JP6539645B2 - 磁気素子、スキルミオンメモリおよびスキルミオンメモリを搭載した装置 - Google Patents
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Description
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]特願2012−232324
[特許文献2]米国特許第6834005号
[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.
図3は、第1の実施形態に係る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。
実施例1においてスキルミオンの転送方法において最適な磁性体幅についてのシミュレーション実験結果を示す。
スキルミオンSを転送する磁性体13の適切な最小の幅を図5に示す。ここでいう磁性体13の幅Wとは、あくまで上流側非磁性金属11から下流側非磁性金属12に至るまでの図中上下方向の幅である(以下、転送幅Wという。)。また、以下の図5〜7において互いに交差するnx、nyの軸で表現される濃淡は、nx、nyの軸上で表現した磁気モーメントの向きを示している。スキルミオンメモリを実装する場合、転送幅はメモリ集積度を決定する。そのために転送幅の最小幅を決定できたことはデザインルールを決めたことになり、設計指針として重要である。スキルミオンを横電流配置で転送する場合、最小の転送幅はスキルミオン直径λの0.5となる。
W≧0.5λ
である。
実施例2において複数のスキルミオンの転送方法において、磁性体13で転送される複数のスキルミオンの間隔dについてのシミュレーション実験結果を示す。
図8は、第2の実施形態に係るスキルミオンの消去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。
実施例1においてスキルミオンの消去方法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、[数8]および[数9]を用いて上述した。本シミュレーションでは、[数8]および[数9]で示した方程式を数値的に解いて実行した。
Lx1≧2λ
の場合、長方形の切り欠け21の下部において下流側非磁性金属12との間に形成した、幅の狭い転送経路22上で転送されてくるスキルミオン5は、当該切り欠け21の隅部21a右端で消去できる。なお、この図10においてLy1は、λと同等であり、転送経路22の径もλと同等である。
Lx1<2λであっても、上述と同様に切り欠け21の隅部21aにて当該スキルミオン5を消去することが可能となる。
図12は、磁性体13の上流側非磁性金属11の下端に沿った上辺の長さをLx1、下辺の長さLx2とした台形状の切り欠け21を磁性体13中に形成する場合におけるスキルミオン5の消去法についてのシミュレーション実験結果である。上述の構造において、図12(a)に示すような、転送速度の遅いスキルミオン5の場合、スキルミオン5は消去されずに通過してしまう。
Lx2>λ
図14は、磁性体13中に2つの切り欠け21b、21cを配置した場合のシミュレーション実験結果を示している。上流側非磁性金属11側から設けられた切り欠け21bと、下流側非磁性金属12側から設けられた切り欠け21cとの間に、スキルミオン5を転送するための転送経路22が形成されている。この転送経路22の幅(切り欠け21bと切り欠け21cとの間隙)をLy2とするとき、スキルミオン5の直径λとの間で以下の関係が成り立つ場合、スキルミオン5は、この転送経路22に進入することができない。
Ly2<λ
図17(A)〜(H)は、本実施形態を適用した磁気素子10における磁性体13中に形成された切り欠け21の構成例を示している。切り欠け21は、三角形状、四角形状、その他多角形状、鍵型、半円形上、半楕円形状であってもおく、また図17の形態に限定されること無く他のいかなる形状とされていてもよいことは勿論である。
図18は、第3の実施形態に係る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。
以下、そのスキルミオンの消去方法について実施例を通じて説明をする。
実施例1においてスキルミオンの転送ならびに消去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、[数8]および[数9]を用いて上述した。本シミュレーションでは、[数8]および[数9]で示した方程式を数値的に解いて実行した。
電流密度を0.002ξjとした上で、印加する電流時間依存性をシミュレーションの条件を図22、図24に示す。図22に示すように印加電流密度を0.002ξjとし、その印加時間を6000(1/J)とした場合、図23に示すようにスキルミオンSを2個とも消去できた。しかし、図24に示すように、電流密度0.002ξjの印加時間が5000(1/J)では、図25に示すようにスキルミオンSを2個とも消去できないことが分かった。この場合は、2個のスキルミオンSの間隙も拡大してしまうことが分かる。したがって、電流密度0.002ξjの場合、印加時間を6000(1/J)以上印加し続けることが必要であることが分かる。
電流密度0.0013ξjとした場合のスキルミオン消去のシミュレーション条件を図26、図28、図30に示す。図27は、図26に示したシミュレーション条件におけるスキルミオンSの状態を示す。図27(a)は印加時間が0(1/J)での磁性体13中の2個のスキルミオンSの状態を示す。図27(b)は時刻27000(1/J)での磁性体13中の2個のスキルミオンSの状態を示す。時刻27000(1/J)で、磁性体13中の2個のスキルミオンSを消去できる。
2 磁気センサ
5 スキルミオン
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
21 切り欠け
22 転送経路
S スキルミオン
100 装置
110 スキルミオンメモリ
140 プロセッサ
Claims (16)
- スキルミオンを転送可能な薄層状の磁気素子であって、
磁場強度によってカイラル磁性相、スキルミオン相および強磁性相になる、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、
前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に流す電流の方向を、1又は複数のスキルミオンを転送する方向に対して略垂直に配置した横電流配置であり、
前記磁性体に磁場を印加した状態で、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより、前記スキルミオンが転送されることを特徴とする磁気素子。 - 前記磁性体における上流側非磁性金属から下流側非磁性金属に至る幅wは、スキルミオンの直径をλとしたとき、w≧0.5λであること
を特徴とする請求項1に記載の磁気素子。 - 前記磁性体は、転送される複数のスキルミオンの間隔dがスキルミオンの直径λの2倍以上である場合に、その間隔dを保持しつつスキルミオンを転送すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の磁気素子。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気素子と、
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、
前記電源は、上流側非磁性金属と下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより、1又は複数のスキルミオンを転送すること
を特徴とするスキルミオンメモリ。 - スキルミオンを転送可能な薄層状の磁気素子であって、
磁場強度によってカイラル磁性相、スキルミオン相および強磁性相になる、薄層状で切り欠けを有する磁性体と、
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、
前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に流す電流の方向を、1又は複数のスキルミオンを転送する方向に対して略垂直に配置した横電流配置であり、
前記磁性体の前記切り欠けは、前記上流側非磁性金属に接する前記磁性体の端部、および、前記下流側非磁性金属に接する前記磁性体の端部の少なくとも一方に設けられており、
前記磁性体に磁場を印加した状態で、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより、前記スキルミオンが転送され、前記磁性体中で転送される1又は複数のスキルミオンが、前記切り欠けを介して消去されることを特徴とする磁気素子。 - 前記磁性体は、前記上流側非磁性金属に接する前記磁性体の端部から前記切り欠けが設けられ、当該切り欠けの内周端に上流側非磁性金属を接触させてなること
を特徴とする請求項5に記載の磁気素子。 - 前記磁性体は、前記切り欠けの隅部において前記スキルミオンを消去すること
を特徴とする請求項5又は6に記載の磁気素子。 - 前記磁性体は、前記上流側非磁性金属に接する前記磁性体の端部から長方形状の前記切り欠けが設けられ、
前記切り欠けは、前記電流の印加方向に対する略直交方向の長さLxが、スキルミオンの直径λの2倍以上であること
を特徴とする請求項5〜7のうち何れか1項に記載の磁気素子。 - 前記磁性体は、前記上流側非磁性金属に接する前記磁性体の端部から前記下流側非磁性金属側に向けて縮径化する台形状の前記切り欠けが設けられ、
前記切り欠けにおける前記下流側非磁性金属側により近い下辺の長さLx2は、スキルミオンの直径λより大きいこと
を特徴とする請求項5〜7のうち何れか1項に記載の磁気素子。 - 前記切り欠けと前記下流側非磁性金属との間に形成される転送経路の幅、又は複数の切り欠け間に形成される転送経路の幅は、スキルミオンの直径λ以上であること
を特徴とする請求項5〜9のうち何れか1項に記載の磁気素子。 - 請求項5〜10の何れか1項記載の磁気素子と、
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、
前記電源は、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより、前記磁性体中で1又は複数のスキルミオンを、前記切り欠けを介して消去すること
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、または、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11に記載のスキルミオンメモリ。
- スキルミオンを転送可能な薄層状の磁気素子であって、
磁場強度によってカイラル磁性相、スキルミオン相および強磁性相になる、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、
前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に流す電流の方向を、1又は複数のスキルミオンを転送する方向に対して略垂直に配置した横電流配置であり、
前記磁性体に磁場を印加した状態で、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより前記スキルミオンが転送され、前記磁性体中でスキルミオンを転送する際に印加される電流よりも大きな電流を前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に印加することにより、前記磁性体中で転送される1又は複数のスキルミオンが消去されることを特徴とする磁気素子。 - 請求項13に記載の磁気素子と、
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、
前記電源は、前記上流側非磁性金属と前記下流側非磁性金属との間に電流を印加することにより、前記磁性体中で転送される1又は複数のスキルミオンを消去することを特徴とするスキルミオンメモリ。 - 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、および、磁性材料と非磁性材料との積層界面構造のうちのいずれかからなることを特徴とする、
請求項1〜3、5〜10、および、13の何れか1項に記載の磁気素子。 - 請求項4、11、12および14の何れか1項に記載のスキルミオンメモリを搭載した装置。
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