JP6267362B2 - Magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、スピン波を伝播する導波路を利用した磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor using a waveguide that propagates spin waves.
電子は、電気伝導を担う電荷に加え、磁性を担うスピンを有している。近年、電子の電荷を活用したエレクトロニクス素子に加え、スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス素子の開発に注目が集まっている。例えばスピンの注入に用いるトンネル磁気抵抗素子(スピン注入素子)が提案されている。 Electrons have a spin responsible for magnetism in addition to a charge responsible for electrical conduction. In recent years, attention has been focused on the development of spintronic devices that actively utilize the properties of spins, in addition to electronic devices that use electronic charges. For example, a tunnel magnetoresistive element (spin injection element) used for spin injection has been proposed.
非特許文献1には、スピン波導波路に用いる「強磁性金属」の上面に、絶縁体、強磁性金属を順に積層した構造のトンネル磁気抵抗素子が記載されている。また、同文献には、強磁性金属とスピン波導波路(強磁性金属)との間に電界を印加すると、強磁性体であるスピン波導波路の磁気異方性が変化することが記載されている。
Non-Patent
前述したように、非特許文献1に記載のトンネル磁気抵抗素子は、電界の印加による磁性体の磁気異方性の制御によりスピン波を生成できるため、「スピン波生成部」として使用することができる。また、スピン波導波路のスピン波生成部とは異なる部位にトンネル磁気抵抗効果を検出するトンネル磁気抵抗素子を設けることで、磁気センサを形成することができる。トンネル磁気抵抗効果の検出に使用されるトンネル磁気抵抗素子の形成部位を「スピン検出部」と呼ぶ。
As described above, since the tunnel magnetoresistive element described in Non-Patent
ところが、このように非特許文献1に記載の積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子を用いて磁気センサを構成すると、スピン波導波路に金属が用いられているため、異方性制御のための電界の印加時やスピン波生成のためのスピン波の注入時に、スピン波導波路に電流が流れてしまう。この電流は、トンネル磁気抵抗効果に対してノイズ源となる。また、電流が流れるとジュール熱によりスピン波導波路が発熱し、一部のエネルギーの散逸が生じる。
However, when a magnetic sensor is configured using the tunnel magnetoresistive element having the laminated structure described in Non-Patent
本発明は、異方性制御のための電界印加時やスピン波生成のためのスピン波注入時にも、ノイズと消費電力が少なく済むスピン波導波路を用いた磁気センサを提供する。 The present invention provides a magnetic sensor using a spin wave waveguide that can reduce noise and power consumption even when an electric field is applied to control anisotropy or when a spin wave is injected to generate a spin wave.
上記解題を解決するために、代表的な発明の一つである磁気センサは、(1)強磁性絶縁体と、(2)前記強磁性絶縁体の第1の領域に積層される第1の非磁性絶縁体と、前記第1の非磁性絶縁体に積層される第1の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第1の強磁性金属との間に電圧を印加する電源とを有するスピン波生成部と、(3)前記強磁性絶縁体の第2の領域に積層される第2の非磁性絶縁体と、前記第2の非磁性絶縁体に積層される第2の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第2の強磁性金属の間に発生する電圧を検出する電圧計とを有するスピン波検出部とを有する。 In order to solve the above problem, a magnetic sensor as one of representative inventions includes: (1) a ferromagnetic insulator; and (2) a first layer stacked in a first region of the ferromagnetic insulator. A nonmagnetic insulator, a first ferromagnetic metal laminated on the first nonmagnetic insulator, and a power source for applying a voltage between the ferromagnetic insulator and the first ferromagnetic metal. A spin wave generator having (3) a second nonmagnetic insulator stacked in the second region of the ferromagnetic insulator, and a second ferromagnetic layer stacked on the second nonmagnetic insulator. A spin wave detector having a metal and a voltmeter for detecting a voltage generated between the ferromagnetic insulator and the second ferromagnetic metal.
本発明によれば、スピン波導波路に電流がほとんど流れずに済み、低ノイズかつ低消費電力の磁気センサを提供することができる。上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetic sensor with almost no current flowing through the spin wave waveguide and low noise and low power consumption. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の態様は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment of the present invention is not limited to the examples described later, and various modifications are possible within the scope of the technical idea.
[実施例1]
[磁気センサの構成]
図1に、実施例1に係る磁気センサの構成例を示す。本実施例の磁気センサは、強磁性絶縁体10と、スピン波を生成させるための電流を流すスピン波発生電源20と、情報の読み出しに用いられるスピン波検出電圧計30とを備える。強磁性絶縁体10は、板状、棒状、柱状などの形状を有する。強磁性絶縁体10の表面の第1の領域には、絶縁体11及び強磁性金属12が下層から順に積層され、スピン波発生電源20と共にスピン波生成部25を構成する。[Example 1]
[Configuration of magnetic sensor]
FIG. 1 shows a configuration example of a magnetic sensor according to the first embodiment. The magnetic sensor of this embodiment includes a
スピン波発生電源20は、絶縁体11を介して接合された強磁性金属12に交流電圧を印加することにより、絶縁体11との界面近傍の強磁性絶縁体10の磁気異方性を変化させ、強磁性絶縁体10にスピン波を生成させる。さらに、上記印加電圧により、強磁性金属12からスピン分極した電子が強磁性絶縁体10に注入される。強磁性金属12から注入された電子のスピン角運動量が、強磁性絶縁体10に受け渡されることにより、強磁性絶縁体10のスピンにトルクが働く。このトルクが、強磁性絶縁体10の界面近傍における磁気異方性の変化したスピンに作用することにより、スピン波が生成される。
The spin wave generating
以下、スピン波の導波路として、強磁性絶縁体10を用いる効果を、同導波路に強磁性金属を用いる場合と比較して説明する。
Hereinafter, the effect of using the
スピン角運動量の受け渡しによるスピンに作用するトルクは、いわゆるスピントランスファートルクである。絶縁体11を挟む磁性体が金属で構成される磁性トンネル接合である場合(従来例)、磁性トンネル接合に十分な大きさの電流を流すことができる(十分な大きさのスピンを注入することができる)ので、そのスピントランスファートルクにより一方の強磁性金属の磁化を反転することができる。
The torque acting on the spin due to the delivery of the spin angular momentum is a so-called spin transfer torque. When the magnetic material sandwiching the
一方、強磁性絶縁体10の場合(実施例)、マクロには電流がほぼ流れず、界面に電場を誘起する(静電誘導)のに留まる。本実施例の場合、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体10の材料には、例えばYIG(イットリウム鉄ガーネット)を使用する。YIGの磁気異方性は、約−600J/m3である。この磁気異方性の値は、Co薄膜(従来例)の約1000分の1である。従って、静電誘導によっても、強磁性絶縁体10の磁気異方性は十分に変化させることができる。なお、YIGは、電界効果による磁気異方性の制御に必要な印加電圧の低減にも適している。On the other hand, in the case of the ferromagnetic insulator 10 (Example), almost no current flows through the macro, and only an electric field is induced at the interface (electrostatic induction). In the case of the present embodiment, for example, YIG (yttrium iron garnet) is used as the material of the
前述したように、強磁性絶縁体10には、マクロには電流がほぼ流れない。しかし、抵抗は有限値であるため、スピン波発生部25の電流経路上には僅かながら電流(1μA以下)が流れる。つまり、スピン分極した電流が、強磁性金属12から絶縁体11を介して強磁性絶縁体10に流れ、スピン注入が起こる。電流値が小さくても効率的にスピン注入を行うには、例えば強磁性金属12にCoFeBを用い、絶縁体11にMgOを用いることが望ましい。また、スピン注入により、強磁性絶縁体10に効率的にスピン波を発生するには、強磁性金属12と強磁性絶縁体10の磁化がそれぞれ直交するよう設定することが望ましい。目的が磁化反転ではなく、スピン波の誘起であれば、強磁性絶縁体10の薄膜を流れる電流値で十分である。
As described above, almost no current flows through the
強磁性絶縁体10の表面の第2の領域(第1の領域とは異なる)には、絶縁体11及び強磁性金属12が下層から順に積層され、スピン波検出電圧計30と共にスピン波検出部40を構成する。スピン波検出電圧計30は、スピン波の伝播検出用であり、磁気抵抗効果により強磁性金属12と強磁性絶縁体10の間で磁化の相対向きを検出する。上述したように、強磁性絶縁体10においてもスピン波検出部40の電流経路上には僅かな電流が流れることが可能である。センス電流を流すことで、スピン波の伝播により強磁性絶縁体10における磁化の方向変化を磁気抵抗効果により検出することができる。
In the second region (different from the first region) on the surface of the
[まとめ]
本実施例に係る磁気センサは、アンテナが不要である。このため、スピン波生成部25とスピン波検出部40を微小領域内に配置した磁気センサを実現することができる。また、本実施例に係る磁気センサでは、スピン波導波路にマクロ的に電流が流れないためジュール熱の発生が無く、ノイズが少ない磁気センサを実現することができる。また、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体10の磁気異方性は従来例に比して格段に小さく、磁気異方性の制御に必要な印加電圧が小さく済み、消費電力が小さい磁気センサを実現することができる。また、本実施例に係る磁気センサは、スピン波の減衰が小さく済むため、スピン波の到達距離を長くすることができる。[Summary]
The magnetic sensor according to the present embodiment does not require an antenna. Therefore, it is possible to realize a magnetic sensor in which the
[実施例2]
[磁気センサの構成]
図2に、実施例2に係る磁気センサの構成例を示す。本実施例の磁気センサの基本構成は、実施例1に係る磁気センサと同じである。違いは、本実施例に係る磁気センサでは、スピン波検出部40で検出される電圧をスピン波生成部25にフィードバックして、一定周波数のスピン波を生成する機能を設け、フィードバック電圧の変化により外部磁場を読み出す点である。このため、本実施例に係る磁気センサには、フィードバック線路が設けられている。[Example 2]
[Configuration of magnetic sensor]
FIG. 2 shows a configuration example of the magnetic sensor according to the second embodiment. The basic configuration of the magnetic sensor of this embodiment is the same as that of the magnetic sensor according to the first embodiment. The difference is that in the magnetic sensor according to the present embodiment, a function for generating a spin wave with a constant frequency by feeding back the voltage detected by the spin
典型的な強磁性体のスピン歳差運動の時間スケールは、交換相互作用の大きさで決まり、約1GHz、大きくても10GHz程度である。この歳差運動をベースとし、スピン波生成電源20に交流電源を用いて強磁性共鳴を引き起こす周波数を与えると、共鳴的なスピン波が生成される。このとき、スピン波検出部40の付近の強磁性絶縁体10は、外部磁場に晒され、上記共鳴周波数が外部磁場により変調される。この変調は、スピン波検出電圧計30により読み取ることができる。
The time scale of spin precession of a typical ferromagnet is determined by the magnitude of the exchange interaction, and is about 1 GHz and about 10 GHz at most. Based on this precession, if a spin wave generating
そこで、スピン波検出電圧計30には、常に一定周波数のスピン波を生成させるためのフィードバック機能が設けられる。具体的には、スピン波検出電圧計30で検出された電圧をスピン波生電源20に与えるフィードバック線路を設ける。このフィードバック機能を利用し、本実施例に係る磁気センサは、外部磁場の大きさを検出する。
Therefore, the spin
磁気センサを構成するスピン波生成部25とスピン波検出部40は、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体10の表面に沿って空間的に隔てられているが、その隔たりはスピン波の到達距離に応じて10μm〜100μm程度に設定すれば良い。この距離は、実施例1の磁気センサについても同様である。
The spin
[まとめ]
本実施例によれば、フィードバック線路の搭載により、外部磁場の大きさを検出可能な磁気センサを提供することができる。[Summary]
According to this embodiment, it is possible to provide a magnetic sensor capable of detecting the magnitude of the external magnetic field by mounting the feedback line.
[他の実施例]
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、強磁性絶縁体の材料として、ガーネット類(例えばY_3(Fe,Al)_50_12、Y_3(Fe,Ga)_50_12)、又は、スピネルフェライト(例えばAFe_20_4(A=Mn, Ni, Cu, Zn)、又は、ランタンマンガン酸化物(La_2NiMnO_6、La_2CoMnO_6)を用いても良い。[Other embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, as a material of the ferromagnetic insulator, garnets (for example, Y_3 (Fe, Al) _50_12, Y_3 (Fe, Ga) _50_12), or spinel ferrite (for example, AFe_20_4 (A = Mn, Ni, Cu, Zn), Alternatively, lanthanum manganese oxide (La_2NiMnO_6, La_2CoMnO_6) may be used.
10 スピン波導波路
11 非磁性絶縁体
12 強磁性金属
20 スピン波発生電源
25 スピン波生成部
30 スピン波検出電圧計
40 スピン波検出部DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記強磁性絶縁体の第1の領域に積層される第1の非磁性絶縁体と、前記第1の非磁性絶縁体に積層される第1の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第1の強磁性金属との間に電圧を印加する電源とを有するスピン波生成部と、
前記強磁性絶縁体の第2の領域に積層される第2の非磁性絶縁体と、前記第2の非磁性絶縁体に積層される第2の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第2の強磁性金属の間に発生する電圧を検出する電圧計とを有するスピン波検出部と、
前記スピン波検出部で検出される電圧を前記スピン波生成部の前記電源にフィードバックするフィードバック線路と、
を有する磁気センサ。 A ferromagnetic insulator;
A first nonmagnetic insulator laminated in a first region of the ferromagnetic insulator; a first ferromagnetic metal laminated on the first nonmagnetic insulator; the ferromagnetic insulator; A spin wave generator having a power source for applying a voltage to the first ferromagnetic metal;
A second nonmagnetic insulator laminated in a second region of the ferromagnetic insulator; a second ferromagnetic metal laminated on the second nonmagnetic insulator; the ferromagnetic insulator; A spin wave detector having a voltmeter for detecting a voltage generated between the second ferromagnetic metals ;
A feedback line that feeds back the voltage detected by the spin wave detector to the power source of the spin wave generator;
A magnetic sensor.
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