JP6463697B2 - 磁気素子及びスキルミオンメモリ - Google Patents
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Description
本発明は、スキルミオンを転送可能な磁気素子及びこの磁気素子を応用したスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、スキルミオンメモリを内蔵したパーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビジョン受像機、自走装置、飛行装置及び宇宙空間飛行装置に関する。
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は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリを担う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。
さらに近年、不揮発性メモリをシリコン基板上に作られたＣＭＯＳデバイスに搭載し、計算処理能力の飛躍的向上を目的とした磁気メモリＣＭＯＳ混載の研究開発が精力的に行われている。
これは、ＣＭＯＳ回路で構成されたシリコンチップと不揮発性素子チップとの信号のやり取りに伴う、制御回路の省略、制御時間の短縮を目的としたもので、計算処理時間を飛躍的に向上させる技術である。
さらに、この研究開発は、無駄な回路部分への電力を遮断した超省電力デバイスの開発も目的としている。特に近年はＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスの省電力化が重要な課題として浮上しており、待機電力の省力化課題の重要性は増している。
これが実現すると、大規模情報が扱え、その応答は高速で、高機能で人間にやさしいヒューマンインターフェイスをもちなおかつ低消費電力のパーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置などの大容量メモリとして応用展開が期待できる。
こうした状況下で、本願発明者らは、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尚かつ電流によりスキルミオンを駆動できることを見出し、この磁気構造体を用いた磁気素子を提案した（特許文献１）。
スキルミオンは中心部において印加された磁場に対して反平行の磁化を有し、周辺部においては印加され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。
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し、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磁気素子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、このビット情報を直接転送し、情報演算や伝達に応用できる可能性を秘めた磁気構造体でもある。
こうした特徴から、スキルミオン素子は、要求される記憶容量が増大の一途をたどるデータ記録媒体およびデータ記録装置用磁気メモリの性能限界にブレークスルーを与える次世代型磁気メモリデバイスの根幹を担うものとして期待されている。
特に磁気メモリは宇宙空間での各種の素粒子や放射線への耐性が強い。スキルミオンメモリも同じ特徴を有している。モーターなどの回転機構を必要としない大容量磁気メモリは宇宙空間におけるメモリの主役としての位置を占めると期待される。
一方で、最近メモリ媒体として浮上している電子を記憶ビットとして利用するフラッシュメモリはこのような環境には適さない。電子は高エネルギー素粒子や放射線によりシリコン酸化膜のエネルギー障壁を簡単に乗り越え、データの消失や誤書き込みを発生させるからである。
また、大規模不揮発性スキルミオンメモリが大規模論理ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスとチップが一体化されると、低消費電力型ＣＭＯＳデバイスや高インテリジェント型ＣＭＯＳデバイスにとって大変魅力的であり、こうした技術を応用した高密度不揮発性スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスの登場が期待されている。
こうした次世代型のメモリデバイスの他の候補としては、米国ＩＢＭを中心に磁気ドメイン磁壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出すマグネチックレイスメモリ１が提案されている（特許文献２参照）。
図６は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの方向が相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。矢印方向の電流により磁気ドメイン磁壁が駆動される。ドメイン磁壁が移動することによりドメインを構成する情報を記憶した磁気モーメント方向による磁気変化を下部の磁気センサ２で検知して磁気情報を引き出す。
しかし、こうしたマグネチックレイスメモリ１は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流が必要であり、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。
そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した（特許文献１参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
従来、特定の形状をしたパーマロイなどの材料のエッジに磁気バブルを固定するとともに、磁界を回転させることにより、磁気バブルをエッジ上に動かしていた。すなわち、磁気バブルを用いた磁気素子メモリでは、常に回転磁界が必要となっていた。
これに対して、本願発明者らは、磁気バブルではなくスキルミオンを用いるとともに、これを回転磁界ではなく電流で直接駆動できることを示した。
このように、スキルミオンは電流による生成及び移動が可能であることから、磁気情報の生成、移動を直接電流で制御できる磁気素子としての応用が期待されている。
上述したように、メモリや論理演算等のデバイスにスキルミオンを応用することへの期待が高まっているが、スキルミオンの移動と駆動電流との関係等の詳細が明らかではなかったため、スキルミオンメモリを実現することができない状況であった。
そこで、本願発明者はスキルミオンの移動と駆動電流との関係等の詳細を明らかにした上で、低消費電力で従来の磁気ドメイン磁壁等の転送よりも高速でスキルミオンを転送することのできる磁気素子及びスキルミオンメモリを開発した。
また、こうした磁気素子及びスキルミオンメモリは、磁性不純物の存在下においても安定的にスキルミオンの転送を行えるものであることが好ましい。
すなわち、本願発明は、低消費電力で転送高速化が可能であるとともに、磁性不純物に対して安定的にスキルミオン転送を行うことのできる磁気素子及びこの磁気素子が応用されたスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵したパーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビジョン受像機、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置の提供を目的とする。
第１発明に係る磁気素子は、スキルミオンを転送可能な薄層状の磁気素子であって、薄層状の磁性体と、前記磁性体の延展方向に接続された薄層状の導電体である上流側非磁性金属と、前記上流側非磁性金属と離間して前記磁性体に接続された薄層状の導電体である下流側非磁性金属と、を備えることを特徴とする。
第２発明に係る磁気素子は、第１発明において、前記下流側非磁性金属は、前記磁性体の延展方向に接続されていることを特徴とする。
第３発明に係る磁気素子は、第１発明において、前記下流側非磁性金属は、前記磁性体に積層されて接続されていることを特徴とする。
第４発明に係る磁気素子は、第１〜第３発明の何れか１つの発明において、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ及びＡｕのうち何れか１つより形成されていることを特徴とする。
第５発明に係る磁気素子は、第１〜第４発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はカイラル磁性体よりなることを特徴とする。
第６発明に係る磁気素子は、第１〜第４発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はダイポール磁性体よりなることを特徴とする。
第７発明に係る磁気素子は、第１〜第４発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はフラストレート磁性体よりなることを特徴とする。
第８発明に係るスキルミオンメモリは、薄層状の磁性体、前記磁性体の延展方向に接続された薄層状の導電体である上流側非磁性金属及び前記上流側非磁性金属と離間して前記磁性体に接続された薄層状の導電体である下流側非磁性金属を有する磁気素子と、前記磁気素子の前記上流側非磁性金属及び前記下流側非磁性金属に接続され、前記上流側非磁性金属から前記下流側非磁性金属に向けて電流を印加する電源と、前記磁性体の一面側に対向して設けられた磁場発生部と、を備えて構成されることを特徴とする。
第９発明に係るスキルミオンメモリは、第８発明において、前記下流側非磁性金属は、前記磁性体の延展方向に接続されていることを特徴とする。
第１０発明に係るスキルミオンメモリは、第８発明において、前記下流側非磁性金属は、前記磁性体に積層されて接続されていることを特徴とする。
第１１発明に係るスキルミオンメモリは、第８〜第１０発明の何れか１つの発明において、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ及びＡｕのうち何れか１つより形成されていることを特徴とする。
第１２発明に係るスキルミオンメモリは、第８〜第１１発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はカイラル磁性体よりなることを特徴とする。
第１３発明に係るスキルミオンメモリは、第８〜第１１発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はダイポール系磁性体よりなることを特徴とする。
第１４発明に係るスキルミオンメモリは、第８〜第１１発明の何れか１つの発明において、前記磁性体はフラストレート磁性体よりなることを特徴とする。
第１５発明に係るスキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスは、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリとＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスが同一チップ内に形成されていることを特徴とする。
第１６発明に係るパーソナルコンピュータは、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第１７発明に係るデータ記録媒体は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第１８発明に係るデータ記録装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第１９発明に係る携帯電話は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２０発明に係るスマートホンは、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２１発明に係るデジタルカメラは、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２２発明に係るスティックメモリは、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２３発明に係る通信装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２４発明に係る画像記録装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２５発明に係るテレビジョン受像機は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２６発明に係る自走装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２７発明に係る飛行装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
第２８発明に係る宇宙空間飛行装置は、第８〜第１４発明の何れか１つの発明に係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
上述した構成からなる本発明によれば、低消費電力で転送高速化が可能であるとともに、磁性不純物に対して安定的にスキルミオン転送を行うことのできる磁気素子及びこの磁気素子が応用されたスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵した、パーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、磁性体中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの一例を示す模式図である。図１において、矢印は磁気モーメントの向きを示している。
スキルミオンは、あらゆる方向を向く磁気モーメントで構成されている。磁性体中に印加される磁場の向きが図中上向きである場合に、最外周磁気モーメントは、その磁場の方向と同様に上向きで、かつ磁場と平行とされている。
スキルミオンは、その最外周から渦巻状に内側へ向けて回転していく平面形態とされ、これに伴って磁気モーメントの方向は徐々に向きを変えることとなる。
そしてスキルミオンの中心を構成する磁気モーメントは、磁場と反平行となるように、下向きで安定することとなる。
スキルミオンでは、磁気モーメントが中心から最外周に至るまで下向きから上向きに方向が連続的に遷移しつつ規則的に並ぶ結果、複数の磁気モーメントが渦のように規則的に並んだ構造をしている。中心の磁気モーメントと最外周の磁気モーメントの向きは反平行で、中心から外周の間に向きは連続的にねじれ、渦巻き構造を形成する。
ここで、磁性体中に渦巻くナノスケール磁気構造体は、スキルミオン数で特徴づけられる。スキルミオン数は、単位空間あたり何回磁気モーメントが渦巻くかを示す、以下の［数１］及び［数２］で表現される。［数２］において、磁気モーメントとの極角Θ（ｒ）はスキルミオンの中心からの距離ｒの連続関数であり、ｒを０から無限まで変化させたとき、πからゼロもしくはゼロからπに変化する。
このようなスキルミオン数Ｎｓｋ＝±１の場合の一例を図２に示した。図２は、位相が異なるスキルミオンを示す模式図である。図２（Ｅ）は座標のとりかた（右手系）を示している。ｘ軸、ｙ軸に対してｚ軸は紙面の裏から手前方向に向けて設ける。矢印は磁気モーメントを示している。この図２に示す磁気構造体は、スキルミオンと定義される状態にある。
γは磁気モーメント間の位相を示している。図２では、異なる位相γの４例（Ａ）〜（Ｄ）が示されている。
（Ａ）γ＝０に対して（Ｂ）γ＝πのすべての磁気モーメントの向きは丁度１８０°回転した磁気モーメントの向きを持っている。
（Ｃ）γ＝−π／２はγ＝０のすべての磁気モーメントの向きに対し、−９０°（右回りに９０°）の磁気モーメントの向きをとる。なお、図２（Ｄ）の位相λ＝π／２のスキルミオンが、図１のスキルミオンに相当する。
すなわち、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性構造体である。
このような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、外部磁場印加下のジャロシンスキー・守谷相互作用をもったカイラル磁性体中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
次に、このようなスキルミオン数Ｎｓｋ＝±１のナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの運動を以下に記述する。
図３は、スキルミオンの転送を可能とする磁気素子１０を示す模式図である。磁気素子１０は、厚さが５００ｎｍ以下の薄層状に形成された素子であり、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やスパッター等の技術を用いて形成されている。
磁気素子１０は、カイラル磁性体よりなる薄層状の磁性体１３と、磁性体１３の延展方向に接続された薄層状の導電体である上流側非磁性金属１１と、上流側非磁性金属１１と離間して磁性体１３に接続された薄層状の導電体である下流側非磁性金属１２と、を備えて構成されている。
上流側非磁性金属１１及び下流側非磁性金属１２は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性の非磁性金属よりなる。
磁性体１３はカイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等よりなる。
本実施形態においては、下流側非磁性金属１２は、磁性体１３の延展方向に接続されている。しかし、本発明においてはこれに限らず、下流側非磁性金属１２を、磁性体１３に積層して接続する態様としてもよい。
この磁気素子１０を用いてスキルミオンを生成、転送させる際には、上流側非磁性金属１１及び下流側非磁性金属１２に電源１４が接続される。また、磁気素子１０の磁性体１３の図３における下面側には、磁性体１３に対向して磁場発生部１５が設けられる。この磁気素子１０、電源１４及び磁場発生部１５を備えてスキルミオンメモリが構成されている。
電源１４から上流側非磁性金属１１に電流が印加されると、電流は図３の矢印Ａの方向、すなわち上流側非磁性金属１１から磁性体１３を経て下流側非磁性金属１２へと流れていく。
また、磁場発生部１５が磁気素子１０に対して、矢印Ｂの方向に向けて磁場を印加する。カイラル磁性体は、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状に回転する磁性体である。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を安定化する磁性体となる。
磁気素子１０に対して上述した方向に電流及び磁場が印加されると、磁気素子１０の中のスキルミオンＳは、磁性体１３の上流側非磁性金属１１に隣接した縁部に沿って矢印Ｃの方向に移動する。
こうしたスキルミオンの運動は、以下の論理を用いて説明することができる。
Ｒ＝（Ｘ，Ｙ）は磁気構造体の中心位置を示す。ＶｄはＲの時間微分で磁気構造体の速度を示す。この磁気構造体の振る舞いは下記の［数３］で示す運動方程式から導かれる。
上記［数３］中、Ｘは外積を示す。Ｖｓ＝−（ｐａ／２ｅＭ）Ｊであり、伝導電子の速度を示している。Ｍは磁化、ｐは伝導電子のスピン偏極、ａは格子常数である。
第３項Ｆは電極と磁性体との境界、不純物、磁場等から磁気構造体に働く力である。
磁気構造体の運動を特徴付けるマグナスベクトルＧはｚ方向に沿った単位ｅｚでＧ＝Ｇｅｚである。Ｇはスキルミオン数を用いて、Ｇ＝４πＮｓｋと表される。Ｎｓｋはスキルミオン数である。
スキルミオンの場合、スキルミオン数Ｎｓｋ＝±１である。一方、ドメイン磁壁の場合、スキルミオン数Ｎｓｋ＝０であり、Ｇ＝０である。
第２項は散逸過程を示す。αはギルバート減衰係数で、βは非断熱過程を示す。そしてβ＜αである。Ｄのテンソル成分ＤｉｊはＤｘｘ＝Ｄｙｙ＝Ｄ〜４πでその他は０である。Ｎｓｋ＝±１のスキルミオンの場合、［数３］の第２項を無視することができ、｜ＧＶｓ｜＞＞｜Ｆ｜のとき、Ｖｄ＝Ｖｓとなる。
この［数３］において、Ｉｗａｓａｋｉ， Ｊ．， Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ， Ｍ． ＆ Ｎａｇａｏｓａ， Ｎ．， Ｎａｔ． Ｃｏｍｍｕｎ． ４， １４６３（２０１３）に記載されているものと同様の適当なパラメータセットを用いることで、ｊ＝１０１０Ａ／ｍ２の場合、｜Ｖｄ｜＝〜１ｍ／ｓｅｃとなる。
ところで近年、情報伝達媒体として磁壁を使う技術が盛んに研究されている。磁壁の運動では、［数３］の第１項のＧは０である。そして、β｜Ｖｓ｜＞＞｜Ｆ｜が満足されるとき、［数３］はＶｄ＝（β/α）Ｖｓとなる。
β＜αなので、磁壁は小さい電流密度では転送することができないことが分かる。また、臨界電流以上の電流を流しても、磁壁の転送速度は遅い。これが磁壁転送に大きな電流密度が要求される理由である。
Ｎｓｋ＝±１のスキルミオンの場合はこのような臨界電流密度は存在せず、小さな電流密度でも転送可能となる。スキルミオン数Ｎｓｋ＝±１のスキルミオンを記憶単位として利用することの優位性はこの点にある。
しかし、上述した解析からでは、まだスキルミオンの速度と磁壁の速度との違いは明確ではない。必要な電流密度１０１０Ａ／ｍ２ではスキルミオン速度、磁壁速度はともに｜Ｖｄ｜＝１ｍ／ｓｅｃである。逆にいえば、スキルミオン速度｜Ｖｄ｜＝１ｍ／ｓｅｃとするためには大きな電流密度である１０１０Ａ／ｍ２が必要である。
スキルミオンの移動速度が磁壁移動の速度より大きくなることを以下に説明する。
まず、｜Ｖｄ｜＝η｜Ｖｓ｜とし、η＞＞１となるηの量を検討していく。
図２において、電子の流れ方向をｙ軸、スキルミオンの流れの方向をｘ軸とする。このような配置の場合、スピントランスファートルク効果が発生する。
Ｖｄ＝（Ｖｄｘ、０、０）、Ｖｓ＝（０、Ｖｓｙ、０）、Ｆ＝（０、Ｆｙ、０）、Ｇ＝（０、０、Ｇ）とすると、［数３］から［数４］が得られる。
この［数４］から［数５］及び［数６］が得られる。
［数６］が主要結果である。Ｇ＝４π、Ｄ〜４πであるから、以下の［数７］を得ることができる。
このとき、α〜１０−２−１０−３であるため、ηは１０２−１０３となる。これは、スキルミオンの速度をドメイン磁壁の速度の１００倍から１０００倍にすることが可能であることを示している。
不純物などによるピンニング効果についても議論できる。Ｆｘ ｐｉｎを［数４］に加えればよい。
閾値Ｖｓｙは［数４］と同様で、（Ｖｓｙ）ｔｈ＝Ｆｘ ｐｉｎ／（４π）となり、ドメイン磁壁への影響と比較し、小さな閾値を与えるに過ぎない。
すなわち、ピンニング効果がスキルミオン速度に与える影響は小さく、散乱効果からの影響も小さい。この特徴も、デバイスにスキルミオン転送方法を応用する際の大きなメリットとなる。
以上から、スキルミオンの移動速度は、ドメイン磁壁の移動速度の１００倍から１０００倍となることが分かる。
そして、上述した理論的解析から、非磁性の対向電極に沿って運動するスキルミオンが検討可能となり、最適な転送方法を実現することができる。
なお、磁性体が螺旋磁性を示すカイラル磁性体ではなく、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体であっても、上述した結論を適用することができる。
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。
次に、上述した理論的解析の結果について、詳細な実施例で実証する。
スキルミオンの運動はＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ（ＬＬＧ）方程式で記述される。以下、断熱、非断熱スピントランスファートルク項をもつ［数８］のＬＬＧ方程式を数値的に解く。
また、カイラル磁性体でのハミルトニアンは、［数９］で表すことができる。
ここで、Ｂｒ ｅｆｆ=−(１/（ｈγ）)（∂Ｈ/∂Ｍｒ）により、[数８]と[数９]とが関連付けられる。γ＝ｇμＢ/ｈ(＞０)は磁気回転比である。ｈはプランク定数である。Ｍｒは無次元量で磁化を示す。Ａは磁性不純物による磁気異方性を示す。
ここで、[数９]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。
本実施例では、不純物がないＡ＝０の場合をシミュレートする。本実施例では、ｘ方向に周期条件を置き、ｙ方向の周期境界条件は置かず、非磁性体からなる電極配置はｘ軸に平行に配置され、磁場は裏から表方向に印加される、という条件で、ＬＬＧ方程式を用いてシミュレーションを行っている。
このような条件下でのシミュレーション結果を図４に示す。図４は、スキルミオンの位置の時間に応じた変化を示す模式図である。図４では、時刻ｔ（単位は１／Ｊ）が０、１５０００及び３００００の３つの場合におけるスキルミオンの位置が示されている。
電流は上から下に、電子流は下から上に流れる配置の場合、スキルミオンは、右方向に上部の非磁性電極端に沿い、電極から一定の距離を保ち移動する。このとき、スキルミオンは速度を増して、一定速度で、右に流れることが判る。このような配置の場合、スピントランスファートルク効果が発生し、上部の非磁性電極に沿って推力が働き、スキルミオンを左から右に移動することができる。
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でもフラストレート磁性体でも変更をきたさない。
本実施例では、スキルミオンが移動する場所に不純物が存在する場合（Ａ≠０）のシミュレーションを行う。本実施例におけるシミュレーションの結果を図５に示す。
図５のＸで示す位置に磁性不純物が置かれているにも関わらず、スキルミオンは特に影響を受けることなく移動する。また、スキルミオンは、上部の非磁性電極に沿って左から右に定常的に流動する。
このように、スキルミオンは、不純物による影響、すなわち、磁性イオン不純物、磁性材料の凹凸や不規則形状の影響等を受けることなく移動することができるため、実用上大変有用且つ重要な特質を有している。
なお、ここに述べた磁性不純物が存在する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でもフラストレート磁性体でも変更をきたさない。
以上、実施例１、２で示したように、磁性体中に発生したスキルミオンを、対向する非磁性電極に沿って動かすことが可能であることが明らかになった。
このスキルミオンの移動は磁性不純物等からの影響もほとんど受けず、安定的に行われる。これは、スピントランスファートルク機構に起因するものである。
このように、本願発明が、スキルミオン転送方式の最適の配置を示し、低消費電力で転送高速化が可能であること、なおかつ磁性不純物に対して安定的にスキルミオン転送を行えることを示したことは、スキルミオンを用いた磁気素子及びこの磁気素子を応用したスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵した、パーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置を実用化する上で大きなインパクトをもたらすと期待できる。
スキルミオンは、直径が１〜１００ｎｍとナノスケールのサイズを有する極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶磁気素子として応用することができる。
また、スキルミオンはこのビット情報を直接転送し、情報演算や伝達に応用できる磁気構造体であり、現在の情報演算として用いられているＳｉベースのＣＭＯＳ微細化デバイスの限界をブレークスルーする次世代型デバイスの根幹を担うデバイスとして期待される。特に本発明によりスキルミオンの転送方式の最適配置が実現したことは、この実現性に大きく寄与する。
１ マグネチックレイスメモリ
２ 磁気センサ
１０ 磁気素子
１１ 上流側非磁性金属
１２ 下流側非磁性金属
１３ 磁性体
１４ 電源
１５ 磁場発生部
Ｓ スキルミオン
２ 磁気センサ
１０ 磁気素子
１１ 上流側非磁性金属
１２ 下流側非磁性金属
１３ 磁性体
１４ 電源
１５ 磁場発生部
Ｓ スキルミオン
Claims (28)
- スキルミオンを転送可能な薄層状の磁気素子であって、
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の延展方向に接続された薄層状の導電体である上流側非磁性金属と、
前記上流側非磁性金属と離間して前記磁性体に接続された薄層状の導電体である下流側非磁性金属と、
を備えることを特徴とする磁気素子。 - 前記下流側非磁性金属は、前記磁性体の延展方向に接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気素子。
- 前記下流側非磁性金属は、前記磁性体に積層されて接続されていることを特徴とする請求項１記載の磁気素子。
- 前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ及びＡｕのうち何れか１つより形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の磁気素子。
- 前記磁性体はカイラル磁性体よりなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の磁気素子。
- 前記磁性体はダイポール磁性体よりなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の磁気素子。
- 前記磁性体はフラストレート磁性体よりなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の磁気素子。
- 薄層状の磁性体、前記磁性体の延展方向に接続された薄層状の導電体である上流側非磁性金属及び前記上流側非磁性金属と離間して前記磁性体に接続された薄層状の導電体である下流側非磁性金属を有する磁気素子と、
前記磁気素子の前記上流側非磁性金属及び前記下流側非磁性金属に接続され、前記上流側非磁性金属から前記下流側非磁性金属に向けて電流を印加する電源と、
前記磁性体の一面側に対向して設けられた磁場発生部と、
を備えて構成されることを特徴とするスキルミオンメモリ。 - 前記下流側非磁性金属は、前記磁性体の延展方向に接続されていることを特徴とする請求項８記載のスキルミオンメモリ。
- 前記下流側非磁性金属は、前記磁性体に積層されて接続されていることを特徴とする請求項８記載のスキルミオンメモリ。
- 前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ及びＡｕのうち何れか１つより形成されていることを特徴とする請求項８から１０の何れか１項記載のスキルミオンメモリ。
- 前記磁性体はカイラル磁性体よりなることを特徴とする請求項８から１１の何れか１項記載のスキルミオンメモリ。
- 前記磁性体はダイポール磁性体よりなることを特徴とする請求項８から１１の何れか１項記載のスキルミオンメモリ。
- 前記磁性体はフラストレート磁性体よりなることを特徴とする請求項８から１１の何れか１項記載のスキルミオンメモリ。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリとＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスが同一チップ内に形成されていることを特徴とするスキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするパーソナルコンピュータ。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするデータ記録媒体。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするデータ記録装置。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする携帯電話。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするスマートホン。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするスティックメモリ。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする通信装置。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする画像記録装置。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とするテレビジョン受像機。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする自走装置。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする飛行装置。
- 請求項８から１４の何れか１項記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする宇宙空間飛行装置。
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