JP6436426B2 - パルス生成装置 - Google Patents

Description

本開示は、パルス生成装置に関する。

特許文献１には、信号源からの入力信号の波形を矩形波パルスに変換するパルス生成装置が記載されている。また、パルス幅の短い矩形波パルスは、通信装置やレーダ装置などに利用されている。例えば、特許文献２には、パルス幅が極めて短いインパルス状のパルス列を用いる通信方式が記載されている。また、特許文献３には、パルス幅が短い矩形波パルスを用いる高周波デバイスを備えるレーダ装置が記載されている。

特開２００７−０１３４４１号公報 特開２０１３−１９２００６号公報 特開２０１３−０８３５４１号公報

従来のパルス生成装置において、パルス幅をより短くするためには、周波数をより高くした入力信号を用いる必要がある。しかしながら、周波数が高くなるほど、波形の立ち上がり成分又は立下り成分の幅が短くなるため、波形の立ち上がり又は立ち下がりを精度良く検出することが困難となる。よって、従来のパルス生成装置では、生成可能なパルス幅の短さに限界がある。

本技術分野では、パルス幅の短いパルスを生成可能なパルス生成装置が望まれている。

本発明の一側面に係るパルス生成装置は、基板と、基板上に設けられ、強磁性体からなるスピン注入子と、基板上に設けられ、強磁性体からなり、第１軸の方向が磁化容易軸となる磁気異方性を有するスピン回転子と、スピン注入子及びスピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、スピン回転子の磁気モーメントが第１軸の一方を向いた状態から第１軸の他方を向いた状態へ反転する際に、スピン回転子の磁気モーメントが第１軸と直交する第２軸に沿って向いた状態を検出することによって、パルスを生成する生成部と、を備える。

このパルス生成装置では、局所手法又は非局所手法を用いることにより、チャネル部においてスピン回転子へ向かうスピン流が生じる。例えば、スピン注入子とチャネル部とに電流又は電圧が印加されると、チャネル部にはスピン回転子へ向かうスピン流が生じる。チャネル部に流れるスピン流は、スピン回転子の磁気モーメントに対してスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）として作用する。すなわち、歳差運動している磁気モーメントはスピン流からスピン角運動量を受け取ると、磁気モーメントには回転力が加えられる。これにより磁気モーメントの歳差運動が増幅され、当該歳差運動が臨界に達すると、磁気モーメントの向きが第１軸の一方の側から他方の側へ反転する。磁気モーメントは、第１軸に沿って向いている状態が最も磁気的に安定しているため、歳差運動が臨界に達した磁気モーメントは、第１軸の一方の側から他方の側へ高速で反転する。つまり、磁気モーメントは、反転過程において瞬間的に第２軸に沿って向く状態となる。このとき、生成部により、磁気モーメントが第２軸に沿って瞬間的に向いた状態が検出され、磁気モーメントが第２軸に沿って瞬間的に向いた状態のときに立ち上がるパルスが生成される。これにより、パルス幅の短いパルスを生成することができる。

一実施形態においては、スピン回転子の基板の面内方向の断面形状は、当該形状の外郭線における第２軸に交差する方向に最も離間した２点間の距離よりも、当該形状の外郭線における第２軸方向に最も離間した２点間の距離の方が長くてもよい。あるいは、一実施形態においては、スピン回転子は、基板の面内方向の断面形状が楕円形状であり、第２軸は、楕円形状の長軸であってもよい。このように構成した場合、スピン回転子の磁気モーメントが反転するときの磁気モーメントの向きが制限される。つまり、第１軸に直交する第２軸を一方向に特定することができるので、スピン回転子の磁気モーメントが第２軸に沿って向いた状態を容易に検知することができる。

一実施形態においては、スピン注入子は、第１軸と平行な方向に磁化を有してもよい。このように構成した場合、スピン注入子からチャネル部に流入するスピンの向きと、チャネル部からスピン回転子に流入するスピンの向きとが同一になるため、スピン注入子の磁化方向と同じ向きのスピン状態を有するスピン流がスピン回転子に流入する。スピン回転子の磁気モーメントに対して角度を有して流入したスピンが作用する場合に比べて、スピン回転子の磁気モーメントに作用するスピントランスファートルクの寄与が大きくなる。よって、スピン回転子の磁気モーメントは、効率良くスピントランスファートルクを受け取ることができる。

一実施形態においては、第１軸は、基板の面直方向であってもよい。例えば、複数のスピン回転子を基板に配列する場合、基板の面直方向に磁気モーメントを有するスピン回転子の方が、面内方向に磁気モーメントを有するスピン回転子よりも、高密度に磁気モーメントを配列させることができる。

一実施形態においては、生成部は、スピン回転子の磁気モーメントが第２軸に沿って向いた状態となったときの漏洩磁場を検出してもよい。この場合、例えばＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを生成部として採用することができる。

一実施形態においては、生成部は、スピン回転子に接して設けられ、非強磁性金属又は絶縁体からなる中間層と、中間層に接して設けられ、第２軸に沿った方向に磁気モーメントが固定された固定層と、スピン回転子及び固定層間に流れる電流又はスピン回転子及び固定層間に生じる電圧を取得する取得部と、を備えてもよい。この場合、スピン回転子をいわゆるスピンバルブ素子のフリー層として機能させることができるので、スピン回転子中の磁気モーメントの状態を検出することができる。

本発明の側面及び種々の実施形態によれば、パルス幅の短いパルスを生成可能なパルス生成装置を提供することができる。

一実施形態に係るパルス生成装置の斜視図である。 一実施形態に係るパルス生成装置の部分拡大図である。 一実施形態に係るスピン生成装置の動作原理を説明する概要図である。 一実施形態に係るスピン生成装置によって生成されるパルスを説明する概要図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

本実施形態に係るパルス生成装置は、いわゆるスピンバルブ構造を応用したパルス生成装置であって、例えばナノスケールのパルス生成装置として採用される。

図１は、一実施形態に係るパルス生成装置の斜視図である。図２は、一実施形態に係るパルス生成装置の部分拡大図である。図１及び図２に示すように、パルス生成装置１０は、例えば、基板２４と、チャネル部１２、スピン注入子１４、スピン回転制御部１６、スピン回転子１８及び生成部３０を備えている。ここでは、基板２４上に、強磁性体からなるスピン注入子１４及び強磁性体からなるスピン回転子１８を非磁性体からなるチャネル部１２によって橋渡ししたスピンバルブ構造が形成されている。スピンバルブ構造においては、スピン注入子１４及びスピン回転子１８は、基板２４上に互いに離間して設けられ、チャネル部１２は、スピン注入子１４とスピン回転子１８との間に配置される。なお、パルス生成装置１０は、スピン回転制御部１６を備えていなくてもよい。

基板２４は、例えば半導体基板が用いられる。スピン注入子１４及びスピン回転子１８は、例えばＦｅ、ＮｉＦｅなどの磁性金属により形成され得る。チャネル部１２は、例えばＳｉもしくはヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの半導体材料、又は、ＡｇもしくはＣｕなどの非磁性金属により形成され得る。以下では、チャネル部１２が半導体材料で形成された場合を説明する。

チャネル部１２は、基板２４上に設けられている。チャネル部１２は、線形部材であって、その軸線方向が基板２４の面内方向に向くように配置されている。チャネル部１２は、例えば基板２４上に積層させた半導体層２０をメサ状に加工することによって形成される。

チャネル部１２の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、チャネル部１２の線幅は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。なお、基板２４と半導体層２０との間に二次元電子ガス層２２を形成した場合には、二次元電子ガス層２２及び半導体層２０をメサ状に加工することによってチャネル部１２を形成してもよい。例えば、基板２４としてＧａＡｓ基板を用い、半導体層２０を基板２４に電子をドーピングして形成した場合には、半導体層２０と基板２４との間に二次元電子ガス層２２が形成される。

スピン注入子１４は、基板２４上に設けられている。より具体的な一例としては、スピン注入子１４は、チャネル部１２の上面上に接触（直接的に接合）した状態で設けられている。スピン注入子１４は、線形部材であって、略長方形状を呈している。スピン注入子１４は、その軸線方向が基板２４の面内方向に向くように配置されている。より具体的な一例としては、スピン注入子１４は、その軸線方向がチャネル部１２の軸線方向と交差するように配置されている。スピン注入子１４とチャネル部１２とが接触する領域がスピン注入領域（スピン注入位置）となる。また、スピン注入子１４は、基板２４の面直方向（後述する第１軸Ｌ１と平行な方向）に向いた磁気モーメント（自発磁化）を有している。なお、本明細書において、特に明記されない限り、磁気モーメントとは、電子の磁気モーメントを巨視的に捉えた全体的な磁気モーメントを意味する。スピン注入子１４の線幅は、例えば１０μｍ以下とされる。また、スピン注入子１４の線幅は、例えば、０．１μｍ以上であってもよい。

スピン回転子１８は、基板２４上に設けられている。より具体的な一例としては、スピン回転子１８は、チャネル部１２の上面上に接触（直接的に接合）した状態で設けられている。スピン回転子１８は、スピン注入子１４から離間して配置されている。スピン回転子１８とスピン注入子１４との距離（離間距離）は、例えば、スピン拡散長より短い距離である。スピン拡散長は構成される磁性材料に依存し、例えば１μｍ以下である。この場合、離間距離は、少なくとも１μｍより短い距離となる。

スピン回転子１８は、例えば、基板２４の面直方向に延びる柱状部材であって、基板２４の面内方向の断面形状が楕円形状である。図２に示すように、以下では、基板２４の面直方向に延びるスピン回転子１８の軸線を第１軸Ｌ１（第１軸）、スピン回転子１８の断面形状の楕円の長軸を第２軸Ｌ２（第２軸）として説明する。スピン回転子１８は、例えば、第２軸Ｌ２がチャネル部１２の軸線方向に向くように配置されてもよい（図２参照）。

スピン回転子１８の断面形状は、長軸方向（第２軸Ｌ２方向）の長さが例えば０．１μｍ以上であってもよい。また、スピン回転子１８の断面形状は、長軸方向の長さが例えば１０μｍ以下であってもよい。また、スピン回転子１８の断面形状は、短軸方向（第２軸Ｌ２と直交する方向）の長さが、長軸方向の長さよりも短く、かつ、例えば０．１μｍ以上であってもよい。スピン回転子１８の断面形状は、短軸方向の長さがチャネル部１２の線幅より小さくなるように形成されていてもよい。

スピン回転子１８は、例えば、基板２４の面直方向に延びる第１軸Ｌ１に沿って磁気モーメント（自発磁化）を有している（図２参照）。スピン回転子１８は、第１軸Ｌ１の方向が磁化容易軸となる磁気異方性を有する。言い換えれば、スピン回転子１８の磁気モーメントは、第１軸Ｌ１に沿って向いたときに磁気的に最も安定したエネルギー状態となる（垂直磁気異方性）。スピン回転子１８は、柱状形状による形状磁気異方性によって垂直磁気異方性を実現することができる。あるいは、スピン回転子１８は、結晶磁気異方性によって垂直磁気異方性を実現してもよい。この場合、スピン回転子１８は、例えば、ＦｅＰｔなどＬ１_０結晶構造を持つ磁性金属で形成されてもよいし、（Ｃｏ/Ｐｔ）多層膜やＣｏＦｅＢ/ＭｇＯなどの多層構造を有する柱状部材として形成されてもよい。

さらに、基板２４の面内方向のスピン回転子１８の断面形状が楕円形状である場合、楕円長軸である第２軸Ｌ２方向に形状磁気異方性が生じる。このため、スピン回転子１８の磁気モーメントがその反転過程において基板２４の面内方向に向く場合、磁気モーメントは、基板２４の面内方向の中でも第２軸Ｌ２に沿って向いた場合に磁気的に最も安定したエネルギー状態となる。つまり、第２軸Ｌ２は、基板２４の面内方向における磁化容易軸である。このように、基板２４の面内方向において磁化容易軸を設定することで、後述する生成部３０による磁気モーメントの向きの検出を容易にすることができる。なお、第１軸Ｌ１方向の磁気異方性は、第２軸Ｌ２方向の磁気異方性よりも大きい。このため、磁気モーメントが第１軸Ｌ１方向に向いた場合の磁気的なエネルギーは、磁気モーメントが第２軸Ｌ２方向に向いた場合の磁気的なエネルギーよりも小さい。

スピン注入子１４の一端部には、電流又は電圧印加用の端子部１４ａが形成され、チャネル部１２の一端部（両端部のうちスピン注入子１４に近い端部）には、電流又は電圧印加用の端子部１２ａが形成されている。端子部１４ａ及び端子部１２ａ間に電流又は電圧が印加されることで、スピンが注入される。

スピン回転制御部１６は、例えば電圧制御部及び電圧印加用端子を備えている。スピン回転制御部１６は、チャネル部１２に接続されている。例えば、スピン回転制御部１６は、チャネル部１２の上面上の領域であって、スピン注入子１４とスピン回転子１８との間に位置する領域と直接接合されている。スピン回転制御部１６は、チャネル部１２のスピンの回転方向を制御するために、チャネル部１２へ電場又は磁場を印加可能に構成されている。スピン回転制御部１６は、例えば略直方体を呈し、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅が例えば１０μｍ以下とされる。なお、ここでは、スピン回転制御部１６は、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅がチャネル部１２の線幅以下になるように形成されている。

生成部３０は、スピン回転子１８の磁気モーメントが第１軸Ｌ１の一方を向いた状態から第１軸Ｌ１の他方を向いた状態へ反転する際に、スピン回転子１８の磁気モーメントが第１軸Ｌ１と直交する第２軸Ｌ２に沿って向いた状態を検出する。生成部３０は、例えば、スピン回転子１８の磁気モーメントの向きによって変化する物理量又は物性値を検出する。例えば、生成部３０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果あるいはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を用いて、磁気モーメントの向きに依存した電流値、電圧値又は抵抗値を検出する。

具体的な一例としては、生成部３０は、中間層３２、固定層３４及び取得部３６を備えている。中間層３２は、スピン回転子１８に接して設けられ、非強磁性金属又は絶縁体からなる。固定層３４は、中間層３２に接して設けられ、第２軸Ｌ２に沿った方向に磁気モーメントが固定されている。磁気モーメントは、例えば反強磁性体からなるピン留め層との交換結合により固定されている。つまり、スピン回転子１８及び固定層３４が中間層３２を挟み込んだ強磁性トンネル接合が構成される。このため、スピン回転子１８の磁気モーメントの向きと固定層３４の磁気モーメントの向きとに依存して、スピン回転子１８と固定層３４との間の抵抗値が変化する。

取得部３６は、スピン回転子１８及び固定層３４間に流れる電流又はスピン回転子１８及び固定層３４間に生じる電圧を取得する。生成部３０は、取得部３６の取得結果（電流値、電圧値又は抵抗値）に基づいて、スピン回転子１８の磁気モーメントと固定層３４の磁気モーメントとが、平行又は反平行となった状態を検出する。言い換えれば、生成部３０は、スピン回転子１８の磁気モーメントが第１軸Ｌ１の一方を向いた状態から第１軸Ｌ１の他方を向いた状態へ反転する際に、スピン回転子１８の磁気モーメントが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態（平行又は反平行となった状態）を検出することができる。例えば、生成部３０は、取得部３６が取得する電流値、電圧値又は抵抗値の変化点あるいは特異点を検出することにより、磁気モーメントが平行又は反平行となった状態と検出する。これにより、生成部３０は、スピン回転子１８の磁気モーメントが第２軸Ｌ２に沿って瞬間的に向いた状態のときに立ち上がるパルスを生成する。

上記構成を有するパルス生成装置１０は、以下のように動作する。まず、スピン注入子１４の端子部１４ａとチャネル部１２の端子部１２ａとの間に電流が印加される。これにより、スピン注入子１４の磁化方向と同じ方向となるスピン流がチャネル部１２へ注入される。チャネル部１２に注入されたスピンは、チャネル部１２の両端部へ拡散する。電荷を伴わないスピン流が、スピン注入子１４側からスピン回転子１８側へ向けて発生する。チャネル部１２に流れるスピン流は、スピン回転子１８の磁気モーメントにスピン角運動量を運ぶ。なお、チャネル部１２にスピン流を注入する方法は、非局所手法に限定されない。

なお、スピン回転制御部１６の印加電圧によって、チャネル部１２に流れるスピンの向きを制御してもよい。例えば、チャネル部１２を流れるスピン流のスピンは、スピン軌道相互作用によって歳差運動しており、このスピン軌道相互作用がスピン回転制御部１６によって印加された電圧による電界によって制御されてもよい。

ここで、図３を参照して、スピン回転子１８における磁気モーメントの反転について説明する。図３は、一実施形態のパルス生成装置１０の動作原理を説明するための概略図である。図３の（ａ）から図３の（ｃ）のそれぞれには、スピン回転子１８及びスピン回転子１８の磁気モーメントＭ（図中白矢印）が示されている。図３の（ａ）では、歳差運動が励起される前の磁気モーメントＭの状態が示されている。図３の（ｂ）では、磁気モーメントＭの緩和過程において、第２軸Ｌ２に沿って向いた状態が示されている。図３の（ｃ）では、反転した磁気モーメントＭが再び第１軸Ｌ１に沿って向いた状態が示されている。

スピン回転子１８は、上述したように、第１軸Ｌ１が磁化容易軸であり、磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１に沿った方向を向いている（図３の（ａ）参照）。スピン流の注入により、スピン角運動量が伝達され、電子の磁気モーメントの歳差運動が励起される。なお、巨視的にみても、磁気モーメントＭの歳差運動が励起されるといえる。磁気モーメントＭの歳差運動が励起されると、磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１まわりに歳差運動をする。流入したスピンと磁気モーメントＭとにおける角運動量保存則から、磁気モーメントＭには、磁気モーメントＭを反転させる方向に力が加えられる。磁気モーメントＭの歳差運動が増幅し、歳差運動が臨界に達すると、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが第１軸Ｌ１の一方を向いた状態から第１軸Ｌ１の他方を向いた状態へ高速で反転する。このとき、磁気モーメントＭは、図３の（ｂ）に示されるように、基板２４の面内方向における磁化容易軸方向、つまり、第２軸Ｌ２に沿って向いた状態となる。このように、磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１及び第２軸Ｌ２を含む平面Ｓ内を回転する。そして、図３の（ｃ）に示されるように、磁気モーメントＭは、再び第１軸Ｌ１に沿った状態となる。

次に、生成部３０によるスピン回転子１８の磁気モーメントＭの向き検出手法について詳細を説明する。図４は、一実施形態に係るスピン生成装置によって生成されるパルスを説明する概要図である。図４の（ａ）は、スピン回転子１８における磁気モーメントＭの磁化方向の時間変化を示すグラフである。図４の（ａ）の横軸は時間を示し、図４の（ａ）の縦軸は磁化の大きさを示している。図４の（ａ）では、基板２４の面直方向上向きの磁気モーメントＭの磁化を正の値、面直方向下向きの磁気モーメントの磁化を負の値として示している。つまり、図４の（ａ）では、測定時間Ｔ０における磁化方向の時間変化が示されている。測定時間Ｔ０は、スピン回転子１８にスピンが流入し、磁気モーメントＭが磁気的に安定した状態から反転し、再び磁気的に安定した状態に至るまでの時間である。測定時間Ｔ０は、例えば数ｎ（ナノ）秒である。図４の（ｂ）は、取得部３６により取得された検出値の時間変化を示すグラフである。図４の（ｂ）の横軸は時間を示し、図４の（ｂ）の縦軸は取得部３６により取得された検出値を示している。つまり、図４の（ｂ）では、図４の（ａ）と同じ測定時間Ｔ０における検出値の時間変化が示されている。なお、検出値は、一例として電流値である。

測定が開始されると、取得部３６は、スピン回転子１８の磁気モーメントＭの向きを測定する。図４の（ａ）に示されるように、取得部３６は、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが第１軸Ｌ１に沿って向いた状態を検出する。このとき、スピン回転子１８の磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１に沿って向いた状態で磁気的に安定している（図３の（ａ）参照）。そして、スピンが注入されると、磁気モーメントＭがスピン角運動量を受け取り、磁気モーメントＭの歳差運動が開始される。そして、スピン注入から所定時間が経過すると、磁気モーメントＭの歳差運動が増幅する。磁気モーメントＭの歳差運動が増幅するにつれ、検出される第１軸Ｌ１方向の磁気モーメントＭの成分が徐々に少なくなる。

歳差運動が臨界に達すると、スピン回転子１８の磁気モーメントＭは、時間Ｔ１で反転し、第２軸Ｌ２に沿って向いた状態を通過し、再び第１軸Ｌ１に沿った方向に向いた状態となり磁気的に安定する（図３の（ｂ）及び（ｃ）参照）。反転過程において、磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１方向の一方から他方へ高速に反転する。時間Ｔ１は例えば、数ｐ（ピコ）秒である。このとき、図４の（ｂ）に示されるように、取得部３６により磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態が検出される。反転過程における磁気モーメントＭの反転速度は、例えば強磁性材料のダンピング定数に依存する。磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態の時間Ｔ２は、例えば数ｐ（ピコ）秒である。このため、取得部３６が検出する検出値は、波形の立ち上がり成分又は立ち下がり成分の幅が短いパルスとなる。このように取得部３６が検出する検出値には、例えば、波形の立ち上がり成分又は立ち下がり成分が含まれていればよい。本実施形態では、取得部３６が検出するパルスは、略矩形波であり、略９０度に立ち上がる立ち上がり成分と、略９０度に立ち下がる立下り成分とを有する。よって、生成部３０は、長方形又は正方形の形状の矩形波パルスを生成する。なお、取得部３６が検出する検出値の波形は矩形波に限定されない。すなわち、取得部３６が検出する検出値の波形は、三角波であってもよく、のこぎり波であってもよい。取得部３６がスピン回転子１８の磁気モーメントの向きによって変化する物理量又は物性値を検出することにより、生成部３０は、スピン回転子１８の磁気モーメントが第２軸Ｌ２に沿って瞬間的に向いた状態のときに立ち上がるパルスを生成することができる。

以上、本実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、スピン注入子１４とチャネル部１２とに電流又は電圧が印加されると、チャネル部１２にはスピン回転子１８へ向かうスピン流が生じる。チャネル部１２に流れるスピン流は、スピン回転子１８の磁気モーメントＭに対してスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）として作用する。すなわち、歳差運動している磁気モーメントＭはスピン流からスピン角運動量を受け取ると、磁気モーメントＭには回転力が加えられる。これにより磁気モーメントＭの歳差運動が増幅され、当該歳差運動が臨界に達すると、磁気モーメントＭの向きが第１軸Ｌ１の一方の側から他方の側へ反転する。磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１に沿って向いている状態が最も磁気的に安定しているため、歳差運動が臨界に達した磁気モーメントＭは、第１軸Ｌ１の一方の側から他方の側へ高速で反転する。つまり、磁気モーメントＭは、反転過程において瞬間的に第２軸Ｌ２に沿って向く状態となる。このとき、生成部３０により、磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って瞬間的に向いた状態が検出され、磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って瞬間的に向いた状態のときに立ち上がるパルスが生成される。これにより、パルス幅の短いパルスを生成することができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、スピン回転子１８が基板２４の面内方向の断面形状が楕円形状であり、第２軸Ｌ２が楕円形状の長軸であるため、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが反転するときの磁気モーメントＭの向きが制限される。つまり、第１軸Ｌ１に直交する第２軸Ｌ２を一方向に特定することができるので、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態を容易に検知することができる。ただし、スピン回転子１８はこれに限定されず、スピン回転子１８はドット形状あるいは円柱形状であってもよい。この場合、外場で制御することにより、スピンの向きを制御し、緩和する面で検出することができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、スピン注入子１４は、第１軸Ｌ１と平行な方向に磁化を有していることから、スピン注入子１４からチャネル部１２に流入するスピンの向きと、チャネル部１２からスピン回転子１８に流入するスピンの向きとが同一になるため、スピン注入子１４の磁化方向と同じ向きのスピン状態を有するスピン流がスピン回転子１８に流入する。スピン回転子１８の磁気モーメントＭに対して角度を有して流入したスピンが作用する場合に比べて、スピン回転子１８の磁気モーメントＭに作用するスピントランスファートルクの寄与が大きくなる。よって、スピン回転子１８の磁気モーメントＭは、効率良くスピントランスファートルクを受け取ることができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、基板２４の面直方向に磁気モーメントＭを有するスピン回転子１８を備えるため、複数のスピン回転子を基板に配列する場合、基板２４の面内方向に磁気モーメントを有するスピン回転子よりも、高密度に磁気モーメントを配列させることができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、生成部３０は、スピン回転子１８をいわゆるスピンバルブ素子のフリー層として機能させることができる。これにより、スピン回転子１８中の磁気モーメントＭの状態を検出することができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、チャネル部１２が二次元電子ガス層２２及び半導体層２０で形成されているため、二次元電子ガス層２２からスピンが供給される。このため、チャネル部１２におけるスピン角運動量の伝搬を効率良く行うことができる。

また、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、スピン回転子１８は、チャネル部１２の長手方向に直交する方向の幅がチャネル部１２の線幅以下になるように形成されているため、チャネル部１２のスピン角運動量をスピン回転子１８へ効率良く伝搬させることができる。

さらに、一実施形態に係るパルス生成装置１０によれば、スピン注入子１４に近いチャネル部１２の端部に電流印加用の端子部１２ａが形成されていることから、電荷の流れを伴わないスピン流を発生させてスピン回転子１８の磁気モーメントを回転させることができる。このため、ジュール熱の発生を抑えることができるため、安定動作可能なパルス生成装置１０とすることができる。

上述した実施形態は、本発明に係るパルス生成装置１０の一例を示すものであり、実施形態に係るパルス生成装置１０に限られるものではなく、変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

［変形例１］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、スピン回転子１８が形状磁気異方性により垂直磁気異方性を有する例を示したが、これに限定されない。スピン回転子１８は、結晶磁気異方性によって垂直磁気異方性を実現してもよい。この場合、スピン回転子１８は、例えば、Ｌ１_０型ＦｅＮｉ規則合金やＦｅＰｔなどＬ１_０結晶構造を持つ磁性材料をエピタキシャル成長させて形成されてもよいし、（Ｃｏ/Ｐｔ）多層膜やＣｏＦｅＢ/ＭｇＯなどの多層構造をエピタキシャル成長させて形成されてもよい。これにより、結晶磁気異方性により生じる磁化容易軸を第１軸Ｌ１とすることができる。このような場合でも、磁気モーメントＭの反転を利用してパルス幅の短いパルスを生成することができる。

［変形例２］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、基板２４の面内方向のスピン回転子１８の断面形状が楕円形状である例を示したが、これに限定されない。スピン回転子１８の基板の面内方向の断面形状は、当該形状の外郭線における第２軸Ｌ２に交差する方向に最も離間した２点間の距離よりも、当該形状の外郭線における第２軸Ｌ２方向に最も離間した２点間の距離の方が長くてもよい。なお、第２軸Ｌ２と交差する方向は、第２軸Ｌ２と直交する方向であってもよい。形状磁気異方性により、第２軸Ｌ２方向に磁気モーメントＭが向きやすくなるため、反転過程の磁気モーメントＭの向きを制御することができる。このため、第２軸Ｌ２を一方向に特定することができるので、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態を容易に検知することができる。

［変形例３］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、単位体積あたりの磁気モーメントの総和である磁化として磁気モーメントＭの反転を検出する場合を示したが、これに限定されない。例えば、スピン回転子１８の局所的な磁気モーメントＭを観測してもよい。この場合、例えば、スピン回転子１８の局所磁化を用いて磁気モーメントＭの反転を検出することができる。

［変形例４］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、スピン回転子１８が垂直磁気異方性を有する例を示したが、これに限定されない。例えば、スピン回転子１８は、面内磁気異方性を有していてもよい。この場合、第１軸Ｌ１が基板２４の面内方向となる。このとき、スピン注入子１４は基板２４の面内方向に向いた磁気モーメントを有している。また、スピン注入子１４とスピン回転子１８とが面内方向に磁化を有している場合、生成部３０が備える固定層３４は、面直方向と平行又は反平行に磁気モーメントが固定されている。このように構成すると、スピン回転子１８の磁気モーメントの向きと固定層３４の磁気モーメントの向きとに依存して、スピン回転子１８と固定層３４との間の抵抗値が変化する。よって、生成部３０が備える取得部３６は、スピン回転子１８の磁気モーメントが第１軸Ｌ１の一方を向いた状態から第１軸Ｌ１の他方を向いた状態へ反転する際に、スピン回転子１８の磁気モーメントが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態を検出することができる。

［変形例５］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、生成部３０がスピン回転子１８をいわゆるスピンバルブ素子のフリー層として機能させることで、磁気モーメントＭの向きを検出する例を示したが、これに限定されない。例えば、生成部３０は、磁気光学効果を用いて磁気モーメントＭの向きを検出してもよい。あるいは、スピン回転子１８の磁気モーメントＭが第２軸Ｌ２に沿って向いた状態となったときの漏洩磁場を検出してもよい。例えば、生成部３０は、磁気ヘッドなどに用いられる周知の漏洩磁場検出部を有し、当該検出部をスピン回転子１８の周囲に配置すればよい。当該検出部は、スピン回転子１８の漏洩磁場が伝達される範囲に配置されればよく、例えば、スピン回転子１８から数１０ｎｍ以下の範囲に配置される。

［変形例６］
実施形態に係るパルス生成装置１０は、基板２４上に積層・エッチングなどを行うことにより製造されてもよい。この場合、従来の半導体技術で容易に製造可能である。また、非磁性金属のスピン拡散長は、室温において数１００ｎｍ程度であるのに対して、半導体はスピン拡散長が１桁以上長い。このため、チャネル部１２を半導体材料で形成することにより、スピン注入子１４とスピン回転子１８とを他の非磁性体を採用した場合に比べて離間させて形成することができる。したがって、他の非磁性材料を採用した場合に比べて製造工程において厳密な加工精度が要求されることがなく、容易にパルス生成装置１０を作成することが可能となる。

［変形例７］
パルス生成装置１０は、例えば、発振器の一部品（発振器用の部品）として利用することもできる。パルス生成装置１０は、パルスの生成を連続的に行うことで発振器の一部品として利用され得る。パルス生成装置１０を用いた発振器は、例えば、２つの磁気モーメントの向きが一致したときにだけ電流が流れる磁気抵抗効果を利用してもよい。スピン回転子１８と非磁性体部材を介して接触させた強磁性体の磁気モーメントの向きと、スピン回転子１８の磁気モーメントとの向きとを利用した磁気抵抗効果により、スピン回転子１８の回転数に応じて発振させる構造としてもよい。

［変形例８］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、スピン注入子１４、スピン回転制御部１６及びスピン回転子１８は、チャネル部１２と直接接合されている例を示したが、スピン注入子１４、スピン回転制御部１６及びスピン回転子１８の少なくとも１つが、チャネル部１２と絶縁層を介して接合されていてもよい。このように構成した場合であっても、パルス生成装置１０として機能させることができる。

［変形例９］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、スピン注入子１４及びスピン回転子１８がチャネル部１２よりも上方に配置される例を示したが、スピン注入子１４及びスピン回転子１８は、チャネル部１２と少なくとも一部が接触した状態となっていれば、どのように配置されていてもよい。すなわち、スピン注入子１４及びスピン回転子１８は、チャネル部１２の側方に配置されてもよい。また、スピン回転子１８の幅はチャネル部１２の線幅以上であってもよい。

［変形例１０］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、面内方向に流れるスピン流を用いて磁化反転を行う例を示したが、これに限定されない。例えば、面直方向に磁化を有する強磁性トンネル接合を構成した部材に対して面直方向に電流を流すことにより、スピントランスファートルクを用いた磁化反転を実現してもよい。

［変形例１１］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、いわゆる非局所手法によって電荷の流れを伴わないスピン流を発生させてスピン回転子１８を回転させる例を示したが、これに限定されない。スピン回転子１８に近いチャネル部１２の端部に電流印加用の端子部１２ａを形成し、端子部１４ａから端子部１２ａへ流れる電流を生じさせることにより、チャネル部１２にスピン流を発生させ、スピン回転子１８を回転させてもよい。すなわち、いわゆる局所手法によって電荷の流れを伴うスピン流をチャネル部１２に発生させてスピン回転子１８の磁気モーメントを回転させてもよい。この場合、非局所手法の場合に比べて電流密度を大きくすることができるため、スピントルクを大きくすることが可能となる。よって、効率良くスピン回転子１８の磁気モーメントを回転させることができる。

［変形例１２］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、一つのパルス生成装置によりパルスが生成されることを示したが、これに限定されない。例えば、パルス生成装置１０を複数配列し、連続してパルス波形が生成される構成を採用してもよい。この場合、連続したパルスは、複数のパルス生成装置１０が有する生成部３０のそれぞれにより検出されてもよく、複数のパルス生成装置１０が共通の生成部３０により検出されてもよい。このように構成すると、連続するパルスを生成することができるため、電子回路の同期信号として用いることができる。

［変形例１３］
実施形態に係るパルス生成装置１０として、パルス生成装置１０の各構成部材の大きさがナノオーダーの部材である場合も含むように説明しているが、各構成部材の大きさをマイクロオーダーで形成し、マイクロスケールのパルス生成装置としてもよい。

パルス生成装置１０は、産業上、以下のような利用可能性を有している。パルス生成装置１０は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）又は、ＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）などの分野におけるパルス生成装置として利用することができる。また、パルス生成装置１０は、例えば電子分野、電気分野、及び医療関係分野における機器部品として使用できる。パルス生成装置１０は、半導体装置に内蔵することができる。

１０…パルス生成装置、１２…チャネル部、１４…スピン注入子、１６…スピン回転制御部、１８…スピン回転子、２０…半導体層、２２…二次元電子ガス層、２４…基板、３０…生成部、３２…中間層、３４…固定層、３６…取得部、Ｌ１…第１軸、Ｌ２…第２軸、Ｍ…磁気モーメント。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられ、強磁性体からなるスピン注入子と、
   前記基板上に設けられ、強磁性体からなり、第１軸の方向が磁化容易軸となる磁気異方性を有するスピン回転子と、
   前記スピン注入子及び前記スピン回転子と直接又は絶縁層を介して接合された非磁性体からなるチャネル部と、
   前記スピン回転子の磁気モーメントが前記第１軸の一方を向いた状態から前記第１軸の他方を向いた状態へ反転する際に、前記スピン回転子の前記磁気モーメントが前記第１軸と直交する第２軸に沿って向いた状態を検出することによって、パルスを生成する生成部と、
   を備えるパルス生成装置。
2. 前記スピン回転子の前記基板の面内方向の断面形状は、当該形状の外郭線における前記第２軸に交差する方向に最も離間した２点間の距離よりも、当該形状の外郭線における前記第２軸の方向に最も離間した２点間の距離の方が長い、請求項１に記載のパルス生成装置。
3. 前記スピン回転子は、前記基板の面内方向の断面形状が楕円形状であり、
   前記第２軸は、前記楕円形状の長軸である、請求項１又は２に記載のパルス生成装置。
4. 前記スピン注入子は、前記第１軸と平行な方向に磁化を有する、請求項１〜３の何れか一項に記載のパルス生成装置。
5. 前記第１軸は、前記基板の面直方向である、請求項１〜４の何れか一項に記載のパルス生成装置。
6. 前記生成部は、前記スピン回転子の磁気モーメントが前記第２軸に沿って向いた状態となったときの漏洩磁場を検出する請求項１〜５の何れか一項に記載のパルス生成装置。
7. 前記生成部は、
   前記スピン回転子に接して設けられ、非強磁性金属又は絶縁体からなる中間層と、
   前記中間層に接して設けられ、前記第２軸に沿った方向に磁気モーメントが固定された固定層と、
   前記スピン回転子と前記固定層との間に流れる電流又は前記スピン回転子と前記固定層との間に生じる電圧を取得する取得部と、
   を備える請求項１〜５の何れか一項に記載のパルス生成装置。

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