KR20170042629A - 자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치 - Google Patents

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Abstract

스커미온을 생성할 수 있는 자기 소자 및 이 자기 소자를 응용한 스커미온 메모리 등을 제공한다. 카이럴 자성체가 있고 스커미온을 생성하기 위한 자기 소자로서, 카이럴 자성체는 β-Mn 형 결정 구조를 갖는 자성 재료로 이루어지는 자기 소자를 제공한다. 또한, 카이럴 자성체가 있고 스커미온을 생성하기 위한 자기 소자로서, 카이럴 자성체는 Au4Al 형 결정 구조를 갖는 자성 재료로 이루어지는 자기 소자를 제공한다.

Description

자기 소자, 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 데이터 기록 장치, 데이터 처리 장치 및 통신 장치{MAGNETIC ELEMENT, SKYRMION MEMORY, SOLID-STATE ELECTRONIC DEVICE, DATA-STORAGE DEVICE, DATA PROCESSING AND COMMUNICATION DEVICE}
본 발명은 스커미온을 생성, 삭제 가능한 자기 소자, 상기 자기 소자를 이용한 스커미온 메모리, 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치, 스커미온 메모리를 내장한 데이터 기록 장치, 스커미온 메모리를 내장한 데이터 처리 장치 및 스커미온 메모리를 내장한 통신 장치에 관한 것이다.
자성체의 자기 모멘트를 디지털 정보로 이용하는 자기 소자가 알려져있다. 상기 자기 소자는 정보 보관시 전력을 필요로 하지 않는 비휘발성 메모리 요소로서 기능하는 나노 스케일의 자기 구조를 가진다. 상기 자기 소자는 나노 스케일의 자기 구조에 의한 초고밀도성 등의 장점에서 대용량 정보 저장 매체로의 응용이 기대되고 전자 장치의 메모리 장치로 그 중요도가 증가하고 있다.
차세대 자기 메모리 장치의 후보로는 미국 IBM을 중심으로 마그네틱 시프트 레지스터가 제안되어있다. 마그네틱 시프트 레지스터는 자기 도메인 자벽을 구동하고 그 자기 모멘트 배치를 전류로 전송하고 기억 정보를 읽어내는 기술이다(특허 문헌 1 참조).
도 32는 전류에 의한 자기 도메인 자벽 구동의 원리를 나타내는 모식도이다. 서로 자기 모멘트의 방향이 상반되는 자기 영역의 경계가 도메인 자벽이다. 도 32는 마그네틱 시프트 레지스터(1)의 도메인 자벽을 실선으로 나타내고 있다. 마그네틱 시프트 레지스터(1)에 화살표 방향의 전류를 흘림으로써 자기 도메인 자벽이 구동한다. 도메인 자벽이 이동함으로써 자기 센서(2)의 위쪽에 위치하는 자기 모멘트의 방향에 따른 자기가 변화한다. 상기 자기 변화를 자기 센서(2)에서 감지하여 자기 정보를 꺼낸다.
그러나 이러한 마그네틱 시프트 레지스터(1)는 자기 도메인 자벽을 이동시에 큰 전류가 필요하며, 또한 자기 도메인 자벽의 전송 속도가 느리다는 단점을 가지고 있다. 이로 인해 메모리의 쓰기, 지우기 시간이 늦어진다.
그래서 본원 발명자는 자성체 중에 발생하는 스커미온을 기억 단위로 사용한 스커미온 자기 소자를 제안했다(특허 문헌 2 참조). 이 제안에서 본원 발명자들은 스커미온을 전류로 구동할 수 있음을 나타냈다.
[특허 문헌 1] 미국 특허 제 6834005 호 명세서 [특허 문헌 2] 특개 2014-86470 호 공보
[비 특허 문헌 1] 永長 나오토, 十倉 好紀 "Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions", Nature Nanotechnology, 영국, Nature Publishing Group, 2013 년 12 월 4 일, Vol. 8, p899-911.
스커미온은 직경이 1nm에서 500nm로 극히 미소한 자기 구조를 가지며, 그 구조를 장시간 유지할 수 있어 메모리 소자에 응용하는 것에 대한 기대가 높아지고 있다. 그러나 현재 알려진 스커미온을 생성하는 카이럴 자성체로는 B20 형 결정 구조를 갖는 MnSi, Fe1 - xCoxSi, FeGe 및 Mn1 - xGexFe 등이 있다(비 특허 문헌 1). B20 형 결정 구조에서 스커미온을 생성하는 최고 온도는 FeGe의 278K (5 ℃)이며, 상온 20 ℃보다 낮다. 따라서 스커미온을 메모리 소자로서 작용하기 위해서는 상온 부근의 온도에서 스커미온을 생성하는 B20 형 결정 구조와는 다른 카이럴 자성체 결정 구조가 필요하다.
본 발명의 제1 양태에서는 카이럴 자성체를 가지고, 스커미온을 생성하기 위한 자기 소자로서, 카이럴 자성체는 β-Mn 형 결정 구조 또는 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 자성 재료로 이루어지는 자기 소자를 제공한다.
본 발명의 제2 양태에서는 두께 방향으로 복수 적층한 제1 양태에 기재된 자기 소자를 가지는 스커미온 메모리를 제공한다.
본 발명의 제3 양태에 있어서는 제1 양태에 기재된 자기 소자와, 카이럴 자성체에 대향하여 설치하고, 카이럴 자성체에 자기장을 인가하는 자기장 발생부를 구비하는 스커미온 메모리를 제공한다.
본 발명의 제4 양태에서는 기판과, 기판 상에 형성한 반도체 소자, 및 반도체 소자의 상부에 적층된 제1 양태에 기재된 자기 소자와, 카이럴 자성체에 대향하여 설치하고, 카이럴 자성체에 자기장을 인가하는 자기장 발생부를 구비하는 스커미온 메모리를 제공한다.
본 발명의 제5 양태에서는 제2 내지 제4 중 하나의 양태에 기재된 스커미온 메모리와 고체 전자 장치가 동일한 칩 내에 구비되는 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치를 제공한다.
본 발명의 제6 양태에서는 제2 내지 제4 중 하나의 양태에 기재된 스커미온 메모리를 탑재한 데이터 기록 장치를 제공한다.
본 발명의 제7 양태에서는 제2 내지 제4 중 하나의 양태에 기재된 스커미온 메모리를 탑재한 데이터 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 제7 양태에서는 제2 내지 제4 중 하나의 양태에 기재된 스커미온 메모리를 탑재한 통신 장치를 제공한다.
도 1은 자성체 중의 자기 모멘트의 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온의 일례를 나타내는 모식도이다. 자기 모멘트의 강도와 방향을 화살표로 모식적으로 나타낸다.
도 2는 헬리시티(helicity) γ가 다른 스커미온을 나타낸다.
도 3은 β-Mn 형 결정 구조를 나타낸다.
도 4는 Co8Zn8Mn4로 구성된 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 5a는 Co8Zn8Mn4의 자화 2K의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 5b는 Co8Zn8Mn4의 자화 50K의 자장 의존성을 나타낸다.
도 5c는 Co8Zn8Mn4의 자화 100K의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 5d는 Co8Zn8Mn4의 자화 200K의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 5e는 Co8Zn8Mn4의 자화 300K의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 5f는 Co8Zn8Mn4의 자화 350K의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 6은 로렌츠 전자선 현미경의 자기 모멘트의 관찰 방법의 원리를 나타낸다.
도 7은 로렌츠 전자선 현미경에 의한 Co8Zn8Mn4의 관찰상을 나타낸다.
도 8은 로렌츠 전자선 현미경에 의한 Co8Zn8Mn4 나선 피치를 나타낸다.
도 9는 로렌츠 전자선 현미경에 의한 자기장 450Oe의 경우 Co8Zn8Mn4의 관찰상을 나타낸다.
도 10은 로렌츠 전자선 현미경에 의한 Co8Zn8Mn4의 관찰상의 자기 모멘트 분석 결과를 나타낸다.
도 11은 Co8Zn8Mn4의 스커미온의 자기 위상 다이어그램을 나타낸다.
도 12는 Co8Zn10Mn2의 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 13a는 로렌츠 전자선 현미경에 의한 Co8Zn10Mn2의 345K, 인가 자장 강도 0의 경우의 관찰상을 나타낸다.
도 13b는 로렌츠 전자선 현미경에 의한 Co8Zn10Mn2의 345K, 인가 자장 강도 90mT의 경우의 관찰 상을 나타낸다.
도 14는 Co8Zn10Mn2의 스커미온의 자기 위상 다이어그램을 나타낸다.
도 15는 Co8Zn9Mn3의 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 16은 Co8Zn9Mn3의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 17은 Co8Zn9Mn3의 자화 자기장 의존성의 미분 데이터를 나타낸다.
도 18은 Co8Zn9Mn3의 스커미온의 자기 위상 다이어그램을 나타낸다.
도 19는 Co10Zn10의 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 20은 Co10Zn10의 교류대자율(magnetic susceptibility) 실부의 자기장 의존성을 나타낸다.
도 21은 Au4Al 형 결정 구조를 나타낸다.
도 22는 Fe5Ni3Si2과 Cr3Ni5Si2의 혼합결정(mixed crystal)의 자화의 온도 의존성을 나타낸다.
도 23a는 0.7Fe5Ni3Si2 + 0.3Cr3Ni5Si2의 2K에서 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 23b는 0.7 Fe5Ni3Si2 + 0.3 Cr3Ni5Si2의 50K의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 23c는 0.7 Fe5Ni3Si2 + 0.3 Cr3Ni5Si2의 100K의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 23d는 0.7 Fe5Ni3Si2 + 0.3 Cr3Ni5Si2의 200K의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 23e는 0.7 Fe5Ni3Si2 + 0.3 Cr3Ni5Si2의 300K의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 23f는 0.7 Fe5Ni3Si2 + 0.3 Cr3Ni5Si2의 350K의 자화 자기장 의존성을 나타낸다.
도 24는 스커미온 메모리(100)의 구성 예를 나타낸다.
도 25는 스커미온 메모리(100)의 구성 예를 나타낸다.
도 26은 스커미온 메모리 장치(110)의 구성 예를 나타낸다.
도 27은 스커미온 메모리 장치(110)의 구성 예를 나타낸다.
도 28은 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치(200)의 구성 예를 나타낸 모식도이다.
도 29는 데이터 처리 장치(300)의 구성 예를 나타낸 모식도이다.
도 30은 데이터 기록 장치(400)의 구성 예를 나타낸 모식도이다.
도 31은 통신 장치(500)의 구성 예를 나타낸 모식도이다.
도 32는 전류에 의한 자기 도메인 구동 원리를 나타내는 도면이다.
이하, 발명의 실시 예를 통해 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시 예는 청구 범위에 관한 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 실시 형태에서 설명되고 있는 특징의 조합 모두가 발명의 해결 수단에 필수적이라고는 할 수 없다.
스커미온을 생성할 수 있는 자성체의 일례로 카이럴 자성체가 있다. 카이럴 자성체는 외부 자기장의 인가가 없는 경우 자기 모멘트 배치가 자기 모멘트의 방향에 대해 나선형으로 회전하는 자기 질서상을 따르는 자성체이다. 외부 자기장을 인가함으로써, 카이럴 자성체는 스커미온이 존재하는 상태를 거쳐 강자성상이 된다.
도 1은 자성체(10)의 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온(40)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 1에서 각 화살표는 스커미온(40)의 자기 모멘트의 방향을 나타낸다. x 축과 y 축이 서로 직교하는 축이며, z 축이 xy 평면에 직교하는 축이다.
자성체(10)는 x-y 평면에 평행한 평면을 갖는다. 자성체(10)의 상기 평면상에 있는 모든 방향을 향하는 자기 모멘트는 스커미온(40)을 구성한다. 본 예에서는 자성체(10)에 인가하는 자기장의 방향은 플러스 z 방향이다. 이 경우 본 예의 스커 미온(40)의 최외주의 자기 모멘트는 플러스 z 방향으로 향한다.
스커 미온(40)에서 자기 모멘트는 최외각에서부터 내측을 향해 나선형으로 회전한다. 또한, 자기 모멘트의 방향은 상기 나선형 모양의 회전에 따라 서서히 플러스 z 방향에서 마이너스 z 방향으로 방향을 바꾼다.
스커미온(40)은 중심에서부터 최외주 사이에서 자기 모멘트의 방향이 연속적으로 뒤틀린다. 즉, 스커미온(40)은 자기 모멘트의 소용돌이 구조를 가지는 나노 스케일 자기 구조체이다. 스커미온(40)이 존재하는 자성체(10)가 얇은 판형 고체 물질의 경우 스커미온(40)을 구성하는 자기 모멘트는 그 두께 방향과 같은 방향이다. 즉 판의 깊이 방향(z 방향)에서는 표면에서 뒷면까지 같은 방향의 자기 모멘트로 구성된다. 스커미온(40)의 직경은 스커미온(40)의 최외주의 직경을 말한다. 본 예에서 최외주은 도 1에 나타낸 외부 자기장과 같은 방향을 향한 자기 모멘트의 원주를 가리킨다.
스커미온 수 Nsk는, 소용돌이 구조를 가지는 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온(40)을 특징짓는다. 스커미온 수는 이하의 [수학식 1] 및 [수학식 2] 로 표현할 수 있다. [수학식 2] 에서 자기 모멘트와 z 축과의 극 각도 θ(r)는 스커미온(40)의 중심으로부터의 거리 r의 연속 함수이다. 극 각도 θ(r)는 r을 0에서 ∞까지 변화시켰을 때, π에서 0까지 또는 0부터 π까지 변화한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
[수학식 1] 에서, n (r)은 위치 r에서 스커미온(40)의 자기 모멘트의 방향을 나타내는 단위 벡터이다. [수학식 2] 에서, m은 전압(voltage)이고, γ는 헬리시티(helicity)이다. [수학식 1] 및 [수학식 2]에서 θ(r)는 r을 에서 ∞까지 변화시키고, π에서 0까지 변화할 때 Nsk = -m이 된다.
도 2는 헬리시티(helicity) γ가 다른 스커미온(40)을 나타내는 모식도이다(비 특허 문헌 1). 특히 스커미온 수 Nsk = -1의 경우의 예를 도 2에 나타낸다. 도 2 (e)는 자기 모멘트 n의 좌표 취하는 방법(오른손 계)을 나타낸다. 또한, 오른손 계이기 때문에, nx 축 및 ny 축에 대해서 nz 축은 지면 뒤에서 앞쪽 방향을 취한다. 도 2 (a)에서 도 2 (e)에서 색조(濃淡)는 자기 모멘트의 방향을 나타낸다.
도 2 (e)의 원주상의 색조로 나타내는 자기 모멘트는 nx-ny 평면상의 방향을 가진다. 이에 대해, 도 2 (e)에서의 원형 중심의 가장 엷은 색조(흰색)로 나타내는 자기 모멘트는 지면 뒤에서 앞쪽의 방향을 가진다. 원주에서 중심까지 사이의 각 위치의 색조로 나타내는 자기 모멘트의 nz 축에 대한 각도는, 중심으로부터의 거리에 따라 π에서 0을 취한다. 도 2 (a)내지 도 2 (d)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2 (e)에서 동일한 색조로 나타낸다. 또한, 도 2 (a) 내지 도 2 (d)의 스커미온(40)의 중심처럼 가장 어두운 색조(검정)로 나타내는 자기 모멘트는, 지면 앞에서 지면 뒷면의 방향을 가진다. 도 2 (a) 내지 도 2 (d)에서 각 화살표는 자기 구조체의 중심으로부터 소정의 거리에서의 자기 모멘트를 나타낸다. 도 2 (a)에서 도 2 (d)에 나타내는 자기 구조체는 스커미온(40)으로 정의할 수 있는 상태에 있다.
도 2 (a) (γ = 0)에서 스커미온(40)의 중심으로부터 소정의 거리의 색조는 도 2 (e)의 원주상의 색조와 일치하고 있다. 따라서, 도 2 (a)에서 화살표로 나타낸 자기 모멘트의 방향은 중심에서 바깥쪽으로 방사상으로 향하고 있다. 도 2 (a) (γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대해, 도 2 (b) ( γ= π)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2 (a)의 각 자기 모멘트를 180 °회전한 방향이다. 도 2 (a) (γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대해, 도 2 (c) (γ = -π / 2)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2 (a)의 각 자기 모멘트를 - 90도(시계 방향으로 90도) 회전한 방향이다.
도 2 (a) (γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대해, 도 2 (d) (γ = π / 2)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2 (a)의 각 자기 모멘트를 90도(시계 반대 방향으로 90도) 회전한 방향이다. 또한, 도 2 (d)에 나타내는 헬리시티(helicity) γ = π / 2의 스커미온이 도 1의 스커미온(40)에 상당한다.
도 2 (a) 내지 (d)에 도시한 네 가지 예의 자기 구조는 다른 것처럼 보이지만 토폴로지적으로 동일한 자기 구조이다. 도 2 (a) 내지 (d)의 구조를 가지는 스커미온은 한 번 생성되면 안정되어 있으며, 외부 자기장을 인가한 자성체(10) 중에서 정보 전달을 담당하는 캐리어로 일한다.
그러나 현재 알려져 있는 스커미온(40)을 생성하는 카이럴 자성체 합금은 B20 형 결정 구조에 한정되어 있었다(비 특허 문헌 1). B20 형 결정 구조에서 스커미온(40)을 생성하는 온도가 가장 높은 자성체는 FeGe에서 278K (3 ℃)이다. 상온 20 ℃ 부근의 온도에서 스커미온(40)을 생성할 수 있는 카이럴 자성체 결정 구조로서 β-Mn 형 결정 구조 및 Au4Al 형 결정 구조가 있다.
β-Mn 형 결정 구조는, 공간군 P4132 형 또는 P4332 형에 속하며, 공간군 P213 결정 구조를 가진 B20 형 결정 구조와는 다르다. Au4Al 형 결정 구조는 공간군 P213에 속하지만 같은 공간군 P213 결정 구조를 가지는 B20 형 결정 구조와는 다르다. 이하에서, β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료, 그리고 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 재료는 0℃ 이상의 스커미온 결정상을 가지는 것을 실시예에 나타낸다.
(실시예 1)
카이럴 자성체인 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는 0℃ 이상에서 스커미온 결정상을 가진다. β-Mn 형 결정 구조인 화합물로서 CoxZnyMnz 로 이루어지고, x + y + z = 20 및 0 ≤ x, y, z ≤ 20을 충족하는 재료가 있다. 보다 구체적인 예로서 Co8Zn8Mn4이 있다. Co8Zn8Mn4는 300K (27 ℃)에서 스커미온 결정을 가진다.
도 3은 β-Mn 형 결정 구조를 나타낸다. β-Mn 형 결정 구조는 카이럴(나선형) 구조를 갖는 공간군 P4132 형 또는 P4332 형 결정 구조이다. 공간군 P4132 형 결정 구조와 P4332 형 결정 구조는 나선형 구조가 거울 대칭 관계에 있다. 나선형 구조의 β-Mn 형 결정 구조는 단위셀에 20 개의 원자를 가지는 입방정 구조이다. 20 개의 원소는 공간 배치가 등가인 8 개의 c 사이트와, 공간 배치가 등가인 12 개의 d 사이트로 구성된다. c 사이트는 3 회(three-fold) 회전축 상에 위치하고, d 사이트는 2 회(two-fold) 회전축 상에 위치한다. 도 3은 1 개의 c 사이트의 111 방향에서 본 β-Mn 형 결정 구조를 나타내고 있지만, 20 개의 원소 각각이 111 축에 대해 120도 회전하여도 원래의 결정 위치와 겹치는 3 회 대칭성을 가진다. c 사이트는 모두 3 회 회전축 상에 위치한다.
도 4는 β-Mn 형 결정 구조의 Co8Zn8Mn4의 자화의 온도 의존성을 나타낸다. 가로축은 Co8Zn8Mn4의 온도 (K)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 본 예의 인가 자기장 H는 1kOe (에르)이다. Co8Zn8Mn4는 나선형 자기 전이 온도가 310K (37 ℃) 부근의 나선형 자성체이다. 나선형 자기 전이 온도는 스커미온(40)을 생성하는 온도를 결정하는 데 중요하다. 나선형 자기 전이 온도는 나선형 자성상에서 전이하는 온도이며 스커미온(40)이 생성될 수 있는 최고 온도를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5f는 Co8Zn8Mn4의 자화의 자기장 의존성을 나타낸다. 가로축은 -3kOe에서 3kOe의 Co8Zn8Mn4에 주어지는 인가 자기장 H (kOe)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 도 5a 내지 도 5f는 Co8Zn8Mn4의 온도를 각각 2K, 50K, 100K, 200K, 300K와 350K로 한 경우에 해당한다. 2K의 경우 자화의 자기장 의존성은 히스테리시스(hysteresis) 특성을 가진다. 50K 이상의 온도가 주어진 경우 자기 모멘트는 인가 자기장 H에 따라 1kOe 부근까지 선형성을 가지는 유연한 자화 특성을 나타낸다. 이 유연한 자화 특성은 스커미온(40)을 생성하기 위한 필요 조건이다. 여기서 유연한 자화 특성은 보자력이 작은 자성체를 가리킨다. 보자력은 자화를 반전시키기 위해 필요한 자기장의 크기이다.
도 6은 로렌츠 전자선 현미경의 자기 모멘트의 관찰 방법의 원리를 설명하기위한 도면이다. 로렌츠 전자선 현미경은 로렌츠 힘을 이용하여 자기 모멘트를 관찰하는 투과 전자선 현미경이다. 로렌츠 힘에 의해 시료(11)에 생기는 자계가 입사한 전자선을 편향한다. 편향된 전자선에 의한 전자상을 후술하는 분석 기법을 이용하여 자기 모멘트의 강도와 방향을 직접 관찰할 수 있다. 로렌츠 전자선 현미경은 나노 스케일의 자기 모멘트를 직접 관찰할 수 있는 몇 안되는 장비이다.
시료(11)는, 두께가 100nm 이하인 조각의 자성체이다. 시료(11)의 두께를 100nm 이하로 함으로써 시료(11)의 위쪽에서 가속하고 입사하는 전자선이 시료(11)를 투과할 수 있다.
로렌츠 전자선 현미경은 시료(11)의 위쪽에서 전자선을 평행하게 입사한다. 시료(11)의 자기 도메인의 자화 방향은 화살표 방향으로 시료(11)의 면 방향으로 향한다. 이에 따라 자기 도메인의 자계에 의해 로렌츠 힘이 생겨 전자선의 궤도를 구부린다. 자기 도메인의 방향에 따라 전자선 방향은 다르기 때문에, 초점면에 도달하는 전자 밀도 분포가 발생한다. 전자 밀도 분포는 밀도가 높은 검은 색 부분과 밀도가 낮은 흰색 부분이 각각 도메인 경계를 나타낸다. 도메인 경계에서는 흑백의 반전이 번갈아 발생하며, 흑백 반전의 각각의 간극이 도메인을 나타낸다. 이에 따라 자기 도메인을 관찰할 수 있다. 이와 같이 로렌츠 전자선 현미경은 자기 모멘트가 2 차원 평면에 투영된 이미지를 직접 관찰할 수 있다. 자기 모멘트가 나선형 구조의 경우, 흑백의 반전을 연속적으로 관찰할 수 있다. 한편, 통상의 투과 전자선 현미경은, 입사 전자선은 시료면에 초점을 가지는 집광빔을 사용한다. 이 집광점을 시료 평면의 이차원 표면을 스위프(sweeping)하여 2차원 면의 원자 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 자기 모멘트에 의한 전자 산란은 간섭 효과를 받지 않기 때문에, 자기 모멘트를 관찰할 수 없다. 다음으로, 실제로 로렌츠 전자선 현미경으로 관찰한 카이럴 자성체를 나타낸다.
도 7은 온도 95K, 인가 자장 H가 B = 0에서의 Co8Zn8Mn4의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 나타낸다. 본 예의 시료(11)의 두께는 50nm이다. 1-10 방향으로 001 방향을 따라 줄무늬의 명암을 관찰할 수 있다. 이 줄무늬는 자기 모멘트가 나선형 회전하고 있는 것을 나타낸다. 백색 영역에서 백색 영역까지 실측거리가 나선형 피치를 나타낸다. 영역 A는 1-10 방향에 따른 임의의 영역이다.
도 8은 도 7의 영역 A의 1-10 방향에 따른 강도의 측정 결과를 나타낸다. 가로축은 영역 A 내의 1-10 방향에 따른 위치를 나타내고, 세로축은 관측된 신호의 강도를 나타낸다. 영역 A에서 연속적으로 강도가 분포하고 피크 등간격이 된다. 피크 간 거리는 나선형 피치에 해당한다. 본 예의 피크 간 거리는 100nm이기 때문에, 나선형 피치는 100nm이다.
도 9는 온도 293K (20 ℃), 인가 자기장 H가 B = 45mT (450Oe)에서, Co8Zn8Mn4의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 나타낸다. 본 예의 로렌츠 전자선 현미경 이미지는 스커미온(40)를 생성한 상태를 나타내고, 검은 색 점이 발생하고 있다. 도 7에 나타낸 인가 자기장 H가 B = 0mT (0Oe)의 경우에는 이러한 점 모양의 상은 관찰할 수 없다. 검은색 점은 최밀 구조를 취하도록 6 회 회전 대칭을 가진 육방 최밀 결정 구조를 나타낸다. 본 예의 로렌츠 전자선 현미경 이미지에서 계산된 스커미온 결정 격자 상수는, 자기장 0의 나선형 자성상의 나선형 피치 100nm에서 구할 수 있는 수치 120nm와 일치한다. 이상에서 본 예의 검은색 점은 스커미온(40)으로 이루어진 결정 격자임을 알 수 있다. 스커미온(40)의 직경은 120nm이다.
도 10은 도 9의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 강도 수송방정식법을 이용하여 분석한 영역 B (도 9)의 자화 분포를 나타낸다. 시료(11) 위에 자기 모멘트를 나타내는 화살표가 시계 방향으로 회전한다. 화살표의 길이는 자기 모멘트의 크기의 지면에 대한 사영 성분에 대응하고 있다. 외주부에서 중심부로 됨에 따라 화살표의 길이가 짧아지고, 중심부는 지면에 수직인 표면에서 뒷면을 향하고 있는 것을 보여주고 있다. 본 예의 시료(11)는 도 2의 스커미온 (c) 상태의 자기 모멘트를 발생시키고 있다. 본 예의 스커미온(40)의 소용돌이 구조는 동일한 방향이다. 자화 분포는 강도 수송방정식에 의한 로렌츠 전자선 현미경 이미지 분석에 의해 산출한다. 이에 따라 스커미온(40)의 자기 모멘트의 구조의 세부 정보가 밝혀진다. 즉, 로렌츠 전자선 현미경 이미지는 시료(11)에서 스커미온(40)이 생성하는 것을 보장한다.
스커미온(40)의 자기 모멘트는, 강도 수송방정식법을 이용하여 산출할 수 있다. 본 예에서는 강도 수송방정식에 의해 영역 B의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 분석하고 자기 모멘트의 자화 분포를 산출한다. 자기 모멘트의 자화 분포는 다음과 같은 원리로 산출할 수 있다. 자성체 중의 자화 분포는 아하라노브-봄 효과(Aharonov-Bohm effect)를 통해 전자의 위상을 변화시킨다. 이 위상 변화에서 자화 분포를 산출할 수 있다. 두 경로의 위상차는,
Figure pct00004
이다. 근축근사(paraxial approximation)에 의한 슈뢰딩거 방정식으로 계산한 강도 수송방정식은 다음과 같다.　
Figure pct00005
여기서, z 축 방향을 전자선 입사 방향으로 한다.
　
Figure pct00006
은 z 축에 수직인 면에서의 연산자이다.
이 관계에서 z 축 방향의 전자선 강도 I의 변화율,
Figure pct00007
에서 위상 Φ 를 산출할 수 있다. 위상 φ와 전자선 강도 I의 관계식 (강도 수송방정식)에 따라 전자선 강도 측정에 의해 자화 분포를 얻는다.
도 11은 Co8Zn8Mn4의 로렌츠 전자선 현미경 이미지에서 결정한 스커미온 위상 다이어그램을 나타낸다. 시료(11)의 두께는 50nm이다. 시료(11)의 두께는 스커미온(40)의 생성에 중요하다. 시료(11)가 얇을수록 스커미온 결정상을 나타내는 SkX 영역이 넓어지는 것은 FeGe의 예에서 상세하게 관찰되고 있다(비 특허 문헌 1). 스커미온 결정상 (SkX)은 260K에서 300K의 범위에서 인가 자기장 H는 30mT에서 130mT의 영역에 존재한다.
(실시예 2)
다음은 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 자성체이며, CoxZnyMnz, x + y + z = 20,0 ≤ x, y, z ≤ 20 인 Co8Zn10Mn2에 대한 실시예를 설명한다.
도 12는 Co8Zn10Mn2의 자화의 온도 의존성을 나타낸다. 가로축은 Co8Zn10Mn2 온도 (K)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 본 예의 인가 자기장 H는 1kOe이다. Co8Zn10Mn2의 자화는 350K (77 ℃) 부근에서 급격히 감소한다. Co8Zn10Mn2 는 나선형 자기 전이 온도가 350K (77 ℃) 부근의 나선형 자성체이다. 또한, 자화의 자기장 의존성은 도 5a 내지 도 5f에 매우 비슷하다. 50K 이상의 자기 모멘트는 인가 자기장 H에 대해서 1kOe 부근까지 선형성을 가지는 유연한 자화 특성을 나타낸다. 이 유연한 자화 특성은 스커미온(40)을 생성하기위한 요구 사항을 충족한다.
도 13a 및 도 13b는 Co8Zn10Mn2의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 나타낸다. 도 13a는 온도 345K, 인가 자기장 H가 B = 0mT에서 Co8Zn10Mn2의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 나타낸다. 인가 자기장 H가 B = 0mT의 로렌츠 전자선 현미경 이미지에서 스커미온 결정 격자는 생성되지 않는다.
도 13b는 온도 345K, 인가 자기장 H가 B = 90mT (900Oe)의 Co8Zn10Mn2의 로렌츠 전자선 현미경 이미지를 나타낸다. 본 예의 로렌츠 전자선 현미경 이미지에서 스커미온 결정 격자를 생성되고 있는 것을 알 수 있다. 점모양의 패턴이 스커미온(40)이다.
도 14는 Co8Zn10Mn2의 로렌츠 전자선 현미경 관찰에서 결정한 스커미온 위상 다이어그램을 나타낸다. 본 예에서는 시료(11)는 두께 50nm의 얇은 층이며, 시료(11)의 112면을 관찰했다. 스커미온 결정상(SkX)은 온도가 320K에서 350K의 범위 내에서 인가 자기장 H가 30mT에서 200mT의 영역에 존재한다. 도 11에 나타낸 Co8Zn10Mn4의 경우와 비교하여 스커미온 결정상(SkX)의 영역이 넓다. 또한,Co8Zn10Mn4의 경우와 비교하여 Co8Zn10Mn2의 경우 스커미온 결정상(SkX)의 영역이 고온 측에 확산되고 있다.
(실시예 3)
다음은 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 자성체이며, CoxZnyMnz, x + y + z = 20,0 ≤ x, y, z ≤ 20 인 Co8Zn9Mn3에 대한 실시예를 설명한다. Co8Zn9Mn3는 대량 다결정체이다.
도 15는 Co8Zn9Mn3의 자화의 온도 의존성을 나타낸다. 가로축은 Co8Zn9Mn3 의 온도 (K)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 본 예의 인가 자기장 H는 1kOe이다. Co8Zn9Mn3는 나선형 자기 전이 온도가 325K (52 ℃)의 나선형 자성체이다. 또한, 자화(μB / f.u.) 의 자기장 의존성은 도 5a내지 도 5f예와 유사하다. 50K 이상의 자기 모멘트는 인가 자기장 H에 대해서 1kOe 부근까지 선형성을 가지는 유연한 자화 특성을 나타낸다. 이 유연한 자화 특성은 스커미온(40)을 생성할 수 있기위한 필요조건을 충족한다.
도 16은 Co8Zn9Mn3의 자화의 자기장 의존성을 나타낸다. 본 예에서는 300K 부근 (306K ~ 325K)의 자화의 자기장 의존성을 나타낸다. 가로축은 인가 자기장 H (kOe)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 각 곡선은 306K ~ 325K의 온도 범위에서 1K 씩 온도를 변화시킨 경우의 자화의 자기장 의존성에 대응한다. Co8Zn9Mn3는 인가 자기장 H의 증가에 따라 자화가 커지는 경향이 있다. 또한, Co8Zn9Mn3는 300K 부근에서 온도가 낮을수록 자화 강도는 크다. Co8Zn9Mn3는 1kOe 부근까지 자기장에 대해서 자화는 선형성을 가지며, 유연한 자화 특성을 나타낸다.
도 17은 Co8Zn9Mn3의 자화의 자기장 의존성을 미분한 곡선을 나타낸다. 가로축은 인가 자기장 H (kOe)를 나타내고, 세로축은 자화 M을 인가 자기장 H로 미분 한 값 dM / dH (a.u.)를 나타낸다. 4 개의 온도 영역은 서로 다른 미분 곡선의 경향을 가진다. 예를 들어, 311K에서 319K의 범위에서 인가 자기장 H가 0.05kOe에서 0.13kOe 영역에서 미분 값 dM / dH에서 딥(dip) 구조를 가진다. 미분 값 dM / dH의 딥 구조는 스커미온(40)의 생성에 기인한 Co8Zn9Mn3의 자화 분포에 변화가 있었다는 것을 보여준다.
도 18은 Co8Zn9Mn3의 스커미온 결정상(SkX)의 위상 다이어그램을 나타낸다. 본 예의 스커미온 결정상(SkX)의 상도(phase diagram)는 도 17에 나타낸 자화의 미분 데이터로부터 계산한다. 311K에서 319K의 범위에서 외부 자기장 0.05kOe에서 0.13kOe 영역에 스커미온 결정상(SkX)이 발생한다. 본 예에서 사용된 시료(11)는 대량 결정체이며 조각이 아니다. 3 차원 결정형상을 이용하기 때문에 조각을 이용하는 경우보다 스커미온(40)을 생성하기 어렵고 스커미온 결정상(SkX)의 영역이 좁다.
(실시예 4)
다음은 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 자성체이며, CoxZnyMnz, x + y + z = 20,0 ≤ x, y, z ≤ 20의 실시예를 설명한다. 본 예에서는 x = y = 10, z = 0 인 Co10Zn10에 대해 설명한다. Co10Zn10 는 대량 다결정체이다.
도 19는 Co10Zn10의 자화의 온도 의존성을 나타낸다. 가로축은 Co10Zn10 의 온도 (K)를 나타내고, 세로축은 자화 (μB / f.u.)를 나타낸다. 본 예의 인가 자기장 H는 20Oe이다. Co10Zn10는 나선형 자기 전이 온도가 460K (187 ℃)의 나선형 자성체이다. 또한, 자화 (μB / f.u.)의 자기장 의존성은 도 5a 내지 도 5f 예와 유사하다. 50K 이상의 자기 모멘트는 인가 자기장 H에 대해서 1kOe 부근까지 선형성을 가지는 유연한 자화 특성을 나타낸다. 이 유연한 자화 특성은 스커미온(40)을 생성하기위한 요구 사항을 충족한다.
도 20은 Co10Zn10의 교류대자율(magnetic susceptibility) 실부 [emu / mol]의 온도 의존성을 나타낸다. 도 17에서 나타낸 자기 모멘트의 미분 양에 해당하는 양이다. 본 예에서는 446K ~ 467K에서의 교류대자율 실부의 자기장 의존성을 나타낸다. 451K에서 455K의 온도 범위에서 0 ~ 0.1KOe의 인가 자기장의 범위에서 움푹패인 곡선을 나타낸다. 이 영역에 스커미온(40)이 존재한다. 이것은 도 17에서 자기 모멘트의 미분 곡선에서 움푹패인 곡선 부분이 스커미온(40)이 존재하는 영역을 나타내는 것과 같다.
이상의 실시예 1 ~ 4에 나타낸 바와 같이 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는 스커미온 결정상이 있다. 게다가 0 ℃ 이상의 나선형 자기 전이 온도를 가지는 재료군이 존재하고 있다. 그 일례로 CoxZnyMnz, x + y + z = 20, 0 ≤ x, y, z ≤ 20의 조건을 충족하여 0 ℃ 이상에서 스커미온 결정상이 존재하고 있다. β-Mn 형 결정 구조의 재료는 공지의 B20 형 결정 구조와는 다른 공간 군 P4132에 속하므로 스커미온(40)을 생성할 수 있는 재료의 선택 범위를 크게 넓힌다.
β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는 단체 Mn20 이외에 다음과 같은 복수의 원소를 포함하는 화합물이다. 예를 들어, β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는 복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 AxByCz으로 이루어지고, x + y + z = 20 및 0 ≤ x, y, z ≤ 20 을 충족하는 화합물이다. 보다 구체적으로는 Cu20 - xSix, Co20 - xMnx, Fe20-xMnx, CoxMnyTiz (x + y + z = 20), Co20 - xZnx, CoxZnyMnz (x + y + z = 20) AlxFeyMnz (x + y + z = 20) Ge20 - xMnx, Mn20 - xNix , Ga20 - xMnx, Al20 - xMnx, Fe20 - xRex, FexReyMnz (x + y + z = 20), Mn20 - xSnx, FewGexNyVz (w + x + y + z = 20) Ga20 - xVx, Au20 - xSix, BxReyWz (x + y + z = 20) Mg20 - xRux, Au20 - xNbx, AuxNbyZnz (x + y + z = 20) AgxCuyYz (x + y + z = 20) AgxPyPdz (x + y + z = 20) AgxPyPtz (x + y + z = 20) AgxPdySz (x + y + z = 20)은 β-Mn 형 결정 구조를 가진다. 그러나 0 ≤ x, y, z ≤ 20이다.
또한, 이러한 화합물 사이의 혼합결정(混晶)도 βMn 형 결정 구조를 가진다. 예를 들어, β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는 복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 Ax1By1Cz1 이루어지며, x1 + y1 + z1 = 20 및 0 ≤ x1, y1, z1 ≤ 20을 충족하는 재료 M과 복수의 원소 A ', B', C '를 이용한 화학식 A'x2B'y2C'z2 으로 이루어지며, x2 + y2 + z2 = 20 및 0 ≤ x2, y2, z2 ≤ 20을 충족하는 재료 N의 혼합결정 M1- dNd (0≤ d ≤ 1) 혼합결정이다. 본 실시 형태에 이용하는 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 재료는, 이들의 사이에서 자성 원소를 포함하는 자성체를 선택하면 된다. 또한, 나선형 자기 전이 온도가 상온 20 ℃ 이상인 재료를 선택하면 0 ℃ 이상의 온도에서 스커미온 결정상이 존재한다.
(실시예 5)
도 21은 Au4Al 형 결정 구조를 나타낸다. Au4Al 형 결정 구조는 카이럴 구조를 가지는 공간군 P213 형 결정 구조이다. 스커미온 결정상을 가지는 FeGe 등의 B20 결정 구조는 공간군 P213 형 결정 구조이다. 나선형 구조 Au4Al 형 구조를 가지는 재료는 단위셀에 20 개의 원자로 이루어진 입방정 구조를 가진다. 20개 원소의 공간 배치는 4개가 등가인 a 사이트, 4개가 등가인 a' 사이트와 12개의 등가인 b 사이트로 구성된다. a 사이트 및 a' 사이트는 3 회 회전축에 위치한다. b 사이트는 회전축에 없다. 그림 21은 1 개의 a' 사이트의 111 방향에서 본 Au4Al 형 결정 구조를 나타낸다. 20개의 원소 각각은 111 축에 대해 120도 회전하여도 원래의 결정 위치와 겹치는 3회 대칭성을 가진다. a 사이트 및 a' 사이트는 3회 회전축 상에 위치한다. 다음으로 Au4Al 형 결정 구조인 Fe5Ni3Si2과 Cr3Ni5Si2의 혼합결정의 실시 예를 나타낸다.
도 22는 (1-x) Fe5Ni3Si2 + xCr3Ni5Si2 혼합결정에서 0 ≤ x ≤ 0.4에서의 자화의 온도 의존성을 나타낸다. (1-x) Fe5Ni3Si2 + xCr3Ni5Si2 (0 ≤ x ≤ 0.4)는 200K 부근에서 650K 부근까지 넓은 전이 온도 영역을 가지는 유연한 자성체이다. 이 동작은 나선형 자성에 기인하고 있다. 특히 자기 전이 온도가 상온 20 ℃ 이상이 되면 0 ≤ x ≤ 0.3이 중요하다.
도 23a 내지 도 23f는(1-x) Fe5Ni3Si2 + xCr3Ni5Si2 혼합결정의 x = 0.3의 자화의 자기장 의존성을 나타낸다. 도 23a 내지 도 23f는 온도를 각각 2K, 50K, 100K, 200K, 300K와 350K로 한 경우에 해당한다. 실시예 1 ~ 4에서 나타낸 CoxZnyMnz와 마찬가지로 이 예제(1-x) Fe5Ni3Si2 + xCr3Ni5Si2 혼합결정은 1kOe까지의 자기장 강도에 대해 선형성을 보여 유연한 자기 특성을 나타낸다. 또한, 이 결정 구조는 나선형 결정 구조를 나타내는 공간군 P213 형 결정 구조에 속하는 것으로 스커미온 결정상을 가진다. 또한, 자기 전이 온도는 상온 20 ℃ 이상이기 때문에 상온 20 ℃ 이상에서 스커미온 결정상을 가진다.
이상과 같이, Au4Al형 결정 구조를 갖는 재료는 0 ℃ 이상에서 스커미온 결정상을 가진다. 예를 들어, Au4Al형 결정 구조를 가지는 재료는 여러 원소 A, B, C를 이용한 화학식 AxByCz 이루어지고, x + y = a, z = b이고 a와 b의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 재료로 형성한다. 보다 구체적으로는Au4Al 형 결정은 Au4Al, Cu4Al, Fe4-xNixP, Cr4 - xNixSi, Fe4 - xNixSi, Ir4 - xMnxSi, Ge4 - xMnxGe, Cu4 - xSnxAu, V4- xGaxAu, Ta4-xGaxAu, Nb4 - xGaxAu , Ag4 - xSixAl, MnxNiySiz (x + y + z = 20)가 있다. 또한, 이들 사이의 혼합결정도 Au4Al 형 구조를 가진다.
예를 들어, Au4Al 형 결정 구조를 가지는 재료는 복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 Ax1By1Cz1으로 이루어지며, x1 + y1 = a1, z1 = b1로 a1과 b1의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 재료 M과, 복수의 원소 A ', B', C '를 이용한 화학식 A'x2B'y2C'z2 으로 이루어지며, x2 + y2 = a2, z2 = b2로 a2와 b2의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 재료 N의 혼합결정 M1- dNd (0 ≤ d ≤ 1)이다. 본 실시 형태에 사용된 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 재료는 이들의 사이에서 자성 원소를 포함하는 자성체에서 선택하면 된다. 또한, 상온 20 ℃ 이상의 자기 전이 온도를 가지는 재료를 선택하면, 상온 20 ℃ 이상의 온도에서 스커미온 결정상이 존재할 수 있다.
종래 카이럴 자성체 합금으로 스커미온 결정 격자의 존재를 확인하는 것은 FeGe과 MnSi 등의 B20 형 결정 구조에 머물고 있었다. 본 명세서에서는 카이럴 자성체의 β-Mn 형 결정 구조와 Au4Al 형 결정 구조에서도 스커미온 결정 격자가 존재하는 것을 확인했다. 또한, 이러한 스커미온 결정 격자는 0 ℃ 이상으로 존재하는 것을 밝혔다. 이로부터 스커미온 메모리의 실용화를 크게 열었다. 스커미온 메모리는 고속으로 데이터 저장이 가능한 비휘발성 메모리이다. 이것은 지금까지 없었던 큰 특징이며, 기존의 메모리와 차별화된다.
도 24는 스커미온 메모리(100)의 구성 예를 나타낸다. 스커미온 메모리(100)는 스커미온(40)을 이용하여 비트 정보를 저장한다. 예를 들어, 자성체(10)의 스커미온(40)의 유무가 1 비트의 정보에 대응한다. 본 예의 스커미온 메모리(100)는 자기 소자(30), 자기장 발생부(20), 측정부(50) 및 코일 전류 전원(60)을 구비한다.
자기 소자(30)는 스커미온(40)의 생성 및 삭제가 가능하다. 본 예의 자기 소자(30)는 두께를 500nm 이하의 얇은 층상으로 형성한 소자이다. 예를 들어, MBE (Molecular Beam Epitaxy) 또는 스퍼터링 등의 기술을 이용하여 형성한다. 자기 소자(30)는 이차원 적층막(11), 전류 경로(12) 및 스커미온 검출 소자(15)를 가진다.
자성체(10)는 인가하는 자기장에 따라 적어도 스커미온 결정상 및 나선형 자성상을 발현한다. 스커미온 결정상은 자성체(10)에서 스커미온(40)이 발생할 수 있는 재료를 말한다. 예를 들어, 자성체(10)는 실시예 1 ~ 4의 재료에 의해 형성한다.
자성체(10)는 비자성체에 의해 둘러싸인 구조를 가진다. 비자성체로 둘러싸인 구조는 자성체(10)의 전방위가 비자성체로 둘러싸인 구조를 가리킨다. 자성체(10)는 얇은 층상에 형성될 수 있다. 자성체(10)는, 예를 들어, 스커미온(40) 직경의 10 배 이하 정도의 두께를 가질 수 있다. 또한, 자성체(10)는 적어도 일부가 2 차원 재료로 형성된다. 2 차원 재료는 자성체(10)의 두께가 100nm 이하이고, 자성체(10)의 표면에 대해서 자성체(10)의 두께가 충분히 얇은 소재의 것을 말한다.
전류 경로(12)는 스커미온 제어부의 일례이며, 스커미온(40)의 생성 및 삭제를 제어한다. 전류 경로(12)는 자성체(10)의 일면에서 자성체(10)의 단부를 포함하는 영역을 둘러싼다. 전류 경로(12)는 절연성 소재 등을 이용하여 자성체(10)와 전기적으로 분리될 수도 있다. 본 예의 전류 경로(12)는 U 자 형상으로 형성한 코일 전류 회로이다. U 자형은 모서리가 둥근 모양뿐만 아니라, 도 3과 같은 직각을 포함한 형상일 수도 있다. 전류 경로(12)는 xy 평면에서 닫힌 영역을 형성하지 않을 수도 있다. 전류 경로(12) 및 단부의 조합에 의해 자성체(10)의 표면에서 닫힌 영역을 형성하면 된다. 전류 경로(12)는 코일 전류용 전원 (60)에 연결하여 코일 전류를 흘린다. 코일 전류를 전류 경로(12)에 흘림으로써 자성체(10)에 자기장을 발생시킨다. 전류 경로(12)를, Cu, W, Ti, Al, Pt, Au, TiN, AlSi 등의 비자성 금속 재료로 형성한다. 본 명세서에서 전류 경로(12)에 둘러싸인 영역을 코일 영역 AC라고 칭한다. 또한, 전류 경로(12)에 둘러싸인 영역이 자성체(10)의 단부를 포함하는 경우 코일 영역 AC를 특히 단부 영역 (A)이라고 부른다. 본 예의 전류 경로(12)는 xy 평면에서 자성체(10))의 단부를 비자성체측에서 이차원 적층막(11) 측에 적어도 한 번 가로지르는 동시에, 또한, 자성체(10) 측에서 비자성체측에 적어도 한 번 가로지르는 연속된 도전로를 가진다. 따라서 전류 경로(12)는 자성체(10)의 단부를 포함하는 영역을 둘러싼다. 또한, 단부 영역 (A)의 자기장 강도를 Ha라고 한다.
스커미온 검출 소자(15)는 스커미온 감지용 자기 센서로서 기능한다. 스커미온 검출 소자 (15)는 스커미온(40)의 생성 및 삭제를 감지한다. 예를 들어, 스커미온 검출 소자(15)는 스커미온(40)의 유무에 따라 저항값이 변화하는 저항 소자이다. 본 예의 스커미온 검출 소자(15)는 터널 자기 저항 소자 (TMR 소자)이다. 스커미온 검출 소자(15)는 자성체(10)의 일면에서 자성체(10)의 표면에 접하는 비자성체 박막(151) 및 자성체 금속(152)의 적층 구조를 가진다.
자성체 금속(152)은 자기장 발생부(20)의 위쪽 자기장에 의해 위쪽의 자기 모멘트를 갖는 강자성상이 된다. 자성체(10)와, 자성체 금속(152)의 자성체(10) 측과 반대 측의 단부 사이에 측정부(50)를 연결한다. 그러면 스커미온 검출 소자(15)의 저항값을 감지할 수 있다. 스커미온 검출 소자(15)는 자성체(10) 내에 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우 저항값이 최소값을 나타내고, 스커미온(40)이 존재하면 저항값이 증가한다. 스커미온 검출 소자(15)의 저항값은 비자성체 박막(151)의 전자의 터널 전류의 확률이 자성체(10)와 강자성상이된 자성체 금속(152)의 자기 모멘트의 방향에 의존하여 정해진다. 스커미온 검출 소자(15)의 높은 저항(H)과 낮은 저항(L)은 스커미온(40)의 유무에 대응하고, 정보의 메모리 셀 안에 기억하는 정보 "1"과 "0"에 대응한다.
자기장 발생부(20)는 자성체(10)에 대향하여 설치한다. 자기장 발생부(20)는 인가 자장 H를 발생시키고, 자성체(10)의 배면에서 표면의 방향으로 자성체(10)의 이차원면에 수직으로 인가한다. 자성체(10)의 배면은 자성체(10)의 자기장 발생부(20) 측의 면을 말한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 자기장 발생부(20)를 1 개만 사용한다. 그러나 자기장 발생부(20)가 자성체(10)에 대해 수직으로 자기장을 인가할 수 있는 것이면 복수의 자기장 발생부(20)를 이용할 수 있다. 자기장 발생부(20)의 수와 배치는 이에 한정되지 않는다.
측정부(50)는 측정용 전원(51) 및 전류계(52)를 구비한다. 측정용 전원(51)은 자성체(10)와 스커미온 검출 소자(15)의 사이에 설치한다. 전류계(52)는 측정용 전원(51)가 흘리는 측정용 전류를 측정한다. 예를 들어, 전류계(52)는 측정용 전원(51)과 스커미온 검출 소자(15)의 사이에 설치한다. 측정부(50)는 고감도의 스커미온 검출 소자(15)를 이용하여 저전력으로 스커미온(40)의 유무를 검출할 수 있다.
코일 전류용 전원(60)은 전류 경로(12)에 연결하고, 화살표 C로 나타낸 방향으로 전류를 흘린다. 전류 경로(12)에 흐르는 전류는 전류 경로(12)에 둘러싸인 영역에서 자성체(10)의 표면에서 배면을 향해 자기장을 발생시킨다. 전류 경로(12)에 흐르는 전류가 유도하는 자기장의 방향은 자기장 발생부(20)에서의 균일 자장 H의 방향과 반대 방향이기 때문에, 코일 영역 AC에서 이차원 적층막(11)의 배면에서 표면의 방향으로 약한 자기장 Ha이 발생한다. 따라서 코일 영역 AC에 스커미온(40)을 생성하는 것이 가능해진다. 또한, 스커미온(40)을 삭제하는 경우, 코일 전류용 전원(60)은 스커미온(40)을 생성하는 경우와 반대 방향으로 코일 전류를 흘릴수 도 있다. 또한, 코일 전류용 전원(60)은 전류 경로(12)를 복수 설치하는 경우, 전류 경로(12)의 수에 따라 복수 설치할 수도 있다.
도 25는 스커미온 메모리(100)의 구성 예를 나타낸 모식도이다. 스커미온 메모리(100)는 스커미온(40)을 전류로 생성, 삭제를 가능하게 함으로써 정보를 기억한다. 예를 들어, 자성체(10)의 소정의 위치에서 스커미온(40)의 유무가 1 비트의 정보에 대응한다. 본 예의 스커미온 메모리(100)는 자기 소자(30), 자기장 발생부(20), 제어 전원(61) 및 측정부(50)를 구비한다.
자기 소자(30)는 인가 전류에 의해 스커미온(40)의 발생, 삭제 및 검출이 가능하다. 본 예의 자기 소자(30)는 자성체(10), 상류측 비자성 금속(16), 하류측 비자성 금속(17) 및 오목부 전극(153)을 가진다. 상류측 비자성 금속(16) 및 오목부 전극(153)은 스커미온 검출 소자(15)를 구성한다.
상류측 비자성 금속(16)은 자성체(10)에 연결한다. 상류측 비자성 금속(16)은 자성체(10)의 연장 방향으로 연결한다. 본 예에서 자성체(10)의 연장 방향은 xy 평면에 평행한 방향을 가리킨다. 상류측 비자성 금속 (16)은 얇은 층 형상을 가질 수 있다. 또한, 상류측 비자성 금속(16)은 자성체(10)과 동일한 두께를 가질 수 있다.
하류측 비자성 금속(17)은 상류측 비자성 금속(16)과 이격되어 자성체(10)에 연결한다. 하류측 비자성 금속(17)은 자성체(10)의 연장 방향으로 연결되어 있다. 상류측 비자성 금속(16) 및 하류측 비자성 금속(17)은 전압을 인가한 경우에 xy 평면과 거의 평행한 방향의 전류를 자성체(10)로 흐르게 배치한다. 상류측 비자성 금속(16) 및 하류측 비자성 금속(17)은 Cu, W, Ti, TiN, Al, Pt, Au 등의 도전성 비자성 금속으로 이루어질 수 있다.
제어 전원(61)은 상류측 비자성 금속(16) 및 하류측 비자성 금속(17)에 연결한다. 제어 전원(61)은 상류측 비자성 금속(16)으로부터 하류측 비자성 금속(17)으로 향하는 방향 또는 하류측 비자성 금속(17)으로부터 상류측 비자성 금속(16)으로 향하는 방향 중 하나를 선택하여 자성체(10)에 전류를 흘린다. 제어 전원(61)은 자성체(10)에서 스커미온(40)이 발생하면 상류측 비자성 금속(16)으로부터 하류측 비자성 금속(17)으로 향하는 방향으로 자성체(10)에 전류를 인가한다. 또한, 제어 전원(61)은 자성체(10)에 있는 스커미온(40)을 삭제하는 경우, 하류측 비자성 금속(17)으로부터 상류측 비자성 금속(16)으로 향하는 방향으로 자성체(10)에 전류를 인가한다.
자성체(10)는 단부(18)에 오목부(19)를 가진다. 본 예에서 단부(18)는 자성체(10)의 단부 중 상류측 비자성 금속 (16) 및 하류측 비자성 금속 (17)이 낀 단부이다. 더 구체적인 예는, 단부(18)는 상류측 비자성 금속(16)을 오른쪽에, 하류측 비자성 금속(17)을 왼쪽에 배치한 경우에서 자성체(10)의 상측의 단부이다. 오목부(19)는 단부(18)에서 상류측 비자성 금속(16) 및 하류측 비자성 금속(17)의 쌍방으로부터 이격되어 마련된다. 오목부(19) 내부에는 비자성체를 마련할 수 있다.
스커미온 메모리(100)는 제어 전원(61)에 의한 전류에서 발생한 스커미온(40)을 정보 저장 매체로 사용한다. 도 25에서 전자 흐름의 방향을 화살표로 나타낸다(전류의 방향은 이와는 반대 방향). 이 전자류에 의해 이차원 자성체(10)의 오목부(19)에서 스커미온(40)을 생성할 수 있다.
본 예에서는 오목부(19)의 모서리부 (24) 근방에서 스커미온(40)이 생긴다. 본 예에서 모서리부(24)는 오목부(19) 중 가장 자성체(10)의 내부로 돌출된 영역의 상류측 비자성 금속(16)측의 모서리부이다. 오목부(19)는 가장 이차원 자성체(10)의 내부로 돌출된 영역에 적어도 2개의 모서리부를 가진다. 오목부(19)는 상류측 비자성 금속(16)과 평행한 변과 하류측 비자성 금속(17)과 평행한 모서리를 가질 수 있다. 모서리부(24)는 상류측 비자성 금속(16)과 평행한 면의 단부일 수도 있다. 본 예의 오목부(19)는 사각형 형상을 가진다. 자성체(10)는 오목부(19)의 삼면을 둘러싼다. 오목부(19)의 나머지 일면은 오목부(19) 양측에 있어서의 단부(18) 사이를 보완하는 직선이다. 이 경우 모서리부(24)는 오목부(19)의 끝에서 2 개의 모서리 중 상류측 비자성 금속(16)에 가까운 쪽의 모서리 부분이다. 그러나 오목부(19)의 형상은 사각형에 한정되지 않는다. 오목부(19)의 형상은 다각형일 수 있다. 또한, 오목부(19)의 각 변은 직선이 아닐 수도 있다. 또한, 오목부(19) 중 적어도 하나의 모서리 부분의 끝은 둥글게될 수 있다.
자성체(10)는 자기장 발생부(20)에 의해 강자성상이 된다. 따라서 자성체(10)의 자기 모멘트는 자장 H와 동일한 방향을 향한다. 그러나 자성체(10)의 단부에서의 자기 모멘트는 자장 H와 같은 방향을 향하지 않고 자기장 H에 대해 경사를 가지고 있다. 특히 오목부(19)의 모서리부 근방에서는 자기 모멘트의 기울기가 연속적으로 변화한다. 따라서 자성체(10)의 모서리부는 다른 영역에 비해 스커미온(40)이 생기기 쉽고, 소정의 전자 흐름에 의해 스커미온(40)을 생성할 수 있다.
오목부(19)는 가장 자성체(10)의 내부로 돌출된 영역에서 내각이 둔각을 이루는 적어도 두개의 모서리부를 가진다. 상기 모서리부 중 상류측 비자성 금속(16)에 인접한 모서리부(24)의 내각은 180 ° 이상이다. 또한, 하류측 비자성 금속(17)에 인접한 모서리부(22)의 내각도 180 ° 이상이다. 여기서 오목부(19)의 모서리 부분의 내각은 모서리부(24)의 자성체(10)측의 각도를 가리킨다. 예를 들어, 도 25의 예에서, 상류측 비자성 금속(16)에 인접한 모서리부(24)의 내각은 270 °이다.
모서리부(24)의 내각이 270 °의 경우에 전류를 인가하지 않은 상태에서 모서리부(24) 근방의 자기 모멘트가 나선형에 가장 가까워진다. 따라서 스커미온(40)의 생성에서는 모서리부(24)의 내각이 270 ° 인 것이 바람직하다.
또한, 하류측 비자성 금속(17)으로부터 상류측 비자성 금속(16)을 향해 자성체(10)에 전류를 흘리면 전자 흐름의 방향은 도 25와는 반대 방향으로 된다. 역방향의 전자 흐름은 스커미온(40)을 오목부(19) 및 하류측 비자성 금속(17) 사이의 영역으로 밀어낸다. 상기 영역은 스커미온(40)을 유지할 수 없는 정도의 폭을 가진다. 따라서 스커미온(40)을 삭제할 수 있다. 여기서 폭은 자성체(10)에 전류가 흐르는 방향 (본 예에서는 y 축 방향)의 길이를 말한다. 한편, 오목부(19) 및 상류측 비자성 금속(16) 사이의 영역은 스커미온(40)을 유지할 수 있는 정도의 폭을 가진다. 즉, 오목부(19) 및 상류측 비자성 금속(16) 사이의 영역은 오목부(19) 및 하류측 비자성 금속(17) 사이의 공간보다 폭이 크다.
또한, 본 예의 오목부(19)는 자성체(10)의 연장 방향으로 자성체(10)와 연결된 비자성 금속으로 이루어진 오목부 전극(153)이 있다. 또한, 상류측 비자성 금속(16)은 스커미온(40)의 생성 및 삭제용 전극 역할을 할 뿐만 아니라 스커미온 검출 소자(15)의 전극으로도 기능한다. 스커미온 검출 소자(15)는 스커미온(40)의 생성 및 삭제를 검출한다. 예를 들어, 스커미온 검출 소자(15)는 스커미온(40)의 유무에 따라 저항값이 변화하는 저항 소자이다.
오목부 전극(153)은 오목부(19)에서 상류측 비자성 금속(16)과 대향하는 면에 접한다. 또한, 도 25에 나타낸 바와 같이 오목부(19)의 전체가 오목부 전극(153)일 수도 있다. 오목부 전극(153)은 안정 상태의 스커미온(40)이 존재하는 위치를 상류측 비자성 금속(16) 사이로 둔다. 본 예에서 스커미온(40)의 생성 및 삭제에 따라 상류측 비자성 금속(16), 오목부 전극(153) 사이의 자성체(10)의 저항값이 변화한다. 스커미온 검출 소자(15)는 자성체(10) 내에 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우 저항값이 최소값을 나타내고, 스커미온(40)이 존재하면 저항값이 증가한다. 스커미온 검출 소자(15)의 높은 저항 (H)와 낮은 저항 (L)은 스커미온(40)의 유무에 대응하여 메모리 셀이 기억 한 정보 "1"과 "0"에 대응한다.
측정부(50)는 오목부 전극(153) 및 하류측 비자성 금속(17)에 연결한다. 측정부(50)는 오목부 전극(153) 및 하류측 비자성 금속(17) 사이의 자성체(10)의 저항값을 측정한다. 오목부 전극(153) 및 하류측 비자성 금속(17) 사이의 저항값은 자성체(10)의 저항값에 대응하고, 스커미온(40)의 생성 및 삭제에 따라 변화한다. 예를 들어, 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우, 자성체(10)에는 공간적으로 균일한 자기장 H가 발생하고 있다. 한편 스커미온(40)이 존재하는 경우, 자성체(10)에 걸릴 자기장은 공간적으로 균일하지 않게 된다. 공간적으로 균일하지 않은 자기장이 발생하면 자성체(10)을 흐르는 전도 전자는 자성체(10)의 자기 모멘트에 의해 산란한다. 즉, 자성체(10)의 저항값은 스커미온(40)이 존재하는 경우가, 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우보다 높아진다.
본 예의 측정부(50)는 측정 전원(51) 및 전류계(52)를 가진다. 측정용 전원(51)은 오목부 전극(153)과 하류측 비자성 금속(17)과의 사이에 설치한다. 전류계(52)는 측정용 전원(51)에서 흐르는 측정 전류를 측정한다. 측정용 전원(51)이 인가하는 알려진 전압 및 전류계 (52)가 계측한 전류의 비로부터 자성체(10)의 저항값을 검출할 수 있다. 이에 따라 스커미온 메모리(100)가 저장된 정보를 읽을 수 있다.
상술한 구성으로 이루어진 스커미온 메모리(100)는 자성체(10)에서 스커미온(40)의 전송 및 삭제할 수 자기 소자로 구체화할 수 있다. 이 경우 하류측 비자성 금속(17), 하류측 비자성 금속(17) 및 제어 전원(61)은 스커미온(40)의 생성, 삭제 및 전송을 제어하는 스커미온 제어부로 동작한다.
도 26은 복수의 자기장 발생부(20)를 갖는 스커미온 메모리(100)를 나타낸다. 본 예의 스커미온 메모리(100)는 자기 소자 30-1에서 자기 소자 30-8까지 총 8층의 자기 소자(30)를 가진다. 스커미온 메모리(100)는 자기장 발생부 20-1에 4층의 자기 소자(30)를 가진다. 스커미온 메모리(100)는 자기 소자(30-4)과 자기 소자(30-5) 사이에 자기장 발생부(20-2)를 더 가진다. 이에 따라 자기 소자(30)는 자기장 발생부(20)로부터 받는 자기장의 강도를 일정하게 유지할 수 있다. 자기장 발생부(20)는 자기 소자(30)의 재료 등에 따라 적당한 간격으로 배치할 수 있다.
도 27은 반도체 소자를 갖는 스커미온 메모리 장치(110)의 구성 예를 나타낸다. 본 예의 스커미온 메모리 장치(110)는 스커미온 메모리(100) 및 CPU 기능을 구성하는 CMOS-FET(90)을 갖춘다. CMOS-FET(90) 위에 스커미온 메모리(100)를 형성한다. 본 예의 CMOS-FET(90)은 기판(80)에 형성한 PMOS-FET(91) 및 NMOS-FET(92)을 가진다. 스커미온 메모리 장치(110)는 CPU 기능을 구성하는 CMOS-FET(90)와 적층한 대용량 비휘발성 메모리인 스커미온 메모리(100)를 동일한 칩 내에 가질 수 있다. 따라서 CPU의 처리 시간의 단축, 고속화가 실현하여 CPU의 소비 전력을 크게 줄일 수 있다.
도 28은 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치(200)의 구성 예를 나타낸 모식도이다. 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치(200)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)와 고체 전자 장치(210)를 구비한다. 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 도 24 내지 도 27에서 설명한 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)이다. 고체 전자 장치(210)는 예를 들어 CMOS-LSI 장치이다. 고체 전자 장치(210)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)에 데이터를 기록 및 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)로부터의 데이터의 판독의 적어도 하나의 기능이 있다.
도 29는 데이터 처리 장치(300)의 구성 예를 나타낸 모식도이다. 데이터 처리 장치(300)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)와 프로세서(310)를 구비한다. 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 도 24 내지 도 27에서 설명한 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)이다. 프로세서 (310)는 예를 들어 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로를 가진다. 프로세서(310)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)에 데이터를 기록 및 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)로부터의 데이터의 판독의 적어도 하나의 기능이 있다.
도 30은 데이터 기록 장치(400)의 구성 예를 나타낸 모식도이다. 데이터 기록 장치(400)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)와 입출력 장치 (410)를 구비한다. 데이터 기록 장치(400)는 예를 들어 하드 디스크 또는 USB 메모리 등 메모리 장치이다. 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 도 24 내지 도 27에서 설명한 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)이다. 입출력 장치(410)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)에 외부로부터의 데이터의 기록 및 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)로부터 데이터를 판독하여 외부로 출력하는 기능의 적어도 하나를 가진다.
도 31은 통신 장치(500)의 구성 예를 나타낸 모식도이다. 통신 장치(500)는 예를 들어 휴대 전화, 스마트 폰, 태블릿 형 단말기 등 외부와의 통신 기능을 갖는 장치 전반을 가리킨다. 통신 장치(500)는 휴대용 일 수 있고, 비 휴대용일 수도 있다. 통신 장치(500)는 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)와 통신부(510)를 구비한다. 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 도 24 내지 도 27에서 설명한 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)이다. 통신부(510)는 통신 장치(500)의 외부와의 통신 기능을 가진다. 통신부(510)는 무선 통신 기능을 가질 수 있고, 유선 통신 기능을 가질 수도 있고, 무선 통신 및 유선 통신의 쌍방의 기능을 가질 수도 있다. 통신부 (510)는 외부로부터 수신한 데이터를 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)에 기록하는 기능, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)로부터 읽어 낸 데이터를 외부로 전송하는 기능 및 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)가 기억하는 제어 정보에 따라 동작하는 기능 중 적어도 하나를 가진다.
또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 적용한 전자 기기의 전력 절약화를 실현할 수 있기 때문에, 탑재 배터리의 장기 수명화가 실현될 수 있다. 이것은 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 적용하는 모바일 전자 기기에 더욱 획기적인 사양을 사용자 측에 제공할 수 있게 된다. 덧붙여서 전자 기기로는 개인용 컴퓨터, 화상 기록 장치 등을 비롯한 어떠한 것이라도 좋다.
또한, CPU를 탑재한 통신 장비 (휴대폰, 스마트 폰, 태블릿 단말 등)에 대해 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 적용함으로써 화상 정보의 수집과 다채로운 대규모 응용 프로그램 동작을 보다 빠르게 수행할 수 있으며, 빠른 응답성을 실현할 수 있기 때문에 사용자에게 쾌적한 환경을 확보하는 것이 가능해진다. 또한, 화면에 표시하는 화상 표시의 고속화 등을 실현할 수 있기 때문에 그 사용 환경을 더욱 향상시킬 수있다.
또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 디지털 카메라 등의 전자 기기에 적용하여 동영상을 대용량에 걸쳐 기록하는 것이 가능해진다. 또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 4K 텔레비전 수상기 등의 전자 기기에 적용하여 그 이미지 기록의 대용량화를 실현하는 것이 가능해진다. 그 결과, 텔레비전 수상기에서 외장 하드 연결의 필요성을 없앨 수 있게된다. 또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 하드 디스크를 비롯한 데이터 기록 장치에 적용할 경우 추가 데이터 기록 매체로 구체화될 수 있다.
또한, 자동차용 내비게이션 시스템 등의 전자 기기에 대해서도 이 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)를 적용하여 더욱 고기능화를 실현하는 것이 가능하며, 대량의 지도 정보도 쉽게 기억 가능해진다.
또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 자체 추진 장치, 비행 장치를 실용화하는 데 큰 영향을 가져올 것으로 기대된다. 즉, 비행 장치의 복잡한 제어 처리, 날씨 정보 처리, 고해상도의 화질로 이루어진 영상의 제공에 의한 승객에 대한 서비스의 충실, 심지어 우주 비행 장치의 제어와 관찰한 화상 정보의 방대한 기록 정보를 기록하여 인류에 많은 지식을 가져온다.
또한, 스커미온 메모리(100) 또는 스커미온 메모리 장치(110)는 자기 메모리이다. 그러므로 우주 공간에 떠도는 고 에너지 입자에 대한 높은 내성을 가지고 있다. 전자에 따른 전하를 기억 유지 매체로 사용하는 플래시 메모리와 크게 다른 장점이 있다. 이 때문에 우주 비행 장치 등의 저장 매체로 중요하다.
1 ... 마그네틱 시프트 레지스터 2 ... 자기 센서, 10 ... 자성체 11 ... 시료 12 ... 전류 경로 15 ... 스커미온 검출 소자, 16 ... 상류측 비자성 금속 17 ... 하류측 비자성 금속 18 ... 단부 19 ... 오목부 20 ... 자기장 발생부, 22 ... 모서리부, 24 ... 모서리부, 30 ... 자기 소자, 40 ... 스커미온 50 ... 측정부, 51 ... 측정용 전원, 52 ... 전류계 60 ... 코일 전류 전원, 61 ... 제어 전원 80 ... 기판, 90 ... CMOS-FET, 91 ... PMOS-FET, 92 ... NMOS-FET, 100 ... 스커미온 메모리, 110 ... 스커미온 메모리 장치 151 ... 비자 성체 박막 152 ... 자성체 금속, 153 ... 오목 전극, 200 ... 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치 210 ... 고체 전자 장치 300 ... 데이터 처리 장치 310 렁? 프로세서, 400 ... 데이터 기록 장치, 410 ... 입출력 장치, 500 ... 통신 장비, 510 ... 통신부

Claims (18)

  1. 카이럴 자성체를 가지고, 스커미온을 생성하기 위한 자기 소자로서,
    상기 카이럴 자성체는 β-Mn 형 결정 구조 또는 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 자성 재료로 이루어지는 자기 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 β-Mn 형 결정 구조를 가지는 자성 재료는, 복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 AxByCz 로 이루어지고, x + y + z = 20 및 0 ≤ x, y, z ≤ 20을 충족하는 자기 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 β-Mn 형 결정 구조를 갖는 자성 재료는,
    복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 Ax1By1Cz1 로 이루어지며, x1 + y1 + z1 = 20 및 0 ≤ x1, y1, z1 ≤ 20을 충족하는 재료 M과,
    복수의 원소 A ', B', C '를 이용한 화학식 A'x2B'y2C'z2 로 이루어지며, x2 + y2 + z2 = 20 및 0 ≤ x2, y2, z2 ≤ 20을 충족하는 재료 N의 혼합결정 M1- dNd (0 ≤ d ≤ 1)인 자기 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 β-Mn 형 결정 구조를 갖는 자성 재료는, 화합물 CoxZnyMnz 로 이루어지고, x + y + z = 20 및 0 ≤ x, y, z ≤ 20을 충족하는 자기 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 Au4Al 형 결정 구조를 가지는자성 재료는, 복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 AxByCz 로 이루어지고, x + y = a, z = b이고 a와 b의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 자기 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 자성 재료는,
    복수의 원소 A, B, C를 이용한 화학식 Ax1By1Cz1 로 이루어지며, x1 + y1 = a1, z1 = b1로 a1과 b1의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 재료 M과,
    복수의 원소 A ', B', C '를 이용한 화학식 A'x2B'y2C'z2 로 이루어지며, x2 + y2 = a2, z2 = b2로 a2와 b2의 구성 비율이 4 : 1을 충족하는 재료 N의 혼합결정 M1- dNd (0 ≤ d ≤ 1)인 자기 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 Au4Al 형 결정 구조를 가지는 자성 재료는 Fe5Ni3Si2과 Cr3Ni5Si2의 혼합결정인 자기 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카이럴 자성체는 얇은 층상의 자성체로 이루어지는 자기 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카이럴 자성체의 2 차원 재료로 형성된 부분의 두께는 100nm 이하인 자기 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카이럴 자성체는, 인가 자기장에 따라, 상기 스커미온이 생성되는 스커미온 결정상과 강자성상이 적어도 발현하는 자기 소자.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    얇은 층상에 형성된 상기 카이럴 자성체의 2 차원 평면에 실질적으로 수직인 자기장을 인가함으로써 상기 스커 미온의 생성, 삭제 및 전송의 적어도 하나를 제어하는 스커미온 제어부를 가지는 자기 소자.
  12. 두께 방향으로 복수 적층한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 자기 소자를 갖는 스커미온 메모리.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 자기 소자,
    상기 카이럴 자성체에 대향하여 설치하고, 상기 카이럴 자성체에 자기장을 인가하는 자기장 발생부를 구비하는 스커미온 메모리.
  14. 기판,
    상기 기판 상에 형성한 반도체 소자,
    상기 반도체 소자의 상부에 적층한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 자기 소자,
    상기 카이럴 자성체에 대향하여 설치하고, 상기 카이럴 자성체에 자기장을 인가하는 자기장 발생부를 구비하는 스커미온 메모리.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 스커미온 메모리와, 고체 전자 장치가 동일한 칩 내에 구비되는 스커미온 메모리 탑재 고체 전자 장치.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 스커미온 메모리를 탑재 한 데이터 기록 장치.
  17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 스커미온 메모리를 탑재한 데이터 처리 장치.
  18. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 스커미온 메모리를 탑재 한 통신 장치.

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