JP3093772B2 - 記録方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、記録・再生方法に関するものである。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来、磁気テープ、磁気ディスク等の記憶装置がコン
ピュータ等の外部記憶装置として広く用いられてきた。
これは磁気ヘッドと称される微小領域磁気検出器を磁気
テープや磁気ディスクに密着させ、磁気テープや磁気デ
ィスクに記録された磁束を検出するものである。この最
大の問題点は磁気ヘッドを記憶媒体に密着させなければ
ならないということであった。このために再生速度や磁
気テープ、磁気ディスク等の寿命が大きく制約されてい
た。また、記憶容量も磁気ヘッドのピックアップ部分の
大きさによって制約されていた。近年、光ディスクが開
発された。これは極めて細く集束されたレーザ光をプロ
ーブとして、ディスク上に記録された凹凸を読み取るも
ので、上記磁気ヘッドが必要な記憶装置の抱えていた問
題点が大きく改善された。しかしながら、現在のところ
何度も書き込みのできる光ディスクは成功していない。
光ディスクを書き込み可能のものとするために、磁気光
学効果（ファラデー効果等）を利用した光磁気ディスク
も研究されているが、実用化には到っていないのが現状
である。

記録の手段として磁束もしくはその他の磁気的な効果
を用いることの利点は、記録することが比較的容易でし
かも長期にわたって安定に記録が残留することにある。
しかしながら、上記の磁気的な効果を用いた記録を再生
することは難しい。その理由は、磁気ヘッド等を記録媒
体に密着させることによって記録された磁束等を検出す
ることは簡単な方法であるが、この方法には前述の通り
様々な問題点がある。

以上のような問題点を改善する方法として、光や電子
線等をプローブとして用い、書き込み、読みだしをおこ
なうことが望まれている、しかし例えば、磁束（静磁
場）と電磁場とは相互作用しないため、光のみで磁束を
検出することは不可能である。

現在考案されている光磁気ディスク装置では磁束と光
の間に物質を介して間接的な相互作用をおこなわせるこ
とによって磁束の検出を試みている。

しかし、この相互作用は比較的弱く、様々な技術的課
題を抱えている。

一方、スピン角運動量と磁場は相互作用するのでこれ
を利用して磁束の有無を検出することも可能である。し
かしながら、電子（スピン角運動量２分の１を有する）
は、物質にたいして磁気的な相互作用よりも電気的な相
互作用の方がはるかに大きく、これをもって磁気的な記
録を読みだすことは実際不可能である。中性子は物質と
は電気的な相互作用をおこなわないので磁気的な記録の
検出は可能であるかも知れない。また、実用的でない。

以上の方式はいずれも、局所的な磁束等を局所的に検
出することを前提にしているため上記のような解決不可
能な問題を抱えることになる。そこで本発明では局所的
な磁束等を全体もしくは比較的大きな部分から、変動と
して検出することを目的としている。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成させるため、超伝導体また
は磁性体を有する記録媒体に磁場を与える工程と、部分
的に光、電子線または粒子線を与える工程とにより、前
記記録媒体中に前記磁場により磁化された部分を作り出
すことにより記録する方法とした。

先ず超伝導体または磁性体を有する記録媒体に磁場を
与える方法を以下に記す。

超伝導体を有する記録媒体に磁場を与えるには、記録
媒体を超伝導臨界温度以下に冷し、下部臨界磁場以下の
強さの磁場を与える方法と、超伝導臨界温度以下に冷や
して下部臨界温度以上の強さの磁場を加える方法があ
る。

本願発明で磁性体を有する記録媒体に磁場を与えると
は、単に磁性体に一定方向の磁場を与える以外に、磁性
体を予めある一定の方向に磁化させておき、その後に前
記の方向と異なる方向に磁場を与えることも含むもので
ある。

超伝導体を有する記録媒体に下部臨界磁場以上の強さ
の磁場を加える方法と下部臨界磁場以上の強さの磁場を
加える方法との２通りの方法があるが，この違いは、予
め記録媒体を磁化させておくか、あるいは磁化させてお
かないかの違いである。超伝導体に下部臨界磁場以上の
磁場を与えた場合には、超伝導体は磁化され磁束を持つ
ことになる。下部臨界磁場以下の強さの磁場を与えた場
合には、超伝導体の中のに、磁束が入り込まない状態と
なるため、超伝導体は磁束を持たないことになる。

次に部分的に光、電子性または粒子線を与える工程を
説明する。

この工程で情報が記録媒体に記録される。つまり磁束
が存在する部分と存在しない部分を記録媒体中に作るこ
とで情報を記録する、あるいは磁束の向きを異ならせて
存在させ、情報として記録するのである。

前記した超伝導体を有する記録媒体において、下部臨
界磁場以上の強さの磁場を与えられたものは、超伝導体
内に磁束が入り込んでいるため、ここで部分的に光、電
子線または粒子線が与えられると、与えられたところの
超伝導体は臨界温度以上に加熱される、あるいは光が吸
収されることによって磁束を保持することができなくな
り、その部分の磁束は消失する。これにより光等が与え
られた部分の磁束は消え、光等が与えられなかった部分
の磁束が残り、それが記録となる。

超伝導体を有する記録媒体において、下部臨界磁場以
下の強さの磁場を与えて磁束を記録媒体中に保持するこ
とができるものは、記録媒体中に多数の穴を持った超伝
導体を有する場合である。このような記録媒体に対し
て、部分的に光、電子線または粒子線が与えられると、
与えられたところの超伝導体は、臨界温度以上に達し常
伝導状態となり、その部分に存在する穴に磁束が侵入
し、その部分は光や電子線等を与えなくなった後、超伝
導状態が回復しても磁束は穴の中に存在し、その結果、
光等の照射部分には磁束が残り、光等の与えられなかっ
た部分には磁束が存在しないという状態を作り出すこと
ができ、これを記録として残すことができるのである。

磁性体に磁場を与えた状態で光、電子線または粒子線
を与えると、与えられた部分がキュリー点（強磁性転移
温度）以上に熱せられ、これが冷却される過程で与えら
れた磁場の向きに磁化されるのである。その結果、予め
記録媒体中の磁性体をある方向に磁化させておき、次に
記録工程で、磁化された方向応と異なる方向に磁場を与
え、部分的に光、電子線または粒子線を与えてやると初
期の磁化の方向とは異なる方向にその部分のみを磁化さ
せることができる。また予め記録媒体中の磁性体をある
方向に磁化させておかなくても、記録の工程で、ある方
向の磁場を加えておいて、部分的に光、電子線または粒
子線を与えてやれば、部分的に磁化した磁性体を記録媒
体中に作ることができ、光等が与えられた部分は磁化
し、光等が与えられなかった部分は、磁束がないという
状態を記録して残すことができるのである。

次に上記のように記録した情報を再生するために本発
明は、磁化された部分を有する超伝導体または磁性体を
有する記録媒体に光、電子線または粒子線を与えること
により、磁化された部分の磁束に変化を与え、前記磁束
の変化を検出することとした。

記録媒体が超伝導体を有するものである場合記録は、
前記したように磁束が存在するかしないかで行われてい
るから、磁束の存在を磁束を変化させることで検出し
た。

磁束に変化を与えるために、記録媒体に光、電子線ま
たは粒子線を与えた。磁束の存在する部分に光等が与え
られると、その部分が非超伝導状態となり、磁束が消失
するのである。このときの磁束の消失を検出するのであ
る。

記録媒体に光、電子線または粒子線を与える段階で磁
場を加えてもよい。

記録媒体が磁性体を有するものである場合、記録は磁
束が存在するか、しないかでされている場合と、磁束の
方向を異ならせて存在させることでされている場合があ
るが、いずれの場合でも記録されている磁束に変化を起
こさせてその変化を検出するものである。

その方法は、記録媒体中に磁束の存在の有無で記録が
されている場合は、光、電子線または粒子線を記録媒体
に与え、磁束の存在している部分の磁束を消失させるこ
とで、磁束に変化を与え、その磁束の変化を検出し、ま
た記録媒体中に磁束の方向を異ならせて存在させること
で記録がされている場合には、記録として残っている磁
束の何れか一方の磁束の向きに合わせた磁場を与えつつ
光、電子線または粒子線を与えることで磁束の方向に変
化を起こさせ、その変化を検出する。

磁束の変化を検出する手段としては、超高感度磁力
計、コイル、磁気ヘッド、等が挙げられる。なかでも超
高感度磁力計の１つである超伝導量子干渉素子は磁束量
子の１つ（大きさは10^-1wb）が検出できるので微小な磁
束の変化の検出には好ましい。しかし、磁束の変化の速
度が十分大きくなければ、通常のコイルでも十分に検出
できる。

以下本発明の実施例を詳細に説明する。

『実施例１』 本発明に使用する記録・再生装置はプローブとして使
用する光、電子線もしくはその他の粒子線を発生する装
置と磁束検出用コイルもしくは超高感度磁力計等の磁束
の変化を検出する手段、磁束が記録される磁性体や超伝
導体からなる記録ディスクと、磁場発生装置からなる。
記録ディスク上には磁性体もしくは超伝導体の島状の粒
子（これをビットという）が形成されていて、その大き
さは、例えば１μｍ×１μｍ×10μｍの長方形である。
検出用コイルとこのビットとの距離は、できるだけ短い
方が好ましい。しかしながら、記録媒体と接触等の為に
摩耗しないような距離は保たれているものとする。具体
的には、100μｍ以下とする。プローブとしてレーザ光
を用いた例を第２図に示す。

次に動作原理を説明する。ここでは超伝導体をビット
として記録媒体に使用した例について述べる。

まず最初に臨界温度以下に冷却された超伝導体ビット
（14）からなる記録ディスクに超伝導体の下部臨界磁場
以上の外部磁場（15）が印加される。ここでは外部磁場
をビットの長軸方向（長方形をしたビットの長い辺の方
向）に加えた（第２図（ａ））。すると超伝導体の中に
磁束が量子化された状態で、外部磁場の大きさに応じ
て、何本か侵入する。外部磁場を切っても侵入した磁束
は超伝導体ビットの中に残る（第２図（ｂ））。

情報の記録は、必要な個所を集束したレーザ光や電子
線あるいは粒子線（23）等で照射することによって行
う。このときの照射は，ビットの長軸方向に移動させな
がら行う。しかしこの照射を、長軸方向とは直角の方
向、つまり長方形をしたビットの短い辺の方向に移動し
て行なってもよい。このとき光はビットのすべてに照射
されている必要がある。熱的な作用や光による作用等に
よって超伝導性が破壊されるとそれまで超伝導体内に捕
捉されていた磁束が無くなる。すなわち、この状態で
は、 １・記憶状態・・・磁束なし ０・非記憶状態・・磁束あり という２つの状態が存在することになる。

次に読みだし（再生）の原理について説明する。再生
も記録と同様に外部磁場のない状態でおこなう。上記の
方法によって情報の記録のなされたディスクは、いわば
一つの磁石と同じである。もしこのディスクから磁束を
一つ消し去れば、その分“磁石”の磁束が減るわけであ
る。この減少が関知できれば、レーザ光や電子線、粒子
線の照射された箇所に磁束が保持されていたかどうかわ
かる。この減少を関知する手段としてコイルを用いた。
すなわち、ファラデーの法則より、 ここでΦはコイルを貫く磁束でＶはコイルに生じる電圧
である。通常の強磁性体では、磁束の変化する速度は余
りにも遅く、10^-3秒程度であるが、超伝導体が常伝導体
に転移する（したがって、超伝導体の中に磁束が侵入す
る）速度は10^-9秒以下であるため、たとえΦの変化が磁
束量子（〜10^-15wb）程度の大きさであっても、一巻コ
イルで10^-6Vの信号が得られる。これは通常の増幅器等
を用いれば十分検出可能な大きさである。多重巻コイル
であればさらに信号電圧は大きくなる。

１つのビットに存在する磁束の量はせいぜい10^-14wb
である。ビットが１μｍ×１μｍ×10μｍの長方形をし
ていて、磁束がその長軸方向に在るとすると、その磁気
モーメントは10^-19wb・ｍである。このビットの周囲に
一巻コイルを置き、そのビットとの最も近い距離に10μ
ｍとするとこのコイルを横切る磁束は、約２×10^-15wb
である。もし、ビットに光や電子線等を照射して、ビッ
トを常伝導体化してやれば、ビットの磁束がなくなり、
その結果、コイルを横切る磁束の変化は約２×10^-15wb
となり、ファラデーの電磁誘導の法則よりコイルに電圧
が生じる。超伝導体が光の照射によって常伝導体に変化
する速度は10^-9秒以下であるので、コイルには10^-6V程
度の電圧が生じる。

この段階で、 というように再生がなされる。また、通常のコイルの代
わりに、超伝導量子干渉素子を用いれば、超伝導−常伝
導転移が十分遅くて、電磁誘導による電圧が小さすぎる
場合にも、磁束量子（10^-15wb）を検出することでき
る。

本実施例の場合全てのビットに対し、光や電子線等を
照射してそこに磁束が存在していたか否かを調べること
になる。そのため、記憶ディスク上の全てのビットが光
や電子線の照射のために磁束を失った状態になる。しか
し、これは・他の補助的な記憶装置を用いて、その場で
記憶しなおすことが可能である。

ここでは酸化物超伝導体薄膜にBi₂Sr₂CaCu₂O₈薄膜を
用いて作製された記録ディスクを使用した場合について
第１図に示す。

酸化物超伝導体Bi₂Sr₂CaCu₂O₈薄膜（膜厚は約１μ
ｍ）を通常のスパッタリング方によって酸化マグネシウ
ム単結晶（100）面基板上（50mm×50mm×2mm）に作製し
た。この超伝導体膜はきわめて平坦な膜であり、粒界ら
しきものは認められなかった。Ｘ線解析法によってこの
超伝導体膜はｃ軸が基板に対して垂直であることがわか
った。また、磁化率測定から、90K以下で超伝導を示す
ことがわかった。

この酸化物超伝導体薄膜を通常のフォトリソグラフィ
ー法によってエッチングし、１μｍ×１μｍ×10μｍの
長方形を多数島状に形成して記録ビット（14）とした。
この記録ディスク（12）を第１図のように多数の臨界温
度以下の77Kに冷やし、更に超伝導体の下部臨界磁場以
上の比較的強い外部磁場（15）（例えば0.05T）をかけ
て超伝導体の中に磁束を侵入させた。磁場の向きは超伝
導体ビット（14）の長軸方向であった。このビットにエ
ネルギー密度10³W/cm²のHe−Neレーザ光を（13）を照射
した。この程度のパワーでも超伝導体を常伝導体に転移
させることが可能であり、また、超伝導体に対する熱的
な損傷は全くなかった。

次に、記録された情報の再生をおこなった。書き込み
のときと同じパワー密度のレーザ光を照射し、それによ
って変化する磁束の量を検出用コイル（11）によって検
出した。その結果、記録の際にレーザ光が照射された箇
所に関しては磁束の変化は検出されなかったが、レーザ
光の照射されなかった（非記憶状態だった）箇所に関し
ては、磁束の変化（減少）があることが認められた。

『実施例２』 強磁性体（ニッケル）薄膜を記録ディスクとして用い
た場合について述べる。

ニッケル薄膜は真空蒸着法によってガラス基板（50mm
×50mm×1mm）上に成膜された。膜厚は約１μｍであっ
た。これを高エネルギー紫外レーザ光でエッチングし
て、１μｍ×１μｍ×10μｍの長方形の多数のニッケル
薄膜ビットを基板上に作製した。

まず記録方法について述べる。

装置を第３図に示す。記録ディスク（36）、電子線源
である電子銃（32）等は全て真空槽に置かれている。

最初に個々のニッケル薄膜ビットは全て、第３図中の
第１の外部磁場（39）の向きに磁化されている。第２の
外部磁場は（39）と垂直な方向（38）にかけられる。第
２の外部磁場（38）の大きさは10^-3Tであった。この状
態で電子ビーム（ビーム径は約１μｍ×10μｍ）（34）
を照射した。電子ビーム（34）によって、キュリー点
（約380℃）以上に熱せられたニッケルは冷却の過程で
第２の外部磁場の向きに磁化される。これで“記録”の
状態になる。

すなわち、 １（記憶状態）・・磁化が（39）に垂直 ０（非記憶状態）・・磁化が（39）に平行 という二つの状態が存在することになる。

次に再生について述べる。このとき外部磁場はやはり
（39）に垂直に第３の磁場としてかけられている状態で
再生はなされる。記録ディスク（35）に電子ビーム（3
4）を照射すると、既に電子ビーム（34）を照射された
（書き込まれた電子ビーム箇所）の磁化の変化は無い
が、電子ビームの照射されていなかった箇所（書き込ま
れていなかった箇所）に関しては、ニッケルビットの磁
化が（39）に垂直になるため、これが検出用コイル（3
5）に関知される。

すなわち、 信号無し→磁化は（39）に垂直であった。→１ 信号有り→磁化は（39）に平行であった。→０ １つのニッケルビットに残留していた磁束による磁気モ
ーメントは10^-18wb・ｍであり、10μｍはなれたコイル
の外側に出ている磁束の量は約10^-13wbである。電子ビ
ーム（34）によって加熱され、磁化が消えるのに要する
時間は10^-8秒と見積もられる。従って検出用コイル（3
5）には約10^-5Vの電圧が生じる。これは十分検出可能な
大きさの電圧である。

電子線の照射によって書き込まれたもともと“空”だ
った（非記憶状態だった）箇所には、再び、外部磁場を
（39）の向きにして電子ビーム（34）を照射してやれ
ば、“空”の状態（すなわち、磁化の向きが（39）に平
行な状態）に戻る。

実際に動作させてみたところ、上記の説明と矛盾しな
い結果が得られた。この場合、１つのビットを再生する
のに要する時間は10^-7秒以下であることが確かめられ
た。また、記録容量の密度は約10⁷/cm²であった。

以上のことから、この記憶装置が記憶・再生の動作が
できることが確かめられた。電子ビームを使用する場合
には真空装置が必要であるため、記録ディスクの交換等
に大変な手間がかかるが、記録ディスク数枚を真空中に
封じ切ってしまい、コンピュータ等の補助記憶装置とし
て使用することが可能である。

『実施例３』 本実施例で使用する装置は第４図に示すようにプロー
ブとしてレーザ光（41）を発生するレーザ（42）と、超
高感度磁束計として超伝導量子干渉素子（SQID）（4
3）、磁束が記録される超伝導体から記憶ディスク（4
4）、及び磁場発生装置（45）及び制御系（46）からな
る。

次にこの装置の動作原理を説明する。まず外部磁場の
存在下でレーザ光（41）のビームによって情報を書き込
む。それは光照射や電子照射、単なる超伝導臨界温度以
上の温度上昇等による超伝導体の破壊と磁束の侵入であ
る。書き込みの原理はどうであれ、この場合には、磁場
中でのビーム照射によって磁束が保持され、磁場が無い
場合でのビーム照射には磁束は保持されず、既に保持し
ていた磁束はなくなることが必要である。以上で書き込
み動作が終了する。

次に読みだし（再生）の原理について説明する。再生
は外部磁場のない状態でおこなう。上記の方法によって
書き込みのなされたディスクは、いわば一つの磁石と同
じである。もしこのディスクから磁束を一つ消せば、そ
の分“磁石”の磁束が減るわけであるから、この減少が
関知できれば、磁束が保持されていたかどうかがわか
る。

この微小な磁束の変化の検出には超高感度な磁力計が
必要である。この場合磁束量子の１つ（大きさは10^-1W
b）が検出できる超伝導量子干渉素子（SQUID）を使用す
ることが望まれる。

実際の再生の動作について説明する。

光や電子線・粒子線のビームを外部磁場のない状態で
記憶ディスクに照射すると、それまで保持されていた磁
束がなくなる。この磁束の損失は直ちに、超高感度磁力
計によって検出され再生信号となる。

記録された情報を一度だけ読み取るのであればこのま
ま動作を進めてもよいが、何度でも読み取る必要のある
場合には、ビーム照射によって消された磁束をもう一度
ディスクに書き込む必要がある。これは再び、外部磁場
をかけた状態でビームを照射することによってなされ
る。この動作は、一つの情報を読み取るたびにおこなっ
ても、また、いくつかの情報もしくは一つのディスクの
情報を読みだした後、それらの情報を別の記憶装置に一
時的に記憶させておいて、まとめて情報の消されたディ
スクに書き込んでもなんら問題とはならない。この動作
をわかりやすくフローチャートにしたのが第５図であ
る。

ここでは酸化物超伝導体薄膜を第６図のように加工し
た記憶ディスクについて述べる。酸化物超伝導体Bi₂Sr₂
CaCu₂O₈薄膜（膜厚は約0.1μｍ）を通常のスパッタリン
グ法によって酸化マグネシウム単結晶（100）面基板上
（50mm×50mm×2mm）に作製した。超伝導体膜はきわめ
て平坦な膜であり、粒界らしきものは認められなかっ
た。Ｘ線解析法によってこの超伝導体膜はｃ軸が基板に
対して垂直であることがわかった。また、磁化率測定か
ら、90K以下で超伝導を示すことがわかった。

この酸化物超伝導体薄膜（64）を通常のフォトリソグ
ラフィー法によってエッチングし、第６図に示されるよ
うに直径約２μｍの孔（63）を一列に多数有する縦３μ
ｍの短冊状に加工した。この記憶ディスクを超伝導体の
臨界温度以下に冷やし、更に超伝導体の下部臨界磁場以
下の弱い外部磁場（62）（第６図においては紙面の表か
ら裏への方向）をかけてもこの孔（63）の中には磁束は
侵入できない。これは超伝導体の持つ完全反磁性のため
である。ところがこの超伝導の孔（63）の周囲の一部に
レーザ光（61）や電子線等を照射すれば、加熱によっ
て、あるいは光の吸収によって、もしくは高エネルギー
電子によって超伝導体の超伝導対が破壊され、超伝導状
態でなくなり、磁束が孔（63）の中に侵入する。この侵
入した磁束は、レーザ光や電子線の照射が終了し、超伝
導状態が回復しても孔の中に存在し続ける。

実験は第４図に示されるような装置を用いておこなっ
た。超伝導体からなる記憶ディスク（44）を液体窒素に
よって77Kに冷却し、10^-3Tの磁場をかけ、He−Neレーザ
光（41）を直径約１μｍに集光して照射した。パワー密
度は10³W/cm²であった。この程度のパワーでも超伝導体
をその臨界温度の90K以上に上げることが可能であり、
また、超伝導体に対する熱的な損傷は全くなかった。

これで「記録」の状態になる。

すなわち １（記憶状態）・・磁束あり ０（非記憶状態・・磁束なし という二つの状態が存在することになる。

次に、記憶された情報の再生をおこなった。外部磁場
のない状態で、書き込みのときと同じパワー密度のレー
ザ光を照射し、それによって変化する磁束の量を酸化物
超伝導体Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀薄膜を用いたSQUIDによって測
定した。このSQUIDの作製方法については以下の如く作
製した。

酸化マグネシウム単結晶基板（84）（60mm×60mm×2m
m）上に第７図に示すように通常のスパッタリング法に
よって超伝導体Bi₂Sr₂CaCu₂O₈薄膜（71）（膜厚は約0.1
μｍ）を成膜した。超伝導体膜はきわめて平坦な膜であ
り、粒界らしきものは認められなかった。Ｘ線解析法に
よってこの超伝導体膜はｃ軸が基板に対して垂直である
ことがわかった。これを第７図に示されるようにフォト
リソグラフィー法によって幅10μｍの長方形の線状にエ
ッチングした。次に第７図のＡおよびＡ′で示される部
分に第８図（ａ）に示すようにレーザ光（81）を超伝導
体膜（82）に照射して、幅約10μｍの部分を溶融させた
（第８図（ａ））。さらに酸素分圧0.05atmのアルゴン
−酸素混合気体（全圧1atm）中、850℃で0.5時間アニー
ルして溶融した部分を再結晶化させた。再結晶化した部
分は多結晶（83）になっており、粒界が超伝導線の方向
に対して垂直に入っていた（第８図（ｂ）および
（ｃ））。以上の操作によってSQUIDが作製できた。こ
のSQUIDは77Kでも動作することが確かめられた。第７図
中（72）は電極を示す。

その結果、磁束の減少が観測され、記憶の再生が可能
であることが確かめられた。

『実施例４』 本実施例における記憶装置はプローブとして光、電子
線、もしくはその他の粒子線を発生する装置、ここでは
レーザ（91）と超高感度磁力計、磁束が記録される磁性
体や超伝導体からなる記憶ディスク（92）、および時は
発生装置及びロックインアンプ（94）からなる。プロー
ブとしてレーザ光、超高感度磁力計として通常のコイル
（93）を用いた例を第９図に示す。

次にこの装置の動作原理を説明する。まず、外部磁場
の存在下でプローブのビームによって情報を書き込む。
それは例えば記憶ディスクが超伝導体を利用するもので
あったならば、光照射や電子照射、単なる超伝導臨界温
度以上の温度上昇等による超伝導体の破壊と磁束の侵入
であるし、強磁性体の場合には、強磁性転移温度以上へ
の温度上昇と磁場中冷却による磁化である。書き込みの
原理はどうであれ、この場合には、磁場中でのビーム照
射によって磁束が保持され、磁場が無い場合でのビーム
照射には磁束は保持されず、既に保持していた磁束はな
くなることが必要である。以上で書き込み動作が終了す
る。

次に読みだし（再生）の原理について説明する。再生
も外部磁場の存在下で行なう。上記の方法によって書き
込みのなされたディスクは、いわば一つの磁石と同じで
ある。もしこのディスクにさらに磁束を一つ書き込め
ば、その分“磁石”の磁束が増えるわけであるから、こ
の増加が関知できれば、レーザ光や電子線、粒子線の照
射された箇所に磁束が保持されていたかどうかがわか
る。この微小な磁束の変化の検出には超高感度な磁力計
が必要である。磁束量子の１つ（大きさは10^-1wb）が検
出できる超伝導量子干渉素子（SQUID）を使用すること
が望まれるしかしながら、磁束の変化の速度が十分大き
ければ、通常のコイルでも十分に検出できる。

次に実際の再生の動作について説明する。例として超
伝導体で作られた記憶ディスクの場合について述べる。
光や電子線・粒子線のビームを外部磁場の存在下で記憶
ディスクに照射すると、それまで磁束があったところに
は更なる磁束は入り込めず、全体の変化はないが、磁束
がなかったところには新たに磁束が侵入し、全体の磁束
に変化が生ずる。この磁束の変化はただちに、超高感度
磁力計によって検出され再生信号となる。記録された情
報を一度だけ読み取るものであればこのまま動作を進め
てもよいが、何度でも読み取る必要のある場合には、ビ
ーム照射によって“情報”を消してやる必要がある。そ
れは簡単で、外部磁場のない状態でビームを照射するこ
とによってなされる。この動作は、一つの情報を読み取
るたびにおこなっても、また、いくつかの情報もしくは
一つのディスクの情報を読みだした後、それらの情報を
別の記憶装置に一時的に記憶させておいて、まとめて情
報の消されたディスクに書き込んでもなんら問題とはな
らない。この動作をわかりやすくフローチャートにした
のが第10図である。

ここでは酸化物超伝導体薄膜を用いて作製された記憶
ディスクを使用した場合について述べる。酸化物超伝導
体Bi₂Sr₂CaCu₂O₈薄膜（膜厚は約0.1μｍ）を通常のスパ
ッタリング法によって酸化マグネシウム単結晶（100）
面基板上（50mm×50mm×2mm）に作製した。超伝導体膜
はきわめて平坦な膜であり、粒界らしきものは認められ
なかった。Ｘ線解析法によってこの超伝導体膜はｃ軸が
基板に対して垂直であることがわかった。また、磁化率
測定から、90K以下で超伝導を示すことがわかった。

この酸化物超伝導体薄膜を通常のフォトリソグラフィ
ー法によってエッチングし、直径約２μｍの孔を有する
多数の細線円（線幅約0.2μｍ）に加工した。この記憶
ディスク超伝導体の臨界温度以下に冷やし、更に超伝導
体の下部臨界磁場以下の弱い外部磁場をかけてもこの孔
の中には磁束は侵入できない。これは超伝導体の持つ完
全反磁場性のためである。ところがこの超伝導の孔の周
囲の一部にレーザ光や電子線等を照射すれば、加熱によ
って、あるいは光の吸収によって、もしくは高エネルギ
ー電子によって超伝導体が破壊され、超伝導状態でなく
なり、磁束の孔の中に侵入する。特に光の吸収による超
伝導の破壊は10^-9以下の短い時間に起こり、磁束が侵入
する。この侵入した磁束は、レーザ光や電子線の照射が
終了し、超伝導状態が回復しても孔の中に存在し続け
る。

実験は第１図に示されるような装置を用いて行った。
超伝導体からなる記憶ディスクを液体窒素によって77K
に冷却し、10^-3Tの磁場をかけ、He−Neレーザ光を直径
約１μｍに集光して照射した。パワー密度は10³W/cm²で
あった。この程度のパワーでも超伝導体を常伝導体に転
移させることが可能であり、また、超伝導体に対する熱
的な損傷は全くなかった。

次に、記憶された情報の再生を行った。外部磁場10^-3
Tで、書き込みのときと同じパワー密度のレーザ光を照
射し、それによって変化する磁束の量を検出用コイル
（1000回巻）によって検出した。その結果、記録の際に
レーザ光が照射された箇所に関しては磁束の変化は検出
されなかったが、レーザ光の照射されなかった（“空”
だった）箇所に関しては、磁束の変化（増加）があるこ
とが認められた。

この結果、記憶の再生が可能であることが確かめられ
た。

『実施例５』 強磁性体（ニッケル）薄膜を記憶ディスクとして用
い、酸化物超伝導体の超伝導量子干渉素子（SQUID）を
磁束変化の検出手段として用いた場合について述べる。

第11図は本実施例に使用した装置を示す図であり、電
子ビーム（101）、SQID（112）、記憶ディスク（11
3）、制御系（114）からなる。

ニッケル薄膜は真空蒸着法によってガラス基板（50mm
×50mm×1mm）上に成膜された。薄膜は約0.1μｍであっ
た。これを高エネルギー紫外レーザ光でエッチングし
て、一辺の長さが約0.2μｍの多数のニッケルの正方形
を基板上に作製した。

まず記録の方法について述べる。記憶ディスク（11
3）、電子線源（111）SQUID（112）は全て真空中に置か
れている。最初に個々のニッケル正方形は全て、第11図
中のＢの向きに磁化されている。これに逆の磁場（11
1）ビーム径は約0.1μｍ）を照射した。電子ビームによ
ってキュリー点（約380℃）以上に熱せられたニッケル
は冷却の過程でＢ′の向きに磁化させる。これで“記
憶”の状態になる。

次に再生について述べる。磁束の検出手段として酸化
物高温超伝導体を用いたSQUIDを使用した。この作製方
法については『実施例３』に記してある。SQUIDは液体
窒素によって冷却した。外部磁場の向きはＢ′である。
記憶ディスクに電子ビームを照射すると、既に電子ビー
ムを照射された（書き込まれた）箇所に関しては第12図
（ａ）のような、電子ビーム照射されていない（“空”
の）箇所に関しては、第12図（ｂ）のような磁束の変化
の時間依存性が見られた。第12図中時間の原点が電子線
照射開始である。第12図（ａ）で最初磁束が減少するの
は、電子線によって加熱されて常磁性化するためで、後
に磁束が増加するのは冷却によって磁化するためである
と説明できる。一方、第12図（ｂ）に関しても、最初電
子線の加熱によって常磁性化するが、“空”の箇所には
Ｂ′の向きとは逆の磁化が存在していたため初めから、
磁束は増加する。さらに冷却の過程において今度はＢ′
の向きに磁化される。この曲線を時間について積分して
やれば、全体の磁束の変化が判る。第12図（ａ）の場合
には積分値はゼロであり、第12図（ｂ）の場合にはそれ
はゼロではない。

電子線の照射によって書き込まれた“空”の箇所に
は、再び、外部磁場をＢの向きにして電子ビームを照射
してやれば、“空”状態に戻る。

以上のことから、この記憶装置が記憶・再生の動作が
できることが確かめられた。この場合、記憶の集積度は
実に10⁹という高密度なものである。

『実施例６』 本実施例における記録・再生装置は第13図に示される
ように検出用コイル（131）、磁性体薄膜（132）、基板
（133）、レーザー光（134）、レーザー光源（135）よ
りなる。ただし磁束の変化の検出手段としては、通常の
コイルの他に、検出感度のよい超伝導量子干渉素子を用
いてもよい。超伝導量子干渉素子ではなくて、コイルを
磁束の検出手段として用いる場合には空芯では、信号が
小さすぎて読み取れないので、フェライト等の強磁性体
を芯とする。しかし、再生の速度が極めて速く、信号周
波数が10MHz以上になるとフェライトは強磁性体として
動かなくなる。そのような領域では超伝導量子干渉素子
等を用いる必要がある。その場合には1GHz程度の信号で
あっても読み取れる。磁気ディスクの磁性材料として
は、一般には強磁性体が用いられるが、磁気的なヒステ
リシス特性を持つ第２種超伝導体を用いてもよい。特に
超伝導体の場合には光による超伝導性の破壊の時間は10
^-10秒以下という超高速であるため、記録・再生の高速
化が期待される。特に近年発見された、酸化物高温超伝
導体は従来の超伝導体とは異なり、液体窒素温度でも超
伝導性を示す材料であり磁性材料として将来性がある。

次にこの記録・再生装置の動作原理を説明する。記録
時には、検出用コイル（131）によって磁場が発生する
が、その磁場の強さは磁気ディスクの磁性体が磁化する
には十分小さいものとする。この状態でレーザ光が磁性
体に照射され、磁性体はそのキュリー温度以上に加熱さ
れる。レーザ光の照射が終了し、磁性体が冷却する際に
検出用コイル（131）の磁場によってレーザの照射され
た部分の磁性体はコイルの磁場の向きに磁化している。
これで記録が終了する。

再生時には、やはりレーザ光が磁性体に照射される。
しかし、このときには外部磁場はかかっていないか、か
かっていたとしても、記録のときの磁場の向きとは異な
る向き（記録磁場の逆方向や記録磁場の垂直方向）にか
かっている。レーザ光による加熱によって磁性体の磁化
は無くなる。この磁化の消失による時間は、レーザ光の
強度に依存するが、10^-8秒以下が可能であると見積もら
れる。実際には、そのような速い動きであってもコイル
の磁場のフェライトの特性から、レーザを照射されて、
磁束の残った磁性体表面の残留磁束密度を0.1T（この値
は、強磁性体としては普通の値である。）、磁束の残っ
ている磁性体表面の面積をレーザのビーム径程度として
10^-12m²、磁気ディスクの磁性体層の厚さを10^-6mとすれ
ば、この磁化した部分の磁性体のもつ磁気モーメントは
10^-19wb・ｍ程度である。磁性体とコイル（この場合は
磁芯のフェライト）との距離が、コイル（フェライトの
半径に比べて十分大きければ、磁化した磁性体による磁
束のうち、コイルを透過する磁束の量は、〜μm/dであ
る。ただし、ｍは磁化した磁性体による磁気モーメン
ト、ｄは磁性体とコイル（フェライト）との距離、μは
フェライトの比透過率である。ｄはこの場合、磁気ディ
スクとヘッドの接触を避けるということから、10^-6m以
上が必要である。10^-5mもあれば十分である。μの値は
周波数依存性があるが、10MHz程度では100程度である。
従ってコイルを貫く磁束の量は10^-12wb程度である。再
生の際にレーザ光が照射されて磁化が消え、それまでコ
イルの中に存在していた10^-12wb程度の磁束がなくなっ
てしまう。このため、ファラデー電磁誘導の法則からコ
イルに起電力が生じる。コイルの巻数を100、コイルを
貫いていた磁束がなくなる時間を10^-7秒（10MHzに対
応）とすれば、起電力は10^-3V程度である。

このレーザ照射は磁気ディスクの全ての部分に対して
なされ、磁束の変化が検出できれば記録があった
（“1"）、磁束の変化が検出できなければ記録はなかっ
た（“0"）、と判断される。

磁性体として第２種超伝導体を用いる場合には上記と
はやや異なった記録方法を用いなければならない。第２
種超伝導体は下部臨界磁場以下の磁場下では磁束が内部
に侵入せず、またこれを加熱して非超伝導体としたの
ち、磁場中冷却しても、磁束は外部に排除されてしま
う。従って上記で説明したような記録方法は適用できな
い。第２種超伝導体を磁性体として使用するには、まず
初期状態として、磁束が侵入した場合を作り出しておく
必要がある。すなわち、磁気ディスクに下部臨界磁場
（例えば、イットリウム−バリウム−銅系酸化物高温超
伝導体では、77Kで数10ガウス）以上の磁場を与えるこ
とによってディスクは磁束を保持する。また、磁気ディ
スクの構成も、連続的な超伝導体の膜ではなく、基板上
に微小な独立した超伝導体を形成することが必要であ
る。記録は磁場の無い状態でおこなう。レーザ光等を照
射することによって、非超伝導体化せしめ、磁化をなく
す。すなわち、 １・・レーザ照射・・磁化なし ０・・レーザ照射・・磁化あり 再生時には磁気ディスクの全ての部分にレーザ光を照
射して、磁化の変化があるか否かを調べる。このとき、
前述の方法とは逆に、 磁化の変化なし・・１ 磁化の変化あり・・０ となることに注意する必要がある。初期状態において超
伝導体に捕捉されている磁束は、超伝導体の面積を10
^-12m²とすれば、10^-14w程度である。超伝導体の厚さを1
0^-6mとすれば、超伝導体から10^-5m上方にあるコイルを
突き抜ける磁束は、10^-15wbである。超伝導体に捕らわ
れていた磁束が無くなるまでに必要な時間は、最短で10
^-10秒程度（それ以下も可能と考えられる）であるので
コイルが100巻（ただし、周波数が大きいので空芯）で
あれば、10^-3Vの起電力が得られる。また、超伝導量子
干渉素子は10^-15wbの磁束の変化が検知できるので電磁
誘導起電力によらずとも再生は可能である。

ここでは酸化物超伝導体薄膜を用いて作製された記録
ディスクを使用した場合について述べる。酸化物超伝導
体Bi₂Sr₂CaCu₂O₈薄膜（膜厚は約１μｍ）通常のスパッ
タリング法によって酸化マグネシウム単結晶（100）面
基板上（50mm×50mm×2mm）に作製した。超伝導体膜は
きわめて平坦な膜であり、粒界らしきものは認められな
かった。Ｘ線解析法によってこの超伝導体膜はｃ軸が基
板に対して垂直であることがわかった。また、磁化率測
定から、90k以下で超伝導を示すことがわかった。

この酸化物超伝導体薄膜を通常のフォトリソグラフィ
ー法によってエッチングし、１μｍ×１μｍ×１μｍの
立方体に加工した。この記録ディスクを超伝導体の臨界
温度以下の77Kに冷やし、更に超伝導体の下部臨界磁場
以上の比較的強い磁場（例えば0.05T）をかけて超伝導
体の中に磁束を侵入させた。磁場の向きは基板に垂直で
あった。

第13図のように、この立方体超伝導粒にパワー密度10
³w/cm²のHe−Neレーザ光（134）（ビーム径約１μｍ）
を照射した。この程度のパワーでも超伝導体を常伝導体
に転移させることが可能であり、また、超伝導体に対す
る熱的な損傷は全くなかった。

次に、記録された情報の再生をおこなった。書き込み
のときと同じパワー密度のレーザ光を照射し、それによ
って変化する磁束の量を検出用コイル（コイルの巻数10
0、厚さ10μｍ、内径100μｍ）によって検出した。その
結果、記録の際にレーザ光が照射された箇所に関しては
磁束の変化は検出されなかったが、レーザ光の照射され
なかった（“0"だった）箇所に関しては、磁束の変化
（減少）があると認められた。

この結果、記録の再生が可能であることが確かめられ
た。

『実施例７』 強磁性体（ニッケル）薄膜を記録ディスクとして用い
た場合について述べる。

ニッケル薄膜は真空蒸着法によってガラス基板（50mm
×50mm×1mm）上に成膜された。膜厚は約１μｍであっ
た。

まず記録の方法について述べる。装置の概略は第13図
に示される。コイル（131）（100巻、磁芯はNi−Znフェ
ライト、内径0.1mm）によって磁性体表面で約10^-4Tの磁
場を与えつつ、レーザ光（パワー密度10³w/cm²、ビーム
径約１μｍ）を磁性体に照射した。レーザ光によってキ
ュリー点（約380℃）以上に熱せられたニッケルは冷却
の過程で外部磁場の向きに磁化される。これで“記録”
の状態になる。

次に再生について述べる。磁場の無い状態で記録のと
きと同じ条件のレーザ光を照射し、磁束の変化が在るか
否かを調べたところ記録の段階で既にレーザ光を照射さ
れた（書き込まれた）箇所に関しては磁化の変化は無い
が、レーザ光の照射されていなかった箇所（書き込まれ
ていなかった箇所）に関しては、磁束の変化が検出コイ
ルに関知された。

この場合、レーザ光を100MHzで変調させて調べたとこ
ろ、１つの情報を生かすのに要する時間は10^-7秒以下で
あることが確かめられた。また、記録容量の密度は約10
⁸/cm²であった。

以上のことから、この記録装置が記録・再生の動作が
できることが確かめられた。

『実施例８』 本実施例は超伝導体を有する記録媒体に電流を流す工
程と、部分的に光、電子線または粒子線を与える工程と
により、前記記録媒体中に磁束を保持させることとした
ものである。

本実施例は、これまでの実施例が記録に磁場を用いる
方法であるのに対して記録及び再生の際に、外部磁場を
用いない方法である。

実施例３と同様の方法により酸化物超伝導体薄膜を第
６図に示すように加工して、これを記録ディスクとして
用いた。

まず記録の方法であるが、第14図に示されるプロセス
からなる。最初、超伝導体薄膜に電流（141）が流され
ている。そこへレーザ光もしくは電子線（第14図（ｂ）
中の円で示される部分）が照射されると、超伝導電流は
その部分を避けて流れる。レーザ光もしくは電子線の照
射が終了したら、それまでレーザ光もしくは電子線の当
たっていた部分にも超伝導電流が流れるが、このときに
は左右両方向から超伝導電流が流れていることに注意し
なければならない。外部電流（141）を切ると、第14図
（ｂ）のように閉じた電流が流れ、孔の中に磁束が捕ら
われる。

再生の際には『実施例３』と同様の記録のときとおな
じレーザ光もしくは電子線を照射することによって、閉
じた永久電流を破壊することによって、磁束を消滅させ
ればよい。また、再生と同時に書き込みをおこなう場合
（第５図参照）には、上記の記録方法と同様に電流を超
伝導体薄膜に流して、記録の動作をおこなえばよい。こ
の場合に外部磁場が必要ないのは言うまでもない。

このようにして磁場を用いずに記憶・再生することも
可能である。この方法が『実施例３』に比べて優れてい
る点は、情報の集積度を簡単に上げられるということで
ある。例えば、孔の一辺の大きさが0.1μｍとすれば、
この孔に１つの磁束量子が存在した場合、その孔の中の
磁束密度は約0.1Tにもなる。このことは逆に、外部磁場
をかけて孔の中に磁束を入れる場合には、外部磁場は少
なくとも0.1Tなければならないということである。0.1T
という磁場を発生させるにはかなり大掛かりな装置が必
要である。

〔効果〕

本発明は、記録媒体とその媒体に記録を与えたり、ま
たは読み出したりする手段である、レーザ光や電子線等
あるいはコイルというような手段が記録媒体と接触しな
いため、本発明による記録・再生方式は従来のものとは
全く方式の異なる画期的なものである。特に、記録およ
び再生の動作に際し、従来の磁気ヘッドによる記録・再
生方式と異なり、記録媒体と検出手段との間の相対運動
が無いため、摩耗等の問題がなく、また、記録・再生の
速度が非常に大きくできる。また、高集積化が可能で、
例えば、記録・再生のプローブとして集束電子ビームを
使用すれば、1cm²に10¹⁰個の情報を記録・再生すること
ができる。特に記録の検出に超高感度磁力計として酸化
物高温超伝導体を用いたSQUIDを使用すれば、装置の冷
却は液体窒素でも十分である。このことは例えば、液体
窒素冷却によるスーパーコンピューター等の記憶装置と
しては問題なく利用できるということを意味している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための記録装置の構成図。 第２図は本発明の記録の原理を示す図であり、（ａ）は
外部磁場を加えた図。（ｂ）は磁化の様子を示す図。
（ｃ）は記録の様子を示す図。 第３図は本発明を実施するための記録装置。 第４図は本発明の記憶装置の構成図。 第５図は記録再生の動作を示す図。 第６図は酸化物超伝導体を短冊状に加工した図。 第７図は酸化物超伝導体を用いたSQUIDの例を示す図。 第８図はSQUIDの弱結合部の作製手順を示す図。（ａ）
はレーザ照射を示し、（ｂ）はアニール後の断面を示
し、（ｃ）はアニール後を上から見たところを示したも
のである。 第９図は本発明の記憶装置の構成図。 第10図は記録再生の動作を示す図。 第11図は本発明の記憶装置の構成図。 第12図は磁束の変化の時間依存性を定性的に説明した
図。（ａ）は既に記憶状態にあった場合を示し、（ｂ）
は記憶状態に無かった場を示す。 第13図は本発明の記録装置の構成図。 第14図は外部磁場を使わない記録方法を示す図。 11……検出用コイル、12……記録ディスク 13……レーザ光、14……記録ビット（超伝導体） 15……外部磁場、15……基板、22……検出用コイル 23……レーザ光、31……真空槽、32……電子銃 33……偏向コイル、34……電子ビーム 35……検出用コイル、36……記録ディスク 37……磁場発生用磁石、38……第２の外部磁場 39……第１の外部磁場、41……レーザ光 42……レーザ、43……SQUID、44……記憶ディスク 45……磁場発生装置、46……制御系 61……レーザ光、62……外部磁場、63……孔 64……超伝導体薄膜、71……酸化物超伝導体線 72……電極、82……酸化物超伝導体膜 83……多結晶化した酸化物超伝導体膜 84……基板、91……レーザ、92……記憶ディスク 93……検出用コイル、94……ロックインアンプ 111……電子ビーム、112……SQUID 113……記憶ディスク、114……制御系 131……検出用コイル、132……磁性体薄膜 133……記録媒体（光学的に透明） 134……レーザ光、135……レーザ、141……電流

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−260866（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−159852（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−130303（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−315022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−94559（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−49660（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−201726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−17203（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−173460（ＪＰ，Ａ) 米国特許3413055（ＵＳ，Ａ) 米国特許3691539（ＵＳ，Ａ) 米国特許520290（ＵＳ，Ａ) 特表 平３−503700（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 5/02 G11B 9/00 ZAA

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下部臨界磁場以上の磁場を与えることで磁
   束が残存する超伝導性を有する記録媒体を用いて、 磁束が残存している前記記録媒体の一部に光、電子線ま
   たは粒子線を照射することにより、前記記録媒体の一部
   の超伝導性を破壊し、磁束をなくすことで、 記録媒体中に磁束を有する部分と、磁束を有さない部分
   を形成し、磁束の有無によって情報を記録することを特
   徴とする記録方法。
2. 【請求項２】第１の磁場により磁化された磁性体を有す
   る記録媒体に情報を記録する方法であって、 前記記録媒体に前記第１の磁場と垂直に第２の磁場をか
   けつつ、光、電子線または粒子線を前記記録媒体の一部
   に照射することにより、前記記録媒体の一部を前記第２
   の磁場と平行に磁化することを特徴とする記録方法。