KR100466729B1 - 자화 반전 실행 방법 및 장치, 그리고 자기 기록 시스템 - Google Patents

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KR100466729B1 KR10-2001-7015762A KR20017015762A KR100466729B1 KR 100466729 B1 KR100466729 B1 KR 100466729B1 KR 20017015762 A KR20017015762 A KR 20017015762A KR 100466729 B1 KR100466729 B1 KR 100466729B1
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인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

면방향 자화층에서의 초고속 자기 반전을 위한 체계가 개시된다. 이를 위해, 외부 자계 ex가 인가되는데, 이 외부 자계 ex의 둘레를 자화가 세차운동하도록 외부 자계 ex가 인가되고, 또한 외부 자계 ex는 세차운동이 자화 반전을 실행하기에 충분할 때까지 지속된다. 외부 자계 ex는 자화

Description

자화 반전 실행 방법 및 장치, 그리고 자기 기록 시스템{ULTRAFAST MAGNETIZATION REVERSAL}
자화 반전은 전기 변환이나 자기 기록과 같은 우리의 문명의 핵심 기술에 기초가 되는 기본적인 프로세스이다. 오늘날 실시되는 전통적인 자화 반전에서, 반전 자계는 자화 방향에 반평행(antiparallel)하게 가해진다. 그러므로, 반전 속도는 나노초 레벨(nanosecond level)의 시간 규모로 제한된다.
자기 기록은 물리학, 재료 과학, 통신학 및 기계 공학 등의 여러 학문이 관련된 분야이다. 자기 기록의 물리학은 자기 헤드, 기록 매체, 그리고 헤드와 매체간의 정보 전송 프로세스를 연구하는 것과 관련있다.
데이터 기록 및 기억에 적용 가능한 많은 자기 기록 시스템이 공지되어 있다. 종래의 시스템은 자기 기록 매체의 표면 상의 자화 패턴을 이용한다. 자기 매체는 자화 방향 혹은 예비자화(premagnetization)를 갖고, 이를 이용해 자기 패턴이 단일 트랙 혹은 다수의 평행 트랙의 길이를 따라 형성된다. 기록(recording) 혹은 기입(writing)은 매체와 기록 변환기(recording transducer)(기록 헤드라고도 함) 사이의 상대적 운동에 의해 발생한다. 일반적으로, 기록 헤드는 매체와 마주보는 표면에 갭(gap)이 있는 고리 형상의 전자석(ring-shaped electromagnet)이다. 헤드에 기록될 신호를 나타내는 기입 전류가 공급되면, 갭으로부터의 프린징 자계(fringing field)가 각각 매체를 자화시킨다. 기록된 자화는 전술한 패턴을 생성하는데, 이것은 가장 간단한 경우에 일련의 연속 막대 자석이다. "1 비트"는 전류 극성의 변경에 대응하는 반면, "0 비트"는 기입 전류 극성이 변하지 않는 것에 대응한다. 따라서, 이동 중인 디스크는 양(positive)의 전류에 대해 "+" 방향으로 자화되고, 음의 전류 흐름에 대해 "-" 방향으로 자화된다. 다시 말해서, 기억된 "1"은 디스크상에서 자화 방향의 반전이 발생한 곳을 나타내고, "0"은 "1"들 사이에 존재한다.
수 년에 걸쳐 자기 기록을 위해 다양한 자기 매체가 이용되어 왔다. 그러나, 대부분의 오늘날의 자기 매체는 비자기 기판(non-magnetic substrate)에 의해 지지되는 강자성 재료(ferromagnetic material)의 박막을 이용한다. 자기층은 중합체 매트릭스내의 자기 입자에 의해 형성될 수 있다. 이와 달리, 진공 증착된 물질이나 산화막도 이 층으로 가능하다. 박막 자기층을 이용함으로써 기판과 관련해 많은 구성이 가능해진다. 자기 매체는 "경질(hard)"과 "연질(soft)" 매체로 구분된다. 경질 매체는 영구적으로 자화되는데 큰 인가 자계를 필요로 한다. 일단 자화되면, 자화를 반전시키고 물질을 제거하는 데에도 큰 자계가 요구된다. 이러한 매체는 큰 포화(saturation)와 높은 보자성(coercivity)으로 컴퓨터 데이터 기억 장치와 같은 응용에 더 적합하다. 한편, 연질 매체는 자화되는데 비교적 낮은 자계를 필요로 한다. 이 물질들은 오디오 기록같은 응용에 더 적합하다. 매체의 선택은 매체상에 자화가 기록되는 방식에 영향을 미친다. 그 이유는, 기록되는 자화의 방향이 사용되는 매체의 자기 이방성(anisotropy)에 의해 강하게 영향을 받기 때문이다. 따라서, 기록에 있어서 상이한 기법이 존재하는데, 예컨대 자화 방향이 트랙의 길이 방향을 따르는 세로 방향 기록(longitudinal recording)이나, 매체가 수직 방향으로 이방성을 보이는 수직 방향 기록(perpendicular recording)이 존재한다. 세로 방향으로 배향된 바늘 형상 입자(needle shaped particles)를 갖는 매체는 세로 방향으로 더 높은 잔류 자화를 갖는 경향이 있고, 따라서 세로 방향 기록을 더 선호하는 경향이 있다. 이 때 세로 배향(orientation)은 예컨대 고리 헤드(ring head)처럼 세로 방향 자계를 조장하는 적절한 헤드 설계에 의해 지원될 수 있다. 세로 방향 기록은 오늘날 가장 많이 적용 및 이용되는 기법이다. 그럼에도 불구하고, 매체는 또한 박막의 평면에 수직으로 구성될 수 있다. 이러한 매체는 수직 방향으로 더 높은 잔류 자화를 가지며, 수직 방향 기록을 선호한다. 이러한 수직 배향은 예컨대 단극 헤드(single-pole head)같이 수직 방향 자계를 조장하는 헤드 설계에 의해 지원될 수 있다. 수직 방향 기록 매체는 일반적으로 세로 방향 매체보다 더 안정한 고밀도 기록 패턴을 지원하는 것으로 인식된다.
미국 특허 제 5,268,799호는, 수직 방향으로 자화 가능한 막을 갖는 자기 기록 매체에 신호를 기록하고 이 매체로부터 신호를 재생하는 자기 기록 및 재생(reproducing) 헤드에 관한 것이다. 자기 기록 및 재생 헤드는 자기 감지부를 포함하고, 이 자기 감지부는 연질 자기 물질로 이루어진 가느다란 바늘과, 자기 기록 매체상에 신호를 기록하기 위해 이 가느다란 바늘을 자화시키도록 이 바늘 둘레에 감겨 있는 여자 코일(exciting coil)을 포함한다. 기록된 신호를 재생하기 위해, 고주파 전기 에너지가 자기 감지부에 인가되어 반사파(a reflected wave)를 만들고, 자기 기록 매체상에 기록된 신호에 의해 만들어지는 누설 자계에 의해 초래된 반사파의 변화는 기록 신호를 나타내는 것으로서 감지된다.
씨. 에이치. 백 등(C. H. Back et al.)은 Physical Review Letters, Vol.81,3251(1998)에 실은 그들의 논문 "Magnetization Reversal in Ultrashort Magnetic Field Pulses"에, 수직 방향으로 자화된 Co/Pt 막을 짧지만 강한 자계 펄스를 이용해 자화 반전시키는 연구 실험이 기술되어 있다. 인가된 자계 펄스는 매우 강하므로 자기 기록에는 적절하지 않다. 더 나아가, 자기 기록 헤드는 이렇게 강하고 고 에너지인 펄스를 발생할 수 없다.
오늘날의 컴퓨터는 자기 디스크상에 2진수 혹은 비트의 형태로 데이터를 기억한다. 이러한 디스크가 회전할 때, 데이터가 디스크 드라이브로 전송되어 대응하는 시간 계열의 이진수 "1"과 "0"의 숫자, 즉 비트로 처리된다. 오늘날의 전형적인 데이터 전송율은 약 30MB/sec이다. 이것은 기록을 위한 4ns 지속 시간의 자계 펄스에 해당한다. 현재의 기술은 자화 방향을 반전시키기 위해 반평행 자계 혹은 자계 펄스를 인가한다. 기억될 데이터의 부하(load)는 극적으로 증가하므로, 기록 프로세스에 있어서 고속 동작의 필요성이 존재한다. 따라서, 데이터 기억 시스템의 동작 속도는 증가하고 있다. 오늘날의 시스템은, 예컨대 속도가 물리적으로 제한되는 등, 다소간의 결점이 보이므로, 신세대에는 적합하지 않다. 종래의 기술로는 반전 속도가 나노초의 시간 규모이다. 그러므로, 훨씬 더 빠른 기술이 요구된다.
본 발명은 작은 인가 자계를 이용한 초고속 자화 반전(ultrafast magnetization reversal)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 자기 기록(magnetic recording)에 관한 것이다.
본 발명은 다음의 개략적인 도면을 참조하여 이후에 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 3차원 예시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 자화 반전의 3차원 그래프를 도시한다.
도 3은 도 2의 z-성분을 더 자세히 도시한다.
도 4는 도 2의 x-성분을 더 자세히 도시한다.
도 5는 도 2의 y-성분을 더 자세히 도시한다.
모든 도면들은 실제 치수로 도시된 것이 아니라 명료성을 위한 것이며, 실제 크기로 도시된 치수들 사이의 관계를 나타내는 것도 아니다.
본 발명의 목적
본 발명의 목적은 종래 기술의 약점을 극복하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고속 데이터 기록의 개념을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 초고속 자화 반전을 수행하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 초고속 자기 기록 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 초고속 자기 기록용 장치, 매체 및 시스템을 제공하는 것이다.
발명의 개요 및 이점
본 발명의 목적은 첨부된 특허청구범위의 특징에 의해 달성된다. 여러 가지 수정과 개량은 종속항에 포함된다.
본 발명의 근본 개념은 자화를 갖는 면방향 자화층(in-plane magnetized layer)에서의 초고속 자화 반전과 관련 있다. 초고속 자화 반전을 달성하기 위해, 자화가 외부 자계 둘레를 세차운동(precession)하도록, 작고 짧은 외부 자계 혹은 자계 펄스를 자화층에 거의 수직으로 인가한다. 외부 자계는 오로지 세차운동이 자화 반전을 만족시킬 때까지만 유지되는데, 이것은 가장 간단한 경우에 자화가 약 20°정도 차이가 나게 평면이 회전할 때까지를 의미한다. 다음, 층의 소자 자계(demagnetization field)와 이방성 자계의 조합이 반전 프로세스를 완료하고, 자화를 반대 방향으로 바꾼다. 자화는 외부 자계 없이도 반대 방향으로 바뀐다. 더 나아가, 외부 자계가 유지되는 것도 가능한데, 이로써 자화는 평면 둘레를 잠시동안 회전하여, 바람직하게는 π의 기수 배수(odd multiple)를 의미하는 반평행 혹은 반대 방향으로 π의 배수에서 자화의 회전이 정지하도록 스위치 오프된다. 한편, 외부 자계는 자화가 자신의 방향으로 완화(relaxation)되는 것을 피할 정도로 짧아야 한다. 단일축 면방향 자화층(uniaxial in-plane magnetized layer)에서, 자화는 이 평면에서 두 개의 안정 상태 즉, 평행 혹은 반평행 상태를 나타낸다.
자화 혹은 스핀에 대해 최대 토크를 발휘하도록 외부 자계가 자화에 대해 거의 직각으로 인가된다면, 이 외부 자계는 층의 면방향 이방성 자계에 필적하며, 자화를 반전하기에도 충분하다. 이 사실은, 작은 자계로도 충분히 자화 반전을 유발함으로써 더 작은 에너지로도 이러한 자계를 충분히 생성한다는 이점을 보여준다.
본 발명의 이점은, 반전 시간에 대한 근본적인 제한이 존재하지 않기 때문에 훨씬 더 빠른 자화 반전이 달성될 수 있다는 것이다. 예컨대, 이러한 초고속 자화 반전은 자기 기록에 활용될 수 있다. 30MB/sec보다 훨씬 빠른 고속 데이터 기록이실행 가능해지고, 점점 증가하는 부하의 데이터를 기억할 수 있게 한다. 본 발명은 결정적으로 데이터 저장 기술을 개선하며, 세로 방향 기록 또는 수직 방향 기록에 활용될 수 있다.
최대 토크가 자화에 발휘되도록 외부 자계가 소정 각도로 인가되면, 초고속 자기 반전의 물리적 효과가 최대로 이용될 수 있는 이점이 생긴다. 이것은 외부 자계가 자화에 대해 본질적으로 수직 방향으로 인가될 경우에 달성될 수 있다.
또한, 외부 자계가 45°와 135°사이의 각도로 인가될 수 있는 것도 유리한데, 그 이유는 외부 자계가 정확하게 정렬될 필요는 없기 때문이다.
만약 인가된 외부 자계가 면방향 자화층의 이방성 자계보다 더 강할 경우, 이것은 특히 초고속 자기 반전 프로세스를 유도하기 위해서 외부 자계가 이방성 자계보다 약간만 더 강할 필요가 있음을 의미하는데, 그럴 경우에는 초고속 자기 반전 프로세스가 상대적으로 약한 외부 자계에 의해 개시될 수 있다는 이점이 생긴다. 이런 자계는 많은 전력을 필요로 하지 않는 장치나 기록 헤드에 의해 생성될 수 있는데, 즉, 기억 시스템의 전력 소비가 저 레벨로 유지될 수 있다. 이것은 특히 배터리를 사용하는 휴대용 컴퓨터에 유리하다.
인가된 외부 자계가, 자화가 외부 자계의 방향으로 정렬하기 이전에 중단되면, 자화는 인가된 외부 자계의 방향이 아니라 본 발명에 따라 반대 방향으로 일어나는 이점이 생긴다.
인가된 외부 자계가 작은 자계 진폭을 갖는 경우에도 유리하다. 외부 자계는 오로지 자화를 평면 밖으로 들어올리는데만 이용되고 자화의 수직 방향 성분은 소자 자계에 대한 증가를 제공하므로, 층의 소자 자계와 이방성 자계 둘레의 이후의 감쇠된 세차운동이 반전 프로세스를 완료한다. 사실상, 자화 반전에 필요한 외부 자계를 이렇게 작게 만드는 것은 소자 자계이다. 따라서, 이미 적은 전력으로 이러한 외부 자계를 생성하기에 충분하며, 더 나아가 기억 매체상의 인접 범위들은 외부 자계에 의해 방해받거나 영향받지 않는다. Co 막의 경우, 이후에 설명되는 실험에서 알 수 있듯이, 2ps의 펄스 길이에서 185kA/m 이하의 자계 진폭(절반 진폭에서 절반 폭임)이면 충분하다.
외부 자계가 1ps와 1000ps 사이의 피코초 시간 규모로 인가되면, 기록 프로세스가 초고속이 되어 가장 좋은 자화 반전 결과가 달성될 수 있는 이점이 생긴다. 그러므로, 훨씬 더 많은 데이터 혹은 훨씬 더 큰 데이터 부하가 기록 및 기억될 수 있다. 이러한 짧은 자계 혹은 펄스를 발생시킬 수 있는, 예컨대 기록 헤드의 일부로서 적절하게 설계된 자계 발생기가 이용되어야 한다.
단일축 면방향 자화층의 자화는 두 개의 안정한 상태를 갖는데, 즉, 자화가 평면에서 한 방향, 예를 들면 평행하게 향하던가, 혹은 반대 방향, 예컨대 반평행하게 향한다. 그러므로, 자화의 회전은 외부 자계가 중단된 이후에 평면의 두 방향중 한 방향으로, 즉 π의 배수에서 정지한다.
층의 소자 자계와 이방성 자계 둘레의 자화의 세차운동이 자화 반전을 완료하면, 전체 자화 반전 프로세스가 완료되기 이전에 외부 자계가 중단될 수 있다는 이점이 생긴다. 이것은 자화 반전이 유도된 이후에 기록 헤드가 벌써 자신의 다음 위치로 이동될 수 있기 때문에 에너지 절약을 돕고, 기록 속도를 증가시킨다.
외부 자계는 층의 평면으로 또는 평면에 수직으로 인가될 수 있다. 이것은 외부 자계가 다양한 방향으로부터 이용 가능하다는 이점을 갖는다. 또다른 이점은, 기록 헤드가 초고속 자화 반전을 유도하도록 짧은 자계 혹은 자계 펄스를 생성할 수 있게 설계되기만 하면, 종래의 기록 헤드가 약 90°의 각도로 이용될 수 있다는 것이다.
면방향 자화층이 나노입자 예컨대 결정 그레인(crystal grains), 바람직하게는 동일한 그레인 혹은 단일 도메인 입자를 포함하고 소자 계수가 1에 가까울 경우도 유리한데, 그 이유는 자화 방향을 반전시키는데 필요한 자계가 감소될 수 있기 때문이다. 모든 자기 물질은 감쇠 상수 α를 나타내므로, 층을 위한 물질은 낮은 감쇠 상수 α를 나타내도록 선택되어야 한다. 더 나아가, 감쇠 상수 α, 즉, 층을 위한 자기 물질은 초고속 자화 반전이 가장 좋은 결과로 달성되도록 도입될 수 있다. 일반적으로, 반전 프로세스의 효율적인 기능을 결정하는 것은, 자화, 이방성 자계, 감쇠 상수, 소정 펄스 폭에서의 외부 자계 값에 따른 물질 파라미터의 조합이다.
원칙적으로, 오늘날의 기억장치인 디스크 물질은 초고속 자화 반전에 적합하지만, 재료 과학의 향상은 초고속 자화 반전에 더 적합한 물질을 제공할 것이다.
면방향 자화 매체 혹은 층은 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 테이프, 혹은 데이터 기록과 기억을 위해 자신의 자화를 반전시킬 수 있는 모든 다른 장치의 일부일 수 있다.
용어 풀이
다음은 설명의 이해를 돕기 위한 약식 정의이다.
자화, 이것은 스핀의 정렬을 나타낸다.
Ms포화 자화:예를 들면, Co의 경우, 실온에서 Ms=1.7T
ex외부 자계
A이방성 자계
D소자 자계
α 감쇠 상수
δ와사이의 각도
Θ와 층의 평면 사이의 각도
μ0진공의 투자율
도면을 참조하여, 특히 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 초고속 자기 기록 시스템의 필수 구조가 이후에 더 자세히 설명된다.
먼저, 본 발명에 따른 얼마간의 기초가 다루어진다. 오늘날 실시되는 통상적인 자화 반전에서, 반전 자계는 자화의 방향에 반평행하게 인가된다. 대응하는 반전 속도는 나노초 시간 규모이다. 만약 자화 반전을 유도하는 외부 자계 ex가 자화에 대략 수직으로 인가되면, 본 발명에 따라 훨씬 더 짧은 반전 시간이 달성된다. 자기 층 혹은 자기 막에서, 소자 자계 D는 외부적으로 인가된 자계 ex가 자화 반전을 유도하는 것을 돕는다. 그러므로, 자계 펄스 ex라고도 부르는 약한 자계 ex는 면방향 자화층 혹은 막에서 자화을 반전시키기에 충분하다. 짧은 자계 펄스 ex가 층의 평면 밖으로 자화의 세차운동을 일으키면, 층의 표면에 대해 수직으로 소자 자계 D가 유도된다. 외부 자계 펄스 ex가 종료되면, 소자 자계 D와 이방성 자계 A가 존속하며, 소자 자계 D와 이방성 자계 A의 둘레에 자화의 세차운동이 자화 반전 프로세스를 완료한다. 기하학적으로, 자화 반전은 수 피코초의 기간(a few picoseconds' duration)의 자계 펄스 ex로 유도되지만, 이것은 이방성 자계 A와 동등한 작은 자계로 유도된다. 이 자계 진폭은 종래의 박막 기록 헤드의 범위내에서 충분하다.
자화 반전을 검증하는데 이용되는 자기층은 20nm의 두께를 갖는 Co로 만들어진다. 두 종류의 Co층이 이용되는데, 그중 하나는 층의 평면에 단일축 이방성을 나타낸다. 하나의 Co층을 이후부터 Co I이라고 부르는데, 이 층은 MgO(110) 기판상에 500℃에서 증착된 5nm Pt/0.5nm Fe-버퍼상에서 차례로 40℃로 증착된 10nm Pt 버퍼상에서 40℃로 스퍼터 증착하여 성장되었다. 다른 Co층은 이후부터 Co II로 부르는데, 이 층은 마찬가지로 MgO(110) 기판상에 300℃에서 30nm Cr 버퍼층에 대해 전자빔을 증발시켜 만들어졌다. 실온에서 Co에 대한 포화 자화는 Ms=1.7T이다. 층의 평면내의 단일축 이방성 자계 A는 자기 광학적 커어 효과(magneto-optic Kerr effect)를 이용해 결정되었다. 이 값들은 Co I와 Co II에 대해 각기 168 및 160kA/m이다.
Co I 층과 Co II 층을 의미하는 샘플들은 전자 번치(electron bunch)를 이용해 2, 3 및 4.4ps 길이의 외부 자계 ex에 노출되었다(가우스 형상의 최대치의 절반에서 폭의 절반). 그 후, 제 1 자화 반전이 약 184kA/m의 자계 ex에 대응함이 결정되었다. 더 큰 자계로 향할수록, 예컨대 224, 264 및 352kA/m에서 다수의 반전이 일어난다. 자화 반전은 거의 exㅗ, 즉, 예컨대 80°와 100° 사이의 각도일 때에 가장 잘 작용하고, 따라서 토크= exX는 거의 최대이다. 초고속 자화 반전의 시간에 대해 어떠한 근본적인 제한도 존재하지 않는 것으로 보인다.
종래의 자화 반전에서, 토크는 0이다. 이 경우, 반전 프로세스에 의해 유도되는 각운동량(angular momentum)은 포논 격자(phonon lattice)에 의해 흡수되어야 하는데, 프로세스는 격자와 자기 시스템 사이의 에너지 교환율에 의해 좌우된다. 따라서, 스핀 격자 완화 시간은 종래의 자화 반전과 관련된 시간 규모이다.
초고속 자화 반전을 위한 수학식은 각각의 개별 입자에 대한 란다우-리프시츠 방정식(Landau-Lifshits equation)을 이용하여 수행될 수 있다.
란다우-리프시츠 방정식은 내부 및 외부 자계의 합(sum)의 방향 둘레의 자화의 세차운동을 가정한다.
이 때, γ는 γ=0.2212x106m/As인 자기 회전 비율(gyromagnetic ratio)이고, 자계 방향으로의 자화의 완화는 감쇠 상수 α로 기술된다. 감쇠 상수 α는 작아야 하는데, 이것은 자화 반전 프로세스에 대해 가장 최선의 결과를 달성하기 위해서 층으로 적절한 물질이 설계 및 이용되어야 함을 의미한다.
물리적 관점에서는, 초고속 자화 반전 현상이 3단계 모델로 설명될 수 있다.
자계 펄스 ex동안에, 자화는 층 혹은 막의 평면을 벗어나 자계 ex둘레를 세차운동한다. 자화가 층의 평면을 이탈함에 따라, 유효 소자 자계 D가 증가하는데,과 층의 평면 사이의 각도 Θ가 증가하기 때문이다. 즉, HD=(Ms/μ0)sinΘ. 자계 ex가 없어지면, 자화는 계속해서 세차운동을 하지만, 이제는 D+ A둘레에서 한다. 자화에 의해 가정된 최대 각도 Θ는 자화이 반전했는지의 여부와, 우수 배수의 반전(even multiple reversals)이 발생할 수 있는지의 여부를 결정한다. 이 때, 자화는 두 개의 용이한 자화 방향 혹은 상태 중 하나로 완화된다. 이 마지막 단계는 저속일 수 있다.
도 1은 초고속 자화 반전을 이용하는 자기 기록용 장치의 3차원 예시도를 도시한다. 도 1은 디스크(1)의 입방 형상 부분(cuboid-shaped part)을 도시하는데, 여기서는 데이터를 기록 및 기억하는 하드 디스크(1)이다. 이 디스크(1)는 기판(2)과 면방향 자화층(3)(이후부터 증착된 단층(3)이라고 부름)을 포함한다. 층(3)은 3개의 영역을 포함하는데, 간략화를 위해, 이 영역들을 관찰자의 관점에 따라 전방 영역(front region)(4a), 중앙 영역(4b) 및 후방 영역(4c)이라고 명명한다. 각각의 영역(4a, 4b, 4c)은 자신의 자화를 갖고, 이로써 전방 영역(4a)와 후방 영역(4c)의 자화는 동일한 방향으로 향하는 반면, 중앙 영역(4b)의 자화는 반대 방향으로 향한다.
특히 중앙 영역(4b)을 가로 질러 약간의 거리를 두고 디스크(1) 상에 자기 기록 헤드(5)가 위치하고 있다. 이 자기 기록 헤드(5)는 코일(7), 몸체(8) 및 전력 공급원(9)으로 표시된 자계 발생기(6)를 포함한다. 본원에서 자계 발생기(6)는 고리형 헤드인데, 여기에서 자계 ex는 갭(10)으로부터의 누설 자계이다. 예컨대 단극(single-pole) 헤드처럼 모든 다른 종류의 자계 발생기 혹은 헤드가 대신 이용될 수도 있으며, 장치의 변화도 가능하다. 자계 발생기(6)는 이론적으로 전술한 자화 반전을 유도하기 위해 y-방향으로 짧은 자계 ex혹은 자계 펄스 ex를 생성할 수 있다. 자계 펄스 ex는 피코초 시간 규모인데, 바람직하게는 1과 1000ps 사이이며, 층(3)의 이방성 자계 A의 세기보다 약간 더 세다.
도 1에 도시된 바와 같이, 외부 자계 ex는 디스크(1)의 중앙 영역(4b)을 가로질러 이용하는 자계 발생기(6)에 의해 생성된다. 따라서, 외부 자계 ex는 층(3)의 자화에 수직인 평면으로 인가된다. 중앙 영역(4b)에서의 자화 반전이 개시 혹은 이행된 이후에, 자기 기록 헤드(5)는 디스크(1)를 가로질러 다음 기록 위치로 이동될 수 있다. 자화 반전은 다음 도면을 참조하여 더 자세히 도시된다.
도 2는 중앙 영역(4b)내부에서의 예컨대 도 1에 도시된 자화의 반전을 3차원으로 예시한다. 따라서, 단일 스핀의 정렬 움직임이 여러 위치 Ⅰ 내지 Ⅳ에서 고려된다. 움직임은 x-축, y-축, z-축을 포함하는 3차원 좌표계의 그래프로서 도시된다. 이해와 단순화를 돕기 위해, 이 그래프는 반전 프로세스 동안의 자화 벡터의 움직임을 설명하는데, 자화 벡터의 시점은 x=0, y=0, z=0의 좌표 시작점에 위치된다. 외부 자계 ex가 인가되기 전에, 자화가 두 개의 안정 상태중 하나인 양의 x-방향으로 정렬된다. 이 정렬은 좌표 x=1, y=0, z=0로 설명될 수 있으며, 이후부터 간략화를 이 자화 벡터의 팁(tip)의 좌표를 [1,0,0]으로 표시한다. 단일 성분 x, y, z의 행로는 도 3, 도 4 및 도 5에 각기 시간에 대해 도시하였다. 도 2에 도시된 그래프에 표시된 위치 Ⅰ 내지 Ⅳ는 도 3 내지 도 5에 도시된 이들 위치 Ⅰ 내지 Ⅳ에 대응한다.
도 1에 도시된 자계 발생기(6)에 의해 생성 가능한 외부 자계 ex는 자화에 거의 수직으로 본 발명에 따라 인가된다. 이것은 외부 자계 ex가 y-방향으로 인가됨을 위미한다. 외부 자계 ex는 x 평면 밖으로 자화의 세차운동을 일으킨다. 도 2의 위치 [1.0,0]에서 시작하여, 그래프는, 위치 Ⅱ를 향해 도 5에 더 자세히 도시된 것처럼 양의 y-방향과, 도 3에 더 자세히 도시된 것처럼 음의 z-방향으로 동시에 약간 움직임을 도시한다. 위치 Ⅱ는 거의 2-4ps 이후에 도달된다. 이 시점에서, 외부 자계 ex는 중단 혹은 종료된다. 소자 자계 D와 이방성 자계 A가 지속되고, 전술한 바와 같이, 소자 자계 D와 이방성 자계 A의 영향에 의한 자화의 세차운동이 자화 반전 프로세스를 완료하므로, 더 이상의 에너지 혹은 외부 자계 ex가 인가될 필요가 없다. 따라서, 그래프는 위치 Ⅲ을 통과한 후, 자화의 방향이 음의 x-방향으로 변경되어, 루프를 통과한 후, 자화 반전 프로세스가 완료되는 좌표 [-1,0,0]을 갖는 위치 Ⅳ로 최종 도착한다. 언급한 루프 이후, 최종으로 위치 Ⅳ에 도달하기 전에 그래프는 나선형 움직임을 나타낸다. 위치 Ⅳ는 제 2 안정 상태를 나타내며, 여기서는 반전 위치를 나타낸다.
외부 자계 ex가 유지되는 경우, 외부 자계 ex둘레의(y-방향 둘레의) 자화의 회전이 관측될 수 있다. 자화의 큰 회전 각도는 또한 강한 외부 자계 ex의 이용에 의해 달성될 수 있다. 성공적인 반전의 관점에서, 자화의 회전은 π의 기수 배수에서 정지한다. 일반적으로, 외부 자계가 더 오랜 시간 유지된다면, 자화이 자계 ex의 방향으로 정렬하기 전에, 이용되는 물질의 성질, 특히 감쇠 상수 α와, 외부 자계 ex의 세기 및 지속기간에 따라서 자화의 몇 번의 권수(turns)가 가능하다. 그러므로, 초고속 자화 반전이 그에 맞게 도입될 수 있다.
도 3은 Mz로 표시된 도 2의 z-성분을 자세히 도시한다. 도시된 위치 Ⅰ 내지 Ⅲ은 도 2의 위치에 대응한다. 도 3의 그래프는 시간축에 대해 도시되며, 약 500ns 이후에 0으로 되돌아가는 구축 과도 발진(building-up transient osillation)을 설명한다. 전술한 바와 같이, 위치 Ⅰ은 시작 위치이다. 위치 Ⅱ에서, 외부 자계 ex는 중단되고, 그 결과, 자화 반전 프로세스를 유도하는데 이러한 짧은 자계-활용이면 충분하다. 위치 Ⅲ는 그래프가 도 2에 도시된 것 같은 나선형 움직임을 나타내기 전의 자화 반전을 나타낸다.
도 4는 Mx로 명명된 도 2의 x-성분을 더 자세히 나타낸다. 도시된 위치 Ⅰ, Ⅲ 및 Ⅳ는 도 2에 표시된 위치에 대응한다. 도 4의 그래프는 도 3과 동일한 시간축에 대해 그려졌고, 양의 x-방향을 나타내는 위치 Ⅰ로부터 반대로 음의 x-방향을 나타내는 위치 Ⅳ로의 자화 반전을 설명하는데, 위치 Ⅲ에서 0을 지난 이후에 이 그래프는 위치 Ⅳ에 도달할 때까지 거의 300ps정도 발진한다.
도 5는 My로 표시된 도 2의 y-성분을 자세히 도시한다. 도시된 위치 Ⅰ와 Ⅲ는 도 2의 위치에 대응한다. 도 5의 그래프는 도 3과 동일한 시간축에 대해 도시되었고, 표준적인 구축 과도 발진을 보인다. 그래프는 위치Ⅰ에서 시작하여, 최고의 양의 진폭을 나타내는 위치 Ⅲ을 지나, 곡선이 0으로 되돌아 가기 전에 최고의 음의 진폭을 또한 지난다.
도 3 내지 도 5에서 판독할 수 있듯이, 자화 반전은 약 500ps 이후에 마침내 완료되는 한편, 자화 반전 프로세스는 약 2-4ps내에 시작된다.
전술한 바와 같이, 물질의 성질, 외부 자계 ex의 세기 및 지속기간에 따라서 자화의 몇 번의 권수(turns)가 가능하다. 도 4의 경우도 도 5와 비슷한데, 양 및 음의 진폭이 교번한다. 이것은 가장 빠른 반전이므로 간단한 자화 반전이 바람직하다.
외부 자계 ex의 세기가 스위치-오프 시간의 조합으로 변경된다는 점에서 실시예는 변경될 수 있다. 더 나아가, 면방향 자화층의 물질 성질이 초고속 자화 반전을 지원하도록 채택될 수 있다.

Claims (15)

  1. 자화를 갖는 면방향 자화층(in-plane magnetized layer)(3)에서 자화 반전을 실행하는 방법에 있어서,
    상기 자화가 외부 자계 ex의 둘레를 세차운동(precession)하고, 상기 자화 반전이 완료되기 전에 중단되도록 상기 외부 자계 ex를 인가하는 단계를 포함하는
    자화 반전 실행 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    최대 토크(torque)()가 상기 자화상에 가해지도록 상기 외부 자계 ex가 상기 면방향 자화층(3)에 대해 소정의 각도로 인가되는 자화 반전 실행 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 면방향 자화층(3)은 상기 자화 반전을 일으키는 소자 자계(demagnetization field) D를 갖는 자화 반전 실행 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 면방향 자화층의 소자 자계 D와 이방성 자계(anisotropy field) A둘레의 상기 자화의 감쇠된(damped) 세차운동은 상기 외부 자계 ex가 중단될 경우에 상기 자화 반전을 완료하는 자화 반전 실행 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화이 상기 외부 자계 ex의 방향으로 정렬되기 전에, 상기 인가된 외부 자계 ex는 중단되는 자화 반전 실행 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 자계 ex는 45°와 135°사이의 각도로, 상기 자화에 대해 대략 수직으로 인가되는 자화 반전 실행 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 자계 ex는 1ps 내지 1000ps 미만 사이의 피코초 시간 규모(picosecond time scale)로 인가되는 자화 반전 실행 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자화는 π의 기수 배수(odd multiple)에서 정지하는 회전을 나타내는 자화 반전 실행 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 자계 ex는 상기 면방향 자화층(3)의 평면에 인가되는 자화 반전 실행 방법.
  10. 자화를 갖는 면방향 자화 매체(in-plane magnetized medium)(3)에 있어서의 자화 반전 장치에 있어서,
    상기 자화가 외부 자계 ex의 둘레를 세차운동하고, 상기 자화 반전이 완료되기 전에 중단되도록 상기 외부 자계 ex를 인가하는 자계 발생기(6)를 포함하는
    자화 반전 장치.
  11. 데이터를 기억하는 면방향 자화 매체(in-plane magnetized medium)로서, 상기 매체의 자화가 외부 자계 ex의 둘레를 세차운동하고, 자화 반전이 완료되기 전에 중단되도록 상기 외부 자계 ex를 인가함으로써 상기 매체(3)의 적어도 한 영역에서 상기 매체의 자화를 반전시킬 수 있는 면방향 자화 매체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    1/3과 1 사이의 소자 계수(demagnetization factor)와, 조정된 감쇠 상수 α를 갖는 나노입자(nanoparticles)를 포함하는 면방향 자화 매체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    플렉시블 디스크(flexible disk), 하드 디스크(hard disk) 혹은 테이프(tape)를 포함하는 그룹 중 하나인 면방향 자화 매체.
  14. 자기 기록 시스템에 있어서,
    자화를 갖는 면방향 자화 매체와,
    상기 자화가 외부 자계 ex의 둘레를 세차운동하고, 자화 반전이 완료되기 전에 중단되도록 상기 외부 자계 ex를 인가하는 자기 기록 헤드(5)를 포함하는
    자기 기록 시스템.
  15. 삭제
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