JP3985033B2 - スピン分極電子を利用してデータを記憶するための方法および装置 - Google Patents
スピン分極電子を利用してデータを記憶するための方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本出願は、トーマス・D・ハートおよびスコット・A・ハルピンによる同時審査の米国出願第08/188、828号「データ磁界の分極としてデータを記憶するためのデータ記憶媒体およびスピン分極電子を利用して該データ記憶媒体上にデータを記憶しかつ該記憶されたデータを読みだすための方法および装置」、1994年1月31日出願、の一部継続出願であり、その内容は本出願の参考文献としてここに組み込まれる。
技術分野
本発明はデータ記憶および検索に関する。さらに特定すると、本発明は、データ記憶媒体およびこの記憶媒体上にデータを記憶し読みだすための方法および装置に関する。
背景技術
大量のデータを高速で記憶する装置の必要性が、年々益々増大している。アナログシステムからディジタルシステムへの変換、および現在のプロセッサ技術によってもたらされる処理スピードの向上に伴って、大量のデータに素早くアクセスする能力は、要求よりも劣ったものとなっている。このことは、消費者分野において、高品位テレビ(HDTV)、HDTVビデオレコーダ、コンパクトディスク、個人用ディジタル補助機器(PDAs)、個人用通信補助機器(PCAs)、ディジタルテープデッキ、および自動車用のこれらの機器などと同様、科学分野において、コンピュータによるモデル化およびシミュレーションで特に顕著である。さらに、コンピュ−タ、マルチメディヤおよび通信が一体化した分野では、仮想現実(バーチャルリアリティ)、双方向テレビ、(音声による対話型の)音声認識システム、手書き文字認識システムおよび娯楽システムと一体化した通信システムなど、それぞれが高速で大量の静的データ記憶を必要とするものを介して、消費者にインパクトを与える。
通常のリゾグラフ技術および非常に改良された製造方法を現在のメモリ技術に適用することによって、大きな進歩が得られる結果となった。この進歩は、プロセッサにおける進歩と、プロセッサが必要な量のデータを効果的に記憶し使用する能力の進歩との間の差を、単に増大するものである。
発明の開示
したがって、本発明は、データ記憶媒体と、このデータ記憶媒体上にデータを記憶し読みだすための方法および装置を目的とし、それによって関連技術の限界および欠点に基づく問題の幾つかを取り除く事を目的とするものである。
本発明の特徴および効果は、以下に述べられており、さらにその一部は以下の記載から明らかであり、あるいは発明を実施することによって理解される。本発明の目的およびその他の効果は、添付の図面と同様、以下の記載および特許請求の範囲で指摘された方法および装置によって実現されかつ達成される。
これらおよびその他の効果を本発明の目的に従って達成するため、具体的に且つ明白に記載するように、データ記憶装置は、磁性材料を含む部材と;電子ビームを発生するための手段であって、この電子ビームは第1および第2の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得るものであり;アドレス信号に応答し前記ビームを前記部材の前記アドレス信号に相当する部分に方向付けるための手段であり、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が前記電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する手段と;さらに前記アドレス信号に応答して、前記ビームを前記部分に向けることによって、前記アドレス信号に相当する前記部材の一部分の分極を検出するための手段;を含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料を有する部材と、および第1および第2の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得る電子ビームを生成するための手段とを含むシステムを操作するための方法であって、この方法は、アドレス信号を受信し;前記ビームを前記部材のアドレス信号に相当する部分に方向付け、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する;各ステップを含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料を有する部材と、および第1および第2の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得る電子ビームを生成するための手段とを含むシステムを操作するための方法であって、この方法は、アドレス信号を受信し;前記ビームを前記部材のアドレス信号に相当する部分に方向付け、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御し;さらにその後前記ビームを前記部分に向けることによって、前記アドレス信号に相当する前記部材の一部分の分極を検出する;各ステップを含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料中に分極方向としてデータを記憶するための方法であって:電子磁界を有するスピン分極電子を供給するステップであって、該電子磁界は第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を有し、前記電子は前記磁性材料に磁気モーメントを引き起こす不対電子に特有の波長を有し;さらに前記スピン分極電子を、非電導性の環境を介して、前記磁性材料の一部分に方向づけ、この部分に前記電子磁界の分極方向を付与する;各ステップを含む方法を提供する。
前述の一般的な記載および以下の詳細な記載は、例示的かつ説明的なものであり、また特許請求の範囲に記載した発明をさらに説明するためのものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明をさらに理解するために提供され、かつこの明細書に含まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の現時点での好ましい実施例を示し、その説明と共に、本発明の原理を説明する。図面において:
図1は、本発明の好ましい実施例であるデータ記憶および検索装置の断面図であり;
図2は、図1のデータ記憶および検索装置に使用されるスチグマトール(stigmator)素子の平面図;
図3(a)および(b)は、図1のデータ記憶媒体の部分断面図;
図4(a)は、図1のデータ記憶媒体の平面図;
図4(b)は、図1のデータ記憶媒体の部分断面図であって、パーキングおよびアライメント領域を示す図;
図5(a)および(b)は、図1のデータ記憶媒体の、データ記憶操作中の部分断面図;
図6(a)および(b)は、図1のデータ記憶媒体の、第1のデータ読み出し操作における部分断面図;
図7(a)および(b)は、図1のデータ記憶媒体の、第2のデータ読み出し操作における部分断面図;
図8は、図1のデータ記憶および検索装置の、アライメント操作における部分断面図;
図9は、図1のデータ記憶および検索装置の、ブランキング/パーキング操作における部分断面図;
図10は、好ましい電子放射装置の、側面切り欠き図;
図11は、図10に示す装置の底面切り欠き図;
図12は、図10に示す装置の底面図;および
図13は、本発明の他の実施例を示す図面である。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。なおこの実施例の一例を添付の図面に示す。
図1は、本発明の一実施例のデータ記憶および検索装置を示す。このデータ記憶および検索装置は、制御ユニット1、先端2bを有するスピン分極電子源40、抽出器4、コリメータ6、7および9、電子レンズ10、11および12、および絶縁素子5および8を含んでいる。このデータ記憶および検索装置はさらに、ブランキング素子13、目の荒いおよび微細な各マイクロ偏向器14、15、電子検出器16、データ記憶層17および基板18を含んでいる。
制御ユニット1は、マイクロプロセッサまたはこの技術分野で周知の他の制御回路を含んでいる。制御ユニット1は、このデータ記憶および検索装置によって実行される種々の機能および操作を、以下に詳細に示すように、調整し順序付ける。この制御ユニット1は、さらに、アドレスイン(ADDRESS IN)、データイン(DATA IN)、データアウト(DATA OUT)の各端子を介して、このデータ記憶および検索装置と外部装置(図示せず)、例えばコンピュ−タ、またはその他のデータ記憶および検索装置、との間のインターフェースを取る働きをする。このインターフェースによって、外部装置からの制御信号およびデータは、制御ユニット1に伝送されかつここで必要なプロトコルを用いて解読される。制御ユニット1は、制御応答およびデータを開発し、そのデータを必要なプロトコルを用いて外部装置に返送する。制御ユニット1は、例えば電気的または光学的リンクを介して、外部装置とインターフェースすることも可能である。例えば、制御ユニット1へのおよびユニットからの光学的送信は、電気的に励起されたレーザーダイオードを用いて達成される。
先端2bを含むスピン分極電子源40は、スピン分極電子3を供給する。特に、スピン分極電子3はスピン分極電子源40によって形成され、先端2bによって集束される。先端2bは、低いエネルギー電子の放射に対して変調された自己分極をもたらす鋭利な先端(modulated self-polarizing sharp tip)であって、その詳細はこの出願において後述する。
各スピン分極電子3は、電子のスピン方向によって決定される分極方向を有する電子磁界を有している。電子磁界の分極方向は、第1および第2のデータ値の一方に相当する。例えば、上向きの分極を有する電子磁界は、データ値”1”に相当し、他方下向きの分極を有する電子磁界は、データ値”0”に相当すること、またはその反対が可能である。
制御ユニット1によって、電位V1をスピン分極電子源40に印加する。電位V1の大きさを制御ユニット1によって変化させて、スピン分極電子3の強度および電流を制御することができる。制御ユニット1によって、信号S19をスピン分極電子源40に印加することも可能である。信号S19は、スピン分極電子3の磁界の分極方向を制御する。制御ユニット1は、電位V1と信号S19を、この装置の操作中変化させて、この装置および環境の時間経過に伴う物理的変化を補償することが、好ましい。
抽出器4、コリメータ6、7および9、静電レンズ10−12、ブランキング素子13および目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器14および15はそれぞれ、例えば、開口を規定する環状の電導性部材から構成されている。抽出器4は、先端2bからスピン分極電子3を抽出し、コリメータ6、7および9はスピン分極電子3をコリメート(平行化)してスピン分極電子ビーム19とする。静電レンズ10−12はスピン分極電子ビーム19の焦点合わせを行い、目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器14および15はそれぞれ、スピン分極電子ビーム19をデータ記憶層17の方向に向ける。
スピン分極電子ビーム19が進行する環境は、例えば真空中のような、非電導性でかつイオン化されていない環境である。しかしながら、スピン分極電子ビーム19が電子源2からデータ記憶媒体17まで妨害されることなくむしろ励行されるようにして通過する環境として、数多くの周知の環境があることを考慮すべきである。
図1に示すように、先端2bは、抽出器4の開口の中心で、抽出器4の表面が形成する面に対して垂直となるように、かつ抽出器4表面にまたはその近くに並置されている。抽出器4およびコリメータ6の開口は、その直径がそれぞれ1μと100μのオーダーであることが好ましい。しかしながら、データ記憶および検索装置の設計およびスピン分極電子ビーム19の望ましい特性によって、この値よりも大きなあるいは小さな直径を用いることが可能である。
例えばSiからなる絶縁素子5が、抽出器4とコリメータ6間に配置され、これらの電導性表面間を分離している。絶縁素子5の開口の直径は、抽出器4およびコリメータ6の開口の直径よりわずかに大きく、それによって絶縁素子5とその中に形成される静電界および抽出器4とコリメータ6の開口を通過する電子との相互作用を減少させる。
制御ユニット1によって抽出器4およびコリメータ6にそれぞれ電位V2、V3が印加され、各開口中に磁界が形成される。先端2bの、抽出器4の開口中に形成された静電界に対する位置によって、スピン分極電子3が先端2bから飛び出し、抽出器4の開口を通ってコリメータ6の開口へ進行する。コリメータ6は電子がデータ記憶層に向かう比較的平行な軌道を取るように、これを集束する。
抽出器4、コリメータ6および絶縁素子5と類似かあるいは同じものであるコリメータ7、9および絶縁素子8は、それぞれ、スピン分極電子3をコリメートしてスピン分極電子ビーム19にするための補助をする光学レンズステージを構成する。コリメータ7、9および絶縁素子8は同様に、所望のビームエネルギーを得るためにスピン分極電子3を加速しまたは減速するために使用される。
電位V2−V5は制御ユニット1によって、所望の特性を持ったスピン分極電子3およびスピン分極電子ビーム19を得るために、調整される。電位V2−V5の制御は、装置の操作の間実行され、装置および環境の物理的変化を時間に渡って補償する。
コリメータ9を通過した後、スピン分極電子ビーム19は静電レンズ10−12を通過する。制御ユニット1によって、電位V6−V8を静電レンズ10−12にそれぞれ印加し、レンズ開口を通る静電界を形成する。これらの静電界は、スピン分極電子ビーム19を所望の直径、例えば1−25nm(ナノメータ)に集束する。静電レンズ10−12の開口は、直径が10から100μのオーダーであることが望ましいが、しかしデータ記憶および検索装置の設計およびスピン分極電子ビーム19の所望の特性、例えば強度、ビーム形状等によって変更することができる。さらに、静電レンズ10−12の厚さ、それらの相対位置および電位V6−V8も、所望の特性のスピン分極電子ビーム19を得るために変更することができる。電位V6−V8を制御ユニット1によってさらに変更して、装置およびその環境の物理的変化を時間に渡って補償することもできる。さらにこの静電レンズ10−12は、これより少ないまたは多くのレンズによって置き換えることができる。同様に、静電レンズ10−12、抽出器およびコリメータ6、7および9の代わりに、またはこれに追加して磁気レンズを用いることも可能である。
静電レンズ12を通過した後、スピン分極電子ビーム19はブランキング素子13を通過する。以下にさらに詳細に説明するように、ブランキング素子13はスピン分極電子ビーム19の効果を無効にするための光学素子である。ブランキング素子13の好ましい位置は、図1に示すように、目の荒いマイクロ偏向器14の上であり、それによってスピン分極電子ビーム19が定常状態を達成することを可能とする。
ブランキング素子13を通過した後スピン分極電子19は目の荒いマイクロ偏向器14を通過し、その後微細なマイクロ偏向器15を通過する。目の荒いマイクロ偏向器14は、制御ユニット1によって供給される信号S2−S9によって個々に制御される8個の極からなることが好ましい。同様に、微細なマイクロ偏向器14も、制御ユニット1によって供給される信号S10−S17によって個々に制御される8個の極からなることが好ましい。目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器14、15は、それぞれスピン分極電子ビーム19をデータ記憶層17の方向に向ける。目の荒いマイクロ偏向器14がスピン分極電子ビーム19の軌跡をデータ記憶層17の広い領域に向かって曲げ、微細なマイクロ偏向器15はスピン分極電子ビーム19の軌跡を、データ記憶層17の特定の領域方向に調整する。このようにして徐々にスピン分極電子ビーム19を曲げることによって、スピン分極電子ビーム19に導入された歪みおよび収差を減少することができる。微細なマイクロ偏向器15によってスピン分極電子ビーム19の位置決めを、データ記憶層17上の原子レベルで可能とすることができることに、注目すべきである。目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器14、15はそれぞれ8個の極(pole)からなると記載したが、これらはそれぞれ、周知の他の形状をとっても良いことに、注目をすべきである。さらに、目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器14、15のそれぞれおよびデータ記憶層17の相対位置は、スピン分極電子ビーム19のX−Y軸走査範囲の関数として決定することができる。
図1に示してはいないが、データ記憶および検索装置はさらにスチグマトール素子(stigmator element)を、図2に示すように含んでいる。このスチグマトール素子は、静電レンズ12およびブランキング素子13間、またはブランキング素子13および目の荒いマイクロ偏向器14間の何れかに配置されることが望ましい。図2に示すように、このスチグマトール素子は、例えば、個々に電位V12−V19がバイアスされた8個のスチグマトール素子25によって形成される開口中に静電界を発生する導電性の材料を含む。このスチグマトール素子25は、周知のその他の構成を取ることができることに注意しなければならない。個々の電位V12−V19を、制御ユニット1によってスチグマトール素子25のスチグマトール極に印加する。これらの電位は、この装置の作動中に、スピン分極電子ビーム19を所望の形状とするような電界を発生し、データ記憶および検索装置およびその環境の物理変化を時間経過にわたって補償するものである。スチグマトール素子は一般に、スピン分極電子ビーム19に断面が円形の形状をもたらすように使用されるが、その他の形状、例えば楕円状の断面をもたらすように使用することもできる。
電子検出器16は、金属のような電導性の材料で形成され、データ記憶層17からそれた電子あるいはこの層から放射された2次電子の検出を最適化するような、例えば図1に示す形状を有している。電子検出器16は、スピン分極電子ビーム19の経路を妨害はしないが、しかし層17からそれたあるいは放射された電子を検出するため、データ記憶層17に十分接近した位置に配置されることが好ましい。電子検出器16に衝突する電子は、電子検出器16中で信号を形成し、この信号は、信号S18として制御ユニット1に供給される。
データ記憶層17および基板18は共にデータ記憶媒体を構成している。このデータ記憶層17は基板18上に、例えばスパッタリング、レーザー溶融蒸発、またはその他の周知の技術によって、堆積されることが好ましい。基板18は、歪み層29、信号経路層30、および、ガラスあるいはセラミックのような非磁性かつ非電導性材料を含んでいる。この非磁性および非電導性材料は、データ記憶層17、歪み層29、信号経路層30の機械的サポート材としての働きをする。
データ記憶層17は、磁性材料の一定数の原子層を含み、この一定数の原子層は、データ記憶層17にその表面垂直な方向、すなわちその磁気容易軸にそって、歪み層29による原子間距離の歪みによる磁気異方性を形成する。例えば、データ記憶層17がFeによって構成される場合、体心正方(bct)格子中に配置されたFeの3原子層は、例えばIrの様な適切な歪み層上に堆積された場合、データ記憶層にZ軸方向の強い磁気モーメントを与える。しかしながらFeは、原子層の数が3より大きくなると、面心立方(fcc)格子に遷移し始め、これによってFe原子の磁気異方性はX−Y面にシフトする。Feを特定のドーパントあるいは合金化元素、例えばCoまたはNi、と結合することによって、またはその層の数を変化することによって、同様な結果を得ることができる。
データ記憶層17の垂直方向の磁気異方性によって、データ記憶層17中の原子の各格子は、その容易軸に沿って、すなわちデータ記憶層17の表面に垂直に伸びる分極を持ったデータ磁界を形成する。これらのデータ磁界は図3に、データ磁界23として示されている。スピン分極電子3によって形成される磁界と同様に、データ記憶層17中に形成された各データ磁界は第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を有している。例えば、上方に分極したデータ磁界はデータ値”1”に相当し、一方下方に分極したデータ磁界はデータ値”0”に相当するものとすることができ、またはその反対も可能である。この構成によって、データ記憶層17の複数の部分は、2個の状態、すなわち第1および第2の磁気分極方向の一方としてデータを記憶する。データ記憶層17のこのような部分は、非常に小さく、1原子幅×3原子厚さの大きさを有することが可能であることに注目すべきである。
図4(a)および4(b)に示すように、データ記憶層17は、複数のアライメント(整合)領域22とパーキング領域21を有している。各アライメント領域22とパーキング領域21は電導材料27を含み、この材料27は絶縁体28によってデータ記憶層17から電気的に絶縁されている。アライメント領域22とパーキング領域21はアライメント、パーキング、およびブランキング操作のために使用され、これらの詳細については、以下に述べる。パーキング領域21の電位V10およびアライメント領域22の電位V11は、図1に示すように制御ユニット1によって検出される。
データ記憶層17は、平坦面を有していることが望ましい。データ記憶媒体は、データ記憶層上の全ての点が微細な開口の中心からほぼ等価であり、その結果電子の走行時間が減少し、データ記憶層の表面を横切って均一な焦点ビーム深度を提供するような、数多くの面形状、3次元曲面が可能であることに、注目すべきである。
図1のデータ記憶および検索装置中へのデータの記憶は、以下の様にして実行される。制御器1はアドレス信号とデータイン信号を受信する。スピン分極電子源40は、スピン分極電子3にデータイン信号に従って、第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器4は先端2bからスピン分極電子3を抽出し、コリメータ6、7、9はこのスピン分極電子3をスピン分極電子ビーム19にコリメートし、さらに静電レンズ10−12はスピン分極電子ビーム19を集束する。図5(a)に示すように、スピン分極電子ビーム19は、マイクロ偏向器14、15によって、データ記憶層17のデータが記憶されるべき位置に形成されたデータ磁界方向に向けられる。制御器1は、データを記憶すべき部分を決定するためにアドレス信号を用いる。図5(b)に示すように、データ磁界を正しい波長で叩くことによって、スピン分極電子ビーム19はデータ記憶層17の表面に衝突し、データ磁界を形成する磁化容易軸に沿って、継続する磁界逆転効果を生じる。その結果、スピン分極電子ビーム19中の電子の分極方向が、データ磁界に与えられる。
所望の継続磁界反転効果を達成するため、スピン分極電子ビーム19中の電子の波長は、データ記憶層17を形成するために用いられた材料に従って、設定される。特に、スピン分極電子ビーム19の波長は、データ記憶層17を形成する材料原子の外側のd副殻原子の、ド・ブロイ波長にほぼ等しくすべきである。言い換えると、ビームエネルギーは、データ記憶層17を形成する材料原子の外側のd副殻原子の運動エネルギーにほぼ等しくなければならない。
上述したように、データ記憶層17の、1原子大きさの幅しか有さない部分によって、一個のデータ値を表示することができることに注意すべきである。しかしながら、図3(b)に概念的に示すように、データ記憶層17の、複数個の原子の大きさの幅を有する部分によって、単一のデータ値を表示することも可能であることに注意すべきである。データ記憶層17中の原子がこのように、グループ化されている場合、スピン分極電子ビーム19の直径は、より大きなデータ記憶領域をカバーするために、十分大きく形成されねばならない。
データ記憶層17からのデータの読み出しは、1または2の技術を用いて達成される。第1のデータ読取技術では、制御器1がアドレス信号を受信する。スピン分極電子源40はスピン分極電子3に、第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器4が先端2bからスピン分極電子3を抽出し、コリメータ6、7、9によってこのスピン分極電子3をスピン分極電子ビームにコリメートし、静電レンズ10−12によってこのスピン分極電子ビーム19を集束する。スピン分極電子ビーム19はその後、マイクロ偏向器14、15によって、データを読みだすべきデータ記憶層17上の一部分の方向に向けられる。制御器1は、データを読みだすべき部分を決定するために、アドレス信号を利用する。
図6(a)に示すように、読みだすべき部分のデータ磁界の分極方向が、スピン分極電子ビーム19の電子の分極の方向と同じ場合、スピン分極電子ビーム19中の電子はこのデータ磁界に引きつけられ、データ記憶層17によって吸収される。データ記憶層17による電子の吸収によって、信号S20が生成される。
図6(b)に示すように、データ磁界の分極方向が、スピン分極電子ビーム19中の電子の分極方向と反対の場合、スピン分極電子ビーム19中の電子はデータ磁界によって偏向され、電子検出器16上に衝突する。上記で説明したように、電子検出器16への電子の衝突によって、信号S18が生成される。
データ磁界がスピン分極電子ビーム19中の電子を引きつけることは、制御ユニット1によって第1のデータ値、すなわちデータ値”0”として検出され、一方データ磁界がスピン分極電子ビーム19中の電子を偏向することは、制御ユニット1によって第2のデータ値、すなわちデータ値”1”として検出される。特に、制御ユニット1は、信号S18、信号S20、あるいは信号S18、S20の両者を、スピン分極電子3の生成に関するある時間において、したがってスピン分極電子ビーム19のデータ記憶層17への衝突に関するある時間において、検出し解釈する。スピン分極電子3の発生後のある特定の時間において、信号S18が検出されない場合、および/または電圧V20が制御ユニット1によって検出される場合、制御ユニット1は、スピン分極電子ビーム19中の電子がデータ磁界によって引きつけられ、データ記憶層17によって吸収されたものと決定する。一方、スピン分極電子3の生成後のある特定の時間において、制御ユニット1によって信号S18が検出された場合および/または信号S20が検出されない場合、制御ユニット1は、スピン分極電子ビーム19がデータ磁界によって偏向され電子検出器16によって検出されたものと決定する。データ記憶層17中の過剰電子は、例えば、信号S20を形成する電極で排出されることが好ましく、一方電子検出器16中の過剰電子は信号S18を生成する電極で排出されることが望ましい。
データを記憶する場合と同様、データ記憶層17から第1の技術を用いてデータを読みだす場合、スピン分極電子ビーム19のエネルギーレベルは、データ記憶層17の材料に従って設定されねばならない。しかしながら、第1の技術を用いてデータを読みだす場合、スピン分極電子ビーム19のエネルギーレベルは、データ記憶層17中に形成されるデータ磁界に磁性的な変化をもたらさないように、十分低くなければならない。
第2のデータ読み出し技術では、スピン分極電子源40は、スピン分極電子3に、第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器4が先端2bからスピン分極電子3を抽出し、コリメータ6、7、9がスピン分極電子3をスピン分極電子ビーム19にコリメートし、さらに静電レンズ10−12がスピン分極電子ビーム19を集束する。スピン分極電子ビーム19はその後、マイクロ偏向器14、15によって、データ記憶層17のデータを読みだすべき一部分の方向に向けられる。
この第2の技術において、スピン分極電子ビーム19のエネルギーは、データ記憶操作に要するよりも大きい値であり、かつスピン分極電子ビーム19がデータ記憶層17の前記一部分に進入し、2次電子を形成するに十分な大きさを有する。スピン分極電子ビーム19のエネルギーは、データ記憶層17の格子中に原子の熱移動を生じない程度の大きさであることが好ましい。
データ記憶層17によって形成された2次電子は、特定のエネルギーおよびスピンを有する。この特定のエネルギーおよびスピンは、データ記憶層17の一部分によって生成されたデータ磁界の分極方向とスピン分極電子ビーム19中の電子の分極方向の間の関係によって特徴付けられる。これらの2次電子特性は、第1および第2のデータ値の一方として検出される。
例えば、図7(a)に示すように、データ磁界の分極方向がスピン分極電子ビーム19中の電子の分極方向と同じである場合、データ記憶層17は、第1のデータ値、すなわちデータ値”1”に相当する、第1のエネルギーと第1のスピン特性を有する2次電子24を生成する。同様に、図7(b)に示すように、データ磁界の分極方向がスピン分極電子ビーム19中の電子の分極方向と反対である場合、データ記憶層17は、第2のデータ値、すなわちデータ値”0”に相当する、第2のエネルギーと第2のスピン特性を有する2次電子26を形成する。データ記憶層17によって形成された2次電子は、電子検出器16によって検出され、この2次電子の特性を示す信号S18を生成する。制御ユニット1は信号S18を受信し、この2次電子の特性を解釈する。
この第2の技術は、データ記憶層17によって形成される2次電子のエネルギーおよびスピン特性を検出するものとして記載されているが、2次電子のこの技術分野で周知の他の特性によって、データ記憶層17上に記憶されたデータの読み出しを行うことができることに注意すべきである。さらに、データ記憶層17によって形成された2次電子の殆どは、データ記憶層17によって放出されるが、図7(a)および7(b)に示すように、いくらかの2次電子はデータ記憶層17内に残留し、信号S20を形成する。したがって、データ記憶層17によって形成された2次電子の特性は、同様に、制御ユニット1によって信号S20から検出され、かつ解釈される得ることに注意する必要がある。
図8に示すように、スピン分極電子ビーム19のアライメントは、ビームを1個またはそれ以上のアライメント領域22に向けることによって実施される。電位V11が制御ユニット1によって検出される場合、アドレスされた領域と目標のアライメント領域は一致する。電位V11が検出されない場合、マイクロ偏向器14、15への信号S2−S17を制御ユニット1によって調整し、アライメント不良を補償する。スピン分極電子ビーム19のアライメントは、装置の操作期間中周期的に行われることが好ましい。
上述したように、ブランキング素子13は、制御ユニット1の制御のもとで、スピン分極電子ビーム19がデータ記憶層17上に衝突するのを防ぐ。ブランキング素子13は、例えば、信号S1によって制御される2個の極を含む。ブランキング素子13は、この技術分野で周知の他の形状を取ることができること、およびこれらの極は個々に制御できることに注意すべきである。制御ユニット1は、ある特定の時間において信号S1をブランキング素子13に印加し、特定の期間スピン分極電子ビーム19をブランクにする。この間に、ビーム19はデータ記憶層17の別の部分を目標とするために、移動させられる。ブランキング素子13はまた、制御ユニット1が、電子の偏向またはデータ記憶層17からの放射を検出する場合、データ読み出し操作の間、スピン分極電子ビーム19をブランクするために使用することもできる。ブランキング素子13の極は、スピン分極電子ビーム19を拡散し、ビーム中の電子がビームとしてデータ記憶層17の表面に衝突しないように、作動する。
マイクロ偏向器14、15を、データ読み出し操作の間、スピン分極電子ビーム19をブランキングさせるための代わりの手段として用いることができる。例えば、制御ユニット1はマイクロ偏向器14、15に信号S2−S17を供給して、図9に示す様に、スピン分極電子ビーム19をデータ記憶層17上の特定の領域、すなわちデータ記憶のために使用されていない領域、例えばパーキング領域21に向けることができる。スピン分極電子ビーム19がパーキング領域21に衝突したことは、制御ユニット1によって電位V10として検出される。
データ記憶層17に、製造方法、劣化またはその他の原因によって生じる不完全性が存在し、その結果データ記憶層17にデータ記憶のために使用することができない幾つかの欠陥領域が形成される。したがって、このような欠陥領域からデータを読み出しさらにデータを書き込むことを防ぐために、フォーマット操作が提供される。例えば、このフォーマット操作の間に、制御ユニット1は、データ記憶層17中に形成された各データ磁界を、上向きおよび下向きの分極間で、少なくとも一回回転し、各結果を照合する。このフォーマット操作は、前述したように、例えばデータ読み出しおよびデータ記憶操作を連続して行うことによって、実施することができる。制御ユニット1は、データ記憶層17の、書き込まれたデータを高い信頼性で読みだすことができない部分が、使用不可能であるか否かを決定する。フォーマット操作が完了すると、データ記憶層17の使用不可能な部分をメモリに記憶し、これを用いて、例えば制御ユニット1によって維持して、次のデータ記憶操作の間データを何処に記憶することができるかを決定する。
データ記憶および検索装置の操作期間中、フォーマット操作によってデータ記憶層17の使用不可能な部分の位置を検出し記憶することができることに注意すべきである。例えば、データ記憶層17のある部分への各記憶操作の後で、制御ユニット1はこの部分から読み出しを行いこの部分が現在欠陥ではないことを確証することができる。
制御ユニット1は、同様に、メモリを、データ記憶層17のある部分、すなわち頻繁に読みだされるがしかし頻繁には記憶されないデータを記憶し保護するために使用される部分、の位置を記憶するのに用いることができる。現在の記憶媒体中に記憶されたこのようなタイプのデータとして、コンフィグレーションデータおよびROM中に記憶されたソフトウエアドライバーがある。このタイプのデータは、データ記憶層17の、メモリ中で保護されるべきであるとして指定された部分に、記憶される。保護されるべきデータの意図しない変化を防止するためのさらなる保護策として、データ記憶層17のある部分をデータ記憶層17とは異なる材料で構成することも可能である。この異なる材料は、データを記憶するために、保護されていないデータ位置によって必要とされるものとは異なった、スピン分極電子ビーム強度を必要とする。その結果、制御ユニット1メモリへのアクセスおよびスピン分極電子ビーム強度の変更の両方が、このような保護されたデータの極性の変更に必要である。
このスピン分極電子ビームは、縦方向のスピン分極として描かれているが、しかしながら横方向の分極も同様に使用することが可能である。横方向のスピン分極電子ビーム分極は、媒体中の磁気モーメントが電子ビームの分極に対して平行/非平行であること、記憶領域間の磁気結合がビーム/媒体の相互作用を妨害するには不十分であることが、必要である。
記載した方法および装置によって達成される効果は、すべての可動部分の除去である。しかしながら、ある特定の機構の追加によって、データ記憶層をビームに対して移動させることができる。この移動は、データ記憶層の回転、一個のデータ記憶層を別のものに交換すること、またはこの技術分野で周知のその他の実行形態をもたらす。同様に、ビーム形成装置も移動させることが可能である。
電位V2−V8およびV12−V19および信号S2−S9、S10−S17およびS19は、調整可能なバイアス成分を有することが好ましい。これらのバイアス成分は、位置アライメント不良、ビーム変形、およびその他の構成要素によって引き起こされるスピン分極電子ビーム19の修正可能な効果の補償に使用される。一構成要素のバイアス成分は、この構成要素のスピン分極電子ビーム19に対する効果を、この構成要素の開口内の電界の強度を変えることによって、変更する。バイアス調整は、装置の操作期間中、制御ユニット1によって実施されることが好ましい。これらは、データ記憶層17中に形成されたデータ磁界の極性を読み出しおよび書き込み機能によって決定しあるいは変更することが不可能な場合、特定の順序で発生する。各構成要素に対するバイアス補償の大きさは、既知のデータ磁界を修正しかつ読みだすことができるように、データ記憶層17上のスピン分極電子ビーム19の強度、波長および断面を再集束するのに必要な調整によって決定される。
図10に、電子放射装置40をより詳細に示す。先端2bは、縦方向に分極した低エネルギー電子、すなわちスピン軸が放射方向に平行である電子を放射するための、変調自己分極型の鋭利先端である。基板2aは、先端2bの外部取り付けのためのものであって、その上に残りの先端構成部品を形成するための基板となる。基板2aは、二酸化シリコン(SiO2)を含み、これによって磁化層31を、電導層33の電気的接続部分である延長部分33aに近い電導層33から、電気的に分離する。
図10に示す絶縁層32は磁化層31上にあり、磁化層の延長部分33aに近い磁化層31の端部を越えて延びている。絶縁層32はSiO2を含み、磁化層31および電導層33中の電流を絶縁す
る。
電導層33は、例えばFeのような強磁性体の非常に薄い薄膜であり、MBEまたはその他の周知の方法によって絶縁層32上に堆積される。電導層33は単一の磁気ドメインであることが好ましい。磁化層延長部分31および電導層延長部分33は、磁化層31および電導層33にそれぞれ電気的に接続されている。
図11は、電子放射装置40の切り欠き図であり、図10のラインA−Aから見た図である。(図10は、図11のラインB−B上から見た切り欠き図である。)磁化層31は金の様な導電性の金属材料であり、分子ビームエピタキシー法(MBE)を用いて、リゾグラフィックマスクを介して基板2a上に堆積される。磁化層31は、信号S19のための2個の面外電気接点と共に一連の平面状同心リングを含んでいる。
図12は、磁化層延長部分31a、すなわち磁化層31の面外延長部分上の、信号S19に対する2個の電気接続領域を示す。電源電圧V1に対する電気接続領域は、電導層延長部分33a、すなわち電導層33の面外延長部分上にある(図10参照)。電気接点は、インジイウム半田または周知のその他の適当な材料によって、直接磁化層延長部分31aおよび電導層延長部分33aに半田付けされる。
先端2bは、電導層33上にエピタキシャル成長する電導材料の鋭利な先端である。先端2bと電導層33を一体化接続することによって、電導層33と先端2b間の電気的インターフェースが防止される。その結果、層33および先端2b間のインターフェースを横切る電子スピンの拡散が軽減され、さらに先端2bに流れ込むスピン分極電子流への、スピン誘因可変インピーダンスが軽減される。このようにして、より多くの電子が、それらの分極を保持したまま、このインターフェースを横切る。
先端2bまたはその構成部品の初期磁化は必要がない。極性を〔+〕、〔−〕間で交互に変える信号S19が、磁化層延長部分31aの2個の電気接続領域の基板2aに隣接する部分に接続される。電流I19が、磁化層31の一個の電気接続領域を通り、同心リングを通り、さらに磁化層31の第2の電気接続領域に向かって流れる。電流I19は、この層の上方および下方に磁界を形成する。このようにして発生した磁界は、絶縁層32および電導層33を垂直に通って延びている。電導層33は、磁化層31中の電流I19の方向の結果として第1の方向に磁化される。電導層33は常磁性体であるので、信号電圧S19が取り除かれた後も、電導層33は磁化された状態を維持する。信号電圧S19は、交互に極性を変える電圧であり、制御装置1によって、装置の進行中の動作に同期するようにされている。信号電圧S19が制御装置1によって反対の極性にスイッチされると、電導層33は反対、すなわち第2の方向に磁化される。電導層33に供給された電源電流I1は、電導層33固有の磁化によって分極されるようになる。スピン分極電流は、先端2bの電界勾配が最大である点における抽出器4からの電界の突き抜けによって、先端2bの鋭利な先端から抽出される。
電流のキャリアは電子またはホールである。以下に、電子の場合について説明する。Fe原子の3d副殻は一個のスピンを有する5個の電子と、反対のスピンを有する第6番目の電子を有している。電子のスピンは、固有角モーメントによって磁気モーメントを持つようになる。この固有角モーメントは、軌道角モーメントとは異なり、その大きさはほぼ軌道角モーメントの2倍である。各電子は、整列することによって原子磁気モーメントを形成するこの固有角モーメントによって、磁気モーメントを有する。Fe原子の3d副殻中の最初の5個の電子は、そのスピンおよびその結果としての磁気モーメントを、磁化層31によって展開される外部磁界の方向に整列し、その方向に平行となる(原子の電子軌道構造の束縛下で)。電流は、ランダムな方向にスピンを有する電子を含んでいる。したがって、電流が外部磁界が垂直方向に突き抜けている平坦な薄膜中を流れる場合、その電流は分極するようになる。その結果、電導層33を流れる電子は、スピン分極するようになる。
先端の構成部品は、スピンを分極させる電導層33の磁化軸が、放射面と縦方向に並列する限り、どのような形状であってもよい。あるいは別の方法として、先端の構成部品を好ましい実施例とは僅かに違った構成とすることによって、その製造工程で横方向に分極した電子を発生することも可能である。この異なる実施例では、電導層を通る磁化軸は、放射面と垂直方向に並列している。
一般に、スピン分極電子源は、スピン分極電子を供給する周知のどのようなものであってもよい。先端は、例えば、走査型電子顕微鏡またはその他の類似の装置の先端であってもよい。この先端は、単一の原子の直径であるような、小さな直径を有することが好ましい。
データ記憶層17が平坦な場合について述べてきたが、その他の形状および構造が可能であることに、注目すべきである。例えば、磁気媒体は、タイル、円錐、ピラミッド、円筒、球、立方体、またはその他の不規則な形状の幾何学的構造、これらは互いに電気的に絶縁されていても絶縁されていなくてもよい、のアレイに区分化されていてもよい。この幾何学的形状は、ビーム中の電子の磁気軸が、この幾何学的構造中で照射された原子の磁気軸に平行な限りにおいて、どのような形状を取ってもよい。
図13は本発明のその他の実施例の一部分を示す図である。シリンダー35は、基板34上に強磁性体を含む。シリンダー35の磁化容易軸は長さ方向である。この磁化容易軸は、シリンダー35の磁気軸を分極させるため、ビーム19の長さ方向にスピン分極した電子に平行である。
さらにその他の実施例では、磁気媒体は、一表面上に規則正しいアレイとして堆積された円錐構造体である。この円錐の磁気軸は、その表面を形成する平面に対して平行であることも可能である。この場合、ビーム中で横方向に分極したスピン分極電子がこの円錐の磁気軸を分極させる必要がある。
Fe原子の磁気媒体について述べてきたが、fまたはs副殻電子の結合エネルギーが外側d副殻のそれと混在した範囲の多重電子金属、および少ない原子層において例えばbctのような歪み構造を示す多重電子金属を、磁気媒体として用いることもできる。その理由は、この磁気媒体の磁気モーメントが、この媒体中の成分金属の外側d副殻電子のスピンによって生成されるためである。磁気媒体の候補となる金属は、周期律表の3個の遷移元素列中から得られる。例えば、3d列における候補金属は、CoおよびNiを含む。同様に、4dおよび5d列からの候補金属として、MoおよびIrがそれぞれ含まれる。
これらの金属では、電子は、外側d副殻が満たされる以前に、次の外側f副殻またはs副殻を満たす。3d列では、s電子がその原子の化学的特性を決定し、d電子が磁気特性を決定する。通常、外側d副殻の電子は可能な限り電子対を構成しない。この副殻中の最初の5個の電子は、平行なスピンを有し、それぞれが原子に磁気モーメントを追加する。その後の電子は、第4番目の量子数と最低電子エネルギー状態との相互作用を分析することによって理解されるように、反平行であるべきである。これらの反平行の電子は、第1の電子と対を成し、それらの磁気モーメントをキャンセルする。
当業者にとって、本発明の精神または範囲を逸脱することなく、多くの修正および変更が可能であることは明白である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価の範囲内である限り、このような修正および変更を含む。
Claims (17)
- 磁性材料を含む部材と、
電子のビームを発生する手段であって、該電子ビームは第1および第2の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられる、前記手段と、
アドレス信号に応答して、前記ビームを前記部材の該アドレス信号に相当する部分に向け、さらに電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御するための手段と、および前記アドレス信号に応答して、前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分の分極を、該部分に前記ビームを向けることによって検出するための検出手段、を含むことを特徴とする、データ記憶装置。 - 前記部材は、基板と、および前記基板上の、磁気材料の複数の原子層であって、一定数の該原子層は、前記基板の表面に垂直な磁気異方性を有するもの、とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 前記層は、平均で3原子層の厚さを有し、かつ体心正方格子中に配置されたFeを含むことを特徴とする、請求項2に記載のデータ記憶装置。
- 前記部材は、周期律表の3遷移列中の少なくとも一個の金属を含むことを特徴とする、請求項1に記載のデータ記憶装置。
- 前記部材は、Co,Ni,Ir、およびMoの内の少なくとも一個を含むことを特徴とする、請求項1に記載のデータ記憶装置。
- 前記部材はさらに、アライメント領域を含むことを特徴とする、請求項1に記載のデータ記憶装置。
- 前記アライメント領域は、前記層から電気的に絶縁された電導性材料を含むことを特徴とする、請求項6に記載のデータ記憶装置。
- 前記部材は、平坦な表面を有していることを特徴とする、請求項1に記載のデータ記憶装置。
- 前記部材と前記ビーム発生手段との間隙は、非電導性の環境であることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 前記検出手段は、
前記部分の分極方向が前記ビーム中の電子の分極方向と反対である場合、前記ビーム中の電子の偏向を検出し、または
前記部分の分極方向が前記ビーム中の電子の分極方向と同じである場合、前記部分に引きつけられデータ記録層によって吸収された電子を検出する手段を含むことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記検出手段は、
前記部分の分極方向が前記ビームの分極方向と反対である場合に第1の特徴を有し、前記部分の分極方向が前記ビームの分極方向と同じ場合第2の特徴を有する、2次電子を形成する部分に、前記ビームを向けるための手段と、および
前記2次電子の前記第1または第2の特徴を検出するための手段、
を含むことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 前記検出手段は、前記2次電子のエネルギーおよびスピンの少なくとも一方を検出するための手段を含むことを特徴とする、請求項11に記載の装置。
- 前記検出手段は、前記電子ビームの偏向を検出するように構成された電導材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の機器。
- 前記検出手段は、2次電子を検出するように構成された電導材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の機器。
- 磁気材料を有する部材と、および電子ビームを発生するための手段であって、該電子ビームは第1および第2の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられるもの、とを含むシステムを操作するための方法であって、該方法は、
アドレス信号を受信し、
前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分に前記ビームを向け、さらに前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する、
各ステップを含むことを特徴とする、方法。 - 磁気材料を有する部材と、および電子ビームを発生するための手段であって、該電子ビームは第1および第2の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられるもの、とを含むシステムを操作するための方法であって、該方法は、
アドレス信号を受信し、
前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分に前記ビームを向け、さらに前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御し、さらに
その後、前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分の磁気分極を、前記ビームを前記部分に向ける事によって検出する、
各ステップを含むことを特徴とする、方法。 - 磁気材料中に分極方向としてデータを記憶するための方法であって、当該方法は、
第1および第2のデータ値の一方に相当する分極方向を持った電子磁界を有するスピン分極電子であって、前記磁気材料に磁気モーメントをもたらす不対電子に特有の波長を有する電子を供給し、さらに、
非電導性の環境を介して、前記スピン分極電子を前記磁気材料の一部分に向けることによって、当該部分に前記電子磁界の方向を付与する、
各ステップを含むことを特徴とする、方法。
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