JP6607737B2 - 磁気素子、スキルミオンメモリ及び演算処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気素子、スキルミオンメモリ及び演算処理装置に関する。

熱エネルギーを印加することによりデータを記録する装置の例として、ＤＶＤ＋ＲＷがある。画像記録装置に用いるＤＶＤ＋ＲＷの記憶容量は、ブルーレーザの登場により、数十ＧＢ容量と飛躍的に増加した。このＤＶＤ＋ＲＷは書き換えが可能である相変化型メモリを用いる（特許文献１）。

相変化型メモリの場合、情報を書き込むときは局所熱によりＧｅＴｅなどの材料の一部を結晶相からアモルファス相に相変化させる。結晶相の低抵抗状態とアモルファス相の高抵抗状態との抵抗変化をビット情報として利用する（特許文献１）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００６−２２１７１２号公報

しかしながら、従来の相変化型メモリでは、結晶相からアモルファス相への転移時間に限界があり、転移時間以上に高速化できない。また、アモルファス相から結晶相への転移時間の短縮化には、アモルファス相の部分を従来よりもさらに細くする等の技術開発課題がある。

本発明の第１の態様においては、安定状態において、螺旋型の磁気構造を有する磁性体と、螺旋型の磁気構造を有する磁性体にエネルギーを供給することにより、磁性体にスキルミオンを発生させるスキルミオン制御部とを備える磁気素子を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の態様に係る磁気素子を備えるスキルミオンメモリを提供する。

本発明の第３の態様においては、第２の態様に係るスキルミオンメモリを備える演算処理装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

磁性体１０に生成されたスキルミオン４０の一例を示す模式図である ヘリシテイγが異なるスキルミオンを示す図である。 安定状態における磁性体１０の磁気相図の一例を示す。 準安定状態を含む磁性体１０の磁気相図の一例を示す。 電流加熱による準安定スキルミオン状態の設定とリセットの説明図である。 光吸収加熱方式の磁気素子１００の構成の一例を示す。 ジュール加熱方式の磁気素子１００の構成の一例を示す。 温度２３Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。 温度２０Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。 温度１０Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。 温度５Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。 急冷スキルミオン相の消滅に関する緩和時間τを示す。 急冷スキルミオン相の緩和時間τの温度依存性を示す。 試料ホルダの温度５Ｋでの抵抗率分布を示す。 試料ホルダの温度１０Ｋでの抵抗率分布を示す。 試料ホルダの温度２３Ｋでの抵抗率分布を示す。 スキルミオン相の設定工程及びリセット工程を示す。 スキルミオン相の設定工程及びリセット工程のスイッチング動作を示す。 演算処理装置３００の構成例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許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され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。

図１は、磁性体１０に生成されたスキルミオン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軸及び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。

磁性体１０は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１０中に配置し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１０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。

スキルミオン４０において、磁気モーメントを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する。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渦の中心に向かって徐々にプラスｚ方向からマイナスｚ方向へ向きを変える。

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１０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をその厚さ方向は同じ向きの磁気モーメントで構成している。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。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。

スキルミオン数Ｎｓｋは、渦巻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。以下の［数１］及び［数２］は、スキルミオン数Ｎｓｋを表現する。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との間の極角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からゼロまで又はゼロからπまで変化する。

ベクトル量ｎ（ｒ）は、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントの向きを表す。

［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］及び［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。

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_ｘ軸及びｎ_ｙ軸に対してｎ_ｚ軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。また、濃淡と磁気モーメントの向きとの関係を、図２（Ｅ）に示す。

図２（Ａ）から図２（Ｄ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各矢印は、スキルミオン４０の中心から所定の距離だけ離れた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を定義する状態にある。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の最外周のように、濃淡が最も淡い領域は、紙面の裏面から手前方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを白色で表す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、紙面の手前から裏面方向の磁気モーメントを示している。なお、図では当該磁気モーメントを黒色で表す。

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。

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４０が、図１のスキルミオン４０に相当する。

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４０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１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。

図３は、安定状態における磁性体１０の磁気相図の一例を示す。横軸は、磁性体１０の温度（Ｋ）を示し、縦軸は、磁性体１０に外部から印加する磁場（Ｔ）を示す。本明細書において、安定状態とは、予め定められた温度と磁場が与えられた場合において、磁性体１０の磁気構造が安定している状態を指す。安定状態における磁性体１０の磁気構造は、磁性体１０の温度及び印加する磁場に応じて強磁性相、コニカル相、ヘリカル相、平衡スキルミオン相に大きく分けられる。また、本明細書において、コニカル相及びヘリカル相の磁気構造をまとめて螺旋型の磁気構造と称する。安定状態において、磁性体１０がどのような磁気構造を取るかは、主に磁性体１０の材料によって決まる。

平衡スキルミオン相は、磁性体１０にスキルミオン４０が安定的に生じる相である。平衡スキルミオン相は、磁気相図において、強磁性相、コニカル相及びヘリカル相の境界付近に位置する。また、平衡スキルミオン相は、磁気相図において、コニカル相及びヘリカル相よりも高温側に位置する。平衡スキルミオン相は、他の相と比較して磁気相図における範囲が狭い。そのため、平衡スキルミオン相においてスキルミオン４０を生成するには、磁性体１０の温度及び印加する磁場に関し、多くの制約が伴う。また、平衡スキルミオン相において、スキルミオン４０の生成及び消去を制御することは困難である。

図４は、準安定状態を含む磁性体１０の磁気相図の一例を示す。本明細書において、準安定状態とは、真の安定状態ではないが、大きなエネルギーが供給されない限り安定的に存在できる状態を指す。

準安定状態は、磁性体１０を安定状態から非安定状態に状態を一度変化させることにより設定する。例えば、準安定状態は、磁性体１０に熱エネルギーを供給した後、所定の冷却速度以上で磁性体１０を急冷することにより生じる。このように、非安定状態に設定された磁性体１０を急冷することにより準安定状態として急冷スキルミオン相が生じる。本明細書において急冷とは、例えば、２０Ｋ／ｓ以上の冷却速度で磁性体１０を冷却することを指す。なお、磁性体１０へのエネルギーの供給は、熱エネルギーに限られず、光エネルギー、磁気エネルギー等の他のエネルギーであってよい。

急冷スキルミオン相は、磁性体１０を急冷することにより生じる、準安定状態のスキルミオン相である。急冷スキルミオン相は、磁性体１０の温度、磁性体１０に印加する磁場の大きさ、冷却速度等の所定の条件を満たすことにより生じる。即ち、急冷スキルミオン相の磁気相図における範囲は、これらの条件に応じて変化する。本例の急冷スキルミオン相は、磁性体１０の加熱、冷却時に磁性体１０に印加する磁場を一定とし、磁性体１０に熱エネルギーを供給した場合に生じる。一方、磁性体１０の加熱、冷却時に磁性体１０に印加する磁場を変更してもよいが、この場合、急冷スキルミオン相の領域が本例の急冷スキルミオン相と異なる領域になり得る。

急冷時の冷却速度は、安定状態における磁性体１０の温度（即ち、加熱前の磁性体１０の温度）、磁性体１０の加熱温度（即ち、加熱後の磁性体１０の温度）及び磁性体１０の材料の物性等に応じて決まる。本例の磁気相図は、磁性体１０の加熱を終了することにより急冷を開始する場合の磁気相図である。この場合、磁性体１０の加熱量が大きいほど、安定状態における磁性体１０との温度差が大きくなるので、冷却速度が大きくなる。

図５は、電流加熱による準安定スキルミオン状態の設定とリセットを説明するための図である。図５は、磁性体１０の温度を制御することにより、スキルミオン相とコニカル相との間で自由に相転移を制御できることを示す。本例のポテンシャル図は、ボールが右側の安定領域にある場合にスキルミオン相となり、ボールが左側の安定領域にある場合にコニカル相となることを示す。

領域Ａは、磁性体１０が熱力学的にスキルミオン相を安定に形成する温度範囲を示す。領域Ａの範囲は、磁性体１０の材料及び磁性体１０に印加する磁場の大きさによって変化する。本例の領域Ａは、温度２７Ｋ以上２９Ｋ以下の範囲である。即ち、領域Ａは、磁気相図において、平衡スキルミオン相付近の温度である。

領域Ｂは、磁性体１０が熱力学的にコニカル相を比較的安定に形成する温度範囲を示す。領域Ｂの範囲は、磁性体１０の材料及び磁性体１０に印加する磁場の大きさによって変化する。本例の領域Ｂは、温度２７Ｋより低い範囲である。領域Ｂの高温側では、領域Ｂの低温側よりもコニカル相で安定化しやすい。つまり、領域Ｂの高温側に所定の期間保持することにより、スキルミオン相からコニカル相に相転移する。

スキルミオン４０を生成する場合、磁性体１０の磁気相図において、領域Ａよりも高温側に磁性体１０を加熱する。その後、磁性体１０を領域Ｂに急冷することにより、磁性体１０をスキルミオン相に設定できる。即ち、磁性体１０を急冷することにより、領域Ｂの高温側での保持期間が短くなるので、コニカル相に相転移することなくスキルミオン相を保持できる。よって、所定の急冷条件を満たせば高い確率でスキルミオン４０を生成できる。磁性体１０の磁気相図において、平衡スキルミオン相よりも高温側に磁性体１０を加熱し、その後、平衡スキルミオン相よりも低温側に磁性体１０を急冷することが重要である。

一方、徐冷の場合、領域Ｂの高温側での保持期間が長くなるので、徐冷時にスキルミオン相からコニカル相に相転移してしまう。そのため、徐冷時にはスキルミオン相が安定化されず、スキルミオン４０を生成することができない。

スキルミオン４０を消去する場合、磁性体１０を加熱することにより、領域Ｂの高温側で磁性体１０を保持する。領域Ｂの高温側では、特に、コニカル相が安定となるので、一定期間、領域Ｂの高温側で磁性体１０を保持することにより磁性体１０をコニカル相に設定できる。これにより、磁性体１０は、スキルミオン相からコニカル相に相転移する。なお、領域Ｂの高温側で磁性体１０を保持する期間を長くすることにより、磁性体１０がコニカル相に相転移する確率が高くなる。

なお、本明細書において、特に実験条件を指定していない場合、スキルミオン４０の生成及び消去には、磁性体１０に印加する磁場を一定とし、磁性体１０の温度のみを変化させている。また、磁性体１０の急冷は、磁性体１０への熱エネルギーの供給を停止することにより実現されている。

図６は、光吸収加熱方式の磁気素子１００の構成の一例を示す。磁気素子１００は、磁性体１０、磁場発生部２０及びスキルミオン制御部３０を備える。本例のスキルミオン制御部３０は、レーザ光源３１を有する。

磁性体１０は、安定状態において、螺旋型の磁気構造を有する。磁性体１０は、エネルギーの供給によりスキルミオン４０を生成及び消去する。磁性体１０は、薄層状に形成される。例えば、磁性体１０は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）又はスパッター等の技術を用いて、５００ｎｍ以下の厚さに形成される。本例の磁性体１０は、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等で形成している。磁性体１０は、第１面１２及び第２面１４を有する。第１面１２及び第２面１４は、ｘ‐ｙ面と平行な平面である。

磁場発生部２０は、予め定められた大きさの磁場を発生する。例えば、磁場発生部２０は、薄膜状に形成された強磁性体である。磁場発生部２０は、磁性体１０の第１面１２に対向して設けられる。即ち、磁場発生部２０は、磁性体１０よりもマイナスｚ方向に配置する。本例の磁場発生部２０は、磁性体１０の第１面１２からマイナスｚ方向に離間して、第１面１２に対して略平行に配置される。これにより、磁場発生部２０は、発生させた磁場を、磁性体１０の第１面１２から第２面１４の方向に、磁性体１０と略垂直に印加する。磁場発生部２０は、０Ｔ以上０．５Ｔ以下程度の磁場を発生するものであればよい。即ち、磁場発生部２０の材料として、一般的な磁石材料を用いることができる。なお、磁場発生部２０が強磁性体の絶縁体である場合、磁性体１０と磁場発生部２０とを接触させてもよい。

スキルミオン制御部３０は、磁性体１０にエネルギーを供給することにより、磁性体１０にスキルミオン４０を発生させる。例えば、スキルミオン制御部３０は、エネルギーとして熱エネルギーを磁性体１０に供給する。熱エネルギーの供給は、光吸収及びジュール加熱等の方法により行われる。

レーザ光源３１は、磁性体１０の第２面１４に対してレーザ光３２を照射する。レーザ光３２の照射により、磁性体１０の第２面１４の一部が加熱される。本例のレーザ光源３１は、第２面１４に対して局所的な熱エネルギーを供給したが、より広範囲の領域にレーザ光３２を照射してもよい。つまり、スキルミオン４０の直径等に応じて最適な照射径を選択すればよい。例えば、局所的な熱エネルギーを生成するための熱エネルギーを出力する装置として、集束コイルで集束した電子線を出力する集束電子線発生装置を用いてもよい。

図７は、ジュール加熱方式の磁気素子１００の構成の一例を示す。磁気素子１００は、磁性体１０、磁場発生部２０、スキルミオン制御部３０及び絶縁体５０を備える。本例のスキルミオン制御部３０は、スキルミオン４０の書き込み、消去及び読み出しを行うことができる。即ち、本例の磁気素子１００は、スキルミオンメモリ２００として動作する。なお、絶縁体５０は、磁場発生部２０が絶縁体で形成される場合は不要である。

スキルミオン制御部３０は、第１電極３３、第２電極３４、電源３７及び電流計３８を備える。スキルミオン制御部３０は、レーザ光源３１を用いる代わりに、磁性体１０に電流を流し、スキルミオン４０の生成及び消去を実現する。また、スキルミオン制御部３０は、スキルミオン４０の存在の有無に応じた磁性体１０の抵抗値の変化を検出することにより、スキルミオン４０を検出する。なお、スキルミオン４０の検出は、ディスク上部にトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などのセンサーを配置することによっても実現できる。

第１電極３３は、磁性金属３５及び絶縁体３６を有する。磁性金属３５は、円柱状の磁性金属である。例えば、磁性金属３５は、強磁性体金属であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、又は、これら強磁性体金属からなる積層強磁性体金属薄膜である。磁性金属３５の断面形状は、生成されるスキルミオン４０の直径の大きさに応じて適宜変更される。絶縁体３６は、磁性体１０の第２面１４と磁性金属３５との間に設けられる。

第２電極３４は、磁性体１０の第１面１２と接して設けられた金属からなる。第２電極３４は、強磁性金属であってもよく、非磁性金属のＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、及びＡｌＳｉ等であってよい。なお、第２電極３４は、スキルミオン４０を生成する磁性体金属であってもよい。この場合、磁性体１０と第２電極３４とが同一の材料で形成されてもよい。但し、磁性体１０を構成する磁性体金属の抵抗値が高い場合、より抵抗値の低い材料により、第２電極３４を形成することが好ましい。本例の第２電極３４の断面は、第１電極３３の断面よりも大きい。但し、第２電極３４の断面は、第１電極３３の断面と同じサイズであってもよい。

電源３７は、第１電極３３と第２電極３４との間にパルス的な電流を流す。電源３７は、電流のオンオフを切り替えるために、ＦＥＴトランジスタ等で形成された切替スイッチを有する。電源３７は、パルス的に磁性体１０に電流を流すことにより、磁性体１０をジュール加熱する。なお、電源３７はスキルミオンメモリ２００の構成要素ではなく、外部に設けられてもよい。

電流計３８は、磁性体１０に流れる電流の電流値を測定する。磁性体１０の抵抗値は、磁性体１０におけるスキルミオン４０の有無に応じて変化する。即ち、電流計３８は、磁性体１０の抵抗値に応じた電流値の変化を測定することにより、スキルミオン４０の有無を読み取ることができる。なお、電流計３８はスキルミオンメモリ２００の構成要素ではなく、外部に設けられてもよい。

磁性体１０にスキルミオン４０が存在しない場合、磁性金属３５の磁気モーメントは、磁性金属３５が強磁性体金属からなるので、磁場発生部２０からの垂直磁化（ｚ方向）に応答してｚ方向となる。また、磁性体１０にスキルミオン４０が存在しない場合、磁性体１０の磁気モーメントも同様にｚ方向となる。この場合、磁性金属３５の磁気モーメントと磁性体１０の磁気モーメントは上向きに揃う。このため、絶縁体３６を流れるトンネル電流は、磁性金属３５の磁気モーメントと磁性体１０の磁気モーメントの向きが揃わない場合と比較して大きい電流値を示す。

一方、磁性体１０にスキルミオン４０が存在する場合、磁性体１０にはスキルミオン４０の螺旋状の磁気モーメントが存在するので、＋ｚ方向以外の多くの向きの磁気モーメントが存在する。このため、磁性体１０にスキルミオン４０が存在すると、トンネル電流に大きな散乱効果を与えるので、磁性体１０の抵抗が大きくなる。したがって、絶縁体３６に流れるトンネル電流は、スキルミオン４０が存在しない場合と比較して小さくなる。

以上の通り、磁気素子１００は、スキルミオン４０の生成及び消去を制御するスキルミオン制御部３０を備える。また、磁気素子１００は、磁性体１０にスキルミオン４０が存在するか否かに応じた電流値を検出することができる。例えば、磁気素子１００は、ビット情報"１"のときはスキルミオン４０の"生成"、ビット情報"０"のときはスキルミオン４０の"生成なし"とする。つまり、磁気素子１００は、ビット情報に同期させてスキルミオン４０を生成することにより、スキルミオンメモリ２００として動作できる。

また、磁気素子１００は、ビット情報を、磁性体１０において等間隔のスキルミオン４０の有無に変換することができる。例えば、円板形状の磁性体１０を一定の速さで回転させて、磁性体１０の第２面１４に熱エネルギーを供給する。これにより、ビット情報を、スキルミオン４０の有無として、高速で回転する磁性体１０に保持できる。ここで、スキルミオン４０は、磁性体１０の第２面１４だけではなく第１面１２まで同じ渦構造をもつ磁気モーメントであるから、安定にビット情報を保持できる。

図８は、温度２３Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。横軸は磁性体１０に印加される磁場（Ｔ）を示し、縦軸はスキルミオン制御部３０が検知する抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０は、温度２３Ｋに保持される。なお、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）は、ホール電圧の測定により得られる。

磁場０Ｔ〜０．６Ｔの範囲において、スキルミオン４０が生成されていない場合、磁場の増加と共に抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が線形的に増加する。また、磁場０．６Ｔ程度よりも大きくなると抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が減少する。ここで、図面の×印において、磁性体１０に電流パルスを印加した場合の抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を〇印で示す。磁性体１０に電流パルスが印加されると、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が増加する。即ち、電流パルスの印加によりスキルミオン４０が生じたことを示す。

図９は、温度２０Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。横軸は磁性体１０に印加される磁場（Ｔ）を示し、縦軸はスキルミオン制御部３０が検知する抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０は、温度２０Ｋに保持される。なお、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）は、ホール電圧の測定により得られる。

磁場０Ｔ〜０．７Ｔの範囲において、スキルミオン４０が生成されていない場合、磁場の増加と共に抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が線形的に増加する。また、磁場０．７Ｔ程度よりも大きくなると抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が減少する。ここで、図面の×印において、磁性体１０に電流パルスを印加した場合の抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を〇印で示す。磁性体１０に電流パルスが印加されると、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が増加する。即ち、電流パルスの印加によりスキルミオン４０が生じたことを示す。

図１０は、温度１０Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。横軸は磁性体１０に印加される磁場（Ｔ）を示し、縦軸はスキルミオン制御部３０が検知する抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０は、温度１０Ｋに保持される。なお、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）は、ホール電圧の測定により得られる。

磁場０Ｔ〜１．０Ｔの範囲において、スキルミオン４０が生成されていない場合、磁場の大きさによらずほぼ一定の抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。ここで、図面の×印において、磁性体１０に電流パルスを印加した場合の抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を〇印で示す。磁性体１０に電流パルスが印加されると、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が増加する。即ち、電流パルスの印加によりスキルミオン４０が生じたことを示す。

図１１は、温度５Ｋにおける、スキルミオン４０に応じた抵抗率の変化を示す。横軸は磁性体１０に印加される磁場（Ｔ）を示し、縦軸はスキルミオン制御部３０が検知する抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０は、温度５Ｋに保持される。なお、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）は、ホール電圧の測定により得られる。

磁場０Ｔ〜１．０Ｔの範囲において、スキルミオン４０が生成されていない場合、磁場が増加するにつれてわずかに抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が減少する。ここで、図面の×印において、磁性体１０に電流パルスを印加した場合の抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を〇印で示す。磁性体１０に電流パルスが印加されると、抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）が増加する。即ち、電流パルスの印加によりスキルミオン４０が生じたことを示す。

以上の通り、スキルミオン制御部３０は、スキルミオン４０の存在の有無を抵抗率の大きさの変化により検出する。また、スキルミオン制御部３０は、磁性体１０の温度によらず、スキルミオン４０の存在の有無を検出する。本例のスキルミオン制御部３０は、抵抗率の変化を分かりやすくするために、多数（例えば、数十億個）のスキルミオン４０の生成を検出している。しかしながら、スキルミオン４０が多数の場合と同一の原理により、単一のスキルミオン４０の存在の有無を抵抗率の大きさの変化により検出できる。

図１２は、急冷スキルミオン相の消滅に関する緩和時間τを示す。横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸はスキルミオン制御部３０が検知する抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０には、０．２２Ｔの磁場が印加される。また、各曲線は、スキルミオン４０を消去するための加熱温度がそれぞれ異なる。加熱温度は、それぞれ２３．０Ｋ、２３．５Ｋ、２４．０Ｋ、２４．５Ｋである。

緩和時間τとは、準安定状態のスキルミオン４０を有する磁性体１０に、消去用のパルスを印加してから、スキルミオン４０が消去されるまでに要する時間である。各温度における緩和時間τは、スキルミオン４０が存在する場合の抵抗率である約３６（ｎΩｃｍ）から、スキルミオン４０の消去後の抵抗率（ｎΩｃｍ）に低下するまでにかかる時間により表される。スキルミオン４０が消去されると、抵抗率（ｎΩｃｍ）が低下しなくなり一定の値となる。温度２３．０Ｋ〜２４．５Ｋの緩和時間τをそれぞれ比較すると、温度が小さくなるにつれて緩和時間τが大きくなることが分かる。

図１３は、急冷スキルミオン相の緩和時間τの温度依存性を示す。横軸は磁性体１０の温度（Ｋ）を示し、縦軸は緩和時間τ（ｓ）を示す。本例の磁性体１０には、０．２２Ｔの磁場が印加される。また、本例のグラフは、図１２のグラフのフィッティング結果から算出される。

緩和時間τは、磁性体１０の温度が上昇するにつれて、指数関数的に減少する。即ち、磁性体１０は、高温の熱運動により、比較的短時間で熱力学的に安定な状態に落ち着く。例えば、磁性体１０の加熱温度を２７Ｋにすることにより、緩和時間τを１０ｓ以下とすることも可能である。なお、本例では、所定の領域に多数（例えば、数十億個）のスキルミオン４０を生成し、それらを一度に消去している。つまり、実際にスキルミオンメモリ２００として動作させる場合には、１つのスキルミオン４０を制御すればよいことになるので、さらに短時間でスキルミオン４０を消去できる。

図１４は、試料ホルダの温度５Ｋでの抵抗率分布を示す。横軸は電流密度（×１０^６Ａｍ^−２）及び電流密度に対応する推定サンプル温度（Ｋ）を示す。縦軸は、磁性体１０に印加される磁場（Ｔ）を示す。本例のグラフは、抵抗率−Δρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）の分布を示し、色が濃くなるにつれて抵抗率が大きくなる。即ち、色の濃い領域では、スキルミオン４０を生成する確率が高いことを示す。例えば、抵抗率３０（ｎΩｃｍ）以上の濃い領域では、ほぼ１００％の確率でスキルミオン４０の生成に成功していることを示す。

磁場０．１６Ｔ〜０．２６Ｔの領域において、サンプル温度が２５Ｋ程度以上となるように電流密度を印加した場合に、スキルミオン４０の生成確率が高い。また、磁場０．１９Ｔ〜０．２４Ｔの領域において、サンプル温度が２７Ｋ程度以上となるように電流密度を印加すると、ほぼ１００％の確率でスキルミオン４０を生成できる。このように、スキルミオン４０の生成確率を高めるためには、電流密度と磁場の大きさを最適な大きさに設定する必要がある。

図１５は、試料ホルダの温度１０Ｋでの抵抗率分布を示す。試料ホルダの温度以外の条件は、図１４と同様である。

磁場０．１６Ｔ〜０．２６Ｔの領域において、サンプル温度が２５Ｋ程度以上となるように電流密度を印加した場合に、スキルミオン４０の生成確率が高いことが分かる。また、磁場０．１９Ｔ〜０．２４Ｔの領域において、サンプル温度が２７Ｋ程度以上となるように電流密度を印加すると、ほぼ１００％の確率でスキルミオン４０を生成できる。このように、スキルミオン４０の生成確率を高めるためには、電流密度と磁場の大きさを最適な大きさに設定する必要がある。

図１６は、試料ホルダの温度２３Ｋでの抵抗率分布を示す。試料ホルダの温度以外の条件は、図１４及び図１５と同様である。但し、本例では、抵抗率１０（ｎΩｃｍ）以上の濃い領域では、ほぼ１００％の確率でスキルミオン４０の生成に成功していることを示す。

磁場０．１８Ｔ〜０．２５Ｔの領域において、サンプル温度が２７Ｋ程度以上となるように電流密度を印加した場合に、スキルミオン４０の生成確率が高いことが分かる。また、磁場０．２０Ｔ〜０．２４Ｔの領域において、サンプル温度が２７Ｋ程度以上となるように電流密度を印加すると、ほぼ１００％の確率でスキルミオン４０を生成できる。このように、スキルミオン４０の生成確率を高めるためには、電流密度と磁場の大きさを最適な大きさに設定する必要がある。

図１７は、スキルミオン相の設定工程及びリセット工程を示す。横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸は抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）及び電流密度（×１０^６Ａｍ^−２）を示す。本例の磁性体１０は１０Ｋの温度に保持され、０．２２Ｔの磁場が印加される。

設定工程は、磁性体１０をコニカル相からスキルミオン相に相転移させる工程である。設定工程において、スキルミオン制御部３０は、予め定められたパルス強度及びパルス幅の電流パルスを磁性体１０に印加する。パルス強度は、電流密度に対応する。本例のスキルミオン制御部３０は、電流密度３．１×１０^６Ａｍ^−２の電流を１００ｍｓのパルス幅で磁性体１０に印加する。

リセット工程は、磁性体１０をスキルミオン相からコニカル相に相転移させる工程である。リセット工程において、スキルミオン制御部３０は、予め定められた電流密度及びパルス幅の電流パルスを磁性体１０に印加する。例えば、スキルミオン制御部３０は、設定工程におけるパルス強度よりも小さなパルス強度の電流パルスを磁性体１０に印加する。また、スキルミオン制御部３０は、設定工程における電流パルスよりも大きなパルス幅の電流パルスを磁性体１０に印加する。即ち、スキルミオン制御部３０は、リセット工程において、設定工程よりも低い温度で、長時間、磁性体１０を加熱することが好ましい。本例のスキルミオン制御部３０は、電流密度１．７×１０^６Ａｍ^−２の電流を１０ｓのパルスで磁性体１０に印加する。

図１８は、スキルミオン相の設定工程及びリセット工程のスイッチング動作を示す。横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸は抵抗率−ρ_ｙｘ（ｎΩｃｍ）を示す。本例の磁性体１０は、１０Ｋの温度に保持され、０．２２Ｔの磁場が印加される。抵抗率が３０（ｎΩｃｍ）の場合にスキルミオン相が設定され、抵抗率が２（ｎΩｃｍ）の場合にスキルミオン相がリセットされてコニカル相が設定される。本グラフより、所定の周期でスキルミオン相の設定及びリセットの繰り返しが可能であることが分かる。このように、スキルミオンメモリ２００は、電流による発熱を利用して磁性体１０の温度を制御し、準安定状態のスキルミオン４０の生成及び消滅を制御できる。

本例のスイッチング動作では、所定の領域にスキルミオン４０を形成することにより、多数（例えば、数十億個）のスキルミオン４０を一度に生成及び消去している。しかしながら、実際にスキルミオンメモリ２００として動作させる場合は、個別のスキルミオン４０を単独にスイッチングさせればよいので、より短時間にスキルミオン４０の生成及び消去を制御できる。スキルミオン４０の生成及び消去は磁気モーメントの制御により行われるので、アモルファス相と結晶相との間で状態を変化させる従来の相変化メモリと比較して、短時間のスイッチングを実現できる。

図１９は、演算処理装置３００の構成例を示す。演算処理装置３００は、スキルミオンメモリ２００及び中央演算処理デバイス３１０を備える。

中央演算処理デバイス３１０は、例えば、Ｓｉ基板上に形成したＣＭＯＳ‐ＬＳＩデバイスである。中央演算処理デバイス３１０は、各種の演算処理データをスキルミオンメモリ２００へ書き込む。また、中央演算処理デバイス３１０は、スキルミオンメモリ２００からのデータ処理基本ソフトプログラム及び各種データの読み出しの機能を有してよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・磁性体、１２・・・第１面、１４・・・第２面、２０・・・磁場発生部、３０・・・スキルミオン制御部、３１・・・レーザ光源、３２・・・レーザ光、３３・・・第１電極、３４・・・第２電極、３５・・・磁性金属、３６・・・絶縁体、３７・・・電源、３８・・・電流計、４０・・・スキルミオン、５０・・・絶縁体、１００・・・磁気素子、２００・・・スキルミオンメモリ、３００・・・演算処理装置、３１０・・・中央演算処理デバイス

Claims (6)

1. 安定状態において、螺旋型の磁気構造を有する磁性体と、
   前記螺旋型の磁気構造を有する前記磁性体にエネルギーを供給することにより、前記磁性体にスキルミオンを発生させるスキルミオン制御部と
   を備え、
   前記スキルミオン制御部は、前記磁性体に熱エネルギーのパルスを供給することにより前記磁性体を非安定状態にし、
   前記スキルミオン制御部は、前記磁性体の磁気相図において、平衡スキルミオン相よりも高温側に前記磁性体を加熱し、
   前記スキルミオン制御部は、前記磁性体へのエネルギー供給後、前記磁性体を２０Ｋ／ｓ以上の冷却速度で前記磁性体を急冷することにより、前記スキルミオンを発生させる
   磁気素子。
2. 前記スキルミオン制御部は、前記磁性体の磁気相図において、前記平衡スキルミオン相よりも低温側に前記磁性体を冷却する
   請求項１に記載の磁気素子。
3. 前記スキルミオン制御部は、前記磁性体の加熱を終了することにより、前記磁性体を冷却する
   請求項１又は２に記載の磁気素子。
4. 安定状態において、螺旋型の磁気構造を有する磁性体と、
   前記螺旋型の磁気構造を有する前記磁性体にエネルギーを供給することにより、前記磁性体にスキルミオンを発生させるスキルミオン制御部と
   を備え、
   前記スキルミオン制御部は、前記磁性体に熱エネルギーのパルスを供給することにより前記磁性体を非安定状態にし、
   前記スキルミオン制御部は、前記磁性体にエネルギーを供給することにより、前記磁性体に発生した前記スキルミオンを消去し、
   前記スキルミオン制御部は、スキルミオン生成時のパルス強度よりも小さなパルス強度であって、前記スキルミオン生成時のパルス幅よりも大きなパルス幅により前記スキルミオンを消去する
   磁気素子。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気素子を備え、前記スキルミオン制御部は、前記スキルミオンの有無を検出する
   スキルミオンメモリ。
6. 請求項５に記載のスキルミオンメモリを備える演算処理装置。