JPWO2004019051A1 - 磁気センサー - Google Patents

Abstract

記録された磁化のサイズが微小サイズであっても磁気記録が再生可能であり、入射光そのものを光磁気ディスクに照射せずに光磁気ディスクに記録された磁化を直接読み取ることができ、かつＳ／Ｎ比の高い信号を得ることができる磁気センサーを提供する。垂直記録媒体（１０１）に配置される電気分極を有する磁気センサー素子（１０２）と、この磁気センサー素子（１０２）に作用するレーザー光発生手段とを備え、前記磁気センサー素子（１０２）への前記レーザー光発生手段からの振動数ωのレーザー光（１０４）の入射により、前記磁気センサー素子（１０２）から出射する振動数２ωの第２高調波（１０５）の偏光面の回転角度φの変化により垂直記録媒体（１０１）の情報を読み出す。

Description

本発明は、磁気センサーに係り、特に、光磁気ディスクやハードディスク装置（ＨＤＤ）等の固体内に埋め込まれたスピン情報を高感度、高空間分解能で読み出す（再生する）ことを可能にする、第２高調波を用いた磁気センサー素子に関するものである。

光磁気ディスクに記録された情報の再生には、従来、磁気光学効果である反射光のカー効果を用いている。
第１図はかかる従来の光磁気ディスクの再生原理の説明図である。
この図において、１は半導体レーザー、２，４，５はレンズ、３は偏光子、６は検光子、７はフォトダイオード、８は入射光、９は反射光、１０は垂直磁気記録膜を示している。
この図に示すように、光磁気ディスクの再生原理としては、反射光９の偏光面がカー効果により入射光８の偏光面に対して回転する。この反射光９の偏光面の回転角を読み取り記憶を再生させる。このときの回転角度は磁化の向きと光の進行方向とが平行である場合に最も大きくなる。このことから記録膜としては媒体の面に垂直な磁化を持つ材料が望まれる。また、面に垂直な磁化を持つという条件には、垂直磁化にすると面密度が高まり、高密度記録ができるという利点がある。このことから、この垂直磁気記録方式は今後の主流になる。
また、光磁気ディスクのメモリ容量は、再生に用いる半導体レーザーのスポットサイズに依存する。通常の半導体レーザーの再生波長は０．７８μｍ〜０．６５μｍ程度である。したがって、読み取り精度の面から、磁化のサイズが読み取り波長程度に制限される。これは記録容量の制限となり今後の解決すべき最も大きな課題となっている。
これに対して、ＭＳＲ（磁気誘起超解像）方式などの発明がなされている。これを用いれば、通常の半導体レーザーの再生波長の半分程度の磁化サイズでも読出し可能となりつつある。Ｋ．Ｓｈｏｎｏ〔Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．１９，Ｓｕｐｐｌｅ．Ｓ１（１９９９）１７７〕によれば、赤色レーザーの波長で０．３μｍの記録マークを再生しており、３．５インチＭＯディスクで１．３ＧＢの記録容量を実現している。しかし、これも高々波長の半分程度の読み出しサイズであり、０．１μｍ（１０００Å）以下の微細な磁化サイズを再生することは困難である。よって、おのずと限界が見えており深刻な解決すべき課題であることに変わりはない。
さらに、情報の再生に磁気光学効果を利用する従来の方法では、記録が書き込まれた光磁気ディスクに直接半導体レーザー光を入射する。この入射光による温度上昇が光磁気ディスクの磁性材料のスピン整列温度（キュリー温度Ｔｃ）以上になると記憶が消去されてしまう。そこで読み取り用の入射光はこの転移温度Ｔｃ以上にならないように、入射強度を制限しなければならないという問題点がある。これはひいては再生信号のＳ／Ｎ比向上に制限を与える結果となり、再生信号処理系に過大な負荷を発生させている。
上記は、光磁気ディスクでの記録データ再生上の問題点を述べたが、ハードディスク装置（ＨＤＤ）の磁気抵抗機構を用いた再生デバイスにおいても同様な技術的課題を持っている。記録用の磁性材料の微細化が進むにつれて、再生も高感度で超微細領域の磁気を読み取る必要がある。
ＨＤＤのデータ読み出し技術の次世代技術として、ＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド（Ｆｕｊｉｋａｔａ ｅｔ ａｌ．，Ｔｈｅ ８^ｔｈ Ｊｏｉｎｔ ＭＭＭ−Ｉｎｔｅｒｍａｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ，ｐ４９２，Ｊａｎ．２００１）、また、次々世代技術としてＥＭＲ（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）の開発がしのぎを削っている。
この次々世代技術といわれているＥＭＲでも試作段階では、読み取り素子の直径は数ｍｍ（Ｓｏｌｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２８９，ｐｐ．１５３０−１５３２，Ｓｅｐ．２０００）であり、０．１μｍ（１０００Å）以下の読み取りはこれからであるため、実用化には実現にはまだ遠い段階にある。

情報産業の肥大化、また画像情報の記憶等により、記憶容量増大の要求は現在とどまることを知らない。そのために、メモリサイズの微小化動向にもさらなる限りない微小化要求が発生している。２００４年には１００Ｇｂｐｓｉのメモリ容量実現のために、磁性材料サイズは３０ｎｍ（３００Å）程度に微小化している。また、２００７年には１０００Ｇｂｐｓｉのメモリ容量を実現するために、１０ｎｍ（１００Å）程度のサイズになるとの予測である。
そこで、本発明の第一の目的は、記録された磁化のサイズが数１００、数１０、もしくは数Å格子サイズといった微小サイズであっても、なお磁気記録が再生可能にしたものである。この結果、光磁気ディスクやＨＤＤのメモリ容量は飛躍的に増大する。この方法は従来のカー回転機構や磁気抵抗機構と原理的に異なり、磁性材料の非対称性が持つ非線形性光学応答理論に基づいた入射光に対する反射光の第２高調波の偏光面の回転を用いた磁気センサーを提供するものである。
第二の目的は、入射光強度に制限を与えない磁気センサー、すなわち入射光そのものを光磁気ディスクに照射せずに、光磁気ディスクに記録された磁化を直接読み取ることを可能ならしめる磁気センサーを提供することにある。これは再生時、不必要に記録媒体の温度を高温に上昇させ、記録媒体が磁化の転移温度より高い温度に熱せられるリスクを回避するためである。
本発明の磁気センサーによれば、磁気センサー素子へ半導体レーザー光を入射し、その素子からの出力である第２高調波信号を検出することによって、光磁気ディスクからの磁界を検知することが可能となる。したがって、再生法として従来のカー効果を利用する場合と異なり、光磁気ディスクに直接光を照射することなく光磁気ディスク上に書き込まれた情報を再生することが可能となる。
第三の目的は、光磁気ディスクに記録された磁化を読み取る磁気センサー素子へ、第２高調波を発生させるための半導体レーザーを照射するが、その入射光強度が小さくてもなお、得られる再生信号のＳ／Ｎ比が十分である磁気センサーを提供することにある。この磁気センサーによれば、磁気センサー素子から得られる偏光面の回転角度が従来のカー効果で得られる偏光面の回転角度に対して数１０倍〜数１００倍程度（数度〜数十度）の巨大偏光回転角度であるため、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。ちなみに、従来のカー回転方法での偏光面の回転は、ＴｂＦｅでは０．３°（Ｔｃ＝１３０℃）、ＧｄＦｅでは０．３５°（Ｔｃ＝２２０℃）である。
また、入射波長と第２高調波の波長とは波長が１／２と短くなる。波長フィルターを用いれば、入射波と同じ波長の反射波成分を容易に除去できるから、Ｓ／Ｎ比の高い第２高調波の信号を得ることが可能となる。これも従来のカー回転を使った場合と比較して有利な点である。
以上のように、本発明は、記録された磁化のサイズが微小サイズであっても磁気記録が再生可能であり、入射光そのものを光磁気ディスクに照射せずに光磁気ディスクに記録された磁化を直接読み取ることができ、かつＳ／Ｎ比の高い信号を得ることができる磁気センサーを提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁気センサーにおいて、スピン情報を有する物体に配置される空間的に非対称性を有する界面構造を有し、その界面を構成する一つの固体材料が磁性体である磁気センサー素子と、この磁気センサー素子に作用するレーザー光照射手段とを備え、このレーザー光照射手段から前記磁気センサー素子へ振動数ωのレーザー光を入射することにより、前記磁気センサー素子から出射する振動数２ωの第２高調波の偏光面の回転角度の変化によりスピン情報を有する物体のスピン情報を読み出すことを特徴とする。
〔２〕上記〔１〕記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの磁性体材料が強磁性（フェリ磁性を含む）材料で界面を構成した構造を持つことを特徴とする。
〔３〕上記〔２〕記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの材料が強磁性（フェリ磁性を含む）薄膜材料で、他の材料が複数の薄膜材料で界面を構成した多層薄膜材料を用いることを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは遷移金属、もしくは遷移金属酸化物膜を用いることを特徴とする。
〔５〕上記〔４〕記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは酸化Ｍｎ化合物膜を用いることを特徴とする。
〔６〕上記〔５〕記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる酸化物を用いることを特徴とする。
〔７〕上記〔６〕記載の磁気センサーにおいて、少なくとも一つの膜が（Ａ_{１− ｘ}Ｂ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、その他の複数の膜からなる膜構成を単位ユニットとして、この単位ユニットを複数回繰り返して構成する多層膜を少なくとも一つ薄膜材料として用いることを特徴とする。
〔８〕上記〔１〕記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの薄膜、もしくは結晶薄片で容易磁化軸と分極軸とが直交する材料を用いることを特徴とする。
〔９〕上記〔８〕記載の磁気センサーにおいて、第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極とが直交する一つの薄膜材料とその他の複数の薄膜材料を用いることを特徴とする。
〔１０〕上記〔９〕記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料において容易磁化軸に垂直な電場成分を持つ光を入射させ、この光に反射もしくは透過する光の第２高調波成分を用いることを特徴とする。
〔１１〕上記〔１０〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは遷移金属膜、もしくは遷移金属酸化物膜を用いることを特徴とする。
〔１２〕上記〔１１〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは酸化Ｍｎ化合物膜を用いることを特徴とする。
〔１３〕上記〔１２〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる酸化物を用いることを特徴とする。
〔１４〕上記〔１３〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の少なくとも一つの膜が（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、その他の複数膜からなる膜構成を単位ユニットととして、この単位ユニットを複数回繰り返して構成する多層膜を少なくとも一つ薄膜材料として用いることを特徴とする。
〔１５〕上記〔１０〕、〔１１〕又は〔１２〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＦｅの酸化物およびＦｅ酸化薄膜を用いることを特徴とする。
〔１６〕上記〔１５〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３結晶および薄膜を用いることを特徴とする。
〔１７〕上記〔１８〕記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３結晶および薄膜でＦｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５の材料で斜方晶の結晶構造を持った材料を用いることを特徴とする。
〔１８〕上記〔２〕から〔１７〕の何れか１項記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の遷移金属酸化物薄膜をＳｒＴｉＯ_３薄膜で上下を挟んだ多層構造を用いることを特徴とする。
〔１９〕上記〔２〕から〔１７〕の何れか１項記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料を支持する基板材料としてＳｒＴｉＯ_３結晶を用いることを特徴とする。
本発明は、数テラビット（Ｔｂ）ｐｓｉ（ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）領域の超巨大光磁気光ディスク、ＨＤＤを実現する際に欠かせない記録再生素子としての磁気センサーを実現するにあたって、前記従来技術では情報が記憶された最小単位の磁気ドメイン構造が１０００Å程度以下の場合、その記録の再生が困難になるであろう磁気センサーの課題を解決するために、本発明者等は第２高調波を用いた磁気センサーを発明した（請求項１）。
この磁気センサーは少なくとも一つが強磁性材料（フェリ磁性材料を含む）であることを最小の構成要件とする（請求項２）。
一つの強磁性材料以外の材料は固体に限らず気体でも構わない。二種の材料からなる界面を定義できれば、入射光に対する反射光（透過光）の第２高調波の偏光面は、入射光の偏光面に対して回転し、数種の薄膜からなる磁気センサーにおいても同様な効果が発生する（請求項３）。この磁性材料は遷移金属であってもよいし、遷移金属酸化物でもよい（請求項４）、また、各種の磁性を示す酸化Ｍｎ化合物であってもよい（請求項５）。
また、実施例に示したような（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉ元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉ元素からなる酸化物でもよい（請求項６、７）。
第２高調波を磁気センサーに利用する場合、磁化の容易磁化軸と分極軸が直交する材料であっても、同様な効果が発生する（請求項８、９）。この磁気センサーの幾何学的配置について示したのが請求項１０である。分極を持った磁性（薄膜）材料で、第２高調波を利用した磁気センサーを構成することが可能な材料を示したのが請求項１１から１７である。これらの多層膜の保護膜もしくは基板となる材料を請求項１８、１９に示した。これらの母体は考えられている薄膜材料と格子定数の点でミスフィットの少ない適切な材料として特定される。
〔作用〕
本発明によれば、固体内に埋め込まれたスピン情報を読み出すことを可能とする磁気センサーを提供することができる。これにより、光磁気ディスクの再生素子として、その記憶磁気領域が１０００Å以下の数百Å、もしくは数Åの微小領域であっても再生可能な素子を提供できる。この素子はハードディスク装置（ＨＤＤ）の読み出し装置としても実用可能である。この再生素子を使えば、一気に記憶容量を１０００Ｇｂｐｓｉ領域へ引き上げることを可能にする。

第１図は、従来の光磁気ディスクの再生原理の説明図である。
第２図は、本発明の第２高調波を使った磁気センサーの原理図である。
第３図は、本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の構造を示す断面図である。
第４図は、本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子とレーザー光との配置関係を示す図である。
第５図は、本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の回転特性を示す図である。
第６図は、本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の入射角依存性を示す図である。
第７図は、本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の温度と磁化依存性を示す図である。
第８図は、本発明のＧａＦｅＯ_３磁気センサー素子の結晶構造とレーザー光との配置関係を示す図である。
第９図は、本発明のＧａＦｅＯ_３磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の温度と磁化依存性を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第２図は本発明の第２高調波を使った磁気センサーの原理図である。
この図において、１０１は垂直磁気記録膜（スピン情報を有する物体：記録媒体）、１０２はセンサー素子、１０３は磁性体、１０４は振動数ωのレーザー光、１０５は振動数２ωの第２高調波である。
そこで、振動数ωのレーザー光１０４をセンサー素子１０２に入射角αで入射する。このときセンサー素子１０２を構成する材料が磁性体１０３であるとする。この磁性体１０３は垂直磁気記録膜１０１の下向き（データ０）もしくは上向き（データ１）の磁化から発生する＋−の磁界（磁束密度＝Ｂ）を感じて、磁気ドメインのスピンの向きが下向き；ｘ方向（強磁性体１０３の場合）、あるいは磁気ドメインのスピンの向きが上向きに向く。このような磁性体１０３からは振動数２ωの第２高調波１０５が発生し、その偏光面は＋φもしくは−φ回転する。この偏光面を観察することにより垂直磁気記録膜１０１のスピンの向きを検知可能にする。従って、磁気センサー素子１０２として機能する。
磁性体界面からの第２高調波の偏光面が回転することは、Ｐｕｓｔｏｇｏｗａ〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４９（１９９４）１００３１〕らがＦｅ金属薄膜にて理論的に予測し、Ｒａｓｉｎｇ〔Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７４（１９９５）３６９２，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７９（１９９６）６１８１〕らがスパッター膜で形成したＦｅ／Ｃｒ膜において第２高調波の偏光面の回転を観察した。
この回転角は３４°で、今までのカー回転角（０．０３°）とは桁違いに大きい回転角を示した。この原理は界面を形成することにより材料の非対称性を導入し、これによって第２高調波が発生することを利用する。
本発明はこの原理に着目して磁気センサーを構築した。すなわち、この原理は界面に敏感であることから界面のスピン状態のモニターとして利用でき、さらに、この界面のスピンの向きがメモリを構成する磁化から発生する磁界に反応することを利用して、磁気センサーとして用いることに成功した。
この第２高調波を使った磁気センサーは、本質的には非対称性を持った構造を形成すればよいので、原理としては数Åの界面が形成できればよいことになる。すなわち、数Åの界面が磁気センサーの空間分解能を制限する因子となるので、数Å領域の磁化を読み取ることが可能になるのである。実際は界面の平坦度や、実施例で示すように薄膜を形成する膜厚にも依存することになるが、その空間分解能はまさに極限の微小領域までデータの読み取りを可能とする。
さらに、本発明ではこれらの素子を構成する材料が電気分極Ｐをもった場合に、この効果が大きくなることを示す。第２図において、分極Ｐがｚ軸を向き、磁化がｘ軸方向の場合、入射光の電場ベクトルＥがｙ方向成分を持つ場合に第２高調波が発生する。二次の感受率χ（２）は、
χ_ｙｙｙ（２）＝αＭｘＰｚ
と表現され、Ｐｚの存在によりχ_ｙｙｙ（２）が発生する。これは分極を持った材料がこれらの効果を強調できることを示している。偏光面の回転角度は発生した磁化の大きさに比例する。この磁化の大きさは弱磁場では外部磁場にほぼ比例するから、メモリの磁化が発生する磁界強度に依存することになる。
したがって、得られる偏光面の回転角度が大きいほど、検知できる磁界強度下限を小さくできる。第２図で示したような垂直磁化の場合は、記録データ０，１でスピンの向きが反転する。したがって偏光面の角度はプラスとマイナス方向に回転することになる。このことも磁化の向きの信号を容易に読み取ることを可能にする。実際の磁気メモリの磁区からの漏れ磁界は数エルステッドである。実施例に示す非常に大きな偏光面の回転はこの微小漏れ磁場を十分検知可能とする。

超格子構造で磁気センサー素子として適用した具体例を以下に示す。
第３図は本発明の超格子構造のＬＳＭＯ磁気センサー素子の構造を示す断面図である。
この超格子は基板として、ＳｒＴｉＯ_３（略称；ＳＴＯ）２０１の（１００）面を用いた。その上にＬａ_０．６Ｓｒ_０．４ＭｎＯ_３（略称；ＬＳＭＯ）２０２を１０分子層積層する。その上にＬａＡｌＯ_３（略称；ＬＡＯ）２０３を２分子層、ＳＴＯ２０４を３分子層積層する。それぞれの単層での膜厚はＬＳＭＯ２０２が３．８２４Å、ＬＡＯ２０３が３．７５０Å、ＳＴＯ２０４が３．９０５Åである。このＬＳＭＯ２０２、ＬＡＯ２０３、ＳＴＯ２０４の構造を１単位として１０単位さらに積層する。１単位の膜厚は５７．４５Åとなる。１０単位は５７４．５５Åである。これらの分子層はレーザーアブレーション法で積層した。また、この積層数はＲＨＥＥＤ〔反射高エネルギー電子線回折〕観察により決定した。基板にＳＴＯ２０１を用いたのは上部に積層する膜との格子定数のミスフィットを小さくする目的である。ここでＬＳＭＯ２０２は強磁性膜であり、面内に磁化容易化軸を持つ。
第４図は本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子とレーザー光との配置を示す図である。
この図において、３０１はＬＳＭＯの上部界面構造と下部界面構造が異なるように配置されている磁性膜（超格子構造の磁気センサー素子）、３０２は振動数ωの入射レーザー光、３０３は振動数２ωの第２高調波である。
そこで、入射レーザー光３０２としては電場ベクトルが素子の表面内にあるＳ波偏光を用いる。このときの入射角をαとする。このときに発生する第２高調波３０３は界面の非対称性が存在する場合、ｐ偏光となる。第３図に示した超格子構造の磁気センサー素子の構造は非対称性を持った構造となっている。すなわち、一つの磁性膜ＬＳＭＯ２０２に注目すると、その上部の膜はＬＡＯ２０３であり、下部の膜はＳＴＯ膜２０４となるようになっている。この時ＬＳＭＯ２０２の上部界面構造と下部界面構造が異なるように配置されている。
これがもし、上部の膜がＳＴＯ２０４である場合は、上部界面から発生する第２高調波と下部界面から発生する第２高調波３０３は互いに位相を反転させ消去することから第２高調波３０３は発生しないことになる。すなわち対称性が保存された界面では第２高調波が発生しない。実施例に示された構造は非対称性を持つことからｐ偏光の第２高調波３０３が発生することになる。
さらに磁化がＬＳＭＯ２０２に発生すると発生した第２高調波３０３はｓ偏光となる。したがって、実施例に示した超格子材料からなる構造においては第２高調波３０３の偏光面は非対称性からくるｐ波と磁化からくるｓ波との合成波になる。基本単位を１０単位積層したのは第２高調波３０３の強度信号を強くするためである。これらの積層膜単位が入射光３０２のエネルギーに対して透明であれば、第２高調波３０３の信号強度も大きいことが予想される。実施例では１．５５ｅＶの入射エネルギーを選んだ。この第２高調波３０３のｓ偏光強度は磁化の強度に比例するから偏光の回転角は磁化の強度に依存することになる。
第５図はその超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の回転特性を示す図である。ここで、●は＋０．３５Ｔ、○は−０．３５Ｔの場合を示している。
実験では外部磁場を＋方向、−方向のそれぞれ０．３５テスラ（０．３５Ｔ）かけて磁化を発生させ、第２高調波の偏光角度を測定した。
入射エネルギー１．５５ｅＶ、入射角度１３°、試料温度１０Ｋの場合の偏光角度と第２高調波（ＳＨＧ）強度の測定例を第５図に示す。Ｂ＝＋０．３５Ｔの場合（ａ）とＢ＝−０．３５Ｔの場合（ｂ）との偏光角度相対回転角度は２φ＝３３°と期待された大きな回転角度が得られている。磁気センサー素子としてはＳＨＧの出力光側に検光子をいれて、これから出てくる光の強弱を検知すればよい。これは第１図で示した光磁気カー回転で記憶された磁化軸の“ｕｐ ｓｐｉｎ”“ｄｏｗｎ ｓｐｉｎ”を読み出すのと同じである。
実際には検光子は４５°に傾けた偏光面の配置をとるので第６図（ｃ）、（ｄ）の４５°での信号強度差を読み取ることになるため、＋Ｂ（４５°）、−Ｂ（４５°）でのＳＨＧ強度差をみることとなる。ＳＨＧ信号強度最大値に対して約５０％の信号強度の変化値になる。したがって、３３°の偏光角度の回転は大変大きな信号変化であるメモリ再生信号として発生することになり、大きな再生信号を得ることができるのである。
第６図は本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の入射角依存性を示す図であり、第６図（ａ）は振動数ωのレーザー光の入射角度α_１が２６°の場合の第２高調波の偏光面を示す図、第６図（ｂ）は振動数ωのレーザー光の入射角度α_２が１３°の場合の第２高調波の偏光面を示す図、第６図（ｃ）は第６図（ａ）の場合の偏光面の回転角φとＳＨ強度特性図、第６図（ｄ）は第６図（ｂ）の場合の偏光面の回転角φとＳＨ強度特性図である。ここで、第６図（ａ）においては、振動数ωのレーザー光４０１が入射し、振動数２ωの第２高調波４０２が得られる。また、第６図（ｂ）においては、振動数ωのレーザー光５０１が入射し、振動数２ωの第２高調波５０２が得られる。
この偏光面の回転角φは入射角度αに依存する（第６図挿入図参照）。つまり、入射角度αが小さいほど偏光面の回転φは大きくなる。したがって、入射角度αが小さい方が有利であるが、一方で光学配置上の工夫が必要となる。通常のカー回転（カー効果）による磁化検知と違い出射光のエネルギーは２倍であることから、適切な光学フィルターを用いれば分離可能である。
入射角度α_１が２６°での偏光面の回転の温度依存性はＬＳＭＯの磁化の温度依存性を反映している。磁化が大きくなるにしたがい、回転角φは大きくなる。
第７図に本発明の超格子ＬＳＭＯ磁気センサー素子の第２高調波の偏光面の温度と磁化依存性を示した。第７図（ａ）は温度が１０Ｋの場合（●の＋０．３５Ｔと○の−０．３５Ｔの差が±７．９°）、第７図（ｂ）は温度が１００Ｋの場合（●の＋０．３５Ｔと○の−０．３５Ｔの差が±３．６°）、第７図（ｃ）は温度が３００Ｋの場合（●の＋０．３５Ｔと○の−０．３５Ｔの差が±０．２°）である。第７図（ｄ）は温度（Ｋ）に対する磁化（μ_Ｂ／Ｍｎ）特性図である。磁化が大きくなるに従って、第２高調波の偏光面の回転角φも大きくなることが判る。
超格子ＬＳＭＯは入射角度αが１３°で、第２高調波の偏光面は磁場の＋、−向きで３３°回転する結果が得られた。この回転角は実施例では０．３５Ｔ＝３５００Ｏｅで実験装置上の制限から比較的大きな外部磁場を用いているが、第７図（ｄ）の磁化データに示したように、この超格子材料は１００Ｏｅと同じ大きさの外場での磁化の大きさを示すことが判っている。すなわち１００Ｏｅの外部磁場でも３３°程度の回転角は得られることを示している。現在のカー回転を読む磁気光学系は０．１°程度の回転を読むのに十分な精度を工業的に有している。垂直磁化膜からの漏れ磁場が１Ｏｅであれば、第２高調波の偏光面の回転角度は０．３°程度である。これは工業的に十分な精度を有して識別できることを示している。
この超格子の膜厚は第３図に示したように５７５Åであるから、最小磁化サイズは５７５Å程度は可能である。実際には信号処理技術が進んでいることからさらに半分程度の３００Å程度のサイズは可能である。このように数１００Åの磁化サイズにおいても検出可能である。さらに微小サイズの検知能力を向上させるには、このユニットを減少させればよい。原理的には一層でも可能であるからＬＳＭＯの単一膜厚３．８２Åのサイズまで検知可能になる可能性を持っている。まさしくオングストロームオーダーの微小サイズの検知能力を有する可能性がある。
この実施例で示された温度は１０Ｋであるが、強磁性転移温度が十分高温の材料を磁性材料として超格子構造を用いれば、第２高調波を用いた磁気センサーは室温で十分動作する。

ＧａＦｅＯ_３斜方晶結晶を磁気センサー素子として適用した具体例を示す。
この結晶は結晶構造が斜方晶構造を持ち、空間群の分類表示ではＰｃ２_１ｎである。この結晶の磁化容易化軸はｃ軸、分極軸はｂ軸構造を持つ。この結晶構造配置と光との入射光の偏光方向、ＳＨＧ信号配置を第８図に示した。
第８図は本発明のＧａＦｅＯ_３磁気センサー素子の結晶構造とレーザー光との配置関係を示す図である。ここでは、ＧａＦｅＯ_３の分極軸ｂ軸をｚ軸、磁化容易化軸をｘ軸となるように配置し、レーザー光はｂ軸と平行、すなわちｚ軸方向から入射する。
この図において、６０１はＧａＦｅＯ_３斜方晶結晶からなる磁気センサー素子、６０２は振動数ωからなるレーザー光、６０３は振動数２ωからなる第２高調波である。
ＧａＦｅＯ_３の磁気的性質はフェリ磁性を示す。このときの転移温度は２１０Ｋである。ＧａＦｅＯ_３の磁化Ｍの温度依存性を第９図（ｄ）の実線で示した。
第９図は本発明のＧａＦｅＯ_３磁気センサー素子における入射エネルギー１．５５ｅＶ、ｓ偏光入射光角度２６°の場合で、ＳＨＧ強度と偏光面をフェリ磁性転移温度Ｔｃ（２１０Ｋ）より上の温度２５０Ｋ〔第９図（ｃ）〕、Ｔｃ直下の１８０Ｋ〔第９図（ｂ）〕、Ｔｃより十分低い温度の１００Ｋ〔第９図（ａ）〕での測定結果である。
このときの磁場はｃ軸に平行に印加しており、磁場の強さは実験の配置上の問題からＢ＝＋０．３５Ｔの場合と、Ｂ＝−０．３５Ｔの場合である。
偏光面の回転角度φは、２５０Ｋのときφ＝０、１８０Ｋのときφ＝±４５°、１００Ｋのとき±８０°と大変巨大な値が得られた。この回転角と温度との関係を第９図（ｄ）の○で示す。この依存性はＧａＦｅＯ_３の磁化曲線の傾向と良い一致を示すことが判り、偏光面の回転角度はこの磁気センサーの磁化率と良い一致を示す。１００ＫでのＳＨＧの偏光回転角は±８０°（±０．３５Ｔ）となり、偏光角度相対回転角度は２φ＝１６０°と大変巨大な偏光回転角が得られた。実施例１で示したように実際にはＳＨＧ信号側に４５°の偏光子を入れ磁場の向きを読み取ることとなるので、１００Ｋでは回転しすぎである。１８０Ｋ程度であれば、偏光子の出力強度はＳＨＧの最大強度１００％変化となり得る。実際の偏光回転角度はメモリの磁化からの発生する磁界強度に依存し、回転角は小さくなるから磁場に敏感に回転する能力が高ければ高いほどよい。
このＧａＦｅＯ_３結晶は浮遊熔融帯法で作製される（特願２００２−２３４７０８）。
すなわち、上下に配置されるＧａ_２−ＸＦｅ_ｘＯ_３からなる試料棒の先端をガス雰囲気下で共焦点に配置される熱源が加熱することにより前記上下に配置されるＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなる試料棒の先端間に浮遊熔融帯域を形成する浮遊熔融帯法により、斜方晶の結晶構造をもったＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３の単結晶を生成することを特徴とする。
そこで、Ｇａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３でｘ＝１の場合が、Ｔｃ＝２１０Ｋである。ｘ＝１．４であればＴｃ＝３６０Ｋであるから室温で上記のような効果が発生する。したがって、室温での磁気センサー素子として実用に供することができる。
この実施例は単結晶薄片である。現在単結晶薄片を取り出すことはＦｉｅｌｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ（ＦＩＢ）装置を用いれば、数１００Å程度の膜厚で１００μｍ□の結晶片を取り出し、方位を出したままセットすることは可能である。すなわち、数１００Å程度の微小磁化サイズの検出が可能である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、従来と異なる方式で数１００Å領域の微細磁区構造を検知できる磁気センサー素子を提供することができる。この素子は数１０Åの微細磁区構造でも検知可能であることから、磁気記録装置におけるデータ再生装置の大きな課題が解決することとなる。これにより、テラビット領域の巨大な磁気メモリデバイスを提供することが可能になり、情報通信や光コンピュータにふさわしい巨大メモリを提供することが可能となる。
また、このセンサー素子は磁気メモリの再生装置のみの実用に限らない。例えば、コイルに電流を流せば、磁界が発生する。これを使って第２高調波の偏光面の回転を容易に制御できる。これは出力側に偏光子を入れれば、簡単に光をＯＮ−ＯＦＦすることも可能で、光通信ネットワークにおける電流制御型光スイッチ素子として応用展開することも可能であるし、さらに、光変調素子としての機能を作ることも可能である。
また、微小領域の磁場を敏感に検知することが可能であるから、例えば、微小磁石を一方に配置し、他方にここで提案された磁気センサーを搭載すれば、開閉センサー（たとえば、携帯電話の開閉センサー）としての応用も可能である。このように磁気メモリ用にとどまらず広範な情報ネットワークの中の基本素子としての発明の応用が考えられる。

本発明の磁気センサーは、高感度でかつ高い空間分解能を有し、特に、磁気メモリの再生デバイスとして好適である。また、光通信関係の基本デバイスとしても適用可能である。

Claims (19)

1. （ａ）スピン情報を有する物体に配置される、空間的に非対称性を有する界面構造を有し、その界面を構成する一つの固体材料が磁性体である磁気センサー素子と、
   （ｂ）該磁気センサー素子に作用するレーザー光照射手段とを備え、
   （ｃ）該レーザー光照射手段から前記磁気センサー素子へ振動数ωのレーザー光を入射することにより、前記磁気センサー素子から出射する振動数２ωの第２高調波の偏光面の回転角度の変化によりスピン情報を有する物体のスピン情報を読み出すことを特徴とする磁気センサー。
2. 請求項１記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの磁性体材料が強磁性（フェリ磁性を含む）材料で界面を構成した構造を持つことを特徴とする磁気センサー。
3. 請求項２記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの材料が強磁性（フェリ磁性を含む）薄膜材料で、他の材料が複数の薄膜材料で界面を構成した多層薄膜材料を用いることを特徴とする磁気センサー。
4. 請求項３記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは遷移金属、もしくは遷移金属酸化物膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
5. 請求項４記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは酸化Ｍｎ化合物膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
6. 請求項５記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つは（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる酸化物を用いることを特徴とする磁気センサー。
7. 請求項６記載の磁気センサーにおいて、前記複数の薄膜材料として少なくとも一つの膜が（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、その他の複数の膜からなる膜構成を単位ユニットとして、この単位ユニットを複数回繰り返して構成する多層膜を少なくとも一つ薄膜材料として用いることを特徴とする磁気センサー。
8. 請求項１記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の少なくとも一つの薄膜、もしくは結晶薄片で容易磁化軸と分極軸とが直交する材料を用いることを特徴とする磁気センサー。
9. 請求項８記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極とが直交する一つの薄膜材料とその他の複数の薄膜材料を用いることを特徴とする磁気センサー。
10. 請求項９記載の磁気センサーにおいて、前記第２高調波を発生するために前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料において容易磁化軸に垂直な電場成分を持つ光を入射させ、該光に反射もしくは透過する光の第２高調波成分を用いることを特徴とする磁気センサー。
11. 請求項１０記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは遷移金属膜、もしくは遷移金属酸化物膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
12. 請求項１１記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは酸化Ｍｎ化合物膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
13. 請求項１２記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料として少なくとも一つは（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、ＡとしてＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる元素、ＢとしてＡ以外のＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素もしくはＬａなどの希土類元素、ＹやＢｉからなる酸化物を用いることを特徴とする磁気センサー。
14. 請求項１３記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の少なくとも一つの膜が（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）ＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）で、その他の複数膜からなる膜構成を単位ユニットととして、この単位ユニットを複数回繰り返して構成する多層膜を少なくとも一つ薄膜材料として用いることを特徴とする磁気センサー。
15. 請求項１０、１１又は１２記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＦｅの酸化物およびＦｅ酸化薄膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
16. 請求項１５記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３結晶および薄膜を用いることを特徴とする磁気センサー。
17. 請求項１６記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の容易磁化軸と分極軸とが直交する材料としてＧａ_２−ｘＦｅ_ｘＯ_３結晶および薄膜でＦｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５の材料で斜方晶の結晶構造を持った材料を用いることを特徴とする磁気センサー。
18. 請求項２から１７の何れか１項に記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の遷移金属酸化物薄膜をＳｒＴｉＯ_３薄膜で上下を挟んだ多層構造を用いることを特徴とする磁気センサー。
19. 請求項２から１７の何れか１項に記載の磁気センサーにおいて、前記磁気センサー素子の複数の薄膜材料を支持する基板材料としてＳｒＴｉＯ_３結晶を用いることを特徴とする磁気センサー。

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