JP6637429B2 - 磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリデバイス、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置および通信装置 - Google Patents
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Description
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]米国特許第6834005号明細書
[特許文献2]特開2014−86470号公報
[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.
[非特許文献2]岩崎 淳一、望月 維人、永長 直人、"Current skyrmion dynamics in constricted geometries"、Nature Nanotechnology、英国、Nature Publishing Group、2013年9月8日、Vol.8、p742−747.
実施例1でパルス電流による1個のスキルミオン40の生成について詳細にシミュレーション実験を実施する。
スキルミオン40の運動は以下の方程式で記述できる。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3]および[数4]からなる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4]で表すことができる。
[数4]
0.5・λ>w>0.2・λ
の範囲である。
2・λ>S1≧0.5・λ
0.4・λ>S2
の範囲であり0.25・λ程度がよい。
0.8・λ≧h≧0.2・λ
の範囲であり、0.5・λ程度がよい。
0.5・λ>w>0.2・λ
の範囲である。
(条件1)セルの幅Wmは以下の範囲である。
3・λ>Wm≧λ
(条件2)セルの高さHmは以下の範囲である。
2・λ>Hm≧λ
(条件3)凹部16の上流側電極12との距離S1は以下の範囲である。
2・λ>S1≧0.5・λ
(条件4)凹部16の幅wは以下の範囲である。
0.5・λ>w>0.2・λ
(条件5)凹部16の長さhは、以下の範囲であり、0.5・λ程度がよい。
0.8・λ≧h≧0.2・λ
(条件6)凹部16の下流側電極14との距離S2は、以下の範囲であり、0.25・λ程度がよい。
0.4・λ>S2
(条件7)1個のスキルミオンを生成するためのパルス電流の最小印加時間は略10ピコ秒でよい。
(条件8)1個のスキルミオンを消去するためのパルス電流の印加最小時間は略100ピコ秒でよい。
(条件9)消去用電流は生成用電流と符号が逆で、且つ小さい電流でよい。
本実施例で用いるカイラル磁性体はギルバート減衰係数α=0.04の場合である。ギルバート減衰係数が実施例1に比較して小さい場合である。それ以外に条件の変更はない。
Claims (18)
- 1個のスキルミオンを生成し、1個のスキルミオンの消去が可能な磁気素子であって、
略矩形の平板形状であり、印加磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する磁性体と、
前記磁性体の幅Wm方向に接続した非磁性金属からなる上流側電極と、
前記上流側電極と対向して前記磁性体の幅Wm方向に接続した非磁性金属からなる下流側電極と、
前記スキルミオンを検出するスキルミオン検出素子と
を有し、
前記スキルミオンを発生する場合に、前記上流側電極から前記下流側電極に向かう方向にパルス電流が印加され、前記スキルミオンを消去する場合に、前記下流側電極から前記上流側電極に向かう方向にパルス電流が印加され、
前記磁性体の略矩形形状の幅Wmは、スキルミオン直径をλとして、
3・λ>Wm≧λであり、
前記磁性体の略矩形形状の長さHmは、
2・λ>Hm≧λであり、
前記磁性体は前記上流側電極および前記下流側電極が挟む端部に凹部を有し、
前記凹部と前記上流側電極との距離S1は、2・λ>S1≧0.5・λであり、
前記凹部と前記下流側電極との距離S2は、λ/2以下であり、
前記凹部の幅wは、w>0.2・λであり、
前記凹部の長さhは、0.8・λ≧h≧0.2・λである
磁気素子。 - 前記凹部は、前記上流側電極に対向する第1の角部の内角が180度以上であり、前記第1の角部の位置は、前記磁性体の幅Wmの中心より前記下流側電極に近接している
請求項1に記載の磁気素子。 - 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との積層構造のいずれかからなる
請求項1または2に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、前記凹部において前記磁性体の延展方向に前記磁性体と接続した非磁性金属からなる凹部電極を有し、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記上流側電極と、前記凹部電極との間における前記磁性体の抵抗値が変化する請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、
前記凹部において前記磁性体の延展方向に前記磁性体と接続した非磁性金属からなる凹部電極と、
前記上流側電極と前記凹部電極との間における前記磁性体の端部において、前記磁性体の延展方向で前記磁性体と接する非磁性金属からなる第1電極と、
前記第1電極とは離間しており、前記第1電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体の延展方向で前記磁性体と接する非磁性金属からなる第2電極と
を備え、
前記第1電極および前記第2電極を、前記上流側電極と前記凹部電極とがなす配列方向に対して垂直に配置し、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第1電極と前記第2電極との間における前記磁性体の電圧値が変化する請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の一面において前記磁性体の表面に接する非磁性絶縁体薄膜と、前記非磁性絶縁体薄膜上に設けた磁性体金属との積層構造を有し、
前記積層構造は、前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、抵抗値が変化する請求項1から3のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子用の前記積層構造は、前記上流側電極と前記磁性体の前記凹部との間に位置する請求項6に記載の磁気素子。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の磁気素子と、
前記磁性体に対向して設けた、前記磁性体に磁場を印加可能な磁場発生部と、
前記上流側電極および前記下流側電極に接続し、前記上流側電極と前記下流側電極との間の前記磁性体にパルス電流を印加する電流源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、前記スキルミオンの生成及び消去を測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。 - 前記電流源が、生成用電流パルスを前記磁性体に印加することにより前記スキルミオンを生成し、消去用電流パルスを前記磁性体に印加することにより前記スキルミオンを消去し、
前記電流源が印加する前記消去用電流パルスの電流密度は、前記生成用電流パルスの電流
密度より小さい請求項8に記載のスキルミオンメモリ。 - 前記測定部は、前記スキルミオンの生成及び消去を、前記スキルミオン検出素子が検出する抵抗値または電圧値の変化として測定する
請求項8または9に記載のスキルミオンメモリ。 - 前記磁気素子を、厚さ方向に複数積層して有する、
請求項8から10のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリ。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の複数の磁気素子と、
前記複数の磁気素子に接続し、それぞれ対応する磁気素子にスキルミオンを生成する生成用電流を供給する複数のスキルミオン生成線と、
前記複数の磁気素子に接続し、それぞれ対応する磁気素子のスキルミオンを消去する消去用電流を供給する複数のスキルミオン消去線と、
前記複数の磁気素子に接続し、それぞれ対応する磁気素子のスキルミオンの有無に応じた電圧または電流を伝送する複数の読出ワード線と、
前記複数のスキルミオン生成線、前記複数のスキルミオン消去線、および、前記複数の読出ワード線に設けた、磁気素子を選択する複数のスイッチと、
前記読出ワード線に流れる電流もしくは電圧に基づいて、スイッチにより選択した磁気素子における前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。 - 前記スキルミオン検出素子は、前記凹部において前記磁性体の延展方向に前記磁性体と接続した非磁性金属からなる凹部電極を有し、
それぞれのスキルミオン生成線は、対応する前記磁気素子の前記上流側電極に接続し、
それぞれのスキルミオン消去線は、対応する前記磁気素子の前記下流側電極に接続し、
それぞれの読出ワード線は、対応する前記磁気素子の前記凹部電極に接続し、
前記複数のスイッチは、いずれかの前記磁気素子において前記スキルミオンを生成および消去する場合に、対応する前記スキルミオン生成線および前記スキルミオン消去線を選択し、いずれかの前記磁気素子において前記スキルミオンの有無を検出する場合に、対応する前記スキルミオン生成線および前記読出ワード線を選択する請求項12に記載のスキルミオンメモリデバイス。 - 基板と、
前記基板上に形成した半導体素子と、
前記半導体素子の上方に積層した、請求項1から7のいずれか1項に記載の少なくとも一つの磁気素子と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。 - 請求項8から11のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリ、または、請求項12から14のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリデバイスと、固体電子デバイスとを同一チップ内に備えるスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
- 請求項8から11のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリ、または、請求項12から14のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ記録装置。
- 請求項8から11のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリ、または、請求項12から14のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ処理装置。
- 請求項8から11のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリ、または、請求項12から14のいずれか1項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載した通信装置。
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