JPWO2016035579A1 - 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、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データ通信装置 - Google Patents
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Abstract
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.
実施例1において、スキルミオン40を生成する場合のシミュレーション実験結果を示す。下記の[数3]および[数4]は、スキルミオン40の運動を記述する。
(1)端部領域Aの左右の幅Wは下記の範囲が最適である。
λ≧W>λ/4
(2)端部領域Aの高さhは下記の範囲が最適である。
2λ>h>λ/2
(3)端部領域Aに非磁性体よりなる切欠部13を設置するとW≦λ/4の範囲でもスキルミオンを生成できる。
(5)局所磁場の印加時間幅(パルス幅)Tは3000(1/J)以上あればスキルミオン40を形成できる。それより長い時間でも単一のスキルミオン40が生成した状態を維持することができ、複数個のスキルミオン40が生成することはない。
実施例2において、スキルミオン40を消去する場合のシミュレーション結果を示す。スキルミオン40の消去は、基本的にスキルミオン40の生成の場合と同様の考え方で理解できる。例えば、スキルミオン40を消去する場合の運動は、[数3]および[数4]に示した方程式で、スキルミオン40の生成の場合と同様に記述できる。本実施例の磁性体11は、実施例1と同じカイラル磁性体である。図4は、カイラル磁性体の磁気相図を与える。本例では、磁性体11の幅および高さは、Wm=hm=50a=λの正方形とした。端部領域Aの幅Wは、W=20a=λ・2/5とし、高さhは、h=30a=λ・3/5とした。
2λ>Wm>λ/2
Wmが小さすぎるとスキルミオン40を生成できない。
Wmが大きすぎるとスキルミオンを消去できない。Wmはスキルミオン40の直径λ程度がよい。
2λ>hm>λ/2
磁性体11の高さhmが大きすぎるとスキルミオン40の消去時にスキルミオン40が電流経路12から逃げ出すので消去できない。
(8)端部領域Aの幅Wは(1)に従う。すなわち、λ≧W>λ/4である。
(9)端部領域Aの高さhの条件は(2)に従う。すなわち、2λ>h>λ/2である。ここではλ・3/5の高さに設定した。
(10)消去に必要な端部領域Aの磁場HaはHa≧0.04Jである。
実施例3において、スキルミオン40を消去する場合のシミュレーション結果を示す。本実施例では、スキルミオン消去パルスHa2により生じる磁場の向きがスキルミオン生成パルスにより生じる磁場の向きと同じ向きである。磁性体11のサイズは幅Wm=hm=60a=λ・6/5とした。コイル領域ACは、磁性体11の端部を含む端部領域Aに設定している。端部領域Aの幅Wは20a=λ・2/5とし、高さhは25a=λ/2とした。スキルミオン40の直径λは、50aである。
(11)スキルミオン40の消去パルスHa2が生成パルスHa1と向きが同じ場合、磁性体11の幅Wmはスキルミオン40の直径λに対して、
2λ>Wm>λ
である。磁性体11の高さhmも同様に、
2λ>hm>λ
である。
実施例4において、端部領域Aが生成用端部領域A1と消去用端部領域A2の二つの領域となる場合のスキルミオン消去のシミュレーション結果を示す。磁性体11のサイズは、幅Wm=hm=50a=λとした。生成用端部領域A1の幅W1は、W1=20a=λ・2/5である。生成用端部領域A1の高さh1は、h1=30a=λ・3/5である。また、消去用端部領域A2の幅W2は、W2=20a=λ・2/5である。消去用端部領域A2の高さh2は、W2に等しい。
(15)生成用端部領域A1と消去用端部領域A2を設けた場合、生成パルスHa1と消去パルスHa2は同じ場合でもスキルミオン40の生成および消去が可能である。
(16)磁性体11の幅Wmはスキルミオン40の直径λに対して以下の範囲にする。
2λ>Wm>λ/2
(17)磁性体11の高さhmはスキルミオン40の直径λに対して以下の範囲にする。
2λ>hm>λ/2
磁性体11の高さhmが大きすぎるとスキルミオン40の消去時にスキルミオン40が電流経路12から逃げ出すので消去できない。
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
である。第1式から2Wm>λ>Wm/2、第2式から2hm>λ>hm/2である。今、Wm=hm=50nmであるから、100nm>λ>25nmの範囲のスキルミオンの直径が選択可能である。スキルミオンの直径λは先行技術文献1に見るようにたとえばFeGeでは70nm、MnSiでは18nmである。したがって、現在の到達の量産技術であるLSI最小加工寸法15nmの場合、スキルミオン直径70nmのFeGeを選択すればよい。将来LSI最小加工寸法10nmが実現できた場合、67nm>λ>17nmの範囲のスキルミオンの直径λが選択可能である。スキルミオン直径18nmのMnSiを選択すればよい。したがって、現量産技術や将来量産技術に対して、すでに適切なスキルミオンの直径λをもった磁性体11が存在している。
Claims (34)
- スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けた電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と
を備える磁気素子。 - 前記磁気素子において、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
となるサイズを備える請求項1に記載の磁気素子。 - 前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをhとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
となる請求項2に記載の磁気素子。 - 前記磁気素子において、
前記端部領域は、前記端部領域における前記磁性体の端部に平行な向きの幅をW、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh、前記電流経路と前記磁性体の端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をdとすると、
λ≧W>λ/4
2λ>h>λ/2
0.4λ>d≧0.2λ
となる請求項2に記載の磁気素子。 - スキルミオンの生成及び消去が可能な磁気素子であって、
非磁性体によって囲まれた構造を有する薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む第1端部領域を囲んで設けた第1電流経路と、
前記磁性体の一面において前記磁性体の端部を含む前記第1端部領域内に第2端部領域を囲んで設けた第2電流経路と、
前記スキルミオンの生成及び消去を検出するスキルミオン検出素子と、
を備え、
前記磁性体は、幅をWm、高さをhmとすると、生成するスキルミオンの直径λに対し、
2λ>Wm>λ/2
2λ>hm>λ/2
となるサイズを備え、
前記第1端部領域は、前記第1端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W1、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh1とすると、
λ≧W1>λ/4
2λ>h1>λ/26
となり、
前記第2端部領域は、前記第2端部領域における前記磁性体の端部と平行な向きである幅W2、前記端部領域における前記磁性体の端部に垂直な向きの高さをh2とすると、
W2=W1
h2=W1
となる磁気素子。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載の磁気素子であって、
前記磁気素子が厚さ方向に積層した多層構造を有する磁気素子。 - 前記磁性体は、印加する磁場に応じて、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、
請求項1から6のいずれか1項に記載の磁気素子。 - 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7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8のいずれか一項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第1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、前記第1電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第2非磁性金属からなる第2電極と
を備え、
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抵抗値が変化する請求項1から8のいずれか一項に記載の磁気素子。 - 前記スキルミオン検出素子は、
前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第1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、前記第1電極と対向する前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第2非磁性金属からなる第2電極と、
第1電極と第2電極とがなす配列に対して垂直の配置で、前記磁性体の端部において、前記磁性体と同一層で接する第3非磁性金属からなる第3電極と、
第3電極とは離間して、前記第3電極と対向する前記磁性体の端部に接して第4非磁性金属からなる第4電極と
を備え、
前記スキルミオンの生成及び消去に応じて、前記第3電極と前記第4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8のいずれか一項に記載の磁気素子。 - 請求項1に記載の磁気素子と、
前記磁性体の一面に対向して設け、前記磁性体に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
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。 - 前記第1電源は、前記端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項12に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが異なる請求項13に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、前記生成パルスにより、0.015Jより小さくなり、前記消去パルスにより、0.04Jより大きくなる請求項13または14に記載のスキルミオンメモリ。
- 請求項4に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記電流経路に電流を印加することで、前記電流経路に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
を備えるスキルミオンメモリ。 - 前記第1電源は、前記端部領域に対し、スキルミオンを生成する生成パルスと、スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項16に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記生成パルスの電流方向と前記消去パルスの方向が同一の方向である請求項17に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記端部領域の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、前記生成パルスにより、0.015Jより小さくなり、前記消去パルスにより、0.015Jより大きくなる請求項17または18に記載のスキルミオンメモリ。
- 請求項5に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第1電流経路に電流を印加することで、前記第1端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記磁気素子の前記第2電流経路に電流を印加することで、前記第2端部領域に第3磁場を発生させることが可能な第2電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、抵抗値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。 - 請求項5に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面に対向して設け、前記磁気素子に第1方向から第1磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁気素子の前記第1電流経路に電流を印加することで、前記第1端部領域に第2磁場を発生させることが可能な第1電源と、
前記磁気素子の前記第2電流経路に電流を印加することで、前記第2端部領域に第3磁場を発生させることが可能な第2電源と、
前記スキルミオン検出素子に接続し、前記スキルミオンの生成及び消去を、電圧値の変化として測定する測定部と
を備えるスキルミオンメモリ。 - 前記第1電源は、前記第1端部領域に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスを発生させ、
前記第2電源は、前記第2端部領域に対し、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能である請求項20または21に記載のスキルミオンメモリ。 - 前記生成パルスの方向と前記消去パルスの方向とが、同一の方向である請求項22に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記第2磁場の磁場強度と前記第3磁場の磁場強度が同じである請求項23に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記第2磁場の磁場強度と前記第3磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、0.015Jより小さい請求項23または24に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記第2磁場の磁場強度より前記第3磁場の磁場強度が大きい請求項23に記載のスキルミオンメモリ。
- 前記第2磁場の磁場強度は、前記磁性体の交換相互作用エネルギーの大きさをJとすると、0.015Jより小さくなり、
前記第3磁場の磁場強度は、0.02Jよりも小さくなる請求項26に記載のスキルミオンメモリ。 - 請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した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のスキルミオンを生成するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン生成線と、
前記複数のスキルミオンメモリのスキルミオンを消去するために、前記複数のスキルミオンメモリに接続したスキルミオン消去線と、
スキルミオンの有無を検知するワード線と、
前記スキルミオン生成線、前記スキルミオン消去線、前記ワード線には前記スキルミオンメモリを選択する電界効果トランジスタと、
前記ワード線に流れる電流もしくは電圧を増幅し、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。 - 基板と、
前記基板上に形成した電界効果トランジスタと、
前記基板の上方に形成したスキルミオンメモリデバイスと
を有し、
前記スキルミオンメモリデバイスは、請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ有するスキルミオンメモリ搭載のデータ処理装置。 - 前記スキルミオンメモリデバイスを、前記電界効果トランジスタの上方に積層する請求項29に記載のデータ処理装置。
- 請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備える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形成しているスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
- 請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置。
- 請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ処理装置。
- 請求項12から27のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを少なくとも一つ備えるスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
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