JP6450390B2 - Storage medium, recording device, data processing device, data recording device, and communication device - Google Patents

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Description

本発明は、スキルミオンを生成可能な薄層状の磁性体記憶媒体を用いた記憶媒体、当該記憶媒体を用いた記録装置、および当該記録装置を搭載したデータ処理装置、データ記録装置および通信装置に関する。   The present invention relates to a storage medium using a thin-layered magnetic storage medium capable of generating skyrmions, a recording apparatus using the storage medium, and a data processing apparatus, a data recording apparatus, and a communication apparatus equipped with the recording apparatus. .

磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。当該磁気素子は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素として機能するナノスケールの磁気構造を有する。当該磁気構造は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度が増している。   Magnetic elements that use the magnetic moment of a magnetic material as digital information are known. The magnetic element has a nanoscale magnetic structure that functions as an element of a non-volatile memory that does not require power when holding information. The magnetic structure is expected to be applied as a large-capacity information storage medium because of its advantages such as ultra-high density due to the nanoscale magnetic structure, and its importance is increasing as a memory device of an electronic device.

大容量記録装置としてのハードディスクに対する記憶量の要求もとどまるところを知らない。数百ギガから数テラビットまでと、ハードディスクその記憶容量は増加の一途である。現在、ハードディスクの記憶ビットを担う磁気ドメインのサイズは数100nmレベルまで微小化しつつある。   I don't know where the demand for the storage capacity of a hard disk as a large-capacity recording device is limited. From hundreds of gigabits to several terabits, the storage capacity of hard disks is increasing. At present, the size of the magnetic domain that bears the storage bit of the hard disk is becoming smaller to several hundred nm level.

こうした状況下で、本願の発明者らは、外部磁場のもとでカイラル磁性体にスキルミオン磁気構造をもつ材料を見出し、この磁気構造体を用いた記憶媒体を提案した(特許文献1)。   Under such circumstances, the inventors of the present application have found a material having a skyrmion magnetic structure in a chiral magnetic body under an external magnetic field, and proposed a storage medium using this magnetic structure (Patent Document 1).

スキルミオンは、中心部に印加した磁場に対して反平行の磁気モーメントを有し、周辺部においては印加した磁場に対して平行な磁気モーメントを有する、渦巻状の磁気構造を備えている。   The skyrmion has a spiral magnetic structure having a magnetic moment antiparallel to the magnetic field applied to the central portion and having a magnetic moment parallel to the applied magnetic field in the peripheral portion.

スキルミオンは、直径が1〜100nmのナノスケールサイズの磁気構造を有する。それゆえ、膨大なビット情報を極細密化して記憶できる大容量記憶媒体として応用することが期待されている。また、スキルミオンは、磁場により生成、消去の可能性をもつ磁気構造体でもある。   Skyrmions have a nanoscale-sized magnetic structure with a diameter of 1 to 100 nm. Therefore, it is expected to be applied as a large-capacity storage medium that can store a large amount of bit information in an extremely fine manner. Skyrmions are also magnetic structures that can be generated and erased by a magnetic field.

こうした特徴から、スキルミオン記憶媒体は、要求される記憶容量が増加の一途をたどるデータ記憶媒体およびデータ記録装置の性能限界にブレークスルーを与える技術の根幹を担うものとして期待されている。   Because of these characteristics, the skyrmion storage medium is expected to play a fundamental role in the technology that gives a breakthrough to the performance limits of data storage media and data recording apparatuses that are constantly increasing in required storage capacity.

ハードディスクの記憶媒体の高密度化に対する要求から、磁気情報を記録する磁性体ドットが非磁性体によって区分けされた磁性体ドットを用いる、ビットパターンドメディア技術が提案されている(特許文献2)。ビットパターンドメディア技術を用いると高価なホトリソグラフィ装置を用いることなく、低コストの製造方法で非磁性体によって区分けされた磁性体ドットが数10nmのピッチで形成可能になる。   In order to meet the demand for high-density storage media of hard disks, a bit patterned media technique using magnetic dots in which magnetic dots for recording magnetic information are divided by non-magnetic materials has been proposed (Patent Document 2). When bit patterned media technology is used, magnetic dots separated by non-magnetic material can be formed at a pitch of several tens of nanometers by a low-cost manufacturing method without using an expensive photolithography apparatus.

図13は、ビットパターンメディア技術を使って作製した、磁性体ドットパターン612を有するハードディスク600の一部を示す図である。1つの磁性体ドットパターン612が二値の磁気情報を記憶する単位である。非磁性体は、軟磁性体604上において、磁性体ドットパターン612を囲む。なお、図13において、非磁性体の形状、および、非磁性体と磁性体ドットパターンとの境界については、図13において明示していない。ハードディスク600は、一定のピッチの磁性体ドットパターン612を有する。磁性体ドットパターン612は、ディスク上の記録トラック602を構成する。   FIG. 13 is a diagram showing a part of a hard disk 600 having a magnetic dot pattern 612 manufactured using the bit pattern media technology. One magnetic dot pattern 612 is a unit for storing binary magnetic information. The nonmagnetic material surrounds the magnetic dot pattern 612 on the soft magnetic material 604. In FIG. 13, the shape of the non-magnetic material and the boundary between the non-magnetic material and the magnetic dot pattern are not clearly shown in FIG. The hard disk 600 has a magnetic dot pattern 612 having a constant pitch. The magnetic dot pattern 612 constitutes a recording track 602 on the disk.

各磁性体ドットパターン612は、なるべく低磁界で磁性体ドットパターンの磁気モーメントの向きを所望の向きに制御することが望まれる。また、一旦磁気モーメントの向きが定まったら、外乱に対して磁気モーメントの向きが保持できる特性が必要である。この目的の為に、磁性体ドットパターン612は、上部軟磁性体616と下部硬磁性体614との積層構造を有し、かつ、非磁性体がその周囲を囲む構造とする。   Each magnetic dot pattern 612 is desired to control the direction of the magnetic moment of the magnetic dot pattern to a desired direction with a magnetic field as low as possible. Further, once the direction of the magnetic moment is determined, it is necessary to have a characteristic that can maintain the direction of the magnetic moment against disturbance. For this purpose, the magnetic dot pattern 612 has a laminated structure of an upper soft magnetic body 616 and a lower hard magnetic body 614 and a structure in which a nonmagnetic body surrounds the periphery.

上部軟磁性体616においては、磁気ヘッドから発生する磁界に容易に応答して、その磁気モーメントは揃う。これに伴い、下部硬磁性体614の磁気モーメントは、上部軟磁性体616と下部硬磁性体614との界面での磁気交換相互作用により、上部軟磁性体616の磁気モーメントの方向に向く。下部硬磁性体614の磁気モーメントは、外部の熱ゆらぎには簡単には応答しない安定性を保持できる程度の体積を有する。それゆえ、磁性体ドットパターン612は、磁気モーメントを保持する。このようにして大規模化要求を満たす記憶媒体を実現する。   The upper soft magnetic body 616 easily responds to the magnetic field generated from the magnetic head, and its magnetic moment is aligned. Accordingly, the magnetic moment of the lower hard magnetic body 614 is directed toward the magnetic moment of the upper soft magnetic body 616 by magnetic exchange interaction at the interface between the upper soft magnetic body 616 and the lower hard magnetic body 614. The magnetic moment of the lower hard magnetic body 614 has a volume that can maintain stability that does not easily respond to external thermal fluctuations. Therefore, the magnetic dot pattern 612 holds a magnetic moment. In this way, a storage medium that satisfies the demand for large scale is realized.

しかし、記録密度向上のために、相互に隣接する記録トラック602間のピッチは狭くなる傾向にある。その結果、書き込みヘッドの記録磁界の漏れ磁界が、書き込み対象の記録トラック602‐1に隣接する他の記録トラック602‐2のデータを消去するというサイドイレーズ(side erase)の問題が生じる。積層構造の磁性体ドットは上部軟磁性体616を有するので、比較的容易に小さい記録磁界で磁化が反転する。それゆえ、書き込み対象の記録トラック602‐1に隣接する他の記録トラック602‐2の磁性体ドットパターン612の磁気情報が消失する問題が生じ得る。さらに、磁性体ドットパターン612を記録トラック602のトラック方向にも微細化するに従い、トラック方向においてもサイドイレーズが発生する問題がある。   However, in order to improve the recording density, the pitch between the recording tracks 602 adjacent to each other tends to be narrow. As a result, there arises a side erase problem that the leakage magnetic field of the recording magnetic field of the write head erases the data of the other recording track 602-2 adjacent to the recording track 602-1 to be written. Since the magnetic dot of the laminated structure has the upper soft magnetic body 616, the magnetization is reversed relatively easily with a small recording magnetic field. Therefore, there may be a problem that the magnetic information of the magnetic dot pattern 612 of the other recording track 602-2 adjacent to the recording track 602-1 to be written is lost. Further, as the magnetic dot pattern 612 is miniaturized also in the track direction of the recording track 602, there is a problem that side erasure occurs in the track direction.

また、磁性体ドットパターン612のサイズを小さくして記録密度を向上させる要求に従い、下部硬磁性体614の体積も小さくなる傾向にある。下部硬磁性体614の磁気モーメントを保持するエネルギーは、自身の体積に比例した磁気モーメントの保持力しかない。磁性体ドットパターン612の体積を減少させていくと、下部硬磁性体614の磁気モーメントはやがて熱揺らぎに抗することができなくなる。これにより、磁気モーメントが反転してしまう不良も発生する。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]特開2014−086470
[特許文献2]特開2013−196747
[非特許文献]
[非特許文献1]永長 直人、十倉 好紀、"Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions"、Nature Nanotechnology、英国、Nature Publishing Group、2013年12月4日、Vol.8、p899−911.
In addition, the volume of the lower hard magnetic body 614 tends to be reduced in accordance with the demand for increasing the recording density by reducing the size of the magnetic dot pattern 612. The energy for holding the magnetic moment of the lower hard magnetic body 614 has only the holding force of the magnetic moment proportional to its own volume. As the volume of the magnetic dot pattern 612 is reduced, the magnetic moment of the lower hard magnetic body 614 will eventually be unable to resist thermal fluctuations. Thereby, the defect that a magnetic moment reverses also arises.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-086470
[Patent Document 2] JP 2013-196747 A
[Non-patent literature]
[Non-Patent Document 1] Naoto Naga Nagato, Yoshinori Tokura, “Topological properties and dynamics”, Nature Nanotechnology, United Kingdom, Nature Publishing Group, 12th month, 12th month. 8, p899-911.

磁気記憶媒体であるハードディスク600において、磁性体ドットパターン612は高密度化することが要求されている。そこで、高密度化した磁性体ドットパターン612を有するハードディスク600において、サイドイレーズを防止する。   In the hard disk 600 that is a magnetic storage medium, the magnetic dot pattern 612 is required to have a high density. Therefore, side erasure is prevented in the hard disk 600 having the magnetic dot pattern 612 with high density.

本発明の第1の態様においては、スキルミオンの生成及び消去が可能な薄層状の磁性体と、薄層状の磁性体を囲む非磁性体と、磁性体の第1面に対向して、磁性体の第1面に第1磁場を印加可能である磁場発生部とを備え、薄層状の磁性体の平面の大きさが、幅をW、高さをhとすると、薄層状の磁性体に生成するスキルミオンの直径λに対し、2λ>W>0.5・λ、かつ、2λ>h>0.5・λとなるサイズを有する、記憶媒体を提供する。In the first aspect of the present invention, a thin-layered magnetic body capable of generating and erasing skyrmions, a non-magnetic body surrounding the thin-layered magnetic body, and a magnetic surface facing the first surface of the magnetic body and a magnetic field generating unit to the first surface of the body is capable of applying a first magnetic field, the size of the plane of the magnetic thin layer is, width W m, if the height and h m, magnetic laminar Provided is a storage medium having a size of 2λ> W m > 0.5 · λ and 2λ> h m > 0.5 · λ with respect to a diameter λ of skyrmions generated in the body.

また、本発明の第2の態様においては、記憶媒体と、磁気ヘッドとを備え、磁気ヘッドは、薄層状の磁性体の第1面とは反対の面である第2面に対向して、第2面に第2磁場を印加可能であるコイル部を含み、コイル部にパルス電流を流すことができる電流回路と、磁気ヘッドを移動することができる駆動部とを有する、記録装置を提供する。   The second aspect of the present invention includes a storage medium and a magnetic head, and the magnetic head is opposed to a second surface that is opposite to the first surface of the thin-layered magnetic material, Provided is a recording apparatus that includes a coil unit that can apply a second magnetic field to a second surface, and that has a current circuit that allows a pulse current to flow through the coil unit and a drive unit that can move a magnetic head. .

また、本発明の第3の態様においては、記録装置を搭載したデータ処理装置を提供する。   Moreover, in the 3rd aspect of this invention, the data processing apparatus carrying a recording device is provided.

また、本発明の第4の態様においては、記録装置を搭載したデータ記録装置を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, a data recording apparatus equipped with a recording apparatus is provided.

また、本発明の第5の態様においては、記録装置を搭載した通信装置を提供する。   According to a fifth aspect of the present invention, a communication device equipped with a recording device is provided.

磁性体32中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオン40の一例を示す模式図である。4 is a schematic diagram showing an example of a skyrmion 40 that is a nanoscale magnetic structure of a magnetic moment in a magnetic body 32. FIG. ヘリシテイγが異なるスキルミオン40を示す図である。It is a figure which shows the skyrmion 40 from which helicity γ differs. 磁気ディスク10および磁気ヘッド20を備えるスキルミオン40の記録装置100を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a recording device 100 of a skillion 40 that includes a magnetic disk 10 and a magnetic head 20. FIG. スキルミオン40の生成のシミュレーション条件である、カイラル磁性体の磁気相図を示す図である。It is a figure which shows the magnetic phase diagram of a chiral magnetic body which is the simulation conditions of the production | generation of a skillion 40. スキルミオン40の生成のシミュレーション条件である、磁性体32の端部領域Aの磁場強度Hの時間依存性を示す図である。It is a simulation condition of generation of skyrmion 40 is a diagram showing the time dependence of the magnetic field strength H a end region A of the magnetic member 32. スキルミオン40の生成のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the production | generation of skill meon 40. FIG. 複数の磁性体32のドットと磁場印加領域Bとの関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the dot of several magnetic body 32, and the magnetic field application area | region B. FIG. スキルミオン40の消去のシミュレーション条件である、カイラル磁性体の磁気相図および磁性体32の端部領域Aでの磁場強度Hの時間依存性を示す図である。Is a simulation condition of erasing skyrmion 40 is a diagram showing the time dependence of the magnetic field strength H a at the end regions A of the magnetic phase diagram and the magnetic member 32 of a chiral magnetic material. スキルミオン40の消去のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of erasure | elimination of the skillion 40. データ処理装置300を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing a data processing device 300. FIG. データ記録装置400を示す模式図である。3 is a schematic diagram showing a data recording apparatus 400. FIG. 通信装置500の構成例を示す模式図である。3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a communication device 500. FIG. ビットパターンメディア技術を使って作製した、磁性体ドットパターン612を有するハードディスク600の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of hard disk 600 which has the magnetic body dot pattern 612 produced using the bit pattern media technique.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明している特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution means of the invention.

スキルミオンを生成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋上に回転する磁気秩序相を伴う磁性体である。外部磁場を印加することにより、カイラル磁性体はスキルミオンが存在する状態を経て強磁性相となる。   An example of a magnetic material that can generate skyrmions is a chiral magnetic material. A chiral magnetic body is a magnetic body with a magnetic ordered phase in which the magnetic moment arrangement when no external magnetic field is applied rotates on a spiral with respect to the direction of travel of the magnetic moment. By applying an external magnetic field, the chiral magnetic material becomes a ferromagnetic phase through a state in which skyrmions exist.

図1は、磁性体32中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン40の一例を示す模式図である。図1において、各矢印は、スキルミオン40における磁気モーメントの向きを示す。x軸およびy軸は互いに直交する軸であり、z軸はxy平面に直交する軸である。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a skyrmion 40 that is a nanoscale magnetic structure in the magnetic body 32. In FIG. 1, each arrow indicates the direction of the magnetic moment in the skyrmion 40. The x axis and the y axis are axes orthogonal to each other, and the z axis is an axis orthogonal to the xy plane.

磁性体32は、x‐y平面に平行な平面を有する。磁性体32の当該平面上に配置されたあらゆる向きを向く磁気モーメントは、スキルミオン40を構成する。本例では、磁性体32に印加する磁場の向きはプラスz方向である。この場合に、本例のスキルミオン40の最外周の磁気モーメントは、プラスz方向に向く。   The magnetic body 32 has a plane parallel to the xy plane. A magnetic moment directed in any direction arranged on the plane of the magnetic body 32 constitutes the skyrmion 40. In this example, the direction of the magnetic field applied to the magnetic body 32 is the plus z direction. In this case, the magnetic moment on the outermost periphery of the skillion 40 of this example is directed in the plus z direction.

スキルミオン40において磁気モーメントは最外周から内側へ向けて渦巻状に回転していくように配置される。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い徐々にプラスz方向からマイナスz方向へ向きを変える。   In the skyrmion 40, the magnetic moment is arranged so as to rotate in a spiral shape from the outermost periphery to the inside. Further, the direction of the magnetic moment gradually changes from the plus z direction to the minus z direction with the spiral rotation.

スキルミオン40は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン40は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン40が存在する磁性体32が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン40を構成する磁気モーメントはその厚さ方向では同じ向きである。すなわち板の深さ方向(z方向)には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。スキルミオン40の直径λとは、スキルミオン40の最外周の直径を指す。本例において最外周とは、図1に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。   In the skyrmion 40, the direction of the magnetic moment is continuously twisted between the center and the outermost periphery. That is, the skyrmion 40 is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure of magnetic moment. When the magnetic body 32 in which the skyrmion 40 exists is a thin plate-like solid material, the magnetic moment constituting the skyrmion 40 has the same direction in the thickness direction. That is, the plate has a magnetic moment in the same direction from the front surface to the back surface in the depth direction (z direction). The diameter λ of the skillion 40 refers to the diameter of the outermost periphery of the skillion 40. In this example, the outermost periphery refers to the circumference of a magnetic moment that faces the same direction as the external magnetic field shown in FIG.

スキルミオン数Nskは、渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン40を特徴づける。スキルミオン数は、以下の[数1]及び[数2]で表現することができる。[数2]において、磁気モーメントとz軸との極角Θ(r)はスキルミオン40の中心からの距離rの連続関数である。極角Θ(r)は、rを0から∞まで変化させたとき、πからゼロまでまたはゼロからπまで変化する。   The skyrmion number Nsk characterizes the skyrmion 40, which is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure. The number of skyrmions can be expressed by the following [Equation 1] and [Equation 2]. In [Formula 2], the polar angle Θ (r) between the magnetic moment and the z-axis is a continuous function of the distance r from the center of the skyrmion 40. The polar angle Θ (r) changes from π to zero or from zero to π when r is changed from 0 to ∞.

[数1]

Figure 0006450390
[Equation 1]
Figure 0006450390

[数2]

Figure 0006450390
[Equation 2]
Figure 0006450390

[数1]において、n(r)は、位置rにおけるスキルミオン40の磁気モーメントである。[数2]において、mはボルテシテイ、γはヘリシテイである。[数1]および[数2]から、Θ(r)がrをから∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときNsk=−mとなる。   In [Equation 1], n (r) is the magnetic moment of skyrmion 40 at position r. In [Expression 2], m is a voltility, and γ is a helicity. From [Equation 1] and [Equation 2], when Θ (r) changes r from ∞ to ∞ and changes from π to zero, Nsk = −m.

図2は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン40を示す模式図である。特に、スキルミオン数Nsk=−1の場合の一例を図2に示す。図2(E)は、磁気モーメントnの座標のとりかた(右手系)を示す。なお、右手系であるので、n軸およびn軸に対してn軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。図2(A)から図2(E)において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。FIG. 2 is a schematic diagram showing skyrmions 40 having different helicities γ. In particular, FIG. 2 shows an example in the case where the number of skirmions Nsk = −1. FIG. 2E shows how to coordinate the magnetic moment n (right-handed system). Since a right-handed, n z axis relative to n x axis and n y axis, taken from the rear of the sheet in front of the orientation. 2A to 2E, the shading indicates the direction of the magnetic moment.

図2(E)における円周上の濃淡で示す磁気モーメントは、n−n平面上の向きを有する。これに対して、図2(E)における円中心の最も薄い濃淡(白)で示す磁気モーメントは、紙面の裏から手前の向きを有する。円周から中心までの間の各位置の濃淡で示す磁気モーメントのn軸に対する角度は、中心からの距離に応じてπからゼロととる。図2(A)から図2(D)における各磁気モーメントの向きは、図2(E)において同一の濃淡で示す。なお、図2(A)から図2(D)におけるスキルミオン40の中心のように、最も濃い濃淡(黒)で示す磁気モーメントは、紙面手前から紙面の裏への向きを有する。図2(A)から図2(D)における各矢印は、磁気構造体の中心から所定の距離における磁気モーメントを示す。図2(A)から図2(D)に示す磁気構造体は、スキルミオン40と定義できる状態にある。Magnetic moments indicated by shading on the circumference in FIG. 2 (E) has the direction of the n x -n y plane. On the other hand, the magnetic moment shown by the thinnest shading (white) at the center of the circle in FIG. 2E has a direction from the back of the paper to the front. The angle with respect to the nz axis of the magnetic moment shown by the shading of each position between the circumference and the center is taken from π to zero according to the distance from the center. The direction of each magnetic moment in FIGS. 2A to 2D is indicated by the same shading in FIG. 2A to 2D, the magnetic moment indicated by the darkest shade (black) has a direction from the front of the paper to the back of the paper. Each arrow in FIG. 2 (A) to FIG. 2 (D) indicates a magnetic moment at a predetermined distance from the center of the magnetic structure. The magnetic structure shown in FIGS. 2A to 2D can be defined as skyrmion 40.

図2(A)(γ=0)において、スキルミオン40の中心から所定の距離における濃淡は、図2(E)の円周上の濃淡と一致している。このため、図2(A)において矢印で示した磁気モーメントの向きは、中心から外側に放射状に向いている。図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(B)(γ=π)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを180°回転した向きである。図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(C)(γ=−π/2)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを−90度(右回りに90度)回転した向きである。   In FIG. 2A (γ = 0), the shading at a predetermined distance from the center of the skyrmion 40 matches the shading on the circumference of FIG. For this reason, the direction of the magnetic moment indicated by the arrow in FIG. 2A is radially outward from the center. 2A (γ = 0) with respect to the magnetic moments in FIG. 2B (γ = π), the magnetic moments in FIG. 2A are rotated by 180 °. The direction. 2A (γ = 0), the direction of each magnetic moment in FIG. 2C (γ = −π / 2) is the same as that in FIG. 2A. The direction is rotated 90 degrees (90 degrees clockwise).

図2(A)(γ=0)の各磁気モーメントに対して、図2(D)(γ=π/2)の各磁気モーメントの向きは、図2(A)の各磁気モーメントを90度(左回りに90度)回転した向きである。なお、図2(D)に示すヘリシテイγ=π/2のスキルミオンが、図1のスキルミオン40に相当する。   The direction of each magnetic moment in FIG. 2D (γ = π / 2) is 90 degrees with respect to each magnetic moment in FIG. 2A (γ = 0). The direction is rotated 90 degrees counterclockwise. 2 is equivalent to the skillion 40 of FIG. 1. The skillion of γ = π / 2 shown in FIG.

図2(A)〜(D)に図示した4例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー的には同一の磁気構造体である。図2(A)〜(D)の構造を有するスキルミオンは、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体32中で情報伝達を担うキャリアとして働く。   The four examples shown in FIGS. 2A to 2D appear to be different in magnetic structure, but are topologically identical. The skyrmions having the structures shown in FIGS. 2A to 2D exist stably once generated, and function as carriers that transmit information in the magnetic body 32 to which an external magnetic field is applied.

図3は、磁気ディスク10および磁気ヘッド20を備えるスキルミオン40の記録装置100を示す模式図である。スキルミオン40の記憶媒体としての磁気ディスク10は、スキルミオン40が生成および消去が可能な薄層状の磁性体32を有する。磁性体32の周囲には、薄層状の磁性体32を囲む非磁性体を設ける。なお、非磁性体の形状、および、非磁性体と磁性体32との境界については、図3において明示していない。非磁性体は、磁性体32の二次元平面である第1面34と第2面36との間の端部を少なくとも囲む。非磁性体は、磁性体32の端部に加えて、第1面34および/または第2面36に接してさらに設けられてもよい。   FIG. 3 is a schematic diagram showing the recording device 100 of the skillion 40 including the magnetic disk 10 and the magnetic head 20. The magnetic disk 10 as a storage medium of the skillion 40 has a thin layered magnetic body 32 that can be generated and erased by the skillion 40. A nonmagnetic material surrounding the thin magnetic material 32 is provided around the magnetic material 32. Note that the shape of the nonmagnetic material and the boundary between the nonmagnetic material and the magnetic material 32 are not explicitly shown in FIG. The nonmagnetic material at least surrounds an end portion between the first surface 34 and the second surface 36 which is a two-dimensional plane of the magnetic material 32. The nonmagnetic material may be further provided in contact with the first surface 34 and / or the second surface 36 in addition to the end of the magnetic material 32.

薄層状の磁性体32は、z方向の長さに対して相対的に大きく、x‐y方向に広がった矩形形状の平面を有する。磁性体32は、マイナスz方向の表面である第1面34と、プラスz方向の表面である第2面36とを有する。なお、本明細書において、磁性体32のz方向における長さを磁性体32の厚みと称する。磁性体32は、スキルミオン40の直径λの10倍以下程度の厚みを有してよい。磁性体32は、厚さが500nm以下である薄層状の磁性体材料であってよい。   The thin-layered magnetic body 32 has a rectangular plane that is relatively large with respect to the length in the z direction and extends in the xy direction. The magnetic body 32 has a first surface 34 that is a surface in the minus z direction and a second surface 36 that is a surface in the plus z direction. In the present specification, the length of the magnetic body 32 in the z direction is referred to as the thickness of the magnetic body 32. The magnetic body 32 may have a thickness of about 10 times or less the diameter λ of the skyrmion 40. The magnetic body 32 may be a thin layered magnetic material having a thickness of 500 nm or less.

また、本明細書において、磁性体32のx方向における長さを磁性体32の幅と称し、磁性体32のy方向における長さを磁性体32の高さと称する。薄層状の磁性体32の幅をWとし、高さをhとする。本例では、磁性体32のx‐y平面における大きさは、生成するスキルミオン40の直径λに対し、幅:2λ>W>0.5・λ、かつ、高さ:2λ>h>0.5・λとなるサイズを有する。上記の幅および高さの数値範囲は、単一のスキルミオン40を薄層状の磁性体32に生成するために最適化した数値範囲である。In this specification, the length of the magnetic body 32 in the x direction is referred to as the width of the magnetic body 32, and the length of the magnetic body 32 in the y direction is referred to as the height of the magnetic body 32. The width of the magnetic material 32 of the thin layer and W m, the height and h m. In this example, the size of the magnetic body 32 in the xy plane is such that the width: 2λ> W m > 0.5 · λ and the height: 2λ> h m with respect to the diameter λ of the generated skyrmion 40. > 0.5 · λ. The numerical ranges of the width and the height described above are numerical ranges optimized to generate a single skyrmion 40 in the thin-layered magnetic body 32.

記録装置100において、複数個の薄層状の磁性体32を、同一平面上に配置する。図3においては、1つのトラックにおける2つの磁性体32だけを図示している。しかしながら、実際の磁気ディスク10は、複数のトラックを有し、各トラックは複数の磁性体32を有する。   In the recording apparatus 100, a plurality of thin layered magnetic bodies 32 are arranged on the same plane. FIG. 3 shows only two magnetic bodies 32 in one track. However, the actual magnetic disk 10 has a plurality of tracks, and each track has a plurality of magnetic bodies 32.

薄層状の磁性体32は、MBE(Molecular Beam Epitaxy)またはスパッター等の技術を用いて形成してよい。本明細書の例において、磁性体32はカイラル磁性体である。磁性体32は、FeGeまたはMnSi等により形成してよい。また、磁性体32は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料からなる積層構造のいずれかからなるものであってよい。   The thin layered magnetic body 32 may be formed using a technique such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or sputtering. In the example of this specification, the magnetic body 32 is a chiral magnetic body. The magnetic body 32 may be formed of FeGe or MnSi. The magnetic body 32 may be formed of any one of a chiral magnetic body, a dipole magnetic body, a frustrated magnetic body, or a laminated structure made of a magnetic material and a nonmagnetic material.

磁気ディスク10は、薄層状の磁場発生部50を有する。薄層状の磁場発生部50は、磁性体32の第1面34に対向する。薄層状の磁場発生部50は、磁性体32の第1面34に対して第1磁場を印加する。当該第1磁場は、例えば磁性体32を強磁性状態とする磁場強度を有する、プラスz方向の磁場である。磁場発生部50は、ヘキサフェライト、GGG(Gadolinium Gallium Garnet)、YIG(Yttrium Iron Garnet)、または、希土類磁石などの強磁性体であってよい。なお、本例においては1つの薄層状の磁場発生部50を用いるが、これに限らず、複数の磁場発生部50を用いることもできる。   The magnetic disk 10 has a thin layered magnetic field generator 50. The thin-layered magnetic field generator 50 faces the first surface 34 of the magnetic body 32. The thin-layer magnetic field generator 50 applies a first magnetic field to the first surface 34 of the magnetic body 32. The first magnetic field is, for example, a magnetic field in the plus z direction having a magnetic field strength that makes the magnetic body 32 in a ferromagnetic state. The magnetic field generation unit 50 may be a ferromagnetic material such as hexaferrite, GGG (Gadolinium Gallium Garnet), YIG (Yttrium Iron Garnet), or a rare earth magnet. In this example, one thin-layer magnetic field generator 50 is used. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of magnetic field generators 50 can also be used.

磁気ディスク10は、磁場発生部50と複数の磁性体32とを有する。磁場発生部50は、磁性体32の磁気モーメントの向きを同一方向に決定づける。磁場発生部50が磁性体32に対して定常的に磁場を印加する点は、現在既知である軟磁性体および強磁性体からなる積層構造の磁性体ドットパターンを用いたハードディスクメモリ(特許文献2)と異なる点である。   The magnetic disk 10 includes a magnetic field generator 50 and a plurality of magnetic bodies 32. The magnetic field generator 50 determines the direction of the magnetic moment of the magnetic body 32 to be the same direction. The magnetic field generator 50 applies a magnetic field constantly to the magnetic body 32 in that a hard disk memory using a magnetic dot pattern having a laminated structure made of a soft magnetic material and a ferromagnetic material that is currently known (Patent Document 2). ).

また、現在既知であるハードディスクメモリ(特許文献2)においては、磁性体ドットパターンは自らの保持力のみで磁気モーメントを保持しなくてはならない。磁性体ドットパターンの保持力は、磁性体ドットの体積に比例する。つまり、磁性体ドットの体積が大きいほど保持力も大きいが、体積が小さいほど保持力も小さくなる。つまり、磁性体ドットは、体積が小さいほど磁気モーメントの情報を消失しやすい。   In the hard disk memory (Patent Document 2) that is currently known, the magnetic dot pattern must hold the magnetic moment only by its own holding force. The holding power of the magnetic dot pattern is proportional to the volume of the magnetic dots. That is, as the volume of the magnetic dots increases, the holding force increases, but as the volume decreases, the holding force decreases. In other words, the magnetic dots tend to lose information on the magnetic moment as the volume decreases.

これに対し、本例の磁気ディスク10の場合、磁性体32は一様に向きが同一の磁気モーメントを有する。さらに磁性体32は、磁性体32の一部の空間にのみトポロジー的効果に起因する螺旋構造の磁気モーメントであるスキルミオン40を有する。スキルミオン40の磁気モーメントは、トポロジー的に安定である。またスキルミオン40は、磁性体32中に磁性不純物があっても安定して存在できる。すなわち、スキルミオン40は、外部からの磁界の擾乱を受けても、安定に存在できる。磁性体32はスキルミオン40を有する程度の大きさは必要であるが、磁性体32中にスキルミオン40を一旦生成すると、スキルミオン40は安定して磁性体32中において保持することができる。つまり、一定サイズの磁性体32において、磁気モーメントの情報が意図せずに消失することは無い。すなわち、従来方式は磁気モーメントの正負の向きを記憶情報として用いるが、本例の磁気ディスク10の場合は記憶媒体としての磁性体32の磁気モーメントの向きの基本構造は磁場発生部50により固定であるので原理的にサイドイレーズは発生しない。生成したスキルミオン40は上にみたように一度生成すると、隣接した磁性体32からの磁界による影響からも安定して存在できる。   On the other hand, in the case of the magnetic disk 10 of this example, the magnetic body 32 has a magnetic moment that is uniformly oriented in the same direction. Furthermore, the magnetic body 32 has a skyrmion 40 that is a magnetic moment of a helical structure resulting from a topological effect only in a partial space of the magnetic body 32. The magnetic moment of skyrmion 40 is topologically stable. Further, the skyrmion 40 can exist stably even if there are magnetic impurities in the magnetic body 32. That is, the skyrmion 40 can exist stably even when subjected to external magnetic field disturbances. The magnetic body 32 needs to be large enough to have the skyrmion 40, but once the skyrmion 40 is generated in the magnetic body 32, the skyrmion 40 can be stably held in the magnetic body 32. That is, in the magnetic body 32 of a certain size, information on the magnetic moment does not disappear unintentionally. That is, the conventional method uses the positive and negative directions of the magnetic moment as the stored information. In the case of the magnetic disk 10 of this example, the basic structure of the magnetic moment direction of the magnetic body 32 as the storage medium is fixed by the magnetic field generator 50. In principle, side erase does not occur. Once the generated skyrmion 40 is generated as seen above, it can exist stably from the influence of the magnetic field from the adjacent magnetic body 32.

これにより、従来方式のサイドイレーズに弱い磁気媒体の欠点を一掃し、磁気情報を安定して保持することができる。磁性体32のサイズは、ほぼスキルミオン40のサイズ程度であるとよい。スキルミオン40のサイズが10nm程度以下の小さい磁性体ドットであっても、スキルミオン40を磁性体32中において安定に保持することができる。スキルミオン40を発生させることができれば、磁性体32のサイズはいくら小さくても良い。   As a result, the defect of the magnetic medium that is vulnerable to the side erasure of the conventional method can be eliminated, and the magnetic information can be stably held. The size of the magnetic body 32 is preferably about the size of the skyrmion 40. Even if the size of the skillion 40 is a small magnetic dot of about 10 nm or less, the skillion 40 can be stably held in the magnetic body 32. As long as the skillmion 40 can be generated, the size of the magnetic body 32 may be as small as possible.

本件は、従来技術の延長と一線を画す画期的な発明である。従来の磁気媒体の場合は、微少サイズになればなるほど、磁性体ドットパターン自身の磁気モーメントの保持力は弱まる。また、従来の磁気媒体において、磁性体ドットパターンのサイズを微少化すると、サイドイレーズ効果により記憶情報を担っている磁気モーメントの向きを不安定化させることになる。これに対して、スキルミオン40の磁気モーメントは磁性体32中においてトポロジー的に安定であるので、磁気モーメントの保持力、外部から磁界の擾乱に対する耐性、およびサイドイレーズに対する耐性において有利な効果を有する。   This is an epoch-making invention that sets a line apart from the extension of the prior art. In the case of a conventional magnetic medium, the smaller the size, the weaker the magnetic moment holding power of the magnetic dot pattern itself. Further, in the conventional magnetic medium, if the size of the magnetic dot pattern is reduced, the direction of the magnetic moment carrying the stored information is destabilized due to the side erase effect. On the other hand, since the magnetic moment of the skyrmion 40 is topologically stable in the magnetic body 32, it has advantageous effects on the holding power of the magnetic moment, resistance to external magnetic field disturbance, and resistance to side erase. .

また、スキルミオン40は安定して存在するため、スキルミオン記憶媒体はデータリテンション(保持)性能を大幅に向上することができる。   In addition, since the skyrmion 40 exists stably, the skyrmion storage medium can greatly improve the data retention performance.

記録装置100の磁気ヘッド20は、電流回路24を有する。電流回路24は、磁気ディスク10の表面に対してマイナスz方向とプラスz方向との磁場を発生するべく、コイル部22を有する。本例のコイル部22は、コイル部22の中心に位置する空洞に、軟磁性体23を有する。コイル部22は、磁性体32の第1面34とは反対の面である第2面36に対向する。軟磁性体23は、コイル部22が発生する磁場をz方向において効率よく導く。これにより、コイル部22から磁性体32の第2面36に対して、第2磁場を印加する。   The magnetic head 20 of the recording apparatus 100 has a current circuit 24. The current circuit 24 includes a coil unit 22 so as to generate magnetic fields in the minus z direction and the plus z direction with respect to the surface of the magnetic disk 10. The coil portion 22 of this example has a soft magnetic body 23 in a cavity located at the center of the coil portion 22. The coil portion 22 faces a second surface 36 that is a surface opposite to the first surface 34 of the magnetic body 32. The soft magnetic body 23 efficiently guides the magnetic field generated by the coil portion 22 in the z direction. Thereby, the second magnetic field is applied from the coil portion 22 to the second surface 36 of the magnetic body 32.

磁気ヘッド20は、磁性体32に印可する磁場発生領域Bの位置を精度良く制御できる。磁気ヘッド20は複数のコイル部22を有してもよい。なお、磁気ヘッド20は、高速に回転する磁気ディスク10と磁気ヘッド20との間の空間を、空気層等を用いて一定の間隔に保持できる構造を有してよい。記録装置100は、磁気ヘッド20を±y方向に移動させることができる駆動部27をさらに有する。駆動部27は、磁気ヘッド20を±y方向の適切な位置に移動させる。例えば、駆動部27は、磁場印加領域Bが磁性体32の端部領域Aを包含するように、コイル部22を±y方向の適切な位置に移動させる。駆動部27は、コイル部22を移動することにより、磁性体32に対して印加する磁場印加領域Bを任意に設定可能である。なお、端部領域Aおよび磁場印加領域Bについては後述する。   The magnetic head 20 can accurately control the position of the magnetic field generation region B applied to the magnetic body 32. The magnetic head 20 may have a plurality of coil portions 22. The magnetic head 20 may have a structure that can maintain a space between the magnetic disk 10 rotating at high speed and the magnetic head 20 at regular intervals using an air layer or the like. The recording apparatus 100 further includes a drive unit 27 that can move the magnetic head 20 in the ± y directions. The drive unit 27 moves the magnetic head 20 to an appropriate position in the ± y direction. For example, the drive unit 27 moves the coil unit 22 to an appropriate position in the ± y direction so that the magnetic field application region B includes the end region A of the magnetic body 32. The drive unit 27 can arbitrarily set the magnetic field application region B to be applied to the magnetic body 32 by moving the coil unit 22. The end region A and the magnetic field application region B will be described later.

磁気ヘッド20の外部であって記録装置100内に設けられたパルス電流源が、電流回路24にパルス電流を印加する。パルス電流源はプラス方向のパルス電流、マイナス方向のパルス電流を任意のタイミングで印可できる。プラス方向のパルス電流をコイル部22に流すことにより、コイル部22は、磁性体32の第2面36に対してマイナスz方向のパルス磁場を印加する。この場合、第2磁場は、第1磁場と逆方向である。これに対して、マイナス方向のパルス電流をコイル部22に流すことにより、コイル部22は、磁性体32の第2面36に対してプラスz方向のパルス磁場を印加する。この場合、第2磁場は、第1磁場と同じプラスz方向である。   A pulse current source provided outside the magnetic head 20 and inside the recording apparatus 100 applies a pulse current to the current circuit 24. The pulse current source can apply a positive pulse current and a negative pulse current at an arbitrary timing. By causing a pulse current in the positive direction to flow through the coil part 22, the coil part 22 applies a pulse magnetic field in the negative z direction to the second surface 36 of the magnetic body 32. In this case, the second magnetic field is in the opposite direction to the first magnetic field. On the other hand, the coil unit 22 applies a pulse magnetic field in the plus z direction to the second surface 36 of the magnetic body 32 by flowing a pulse current in the minus direction through the coil unit 22. In this case, the second magnetic field is in the same plus z direction as the first magnetic field.

磁気ヘッド20のコイル部22から磁気ディスク10へ印加する第2磁場を、磁場印加領域Bとする。磁場印加領域Bは、1つの磁性体32の端部領域Aよりも広い領域を有する。磁場印加領域Bは、1つの磁性体32の端部領域Aを含む領域に設ける。端部領域Aは、磁性体32のプラスy方向の端部を含む予め定められた領域である。本願の発明者は、磁場印加領域Bが磁性体32の端部領域Aを含むようにすることが、スキルミオン40の生成に重要であることを発見した。磁場印加領域Bは、磁性体32を囲んで設ける非磁性体の一部の領域にも設けてよい。磁性体32の端部領域Aにおける磁場強度をHとする。なお、Hは、磁場発生部50が印加する第1磁場と磁気ヘッド20のコイル部22が印加する第2磁場とのベクトル和である。The second magnetic field applied from the coil portion 22 of the magnetic head 20 to the magnetic disk 10 is defined as a magnetic field application region B. The magnetic field application region B has a wider area than the end region A of one magnetic body 32. The magnetic field application region B is provided in a region including the end region A of one magnetic body 32. The end region A is a predetermined region including the end of the magnetic body 32 in the plus y direction. The inventor of the present application has found that it is important for the generation of the skyrmion 40 that the magnetic field application region B includes the end region A of the magnetic body 32. The magnetic field application region B may also be provided in a partial region of the nonmagnetic material provided surrounding the magnetic material 32. The magnetic field strength in the end region A of the magnetic member 32 and H a. H a is a vector sum of the first magnetic field applied by the magnetic field generator 50 and the second magnetic field applied by the coil unit 22 of the magnetic head 20.

電流回路24においてパルス電流源がプラス方向のパルス電流を印可する場合は、コイル部22がマイナスz方向に第2磁場を発生する。なお、磁性体32に対しては、磁場発生部50が第1磁場を定常的にプラスz方向に印加する。この場合、第2磁場と第1磁場とは反平行となるので、磁場強度Hは相対的に弱まる。これに対して、電流回路24においてパルス電流源がマイナス方向のパルス電流を印可する場合は、コイル部22がプラスz方向に第2磁場を発生する。この場合、第2磁場と第1磁場とはともにz方向に平行となるので、磁場強度Hは相対的に強まる。次に、カイラル磁性体中でのスキルミオン40の生成を詳細に実施例で実証する。When the pulse current source applies a positive pulse current in the current circuit 24, the coil unit 22 generates the second magnetic field in the negative z direction. For the magnetic body 32, the magnetic field generator 50 applies the first magnetic field constantly in the plus z direction. In this case, since the second magnetic field and the first magnetic field becomes antiparallel, the magnetic field strength H a is weakened relatively. On the other hand, in the current circuit 24, when the pulse current source applies a pulse current in the minus direction, the coil unit 22 generates the second magnetic field in the plus z direction. In this case, since the parallel both in the z direction from the second magnetic field and the first magnetic field, the magnetic field strength H a is stronger relatively. Next, the generation of skyrmions 40 in the chiral magnetic material will be demonstrated in detail in Examples.

[実施例1]
実施例1においてスキルミオンの生成のシミュレーション実験結果を示す。スキルミオンの運動は下記の方程式で記述することができる。以下、下記の方程式を数値的に解く。
[Example 1]
The simulation experiment result of generation of skyrmions in Example 1 is shown. Skyrmion motion can be described by the following equation: Hereafter, the following equation is solved numerically.

[数3]

Figure 0006450390
[Equation 3]
Figure 0006450390

[数4]

Figure 0006450390
[Equation 4]
Figure 0006450390

ここで、B eff=−(1/(hΓ))(∂H/∂M)により、[数3]と[数4]とを関連付けることができる。Γ=gμ/h(>0)は磁気回転比である。hはプランク定数である。Dはジャロンスキー・守谷相互作用の大きさである。Mは磁気モーメントを示す。Mはスカラー量Mと単位ベクトル量n(r)との積である。Hは磁場印加領域Aの磁場強度である。上記[数3],[数4]中、×は外積を示す。Here, [Equation 3] and [Equation 4] can be associated with each other by B r eff = − (1 / (hΓ)) (∂H / ∂M r ). Γ = gμ B / h (> 0) is the gyromagnetic ratio. h is a Planck's constant. D m is the magnitude of Jaronsky-Moriya interaction. Mr represents the magnetic moment. M r is the product of the scalar quantity M and the unit vector quantity n (r). H a is the magnetic field intensity of the magnetic field application region A. In the above [Expression 3] and [Expression 4], x indicates an outer product.

ここで、[数4]で示したHなるハミルトニアンはカイラル磁性体の場合である。ダイポール磁性体やフラストレート磁性体、および磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる磁性体に関してはこのHの表現をそれぞれの磁性体を記述するものに置換すればよい。   Here, the Hamiltonian H represented by [Equation 4] is a case of a chiral magnetic material. For a dipole magnetic body, a frustrated magnetic body, and a magnetic body having a laminated structure of a magnetic material and a nonmagnetic material, the expression of H may be replaced with a description of each magnetic body.

なお、ダイポール磁性体は、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。フラストレート磁性体は、磁気不整合状態を好む磁気的相互作用の空間構造を含む磁性体である。また、磁性材料と非磁性材料との積層を有する磁性体は、磁性材料の非磁性材料に接する磁気モーメントを非磁性材料のスピン軌道相互作用により変調した磁性体である。次に、本実施例でのシミュレーションの実験条件を図4に示す。   The dipole magnetic body is a magnetic body in which magnetic dipole interaction is important. A frustrated magnetic body is a magnetic body including a spatial structure of magnetic interaction that favors a magnetic mismatch state. A magnetic body having a laminate of a magnetic material and a nonmagnetic material is a magnetic body in which the magnetic moment of the magnetic material in contact with the nonmagnetic material is modulated by the spin-orbit interaction of the nonmagnetic material. Next, the experimental conditions for the simulation in this example are shown in FIG.

図4は、スキルミオン40生成のシミュレーション条件である、カイラル磁性体の磁性相磁気相図を示す図である。カイラル磁性体は、磁場強度Hskでらせん磁性相からスキルミオン結晶相(SkX)になり、さらに強い磁場強度Hfでスキルミオン結晶相(SkX)から強磁性相になる磁性体である。当該スキルミオン結晶相(SkX)においては、複数のスキルミオン40が最密構造に整列してx‐y平面内に発生する。本実施例で用いるカイラル磁性体はD=0.18・J、M=1、α=0.04である。Dはジャロンスキー・守谷相互作用の大きさである。なお以下では、磁性体の磁気交換相互作用の大きさをJとして、この量で規格した値で各種の物理量を記述する。FIG. 4 is a diagram illustrating a magnetic phase magnetic phase diagram of the chiral magnetic material, which is a simulation condition for generating the skyrmion 40. The chiral magnetic substance is a magnetic substance that changes from a spiral magnetic phase to a skyrmion crystal phase (SkX) at a magnetic field strength Hsk, and from a skyrmion crystal phase (SkX) to a ferromagnetic phase at a higher magnetic field strength Hf. In the skyrmion crystal phase (SkX), a plurality of skyrmions 40 are arranged in the close-packed structure and are generated in the xy plane. The chiral magnetic material used in this example has D m = 0.18 · J, M = 1, and α = 0.04. D m is the magnitude of Jaronsky-Moriya interaction. In the following, various physical quantities are described with values normalized by this quantity, where J is the magnitude of the magnetic exchange interaction of the magnetic material.

低磁場ではらせん状の磁気モーメントの磁気構造をもつらせん磁性相から磁場強度Hsk=0.0075Jで、スキルミオン結晶相(SkX)になる。このときのスキルミオン40の直径をλとすると、λはJとDを用いて以下の[数5]のように表すことができる。   In a low magnetic field, a spiral magnetic phase having a magnetic structure of a helical magnetic moment becomes a skyrmion crystal phase (SkX) at a magnetic field strength Hsk = 0.005J. If the diameter of the skyrmion 40 at this time is λ, λ can be expressed by the following [Equation 5] using J and D.

[数5]

Figure 0006450390
[Equation 5]
Figure 0006450390

ここでaは磁性体32の格子定数である。D=0.18・Jのカイラル磁性体ではλ〜50aである。磁性体32の格子定数aが5Åの場合、λは約25nmである。ジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさを示す物理定数であるDは物質固有の物理定数であるので、[数5]により、スキルミオン40の直径λは物質に固有の定数となる。スキルミオン40の直径λは非特許文献1に記載のように、例えばFeGeでは70nmであり、MnSiでは18nmである。なおさらに、本実施例で用いるカイラル磁性体では、磁場強度Hf=0.0252・Jで強磁性相になる。Here, a is a lattice constant of the magnetic body 32. In the chiral magnetic material with D m = 0.18 · J, λ˜50a. When the lattice constant a of the magnetic body 32 is 5Å, λ is about 25 nm. Since D m, which is a physical constant indicating the magnitude of the Jaroshinsky-Moriya interaction, is a physical constant specific to the substance, the diameter λ of the skyrmion 40 is a constant specific to the substance according to [Equation 5]. As described in Non-Patent Document 1, the diameter λ of the skyrmion 40 is, for example, 70 nm for FeGe and 18 nm for MnSi. Still further, the chiral magnetic material used in this example becomes a ferromagnetic phase at a magnetic field strength Hf = 0.0252 · J.

図5は、スキルミオン40の生成のシミュレーション条件である、磁性体32の端部領域Aの磁場強度Hの時間依存性を示す図である。Figure 5 is a simulation condition of generation of skyrmion 40 is a diagram showing the time dependence of the magnetic field strength H a end region A of the magnetic member 32.

まず、シミュレーション実験は、磁場発生部50から磁性体32としてのカイラル磁性体に第1磁場を印加して、磁性体32の端部領域Aの磁場強度HをHfより大きい磁場強度として、カイラル磁性体が強磁性相になっている状態から開始する。つまり、カイラル磁性体にはスキルミオン40が存在せず、1つのカイラル磁性体中において磁気モーメントの向きは全てプラスz方向である強磁性状態となる。磁場発生部50の第1磁場は、具体的には磁場強度H=0.03・Jとする。この磁場強度は、強磁性体材料の厚さを調整することにより容易に得ることができる。First, the simulation experiments, by applying a first magnetic field to the chiral magnetic material as the magnetic body 32 from the magnetic field generating unit 50, the magnetic field strength H a end region A of the magnetic member 32 as Hf greater field strength, chiral Start from a state in which the magnetic material is in the ferromagnetic phase. In other words, the skyrmion 40 does not exist in the chiral magnetic body, and the magnetic moment is in a ferromagnetic state in which the direction of the magnetic moment is all in the plus z direction in one chiral magnetic body. Specifically, the first magnetic field of the magnetic field generator 50 is set to a magnetic field intensity H 1 = 0.03 · J. This magnetic field strength can be easily obtained by adjusting the thickness of the ferromagnetic material.

次に、電流回路24においてパルス電流源が電流回路24にパルス電流を印可する。パルス電流は、上昇、下降時間を1000(1/J)とし、最大電流印可時間を1000(1/J)とする台形パルス形状とする。プラス方向のパルス電流の印可は第1磁場の強度より弱く第1磁場とは略逆方向に向かう第2磁場を、マイナスz方向に発生させる。当該第2磁場を磁性体32に印加することにより、磁場印加領域Aの磁場強度Hが減少する。なお上述したように、磁場印加領域Aは、スキルミオン40を生成するカイラル磁性体の端部を含む必要がある。本明細書において、第1磁場とは略逆方向に向かう第2磁場とは、少なくとも第1磁場と逆方向のベクトル成分を含む磁場を意味する。勿論、第2磁場は、第1磁場に対して完全に逆方向のベクトル成分を含む磁場であってよい。Next, in the current circuit 24, a pulse current source applies a pulse current to the current circuit 24. The pulse current has a trapezoidal pulse shape with a rise / fall time of 1000 (1 / J) and a maximum current application time of 1000 (1 / J). The application of the pulse current in the plus direction generates a second magnetic field in the minus z direction that is weaker than the intensity of the first magnetic field and goes in a direction substantially opposite to the first magnetic field. By applying the second magnetic field to the magnetic body 32, the magnetic field strength H a of the magnetic field application region A is reduced. As described above, the magnetic field application region A needs to include the end portion of the chiral magnetic body that generates the skyrmion 40. In the present specification, the second magnetic field that is directed in a substantially opposite direction to the first magnetic field means a magnetic field that includes at least a vector component in the opposite direction to the first magnetic field. Of course, the second magnetic field may be a magnetic field including a vector component in a completely opposite direction to the first magnetic field.

第2磁場は、t=1000(1/J)でH=0.01・Jの大きさとなるように印加する。時間tの単位は1/Jである。以下同様である。その後、t=2000(1/J)まで、H=0.01・Jの一定の磁場強度を保持する。その後、パルス電流源からのパルス電流を徐々に少なくして、t=3000(1/J)で第2磁場の印加を停止する。このとき、H=0.03・Jとなる。この条件で、[数3]および[数4]を用いてシミュレーション実験を実施する。The second magnetic field is applied so that the magnitude of H a = 0.01 · J at t = 1000 (1 / J). The unit of time t is 1 / J. The same applies hereinafter. Thereafter, a constant magnetic field strength of H a = 0.01 · J is maintained until t = 2000 (1 / J). Thereafter, the pulse current from the pulse current source is gradually reduced, and the application of the second magnetic field is stopped at t = 3000 (1 / J). At this time, H a = 0.03 · J. Under this condition, a simulation experiment is performed using [Equation 3] and [Equation 4].

図6は、スキルミオン40の生成のシミュレーション結果を示す図である。図2と同様に、図6の(1)〜(4)において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。磁性体32はカイラル磁性体であり、幅W、高さhである。磁性体32の端部領域Aを含むように、磁場印加領域Bを設定する。本明細書において、磁性体32の端部領域Aの高さをh、幅をWとする。本例では、h=25a=0.5・λであり、幅Wは磁性体32の幅Wとする。FIG. 6 is a diagram illustrating a simulation result of generation of the skillmion 40. Similar to FIG. 2, in (1) to (4) of FIG. 6, the shading indicates the direction of the magnetic moment. Magnetic member 32 is a chiral magnetic material having a width W m, the height h m. The magnetic field application region B is set so as to include the end region A of the magnetic body 32. In this specification, the height of the end region A of the magnetic body 32 is defined as h a and the width is defined as W a . In this example, h a = 25a = 0.5 · λ, and the width W a is the width W m of the magnetic body 32.

図6において(1)〜(3)は、(1)t=0(1/J)、(2)t=1500(1/J)、(3)t=2800(1/J)の時間でのシミュレーション結果である。(2)t=1500(1/J)の時間で、端部領域Aの磁場強度はH=0.01・Jとする。磁性体32のプラスy方向の端部からスキルミオン40が生成し始める。t=3000(1/J)では、スキルミオン40は磁性体32の中央部分に移動し、安定する。このように、コイル部22からの磁場印加時間は3000(1/J)でスキルミオン40を生成できる。図5の条件におけるt=0(1/J)からt=3000(1/J)までの時間3000(1/J)が、スキルミオン40の書込み時間に相当する。なお、磁性体32の端部領域Aの大きさは、W=W、かつ、λ≧h>0.25・λとしてよい。上記の幅および高さの数値範囲は、単一のスキルミオン40を薄層状の磁性体32に生成するために最適化した数値範囲である。In FIG. 6, (1) to (3) are the times of (1) t = 0 (1 / J), (2) t = 1500 (1 / J), (3) t = 2800 (1 / J). This is a simulation result. (2) At a time of t = 1500 (1 / J), the magnetic field strength of the end region A is set to H a = 0.01 · J. Skyrmions 40 start to be generated from the end of the magnetic body 32 in the plus y direction. At t = 3000 (1 / J), the skyrmion 40 moves to the central portion of the magnetic body 32 and is stabilized. As described above, the skyrmion 40 can be generated when the magnetic field application time from the coil unit 22 is 3000 (1 / J). The time 3000 (1 / J) from t = 0 (1 / J) to t = 3000 (1 / J) under the conditions of FIG. Note that the size of the end region A of the magnetic body 32 may be W a = W m and λ ≧ h a > 0.25 · λ. The numerical ranges of the width and the height described above are numerical ranges optimized to generate a single skyrmion 40 in the thin-layered magnetic body 32.

図7は、複数の磁性体32のドットと磁場印加領域Bとの関係を示す模式図である。磁気ディスク10は、複数の磁性体32を離間してx‐y平面状に備える。磁気ディスク10は、隣接して設けた複数の記録トラック60を有する。各記録トラック60には、複数の磁性体32のドットを離間して配置する。1つの記録トラック60において、各磁性体32は一定のピッチとする。本例では、磁性体32同士の最短距離はDである。第1記録トラック60‐1において磁性体32はW+Dのピッチとなる。磁性体32は矩形形状であるので、第1記録トラック60‐1において、なお、各記録トラック間において磁性体32間のピッチの値は異なってよい。また本例では、隣接する2つの記録トラック60において、隣接する矩形形状の磁性体32の間の最短距離をDで一定であるとする。FIG. 7 is a schematic diagram showing the relationship between the dots of the plurality of magnetic bodies 32 and the magnetic field application region B. The magnetic disk 10 includes a plurality of magnetic bodies 32 spaced apart and arranged in an xy plane. The magnetic disk 10 has a plurality of recording tracks 60 provided adjacent to each other. On each recording track 60, a plurality of dots of the magnetic body 32 are arranged apart from each other. In one recording track 60, each magnetic body 32 has a constant pitch. In this example, the shortest distance of the magnetic member 32 to each other is D x. Magnetic member 32 in the first recording track 60-1 is the pitch of W m + D x. Since the magnetic body 32 has a rectangular shape, the pitch value between the magnetic bodies 32 in the first recording track 60-1 may be different between the recording tracks. In this example, it is assumed that the shortest distance between adjacent rectangular magnetic bodies 32 in two adjacent recording tracks 60 is constant at D y .

記録装置100においては、磁気ヘッド20のコイル部22に対して相対的に磁気ディスク10をプラスx方向に移動する。これにより、各記録トラック60の各磁性体32に対してマイナスz方向から磁場印加領域Bに磁場を印加しつつ、磁場印加領域Bをマイナスx方向に走査することができる。記録装置100は、各磁性体32のプラスy方向の端部領域Aを含むように、磁場印加領域Bを走査する。   In the recording apparatus 100, the magnetic disk 10 is moved in the plus x direction relative to the coil portion 22 of the magnetic head 20. Thus, the magnetic field application region B can be scanned in the negative x direction while applying a magnetic field to the magnetic field application region B from the negative z direction to each magnetic body 32 of each recording track 60. The recording apparatus 100 scans the magnetic field application region B so as to include the end region A in the plus y direction of each magnetic body 32.

第1記録トラック60‐1および第2記録トラック60‐2は、すでにスキルミオン40を生成し終わった状態である。スキルミオン40を生成した磁性体32とスキルミオン40生成していない磁性体32とが、二値情報における1と0とに相当する情報をそれぞれ有するとしてよい。第3記録トラック60‐3は、磁場印加領域Bを走査していくことにより各磁性体32にスキルミオン40を生成する記録トラック60である。スキルミオン40を生成する場合には、コイル部22は第2磁場をマイナスz方向に発生させる。これに対して、スキルミオン40を生成しない場合には、コイル部22は第2磁場を発生させない。   The first recording track 60-1 and the second recording track 60-2 are in a state where the skyrmion 40 has already been generated. The magnetic body 32 that has generated the skyrmion 40 and the magnetic body 32 that has not generated the skyrmion 40 may each have information corresponding to 1 and 0 in the binary information. The third recording track 60-3 is a recording track 60 that generates the skyrmion 40 in each magnetic body 32 by scanning the magnetic field application region B. When generating the skyrmion 40, the coil unit 22 generates the second magnetic field in the minus z direction. On the other hand, when the skyrmion 40 is not generated, the coil unit 22 does not generate the second magnetic field.

磁場印加領域Bにより磁性体32にスキルミオンを生成する場合、該当する磁性体32と異なる磁性体32にスキルミオンを生成してはならないそれゆえ、磁場印加領域Bのサイズには上限値、下限値がある。磁性体32のサイズの高さhは2λ>h>0.5・λである。スキルミオンを生成する場合の磁性体32の端部領域Aの大きさは、λ≧h>0.25・λである。したがって、磁場印加領域Bの高さの上限値h maxは、隣接する±y方向のトラックの磁性体32にスキルミオンを生成してはならないことから、0.25・λ+D+h+D+0.25・λ>h maxである。hは最大2・λであるから、2D+2.5・λ>h maxである。磁場印加領域Bの高さの下限値h minはh min>0.25・λである。以上から磁場印加領域Bの高さhは[数6]となり、磁場印加領域Bの幅Wは[数7]となる。
[数6]

Figure 0006450390
[数7]
Figure 0006450390
When generating a skyrmion in the magnetic body 32 by the magnetic field application region B, the skyrmion should not be generated in a magnetic body 32 different from the corresponding magnetic body 32. Therefore, the size of the magnetic field application region B has an upper limit value and a lower limit. There is a value. The height h m of the size of the magnetic body 32 is a 2λ> h m> 0.5 · λ . The size of the end region A of the magnetic member 32 in the case of generating the skyrmion is λ ≧ h a> 0.25 · λ . Accordingly, since the upper limit value h b max of the height of the magnetic field application region B must not generate skyrmions in the magnetic bodies 32 of the tracks in the adjacent ± y directions, 0.25 · λ + D y + h m + D y + 0.25 · λ> h b max . Since h m is the maximum 2 · lambda, a 2D y +2.5 · λ> h b max. The lower limit h b min of the height of the magnetic field application region B is h b min > 0.25 · λ. From the above, the height h b of the magnetic field application region B is [Equation 6], and the width W b of the magnetic field application region B is [Equation 7].
[Equation 6]
Figure 0006450390
[Equation 7]
Figure 0006450390

磁場印加領域Bの幅Wは、書き込み時間(本例では1000(1/J))とディスクの単位時間当たりの回転数とから決定する。磁場印加領域Bの幅Wの最小値は磁性体32の幅Wである。なお、磁気ディスク10は円板形状であるので、各記録トラック60上の磁気ヘッド20の速度は磁気ディスク10の外周部にいくほど速くなる。このような磁気ディスク10と磁気ヘッド20の位置との調整には、既存の磁気ヘッドの制御手法を用いることができる。The width W of the magnetic field application region B is determined from the writing time (1000 (1 / J in this example)) and the number of rotations per unit time of the disk. The minimum value of the width W of the magnetic field application region B is the width W m of the magnetic body 32. Since the magnetic disk 10 has a disk shape, the speed of the magnetic head 20 on each recording track 60 increases as it goes to the outer periphery of the magnetic disk 10. For such adjustment of the position of the magnetic disk 10 and the magnetic head 20, an existing magnetic head control method can be used.

[実施例2]
図8は、スキルミオン40の消去のシミュレーション結果を示す図である。端部領域Aの磁場強度Hの時間依存性を示す図である。まず初めに、磁性体32としてのカイラル磁性体には、磁場発生部50が第1磁場を印加し、磁気ヘッド20のコイル部22からは第2磁場を印加しない。これにより、端部領域Aの磁場強度HはHfより大きい磁場強度に保つことができる。ここでは、磁性体32はスキルミオン40を保持している状態にある。磁性体32の端部領域Aを含むように、磁場印加領域Bを設定する。磁性体32の端部領域Aの高さをh、幅をWとする。本例では、h=30a=0.6・λであり、幅Wは磁性体32の幅Wとする。
[Example 2]
FIG. 8 is a diagram illustrating a simulation result of erasing the skillmion 40. A diagram depicting time dependency of the magnetic field strength H a of the end region A. First, the magnetic field generation unit 50 applies a first magnetic field to the chiral magnetic body as the magnetic body 32 and does not apply a second magnetic field from the coil unit 22 of the magnetic head 20. Thus, the magnetic field strength H a of the end region A can be kept Hf greater magnetic field strength. Here, the magnetic body 32 is in a state of holding the skyrmion 40. The magnetic field application region B is set so as to include the end region A of the magnetic body 32. The height and width of the end region A of the magnetic body 32 are defined as h a and W a , respectively. In this example, h a = 30a = 0.6 · λ, and the width W a is the width W m of the magnetic body 32.

次に、電流回路24においてパルス電流源からマイナス方向のパルス電流を徐々に流して、第1磁場の強度より弱く第1磁場とは略順方向に向かう第2磁場をプラスz方向に発生させる。当該第2磁場を磁性体32に印加することにより、端部領域Aの磁場強度Hは、第1磁場と第2磁場との和となり徐々に増加する。本明細書において、第1磁場とは略順方向に向かう第2磁場とは、少なくとも第1磁場と同じ方向のベクトル成分を含む磁場を意味する。勿論、第2磁場は、第1磁場に対して完全に同じ方向のベクトル成分を含む磁場であってよい。Next, in the current circuit 24, a negative pulse current is gradually supplied from the pulse current source to generate a second magnetic field that is weaker than the first magnetic field and that is substantially forward with the first magnetic field in the positive z direction. By applying the second magnetic field to the magnetic body 32, the magnetic field strength H a end region A is gradually increased the sum of the first magnetic field and the second magnetic field. In the present specification, the first magnetic field means a magnetic field including at least a vector component in the same direction as the first magnetic field. Of course, the second magnetic field may be a magnetic field including a vector component in the completely same direction with respect to the first magnetic field.

第2磁場を、t=1000(1/J)でH=0.05・Jとなるように印加する。その後、t=2000(1/J)まで、H=0.05・Jの一定の磁場強度を保持する。その後、パルス電流源からのマイナス方向のパルス電流を徐々に小さくして、t=3000(1/J)で第2磁場の印加を停止する。このとき、H=0.03・Jとなる。この条件で、[数3]および[数4]を用いてシミュレーション実験を実施する。The second magnetic field is applied so that H a = 0.05 · J at t = 1000 (1 / J). Thereafter, a constant magnetic field strength of H a = 0.05 · J is maintained until t = 2000 (1 / J). Thereafter, the pulse current in the negative direction from the pulse current source is gradually decreased, and the application of the second magnetic field is stopped at t = 3000 (1 / J). At this time, H a = 0.03 · J. Under this condition, a simulation experiment is performed using [Equation 3] and [Equation 4].

図9は、スキルミオン40の消去のシミュレーション結果を示す図である。図2と同様に、図9の(1)〜(4)において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図9において(1)〜(3)は、(1)t=0(1/J)、(2)t=2200(1/J)、(3)t=4000(1/J)の時間でのシミュレーション結果である。端部領域Aの高さhは、h=31aとした(aは磁性体32の格子定数)。(1)t=0(1/J)ではスキルミオン40が磁性体32の中央部に安定して存在する。(2)t=2200(1/J)には、磁場印加領域Aから逃げ出すようにスキルミオン40がマイナスy方向に移動する。(3)t=4000(1/J)では、スキルミオン40が磁性体32の端部に移動して消失する。このようにt=0(1/J)からt=3000(1/J)までの時間3000(1/J)が、スキルミオン40の消去時間に相当する。スキルミオン40を消去するべく、磁気ヘッド20のコイル部22が形成する磁性体の端部領域Aの位置が重要である。磁性体32の高さhの大きさがλとする。磁性体の端部領域Aの高さhが磁性体の中心h=0.5・λの場合、スキルミオン40を消去することができない。磁性体の端部領域Aの高さhがh≧0.6・λの場合、スキルミオン40を消去できる。上記の幅および高さの数値範囲は、単一のスキルミオン40を消去するために最適化した数値範囲である。FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of erasing the skillion 40. As shown in FIG. As in FIG. 2, in (1) to (4) of FIG. 9, the shading indicates the direction of the magnetic moment. In FIG. 9, (1) to (3) are the times of (1) t = 0 (1 / J), (2) t = 2200 (1 / J), (3) t = 4000 (1 / J). This is a simulation result. The height h a of the end region A was set to h a = 31a (a is the lattice constant of the magnetic body 32). (1) At t = 0 (1 / J), the skyrmion 40 is stably present in the central portion of the magnetic body 32. (2) At t = 2200 (1 / J), the skyrmion 40 moves in the minus y direction so as to escape from the magnetic field application region A. (3) At t = 4000 (1 / J), the skyrmion 40 moves to the end of the magnetic body 32 and disappears. As described above, the time 3000 (1 / J) from t = 0 (1 / J) to t = 3000 (1 / J) corresponds to the erase time of the skillion 40. In order to erase the skyrmion 40, the position of the end region A of the magnetic material formed by the coil portion 22 of the magnetic head 20 is important. The size of the height h m of the magnetic body 32 and lambda. If the height h a of the end regions A of the magnetic material of the central h a = 0.5 · lambda of the magnetic material, it is not possible to erase the skyrmion 40. When the height h a of the end region A of the magnetic material is h a ≧ 0.6 · λ, the skyrmion 40 can be erased. The above numerical ranges of the width and the height are numerical ranges optimized to eliminate the single skyrmion 40.

磁場印加領域Bを磁性体32にスキルミオンを消去する場合、該当する磁性体32と異なる磁性体32にスキルミオンを消去してはならない。それゆえ、磁場印加領域Bのサイズには上限値、下限値がある。磁性体32のサイズの高さhは2λ>h>0.5・λである。スキルミオンを消去する場合の磁性体32の端部領域Aの大きさは、λ≧h≧0.6・λである。したがって、磁場印加領域Bの高さの上限値h maxは、隣接する±y方向のトラックの磁性体32にスキルミオンを消去してはならないから、h max>0.6・λ+D+h+D+0.6・λである。hは最大2λであるから、h max>2D+3.2・λである。磁場印加領域Bの高さの下限値h minはh min>0.6・λである。以上から磁場印加領域Bの高さhは[数8]となり、磁場印加領域Bの幅Wは[数9]となる。
[数8]

Figure 0006450390
[数9]
Figure 0006450390
When erasing skyrmions in the magnetic field 32 in the magnetic field application region B, the skyrmions should not be erased in the magnetic body 32 different from the corresponding magnetic body 32. Therefore, the size of the magnetic field application region B has an upper limit value and a lower limit value. The height h m of the size of the magnetic body 32 is a 2λ> h m> 0.5 · λ . The size of the end region A of the magnetic member 32 of the case of erasing skyrmion is λ ≧ h a ≧ 0.6 · λ . Accordingly, since the upper limit value h b max of the height of the magnetic field application region B must not erase skyrmions in the magnetic bodies 32 of the tracks in the adjacent ± y directions, h b max > 0.6 · λ + D y + h m is a + D y +0.6 · λ. Since h m is 2λ at the maximum, h b max > 2D y + 3.2 · λ. The lower limit value h b min of the height of the magnetic field application region B is h b min > 0.6 · λ. From the above, the height h b of the magnetic field application region B is [Equation 8], and the width W b of the magnetic field application region B is [Equation 9].
[Equation 8]
Figure 0006450390
[Equation 9]
Figure 0006450390

上述した実施例1および実施例2においては、磁気ヘッド20のコイル部22からの磁場印加による、磁気ディスク10上でのスキルミオン40の生成および消去のためのシミュレーション実験を示した。そして、スキルミオン40の生成および消去のための設計ルールを明らかにした。   In the above-described first and second embodiments, simulation experiments for generating and erasing skyrmions 40 on the magnetic disk 10 by applying a magnetic field from the coil unit 22 of the magnetic head 20 have been shown. Then, the design rules for generating and deleting the skyrmion 40 were clarified.

ここで注意すべきは、スキルミオン40の書き込みおよび、消去に要する時間は、サブナノ秒と極めて高速であることである。スキルミオン40の書き込みおよび消去に要する時間は、t=1000からt=2000までの時間t=1000(1/J)で十分であることを示している。t=0(1/J)からt=3000(1/J)までの時間3000(1/J)はおおよそ1nsecに相当する。したがって、約0.3ナノ秒で書き込み、消去が可能である。また、ここで示した設計ルールはスキルミオンメモリ素子を設計するための基本ルールを定めたもので極めて重要である。この設計ルールは、磁性体の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Jと、スキルミオン40の直径λの二つの量で規格化した量として表現することができる。λは[数5]においてジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさDと関係づけることができる。It should be noted here that the time required for writing and erasing the skyrmion 40 is extremely fast as sub-nanoseconds. The time required for writing and erasing the skyrmion 40 indicates that a time t = 1000 (1 / J) from t = 1000 to t = 2000 is sufficient. The time 3000 (1 / J) from t = 0 (1 / J) to t = 3000 (1 / J) corresponds to approximately 1 nsec. Therefore, writing and erasing can be performed in about 0.3 nanoseconds. The design rule shown here is very important because it defines a basic rule for designing a skyrmion memory element. This design rule can be expressed as a quantity normalized by two quantities of a magnetic exchange interaction J characterizing the magnetism of the magnetic material and a diameter λ of the skyrmion 40. λ can be related to the magnitude D m of Jaroshinsky-Moriya interaction in [Equation 5].

したがって、この基本ルールは各種のカイラル磁性体に適用可能な設計ルールであり、多くのカイラル磁性体への適用範囲は広い。なお、ここに述べたカイラル磁性体での実施例での結論は定性的にはダイポール磁性体やフラストレート磁性体或いは磁性材料と非磁性材料との積層を有する磁性体でも変更をきたさない。このように、本願発明は、スキルミオン40を生成、消去可能な記憶媒体及び記録装置100の最適の設計指針を与える。   Therefore, this basic rule is a design rule that can be applied to various chiral magnetic materials, and has a wide range of applications to many chiral magnetic materials. In addition, the conclusion in the embodiment with the chiral magnetic material described here does not change qualitatively even in a magnetic material having a laminate of a dipole magnetic material, a frustrated magnetic material, or a magnetic material and a nonmagnetic material. As described above, the present invention provides an optimum design guideline for the storage medium and the recording apparatus 100 that can generate and erase the skyrmion 40.

図10は、データ処理装置300を示す模式図である。データ処理装置300は、記録装置100と、プロセッサ310とを備える。記録装置100は、図1から図9において説明したスキルミオン40の記録装置100である。プロセッサ310は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ310は、記録装置100へのデータの書き込み、および、記録装置100からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。   FIG. 10 is a schematic diagram showing the data processing device 300. The data processing device 300 includes a recording device 100 and a processor 310. The recording apparatus 100 is the recording apparatus 100 of the skillion 40 described with reference to FIGS. The processor 310 includes, for example, a digital circuit that processes a digital signal. The processor 310 has at least one function of writing data to the recording apparatus 100 and reading data from the recording apparatus 100.

図11は、データ記録装置400を示す模式図である。データ記録装置400は、記録装置100と、入出力装置410とを備える。データ記録装置400は、例えばメモリデバイスである。記録装置100は、図1から図9において説明したスキルミオン40の記録装置100である。入出力装置410は、記録装置100への外部からのデータの書き込み、および、記録装置100からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。   FIG. 11 is a schematic diagram showing the data recording apparatus 400. The data recording device 400 includes the recording device 100 and an input / output device 410. The data recording device 400 is a memory device, for example. The recording apparatus 100 is the recording apparatus 100 of the skillion 40 described with reference to FIGS. The input / output device 410 has at least one of a function of writing data to the recording device 100 from the outside and a function of reading data from the recording device 100 and outputting the data to the outside.

図12は、通信装置500の構成例を示す模式図である。通信装置500は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置500は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置500は、記録装置100と、通信部510とを備える。記録装置100は、図1から図9において説明したスキルミオン40の記録装置100である。通信部510は、通信装置500の外部との通信機能を有する。通信部510は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信および有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部510は、外部から受信したデータを記録装置100に書き込む機能、記録装置100から読み出したデータを外部に送信する機能、および、記録装置100が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。   FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the communication device 500. The communication device 500 refers to all devices having a communication function with the outside, such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet terminal. Communication device 500 may be portable or non-portable. The communication device 500 includes a recording device 100 and a communication unit 510. The recording apparatus 100 is the recording apparatus 100 of the skillion 40 described with reference to FIGS. The communication unit 510 has a communication function with the outside of the communication device 500. The communication unit 510 may have a wireless communication function, may have a wired communication function, and may have both wireless communication and wired communication functions. The communication unit 510 has at least a function of writing data received from the outside to the recording apparatus 100, a function of transmitting data read from the recording apparatus 100 to the outside, and a function of operating based on control information stored in the recording apparatus 100. Have one.

スキルミオン40は、直径が1nm〜100nmとナノスケールのサイズを有する磁気モーメントをもつ極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶媒体として応用することができる。よって、スキルミオン40は磁気ハードディスク用記憶媒体として利用できる。スキルミオン記憶媒体は電気的に書き込みと消去を行うことができる。そして、この書き込みと消去に要する時間もナノ秒以下である。こうした高密度大規模不揮発性磁気媒体を用いることで、ハードディスクに用いる大規模情報の高速記憶処理能力を大幅に向上させる。   The skyrmion 40 has a very fine structure having a magnetic moment with a nanoscale size of 1 nm to 100 nm in diameter, and can be applied as a large-capacity storage medium capable of extremely densifying enormous bit information. Therefore, the skyrmion 40 can be used as a magnetic hard disk storage medium. Skyrmion storage media can be electrically written and erased. The time required for writing and erasing is also nanoseconds or less. By using such a high-density large-scale non-volatile magnetic medium, the high-speed storage processing capability of large-scale information used for a hard disk is greatly improved.

また、画像記録装置やテレビジョン受像機にスキルミオン40を用いたメモリを搭載すれば、記憶可能な動画のデータ量を飛躍的に増やすことができる。また、スキルミオン40を用いたメモリは磁気メモリであるが故に、宇宙空間に飛び交う高エネルギー素粒子に対して高い耐性をもっている。電子に伴う電荷を記憶保持媒体として使うフラッシュメモリと大きく異なる長所を有する。このため宇宙空間飛行装置などの記憶媒体として重要である。   Further, if a memory using Skillion 40 is installed in an image recording device or a television receiver, the amount of moving image data that can be stored can be dramatically increased. In addition, since the memory using Skyrmion 40 is a magnetic memory, it has high resistance against high-energy elementary particles flying in outer space. The flash memory has an advantage that is different from that of a flash memory that uses a charge associated with electrons as a storage holding medium. Therefore, it is important as a storage medium such as a space flight device.

10 磁気ディスク、20 磁気ヘッド、22 コイル部、23 軟磁性体、24 電流回路、27 駆動部、32 磁性体、34 第1面、36 第2面、40 スキルミオン、50 磁場発生部、60 記録トラック、100 記録装置、300 データ処理装置、310 プロセッサ、400 データ記録装置、410 入出力装置、500 通信装置、510 通信部、600 ハードディスク、602 記録トラック、604 軟磁性体、612 磁性体ドットパターン、614 下部硬磁性体、616 上部軟磁性体   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetic disk, 20 Magnetic head, 22 Coil part, 23 Soft magnetic body, 24 Current circuit, 27 Drive part, 32 Magnetic body, 34 1st surface, 36 2nd surface, 40 Skyrmion, 50 Magnetic field generator, 60 Recording Track, 100 recording device, 300 data processing device, 310 processor, 400 data recording device, 410 input / output device, 500 communication device, 510 communication unit, 600 hard disk, 602 recording track, 604 soft magnetic material, 612 magnetic dot pattern, 614 Lower hard magnetic body, 616 Upper soft magnetic body

Claims (14)

スキルミオンの生成及び消去が可能な薄層状の磁性体と、
薄層状の前記磁性体の二次元平面の端部を囲む非磁性体と、
前記磁性体の第1面に対向して、前記磁性体の前記第1面に第1磁場を印加可能である薄層状の磁場発生部と
を備え、
薄層状の前記磁性体の平面の大きさが、幅をW、高さをhとすると、薄層状の前記磁性体に生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>W>0.5・λ、かつ、
2λ>h>0.5・λ
となるサイズを有する記憶媒体。
A thin layered magnetic material capable of generating and erasing skyrmions;
A non-magnetic material surrounding an end of a two-dimensional plane of the thin magnetic material;
A thin-layered magnetic field generator capable of applying a first magnetic field to the first surface of the magnetic body, facing the first surface of the magnetic body,
The size of the plane of the magnetic thin layer is, width W m, if the height and h m, to the diameter λ skills Mion generating the magnetic laminar,
2λ> W m > 0.5 · λ and
2λ> h m > 0.5 · λ
A storage medium having a size of
前記磁場発生部は、
前記第1磁場を前記磁性体に印加して前記磁性体を強磁性状態にする、
請求項1に記載の記憶媒体。
The magnetic field generator is
Applying the first magnetic field to the magnetic body to bring the magnetic body into a ferromagnetic state;
The storage medium according to claim 1.
前記磁性体は、カイラル磁性体、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、磁性材料と非磁性材料からなる積層構造のいずれかからなる、請求項1または2に記載の記憶媒体。   The storage medium according to claim 1, wherein the magnetic body is formed of any one of a chiral magnetic body, a dipole magnetic body, a frustrated magnetic body, or a laminated structure including a magnetic material and a nonmagnetic material. 請求項1から3のいずれか一項に記載の記憶媒体と、
磁気ヘッドと
を備え、
前記磁気ヘッドは、
薄層状の前記磁性体の前記第1面とは反対の面である第2面に対向して、前記第2面に第2磁場を印加可能であるコイル部を含み、
前記コイル部にパルス電流を流すことができる電流回路と、
前記磁気ヘッドを移動することができる駆動部と
を有する、
記録装置。
A storage medium according to any one of claims 1 to 3,
With a magnetic head,
The magnetic head is
A coil portion capable of applying a second magnetic field to the second surface opposite to the second surface, which is the surface opposite to the first surface of the thin layered magnetic body;
A current circuit capable of passing a pulse current through the coil section;
A drive unit capable of moving the magnetic head;
Recording device.
前記第2磁場を、薄層状の前記磁性体の端部を含む予め定められた端部領域Aに印加する、請求項4に記載の記録装置。   The recording apparatus according to claim 4, wherein the second magnetic field is applied to a predetermined end region A including an end of the thin layered magnetic body. 前記コイル部が薄層状の前記磁性体の前記第2面に前記第2磁場を印加する磁場印加領域Bは、前記磁性体の前記第2面の端部領域Aを含み、
前記端部領域Aの幅をWとし、高さをhとし、前記磁性体の幅をWすると、
=W、かつ、λ≧h>0.25・λ
であり、
前記磁気ヘッドを移動することにより、前記磁性体に印加する前記磁場印加領域を任意に設定可能である、
請求項4または5に記載の記録装置。
The magnetic field application region B for applying the second magnetic field to the second surface of the magnetic material having a thin coil portion includes the end region A of the second surface of the magnetic material,
When the width of the end region A is W a , the height is h a, and the width of the magnetic body is W m ,
W a = W m and λ ≧ h a > 0.25 · λ
And
By moving the magnetic head, the magnetic field application region to be applied to the magnetic body can be arbitrarily set.
The recording apparatus according to claim 4 or 5.
前記コイル部が発生する第2磁場は、前記第1磁場とは略逆方向に向かう前記第2磁場を前記第1磁場の強度より弱く前記磁性体に印加することにより、スキルミオンを生成する、
請求項4から6のいずれか一項に記載の記録装置。
The second magnetic field generated by the coil unit generates skirmions by applying the second magnetic field, which is directed in a direction substantially opposite to the first magnetic field, to the magnetic body, which is weaker than the intensity of the first magnetic field.
The recording apparatus according to any one of claims 4 to 6.
前記コイル部が薄層状の前記磁性体の前記第2面に前記第2磁場を印加する磁場印加領域Bは、前記磁性体の前記第2面の端部領域Aを含み、
前記端部領域Aの幅をWとし、高さをhとし、前記磁性体の幅をWすると、
=W、かつ、λ≧h≧0.6・λ
であり、
前記磁気ヘッドを移動することにより、前記磁性体に印加する前記磁場印加領域を任意に設定可能である、
請求項4から7のいずれか一項に記載の記録装置。
The magnetic field application region B for applying the second magnetic field to the second surface of the magnetic material having a thin coil portion includes the end region A of the second surface of the magnetic material,
When the width of the end region A is W a , the height is h a, and the width of the magnetic body is W m ,
W a = W m and λ ≧ h a ≧ 0.6 · λ
And
By moving the magnetic head, the magnetic field application region to be applied to the magnetic body can be arbitrarily set.
The recording apparatus according to any one of claims 4 to 7.
前記コイル部が、前記第1磁場の強度より弱く、前記第1磁場と略順方向に向かう第2磁場を前記磁性体に印加することにより、
生成した前記スキルミオンを消去する、
請求項8に記載の記録装置。
By applying a second magnetic field that is weaker than the strength of the first magnetic field and substantially in the forward direction to the first magnetic field to the magnetic body,
Delete the generated skyrmion,
The recording apparatus according to claim 8.
複数の前記磁性体を離間して平面状に備え、
複数の前記磁性体において、隣接する前記磁性体の間の最短距離をDとすると、前記コイル部が薄層状の前記磁性体の前記第2面に前記第2磁場を印加する磁場印加領域Bの高さhは、
2D+2.5・λ>h>0.25・λ
を満たし、
隣接する前記磁性体の間の最短距離をDとすると、前記磁場印加領域Bの幅Wは、
2D+2.5・λ>W>0.25・λ
を満たし、
前記コイル部が、前記第1磁場とは略逆方向に向かう前記第2磁場を前記第1磁場の強度より弱く前記磁性体に印加することにより、前記磁性体にスキルミオンを生成する、
請求項4から9のいずれか一項に記載の記録装置。
A plurality of the magnetic bodies are provided in a plane apart from each other,
A plurality of the magnetic body, if the shortest distance between said magnetic body adjacent to D y, the coil portion is the magnetic field application region B for applying the second magnetic field to the second surface of the magnetic thin layer The height h b of
2D y + 2.5 · λ> h b > 0.25 · λ
The filling,
When the shortest distance between the adjacent magnetic bodies is D x , the width W b of the magnetic field application region B is
2D x + 2.5 · λ> W b > 0.25 · λ
The filling,
The coil unit generates skirmions in the magnetic body by applying the second magnetic field, which is directed in a direction substantially opposite to the first magnetic field, to the magnetic body to be weaker than the intensity of the first magnetic field.
The recording apparatus according to any one of claims 4 to 9.
複数の前記磁性体を離間して平面状に備え、
複数の前記磁性体において、隣接する前記磁性体の間の最短距離をDとすると、前記コイル部が薄層状の前記磁性体の前記第2面に前記第2磁場を印加する磁場印加領域Bの高さhbは、
2D+3.2・λ>h>0.6・λ
を満たし、
隣接する前記磁性体の間の最短距離をDとすると、前記磁場印加領域Bの幅Wbは、
2D+3.2・λ>W>0.6・λ
を満たし、
前記コイル部が、前記第1磁場とは略逆方向に向かう前記第2磁場を前記第1磁場の強度より弱く前記磁性体に印加することにより、前記磁性体にスキルミオンを消去する、
請求項4から10のいずれか一項に記載の記録装置。
A plurality of the magnetic bodies are provided in a plane apart from each other,
A plurality of the magnetic body, if the shortest distance between said magnetic body adjacent to D y, the coil portion is the magnetic field application region B for applying the second magnetic field to the second surface of the magnetic thin layer The height h b of
2D y + 3.2 · λ> h b > 0.6 · λ
The filling,
When the shortest distance between adjacent magnetic bodies is D x , the width W b of the magnetic field application region B is
2D x + 3.2 · λ> W b > 0.6 · λ
The filling,
The coil unit erases skyrmions in the magnetic body by applying the second magnetic field, which is directed in a direction substantially opposite to the first magnetic field, to the magnetic body to be weaker than the intensity of the first magnetic field.
The recording apparatus according to any one of claims 4 to 10.
請求項4から11の何れか一項に記載の記録装置を搭載したデータ処理装置。   A data processing apparatus equipped with the recording apparatus according to any one of claims 4 to 11. 請求項4から11のいずれか一項に記載の記録装置を搭載したデータ記録装置。   The data recording device carrying the recording device as described in any one of Claims 4-11. 請求項4から11の何れか一項に記載の記録装置を搭載した通信装置。   The communication apparatus carrying the recording device as described in any one of Claims 4-11.
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