにおいて、一方の磁壁移動素子１０Ａの電極６１と電極６２の配置を入れ替えて、２つの磁壁移動素子１０Ａの電極６２および電極６２に接続するナノ磁石５４ｂ，５４ａを一体化して共有することができる。

本変形例に係る磁気装置は、前記実施形態と同様に、磁壁移動素子１０Ａのナノ磁石５４の着磁（着磁工程）を行わず、更新処理（単磁区化工程、初期磁区形成工程）のみを行う構成でもよい。本変形例においては、更新処理により、磁壁移動素子１０Ａの磁性層１１を所定の磁化状態とすると共に、磁化固定層４３を上向きの磁化方向にする。あるいは、更新処理により磁性層１１を所定の磁化状態とするだけでもよく、この場合には、前記実施形態の変形例に係る初期化方法（図７Ａ～図７Ｄ参照）を適用することができ、すなわち初期磁区形成工程のみを行う。したがって、磁界発生装置は、ｘ方向にのみ磁界を印加すればよいので、１軸のヘルムホルツ方式の装置を適用することができる。

本変形例に係る磁壁移動素子１０Ａは、障壁層３に代えて、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌのような非磁性金属からなる厚さ１～１０ｎｍの中間層を備えてもよい。この中間層および磁化固定層４３ならびに磁性層１１を合わせた３層の積層構造からなるＣＰＰ－ＧＭＲ素子を構成することができる。また、磁壁移動素子１０Ａは、前記実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様に、磁性細線１の下面に直接に電極６１，６２を接続して、ナノ磁石５４（５４ａ，５４ｂ）を磁性細線１の上側に配置してもよい。

〔第２実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線に磁化方向を固定するための磁界を印加するナノ磁石として、細線方向の棒磁石を適用するが、膜面垂直方向の棒磁石を適用することもできる。以下、本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法について、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して説明する。第１実施形態（図１～図９参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

（磁壁移動素子）
本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法を行う磁壁移動素子（以下、第１実施形態に係る磁壁移動素子）１０Ｂは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、垂直磁気異方性材料からなる磁性層１１とスピンホール効果を有するチャネル層１２とを上から順に積層して細線状に形成してなる磁性細線１と、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に互いに細線方向に離間して接続した、垂直磁気異方性の硬磁性材料からなるナノ磁石（磁界印加部材）５１，５２と、を備え、さらに、ナノ磁石５１，５２の下面に接続する電極６１，６２を備える。また、磁壁移動素子１０Ｂにおいては、前記第１実施形態と同様に、磁性細線１の周囲等の空白部に絶縁体が設けられる。磁壁移動素子１０Ｂは、第１実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様に、反射型の光変調素子であり、画素として二次元配列されて空間光変調器９０を構成する。

ナノ磁石５１とナノ磁石５２は、ｚ方向に沿った極小の棒磁石であり、互いに逆向きの極性を有し、－ｘ側のナノ磁石５１が上側をＳ極とし、＋ｘ側のナノ磁石５２が上側をＮ極とする。ナノ磁石５１，５２は、平面（ｘｙ面）視で外側近傍に当該ナノ磁石５１，５２の極性と逆向きの漏れ磁界を発生させる。したがって、ナノ磁石５１は、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1に＋ｚ方向の漏れ磁界＋Ｈ_pin1を印加し、ナノ磁石５２は、磁化固定領域１_FX2に－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pin2を印加する。図１０Ａおよび図１０Ｂに、ナノ磁石５１，５２からの磁力線を破線で表す。ナノ磁石５１，５２は、磁界＋Ｈ_pin1，－Ｈ_pin2により、磁性層１１の磁化固定領域１_FX1，１_FX2における磁化方向を固定し、磁壁移動素子１０の初期化において磁性層１に磁壁ＤＷを生成する。磁壁移動素子１０Ｂにおいては、ナノ磁石５１，５２は、磁性細線１のｘ方向に互いに離間して、両端に配置される。また、ナノ磁石５１，５２は、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に接続して設けられ、ナノ磁石５１，５２の下面に電極６１，６２が接続する。したがって、ナノ磁石５１，５２は、電極６１，６２と共に、磁性細線１への電流Ｉ_wの供給経路を構成する。

ナノ磁石５１，５２は、保磁力Ｈc_p1，Ｈc_p2が十分に大きいことが好ましく、少なくとも磁性層１１の保磁力Ｈc_fよりも大きい。また、ナノ磁石５１，５２は、後記するように、磁性層１１に印加される漏れ磁界＋Ｈ_pin1，－Ｈ_pin2が必要な強さとなるような磁力を有する。そのために、ナノ磁石５１およびナノ磁石５２は、垂直磁気異方性を有する硬磁性体からなり、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比１：２～４程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜が適用される。また、ナノ磁石５１とナノ磁石５２とは、極性を互いに逆向きに着磁することができるように、保磁力Ｈc_p1，Ｈc_p2が互いに異なることが好ましい。そのために、ナノ磁石５１とナノ磁石５２は、例えば、平面視形状のアスペクト比を異なるものとする。ここでは、ナノ磁石５２の方が保磁力が大きい（Ｈc_p1＜Ｈc_p2）ものとする。

（磁壁移動素子の動作）
本実施形態に係る磁壁移動素子１０Ｂの、電流供給による磁性細線における磁壁移動は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様である。すなわち、磁性層１１の磁化反転可能領域１_SWにおける磁化方向を、図１０Ａに示す上向きの状態から下向きの状態に磁化反転させるときには、磁壁ＤＷを－ｘ方向に移動させるために、図１０Ｂに示すように、電極６１を電流源の－極に、電極６２を＋極に接続して電流Ｉ_wを－ｘ方向に供給する。反対に、磁化反転可能領域１_SWの磁化方向を図１０Ｂに示す下向きから上向きに磁化反転させるときには、図１０Ａに示すように、電極６１を＋極に、電極６２を－極に接続して電流Ｉ_wを＋ｘ方向に供給する。さらに、電流Ｉ_wを供給する際に磁界Ｈ_assを印加することにより、低い電流密度の電流Ｉ_wで磁壁ＤＷを移動させて磁化反転可能領域１_SWを磁化反転させることができ、また、電流密度に対して高速で磁化反転可能領域１_SWを磁化反転させることができる。

（磁壁移動素子の初期化方法）
磁壁移動素子の初期化方法について説明する。初期化処理は、磁壁移動素子１０Ｂのナノ磁石５１，５２の極性をそれぞれ所定の方向に着磁し、また、磁性細線１の磁性層１１のＳＯＴ領域において、細線方向に磁区が２つに分割されて、磁化固定領域１_FX1側を上向き、磁化固定領域１_FX2側を下向きの磁化方向として、これら２つの磁区の境界に磁壁ＤＷを生成する。初期化処理は、第１実施形態と同様に、磁壁移動素子１０Ｂを二次元配列して備える空間光変調器９０の製造時または使用前に行うことができる。本発明の第２実施形態に係る初期化方法は、磁壁移動素子１０Ｂに、ナノ磁石（磁界印加部材）５２の保磁力Ｈc_p2以上の磁界Ｈ_mag1を上向きに印加する第１着磁工程（第１磁化工程）と、ナノ磁石（磁界印加部材）５２の保磁力Ｈc_p2未満かつナノ磁石（磁界印加部材）５１の保磁力Ｈc_p1以上の磁界Ｈ_mag2を下向きに印加する第２着磁工程（第２磁化工程）と、磁界Ｈ_initを＋ｘ方向（細線方向における一方向）に印加しながら、磁性細線１に電流Ｉ_initを＋ｘ方向（細線方向）に供給する初期磁区形成工程と、を順に行う。

第１着磁工程および第２着磁工程は、ナノ磁石５１，５２を互いに逆向きの極性に着磁すると共に、磁性細線１の磁性層１１を上向きまたは下向きの単磁区構造とする。第１着磁工程は、磁壁移動素子１０Ｂの磁性材料のうち保磁力が最も大きいナノ磁石５２を、＋ｚ側がＮ極、－ｚ側がＳ極の棒磁石とする。そのために、図１１Ａに示すように、外部から、ナノ磁石５２の保磁力Ｈc_p2以上の磁界Ｈ_mag1（Ｈ_mag1≧Ｈc_p2）を＋ｚ方向（上向き）に印加する。磁界Ｈ_mag1は、ナノ磁石５２の保磁力Ｈc_p2よりも大きいことが好ましい。第１着磁工程により、垂直磁気異方性材料からなるナノ磁石５１，５２および磁性層１１のすべてが上向きの磁化方向となる。

第２着磁工程は、ナノ磁石５２の極性を変えずに、ナノ磁石５１を、＋ｚ側がＳ極、－ｚ側がＮ極の棒磁石とする。そのために、図１１Ｂに示すように、外部から、ナノ磁石５２の保磁力Ｈc_p2未満かつナノ磁石５１の保磁力Ｈc_p1以上の磁界Ｈ_mag2（Ｈc_p1≦Ｈ_mag2＜Ｈc_p2）を－ｚ方向（下向き）に印加する。磁界Ｈ_mag2は、ナノ磁石５１の保磁力Ｈc_p1よりも大きいことが好ましい。第２磁化工程により、ナノ磁石５１および磁性層１１が磁化反転して下向きの磁化方向になる一方、ナノ磁石５２は上向きの磁化方向を維持する。

初期磁区形成工程は、単磁区構造の磁性層１１に、磁壁ＤＷを挟んだ２つの磁区を生成する。ここでは、第２着磁工程で磁性層１１が下向きの単磁区構造とされたので、第１実施形態と同様に、部分的に上向きの磁区（初期形成磁区）を形成する。また、磁性層１１に、ナノ磁石５１によって、その直上の＋ｘ側近傍の領域には、＋ｚ方向の漏れ磁界＋Ｈ_pin1が印加されている。同様に、ナノ磁石５２によって、その直上の－ｘ側近傍の領域には、－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pin2が印加されている。そこで、図１１Ｃに示すように、外部から＋ｘ方向に磁界Ｈ_initを印加しながら、磁性細線１に電極６１，６２およびナノ磁石５１，５２を介して電流Ｉ_initを＋ｘ方向に供給する。すると、磁性層１１は、磁界＋Ｈ_pin1を印加されている領域が上向きの磁区に分割され、この初期形成磁区を挟んで磁壁ＤＷ´，ＤＷが生成される。引き続き、電流Ｉ_initを供給し、磁界Ｈ_initを印加していると、磁性層１１において、磁壁ＤＷ´が電流Ｉ_initの供給方向と逆向きの－ｘ方向に移動し、磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動して、上向きの初期形成磁区が両方向に伸張する。ナノ磁石５１の直上の領域ではスピンホール効果が低いので、図１１Ｄに示すように、この領域の＋ｘ側の境界で磁壁ＤＷ´が停止し、前記領域は下向きの磁化方向が維持される。一方、ナノ磁石５２によって－ｚ方向の漏れ磁界－Ｈ_pin2が印加されている領域においても、下向きの磁化方向が維持されるので、図１１Ｄに示すように、この領域の－ｘ側の境界で磁壁ＤＷが停止する。このように、磁性層１１は、ＳＯＴ領域外であるナノ磁石５１の直上の領域では下向きの磁化方向が維持されて、その＋ｘ側の境界に磁壁ＤＷ´が存在するが、図１０Ａおよび図１０Ｂでは省略し、磁化固定領域１_FX1と同じ上向きの磁化方向とする。

このように、本実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法は、外部から磁界を２段階で上下に印加することにより、ナノ磁石５１，５２を互いに逆向きの極性に着磁し、かつ磁性細線１の磁性層１１を単磁区構造とした後、磁界を細線方向に切り換え、同時に磁性細線１に電流を供給する。なお、第２着磁工程の後、磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界を上向きに印加して、磁性層１１を再び上向きに磁化反転させてもよい。そして、次に、初期磁区形成工程において、磁界Ｈ_initの印加方向と電流Ｉ_initの供給方向とを互いに逆向きとする。特に、ナノ磁石５１とナノ磁石５２との磁力差が大きく、漏れ磁界＋Ｈ_pin1に対して漏れ磁界－Ｈ_pin2が大幅に強い場合、初期磁区形成工程において、磁性層１１を漏れ磁界－Ｈ_pin2により下向きに磁化反転させる方が、電流Ｉ_initの電流密度を低くすることができる。また、ナノ磁石５２よりもナノ磁石５１が保磁力が大きい（Ｈc_p1＞Ｈc_p2）場合には、第１着磁工程においてナノ磁石５１を着磁し、第２着磁工程においてナノ磁石５２を着磁する。

（磁気装置）
第２実施形態に係る磁壁移動素子１０Ｂは、前記したように二次元配列されて空間光変調器９０を構成し、第１実施形態と同様に、この空間光変調器９０と、その空間光変調器９０の周辺回路と、電流源と、磁界発生装置（磁界印加手段）と、を備えた磁気装置を構成する（図示省略）。本実施形態に係る磁気装置は、磁界発生装置が、磁性細線１の細線方向および膜面垂直方向（上向きまたは下向き）に向きを切り替えて磁界を印加し、また、磁壁移動素子１０Ｂのナノ磁石（磁界印加部材）５２の保磁力Ｈc_p2以上の磁界、およびナノ磁石（磁界印加部材）５２の保磁力Ｈc_p2未満であってナノ磁石（磁界印加部材）５１の保磁力Ｈc_p1以上の磁界に強さを切り換える。また、本実施形態に係る磁気装置は、第１実施形態で説明したように、磁壁移動素子１０Ｂのナノ磁石５１，５２の着磁（第１着磁工程、第２着磁工程）を行わず、更新処理（単磁区化工程、初期磁区形成工程）のみを行う構成でもよい。単磁区化工程は、第１実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法と同様に、磁性細線１の磁性層１１の保磁力Ｈc_f以上の磁界を下向き（または上向き）に印加する。また、磁気装置は、更新処理のみを行う場合、第１実施形態の変形例に係る初期化方法（図７Ａ～図７Ｄ参照）を適用することができ、すなわち初期磁区形成工程のみを行う。

（磁気抵抗効果素子）
本実施形態に係る磁壁移動素子１０Ｂは、第１実施形態と同様に、磁性細線１の磁性層１１の磁化反転可能領域１_SW上に障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３を積層することで、磁気抵抗効果素子を構成することができる（図８Ａ、図８Ｂ参照）。そして、この磁壁移動素子は、磁気メモリ９０Ａのメモリセル９Ａの記憶素子とすることができる。

（変形例）
本実施形態に係る磁気装置は、第１実施形態に係る磁気装置と同様に、磁界発生装置が磁界Ｈ_assを＋ｘ方向、－ｘ方向の双方向に切り替えて印加する構成として、空間光変調器９０の画素９は、スイッチング素子として、トランジスタ７１に代えてダイオードを備えていてもよい。また、空間光変調器９０は、ｘ方向に隣り合う画素９において、一方の磁壁移動素子１０Ｂをｘ方向に反転した配置として、２つの磁壁移動素子１０Ｂの電極６２および電極６２に接続するナノ磁石５２を一体化して共有することができる。磁気メモリ９０Ａについても同様である。また、本実施形態に係る磁壁移動素子１０Ｂは、第１実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様に、ナノ磁石５１またはナノ磁石５２の一方のみを備える構成とすることもできる。例えば、ナノ磁石５１のみを備え、電極６２は磁性細線１の下面に直接に接続する。このような磁壁移動素子１０Ｂは、初期化処理において、第１着磁工程（第１磁化工程）を行わず、はじめに第２着磁工程（第２磁化工程）を行う。

磁壁移動素子１０Ｂは、第１実施形態に係る磁壁移動素子１０と同様に、磁性細線１の下面に直接に電極６１，６２を接続して、ナノ磁石５１，５２を磁性細線１の上側に配置してもよい。さらに本実施形態においては、ナノ磁石５１，５２の直下に発生する当該ナノ磁石５１，５２の極性の向きの磁界を磁性層１１に印加することもできる。詳しくは、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、第２実施形態の変形例に係る磁壁移動素子１０Ｃは、ナノ磁石５１Ａ，５２Ａが、磁性細線１の電極６１，６２と接続した各領域の間の領域（ＳＯＴ領域）においてｘ方向に互いに離間して、磁性細線１の上側に設けられる。本変形例に係る磁壁移動素子１０Ｃにおいては、前記実施形態のナノ磁石５１，５２と比較して、ナノ磁石５１Ａ，５２Ａは、その磁力に対して強い磁界－Ｈ_pin1，＋Ｈ_pin2を磁性層１１に印加する。言い換えると、ナノ磁石５１Ａ，５２Ａは、必要な磁界－Ｈ_pin1，＋Ｈ_pin2に対してそれほど強い磁力としなくてよい。一方で、ナノ磁石５１Ａ，５２Ａは、磁力が過剰に強いと、極性と逆向きの漏れ磁界で磁壁ＤＷの移動を阻害する場合があるので、適切な磁力となるように設計される。

本変形例に係る磁壁移動素子１０Ｃにおいては、磁壁ＤＷがｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁であるので、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、磁壁ＤＷを電流Ｉ_wの供給方向に高速移動させるためには、磁界Ｈ_assを－ｘ方向に印加する。また、磁壁移動素子１０Ｃは、前記実施形態に係る磁壁移動素子の初期化方法（図１１Ａ～図１１Ｄ参照）と同様の手順で初期化することができる。

本発明の効果を確認するために、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子を模擬したサンプルを作製して、単磁区化した磁性層に外部から磁界を印加しながら電流を供給して、磁化状態を観察した。

（サンプル作製）
磁性細線は、０．５μｍ幅の直線状に形成した。磁性細線の積層構造、および磁性層の保磁力Ｈc_fを表１に示す。ナノ磁石は、磁性細線を横切る１５０ｎｍ幅（磁性細線の細線方向長（ｘ方向長））の直線状に形成し、ｘ方向に３．０μｍの間隔（中心同士）で２個設け、互いに異なる保磁力とするために、磁性細線の細線幅方向（ｙ方向）長を、－ｘ側：５００μｍ、＋ｘ側：３μｍに形成した。ナノ磁石の積層構造および保磁力Ｈc_p1，Ｈc_p2を表１に示す。サンプルの作製は、まず、熱酸化ＳｉＯ₂が表面に形成されたＳｉ基板上に、ＳｉＮ膜を成膜してトレンチを形成し、ナノ磁石を構成する積層膜を成膜して埋め込んだ。その上に、磁性細線を構成する積層膜を成膜して直線状に成形し、さらに、磁性細線の周囲にＳｉＮを埋め込んだ。ナノ磁石および磁性細線は、それぞれ、マグネトロンスパッタリングで成膜し、電子線描画、イオンミリング、およびリフトオフにより形成された。そして、２個のナノ磁石のそれぞれから磁性細線の細線方向外側約６～８μｍにおける磁性細線の表面の保護膜を除去して、Ａｇを埋め込んで電極を形成した（電極同士の間隔１７μｍ）。

（初期化処理）
サンプルに、上向きに８００ｍＴ（＋８００ｍＴ）、下向きに２５０ｍＴ（－２５０ｍＴ）、上向きに６０ｍＴ（＋６０ｍＴ）の磁界を順次印加して、－ｘ側のナノ磁石を下向き（－ｚ方向）の極性に、＋ｘ側のナノ磁石を上向き（＋ｚ方向）の極性にし、磁性細線の磁性層を上向き（＋ｚ方向）の単磁区構造とした。サンプルに磁界（Ｈ_init）を細線方向に印加しながら、電極を介して磁性細線にパルス幅２μｓのパルス電流（Ｉ_init）を１０回供給した。表２に、磁界Ｈ_initおよび電流Ｉ_initを示す。外部磁界Ｈ_initおよび電流Ｉ_initは、正（＋）が＋ｘ方向の、負（－）が－ｘ方向の印加、供給方向を表す。電流の供給後、サンプルを磁気光学顕微鏡で観察し、下向きの磁区の分割（磁壁の生成）の有無を判定した。さらに、磁気光学顕微鏡で観察して、下向きの磁区の伸張を視認できたものを、磁区の伸張（磁壁の移動）有と判定した。観察後、再びサンプルに６０ｍＴの磁界を上向きに印加して、磁界Ｈ_initおよび電流Ｉ_initによる処理を行った。同じ条件で５回処理を行って、磁壁の生成率および移動率を算出した。磁壁の生成率および移動率を表２に示す。また、サンプルの磁気光学顕微鏡写真を図１３Ａに示す。サンプルに下向きに６０ｍＴ（－６０ｍＴ）の磁界を印加して、磁性細線の磁性層を下向きの単磁区構造とし、同様の処理および観察を行った。磁壁の生成率および移動率を表２に示す。また、サンプルの磁気光学顕微鏡写真を図１３Ｂに示す。図１３Ａ、図１３Ｂ、および後記図１４は、＋ｘ方向を下に向けて示す。磁性細線（磁性層）において、白っぽく（明るく）見えるのが下向きの磁区、黒っぽく（暗く）見えるのが上向きの磁区である。

比較例として、磁性細線の磁性層を下向きの単磁区構造としたサンプルに、外部から磁界を印加せずにパルス電流を、１．６ｍＡから０．１ｍＡ刻みで２．１ｍＡまで電流値を変化させて－ｘ方向に供給した。サンプルの磁気光学顕微鏡写真を図１４に示す。

図１３Ａに示すように、上向きの単磁区構造の磁性細線に磁界を印加しながら電流を供給すると、磁界の印加方向および強さによっては、磁性細線の磁性層に、上向きの極性とした＋ｘ側のナノ磁石の両側（－ｘ側と＋ｘ側）近傍で下向きの磁区が分割され、すなわち磁壁が生成された。特に、表２および図１３Ａに示すように、電流の供給方向と逆向きに磁界を印加することが有効であり、磁性層の保磁力と同等またはそれよりも弱い磁界でも磁壁を生成することができた。さらに、磁界の印加方向と逆向きに電流を供給することにより、形成された下向きの磁区がそれぞれ伸張し、＋ｘ側のナノ磁石の＋ｘ側に形成された磁区は、最長で＋ｘ側の電極との接続部の手前まで（７μｍ以上）伸張した。一方、ナノ磁石の－ｘ側に形成された磁区は、長くても－ｘ側のナノ磁石の手前までの伸張であり、磁性層が、－ｘ側のナノ磁石によってその手前の領域において上向きの磁化方向に固定されることが確認された。反対に、図１３Ｂに示すように、下向きの単磁区構造の磁性細線に磁界を印加しながら電流を供給すると、磁性細線の磁性層に、下向きの極性とした－ｘ側のナノ磁石の両側近傍で上向きの磁区が分割され、特に、電流の供給方向と同じ向きに磁界を印加することが有効である。また、本実施例のサンプルにおいては、上向きの極性とした＋ｘ側のナノ磁石の方が磁力が強いので、図１３Ａに示す、このナノ磁石からの下向きの漏れ磁界による上向きから下向きへの磁化反転が容易であった。

また、磁性細線に外部から磁界を印加せずにパルス電流を供給した場合、図１４に示すように、電流が１．７ｍＡ以下では磁化状態の変化が見られず、１．８ｍＡ以上で、磁性細線の磁性層に磁壁が生成して、－ｘ側のナノ磁石の近傍で上向きの磁区が分割された。電流が１．８～２．０ｍＡでは磁壁の移動に至らず、２．１ｍＡでナノ磁石の－ｘ側近傍で形成された磁区が－ｘ方向に僅かに（１μｍ未満）移動した。なお、２．１ｍＡでは、－ｘ側のナノ磁石のさらに－ｘ側の電極近傍でも上向きの磁区が形成されたが、これは、このような大きな電流で、磁性層の温度が上昇して磁化の揺らぎが大きくなったことにより磁区が分割されたと推測される。

以上、本発明に係る磁壁移動素子の初期化方法および磁気装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 磁壁移動素子
１ 磁性細線
１１ 磁性層
１２ チャネル層
３ 障壁層（絶縁膜）
４３ 磁化固定層（参照層）
５１，５２ ナノ磁石（磁界印加部材）
５４，５４ａ，５４ｂ ナノ磁石（磁界印加部材）
６１，６２ 電極
６３ 電極
７１ トランジスタ（スイッチング素子）
９０ 空間光変調器
９０Ａ 磁気メモリ
９ 画素
９Ａ メモリセル

Claims (12)

1. 垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された垂直磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、前記一部を含まない所定領域内を細線方向に移動する磁壁移動素子の初期化方法であって、
   前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界を前記磁性細線の膜面垂直方向に印加する第１磁化工程と、
   前記磁壁移動素子に磁界を細線方向における一方向に印加しながら、前記磁性細線に電流を細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行うことを特徴とする磁壁移動素子の初期化方法。
2. 前記磁壁移動素子は、前記磁界印加部材を、前記所定領域を細線方向に挟む両外側に備え、前記磁界印加部材の一方が他方よりも保磁力が大きく、
   前記第１磁化工程の後かつ前記初期磁区形成工程の前に、前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の前記一方の保磁力未満かつ前記他方の保磁力以上の磁界を前記第１磁化工程と逆向きに印加する第２磁化工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動素子の初期化方法。
3. 垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された面内磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、前記一部を含まない所定領域内を細線方向に移動する磁壁移動素子の初期化方法であって、
   前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界を、前記磁性細線の細線方向における一方向に印加する第１磁化工程と、
   前記磁壁移動素子に、前記磁性層の保磁力以上の磁界を、前記磁性細線の膜面垂直方向に印加する第２磁化工程と、
   前記磁壁移動素子に前記磁界印加部材の保磁力未満の磁界を細線方向における一方向に印加しながら、前記磁性細線に電流を細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行うことを特徴とする磁壁移動素子の初期化方法。
4. 垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された面内磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、前記一部を含まない所定領域内を細線方向に移動する磁壁移動素子の初期化方法であって、
   前記磁壁移動素子に、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界を、前記磁性細線の細線方向における一方向に印加する第１磁化工程と、
   前記磁壁移動素子に前記磁界印加部材の保磁力未満の磁界を細線方向に印加しながら、前記磁性細線に電流を細線方向に供給する初期磁区形成工程と、を順に行い、
   前記初期磁区形成工程は、前記磁界の印加方向または前記電流の供給方向の一方を反転させて２回行うことを特徴とする磁壁移動素子の初期化方法。
5. 二次元配列した磁壁移動素子および前記磁壁移動素子毎のスイッチング素子を備える空間光変調器と、前記磁壁移動素子に前記スイッチング素子を介して電流を供給する電流源と、前記空間光変調器のすべての前記磁壁移動素子に磁界を印加する磁界印加手段と、を備える磁気装置であって、
   前記磁壁移動素子は、垂直磁気異方性の磁気光学材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性層の所定領域を細線方向に挟む両外側の少なくとも一方の領域に、前記磁界印加部材が発する磁界が前記磁性細線の膜面垂直方向に印加され、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されることにより、前記磁性層に生成している磁壁が細線方向に移動して前記磁性層の前記所定領域における磁化方向が反転し、
   前記空間光変調器は、前記磁壁移動素子を、前記磁性細線の細線方向を揃えて二次元配列し、
   前記磁界印加手段は、前記磁性細線の細線方向に磁界を印加することを特徴とする磁気装置。
6. 前記磁界印加手段は、前記磁性細線の膜面垂直方向に向きを切り替えて磁界を印加し、前記膜面垂直方向の磁界が前記磁性層の保磁力以上であることを特徴とする請求項５に記載の磁気装置。
7. 二次元配列した磁壁移動素子および前記磁壁移動素子毎のスイッチング素子を備える磁気メモリと、前記磁壁移動素子に前記スイッチング素子を介して電流を供給する電流源と、前記磁気メモリのすべての前記磁壁移動素子に磁界を印加する磁界印加手段と、を備える磁気装置であって、
   前記磁壁移動素子は、垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の所定領域における前記磁性層側に順次積層した非磁性金属膜または絶縁膜の一方および前記磁性層の保磁力以上の保磁力を有する垂直磁気異方性材料からなる参照層と、前記磁性細線の上側または下側であって細線方向における一部に配置された硬磁性材料からなる磁界印加部材と、を備え、前記磁性層の前記所定領域を細線方向に挟む両外側の少なくとも一方の領域に、前記磁界印加部材が発する磁界が前記磁性細線の膜面垂直方向に印加され、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されることにより、前記磁性層に生成している磁壁が細線方向に移動して前記磁性層の前記所定領域における磁化方向が反転し、
   前記磁気メモリは、前記磁壁移動素子を、前記磁性細線の細線方向を揃えて二次元配列し、
   前記磁界印加手段は、前記磁性細線の細線方向に磁界を印加することを特徴とする磁気装置。
8. 前記磁界印加手段は、前記磁性細線の膜面垂直方向に向きを切り替えて磁界を印加し、前記膜面垂直方向の磁界が前記参照層の保磁力以上であることを特徴とする請求項７に記載の磁気装置。
9. 前記磁壁移動素子は、前記磁界印加部材を前記所定領域の両外側にそれぞれ備え、前記両外側の一方の前記磁界印加部材から上向きの磁界が、他方の前記磁界印加部材から下向きの磁界が、前記磁性層に印加されることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか一項に記載の磁気装置。
10. 前記磁界印加手段は、前記磁界印加部材の保磁力以上の磁界と、前記磁界印加部材の少なくとも１つの保磁力未満の磁界と、を切り替えて印加することを特徴とする請求項５ないし請求項９のいずれか一項に記載の磁気装置。
11. 選択した前記磁壁移動素子の前記磁性細線に前記電流源が電流を供給すると共に、前記磁界印加手段が前記磁性細線の細線方向に磁界を印加して、前記所定領域における前記磁性層の磁化方向を反転させることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか一項に記載の磁気装置。
12. 前記電流源が、選択された前記磁壁移動素子の前記磁性細線に電流を所定の一方向のみに供給し、前記磁界印加手段が、前記磁性細線の細線方向における両方向のいずれかに向きを切り替えて磁界を印加して、前記所定領域における前記磁性層の磁化方向を反転させることを特徴とする請求項１１に記載の磁気装置。

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