JP6674899B2 - 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

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 Download PDF

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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、当該磁気素子を用いたスキルミオンメモリ、当該磁気素子を用いたシフトレジスタ、当該磁気素子を用いた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、スキルミオンメモリを内蔵したデータ記録装置、スキルミオンメモリを内蔵したデータ処理装置、および、スキルミオンメモリを内蔵した通信装置に関する。
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。当該磁気素子は、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。
次世代型の磁気メモリデバイスの候補としては、米国ＩＢＭを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、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（特許文献１参照）。
図２９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向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。図２９では、マグネチックシフトレジスタ１におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ１に矢印の向きの電流を流すことにより、磁気ドメイン磁壁を駆動する。ドメイン磁壁を移動することにより、磁気センサ２の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ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シフトレジスタ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。この結果、メモリの書き込み、消去時間が遅くなり、消費電力が大きくなる。
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２）。さらに、非特許文献１において本願発明者らは、電流方向と略平行にスキルミオンを転送する配置で、スキルミオンを転送できることを示した。
本明細書において、駆動電流とスキルミオンの転送方向が略平行である配置を縦転送配置と定義する。非特許文献１で開示した縦転送配置をメモリとして応用する場合、スキルミオンを有する磁性体の細線構造の両端部に電流を印加する電極を設ける。このために、細線の幅がナノスケールで、長い細線の両端部間の抵抗は大きな値を持つことになり、大きな電流密度を流すことができない。そのために電流の電流密度の制限があり、スキルミオンの転送速度が遅くなる。メモリ書込み時間や読み込み時間が短時間にならない課題がある。非特許文献１は定常電流によるスキルミオン転送を記憶メモリとして提案している。定常電流が必要なために不揮発性メモリとしての利用ができない。メモリとして応用する場合のメモリ機能の実現方法が開示されていないので、実用化に大きな課題がある。
[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] 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．
スキルミオンは、直径が１ｎｍから５００ｎｍと極微小な磁気構造を有し、その構造を外部からの電力投入なしに長時間安定して保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。そこで、メモリ素子に応用可能な磁気素子等の構成を提供する。
本発明の第１の態様においては、スキルミオンを転送可能な磁気素子であって、非磁性体に囲まれた薄層状の磁性体と、磁性体の延展方向に接続した導電体である上流側電極と、上流側電極と離間して磁性体の延展方向に接続した導電体である下流側電極と、スキルミオンの位置を検出するスキルミオン検出素子とを備え、磁性体は、磁性体の他の領域よりも前記スキルミオンが安定して存在する安定部を複数有し、上流側電極と下流側電極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の態様の磁気素子と、磁性体に対向して設けた、磁性体に磁場を印加可能な磁場発生部と、上流側電極および下流側電極に接続し、上流側電極と下流側電極との間の磁性体に電流を印加する電源と、スキルミオン検出素子に接続し、スキルミオン検出素子の検出結果に基づいて、スキルミオンの位置を測定する測定部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。スキルミオンメモリは、磁気素子を厚さ方向に複数積層して有してよい。
本発明の第３の態様においては、第２の態様のスキルミオンメモリと、複数のスキルミオンメモリに接続し、それぞれ対応するスキルミオンメモリに、スキルミオンを複数の安定部間で転送するスキルミオン転送用電流を供給する複数のスキルミオン転送線と、複数のスキルミオンメモリに接続し、それぞれ対応する磁気素子のスキルミオンの位置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、複数のスキルミオン転送線、および、複数の読出ワード線に設けた、スキルミオンメモリを選択する複数のスイッチと、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スキルミオンの位置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を提供する。
本発明の第４の態様においては、基板と、基板上に形成した半導体素子と、半導体素子の上方に積層した少なくとも一つの第２の態様のスキルミオンメモリとを備えるスキルミオンメモリデバイスを提供する。
本発明の第５の態様においては、第２から第４の態様のスキルミオンメモリまたはスキルミオンメモリデバイスと固体電子デバイス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を提供する。
本発明の第６の態様においては、第２から第４の態様のスキルミオンメモリまたは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を提供する。
本発明の第７の態様においては、第２から第４の態様のスキルミオンメモリまたは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を提供する。
本発明の第８の態様においては、第２から第４の態様のスキルミオンメモリまたはスキルミオンメモリデバイスを搭載した通信装置を提供する。
磁性体１０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。磁気モーメントの強さと向きを矢印で模式的に示す。 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。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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の場合のスキルミオンメモリ１００の構成例を示す模式図である。 カイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した相図である。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝５０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝１４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とした場合の磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝３７００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に生成電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝１８００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝１１０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す転送用電流パルスを示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に負の第２転送用電流パルスを流した時のｔ＝１３０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に負の第２転送用電流パルスを流した時のｔ＝１８０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第３転送用電流パルスを流した時のｔ＝２３０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第３転送用電流パルスを流した時のｔ＝２７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す正の消去用電流パルスを示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝３５００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝５０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す正の消去用電流パルスを示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝２６００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝３４００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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としたスキルミオンメモリ１００の他の構成例を示す模式図である。 上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、閉経路形状磁性体を用いたスキルミオンメモリ１００の他の構成例を示す模式図である。 スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造の他の例を示す。 磁気素子３０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。 積層方向に複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の構成の一例を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の回路構成の一例を示す。 スキルミオンメモリ１００にデータ「０」を書き込む動作の一例を示す。 スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を消去する動作の一例を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し動作の一例を示す。 磁気素子３０の他の構成例を示す模式図である。 磁気素子３０の他の構成例を示す模式図である。 スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。 データ処理装置３００の構成例を示す模式図である。 データ記録装置４００の構成例を示す模式図である。 通信装置５００の構成例を示す模式図である。 電流による磁気ドメイン駆動の原理を示す図である。
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。
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状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。
図１は、磁性体１０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。
磁性体１０は、ｘ‐ｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１０の当該平面上にある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は最外周から内側へ向けて渦巻状に回転する。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。
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。
［数１］
［数２］
［数１］において、ｎ（ｒ）は、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントの向きを示す単位ベクトルである。［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、ｒを０から∞まで変化させ、Θ（ｒ）が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、ｎｘ軸およびｎｙ軸に対してｎｚ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。
図２（ｅ）における円周上の濃淡で示す磁気モーメントは、ｎｘ−ｎｙ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さす磁気モーメントのｎｚ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。
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。
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。
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１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
図３は、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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としたスキルミオンメモリ１００の構成例を示す模式図である。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０、磁場発生部２０、電源５２および測定部３４を備える。スキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０の磁性体１０に転送用電流を流すことで、磁性体１０におけるスキルミオン４０を磁性体１０の安定部１６−１（第１の安定部）もしくは安定部１６−２（第２の安定部）に転送、配置できる。上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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としていることに大きな特徴がある。本例では、磁性体１０の安定部１６−２におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。測定部３４は、安定部１６−２のスキルミオンの有無を検知する。
また、磁気素子３０は、磁性体１０への電流印加によってスキルミオン４０の検出が可能である。また、磁性体１０への電流印加によってスキルミオン４０の生成および消去が可能であってもよい。また、本例の磁気素子３０は薄層形状を有する。本例の磁気素子３０は、磁性体１０、上流側電極１２、下流側電極１４およびスキルミオン検出素子１５を有する。
磁性体１０は、薄層形状を有しており、印加磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相および強磁性相が発現する。スキルミオン結晶相は、スキルミオン４０が磁性体１０に発生しうる状態を指す。例えば磁性体１０は、カイラル磁性体である。スキルミオン４０が安定して存在できるように、磁性体１０は薄層状である。磁性体１０は、例えばスキルミオン４０の直径の１０倍以下程度の厚みを有してよい。スキルミオン４０の直径とは、スキルミオンの最外周の直径を指す。
磁性体１０は、複数の安定部１６を有する。複数の安定部１６は、磁性体１０において上流側電極１２および下流側電極１４が挟む領域に設ける。本例の磁性体１０は、安定部１６−１および安定部１６−２を有する。安定部１６は、磁性体１０の他の領域よりも、スキルミオン４０が安定して存在可能な領域を指す。安定部１６は、例えば電流等によって外部からスキルミオン４０に力を与えなければ、スキルミオン４０がその場所にとどまる領域を指してよい。このような領域を形成するためには、下記に記載するように磁場発生部２０から発生する磁場強度を、安定部１６周辺の磁場強度より弱い磁場強度とすれば実現できる。また、安定部１６は、当該領域からスキルミオン４０を移動する場合に、何らかの障壁により隔離された領域を指してもよい。この障壁は上流側電極１２および下流側電極１４に、磁性体１０の内部に突出する凸部をもたせることにより実現できる。それぞれの安定部１６は、ｘｙ平面と平行な磁性体１０の表面において、予め定められた範囲を占める。磁気素子３０は、転送用電流によって、複数の安定部１６の間でスキルミオン４０を転送可能である。
磁場発生部２０は、磁性体１０に磁場Ｈを印加する。本例では、磁場発生部２０を磁性体１０に対向して設ける。磁場発生部２０は、磁性体１０の裏面と対向して設けてよい。本例の磁場発生部２０は、磁性体１０を強磁性相にする磁場Ｈを発生する。また、磁場発生部２０は、薄膜状の磁性体１０の表面に略垂直な磁場Ｈを、磁性体１０に印加する。本例において磁性体１０は、ｘｙ平面と平行な表面（一面）を有しており、磁場発生部２０は、磁場発生部２０中の矢印で示すようにプラスｚ方向の磁場Ｈを発生する。
本例では、磁場発生部２０は、磁性体１０の安定部１６−１および安定部１６−２に印加する磁場が、磁性体１０の他の領域に印加する磁場強度Ｈより小さい磁場Ｈａとなるような構造を有する。磁場発生部２０は、安定部１６に対向する領域の磁気モーメントの大きさが、他の領域と比べて小さくなるような構造を有してよい。磁場発生部２０は、安定部１６に対向する領域と、他の領域とが異なる材料で形成してよく、安定部１６に対向する領域と、他の領域とでｚ方向の厚みが異なっていてもよい。これにより、安定部１６に印加する磁場を他の領域よりも小さくして、スキルミオン４０を安定部１６に安定して存在させることができる。一例として、磁場発生部２０は、安定部１６および他の領域を、後述する強磁性相にする磁場を印加してよい。磁場発生部２０は、磁性体１０と離間していてよく、接触していてもよい。磁場発生部２０が金属の場合、磁場発生部２０は磁性体１０と離間していることが好ましい。
上流側電極１２は、磁性体１０に接続する非磁性金属からなる。上流側電極１２は、磁性体１０の延展方向に接続する。本例において磁性体１０の延展方向とは、ｘｙ平面に平行な方向を指す。上流側電極１２は薄層形状を有してよい。また、上流側電極１２は、磁性体１０と同一の厚みを有してよい。
下流側電極１４は、上流側電極１２と離間して磁性体１０に接続する非磁性金属からなる。下流側電極１４は、磁性体１０の延展方向に接続する。上流側電極１２および下流側電極１４は、電圧を印加した場合にｘｙ平面とほぼ平行な方向の転送用電流を磁性体１０に流すように配置する。
上流側電極１２および下流側電極１４は、磁性体１０においてスキルミオン４０を転送、生成または消去する電流を流すのに用いられる。なお、本例における上流側電極１２および下流側電極１４の少なくとも一方は、スキルミオン４０の位置を検出するスキルミオン検出素子１５に電流を流す電極としても機能する。
本例のスキルミオン検出素子１５は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。スキルミオン検出素子１５は、少なくとも一つの安定部に位置する。本例のスキルミオン検出素子１５は、安定部１６−２の位置の磁性体１０の表面に接する非磁性体薄膜１５１と、磁性体金属１５２との積層構造を有する。
磁性体金属１５２は、磁性体１０からのプラスｚ方向の磁場によりプラスｚ方向の磁気モーメントをもつ強磁性相となる。磁性体１０または上流側電極１２と、磁性体金属１５２の磁性体１０側と逆側の端部との間には、測定部３４が接続する。これにより、スキルミオン検出素子１５が検出する抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１０の安定部１６−２内にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の抵抗値は、非磁性体薄膜１５１の電子のトンネル電流の確率が磁性体１０と強磁性相となった磁性体金属１５２との磁気モーメントの向きに依存することで決まる。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、メモリセルが記憶した情報「１」と「０」に対応する。測定部３４は、スキルミオン検出素子１５の抵抗値の変化を測定してよく、スキルミオン検出素子１５の抵抗値の変化に応じた電圧または電流の変化を測定してもよい。これにより、スキルミオンメモリ１００が保存した情報を読み取ることが可能である。スキルミオン検出素子１５は、複数の安定部１６のうち、磁性体１０の端部に最も近い安定部１６に設けてよい。本例では、スキルミオン検出素子１５を、２つの安定部１６のうち安定部１６−２にのみ設ける。
電源５２は、上流側電極１２および下流側電極１４に接続する。電源５２は、上流側電極１２から下流側電極１４に向かう方向、および、下流側電極１４から上流側電極１２に向かう方向のいずれかを選択して、磁性体１０に転送用電流を流す。上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とする。磁性体１０に流れる転送用電流により、電極間に流す電流方向とは略垂直にスキルミオン４０を転送する。具体的には、スキルミオン４０は、当該転送用電流の方向と直交する向きの力を受けて、磁性体１０内を移動する。スキルミオン４０が安定部１６−１および安定部１６−２の間を容易に移動することができるように、安定部１６−１および安定部１６−２は、上流側電極１２および下流側電極１４の間に流れる転送用電流の向きに直交する方向に配列する。
一例として、上流側電極１２をｙ軸正側、下流側電極１４をｙ軸負側に配置したときに、磁性体１０内において安定部１６−１をｘ軸負側、安定部１６−２をｘ軸正側に配置する。電源５２は、磁性体１０に存在するスキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送する場合、上流側電極１２から下流側電極１４に向かう方向に磁性体１０に正の転送用電流を印加する。この場合、スキルミオン４０は安定部１６−１から安定部１６−２に向かう方向の力を受ける。また、電源５２は、磁性体１０に存在するスキルミオン４０を安定部１６−２から安定部１６−１に転送する場合、上流側電極１２から下流側電極１４に向かう方向に磁性体１０に負の転送用電流を印加する。この場合、スキルミオン４０は安定部１６−２から安定部１６−１に向かう方向の力を受ける。
スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を情報記憶媒体に使う。例えばスキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０の位置を情報に対応付ける。本例においては、スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０が安定部１６−２に存在する状態（すなわち、スキルミオン４０が安定部１６−１に存在しない状態）を情報「１」に対応付け、スキルミオン４０が安定部１６−２に存在しない状態（すなわち、スキルミオン４０が安定部１６−１に存在する状態）を情報「０」に対応付ける。他の例では、スキルミオン４０が安定部１６−１に存在する状態を情報「１」に対応付け、スキルミオン４０が安定部１６−１に存在しない状態を情報「０」に対応付けてもよい。図３において正の転送用電流の方向を矢印でしめした（電子流の向きはこれとは逆向き）。この正の転送用電流により磁性体１０のスキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２へと転送できる。また負の転送用電流により磁性体１０のスキルミオン４０を安定部１６−２から安定部１６−１に転送できる。
本例では、安定部１６−２を磁性体１０のｘ軸正側の端部に設けているので、上流側電極１２から下流側電極１４に正の転送用電流を流しても、最初から安定部１６−２に存在したスキルミオンは安定部１６−２に留まる。すなわち、上流側電極１２から下流側電極１４への正の転送用電流印加は、常にスキルミオン４０を安定部２に配置する。また、安定部１６−１を磁性体１０のｘ軸負側の端部に設けているので、上流側電極１２から下流側電極１４への負の転送用電流印加は、常にスキルミオン４０を安定部１６−１に配置する。
このことから情報「１」と「０」に対応して上流側電極１２から下流側電極１４に流す転送用電流の正負を制御すれば、情報「１」および「０」と、安定部１６−２におけるスキルミオン４０の有無を対応付けることができる。そして、スキルミオン検出素子１５により、安定部１６−２に配置したスキルミオン４０の有無を検知すれば、記憶した情報を読み出すことが可能である。
本例のスキルミオンメモリ１００は、保存する情報の「１」および「０」に応じて、スキルミオン４０の位置を変更すればよく、情報の書き込み毎にスキルミオン４０を生成または消去しなくともよい。このため、スキルミオンメモリ１００の書きこみ動作を高速化することが可能になる。スキルミオン４０は、スキルミオンメモリ１００の出荷時に生成してよく、また、スキルミオンメモリ１００の初回の動作時に生成してもよい。
スキルミオン４０を初期に生成する方法は、たとえば、コイル等により局所的に生成した磁場を用いて、安定部１６−１の外部磁場を局所的に弱くさせスキルミオン４０を生成する方法がある。例えば、当該外部磁場は、安定部１６−１を後述するスキルミオン結晶相にする磁場である。上述したように、出荷時に外部から局所磁場を用いてスキルミオン４０を生成しておいてもよい。一度生成したスキルミオン４０は、磁性体１０および安定部１６が強磁性相になっても安定に存在する。
また、磁性体１０の表面上に凹部をつくり、生成用電流によりスキルミオン４０を生成する方法がある。例えば、磁性体１０は、安定部１６−１よりもｘ軸負側に、スキルミオン４０を生成する生成領域を有してよい。当該領域のｘ軸負側の端辺には、非磁性体で形成した凹部を設ける。当該凹部の角部周辺においては、外部磁場を印加しない状態で、磁気モーメントの向きが回転しており、スキルミオン４０を生成しやすい。当該生成領域においてｙ軸方向に生成用電流を流すことで、凹部の角部周辺においてスキルミオン４０が発生する。当該生成領域に対する生成用電流は、上流側電極１２および下流側電極１４の間の転送用電流とは独立して制御できることが好ましい。磁場発生部２０が当該生成領域に印加する磁場は、磁性体１０の安定部１６以外の領域と同一であってよい。
また、レーザや金属探針などによって磁性体１０を局所加熱しても、スキルミオン４０を生成できる。当該局所加熱は、安定部１６に対して行ってよい。局所加熱した磁性体１０の領域における磁気モーメントは、熱エネルギーによって過渡的に様々な方向を向くように変化するが、スキルミオン４０の状態で磁気モーメントが安定する。
本例では、スキルミオン４０が安定部１６−１もしくは安定部１６−２に存在する。スキルミオン検出素子１５は、上述したように対向する位置にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、メモリセルが記憶した情報「１」と「０」に対応する。
このような情報記録原理は、記憶すべき情報を常に重ね書きができる優位性をもつ。すなわち、スキルミオン４０の所在場所が意図しない安定部１６−１もしくは安定部１６−２に存在しても、スキルミオンが安定部１６−１もしくは安定部１６−２に存在する限り、新しい情報を書きこむことができる。新たな情報を書きこむ度に、古い情報の記憶を初期化（たとえばスキルミオンを安定部１６−１の状態に戻す）する必要はない。
さらに、上流側電極１２から下流側電極１４に向かう方向に磁性体１０に転送用電流密度より大きい電流密度を印加すると、磁性体１０からスキルミオン４０を消去することが可能である。この機能はもし何らかの原因でスキルミオンが安定部１６−１と安定部１６−２の両方の安定部から消滅してしまった誤動作が発生したときに、スキルミオンメモリ１００のリセットに利用できる。また、複数のスキルミオンメモリ１００を１つのメモリトラックに設けた形態において、該当メモリトラックにおけるスキルミオンの一括消去などに利用できる。その後、該当メモリトラックの安定部１６−１にスキルミオン４０を生成する。これにより、該当メモリトラックの初期化を短時間に実行可能となる。
スキルミオンメモリ１００の特筆すべき特徴は、電流によるナノサイズのスキルミオン転送に必要な時間は極短パルスの１ｎｓeｃ程度でよい。これはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のデータ書き込みにおいて必要な２０ｎｓeｃ程度と比べて一桁も速い。また高速ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のデータ書き込みに必要な時間は２ｎｓeｃ程度であり、これと同等である。しかもスキルミオン４０は一度生成すると、磁性体１０において安定に存在するので、スキルミオンメモリ１００は不揮発性を有する。これが実現できることから、不揮発性且つ高速動作が可能な究極のメモリ素子を実現できる。
スキルミオン４０を生成できる磁気素子３０は、例えば厚さが５００ｎｍ以下の薄層状に形成した素子であり、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やスパッター等の技術を用いて形成できる。上流側電極１２および下流側電極１４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１０はカイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等よりなる。
なお、磁性体１０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や磁性体と非磁性体を積層した構造であっても、上述した結論を適用できる。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。磁性材料と非磁性材料との積層構造を有する磁性体は、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。
上述した構成からなるスキルミオンメモリ１００は、磁性体１０中にスキルミオン４０の転送および消去できる磁気素子として具体化できる。以下、スキルミオンメモリ１００におけるスキルミオン４０の転送および消去方法について実施例を通じて説明をする。
（実施例１）
実施例１で電流によるスキルミオン４０の転送について詳細にシミュレーション実験を実施する。平行に配置した上流側電極１２および下流側電極１４との間における磁性体１０に転送用電流を流し、転送用電流が流れる方向と垂直方向に配列した安定部１６−１および安定部１６−２の間でスキルミオン４０を転送させる横電流配置でのスキルミオンの運動をシミュレーション実験する。
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。
［数３］
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］
上記［数３］および［数４］中、Ｘは外積を示す。ここで、Ｍｒ＝Ｍ・ｎ（ｒ）であり、ｎ（ｒ）は［数２］に示した、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示す単位ベクトルである。Ｂｒ ｅｆｆ=−(１/（ｈΓ）)（∂Ｈ/∂Ｍｒ）により、［数３］と［数４］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は磁化を示す。また、ｅｘ、ｅｙは、ｘ、ｙ方向の単位ベクトルである。Mｒ＋ｅｘ、Ｍｒ＋ｅｙはMｒに対して、ｘ、ｙ方向に単位ベクトル分異なる位置にある磁気モーメントを示す。ξ＝２ｅＭ／（ｐａ３）である。
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、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を有す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。
本実施例では、ｘ方向、ｙ方向の周期境界条件は置かず、非磁性体からなる電極はｘ軸に平行に配置し、磁場は磁性体１０の裏（磁場発生部２０と対向する面）から表方向に印加する、という条件で、上記方程式を用いてシミュレーションを行っている。
図４は、カイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した相図である。本実施例では、図４に示すＨｓｋおよびＨｆのカイラル磁性体を磁性体１０として用いてシミュレーション実験を行った。カイラル磁性体は磁場強度Ｈｓｋによりカイラル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ｘｙ平面内に発生する。
次に、この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。この場合、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カイラル相から磁場強度Ｈｓｋ＝０．００７５Ｊで、スキルミオン結晶相になる。スキルミオン４０の直径λは、λ＝２π√２・Ｊ×ａ／Ｄで示すことができる。ここで、ａは磁性体１０の格子定数であり、Ｄはジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさで物質固有の物理常数である。したがって、スキルミオン直径λは物質固有常数となる。スキルミオン直径λは非特許文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。
本実施例で用いるカイラル磁性体はＤ＝０．１８Ｊ、磁気モーメントＭ＝１、ギルバート減衰係数α＝０．０４である。本例ではＤ＝０．１８Ｊであるから、λ＝５０ａとなる。磁性体１０の格子定数ａ＝０．５ｎｍの場合、λ＝２５ｎｍのサイズである。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＝０．０２５２Ｊでスキルミオン結晶相から強磁性相になる。
磁性体１０にはＨ＝０．０３Ｊの外部磁場を印加しており、磁性体１０は強磁性状態となっている。安定部１６−１および安定部１６−２にはＨａ＝０．０２９Ｊの外部磁場を印加する。安定部１６−１および安定部１６−２の磁性体部位も強磁性状態であるが、Ｈと比較してＨａは０．００１Ｊだけ弱い磁場となっている。Ｈに比較してＨａが低磁場になっていることで、磁性体１０中にスキルミオン４０の安定部１６を形成する。以下のシミュレーションで詳細を述べる。
図５Ａは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。本例では安定部１６−１にスキルミオン４０が存在している。磁性体１０は、ｙ方向に高さＨｍ、ｘ方向にＷｍの幅をもつ矩形形状である。本例では、磁性体１０の格子常数ａを単位として、Ｗｍ×Ｈｍ＝９０×５０のサイズである。また、安定部１６−１および安定部１６−２は、１辺がＬ＝３０のサイズの正方形状とした。また、安定部１６−１および安定部１６−２と、磁性体１０の端部との距離をｄ１＝１０として、安定部１６−１および安定部１６−２の距離をｄ２＝１０とした。明示する場合を除き、本明細書における各シミュレーションにおける磁性体１０および安定部１６の形状は同一である。
図５Ｂは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０が安定部１と安定部２の境界を乗り越えようとしている。なお、本例において３０００（１／Ｊ）の時間は、おおよそ１ｎｓｅｃに相当する。また、０．００１ξの電流密度は、１．０×１０６Ａ／ｃｍ２に相当する。スキルミオン４０は安定部１６−１と安定部１６−２の境界付近に移動していることが判る。なお、転送用電流とは逆方向の流れである電子のスピン流が下流側電極１４から上流側電極１２に流れる。
このスピン流は、マグナス力によりｘ軸正方向にスキルミオン４０を移動するように働く。この結果、スキルミオン４０は、安定部１６−１と安定部１６−２との境界のポテンシャル壁を乗り越えことができる。なお、スキルミオン４０は、電子のスピン流から、スピン流に沿った方向の力も受けるが、当該力はスピントランスファートルクよりも小さく、当該方向にはあまり移動しない。安定部１６−１と安定部１６−２の間の境界領域に印加した外部磁場Ｈの強度は、安定部１６−１および安定部１６−２に印加した外部磁場Ｈａの強度より０．００１Ｊだけ強い。ｚ軸正方向に印加した外部磁場は、磁性体１０をより強磁性状態にする方向に働くから、スキルミオン４０にとって、強い磁場Ｈは高いポテンシャル障壁として機能する。
図５Ｃは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝５０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。安定部１６−２にスキルミオン４０が近づく。
図５Ｄは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝１４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は、正の転送用電流によってｘ軸正方向に移動して安定部１６−２に安定化する。
磁性体１０の高さＨｍは、スキルミオン直径をλとして、３・λ＞Ｈｍ≧λ／２の範囲であってよい。Ｈｍの下限はスキルミオン４０が安定して存在するために必要なサイズである。これより小さいとスキルミオン４０は存在できない。上限は、３・λよりも大きくてもよいが、メモリの集積度を向上するためになるべく小さい方が望ましい。また、磁性体１０の幅Ｗｍは、５・λ＞Ｗｍ≧λの範囲であってよい。Ｗｍの範囲はＷｍ＝２・ｄ１＋ｄ２＋２・Ｌであることから決まる。安定部１６の１辺の長さＬは、λ＞Ｌ≧λ／２の範囲であってよい。Ｌがλ／２以下の場合スキルミオン４０が安定部１６に留まらない。
また、安定部１６と磁性体１０との距離ｄ１は、λ／２＞ｄ１≧０の範囲であってよい。集積度向上のために、ｄ１はなるべく狭いことが望ましい。ｄ１は磁性体端部にはポテンシャルが存在するためにゼロであってよい。また、安定部１６間の距離ｄ２は、λ／２＞ｄ２≧λ／１０の範囲であってよい。集積度向上のために、ｄ２はなるべく狭いことが望ましい。ただし、ｄ２がλ／１０より狭いとスキルミオン４０は安定して安定部１６に留まれずに、望まない安定部１６にスキルミオンが移動してしまう場合がある。
（実施例２）
図６Ａは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とした場合の磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。図６Ａに示すように、上流側電極１２および下流側電極１４を、ｘ軸方向に配列している。つまり、上流側電極１２から下流側電極１４に流れる電流の向きと、安定部１６−１および安定部１６−２の配列方向とは同一である。なお、磁性体１０および安定部１６のサイズは実施例１と同一である。この電極位置を縦電流配置と呼ぶ。図６Ａは、ｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示している。スキルミオン４０が安定部１６−１に存在している。
図６Ｂは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝３７００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は、電子流の方向に沿った方向に力を受けて、安定部１６−１と安定部１６−２との境界に近づくが、安定部１６−１と安定部１６−２との境界におけるポテンシャル障壁を乗り越えられない。
図６Ｃは、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．００１ξを定常的に流した場合のｔ＝７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は、安定部１６−１および安定部１６−２の間のポテンシャル障壁にはねかえされ、安定部１６−１に戻ってしまう。結局、実施例１の横電流配置と同じ大きさの電流密度０．００１ξの大きさでは、スキルミオン４０が安定部１６間の境界を乗り越えることができず、安定部１６−１から安定部１６−２にスキルミオン４０を転送することはできない。
次に、縦電流配置において磁性体１０に印加する正の転送用電流密度を０．０１ξと大きくする。図７Ａに、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に生成電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。図７Ａに示す初期状態では、スキルミオン４０は、安定部１６−１に配置している。
図７Ｂに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝１８００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１と安定部１６−２の境界を乗り越える。
図７Ｃに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−２に移動する。
図７Ｄに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略平行に配置した縦電流配置とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、正の転送用電流密度０．０１ξを定常的に流した場合のｔ＝１１０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。安定部１６−２に一度入ったスキルミオン４０は、磁性体１０のｘ軸正方向の端部においてバウンドする。スキルミオン４０は慣性によりｘ軸負方向に押し返され安定部１６−１に戻ってしまう。
以上、実施例２に示したように、縦電流配置は、横電流配置よりも大きな電流密度でないと安定部１６−１と安定部１６−２との境界を乗り越えられない。また、電流密度を大きくしすぎると、境界を乗り越えたスキルミオンは安定部１６−２を通過し、再び、安定部１６−１に戻ってしまう。したがって、縦電流配置の場合、横電流配置に比べて、スキルミオン４０を二つの安定部１６間に安定的に転送することが難しい。
（実施例３）
横電流配置で転送用電流としてパルス電流を用いた場合をシミュレート実験する。
図８に、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す転送用電流パルスを示す。まず正の第１転送用電流パルスを与え、スキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送する。次に、負の第２転送用電流パルスを与え、スキルミオン４０を安定部１６−２から安定部１６−１に転送する。次に、正の第３転送用電流パルスを与え、スキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送する。
第１転送用電流パルスの一例として、まずｔ＝０（１／Ｊ）からｔ＝１０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が０ξから＋０．００１ξに変化する。ｔ＝１０００（１／Ｊ）からｔ＝２０００（１／Ｊ）の間は、磁性体１０に印加する電流密度は＋０．００１ξを維持する。ｔ＝２０００（１／Ｊ）からｔ＝３０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が＋０．００１ξから０に変化する。
第２転送用電流パルスの一例として、まずｔ＝１００００（１／Ｊ）からｔ＝１１０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が０ξから−０．００１ξに変化する。ｔ＝１１０００（１／Ｊ）からｔ＝１２０００（１／Ｊ）の間は、磁性体１０に印加する電流密度は−０．００１ξを維持する。ｔ＝１２０００（１／Ｊ）からｔ＝１３０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が−０．００１ξから０に変化する。
第３転送用電流パルスの一例として、まずｔ＝２００００（１／Ｊ）からｔ＝２１０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が０ξから＋０．００１ξに変化する。ｔ＝２１０００（１／Ｊ）からｔ＝２２０００（１／Ｊ）の間は、磁性体１０に印加する電流密度は＋０．００１ξを維持する。ｔ＝２２０００（１／Ｊ）からｔ＝２３０００（１／Ｊ）にかけて、磁性体１０に印加する電流密度が＋０．００１ξから０ξに変化する。
図９Ａに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１に存在する初期状態である。
図９Ｂに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１と安定部１６−２の境界に向かう。
図９Ｃに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝４０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。第１転送用電流パルスはＯＦＦの状態であるが、スキルミオン４０は慣性により安定部１と安定部２の境界を横切る。
図９Ｄに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第１転送用電流パルスを流した時のｔ＝７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は、安定部１６−２において安定する。このように、正の第１転送用電流パルスによって、スキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送できる。
図９Ｅに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に負の第２転送用電流パルスを流した時のｔ＝１３０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。負の電流パルス、すなわち、下流側電極１４から上流側電極１２に向かう電流を磁性体１０に印加した場合、スキルミオン４０には、ｘ軸負方向（すなわち、安定部１６−２から安定部１６−１に向かう方向）に向かうスピントランスファートルクが働く。スキルミオン４０は安定部１６−２から出て、安定部１６−２と安定部１６−１の境界方向に移動する。スキルミオン４０は安定部１６−２と安定部１６−１の境界を横切る。
図９Ｆに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に負の第２転送用電流パルスを流した時のｔ＝１８０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１に安定化する。
図９Ｇに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第３転送用電流パルスを流した時のｔ＝２３０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１および安定部１６−２の境界を横切る。
図９Ｈに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に正の第３転送用電流パルスを流した時のｔ＝２７０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−２に安定化する。
以上のように、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、電流密度が０．００１J程度の正の転送用電流パルスを、３０００（１／Ｊ）程度の期間印加することによりスキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送できる。また、電流密度が０．００１ξ程度の負の転送用電流パルスを３０００（１／Ｊ）程度の期間印加することによりスキルミオン４０を安定部１６−２から安定部１６−１に転送できる。また、再度正の転送用電流パルスを印加することで、安定部１６−１に戻ったスキルミオン４０を、安定部１６−２へ転送できる。
まとめると、以下の通りである。
（１）上流側電極１２から下流側電極１４に、電流密度０．００１ξ程度の正の転送用電流パルスを、３０００（１／Ｊ）程度の期間流すと、スキルミオン４０を安定部１６−１から安定部１６−２に転送させ、且つ、安定部１６−２に安定して存在させることができる。
（２）上流側電極１２から下流側電極１４に、正の転送用電流パルスと同程度の電流密度の負の転送用電流パルスを、正の転送用電流パルスと同程度の期間流すと、スキルミオン４０を安定部１６−２から安定部１６−１に転送させ、且つ、安定部１６−２に安定して存在させることができる。
すなわち、横電流配置によれば、転送用電流の方向と直交する方向に配列した複数の安定部１６の間において、スキルミオン４０を容易に転送することが可能である。転送時に印加する電流パルスの時間は３０００（１／Ｊ）程度、すなわち、おおよそ１ｎsec程度である。従って、非常に高速にスキルミオン４０を、安定部１６間で転送できる。スキルミオン４０の転送が、情報の「１」、「０」に対応するので、スキルミオンメモリ１００は、非常に高速に情報を書き換えることができる。この速度はＣＭＯＳ回路で構成された高速ＳＲＡＭの速度に匹敵する。しかも不揮発性であることから、ＣＰＵ論理回路との組み合わせ不揮発メモリとして恰好のメモリを用意することが可能となる。電流密度は０．００１ξで消費電流も小さい。
（実施例４）
横電流配置において、消去用電流パルスを印加することでスキルミオン４０を消去する動作をシミュレート実験する。この実施例は、例えば以下の場合に用いることができる。特定トラックの該当メモリセルにおいて、何らかの原因で安定部１６からスキルミオン４０が消失した場合、このトラックはメモリとして使用できなくなる。この場合、該当トラックにあるすべてのメモリセルからスキルミオン４０を一度消去し、すべてのメモリセルの安定部１６−１にスキルミオン４０を生成すれば、該当トラックは正常トラックとして使用できる。このようなリセット機能を有するためにはメモリセルからスキルミオン４０を完全に消去できる装置が必要である。
図１０に、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す正の消去用電流パルスを示す。本例では、スキルミオン４０が安定部１６−１に存在する。電流密度０．００６ξの第１の消去用電流パルスを、印加時間４５００（１／Ｊ）の間印加した。消去用電流パルスの電流密度は、転送用電流パルスの電流密度より大きい。なお、第１の消去用電流パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は１０００（１／Ｊ）であり、パルス印加時間を２５００（１／Ｊ）とする。
図１１Ａに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。図１１Ａに示す初期状態において、スキルミオン４０は安定部１６−１に存在する。
図１１Ｂに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝２０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−１および安定部１６−２の境界の上流側電極１２寄りの領域を、安定部１６−２に向かって通過する。
図１１Ｃに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝３５００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は安定部１６−２の端部に侵入する。
図１１Ｄに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第２の消去用電流パルスを流した時のｔ＝５０００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。図１１Ｃに示した状態の後、スキルミオン４０は磁性体１０のｘ軸正方向における端部におけるポテンシャル障壁を乗り越えて消滅しはじめる。その後、スキルミオン４０は、磁性体１０と上流側電極１２との境界におけるｙ軸正方向の端部で消滅する。次に、安定部１６−２に存在するスキルミオン４０を消去する動作をシミュレート実験する。
図１２に、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて流す正の消去用電流パルスを示す。電流密度は０．０１４ξである。電流の印加時間を３０００（１／Ｊ）とする。なお、第３の消去用電流パルスの立ち上がり時間および立ち下がり時間は１０００（１／Ｊ）であり、パルス印加時間を１０００（１／Ｊ）とする。
図１３Ａに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝０（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。図１３Ａに示す初期状態において、スキルミオン４０は安定部１６−２に存在する。
図１３Ｂに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝２６００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は磁性体１０のｘ軸正方向側の端部に接触する。本例では、消去用電流パルスの印加時間が長いので、スキルミオン４０は、磁性体１０の端部におけるポテンシャル障壁を乗り越える。
図１３Ｃに、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、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とし、上流側電極１２から下流側電極１４に向けて、磁性体１０に第４の消去用電流パルスを流した時のｔ＝３４００（１／Ｊ）における磁性体１０の磁気モーメントのシミュレーション結果を示す。スキルミオン４０は、磁性体１０のｘ軸正方向側の端部を、上流側電極１２に向かって消滅しながら移動する。その後、スキルミオン４０は、磁性体１０と上流側電極１２との境界におけるｙ軸正方向の端部で消滅する。
以上から、本例の磁性体１０および安定部１６を用いた場合のスキルミオン消去条件は以下である。
（３）スキルミオン４０が安定部１６−１に存在する場合、電流密度０．００６ξでパルス印加時間は４５００（１／Ｊ）以上である。
（４）スキルミオンが安定部１６−２に存在する場合、電流密度０．０１４ξでパルス印加時間は３０００（１／Ｊ）以上である。
以上２個の安定部１６を有する磁気素子の場合の（１）〜（４）の設計ルールはJでの物理量で示した。その適応性は高い。なお、上記条件は、電流密度を上げた場合には、パルス印加時間を下げてもよい。また、ここに述べた磁気素子の設計ルールはダイポール磁性体でもフラストレート磁性体でも磁性材料と非磁性材料との積層構造でも変更をきたさない。物質が決まれば交換相互作用エネルギーＪが決まる。このＪが決まれば上記設計ルールが適用できる。
このように、本明細書では、上流側電極１２と下流側電極１４との間に流す電流の方向を、スキルミオン４０を転送する方向に対して略垂直に配置した横電流配置とし、電流によるスキルミオン転送、消去方法の最適な配置を示した。また、本発明では、ナノ秒程度の極短パルス電流により、スキルミオン４０の転送および消去をすることが可能になった。本明細書に開示したスキルミオンメモリ１００は、メモリ保持のために電力を消費しない。スキルミオンメモリ１００は、不揮発性メモリとして機能する。よって、低消費電力で高速な不揮発性メモリが実現する。スキルミオン磁気素子およ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、データ記録装置およびデータ通信装置を実用化する上で大きなインパクトをもたらすことが期待できる。
スキルミオンは、直径が１〜５００ｎｍ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できる。
スキルミオンメモリ１００は高速記憶や消去が可能なメモリに応用できる不揮発性磁気メモリなので、現在の情報演算として用いているＤＲＡＭや高速ＳＲＡＭメモリの代替え可能な不揮発性メモリを担うデバイスとして期待できる。特に本発明により電流によりスキルミオン転送方法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。
図１４は、スキルミオンメモリ１００の他の構成例を示す模式図である。本例のスキルミオンメモリ１００は、シフトレジスタとして機能する。本例のスキルミオンメモリ１００は、転送用電流が流れる方向とは直交する方向に配列した３以上の安定部１６を有する。本例では、３以上の安定部１６を、上流側電極１２および下流側電極１４が挟む磁性体１０に配置する。なお、図１４においては、上流側電極１２および下流側電極１４の間に電流を流す電源５２を省略している。
このような構成により、データを例えば左から右の安定部１６に順次転送するシフトレジスタ機能をもたらせることができる。本例のスキルミオンメモリ１００は、安定部１６−１、安定部１６−２、・・・、安定部１６−９を有する。スキルミオンメモリ１００は、外部回路から伝達してきた情報の「１」「０」信号に応じて左端の安定部１６−１でスキルミオンを生成する。スキルミオンメモリ１００は、安定部１６−１にスキルミオンを生成するための凹部形状を有する磁性体形状としてよい。電流コイルによる局所磁場を有する電流経路を有してもよい。上流側電極１２から下流側電極１４に正の転送用電流パルスを流すとスキルミオン４０は安定部１６を右にひとつずつ移動する。また、負の転送用電流パルスを流すとスキルミオン４０は安定部１６を左にひとつずつ移動する。スキルミオン検出素子１５を安定部１６−５に設置すれば安定部１６−５を通過するスキルミオンを検知できる。これにより一時的にメモリした情報を読み取ることができる。また、全ての安定部１６に対してスキルミオン検出素子１５を設けてもよい。これにより、スキルミオンメモリ１００が保持している情報の各ビットを同時に読み出すことができる。それぞれの安定部１６におけるスキルミオン４０の有無が、情報の１ビットに対応する。
図１５は、スキルミオンメモリ１００の他の構成例を示す模式図である。本例のスキルミオンメモリ１００における磁性体１０は閉経路形状を有する。つまり、磁性体１０は、延展方向と平行な面における内周を規定する内周側端部と、外周を規定する外周側端部とを有する。本例の磁性体１０は、外周および内周の双方が長円形状を有しており、且つ、外周および内周の間隔がほぼ一定のサーキット形状を有する。長円形形状とは略四角形形状でもよい。この場合は角部を適切な曲率を有するように設計する。閉経路磁性体は蛇行する形状であってもよい。その他、各種閉経路形状磁性体であってよい。
上流側電極１２および下流側電極１４は、磁性体１０の延展方向と平行な面において、一方が磁性体１０の内周側端部に接続し、他方が外周側端部に接続する。本例では、上流側電極１２が、磁性体１０の外周側端部と接続しており、下流側電極１４が、磁性体１０の内周側端部と接続している。この場合、上流側電極１２から下流側電極１４への向きに磁性体１０に電流を流し、スキルミオン４０を電流方向と略垂直に転送する横電流配置とする。これにより、スキルミオン４０に磁性体１０の表面側から見て時計回りに磁性体１０を周回するように、スピントランスファートルクを作用させる。
複数の安定部１６は、磁性体１０の閉経路形状を１周するように配列している。それぞれの安定部１６の間におけるスキルミオン４０の移動時間が等しくなるように、安定部１６を配列することが好ましい。それぞれの安定部１６の間隔は同一であってよい。また、図１５においては、それぞれの安定部１６の形状を正方形としているが、磁性体１０の円弧部分における安定部１６は、磁性体１０の直線部分における安定部１６とは異なる形状を有してよい。それぞれの安定部１６は、磁性体１０の外周側端部および内周側端部と平行な２辺と、外周側端部および内周側端部と直交する２辺とを有してよい。
なお、図１５においては、電源５２、磁場発生部２０、スキルミオン検出素子１５および測定部３４を省略している。スキルミオン検出素子１５を、少なくとも一つの安定部１６に対して設ける。情報を読み取る場合には、スキルミオン４０の位置が順次シフトして、それぞれのスキルミオン４０が複数の安定部１６を１周するように、転送用電流パルスを複数回印加する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無のパターンを検出する。電流パルスを印加した後は、スキルミオン４０が安定部１６の内部に安定して位置する。このため、スキルミオン４０の位置を確定でき、スキルミオン４０の有無の検出が容易になる。また、スキルミオン４０を制御するために定常的に電流を流す必要がない。このため、消費電力を低減することができる。このメモリは記憶保持に電力を消費することがない不揮発性メモリとして機能できる。
また、スキルミオンメモリ１００は、外部回路から伝達してきた情報の「１」「０」信号に応じていずれかの安定部１６でスキルミオンを生成する。スキルミオンメモリ１００は、当該安定部１６にスキルミオンを生成するために、凹部形状を有する磁性体形状としてよい。また、スキルミオンメモリ１００は、電流コイルによる局所磁場を有する電流経路を有してもよい。
図１６Ａは、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００を少なくとも一つ備えるデバイスである。スキルミオンメモリデバイス１１０は、強磁性体層である磁場発生部２０および磁場発生部２０の上方に形成した磁気素子３０を備える。磁場発生部２０は安定部１６を形成するために、それぞれの安定部１６の下部に該当する箇所に膜厚が薄い窪みを有する。当該窪みには、絶縁体層２２を配置してよい。磁気素子３０と磁場発生部２０との間には、非磁性体層を設ける。この非磁性体層は絶縁体２２と同じ材料でよい。本例の磁気素子３０は、図３、図１４または図１５に示した磁気素子３０と同様の構成を有する。図１６Ａにおいては、図３、図１４または図１５に示した磁気素子３０が有する金属電極のうち、下流側電極１４および上流側電極１２のみを示し、他の金属電極を省略している。図１６Ａにおいては、測定部３４の断面図は図示していない。磁気素子３０は、磁性体層６０、磁性体保護層６５、第１配線層７０および第２配線層７５の順に積層した積層構造を有する。
磁性体保護層６５は、磁性体保護膜６６および第１ビア６７を有する。磁性体保護膜６６は、磁性体層６０を保護する。第１ビア６７は、それぞれの金属電極に、スキルミオン転送、生成、消去および検出用の電流を供給する。図１６Ａにおいては、単一の第１ビア６７を示しているが、第１ビア６７は、それぞれの金属電極に対して設ける。
第１配線層７０は、第１配線７１、第１配線保護膜７２および第２ビア７３を有する。第１配線７１は、スキルミオン転送、生成、消去および検出用の電圧または電流を供給する経路を形成する。第１配線保護膜７２は、第１配線７１および第２ビア７３を形成するための層間絶縁膜として機能する。スキルミオン転送、生成、消去および検出用の経路を同一層内に引き回すことが困難な場合、図１６Ａに示すように第１配線層７０上に第２配線層７５を形成してもよい。
第２配線層７５は、第２配線７６および第２配線保護膜７７を有する。第２配線７６は、第２ビア７３と接続する。第２配線保護膜７７は、第２配線７６を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。第２ビア７３は、第１配線７１と第２配線７６とを接続する。第２配線７６は、第１配線７１とともに、スキルミオン転送、生成、消去および検出用の電圧または電流を伝送する経路を形成する。これらの経路は外部端子を介して、スキルミオンメモリデバイス１１０の外部の電源等と接続してよい。
図１６Ｂは、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造の他の例を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、基板８０、スキルミオンメモリ１００およびＦＥＴ９９を有する。本例では、スキルミオンメモリ１００およびＦＥＴ９９を、基板８０の同一面上に形成する。基板８０は、シリコン等の半導体基板である。図１６Ａに示したように、スキルミオンメモリ１００の磁場発生部２０は窪みを有する。当該窪みには絶縁体層を配置する。ＦＥＴ９９は、後述するスキルミオン４０を転送等するスキルミオンメモリ１００を選択するスイッチとして機能してよい。ＦＥＴ９９は、一般的な半導体プロセスにより形成できる一般的なＦＥＴである。
ＦＥＴ９９は、基板８０の表面に形成した所定の導電型のウェル、ソース、ドレインの各領域を有する。また、ソースドレイン間のチャネル上に形成したゲート電極を有する。また、ＦＥＴ９９とスキルミオンメモリ１００等の他の素子との間には素子分離層ＬＯＣＯＳを有する。本例のＦＥＴ９９は、２層の配線層を有する。ＦＥＴ９９の配線層は、スキルミオンメモリ１００の第１配線層７０および第２配線層７５と同一層であってよい。また、ＦＥＴ９９の一部の配線は、スキルミオンメモリ１００の一部の配線に接続してよい。
図１７は、磁気素子３０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、ｎ＝１２の場合である。磁場発生部２０は、３０００Åの膜厚を有する。磁場発生部２０は安定部１６を形成するためにそれぞれの安定部１６の下部に該当する箇所に膜厚が薄い窪みを有する。当該窪みには、絶縁体層を配置する。磁気素子３０は、磁気素子３０−１から磁気素子３０−ｎまで積層した構造を有する。本例の磁気素子３０は、合計３５０００Åの膜厚を有する。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、共通の磁場発生部２０の上に複数の磁気素子３０を積層することにより、集積度を大きくできる。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１６Ａに示したスキルミオンメモリデバイス１１０のｎ倍の集積度を実現できる。本例では、隣接する層の磁気素子３０の磁性体１０を、重ならない位置に設けてよい。
図１８は、積層方向に複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。磁場発生部２０は安定部１６を形成するためにそれぞれの安定部１６の下部に該当する箇所に膜厚が薄い窪みを有する。当該窪みには、絶縁体層を配置する。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、複数の磁場発生部２０を積層して有しており、それぞれの磁場発生部２０の間に、それぞれ１層の磁気素子３０を有する。これにより、磁気素子３０は、磁場発生部２０から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。磁場発生部２０は、磁気素子３０の材料等に応じて適当な間隔で配置してもよい。
図１９は、スキルミオンメモリデバイス１１０の構成の一例を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１６Ａから図１８において説明したスキルミオンメモリデバイス１１０に対して、基板８０とスキルミオンメモリ１００の間にＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０を備える点で相違する。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００およびＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０は半導体素子の一例であり、基板８０上に形成する。スキルミオンメモリ１００は、ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０上に形成する。磁気素子３０は、ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０の上方に形成する。磁気素子３０とＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０の間に、磁場発生部２０を形成してよい。磁場発生部２０は安定部１６を形成するためにそれぞれの安定部１６の下部に該当する箇所に膜厚が薄い窪みを有する。当該窪みには、絶縁体層を配置する。ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０は、後述する論理回路として機能してよい。
ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０は、ＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１およびＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を備える。ＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０およびＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１は、一般的なシリコンプロセスにより形成できる一般的なＦＥＴである。本例のＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０は、２層のＣｕ配線層を有する。
スキルミオンメモリデバイス１１０では、論理回路を形成するＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０と不揮発性磁気素子であるスキルミオンメモリ１００を積層し、同一のチップ内に形成した。そのため、スキルミオンメモリデバイス１１０は、消費電力を低減できる。これは、現在大きな消費電力を要する大規模ＣＰＵデバイスをノーマリオフの大規模ＣＰＵデバイスで再編成でき、低消費電力化に大きな役割を果たす。さらに、ＣＰＵの計算速度の大幅な向上にも貢献する。ＣＰＵの計算速度は外部メモリとのやり取りのためのタイミングを計るために待機時間設定などの大きな制約を受ける。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、この制約を一気に解放し、しかも高速不揮発性磁気素子と直接データのやり取りが可能になることからＣＰＵの速度性能が飛躍的に向上する。
図２０は、スキルミオンメモリデバイス１１０の回路構成の一例を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図３に示したスキルミオンメモリ１００を、マトリクス状に複数備える。ただし、図２０に示したスキルミオンメモリ１００は、電源５２を有さない。電源５２は、図２０に示すビット線９６または書込ワード線９５を介して、スキルミオンメモリ１００に接続する。測定部３４は、図２０に示すビット線９６または読出ワード線９７を介して、スキルミオンメモリ１００に接続する。図２０に示す検出回路９８が、測定部３４の一部として機能する。図２０では、マトリクスの複数の列および行のうち、第ｎ−１列、第ｎ列、第ｍ−１行および第ｍ行のみを示している。
スキルミオンメモリデバイス１１０は、複数のスキルミオンメモリ１００、複数のビット線９６、複数の書込ワード線９５、複数の読出ワード線９７、複数のスイッチ１８１、複数のスイッチ１８３、複数のスイッチ１８４、および、複数の検出回路９８を備える。ビット線９６は、マトリクスの各列に設ける。また、読出ワード線９７および書込ワード線９５は、マトリクスの各行に設ける。ビット線９６は、当該列の各スキルミオンメモリ１００の上流側電極１２に接続する。読出ワード線９７は、当該行の各スキルミオンメモリ１００のスキルミオン検出素子１５に接続する。書込ワード線９５は、当該行の各スキルミオンメモリの下流側電極１４に接続する。スイッチ１８１は、それぞれのビット線９６に設ける。スイッチ１８３は、それぞれの書込ワード線９５に設ける。スイッチ１８４は、それぞれの読出ワード線９７に設ける。スイッチ１８１、１８３、１８４は、例えばＦＥＴである。
ビット線９６、書込ワード線９５および読出ワード線９７は、それぞれのスイッチを介して外部電源に接続する。当該外部電源は、例えば電源５２または測定用電源３１である。電源５２および測定用電源３１は共通の電源であってよい。また、外部電源は、ビット線９６毎に設けてよく、複数のビット線９６に共通に設けてもよい。
検出回路９８は、読出ワード線９７に接続し、読出ワード線９７に流れる電流を検出する。検出回路９８は、測定部３４における電流計３２として機能する。検出回路９８は、それぞれの読出ワード線９７に設けてよく、複数の読出ワード線９７に共通に設けてもよい。
いずれかのスキルミオンメモリ１００にデータ「１」を書き込む場合（すなわち、スキルミオン４０を安定部１６−２に配置する場合）、対応するスイッチ１８１およびスイッチ１８３をオン状態に制御し、対応するビット線９６および書込ワード線９５を選択する。例えば、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）にデータを書き込む場合、書込ワード線９５（ｍ−１）に対応するスイッチ１８３と、ビット線９６（ｎ−１）に対応するスイッチ１８１とがオンする。その後、図２０において矢印で示すように、ビット線９６（ｎ−１）から書込ワード線に向けて正の転送用電流パルスを流すと、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）の安定部１６−２にスキルミオン４０が配置する。
図２１は、スキルミオンメモリ１００にデータ「０」を書き込む動作の一例を示す。すなわち、スキルミオン４０を安定部１６−１に配置する動作の一例を示す。データ「１」を書き込む場合と同様に、スイッチ１８１およびスイッチ１８３により、データ「０」を書き込むスキルミオンメモリ１００に対応するビット線９６および書込ワード線９５を選択する。ただし、データ「０」を書き込む場合には、ビット線９６から書込ワード線９５に向けて、スキルミオンメモリ１００に負の転送電流パルスを流す。これにより、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０が安定部１６−１に移動して、データ「０」が書き込まれる。
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）にデータ「０」を書き込む場合、書込ワード線９５（ｍ−１）に対応するスイッチ１８３と、ビット線９６（ｎ−１）に対応するスイッチ１８１とをオンする。その後、図２１において矢印で示すように、ビット線９６（ｎ−１）から書込ワード線９５（ｍ−１）に向けて負の転送用電流パルスを流すと、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）のスキルミオン４０が安定部１６−１に移動する。このように、ビット線９６および書込ワード線９５は、スキルミオン４０を複数の安定部１６間で転送するスキルミオン転送用電流を供給する第１のスキルミオン転送線および第２のスキルミオン転送線として機能する。
図２２は、スキルミオンメモリ１００のスキルミオン４０を消去する動作の一例を示す。スキルミオン４０を消去する場合、データの書き込みと同様に、スイッチ１８１およびスイッチ１８３により、スキルミオン４０を消去するスキルミオンメモリ１００に対応するビット線９６および書込ワード線９５を選択する。そして、ビット線９６から書込ワード線９５に向けて、スキルミオンメモリ１００に消去用電流を流す。消去用電流は、上述したように転送用電流よりも電流密度が高い。
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）のスキルミオン４０を消去する場合、書込ワード線９５（ｍ−１）に対応するスイッチ１８３と、ビット線９６（ｎ−１）に対応するスイッチ１８１とをオンする。その後、図２２において矢印で示すように、ビット線９６（ｎ−１）から書込ワード線９５（ｍ−１）に向けて消去用電流パルスを流すと、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）のスキルミオン４０が磁性体１０の端部のポテンシャル障壁を乗り越えて消滅する。このように、書込ワード線９５およびビット線９６は、スキルミオン４０を消去する消去用電流を供給するスキルミオン消去線としても機能する。
図２３は、スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し動作の一例を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０の読み出し動作とは、それぞれのスキルミオンメモリ１００の磁性体１０の所定の位置（本例では安定部１６−２）におけるスキルミオン４０の有無を検出する場合を指す。読み出し動作におけるスキルミオンメモリ１００の選択においては、スイッチ１８１およびスイッチ１８４により、対応するビット線９６、書込ワード線９５および読出ワード線９７を選択する。
読み出し動作においては、スイッチ１８１およびスイッチ１８４をオンする。この場合、上流側電極１２からスキルミオン検出素子１５に、スキルミオン４０の有無に応じた電流が流れる。検出回路９８は、スキルミオン検出素子１５に流れた電流を、読出ワード線９７を介して検出する。本例の検出回路９８は、当該電流を電圧に変換して出力する。当該電圧から安定部１６−２におけるスキルミオン４０の有無を測定することができる。
例えば、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）のデータを読み出す場合、読出ワード線９７（ｍ−１）に対応するスイッチ１８４と、ビット線９６（ｎ−１）に対応するスイッチ１８１とをオンする。その後、ビット線９６（ｎ−１）から上流側電極に所定の電圧を印加する。これにより、スキルミオンメモリ１００（ｍ−１、ｎ−１）の安定部１６−２におけるスキルミオン４０の有無に応じた読出ワード線９７の電流が発生する。
検出回路９８は、読出ワード線９７の電流を電圧に変換して、安定部１６−２におけるスキルミオン４０の有無を検出する。本例の検出回路９８は、帰還抵抗Ｒｆ、増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２を備え、電流を電圧に変換する。読出ワード線９７から検出回路９８に入力した電流は、増幅回路Ｃ１に入力する。帰還抵抗Ｒｆは、増幅回路Ｃ１と並列に設ける。増幅回路Ｃ１は、読出ワード線９７からの電流を電圧に変換する。電圧比較回路Ｃ２には、増幅回路Ｃ１の出力電圧および参照電圧Ｖｒｅｆを入力する。電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合は「１」を出力する。一方、電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さい場合は「０」を出力する。スキルミオン４０が有の場合、検出回路９８に流れる電流は小さくなる。Ｃ２出力は「０」を出力する。スキルミオン４０が無の場合、検出回路９８に流れる電流は大きくなる。Ｃ２出力は「１」を出力する。スキルミオン有り無しに対して反転した出力になる。Ｃ２の後にインバータを追加すればスキルミオン有り無しに対応した出力となる。これにより、スキルミオンメモリ１００のデータを読み出すことができる。
以上、図２０から図２３の通り、スキルミオンメモリデバイス１１０は、任意のスキルミオンメモリ１００を選択し、スキルミオン４０の転送、消去および読み出しができる。スキルミオンメモリ１００の周辺に配置したＦＥＴ、検出回路９８の増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２は、ＦＥＴデバイスを備える。複数のスキルミオンメモリ１００は、平面状に配列した。また、平面状に配列したスキルミオンメモリ１００を積層してよい。スキルミオンメモリ１００は、積層が可能であることにより、集積度を大幅に増加できる。
図２４Ａは、磁気素子３０の他の構造例を示す模式図である。図２４Ａにおいては、磁気素子３０の構成のうち上流側電極１２、下流側電極１４および磁性体１０の表面を示す。本例の磁性体１０は、安定部１６−１、安定部１６−２および境界部１９を有する。境界部１９は、転送用電流が流れる方向と直交する方向（本例ではｘ軸方向）において、磁性体１０の領域を２つに分割する。境界部１９は、スキルミオン４０の移動に対する障壁となる性質を有する。本例の境界部１９は、外部磁場の強度が、安定部１６−１および安定部１６−２の外部磁場よりも強い領域を指す。磁場発生部２０が、当該外部磁場を発生してよい。
境界部１９は、一端が上流側電極１２に接触し、他端が下流側電極１４に接続する直線形状であってよい。また、上流側電極１２および下流側電極１４の間における境界部１９の端辺を曲線で形成してもよい。また、境界部１９のｙ軸方向における各端部は、上流側電極１２および下流側電極１４に対して間隙を有してもよい。ただし、当該間隙は、スキルミオン４０が通過できない大きさである。
本例の安定部１６−１および安定部１６−２は、ｙ軸方向において磁性体１０と同一の高さを有する。安定部１６−１および安定部１６−２は、図３に関連して説明した安定部１６−１および安定部１６−２と同一のサイズを有してよい。この場合、本例の磁性体１０は、図３に関連して説明した磁性体１０よりも小さい。境界部１９のｘ軸方向における幅は、スキルミオン４０の障壁として機能でき、且つ、転送用電流によりスキルミオン４０が乗り越えられる程度の幅である。また、安定部１６間の距離ｄ２、すなわち境界部１９のｘ軸方向の幅ｄ２は、λ／２＞ｄ２≧λ／１０の範囲であってよい。集積度向上のために、ｄ２はなるべく狭いことが望ましい。ただし、ｄ２がλ／１０より狭いとスキルミオン４０は安定して安定部１６に留まれずに、望まない安定部１６にスキルミオンが移動してしまう場合がある。
図２４Ｂは、磁気素子３０の他の構造例を示す模式図である。図２４Ｂにおいては、磁気素子３０の構成のうち上流側電極１２、下流側電極１４および磁性体１０の表面を示す。本例の上流側電極１２および下流側電極１４のそれぞれは、磁性体１０の内部に突出する凸部１８を有する。例えば凸部１８は、ｘ軸方向における磁性体１０の中央部分に位置してよい。つまり、凸部１８はｘ軸方向において磁性体１０を２分割するように位置してよい。凸部１８が分割した磁性体１０の各領域が、それぞれ安定部１６として機能する。本例では、ｘ軸負方向側における磁性体１０の領域が安定部１６−１として機能して、ｘ軸正方向側における磁性体１０の領域が安定部１６−２として機能する。
それぞれの凸部１８のｘ軸方向における高さｈは、スキルミオン４０の移動の障壁となれる高さであればよい。一例として高さｈは、磁性体１０の格子常数ａを単位として１０程度であってよい。また、高さｈは、凸部１８の先端どうしで挟まれる磁性体１０の高さが、磁性体１０の格子常数ａを単位として３０から４０程度となるように設定してもよい。また、上流側電極１２および下流側電極１４の凸部１８は、同一形状であることが好ましい。凸部１８は、例えば三角形、四角形その他の多角形の形状、および、半円等の弧形状等であってよい。
また、凸部１８だけで安定部１６を形成する場合、磁場発生部２０は、安定部１６に対向する位置に窪み（絶縁体層２２）を有さなくともよい。また、凸部１８および絶縁体層２２を組み合わせて安定部１６を形成してもよい。また、凸部１８と図２４Ａに示した境界部１９とを組み合わせてもよい。
図２５は、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００は、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０と、固体電子デバイス２１０とを備える。スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１から図２４Ｂにおいて説明したスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０である。固体電子デバイス２１０は、例えばＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスである。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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。
図２６は、データ処理装置３００の構成例を示す模式図である。データ処理装置３００は、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０と、プロセッサ３１０とを備える。スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１から図２４Ｂにおいて説明したスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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。
図２７は、データ記録装置４００の構成例を示す模式図である。データ記録装置４００は、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０と、入出力装置４１０とを備える。データ記録装置４００は、例えばハードディスク、または、ＵＳＢメモリ等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１から図２４Ｂにおいて説明したスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０である。入出力装置４１０は、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０への外部からのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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。
図２８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、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０と、通信部５１０とを備える。スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、図１から図２４Ｂにおいて説明したスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０に書き込む機能、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０から読み出したデータを外部に送信する機能、および、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０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。
また、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０を適用した電子機器における電力の省力化も実現できることから、搭載電池の長寿命化が実現できる。これはスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０を適用するモバイル電子機器において、さらに画期的な仕様をユーザ側に提供することが可能となる。ちなみに電子機器としては、パーソナルコンピュータ、画像記録装置等を始め、いかなるものであってもよい。
またＣＰＵを搭載した通信装置（携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等）について、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０を適用することにより、画像情報の取り込みや、多彩で大規模なアプリケーションプログラムの動作をより高速に実現でき、また高速な応答性を実現できることからユーザにとって快適な使用環境を確保することが可能となる。また、画面上に表示する画像表示の高速化等も実現できることから、その使用環境をさらに向上できる。
またスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０をデジタルカメラ等の電子機器に適用することで、動画を大容量に亘り記録することが可能となる。またスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０を４Ｋテレビジョン受像機等の電子機器に適用することで、その画像記録の大容量化を実現することが可能となる。その結果、テレビジョン受像機において外付けハードディスクの接続の必要性を無くすことが可能となる。またスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、ハードディスクをはじめとしたデータ記録装置に適用する場合に加え、データ記録媒体として具体化してもよい。
また自動車用のナビゲーションシステム等の電子機器に対してもこのスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０を適用することでさらに高機能化を実現することが可能となり、大量の地図情報も簡単に記憶可能となる。
またスキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は、自走装置、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。即ち、飛行装置の複雑な制御処理、天候情報処理、高精細の画質からなる映像の提供による乗客用のサービスの充実、さらには宇宙飛行装置の制御や観察した画像情報の膨大な記録情報を記録し、人類に多くの知見をもたらす。
また、スキルミオンメモリ１００またはスキルミオンメモリデバイス１１０は磁気モーメントの構造を使い、その構造はトポロジカル安定性を有する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。
１０・・・磁性体、１２・・・上流側電極、１４・・・下流側電極、１５・・・スキルミオン検出素子、１６・・・安定部、１６−１・・・安定部、１６−２・・・安定部、１８・・・凸部、１９・・・境界部、２０・・・磁場発生部、２２・・・絶縁体層、３０・・・磁気素子、３１・・・測定用電源、３２・・・電流計、３４・・・測定部、４０・・・スキルミオン、５２・・・電源、６０・・・磁性体層、６１・・・絶縁体、６５・・・磁性体保護層、６６・・・磁性体保護膜、６７・・・第１ビア、７０・・・第１配線層、７１・・・第１配線、７２・・・第１配線保護膜、７３・・・第２ビア、７５・・・第２配線層、７６・・・第２配線、７７・・・第２配線保護膜、８０・・・基板、８５・・・レジスト、９０・・・ＣＭＯＳ−ＦＥＴ、９１・・・ＰＭＯＳ−ＦＥＴ、９２・・・ＮＭＯＳ−ＦＥＴ、９５・・・書込ワード線、９６・・・ビット線、９７・・・読出ワード線、９８・・・検出回路、１００・・・スキルミオンメモリ、１１０・・・スキルミオンメモリデバイス、１５１・・・非磁性体薄膜、１８１・・・スイッチ、１８３・・・スイッチ、１８４・・・スイッチ、２００・・・スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、２１０・・・固体電子デバイス、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

Claims (15)

  1. スキルミオンを転送可能な磁気素子であって、
    非磁性体に囲まれた薄層状の磁性体と、
    前記磁性体の延展方向に接続した非磁性金属である上流側電極と、
    前記上流側電極と離間して前記磁性体の延展方向に接続した非磁性金属である下流側電極と、
    スキルミオン検出素子と、
    前記磁性体は、前記磁性体の他の領域よりも前記スキルミオンが安定して存在する安定部を複数有し、
    前記上流側電極と前記下流側電極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垂直に配置した横電流配置であって、
    前記スキルミオン検出素子は前記安定部における前記スキルミオンの有り無しを検出し、
    前記安定部に対して、外部から印加される磁場は、他の場所の磁場よりも弱い、磁気素子。
  2. 複数の前記安定部を、前記磁性体において前記上流側電極および前記下流側電極が挟む領域に設け、又は
    複数の前記安定部を、前記上流側電極および前記下流側電極の間に流れる電流の向きに対して直交する方向に配列した
    請求項１に記載の磁気素子。
  3. 前記磁性体は、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し、又は
    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又は２に記載の磁気素子。
  4. 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位置に応じて、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。
  5. 前記スキルミオン検出素子の前記積層構造は、前記上流側電極と前記下流側電極の間における複数の前記安定部の内、少なくとも一つの安定部に位置する請求項４に記載の磁気素子。
  6. 前記上流側電極および前記下流側電極が挟む前記磁性体の高さＨｍはスキルミオン直径をλとして、３・λ＞Ｈｍ≧λ／２であり、又は
    前記上流側電極および前記下流側電極のそれぞれは、前記磁性体の内部に突出する凸部を有し、
    それぞれの前記凸部により分割される磁性体の各領域が、前記安定部として機能する、又は
    複数の前記安定部における各安定部間の距離は、スキルミオン直径をλとして、λ／２＞ｄ２≧λ／１０である
    請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気素子。
  7. 請求項１から６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経路と、
    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位置を検出する測定部と
    を備えるスキルミオンメモリ。
  8. 前記磁性体は閉経路形状を有し、
    複数の前記安定部を、前記磁性体の閉経路形状を１周するように配列した
    請求項７に記載のスキルミオンメモリ。
  9. 前記上流側電極から下流側電極間に正の転送用電流パルスを流すことにより第１の安定部から第２の安定部に前記スキルミオンを転送し、
    前記上流側電極から下流側電極間に負の転送用電流パルスを流すことにより前記第２の安定部から前記第１の安定部に前記スキルミオンを転送する
    請求項７又は８に記載のスキルミオンメモリ。
  10. 前記磁場発生部は、前記磁性体の前記安定部に対向する領域において、他の領域と比べて薄い膜厚を有する、又は、
    前記磁気素子を、厚さ方向に複数積層して有する、
    請求項７から９のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリ。
  11. 請求項７から１０のいずれか１項に記載の複数のスキルミオンメモリと、
    前記複数のスキルミオンメモリに接続し、それぞれ対応する前記スキルミオンメモリに、前記スキルミオンを複数の前記安定部間で転送するスキルミオン転送用電流を供給する複数のスキルミオン転送線と、
    前記複数のスキルミオンメモリに接続し、それぞれ対応する前記スキルミオンメモリの前記スキルミオンの位置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転送線、および、前記複数の読出ワード線に設けた、前記スキルミオンメモリを選択する複数のスイッチと、
    前記複数の読出ワード線に流れる電流もしくは電圧に基づいて、前記複数のスイッチにより選択した前記スキルミオンメモリにおける前記スキルミオンの位置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。
  12. 前記複数のスキルミオン転送線のうち、第１のスキルミオン転送線は、対応する前記スキルミオンメモリの前記上流側電極に接続し、
    前記複数のスキルミオン転送線のうち、第２のスキルミオン転送線は、対応する前記スキルミオンメモリの前記下流側電極に接続し、
    それぞれの読出ワード線は、対応する前記スキルミオンメモリのスキルミオン検出素子に接続し、
    前記複数のスイッチは、いずれかの前記スキルミオンメモリにおいて前記スキルミオンを転送および消去する場合に、対応する前記第１のスキルミオン転送線および第２のスキルミオン転送線を選択し、いずれかの前記スキルミオンメモリにおいて前記スキルミオンの有無を検出する場合に、対応する前記第１のスキルミオン転送線または第２のスキルミオン転送線のうち一つを選択し、且つ、対応する前記読出ワード線を選択する請求項１１に記載のスキルミオンメモリデバイス。
  13. 請求項１１に記載のスキルミオンメモリデバイスを備えるデータ記録装置。
  14. 請求項１１に記載のスキルミオンメモリデバイスを備えるデータ処理装置。
  15. 請求項１１に記載のスキルミオンメモリデバイスを備える通信装置。
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