JP5515044B2

JP5515044B2 - 磁気記録装置

Info

Publication number: JP5515044B2
Application number: JP2010002243A
Authority: JP
Inventors: 和悦吉田
Original assignee: 学校法人工学院大学; 山森一毅
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: JP2011141934A

Description

本発明は、磁気記録装置に関し、特に、マイクロ波アシスト磁気記録方式において、２０ＧＨｚ以上の高周波磁界を発振可能なスピントルク注入型高周波発振素子を有する磁気記録ヘッドを備える磁気記録装置に関する。

現在の磁気記録技術を用いた磁気記録装置は、情報を記録する保磁力の大きな硬質磁性材料からなる磁気記録媒体と、それに対向して位置し、強い磁界を発生させる透磁率の高い軟質磁性材料からなる磁気記録ヘッドとを備えている。情報の記録においては、磁気記録ヘッドから磁気記録媒体の局所領域に対して強い磁界を発生させる。磁気記録媒体の磁化の向きはヘッド磁界を受けて局所領域においてスイッチングを起こし、ビットの記録が行われる。

記録方式としては、従来、磁気記録媒体の磁化の向きを磁気媒体の長手方向に記録する長手記録方式、または面内記録方式が採用されていたが、高記録密度化に伴うビットサイズの微細化により熱揺らぎが顕在化してきた。これを解決する磁気記録方式として、垂直磁気記録方式が２００５年に実用化されるに至った。

この方式では、記録磁化の方向を記録媒体面に対して垂直方向とする。このように磁化を配置することにより、隣接ビットの磁化方向が逆向きになってもお互いの磁化が隣接ビットの磁化を安定化させるため、ビットサイズが微細化しても熱揺らぎの影響を受けにくくなり、面記録密度１００Gbits/inch^２以上の記録を可能とするようになった。しかし、垂直磁気記録方式においても、１Tbits/inch^２を越す面記録密度においては熱揺らぎの影響が顕在化することが予想されている。

これを回避する方法としては、磁気記録媒体に高磁気異方性特性を持つ材料を用いることが有効である。しかし、大きな磁気異方性を持つ材料を使用すると、記録媒体の保磁力が大きくなり、記録媒体の磁化をスイッチングさせるのに必要な磁界、すなわち記録ヘッドが記録媒体領域において発生すべき磁界をそれに応じて大きくする必要が生じる。そのためには、磁気記録ヘッドに大きな飽和磁束密度（Ｂｓ）を持つ材料を使用する必要がある。現状実用に供せられる高飽和磁束密度材料としてはＦｅとＣｏの合金が知られているが、その飽和磁束密度は最大２．４Ｔであり、１Tbits/inch^２を越す記録能力をもつ記録媒体のスイッチングを起こさせるには不足している。このように、現在の磁気記録方式をそのまま延長しただけでは、１Tbits/inch^２以上の高記録密度を達成することは困難であると考えられている。

このような問題を解決する一つの方法として、２００３年にJing−Ｇang．Ｚｈｕによって、高周波アシスト磁気記録（Microwave-assisted Magnetic Recording: ＭＡＭＲ）が提案された（非特許文献１）。この方式は、磁気記録ヘッドから発生する磁界に対して直交する面内に、２０ＧＨｚ以上の高周波磁界を重畳させることによって、記録媒体に強磁性共鳴を起こさせ、その記録媒体材料が持つ固有の保磁力より低い値で磁化のスイッチングを起こさせるものである。なお、この２０ＧＨｚという値は、ＭＡＭＲに用いられる記録媒体の異方性磁界（Ｈｋ）には概ね２×１０⁶Ａ/ｍ以上が必要になると予想されており、このような高い異方性磁界をもつ媒体の磁化をスイッチングさせるのに必要な周波数の目安である。これにより、記録媒体に使用可能な高磁気異方性材料の磁気異方性定数の上限値がひろがり、その結果、３Tbits/inch^２もの高記録密度化が可能であることが計算機シミュレーションにより示された（非特許文献２）。

このとき、Ｚｈｕ達が提案した磁気記録ヘッド３０に使用される高周波磁界発振素子３１は、バイアスフリー発振素子と呼ばれ、図９に示すように、高周波磁界を発振する高周波磁界発振層１８と偏極したスピンを高周波磁界発振層に供給するレファレンス層１４と高周波磁界発振層の磁化方向を高周波磁界発振層の膜面に垂直方向に保持する垂直磁化膜２６とを備えている。ただし高周波磁界発振層１８とレファレンス層１４との間には厚さ５ｎｍ以下の非磁性層１６が設けられている。この４層から構成された高周波磁界発振素子３１は、垂直磁気記録用の磁気記録ヘッド３０の主磁極１２とトレーリングシールド２２の主磁極側との間隙１３に設けられ、主磁極１２から発生する垂直磁界４３に対して高周波磁界発振層１８の直下において概略直交する面に２０ＧＨｚ以上の高周波磁界４４を重畳させることができる。

しかし、この素子構造では、次のような問題点がある。１番目にはレファレンス層１４の磁化方向３２と垂直磁化膜２６の磁化方向３７を反平行に設定する必要があることである。一般的に５ｎｍ程度の非磁性膜を挟んで相対する位置にある２枚の強磁性膜の磁化をお互いに反平行にするのは難しい。特に、Ｚｈｕ提案のバイアスフリー発振素子では、垂直磁化膜２６は、Ｋ＝１．０×１０^７Ｊ／ｍ^３以上の非常に大きな高磁気異方性が必要とされており、このような大きな磁気異方性を持つ材料を一方向に磁化させること、すなわち着磁させるには少なくとも２Ｔ以上の外部磁界を必要とする。このような磁界を印加させるとレファレンス層１４の磁化も垂直磁化膜２６と同じ方向に向いてしまい反平行な磁化状態を実現することは難しい。２番目には、安定した２０ＧＨｚ以上の発振周波数を得るには、垂直磁化膜の磁気異方性定数としてはＫ＝１．０×１０^７Ｊ／ｍ^３以上が必要であるとされている。しかしこのような巨大な磁気異方性定数を持つ材料はまだ開発されておらず現実性が乏しいアイデアであると思われる。

さらに上記した問題点を解決する構造として、Ｊ−Ｇ．Ｚｈｕ達により垂直磁化膜とレファレンスの磁化方向を反平行にする必要のない発振素子が提案された（非特許文献３）。この構造では、図６に示すように、磁気記録ヘッド２０の主磁極１２とトレーリングシールド２２の間隙１３に高周波磁界発振素子２１を配置させることは前出の素子構造と同じであるが、主磁極１２とトレーリングシールド２２、間隙１３を回る磁気回路４６を形成させ、この間隙１３に強い磁界３６を発生させ、この磁界によって垂直磁化膜とレファレンス層の磁化を同じ方向に向けて平行状態とするようにしたものである。この構造ではレファレンス層１４の磁化方向３２も強い磁界３６によって磁界３６の方向を向くことになるため、高周波磁界発振層１８とレファレンス層１４の磁化方向３２はおのずと平行となる。このような配置では、レファレンス層１４から偏極電子を注入した場合は、高周波磁界発振層１８の磁化３４の歳差運動がおこらず発振しない。

そのため、電流方向３８を逆にして高周波磁界発振層１８からレファレンス層１４に向かって電子を移動させる。そのとき電子がレファレンス層１４と非磁性層１６の界面で反射されると、実効的にレファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に電子が注入されたようになり、高周波磁界発振層１８の磁化３４にスピントルクを働かせることができるようになる。これは、電子がレファレンス層１４と非磁性層１６の界面で反射されるときに、逆方向のトルクを持ち、電子のスピンがレファレンス層１４とは逆方向に偏極される現象を利用したものである。しかし、この方式では、反射電子を利用するため偏極電子の注入効率が下がることや、２０ＧＨｚ以上の高い周波数を発振させるには、高周波磁界発振層１８に強い磁界を印加する必要があり、そのため、間隙１３において１Ｔ以上の磁界が必要となり、本来必要な主磁極１２から生じる磁気回路４２による記録用磁界４３の強度を低下させてしまう。

Jian-Gang Zhu et. Al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol.44, No. 1, (2008) PP125-131 Yuhui Tang et al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44, No. 11, (2008) pp3376-3379. The digests of Intermag 2009, EC-08.

本発明は、巨大な垂直磁気異方性定数を持つ材料を用いた垂直磁化膜を利用することなく、かつレファレンス層と高周波磁気発振層の磁化方向を反平行にする必要がなく、さらに高周波磁気発振層に注入する偏極電子として反射電子を用いる必要がなく、高周波磁界発振層に非常に強い磁界を印加する必要もない構造を持つ高周波磁気発振素子を有する磁気記録ヘッドを備える磁気記録装置を提供することを主な目的としている。

本発明によれば、
主磁極と、
絶対値が１．０×１０ ^６Ｊ／ｍ ^３以上の負の磁気異方性定数を持つ磁性材料を主成分とする第１の部材と、スピンが偏極した電子を供給する第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材間に配置された非磁性部材と、を有する高周波磁界発振素子と、
前記第１の部材から前記第２の部材に向かって電流を流す電源と、
を備え、
前記第２の部材から前記第１の部材に供給された前記偏極電子により、前記第１の部材の磁化が歳差運動を起こすことによって前記高周波磁界発振素子が高周波磁界を発振する磁気記録装置が提供される。

好ましくは、前記負の磁気異方性定数が、−２×１０ ⁶ 〜−８×１０ ⁶ Ｊ／ｍ ³ の範囲である。

また、好ましくは、前記高周波磁界が、前記主磁極が発生する磁界と直交する成分を有する。

好ましくは、前記第１の部材の磁化困難軸が第１の方向を向いており、前記第１の部材の磁化容易軸が前記第１の方向と交差する第１の面内に存在する。さらに好ましくは、前記第１の方向と前記第１の面が直交する。

好ましくは、前記第１の面と交差する第２の方向に前記第２の部材の磁化が向いている。さらに好ましくは、前記第２の方向と前記第１の面が直交する。

好ましくは、前記第２の方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される。

好ましくは、前記第１の面と交差する第３の方向の磁界を前記高周波磁界発振素子に印加する磁界供給手段をさらに備える。さらに好ましくは、前記第３の方向と前記第１の面が直交する。

好ましくは、前記磁界に平行な方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される。または、好ましくは、前記磁界に反平行な方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される。

好ましくは、トレーリングシールドをさらに備え、前記高周波磁界発振素子が前記主磁極と前記トレーリングシールドとの間に位置している。

好ましくは、前記負の磁気異方性定数を持つ磁性材料は、ＦｅとＣｏを主成分とする合金であり、そのＣｏ組成がＦｅとＣｏの合計に対して０．５から２．０ａｔ％である。

好ましくは、前記負の磁気異方性定数を持つ磁性材料は、Ｆｅ膜とＣｏ膜からなる多層膜であり、それぞれの厚さが０．２ｎｍから０．５ｎｍであり、Ｆｅ膜一層とＣｏ膜一層からなる一周期の長さが０．５ｎｍから１．０ｎｍである。

好ましくは、前記第２の部材が膜状であり、前記膜の主面に対して垂直な方向に前記第２の部材の磁化容易軸が向いており、前記第２の部材の磁気異方性定数Ｋを２倍した値と真空の透磁率μ_０を乗した値を前記第２の部材の飽和磁化Ｍｓの二乗値で除したときの値、Ｑ値（＝２μ_０Ｋ／Ｍｓ^２）が０．５以上である。

好ましくは、前記第２の部材に、強磁性体を用いる。

また、好ましくは、前記第２の部材に、ＭｎＳｉからなるハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉからなるハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＳｉからなるハーフメタル、ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌを主成分とするハーフメタルおよびＣｏ_２ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタルからなる群より選ばれる少なくとも一種以上のハーフメタルからなる材料を用いる。

本発明によれば、巨大な垂直磁気異方性定数を持つ材料を用いた垂直磁化膜を利用することなく、かつレファレンス層と高周波磁気発振層の磁化方向を反平行にする必要がなく、さらに高周波磁気発振層に注入する偏極電子として反射電子を用いる必要がなく、高周波磁界発振層に非常に強い磁界を印加する必要もない構造を持つ高周波磁気発振素子を有する磁気記録ヘッドを備える磁気記録装置が提供される。

本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドを説明するための概略縦断面図である。本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドおよび比較例に好適に使用される高周波磁界発振素子の計算モデルを説明するための概略斜視図である。本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドに好適に使用される高周波磁界発振素子の計算モデルにおける磁界強度の経時変化を示す図である。本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドに好適に使用される高周波磁界発振素子の計算モデルにおいて使用する磁性体の磁気異方性定数と発振周波数との関係を示す図である。本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドに好適に使用される高周波磁界発振素子の計算モデルにおける印加磁界とスピントルク実効磁界との関係を示す図である。従来の磁気記録ヘッドを説明するための概略縦断面図である。比較例の磁気記録ヘッドに使用される高周波磁界発振素子の計算モデルにおける磁界強度の経時変化を示す図である。比較例の磁気記録ヘッドに使用される高周波磁界発振素子の計算モデルにおける印加磁界とスピントルク実効磁界との関係を示す図である。従来の磁気記録ヘッドを説明するための概略縦断面図である。

以下、本発明の好ましい一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１を参照すれば、本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッド１０は、主磁極１２と、主磁極１２の周囲に巻回して設けられたコイル２４と、主磁極１２のトレーリング側に配置されたトレーリングシールド２２と、主磁極１２とトレーリングシールド２２との間の間隙１３に配置された高周波磁界発振素子１１とを備えている。

高周波磁界発振素子１１は、高周波磁界４４を発振する高周波磁界発振層１８と、スピンが偏極した電子を高周波磁界発振層１８に供給するレファレンス層１４と、高周波磁界発振層１８とレファレンス層１４との間に配置された非磁性層１６と、高周波磁界発振層１８に対して非磁性層１６と反対側に配置された非磁性層１９とを備え、主磁極１２からトレーリングシールド２２に向かって、レファレンス層１４、非磁性層１６、高周波磁界発振層１８、および非磁性層１９の順に配置されている。

非磁性層１９とレファレンス層１４との間に電流を流すための電源４０が磁気記録ヘッド１０の外部に設けられている。電源４０の一端子はトレーリングシールド２２を電極とし、もう一方の端子は主磁極１２を電極とするように接続する。本実施の形態の磁気記録装置は、磁気記録ヘッド１０と電源４０とを備えている。

非磁性層１９、高周波磁界発振層１８、非磁性層１６およびレファレンス層１４は、好ましくは、スパッタリング法により膜状に形成される。非磁性層１６および非磁性層１９の厚さは、好ましくは、２〜５ｎｍであり、高周波磁界発振層１８の厚さは、好ましくは、１０〜２０ｎｍであり、レファレンス層１４の厚さは、好ましくは、５〜２０ｎｍである。主磁極１２とトレーリングシールド２２との間の間隙１３の距離は、好ましくは、２０〜４０ｎｍである。非磁性層１６および非磁性層１９は、好ましくは、Ｃｕで構成される。

本実施の形態の磁気記録ヘッド１０では、主磁極１２によって、磁気回路４２が形成され、磁気記録媒体５０において、垂直磁界４３が形成される。また、主磁極１２とトレーリングシールド２２とによって、磁気回路４６が形成され、高周波磁界発振層１８やレファレンス層１４の膜面に垂直な方向の外部磁界３６が形成される。

本実施の形態の磁気記録ヘッド１０では、電源４０によって、電流を高周波磁界発振層１８からレファレンス層１４に向かって流すことによって、スピンが偏極した偏極電子が、レファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に注入され、高周波磁界発振層１８の磁化３４にスピントルクを働かせて、磁化３４の歳差運動を起こし、空間に高周波磁界を発生する。発生した高周波磁界は、磁気記録媒体５０において、主磁極１２から発生する垂直磁界４３に対して概ね直交する高周波磁界４４成分を有するので、垂直磁界４３に高周波磁界４４が重畳されて、磁気記録媒体５０に強磁性共鳴を起こさせ、磁気記録媒体５０が持っている固有の保磁力よりも低い値で磁化のスイッチングを起こさせることができる。

本実施の形態の磁気記録ヘッド１０では、高周波磁界発振層１８に負の磁気異方性定数を持つ磁性材料を主成分とする部材を用いる。負の磁気異方性定数を持つ材料においては、一軸性磁化困難軸に対して直交する面が磁化容易面となる。本実施の形態においては、高周波磁界発振層１８の膜面の法線方向を磁化困難軸としており、高周波磁界発振層１８の膜面内では磁気異方性は存在せず、磁化は均等に回転し易い状態となっている。

高周波磁界発振層１８の発振周波数は高周波磁界発振層１８の実効磁界に比例しており、高周波磁界発振素子１１においては、実効磁界の値は高周波磁界発振層１８の膜面から磁化３４を立ち上げた時に生じる反磁界と外部磁界との和に等しくなる。したがって発振周波数はおおむね高周波磁界発振層１８の飽和磁化Ｍｓで制限される。ここで、負の１軸異方性を用いて、その磁化困難軸を膜面垂直方向に向ければ、前記した実効磁界には負の異方性から発生する、大きな異方性磁界が加わり、実効的に大きな実効磁界を持たせることが可能になる。また、膜面内が磁化容易面となるため、回転を阻害されることもない。

本実施の形態においては、負の磁気異方性定数を持つ材料を使用し、高周波磁界発振層１８の膜面の法線方向を磁化困難軸とし、磁化容易軸が高周波磁界発振層１８の膜面内に存在するようにしているので、レファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に注入される偏極電子が、磁化３４にスピントルクを働かせて、高周波磁界発振層１８の膜面から磁化３４を立ち上げて歳差運動を起こす。この場合、磁化３４は高周波磁界発振層１８の膜面の上側に立ち上がってもよく、下側に立ち上がってもよい。従って、レファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に注入される偏極電子のスピンの方向は、上向きであってもよく、下向きであってもよい。その結果、レファレンス層１４の磁化方向は、高周波磁界発振層１８からレファレンス層１４に向かう磁化方向３２であっても、逆にレファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に向かう磁化方向３２’であってもよい。また、後述するように、外部磁界３６がなくてもよい。

本実施の形態において使用する負の磁気異方性定数を持つ磁性材料としては、絶対値が１．０×１０^６Ｊ／ｍ^３以上の負の磁気異方性定数を持っている磁性材料を用いることが好ましい。

また、この負の磁気異方性定数を持つ磁性材料としては、ＦｅとＣｏを主成分とする合金であり、そのＣｏ組成がＦｅとＣｏの合計に対して０．５から２．０ａｔ％である合金が、大きい負の磁気異方性定数を持つ磁性材料として好ましく使用される。

また、この負の磁気異方性定数を持つ磁性材料は、Ｆｅ膜とＣｏ膜からなる多層膜であり、それぞれの厚さが０．２ｎｍから０．５ｎｍであり、Ｆｅ膜とＣｏ膜の1周期の長さが０．５ｎｍから１．０ｎｍである。

レファレンス層１４には、レファレンス層１４の膜面に対して垂直な方向に磁化容易軸が向いており、その磁気異方性定数Ｋを２倍した値と真空の透磁率μ_０を乗した値を前記第２の部材の飽和磁化Ｍｓの二乗値で除したときの値、Ｑ値（＝２μ_０Ｋ／Ｍｓ^２）が０．５以上である。このような部材を用いることによって、レファレンス層１４の磁化３２（３２’）がレファレンス層１４の膜面に垂直方向に向きやすくなる。

レファレンス層１４には、強磁性体が好適に用いられる。レファレンス層１４には、ＭｎＳｉからなるハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉからなるハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＳｉからなるハーフメタル、ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌを主成分とするハーフメタル、あるいはＣｏ_２ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタル、またはこれらのハーフメタルのうち２以上のハーフメタルを組み合わせものからなる材料を用いることも好ましい。

次に、図２を参照して、本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドに好適に使用される高周波磁界発振素子１１の計算モデルを説明する。

高周波磁界発振層１８にレファレンス層１４からスピンが偏極した電子６２を注入することにより、高周波磁界発振層１８の磁化３４が歳差運動６４を起こし、空間に高周波磁界４４が発生する。本計算モデルでは、高周波磁界発振層１８の層の厚さａをｌ０ｎｍ、断面を４０×４０ｎｍ^２の正方形（縦ｂが４０ｎｍ、横ｃが４０ｎｍ）とし、レファレンス層１４は省略して計算を行った．計算領域を１辺２ｎｍの立方体に離散化し、式（１）に示すスピントルク項を含めたＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ（ＬＬＧ）方程式を用いて高周波磁界発振層１８の磁化挙動を計算した。高周波磁界発振層１８から直下ｄ（＝１１ｎｍ）離れた平面（４０×１０ｎｍ^２）を発振磁界４４の観察面６０とし、その面平均をとることによって発振磁界強度とした。

式（１）のベクトルＨｓｔは、式（２）に示すように、偏極スピンによる実効磁界を表すベクトルで、その大きさはスピントルク実効磁界ａｊで示され、その方向は単位べクトルであるＭｐ（｜ベクトルＭｐ｜＝１）で表される。Ｊは注入電流密度であり、ηはスピン分極率である。ダンピング定数αは０．０２、スピン分極率ηは０．５として計算した。γはジャイロ磁気定数、Ｈｅｆｆは外部磁界と反磁界、異方性磁界と交換磁界の和から作られる実効磁界、ｄは高周波磁界発振層１８の膜厚、eは電子の電荷、ｈはプランク定数である。

高周波磁界発振層１８の飽和磁化Ｍｓを２．０Ｔ、交換定数Ａを２．０×１０^−１１Ｊ／ｍと固定し、磁気異方性定数Ｋを−２×１０^６〜−８×１０^６Ｊ／ｍ^３、スピントルク実効磁界ａｊを−６×１０^４〜６×１０^４Ａ／ｍと変化させ、発振特性を検討した。また高周波磁界発振層１８に垂直に外部磁界３６を０〜８×１０^５Ａ／ｍの範囲で変化させて印加し、外部磁界３６に対する影響も検討した。電流の方向３８は、高周波磁界発振層１８からレファレンス層１４に流れる方向であり、電子６２は、レファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に注入される。

また比較のために、高周波磁界発振層１８に磁気異方性定数Ｋが５．０×１０^３Ｊ／ｍ^３、飽和磁化Ｍｓが２．０Ｔの、正の磁気異方性定数を持つ磁性膜を用いた場合についても計算を行った。

まず、比較のための、飽和磁化Ｍｓ＝２．０Ｔ、磁気異方性定数Ｋ＝５．０×１０^３Ｊ／ｍ^３の軟磁性膜を用いた高周波磁界発振層１８であって、厚さａが１０ｎｍ、断面が４０×４０ｎｍ^２の正方形（縦ｂが４０ｎｍ、横ｃが４０ｎｍ）の高周波磁界発振層１８の構造で発生する磁界の挙動を説明する。

発振磁界を図２で示した磁界観察面６０で平均化した結果を図７に示す。図７では、磁界のｘ成分とｙ成分のみを示している。これは磁気記録ヘッドの磁界に対して、直交する成分（ｘ，ｙ成分）のみが磁気記録媒体の磁気共鳴に関連するためである。図７に示すように、磁界はその振幅値（ピーク対ピーク値の半分）が６２ｋＡ／ｍであり、安定して発振している。

次にスピントルク実効磁界ａｊと外部磁界Ｈａｐｌが発振状態にどのような影響を与えるかについて説明する。図８に、その結果を示した。図中の（○）は安定した発振、（△）はやや安定した発振、（×）は発振しない状態を示す。また、挿入図は外部磁界Ｈａｐｌの向きとレファレンス層の磁化３２の向き、すなわちスピントルク実効磁界ａｊの向き、および高周波磁界発振層の磁化３４の向きの関係を示す。図８から、スピントルク実効磁界ａｊが正の場合、すなわち外部磁界とレファレンス層の磁化の向きが同じ場合はまったく発振が起こらない。スピントルク実効磁界ａｊが負の場合は、発振する条件が現われる。しかし外部磁界が４００ｋＡ／ｍ以下の場合は、発振するａｊの値は２０ｋＡ／ｍ付近に制限され、発振周波数も８ＧＨｚと低い。さらに外部磁界を８００ｋＡ／ｍと強めると、高周波磁界発振層の磁化は反転して外部磁界の方に向き、発振周波数も２７ＧＨｚまで増加するが、安定に発振するａｊの値は２０ｋＡ／ｍ付近に制限される。

このように軟磁性膜を用いた場合の磁界強度は、６０ｋＡ／ｍと高い強度が得られるが、図８に示すように発振起こさせるためには、外部磁界とレファレンス層の磁化を反平行にすることが必要となる。また発振周波数に着目すると、２０ＧＨｚ以上とするためには外部磁界強度を８００ｋＡ／ｍにまで強くすることが必要となる。このような条件で、レファレンス層の磁化の向きを外部磁界と反平行に保つことは、技術的に大きな困難をもたらす。したがって２０ＧＨｚの周波数が必要となる高周波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）に適用させるのは困難である。

図３に、飽和磁化Ｍｓ＝２．０Ｔ、磁気異方性定数Ｋ＝−２×１０^６Ｊ／ｍ^３とした場合の平均磁界強度の経時変化を示す。図３から、高周波磁界の発振周波数が１４ＧＨｚと１０ＧＨｚを容易に超える高周波磁界が得られた。この計算結果は、負の磁気異方性材料は高い発振周波数を得る材料として有効であることを示している。

次に高周波磁界発振層１８に用いる磁性体の磁気異方性定数Ｋを変化させ、発振周波数との関係を調べた。結果を図４に示す。磁気異方性定数Ｋの絶対値が大きくなるにともない、発振周波数も高くなることがわかる。そこで発振周波数２０ＧＨｚが得られるＫ＝−６×１０^６Ｊ／ｍ^３においてさらに詳細な計算を行った。印加外部磁界Ｈａｐｌとスピントルク実効磁界の関係を調べ、その結果を図５に示す。この時スピントルク実効磁界ａｊの極性が正の場合、スピントルク実効磁界ａｊの方向は印加外部磁界Ｈａｐｌと同じ正の方向である。また、スピントルク実効磁界ａｊの極性が負の場合，印加外部磁界Ｈａｐｌと逆の負の方向である。

図５を見れば、図８に示した軟磁性膜を用いた場合と比較して、安定して発振する範囲がきわめて広くなることがわかる。しかもスピントルク実効磁界ａｊは正と負の両方の極性で発振することがわかった。さらにスピントルク実効磁界ａｊの絶対値を大きくすることで、発振周波数も高くなることが分かる。発振周波数に着目すると、外部磁界Ｈａｐｌを８００ｋＡ／ｍまで増加させてもあまり影響がないので、外部磁界Ｈａｐｌの依存性は少ないことがわかる。また、外部磁界Ｈａｐｌが０ｋＡ／ｍでも発振させることが可能であることもわかった。

なお、スピントルク実効磁界ａｊは、レファレンス層１４から高周波磁界発振層１８に注入する電子の量と考えることができ、それは電流密度となるので、電流密度と高くすれば発振周波数を高くすることができる。

以上のことから、本発明の好ましい一実施の形態の磁気記録ヘッドは、巨大な垂直磁気異方性定数を持つ材料を用いた垂直磁化膜を利用することなく、かつレファレンス層と高周波磁界発振層の磁化方向を反平行にする必要がなく、さらに高周波磁界発振層に注入する偏極電子として反射電子を用いる必要がない構造であることがわかる。また、高周波磁気発振層に非常に強い磁界を印加しなくてもよい。また、外部磁界の影響が少ないことから，記録ヘッドに装着する際に作製マージンを広げることができる。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０、２０、３０磁気記録ヘッド
１１、２１、３１高周波磁界発振素子
１２主磁極
１３間隙
１４レファレンス層
１６、１９非磁性層
１８高周波磁界発振層
２２トレーリングシールド
２４コイル
２６垂直磁化膜
３２、３２’ 磁化方向
３４磁化
３６外部磁界
３７磁界方向
３８電流方向
４０電源
４２磁気回路
４３垂直磁界
４４高周波磁界
４６磁気回路
５０磁気記録媒体
６０磁界観測面
６２電子
６４歳差運動

Claims

主磁極と、
絶対値が１．０×１０ ^６Ｊ／ｍ ^３以上の負の磁気異方性定数を持つ磁性材料を主成分とする第１の部材と、スピンが偏極した電子を供給する第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材間に配置された非磁性部材と、を有する高周波磁界発振素子と、
前記第１の部材から前記第２の部材に向かって電流を流す電源と、
を備え、
前記第２の部材から前記第１の部材に供給された前記偏極電子により、前記第１の部材の磁化が歳差運動を起こすことによって前記高周波磁界発振素子が高周波磁界を発振する磁気記録装置。
前記負の磁気異方性定数が、−２×１０ ⁶ 〜−８×１０ ⁶ Ｊ／ｍ ³ の範囲である請求項１記載の磁気記録装置。
前記高周波磁界が、前記主磁極が発生する磁界と直交する成分を有する請求項１または２記載の磁気記録装置。
前記第１の部材の磁化困難軸が第１の方向を向いており、前記第１の部材の磁化容易軸が前記第１の方向と交差する第１の面内に存在する請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記第１の方向と前記第１の面が直交する請求項４記載の磁気記録装置。
前記第１の面と交差する第２の方向に前記第２の部材の磁化が向いている請求項４または５記載の磁気記録装置。
前記第２の方向と前記第１の面が直交する請求項６記載の磁気記録装置。
前記第２の方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される請求項６または７記載の磁気記録装置。
前記第１の面と交差する第３の方向の磁界を前記高周波磁界発振素子に印加する磁界供給手段をさらに備える請求項４乃至８のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記第３の方向と前記第１の面が直交する請求項９記載の磁気記録装置。
前記磁界に平行な方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される請求項９または１０記載の磁気記録装置。
前記磁界に反平行な方向にスピンが偏極した前記偏極電子が前記第２の部材から前記第１の部材に供給される請求項９または１０記載の磁気記録装置。
トレーリングシールドをさらに備え、前記高周波磁界発振素子が前記主磁極と前記トレーリングシールドとの間に位置している請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記負の磁気異方性定数を持つ磁性材料は、ＦｅとＣｏを主成分とする合金であり、そのＣｏ組成がＦｅとＣｏの合計に対して０．５から２．０ａｔ％である請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記負の磁気異方性定数を持つ磁性材料は、Ｆｅ膜とＣｏ膜からなる多層膜であり、それぞれの厚さが０．２ｎｍから０．５ｎｍであり、Ｆｅ膜一層とＣｏ膜一層からなる一周期の長さが０．５ｎｍから１．０ｎｍである請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記第２の部材が膜状であり、前記膜の主面に対して垂直な方向に前記第２の部材の磁化容易軸が向いており、前記第２の部材の磁気異方性定数Ｋを２倍した値と真空の透磁率μ_０を乗した値を前記第２の部材の飽和磁化Ｍｓの二乗値で除したときの値、Ｑ値（＝２μ_０Ｋ／Ｍｓ^２）が０．５以上である請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記第２の部材に、強磁性体を用いた請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気記録装置。
前記第２の部材に、ＭｎＳｉからなるハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉからなるハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌからなるハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＳｉからなるハーフメタル、ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｆｅ_２ＣｒＳｉを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２（Ｃｒ_１−ｘＦｅ_ｘ）Ａｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを主成分とするハーフメタル、Ｃｏ_２ＭｎＡｌを主成分とするハーフメタルおよびＣｏ_２ＭｎＳｉを主成分とするハーフメタルからなる群より選ばれる少なくとも一種以上のハーフメタルからなる材料を用いた請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気記録装置。