JPWO2016084683A1 - 磁気素子、スキルミオンメモリ、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、データ処理装置及び通信装置 - Google Patents

磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置及び通信装置 Download PDF

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Abstract

磁性層と非磁性層からなる積層膜でスキルミオンを生成できる磁気素子及びこの磁気素子を応用したスキルミオンメモリ等を提供する。二次元積層膜を備える、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、二次元積層膜は磁性膜と、磁性膜に積層した非磁性膜からなる多層膜を少なくとも１つ以上積層した二次元積層膜を有する磁気素子を提供する。また、当該磁気素子を厚さ方向に複数積層して有するスキルミオンメモリを提供する。

Description

本発明は、スキルミオンを生成、消去可能な磁気素子、当該磁気素子を用いたスキルミオンメモリ、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、及び、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４６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４６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、磁気ドメイン磁壁が駆動する。ドメイン磁壁が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２参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
[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]Ｄ．Ｃ．Ｗｏｒｌｅｄｇｅ、Ｔ． Ｈ． Ｇｅｂａｌｌｅ、"Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｓｐｉｎ−Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳｒＲｕＯ３"、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、米国、Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、２０００年１２月１１日、Ｖｏｌ．８５、Ｎｕｍｂｅｒ２４、ｐ５１８２−５１８５．
[非特許文献３]Ｊ．−Ｈ．Ｐａｒｋ、Ｅ．Ｖｅｓｃｏｖｏ、Ｈ．−Ｊ．Ｋｉｍ、Ｃ．Ｋｗｏｎ、Ｒ．Ｒａｍｅｓｈ、Ｔ．Ｖｅｎｋａｔｅｓａｎ、"Ｄｉｒｅｃｔ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ ａ ｈａｌｆ−ｍｅｔａｌｌｉｃ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ"、ＮＡＴＵＲＥ、英国、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ、１９９８年４月２３日、Ｖｏｌ．３９２、ｐ７９４−７９６．
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、その構造を長時間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。今まで発見されたスキルミオンを形成する材料は螺旋磁性を示すカイラル磁性体のＦｅＧｅやＭｎＳｉなどの単体化合物材料である（非特許文献２）。実用に際しては、スキルミオン相が安定で、スキルミオンサイズ（直径）の自由な設計及び選択が可能であり、尚且つ薄膜の積層構造をもち、ＬＳＩプロセスで容易に製造できることが望ましい。そこで今まで知られていなかった複合薄膜積層材料で、スキルミオン相を発現させる材料が必要である。
本発明の第１の態様においては、二次元積層膜を備える、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、二次元積層膜は磁性膜と、磁性膜に積層した非磁性膜からなる多層膜を少なくとも１つ以上積層した二次元積層膜を有する磁気素子を提供する。
本発明の第２の態様においては、磁性膜を備える、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、磁性膜は、Ｒｕ元素を２．５％から１０％の範囲で添加したペロブスカイト型酸化物Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、０≦ｘ≦１からなる磁気素子を提供する。
本発明の第３の態様においては、第１または第２の態様の磁気素子を厚さ方向に複数積層して有するスキルミオンメモリを提供する。
本発明の第４の態様においては、第１または第２の態様の磁気素子と、磁気素子に対向して設け、磁気素子に磁場を印加する磁場発生部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。
本発明の第５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、第１の態様に記載の磁気素子と、磁気素子に対向して設け、磁気素子に磁場を印加する磁場発生部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。
本発明の第６の態様においては、第３から第５の態様のいずれか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７の態様においては、第３から第５の態様のいずれか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８の態様においては、第３から第５の態様のいずれか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９の態様においては、第３から第５の態様のいずれか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。
磁性体中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオン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を示す図である。 二次元積層膜１１に形成したスキルミオン４０の模式図を示す。 スキルミオン相を形成する積層体１４の構成の一例を示す。 スキルミオン相を形成する積層体１４の構成の一例を示す。 実施例１、２に係る二次元積層膜１１の一例を示す。 ホール電圧測定用電極パターンの一例を示す。 スキルミオン相におけるホール電圧発生の機構を示した模式図である。 ５Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。 ２０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。 ４０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。 ６０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。 ８０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。 ＳｒＩｒＯ３とＳｒＴｉＯ３積層薄膜のスキルミオン由来のホール抵抗を示す。 ＳｒＩｒＯ３/ＳｒＲｕＯ３/ＳｒＴｉＯ３積層薄膜のスキルミオン相を示す相図である。 ＳｒＩｒＯ３/ＳｒＲｕＯ３/ＳｒＴｉＯ３積層薄膜のスキルミオンサイズを示す。 ＳｒＩｒＯ３/ＳｒＲｕＯ３/ＳｒＴｉＯ３積層薄膜の磁場角度依存性を示す。 ＳｒＩｒＯ３/ＳｒＲｕＯ３/ＳｒＴｉＯ３積層薄膜の磁場ｃｏｓθ角度依存性を示す。 スキルミオン４０を形成した磁性膜１２の断面図を示す。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のＸ線回折パターンである。 Ｒｕ元素を２．５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の温度依存性を示す。 Ｒｕ元素を２．５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の磁場依存性を示す。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の磁場依存性を示す。 Ｒｕ元素を１０％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の温度依存性を示す。 Ｒｕ元素を１０％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の磁場依存性を示す。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁化の磁場依存性を示す。 Ｒｕ元素を２．５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗の１００Ｋでのホール抵抗と磁化との比較図である。 Ｒｕ元素を１０％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗の１００Ｋでのホール抵抗と磁化との比較図である。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗の１００Ｋでのホール抵抗と磁化との比較図である。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の１５０Ｋでのホール抵抗と磁化との比較図である Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の２００Ｋでのホール抵抗と磁化との比較図である。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のスキルミオン由来のホール抵抗を示す。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のスキルミオンの相図を示す。 Ｒｕ元素を５％添加したＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のスキルミオン直径を示す。 トポロジカルホール効果の磁場の角度依存性を示す。 トポロジカルホール効果の磁場の角度依存性を説明する概念図を示す。 スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 電流生成部が凹部の場合のスキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 電流生成部がＬ部の場合のスキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の構成例を示す。 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上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、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］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］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（非特許文献１）。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軸及び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、二次元積層膜１１に形成したスキルミオン４０の模式図を示す。二次元積層膜１１は、ｘｙ平面に２次元面を有する積層膜である。本例の二次元積層膜１１は、磁性膜１２及び磁性膜１２の上下に積層した非磁性膜１３を備える。磁性膜１２の下には非磁性膜１３−１ａを積層し、磁性膜１２の上には非磁性膜１３−１ｂを積層する。なお、二次元積層膜１１は、磁性膜１２及び非磁性膜１３を複数積層してもよい。
磁性膜１２は、磁気交換相互作用Ｊを有する。磁気交換相互作用Ｊは、磁気モーメント間の強い相互作用の要因となり強磁性相を生成する。磁性膜１２は結晶磁気異方性によって磁気モーメントがｚ軸（垂直）に磁化する材料がある。例えば、垂直に向く磁性膜１２はＦｅ、Ｃｏ及びＮｉ等の磁性金属元素、または、ＳｒＲｕＯ３等のペロブスカイト型酸化物である。磁性膜１２の厚さはスキルミオン４０を形成できる範囲内で材料に応じて決定する。例えば、磁性膜１２の厚さは１００ｎｍ以下である。
非磁性膜１３は、強いスピン軌道相互作用を有する。例えば、非磁性膜１３は、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ，Ｒｅなどの非磁性金属元素である。また、非磁性膜１３は、これらの元素を主成分とするペロブスカイト型酸化物であってもよい。スピン軌道相互作用により、非磁性膜１２には空間的に非対称な界面をもつ場合、界面付近でジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄが生じる。ジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄは、磁性膜１２と非磁性膜１３との界面で磁気交換相互作用Ｊを変調させる。磁性膜１２が数原子層で形成した薄い膜の場合、界面から磁性層の表面にまでジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄによる磁気交換相互作用Ｊの変調機構が及ぶ。磁気交換相互作用Ｊの変調機構により、平行に揃っていた磁性体１２の磁気モーメントは捩れた状態が安定となる。すなわちスキルミオン４０が生成する。
以上の通り、磁気交換相互作用Ｊを有する磁性膜１２の磁気モーメントは、強いスピン軌道相互作用を有する非磁性膜１３を積層することにより、カイラル磁性体の磁気モーメントのように振る舞う。磁性膜１２は、カイラル磁性体のような磁気モーメントを有するので、スキルミオン相を形成できる。即ち、磁性膜１２の材料をカイラル磁性体となる材料から選択する必要がない。
また、第２の例において、磁性膜１２は、ダイポール磁性体薄膜からなる。ダイポール磁性体は、柔らかい磁性体である。柔らかい磁性体とは、保磁力が小さく、磁化の向きが印加磁場に容易に応答する磁性体である。保磁力とは、磁化を反転させるために必要な磁場の大きさである。ダイポール磁性体は、柔らかい磁性体なので、線形的な磁化の磁場依存性を有する。そのため、ダイポール磁性体は、印加磁場に応答してスキルミオン相を形成できる。
上述した構成からなる二次元積層膜１１を用いれば、スキルミオン４０を生成できる磁気素子を具体化できる。以下、二次元積層膜１１を用いたスキルミオン４０の生成方法について実施例を通じてより具体的に説明する。
図４は、スキルミオン相を形成する積層体１４の構成の一例を示す。本例の積層体１４は、基板８０及び基板８０上に形成した二次元積層膜１１を備える。
二次元積層膜１１は、Ｎ個の多層膜２５からなる。Ｎ個の多層膜２５の各々は、積層した磁性膜１２及び非磁性膜１３を備える。例えば、多層膜２５−１は、非磁性膜１３−１ａ、磁性膜１２及び非磁性膜１３−１ｂを積層した構造を有する。多層膜２５−２は、非磁性膜１３−２ａ、磁性膜１２及び非磁性膜１３−２ｂを積層した構造を有する。また、多層膜２５−Ｎは、非磁性膜１３−Ｎａ、磁性膜１２及び非磁性膜１３−Ｎｂを積層した構造を有する。Ｎ個の多層膜２５は、それぞれ異なる材料で形成した非磁性膜１３を有してよい。また、Ｎ個の多層膜２５は、それぞれ異なる膜厚で形成してもよい。一例では、二次元積層膜１１は、積層方向に反転対称性を持たないように、多層膜２５の積層数や磁性膜１２及び非磁性膜１３の材料を選択する。
二次元積層膜１１は、Ｎ個の多層膜２５を積層することにより、磁性膜１２と非磁性膜１３との相互作用を調整できる。例えば、二次元積層膜１１は、磁性膜１２と非磁性膜１３との相互作用が大きくなるように、Ｎ個の多層膜２５を積層する。これにより、二次元積層膜１１は、スキルミオン４０の生成温度を室温以上にできる。また、生成するスキルミオン４０のサイズを小さくすることもできる。
図５は、スキルミオン相を形成する積層体１４の構成の一例を示す。本例のＮ個の多層膜２５は、それぞれが同一の材料で形成した多層膜２５−１〜２５−Ｎを備える。また、Ｎ個の多層膜２５の各々は、同一の膜厚を有してよい。本例の多層膜２５は、それぞれ非磁性膜１３−１ａ、磁性膜１２及び非磁性膜１３−１ｂを備える。これにより、二次元積層膜１１は積層方向に対して非反転対称性が確保される。
（実施例１）
図６は、スキルミオン相を形成する積層体１４の実施例を示す。本例の積層体１４は、二次元積層膜１１を備える。二次元積層膜１１は、非磁性体１３−１ａ、および非磁性体１３−１ａ上に形成した磁性膜１２、及び磁性膜１２上に形成した非磁性膜１３−１ｂを備える。図４で示したＮ層の二次元積層膜１１でＮ＝１の場合である。
磁性膜１２は、磁気交換相互作用Ｊの強い強磁性金属薄膜である。磁性膜１２の磁気モーメントは、磁気異方性により磁性膜１２の表面に略垂直な方向を向く。例えば、磁性膜１２は、ペロブスカイト型結晶構造をもつ酸化物磁性体であってよい。
非磁性膜１３―１ａもしくは非磁性膜１３−１ｂのうち少なくとも一つは、スピン軌道相互作用が強い薄膜である。スピン交換相互作用の強い薄膜は、周期律表で重い元素を含む。例えば、重い元素とはＰｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ，Ｒｅなどである。例えば、非磁性膜１３は、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ，Ｒｅもしくはこれらの複数の元素を主成分とする酸化物である。また、非磁性膜１３は、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ，Ｒｅもしくはこれらの複数の元素からなる非磁性膜であってよい。本例の非磁性膜１３―１ａはＳｒＴｉＯ３であり、非磁性膜１３−１ｂは、ＳｒＩｒＯ３である。この場合、非磁性膜１３―１ｂのＳｒＩｒＯ３がスピン軌道相互作用が強い膜となる。
積層体１４の非磁性体は強いスピン軌道相互作用により積層界面にジャロシンスキー守谷相互作用Ｄを発生させる。ジャロシンスキー守谷相互作用Ｄは、磁性膜１２の表面に垂直に向いた磁気モーメントを傾け、捩じる力を発生させる。
磁気交換相互作用Ｊの強い磁性膜１２は、スピン軌道相互作用が強い非磁性膜１３と積層することにより、スキルミオン相を形成する。生成したスキルミオン４０の直径λは、
と磁気交換相互作用Ｊとジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄに関係付けられる。Ｄが大きいほどスキルミオン４０の直径λは小さくなり、磁気交換相互作用Ｊが大きいほど、スキルミオン４０のサイズは大きくなる。二次元積層膜１１は、磁気交換相互作用Ｊが大きくなると、やがてスキルミオン４０を形成せず、磁気モーメントが揃った強磁性相となる。
二次元積層膜１１は、磁性膜１２及び非磁性膜１３の材料を調整することにより、磁気交換相互作用Ｊとスピン軌道相互作用をそれぞれ独立に制御できる。また、スピン軌道相互作用は、積層界面にジャロシンスキー守谷相互作用Ｄを発生させる。即ち、磁性膜１２及び非磁性膜１３を選択することにより、スキルミオン４０の直径λを任意の大きさに調整できる。
なお、二次元積層膜１１に形成したスキルミオン相を確認するのは容易ではない。例えば、スキルミオン相の形成を確認する方法の一つに、ローレンツ透過電子顕微鏡を用いる方法がある。ローレンツ透過電子顕微鏡は、電子線を磁性体に透過させることにより、磁性体の磁気モーメントを直接観察できる。また、ローレンツ透過電子顕微鏡を用いて観察するには、試料を１００ｎｍ以下の薄片にする必要がある。しかし、二次元積層膜１１のような積層構造を１００ｎｍ以下の薄片構造にすることは困難である。
図７は、ホール電圧測定用電極パターンの一例を示す。本例の方法を用いれば、磁性体のホール電圧を測定することにより、スキルミオン相の形成を確認できる。測定用の磁性体は、スキルミオン相を形成することができればよく、例えば二次元積層膜１１である。
ホール電圧測定用電極パターンは、チャネルに接続した、４つのホール電圧測定用電極Ａ〜Ｄを有する。電極Ａ〜Ｄは、非磁性金属により形成する。本例のチャネル幅は、６０μｍである。ホール電圧測定用電極パターンを用いて二次元積層膜１１のホール抵抗を測定することにより、スキルミオン４０の有無を検出する。なお、ホール抵抗は、ホール電圧に比例する。
電極Ｂ及び電極Ｄは、チャネルの両端に接続する。本例では、電極Ｂ及び電極Ｄがチャネルの長手方向の配列するようにチャネルに接続する。そして、電極Ｂから電極Ｄに対して、ホール電圧測定用の電流を流す。
電極Ａ及び電極Ｃは、チャネルに流れる電流により発生するホール電圧を測定するために用いる。電極Ａ及び電極Ｃは、チャネルに流れる電流の方向に対して垂直方向のチャネルの端部に接続する。なお、電極Ｂ及び電極Ｄを、電極Ａ及び電極Ｃと同様の工程で形成すれば、製造コストを低減できる。
電極Ａは、電極Ｂと電極Ｄとがなす配列に対して垂直の配置で、二次元積層膜１１の端部に接する。電極Ａは、二次元積層膜１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、電極Ｂ及び電極Ｄを二次元積層膜１１の上下に配置した場合に、二次元積層膜１１の左側に電極Ａを配置する。
電極Ｃは、電極Ａとは離間して対向する二次元積層膜１１の端部に接する。電極Ｃは、二次元積層膜１１の一端の少なくとも一部に接していればよい。例えば、電極Ｂ及び電極Ｄを二次元積層膜１１の上下に配置した場合に、二次元積層膜１１の右側に電極Ｃを配置する。
スキルミオン４０が存在する場合、電極Ｂと電極Ｄとの間に電流を流すと（電子の流れは電流の向きと反対）、電流の流れと垂直方向にホール電圧が発生する。一方、スキルミオン４０が存在しない場合、ホール電圧は最小値を示す。本実施形態に係るスキルミオン４０の検出方法は、比較する一方のホール電圧が小さいので、感度が高い。
ホール抵抗率は、正常ホール効果率、異常ホール抵抗率、及びトポロジカルホール抵抗率の和である。伝導電子は１個の磁気モーメント（スピンの向きと反対方向）をもつと考えられる。そのため、伝導電子の磁気モーメントは磁性体中の磁気モーメントと相互作用する。正常ホール抵抗率とは、磁性体の外からの外部磁場のローレンツ力により、入射した伝導電子流の方向と垂直な方向に散乱した伝導電子流から発生した電圧（即ち、ホール電圧）を入射電子流で規格した値である。異常ホール抵抗率とは、強磁性体の磁気モーメントからの磁場のローレンツ力により、入射した伝導電子流の方向と垂直な方向に散乱した伝導電子流から発生した電圧（即ち、異常ホール電圧）を入射電子流で規格した値である。トポロジカルホール抵抗率ρｙｘ Ｔとは、スキルミオン４０の磁気モーメントからの磁場のローレンツ力により、入射した伝導電子流の方向と垂直な方向に散乱した伝導電子流から発生した電圧（即ち、トポロジカルホール電圧）を入射電子流で規格した値である。
図８は、伝導電子流がスキルミオン４０を構成する磁気モーメントからの磁場のローレンツ力によるホール電圧発生の機構を示した模式図である。強磁性体中のｚ軸方向に揃った磁気モーメントと異なり、スキルミオン構造は渦を巻いたような構造であるので、スキルミオン中を通過するスピン偏極した電子電はやはり捻じれた磁場中からのローレンツ力を受けることとなる。以上、ホール抵抗率は以下の式で表現できる（非特許文献１）。
ここで、第１項は、印加磁場Ｂに基づくローレンツ力のホール係数Ｒ０に比例する正常ホール抵抗率である。第２項は、強磁性を示すｚ方向の磁気モーメントＭによって誘起した異常ホール抵抗率である。第３項は、スキルミオン４０を構成する渦状の磁気モーメントにより散乱を受けた伝導電子流によるトポロジカルホール抵抗率ρＨ Ｔである。トポロジカルホール抵抗率ρＨ Ｔは数５で表現する。
Ｐはスピンの分極率である。スピンの分極率Ｐは、磁性膜１２の磁気モーメントＭによって分裂した電子バンドに起因する材料固有の物理量である。Ｂｅｆｆはスキルミオン４０の磁気モーメントの幾何学的配置による有効磁場である。
スキルミオン４０から発生する単位磁気フラックスはΦｏ＝ｈ／ｅである。なお、ｈはプランクの常数である。
以上の通り、ホール抵抗率ρＨを測定すればトポロジカルホール抵抗率ρＨ Ｔの寄与があるか否かを検出できる。トポロジカルホール抵抗率ρＨ Ｔの寄与が有れば、スキルミオン４０の存在があると示せる。さらに、数６式からスキルミオンの直径λを求めることができる。
図９は、５Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。縦軸は、ホール抵抗Ｒｙｘ（Ω）、横軸は印加磁場μ０Ｈ（Ｔ）を示す。ＵＣはユニットセルの意味で１ＵＣは単分子層厚みを示す。例えば、ＳｒＩｒＯ３、ＳｒＲｕＯ３の単分子層厚みは４Åである。
本例のホール抵抗は、ヒステリシス特性を示す。ヒステリシス特性は、異常ホール抵抗に起因する。即ち、強磁性体の磁気モーメントがヒステリシス特性を示す。また、本例のホール抵抗は、印加磁場が±２テスラ付近に小さなピークを有する。このピークは、トポロジカルホール抵抗に起因し、スキルミオン４０が存在する場合に生じる。
図１０は、２０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。本例では、印加磁場が±１テスラ付近の肩に顕著に発生したピークを有する。このピークは、スキルミオン４０が形成したトポロジカルホール抵抗に起因する。
図１１は、４０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。本例では、印加磁場が±０．２テスラ付近の肩に発生したピークを有する。このピークは、スキルミオン４０が形成したトポロジカルホール抵抗に起因する。４０Ｋにおけるピークは、２０Ｋの場合と比較して大きくなっている。これは、数６式より、スキルミオン４０の直径が小さくなり有効磁場が強くなったことに起因する。
図１２は、６０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。本例では、印加磁場が±０．１テスラ付近の肩に発生したピークを有する。このピークは、スキルミオン４０が形成したトポロジカルホール抵抗に起因する。６０Ｋにおけるピークは、４０Ｋの場合と比較してさらに大きくなっている。即ち、スキルミオン４０の直径はさらに小さくなっていることが分かる。
図１３は、８０Ｋにおける積層体１４のホール抵抗の磁場依存性を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。本例では、強磁性成分からの寄与が小さくなり、異常ホール抵抗のヒステリシス特性が小さくなっている。また、トポロジカルホール抵抗の寄与がなくなり、スキルミオン４０は消滅しているが分かる。
図１４は、積層体１４のトポロジカルホール抵抗Ｒｙｘ（Ω）を示す。また、図１４は、図９から図１３までのトポロジカルホール抵抗成分の寄与のみを図に示したものである。積層体１４が低温の１０Ｋの場合から温度が上昇するにつれて印加磁場強度は小さくてもスキルミオン４０を形成していることが分かる。その強度は４０Ｋ付近が大きく、４０Ｋ付近において、スキルミオン４０の半径が最小値をもつことが分かる。
図１５は、積層体１４の磁気相図を示す。積層体１４の磁気相図は、トポロジカルホール抵抗から算出したスキルミオン４０の存在領域を明示する。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。縦軸は印加磁場μ０Ｈ（Ｔ）、横軸は積層体１４の温度Ｔ（Ｋ）を示す。本例では、トポロジカルホール抵抗の大きさに応じた濃淡で領域を示す。各領域は、０ｎΩｃｍから２００ｎΩｃｍまでの範囲に対応して、トポロジカルホール抵抗が大きくなるに従い薄くなるように色を付している。絶対値が１０ｎΩｃｍ以上のトポロジカルホール抵抗の領域は、スキルミオン４０が形成していることを示す。絶対値が１０ｎΩｃｍ以上のトポロジカルホール抵抗の領域は、０Ｋから８０Ｋ付近の温度領域で０Ｏｅ（エルステッド）から５０００Ｏｅの磁場範囲で存在する。特に、３０Ｋから６０Ｋにかけて、トポロジカル抵抗の大きくなる領域が存在する。印加磁場が大きくなるとスキルミオン４０を生成できずに強磁性相になっている。スキルミオン４０が存在する温度領域は強磁性転移温度付近まで広がっている。磁性膜１２がＦｅＧｅなどの単結晶の場合、転移温度直下の数度の狭い領域にしかスキルミオン４０は存在しない。しかしながら、磁性膜１２が薄膜の場合、広い温度範囲でスキルミオン４０が安定して存在することを示している。なお、本例の磁気相図は、積層体１４としてＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜を用いた場合の一例であり、材料が変わると磁気相図も変化する。
図１６は、スキルミオン４０の直径λ（ｎｍ）と温度Ｔ（Ｋ）との関係を示す。本例の積層体１４は、ＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。数５からスキルミオン４０の直径λを算出する。本例の積層膜において、スピン分極率はＰ〜−０．１（非特許参考文献２）である。スキルミオン４０の直径λは０Ｋ付近では３５ｎｍ、２０Ｋ付近で２０ｎｍ、４０Ｋで１５ｎｍ、６０Ｋで１３ｎｍ程度の大きさとなる。スキルミオン４０の直径が小さければ小さいほど単位面積あたりの情報を担うスキルミオン密度が大きくなる。記憶容量密度はスキルミオン４０の直径の二乗に反比例することから、スキルミオン４０の直径はメモリの記憶容量の重要な制御因子である。
図１７は、印加磁場に対するホール抵抗率の角度依存性を示す。本例の積層体１４は、４０ＫにおけるＳｒＩｒＯ３（２ＵＣ）／ＳｒＲｕＯ３（４ＵＣ）／ＳｒＴｉＯ３（００１）積層膜である。本例では、印加磁場が積層体１４に入射する角度を、０°から９０°まで変化させた。トポロジカルホール抵抗は、角度０°から８０°まで殆ど同じ大きさの値を示す。
図１８は、印加磁場の余弦成分に対するホール抵抗率の角度依存性を示す。本例の積層体１４は、図１７の場合と同一の構成である。印加磁場の余弦成分は、積層体１４の表面に垂直な方向の印加磁場を示す。本例では、印加磁場が積層体１４に入射する角度を、角度０°から８０°まで変化させた。角度０°から８０°において、横軸を印加磁場の余弦成分で表示すると、トポロジカルホール抵抗が殆ど重なる。つまり、積層体１４に対して垂直方向の印加磁場の成分にトポロジカル抵抗が依存することを示す。これはスキルミオン４０の厚さ方向の構造が常に積層体１４の表面に垂直に形成していることを示す。即ち、磁気交換相互作用Ｊとジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄに起因したスキルミオン４０は、印加磁場の方向に引きずれられないことが分かる。
図１９は、スキルミオン４０が形成した磁性膜１２の断面図を示す。本例では、磁性膜１２の表面に対して、どの向きにスキルミオン４０を形成するか説明するために、スキルミオン４０を模式的に示す。スキルミオン４０の向きとは、スキルミオン４０を理想的に形成した場合に、スキルミオン４０の中心もしくは最外周の磁気モーメントの向きを指す。
図１９の（ａ）は、磁性膜１２の二次元面に垂直に印加磁場を入力する場合を示す。一方、図１９の（ｂ）は、磁性膜１２の二次元面に、傾斜した印加磁場を入力する場合を示す。図１９の（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合であっても、スキルミオン４０の向きは磁性膜１２の表面に対して垂直になる。
本実施例で示したように、磁気交換相互作用Ｊの強い磁性膜１２と、スピン軌道相互作用の強い非磁性膜１３とを積層することによりスキルミオン相を形成できる。本実施例では、磁性膜１２をカイラル磁性体で形成しなくともスキルミオン相を形成できる。本例の二次元積層膜１１は、磁場角度によらず、二次元積層膜１１の表面に対して垂直な向きのスキルミオン４０を生成する。
（実施例２）
次に、実施例２に係る二次元積層膜１１について説明する。基本的な構成は、図６に記載の二次元積層膜１１と同様である。二次元積層膜１１は、磁性膜１２、非磁性膜１３を備え、スキルミオン相を形成する。非磁性膜１３は、非磁性膜１３−１ａ及び非磁性膜１３−１ｂからなる。本例の二次元積層膜１１は、マグネトロンスパッタ装置により形成する。
磁性膜１２は、磁化の向きが印加磁場に容易に応答する柔らかい磁化特性を示す。磁性膜１２は、ダイポール系磁性薄膜である。ダイポール系磁性薄膜は、ダイポール相互作用によりスキルミオン相を形成する。ダイポール系磁性薄膜はＶ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕもしくはこれらの複数の金属元素からなる磁性体で形成してよい。また、磁性膜１２は、ペロブスカイト型結晶構造をもつ酸化物磁性体であってよい。例えば、磁性膜１２は、Ｒｕ元素を添加したＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、０≦ｘ≦１の薄膜である。本例の磁性膜１２は、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３であり、膜厚は４０ｎｍである。Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３薄膜は、強磁性体金属となるペロブスカイト型酸化物である。Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３薄膜の強磁性転移温度は３５０Ｋであり、室温以上まで強磁性相である。
非磁性膜１３は、非磁性薄膜であるＬＳＡＴ（（ＬａＡｌＯ３）０．７（ＳｒＡｌ０．５Ｔａ０．５Ｏ３）０．３）薄膜からなる。ＬＳＡＴはペロブスカイト型酸化物である。ＬＳＡＴ（００１）面にＲｕドープのＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３薄膜を積層する。ここではＬＳＡＴ薄膜はＲｕドープのＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３薄膜が原子層レベルで結晶格子をつくる役割を果す。即ち、非磁性膜１３は、磁性膜１２の格子定数に近い格子定数を有する膜を選択する。本例の非磁性膜１３の膜厚は、０．５ｍｍである。
二次元積層膜１１がスキルミオン相を形成するためには、ＲｕドープしたＬａＳｒＭｎＯ３薄膜からなる磁性膜１２の磁気的性質が重要である。二次元積層膜１１は、磁気モーメントの向きが柔らかいダイポール磁性体で形成した磁性膜１２と、磁性膜１２の上下に積層した非磁性膜１３−１ａ及び非磁性膜１３−１ｂによりスキルミオン相を形成する。
図２０は、二次元積層膜１１のＸ線回折パターンを示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープのＬａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３薄膜を備える。縦軸は散乱強度（ｃｐｓ）を、横軸は回折角度２θ（ｄｅｇ．）を示す。本例の磁性膜１２は、鋭い回折角度をもった（００１）回折線を示す。（００１）回折線は、ＬＳＡＴ（００１）面上に、単原子オーダーで結晶格子をもったＲｕドープのＬａＳｒＭｎＯ３薄膜が存在することを示す。なお、本例の磁性膜１２の膜厚は４０ｎｍである。
図２１は、二次元積層膜１１の磁化の温度依存性を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量２．５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示し、二次元積層膜１１の横軸は温度Ｔ（Ｋ）を示す。本例のグラフでは、磁化の面内成分及び面直成分を示す。本明細書において、磁化の面内成分とは、二次元積層膜１１の表面に平行な方向の磁化を指す。また、磁化の面直成分とは、二次元積層膜１１の表面に垂直な方向の磁化を指す。
Ｒｕドープ量２．５％では、いずれの温度領域においても、磁化の面内成分が面直成分よりも大きい。また、本実施形態に係る磁化の温度依存性により、二次元積層膜１１の強磁性転移温度は３５０Ｋであることがわかる。
図２２は、図２１に示した二次元積層膜１１の磁化の印加磁場依存性を示す。本例の二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。Ｈ／／ａは磁化の面内成分を示し、Ｈ／／ｃは磁化の面直成分を示す。印加磁場が５０００Ｏｅ以上では、面内成分と面直成分が飽和し等しくなる。一方、印加磁場が５０００Ｏｅ以下では、磁化の面内成分が大きく、磁性膜１２の磁気モーメントが面内に向いている。
図２３は、二次元積層膜１１の磁化の温度依存性を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。二次元積層膜１１の強磁性転移温度は２７０Ｋである。１５０Ｋ以下の低温では、磁化の面直成分が大きい。また、１５０Ｋから２７０Ｋの温度領域では、磁化の面内成分と面直成分とがほぼ等しい。即ち、１５０Ｋ以上の温度領域でのＲｕドープ量５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜は、柔らかい磁気的性質を持っていることを示す。
図２４は、図２３に示した二次元積層膜１１の磁化の印加磁場依存性を示す。本例の二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。磁化の磁場依存性は、Ｈ／／ｃとＨ／／ａとでほぼ等しい。印加磁場による磁化の応答は傾きをもった緩やかな曲線を示す。また、印加磁場Ｈ＝０で磁化はゼロを示し、ヒステリシス特性を示さない。
図２５は、二次元積層膜１１の磁化の温度依存性を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量１０％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。本実施形態に係る磁化の温度依存性より、二次元積層膜１１の強磁性転移温度は３１０Ｋであることがわかる。磁化の面直成分は、全温度領域で磁化の面内成分よりも大きい。
図２６は、図２５に示した二次元積層膜１１の磁化の印加磁場依存性を示す。本例の二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。Ｈ／／ａ及びＨ／／ｃのいずれの場合も、２０００Ｏｅ（エルステッド）以上で磁化が飽和傾向を示すが、Ｈ／／ｃの面直成分が大きい。印加磁場を大きくした場合であっても、Ｈ／／ｃの面直成分が持続する。また、磁化の面直成分は、印加磁場Ｈ＝０付近において、強いヒステリシス特性を示す。即ち、Ｒｕドープ量１０％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜は、磁気モーメントが面直に強い保持力を有していることが分かる。
以上から、Ｒｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の場合、磁化は印加磁場の方向に追随する。一方、Ｒｕドープ量が２．５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜では磁化の面内成分が優位になり、Ｒｕドープ量が１０％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜では磁化の面直成分が優位となる。即ち、磁性膜１２は、ＬａＳｒＭｎＯ３薄膜にドープするＲｕの量を調整することにより、印加磁場の向きに応じて磁気モーメントの向きが変化する柔らかい磁性体となる。磁性膜１２は、柔らかい磁性特性を有する場合にスキルミオン相を形成できる。Ｒｕドープ量は必ずしも５％である必要はなく、スキルミオン相を形成できる量に適宜調整すればよい。
図２７は、二次元積層膜１１のホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示す。横軸は印加磁場を示し、左軸及び右軸はそれぞれ、ホール抵抗率と磁化を示す。磁化の曲線は、ホール抵抗と比較するために磁化の符号をマイナスにした比較曲線である。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が２．５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。また、二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。
ここで、正常ホール抵抗率は、正常ホール効果によって生じるホール抵抗率である。正常ホール抵抗率は、数４の第１項に示したように印加磁場に比例する。第１項の正常ホール効果の寄与は小さいので無視できる。
ヒステリシス特性を有するホール抵抗率は、異常ホール抵抗とトポロジカルホール抵抗との和のホール抵抗率を示す。二次元積層膜１１がスキルミオン４０を形成していない強磁性体の場合、数４の第２項に示したようにホール抵抗は異常ホール抵抗のみとなる。つまり、スキルミオン４０が存在しない場合、異常ホール抵抗率の曲線は、磁化の比較曲線と同じ曲線となる。実際、Ｒｕドープ量が２．５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の場合、ホール抵抗率の曲線は、磁化の曲線とよく一致している。よって、Ｒｕドープ量が２．５％の場合、スキルミオン４０が生成したことによるトポロジカル抵抗の寄与はない。即ち、Ｒｕドープ量が２．５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜においてはスキルミオン４０の生成はない。ここでは１００Ｋを図示したが、全温度領域で同じホール抵抗率の振る舞いであり、全温度領域でスキルミオン４０は存在しない。
図２８は、二次元積層膜１１のホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示す。横軸及び縦軸は図２７に同じである。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が１０％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。また、二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。実際、Ｒｕドープ量が１０％の場合、ＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗率の曲線は、磁化の曲線とよく一致している。ここでは１００Ｋを図示したが、全温度領域で同じホール抵抗率の振る舞いであり、全温度領域でスキルミオン４０は存在しない。
図２９は、二次元積層膜１１のホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示す。横軸及び縦軸は図２７に同じである。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。また、二次元積層膜１１の温度は１００Ｋである。Ｒｕドープ量が５％の場合、Ｒｕドープ量２．５％及び１０％の場合と大きく異なる。磁化の曲線と大きく異なるホール抵抗率はスキルミオン４０を生成したことによるトポロジカルホール抵抗率である。詳細を見ると、印加磁場を−０．５Ｔから０．５Ｔに増加させた場合、磁場強度−０．０１Ｔから０．１３Ｔの領域において、ホール抵抗率のヒステリシス曲線と磁化の比較曲線とが分離している。即ち、磁場強度−０．０１Ｔから０．１３Ｔの領域において、スキルミオン相を形成していることが分かる。
図３０は、ホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示す。二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。また、二次元積層膜１１の温度は１５０Ｋである。図２９と比較すると、二次元積層膜１１は、１００Ｋよりやや狭い印加磁場の範囲でスキルミオン相を形成する。
図３１は、ホール抵抗率及び磁化の磁場依存性を示す。二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。また、二次元積層膜１１の温度は２００Ｋである。図２９及び図３０と比較すると、二次元積層膜１１は、１００Ｋ及び１５０Ｋよりもさらに狭い印加磁場の範囲でスキルミオン相を形成する。
図３２は、二次元積層膜１１のトポロジカルホール抵抗率の磁場依存性を示す。本例のホール抵抗率は、正常ホール抵抗及び異常ホール抵抗分を差し引いたトポロジカルホール抵抗率を示す。二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。二次元積層膜１１の温度を５Ｋから２００Ｋの範囲で変化させる。
図２７及び図２８に示したように、Ｒｕドープ量２．５％及び１０％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗率は、異常ホール抵抗率の寄与しかない。つまり、Ｒｕドープ量２．５％及び１０％では、トポロジカルホール抵抗成分ゼロで、スキルミオン４０は存在しない。一方、Ｒｕドープ量５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のホール抵抗率は、異常ホール抵抗に加えてトポロジカルホール抵抗の寄与がある。これは、Ｒｕドープ量５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜の磁気モーメントは印加磁場に対して柔らかい磁気的性質を持っていることに起因する。ダイポール相互作用を利用した二次元積層膜１１では、スキルミオン相を形成するには印加磁場に対して柔らかい磁気的性質を有することが重要である。
図３３は、二次元積層膜１１の磁気相図を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。縦軸は印加磁場μ０Ｈ（Ｔ）、横軸は二次元積層膜１１の温度Ｔ（Ｋ）を示す。印加磁場が−０．０５Ｔから０．１５Ｔ付近であって、０Ｋから２５０Ｋまでの広い温度領域において、スキルミオン相が発生する。
図３４は、スキルミオン４０の直径λ（ｎｍ）と温度Ｔ（Ｋ）との関係を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。スキルミオン４０の直径λは、数３を用いてトポロジカルホール抵抗から求めた。ただし、ＬａＳｒＭｎＯ３薄膜のスピン分極は１である（非特許文献３）。温度０Ｋ付近でスキルミオン４０の直径λが２５ｎｍであり、温度１５０Ｋではスキルミオン４０の直径λが１３ｎｍと小さくなり、温度２００Ｋでスキルミオン４０の直径λが１７ｎｍ程度となる。このように、予め定められた材料に対して温度が分かれば、スキルミオン４０の直径λを見積もることができる。
図３５は、トポロジカルホール効果の磁場角度依存性を示す。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。二次元積層膜１１の温度は、１５０Ｋである。各曲線は、二次元積層膜１１に印加する磁場を、角度０°から３０°まで傾けた場合のトポロジカルホール抵抗を示す。角度０°から３０°まで傾けるに従い、二次元積層膜１１に印加する面直成分の磁場は小さくなる。二次元積層膜１１に垂直な方向と印加磁場のなす角度を０°から傾斜をかけると、徐々にトポロジカルホール抵抗は小さくなる。角度３０°付近でトポロジカルホール抵抗がほぼゼロとなる。即ち、磁場角度を傾けると、スキルミオン４０は消滅してしまう。
図３６は、スキルミオン４０の状態を示す模式図である。スキルミオン４０の状態は、トポロジカルホール抵抗の磁場角度依存性から算出する。本例の二次元積層膜１１は、ＬＳＡＴ（００１）面に形成したＲｕドープ量が５％のＬａＳｒＭｎＯ３薄膜である。
磁場角度が０°の場合、磁性膜１２は、磁性膜１２の表面に対して垂直な向きのスキルミオン４０を形成する。磁場角度が０°の場合、本例のスキルミオン４０の向きは、実施例１の場合と同じである。
磁場角度が０°よりも大きく、およそ３０°よりも小さい場合、磁性膜１２は、磁性膜１２の表面に対して傾斜した向きのスキルミオン４０を形成する。磁性膜１２が印加磁場に対して柔らかい性質を有することは、磁化の磁場依存性からも分かる。この結果、磁場角度を大きくするに従い、スキルミオン４０の深さ方向の長さは大きくなる。本例のスキルミオン４０の挙動は、実施例１において、磁場角度を傾斜しても磁性膜１２の表面に対するスキルミオン４０の向きが一定であった点と大きく異なる。
磁場角度が３０°程度まで大きくなると、スキルミオン４０を支えるトポロジカル起因のポテンシャル保持力が負けてスキルミオン４０が消失する。このようなスキルミオン４０の磁場角度依存性は柔らかいダイポール磁性体での柔らかいスキルミオン４０の構造特性を示す。
実施例２で示したように、ダイポール系磁性薄膜で形成した磁性膜１２を用いてスキルミオン相を形成できる。本実施例では、磁性膜１２をカイラル磁性体で形成しなくともスキルミオン相を形成できる。本例の二次元積層膜１１は、磁場角度に応じて、二次元積層膜１１の表面に対するスキルミオン４０の向きが変化する。
図３７は、スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を用いてビット情報を保存する。例えば、二次元積層膜１１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。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、測定部５０及びコイル電流用電源６０を備える。
磁気素子３０は、スキルミオン４０の生成及び消去が可能である。本例の磁気素子３０は、厚さを５００ｎｍ以下の薄層状に形成した素子である。例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等の技術を用いて形成する。磁気素子３０は、二次元積層膜１１、電流経路１２及びスキルミオン検出素子１５を有する。
二次元積層膜１１は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相及び強磁性相を発現させる。スキルミオン結晶相は、二次元積層膜１１にスキルミオン４０が発生しうる材料を指す。例えば、二次元積層膜１１は、実施例１及び２に示した構成を備える。
二次元積層膜１１の磁性膜１２は、非磁性体によって囲まれた構造を有する。非磁性体に囲まれた構造とは、二次元積層膜１１の磁性膜１２の全方位が非磁性体に囲まれた構造を指す。また、二次元積層膜１１は、少なくとも一部を二次元材料として形成する。
電流経路１２は、スキルミオン制御部の一例であり、スキルミオン４０の生成及び消去を制御する。電流経路１２は、二次元積層膜１１の一面において二次元積層膜１１の端部を含む領域を囲む。電流経路１２は、絶縁性素材等を用いて二次元積層膜１１と電気的に隔離していてもよい。本例の電流経路１２は、Ｕ字状に形成したコイル電流回路である。Ｕ字状とは、角が丸い形状のみならず、直角を含む形状であってよい。電流経路１２は、ｘｙ平面において閉じた領域を形成しなくてよい。電流経路１２及び端部の組み合わせが、二次元積層膜１１の表面において閉じた領域を形成すればよい。電流経路１２は、コイル電流用電源６０に接続して、コイル電流を流す。コイル電流を電流経路１２に流すことにより、二次元積層膜１１に対して磁場を発生させる。電流経路１２を、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉ等の非磁性金属材料により形成する。本明細書において、電流経路１２に囲まれた領域をコイル領域ＡＣと称する。また、電流経路１２に囲まれた領域が二次元積層膜１１の端部を含む場合のコイル領域ＡＣを、特に端部領域Ａと呼ぶ。本例の電流経路１２は、ｘｙ平面において、二次元積層膜１１の端部を、非磁性体側から二次元積層膜１１側に少なくとも１回横切り、且つ、二次元積層膜１１側から非磁性体側に少なくとも１回横切る連続した導電路を有する。これにより電流経路１２は、二次元積層膜１１の端部を含む領域を囲む。なお、端部領域Ａにおける磁場強度をＨａとする。
スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン検知用磁気センサとして機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成及び消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。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、二次元積層膜１１の一面において二次元積層膜１１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、磁場発生部２０からの上向きの磁場により上向きの磁気モーメントをもつ強磁性相となる。二次元積層膜１１と、磁性体金属１５２の二次元積層膜１１側と逆側の端部との間に、測定部５０を接続する。これにより、スキルミオン検出素子１５の抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子１５は、二次元積層膜１１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二次元積層膜１１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により決まる。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、情報のメモリセル中に記憶する情報「１」と「０」に対応する。
磁場発生部２０は、二次元積層膜１１に対向して設ける。磁場発生部２０は、印加磁場Ｈを発生し、二次元積層膜１１の裏面から表面の方向に、二次元積層膜１１の二次元面に垂直に印加する。二次元積層膜１１の裏面とは、二次元積層膜１１の磁場発生部２０側の面を指す。なお、本実施形態においては磁場発生部２０を１つのみ用いる。しかしながら、磁場発生部２０が、二次元積層膜１１に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、複数の磁場発生部２０を用いてよい。磁場発生部２０の数や配置は、これに限定しない。
測定部５０は、測定用電源５１及び電流計５２を備える。測定用電源５１は、二次元積層膜１１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。電流計５２は、測定用電源５１から流す測定用の電流を計測する。例えば、電流計５２は、測定用電源５１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。測定部５０は、感度の高いスキルミオン検出素子１５を用いることにより、少ない電力でスキルミオン４０の有無を検出できる。
コイル電流用電源６０は、電流経路１２に接続し、矢印Ｃで示した向きに電流を流す。電流経路１２に流す電流は、電流経路１２に囲まれた領域において、二次元積層膜１１の表面から裏面に向けて磁場を発生させる。電流経路１２に流す電流が誘起する磁場の向きは、磁場発生部２０からの一様磁場Ｈの向きとは逆向きであるので、コイル領域ＡＣにおいて、二次元積層膜１１の裏面から表面の向きに弱めた磁場Ｈａが発生する。この結果、コイル領域ＡＣにスキルミオン４０を生成することが可能となる。なお、スキルミオン４０を消去する場合、コイル電流用電源６０は、スキルミオン４０を生成する場合と逆向きにコイル電流を流してもよい。また、コイル電流用電源６０は、電流経路１２を複数設ける場合、電流経路１２の数に応じて複数設けてもよい。
図３８は、スキルミオンメモリ１００の構成例を示す模式図である。電流生成部が凹部の場合のスキルミオンメモリ１００の構成例を示す。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を電流で生成、消去を可能とすることで情報を記憶する。例えば、二次元積層膜１１の所定の位置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。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、制御電源６１及び測定部５０を備える。
磁気素子３０は、印加電流によってスキルミオン４０の発生、消去及び検出ができる。本例の磁気素子３０は、二次元積層膜１１、上流側非磁性金属１６、下流側非磁性金属１７及び凹部電極１５３を有する。上流側非磁性金属１６及び凹部電極１５３は、スキルミオン検出素子１５を構成する。
上流側非磁性金属１６は、二次元積層膜１１に接続する。上流側非磁性金属１６は、二次元積層膜１１の延展方向に接続する。本例において二次元積層膜１１の延展方向とは、ｘｙ平面に平行な方向を指す。上流側非磁性金属１６は薄層形状を有してよい。また、上流側非磁性金属１６は、二次元積層膜１１と同一の厚みを有してよい。
下流側非磁性金属１７は、上流側非磁性金属１６と離間して二次元積層膜１１に接続する。下流側非磁性金属１７は、二次元積層膜１１の延展方向に接続してよい。上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７は、電圧を印加した場合にｘｙ平面とほぼ平行な方向の電流を二次元積層膜１１に流すように配置する。上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性の非磁性金属よりなる。
制御電源６１は、上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７に接続する。制御電源６１は、上流側非磁性金属１６から下流側非磁性金属１７に向かう方向、または、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かう方向のいずれかを選択して、二次元積層膜１１に電流を流す。制御電源６１は、二次元積層膜１１にスキルミオン４０を発生する場合、上流側非磁性金属１６から下流側非磁性金属１７に向かう方向に二次元積層膜１１に電流を印加する。また制御電源６１は、二次元積層膜１１に存在するスキルミオン４０を消去する場合、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かう方向に二次元積層膜１１に電流を印加する。
二次元積層膜１１は、端部１８に凹部１９を有する。本例における端部１８は、二次元積層膜１１の端部のうち、上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７が挟む端部である。より具体的な例では、端部１８は、上流側非磁性金属１６を右側、下流側非磁性金属１７を左側に配置した場合における、二次元積層膜１１の上側の端部である。凹部１９は、端部１８において上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７の双方から離間して設ける。凹部１９の内部には非磁性体を設けてよい。
スキルミオンメモリ１００は、制御電源６１による電流で発生したスキルミオン４０を情報記憶媒体に使う。図３８において電子流の方向を矢印で示した（電流の向きはこれとは逆向き）。この電子流により二次元積層膜１１の凹部１９からスキルミオン４０を生成できる。
本例では、凹部１９の角部２４近傍からスキルミオン４０が生じる。本例において角部２４は、凹部１９のうち最も二次元積層膜１１の内部に突出した領域における、上流側非磁性金属１６側の角部である。凹部１９は、最も二次元積層膜１１の内部に突出した領域に、少なくとも２つの角部を有する。凹部１９は、上流側非磁性金属１６と平行な辺と、下流側非磁性金属１７と平行な辺とを有してよい。角部２４は、上流側非磁性金属１６と平行な辺の端部であってもよい。本例の凹部１９は、四角形形状を有する。二次元積層膜１１は、凹部１９の３辺を囲む。凹部１９の残りの１辺は、凹部１９の両側における端部１８の間を補間する直線である。この場合、角部２４は、凹部１９の先端における２つの角部のうち、上流側非磁性金属１６に近いほうの角部である。ただし、凹部１９の形状は、四角形に限定されない。凹部１９の形状は、多角形であってよい。また、凹部１９の各辺は直線でなくともよい。また凹部１９の少なくとも一つの角部の先端は丸みを有してもよい。
二次元積層膜１１は磁場発生部２０により強磁性相になる。このため、二次元積層膜１１における磁気モーメントは、磁場Ｈと同一の方向を向く。ただし、二次元積層膜１１の端部における磁気モーメントは、磁場Ｈと同一の方向を向かず、磁場Ｈに対して傾きを有している。特に、凹部１９の角部近傍においては、磁気モーメントの傾きが連続的に変化する。このため、二次元積層膜１１の角部は他の領域に比べてスキルミオン４０が生じやすく、所定の電子流によりスキルミオン４０を生成できる。
凹部１９は、最も二次元積層膜１１の内部に突出した領域に、内角が鈍角をなす少なくとも二つの角部を有する。当該角部のうち、上流側非磁性金属１６に隣接する角部２４の内角は１８０°以上である。また、下流側非磁性金属１７に隣接する角部２２の内角も、１８０°以上であってよい。ここで凹部１９における角部の内角とは、角部２４の二次元積層膜１１側の角度を指す。例えば図３８の例においては、上流側非磁性金属１６に隣接する角部２４の内角は２７０°である。
角部２４の内角が２７０°の場合において、電流を印加していない状態における角部２４近傍の磁気モーメントが渦巻き状に最も近くなる。このため、スキルミオン４０の生成においては、角部２４の内角が２７０°であることが好ましい。
また、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かって二次元積層膜１１に電流を流すことで、電子流の向きは図３８とは逆向きになる。逆向きの電子流は、スキルミオン４０を凹部１９及び下流側非磁性金属１７の間の領域へと押しやる。当該領域は、スキルミオン４０を維持できない程度の幅を有する。このため、スキルミオン４０を消去できる。ここで幅とは、二次元積層膜１１に電流が流れる方向（本例ではｙ軸方向）における長さを指す。一方、凹部１９及び上流側非磁性金属１６の間の領域は、スキルミオン４０を維持できる程度の幅を有する。つまり、凹部１９及び上流側非磁性金属１６の間の領域は、凹部１９及び下流側非磁性金属１７の間の領域よりも幅が大きい。
なお、本例の凹部１９は、二次元積層膜１１の延展方向に二次元積層膜１１と接続した非磁性金属からなる凹部電極１５３を有する。また、上流側非磁性金属１６は、スキルミオン４０の生成及び消去用の電極として機能するのに加え、スキルミオン検出素子１５における電極としても機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成及び消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。
凹部電極１５３は、凹部１９において、上流側非磁性金属１６と対向する辺に接する。なお、図３８に示すように凹部１９の全体が凹部電極１５３であってもよい。凹部電極１５３は、安定状態のスキルミオン４０が存在する位置を、上流側非磁性金属１６とともに挟む。本例において、スキルミオン４０の生成及び消去に応じて、上流側非磁性金属１６と、凹部電極１５３との間における二次元積層膜１１の抵抗値が変化する。スキルミオン検出素子１５は、二次元積層膜１１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５０は、凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７に接続する。測定部５０は、凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７の間の二次元積層膜１１の抵抗値を測定する。凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７の間の抵抗値は、二次元積層膜１１の抵抗値に対応し、スキルミオン４０の生成及び消去に応じて変化する。例えば、スキルミオン４０が存在しない場合、二次元積層膜１１には空間的に一様な磁場Ｈが発生している。一方、スキルミオン４０が存在する場合、二次元積層膜１１にかかる磁場は、空間的に一様でなくなる。空間的に一様でない磁場が発生した場合、二次元積層膜１１を流れる伝導電子は、二次元積層膜１１の磁気モーメントにより散乱する。即ち、二次元積層膜１１の抵抗値は、スキルミオン４０が存在する場合の方が、スキルミオン４０が存在しない場合よりも高くなる。
本例の測定部５０は、測定用電源５１及び電流計５２を有する。測定用電源５１は、凹部電極１５３と下流側非磁性金属１７との間に設ける。電流計５２は、測定用電源５１から流れる測定用の電流を計測する。測定用電源５１が印加する既知の電圧と、電流計５２が計測した電流の比から、二次元積層膜１１の抵抗値を検出できる。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できる。
上述した構成からなるスキルミオンメモリ１００は、二次元積層膜１１中にスキルミオン４０の転送及び消去できる磁気素子として具体化できる。この場合、下流側非磁性金属１７、下流側非磁性金属１７及び制御電源６１は、スキルミオン４０の生成、消去及び転送を制御するスキルミオン制御部として動作する。
図３９は、電流生成部がＬ部の場合のスキルミオンメモリ１００の構成例を示す。スキルミオンメモリ１００の他の例を示す模式図である。凹部２６の下流側非磁性金属１７側の端部が、磁性体１０の下流側非磁性金属１７側の端部まで広がってもよい。この場合、凹部２６の角部は、角部２４のみである。本例の磁性体のデザインは図３８に比して構造上単純で微細加工上好ましい。また、下流側非磁性金属１７のｘ方向における長さは、磁性体１０の下流側非磁性金属１７側の端部と概ね同じ長さであってよい。ただし下流側非磁性金属１７は、凹部電極１５３とは電気的に絶縁されている。凹部電極１５３は、下流側非磁性金属１７と絶縁されるように、凹部２６の上流側非磁性金属１６側の一部の領域にのみ設けられてよい。
パルス電流を用いた詳細なシミュレーション実験の結果、スキルミオン生成、消去に関して驚くべき特性を示すことを発見した。パルス電流によるナノサイズのスキルミオン生成、消去に必要な時間は極短パルスの数十から数百ピコ秒（ｐｓeｃ）程度でよい。つまり、スキルミオン４０の生成または消去用の電流パルスの電流印加時間は、１ｎｓｅｃよりも短い。これはＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）において必要な２０ｎｓeｃと比べて２桁も速度が速い。また高速ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は２ｎｓeｃであり、スキルミオンメモリ１００の動作速度は高速ＳＲＡＭ以下である。また、パルス電流を印加しない場合、生成したスキルミオン４０は所定の場所に留まることも明らかになった。即ち、スキルミオンメモリ１００は記憶保持時に電力を消費しない不揮発のメモリ特性を有する。スキルミオン４０を生成、消去するときのみ電力が必要である。これも上に述べたように極短パルスで済むので、データの書き込み、消去も極めて小さな消費電力ですむ。これが実現できることから究極のメモリ素子としての特徴を有する可能性の高いメモリ素子である。
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された素子であり、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等の技術を用いて形成できる。上流側非磁性金属１６および下流側非磁性金属１７は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性の非磁性体金属よりなる。
図４０は、複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリ１００を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０−１から磁気素子３０−８までの合計８層の磁気素子３０を有する。スキルミオンメモリ１００は、磁場発生部２０−１上に、４層の磁気素子３０を有する。スキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０−４と磁気素子３０−５との間に磁場発生部２０−２をさらに有する。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よい。
図４１は、半導体素子を有するスキルミオンメモリデバイス１１０の構成例を示す。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及びＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０上にスキルミオンメモリ１００を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０は、基板８０に形成したＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１及びＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００を同一のチップ内に有することができる。この結果、ＣＰＵの処理時間の短縮化、高速化が実現し、ＣＰＵの消費電力を大幅に低減できる。
図４２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３７から図４１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、及び、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４３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３７から図４１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、及び、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４４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３７から図４１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、及び、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４５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３７から図４１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、無線通信及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、及び、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。
１・・・マグネチックシフトレジスタ、２・・・磁気センサ、１０・・・磁性体、１１・・・二次元積層膜、１２・・・磁性膜、１３・・・非磁性膜、１４・・・積層体、１５・・・スキルミオン検出素子、１６・・・上流側非磁性金属、１７・・・下流側非磁性金属、１８・・・端部、１９・・・凹部、２０・・・磁場発生部、２２・・・角部、２４・・・角部、２５・・・多層膜、２６・・・凹部、３０・・・磁気素子、４０・・・スキルミオン、５０・・・測定部、５１・・・測定用電源、５２・・・電流計、６０・・・コイル電流用電源、６１・・・制御電源、８０・・・基板、９０・・・ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ、９１・・・ＰＭＯＳ‐ＦＥＴ、９２・・・ＮＭＯＳ‐ＦＥＴ、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、１５２・・・磁性体金属、１５３・・・凹部電極、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 (28)

  1. 二次元積層膜を備える、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、
    前記二次元積層膜は磁性膜と、前記磁性膜に積層した非磁性膜からなる多層膜を少なくとも１つ以上積層した二次元積層膜を有する磁気素子。
  2. 前記磁性膜は強磁性材料からなる請求項１に記載の磁気素子。
  3. 前記磁性膜は強磁性金属膜からなる請求項１または２に記載の磁気素子。
  4. 前記磁性膜は二次元面に略垂直な磁気モーメントをもつ強磁性材料からなる請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気素子。
  5. 前記磁性膜は磁気交換相互作用により強磁性体となる請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気素子。
  6. 前記磁性膜はダイポール相互作用により強磁性体となる請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気素子。
  7. 前記磁性膜はペロブスカイト型結晶構造をもつ磁性材料からなる請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気素子。
  8. 前記磁性膜はペロブスカイト型結晶構造をもつＲｕ酸化物磁性材料からなる請求項５に記載の磁気素子。
  9. 前記磁性膜はペロブスカイト型結晶構造をもつＳｒＲｕＯ３を厚さ方向に５分子層以下有する請求項８に記載の磁気素子。
  10. 前記磁性膜はペロブスカイト型結晶構造をもつＭｎ酸化物磁性材料からなる請求項７に記載の磁気素子。
  11. 前記磁性膜はＲｕ元素を２．５％から１０％の範囲で添加したペロブスカイト型酸化物Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、０≦ｘ≦１からなる請求項１０に記載の磁気素子。
  12. 前記磁性膜はＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕもしくはこれらの複数の金属元素を含む磁性材料からなる請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気素子。
  13. 前記非磁性膜は大きなスピン軌道相互作用常数を有する非磁性材料からなる請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  14. 前記非磁性膜はペロブスカイト型酸化物からなる請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  15. 前記非磁性膜はＩｒ酸化物からなる請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  16. 前記非磁性膜はＳｒＩｒＯ３を厚さ方向に２分子層以下有する請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  17. 前記非磁性膜はＰｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ，Ｒｅもしくはこれらの複数の金属を含む非磁性金属膜である請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  18. 複数の前記磁性膜と複数の前記非磁性膜からなる請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁気素子。
  19. 前記磁性膜の厚さは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか一項に記載の磁気素子。
  20. 前記二次元積層膜は、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する、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の磁気素子。
  21. 前記二次元積層膜は薄層状の二次元面に略垂直な磁場を印加することにより、前記スキルミオンが発現する、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の磁気素子。
  22. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の磁気素子を厚さ方向に複数積層して有するスキルミオンメモリ。
  23. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の磁気素子と、
    前記磁気素子に対向して設け、前記磁気素子に磁場を印加する磁場発生部と
    を備えるスキルミオンメモリ。
  24. 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２１のいずれか一項に記載の磁気素子と、
    前記磁気素子に対向して設け、前記磁気素子に磁場を印加する磁場発生部と
    を備えるスキルミオンメモリ。
  25. 請求項２２から２４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリと、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。
  26. 請求項２２から２４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ記録装置。
  27. 請求項２２から２４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ処理装置。
  28. 請求項２２から２４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載した通信装置。
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