WO2006001332A1 - スピン記録方法および装置 - Google Patents

スピン記録方法および装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2006001332A1
WO2006001332A1 PCT/JP2005/011534 JP2005011534W WO2006001332A1 WO 2006001332 A1 WO2006001332 A1 WO 2006001332A1 JP 2005011534 W JP2005011534 W JP 2005011534W WO 2006001332 A1 WO2006001332 A1 WO 2006001332A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spin
isolated
magnetic
probe
interaction
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/011534
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Koichi Mukasa
Yuichi Tazuke
Eiichi Hirota
Makoto Sawamura
Original Assignee
Japan Science And Technology Agency
National University Corporation Hokkaido University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science And Technology Agency, National University Corporation Hokkaido University filed Critical Japan Science And Technology Agency
Priority to JP2006528587A priority Critical patent/JPWO2006001332A1/ja
Publication of WO2006001332A1 publication Critical patent/WO2006001332A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/02—Recording, reproducing, or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B9/00—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor
    • G11B9/12—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor
    • G11B9/14—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B2005/0002—Special dispositions or recording techniques

Definitions

  • the present invention relates to a spin recording method and apparatus using isolated spin.
  • Magnetic recording methods include a longitudinal recording method in which the magnetic field direction of the recording medium is parallel to the traveling direction of the magnetic head, and a perpendicular recording method perpendicular to the traveling direction of the magnetic head.
  • the longitudinal recording method is said to be approaching its limit due to the accumulation and improvement of force technology, which is a general magnetic recording method, over many years.
  • the perpendicular recording method is a magnetic recording method that has recently been put into practical use, and is expected to be advantageous for high-density recording because the bit stability increases as the recording density increases (non- Patent Document 1).
  • the perpendicular recording method has the advantage that stable magnetization can be obtained at a high density compared to the longitudinal recording method because an attractive force acts between adjacent recording bits.
  • recording media that are capable of high-density recording are available. — Cr alloy media and amorphous media with high thermal stability have been developed.
  • Non-Patent Document 1 Toshiji Takeno, Yasushi Sakai, Kazuo Enomoto, Tadaaki Oikawa, Sadayuki Watanabe, Hiroyuki Uezumi, Takehito Shimazu, Hiroaki Muraoka, Keio Nakamura, "CoPtCr-Si02 Dara-Yura-One Perpendicular Magnetic Recording Medium” Journal of Japan Society of Applied Magnetics Vol. 27, No. 9, 2003
  • An object of the present invention is to provide a spin recording method and apparatus that can form a stable bit on an atomic and molecular scale and greatly improve the recording density.
  • information is written as a state of an isolated spin in a paramagnetic material having an isolated spin that exhibits anisotropy of the spin due to spin-orbit interaction due to an orbital force caused by a crystal field. I made it. For paramagnetic materials that have V ⁇ isolated spins that do not interact with spins on adjacent lattices, and the isolated spins have a specific orientation due to spin-orbit interaction with the crystal field. The information was written as the state of the isolated spin.
  • FIG. 1A schematically shows an example of a general state (magnetic moment) of a spin in a paramagnet
  • FIG. 1B shows an isolated spin state (magnetic) with respect to a crystal field in the present invention.
  • (Moment) schematically showing an example
  • FIG. 2 Read Z write using a magnetic probe in one embodiment of the present invention. Diagram for explaining the method
  • Fig. 3 Fig. 3A schematically shows a reading process using a magnetic probe
  • Fig. 3B schematically shows a writing process using a magnetic probe.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a read Z write method using a spin probe according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A schematically shows a reading process using a spin probe
  • FIG. 5B schematically shows a writing process using a spin probe.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a structure of a RAM according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 A diagram for explaining a reading method in the RAM.
  • the present invention provides a novel memory that takes into account the incomplete shell electronic state, atomic magnetic moment, and magnetic anisotropy energy of a transition metal atom (ion) of a paramagnetic compound and uses the atomic magnetic moment. About. In this specification, this new memory will be called “spin memory”.
  • the present inventor has found that it is necessary to form stable bits on an atomic / molecular scale in order to improve the recording density.
  • isolated spins that occur periodically inside or on the surface of a specific substance and have a specific direction with respect to a crystal field exhibiting magnetic anisotropy have interaction with spins on adjacent lattices). I found that it is sufficient to use no spin).
  • the present invention focuses on the point that isolated spins have a specific direction with respect to a crystal field in a specific material, and detects or reverses the state of isolated spins (magnetic moment).
  • the memory is read and written with a bit.
  • a compound single crystal containing transition metal atoms (ions) that are sufficiently separated from each other in the single crystal exhibits paramagnetism, and each transition metal atom (ion) has its incomplete shell.
  • each transition metal atom (ion) has magnetic anisotropy due to the influence of the crystal field.
  • transition metal atoms (ions) of paramagnetic compounds basically have independent magnetic moments and magnetic anisotropies.
  • the present invention records, reads, and rewrites information (signals) using the atomic magnetic moment of magnetic atoms (ions) near the surface of paramagnetic crystals containing transition metal atoms (ions). This is the memory that performs the operation.
  • the atomic magnetic moment is the total magnetic moment generated by electrons on the atom, that is, the magnetic moment generated by the sum of the spin angular momentum and the orbital angular momentum of all electrons on the atom.
  • a material is selected as a material for the spin memory: a) a paramagnetic material, b) strong magnetic anisotropy at the operating temperature (preferably normal temperature), c) a material having an isolated spin.
  • FIG. 1A is a diagram schematically showing an example of a general spin state (magnetic moment) in a paramagnetic material
  • FIG. 1B is an example of an isolated spin state (magnetic moment) with respect to a crystal field. It is a figure shown typically.
  • a paramagnetic material is used as the material of the spin memory.
  • a paramagnetic material is a magnetic material that generates a magnetic field in the direction of a working magnetic field.
  • the interaction between atomic magnetic moments is weak, and the arrangement is random due to thermal disturbance, which does not produce a net magnetic moment as a solid, but captures a magnetic field from the outside.
  • the atomic magnetic moment is slightly oriented in the direction of the magnetic field, and as a whole magnetizes in the direction of the magnetic field.
  • spin 1 can be directed in any direction, as shown in Fig. 1A.
  • the orbital energy differs depending on the crystal field, and when the direction of the spin lattice (crystal field) is caused by the spin-orbit interaction, the magnetic anisotropy (spin direction and A panning direction is generated, and it can be used as a spin memory.
  • the electron configuration (electronic state) of the LS multiplet the state with the lowest energy (ground state) is determined by Hund's law. According to Hunt's law, (a) —in one electron configuration, the multiplet with the largest S has the lowest energy, and (b) there are multiple multiplets that give the largest S, then L The biggest one is the lowest! It has energy.
  • the incomplete shell of the transition metal atom (ion) is an iron group transition metal (3d n ) or a rare earth transition metal (4f n )
  • the inter-electron Coulomb interaction is larger than the spin-orbit interaction.
  • n means the number of electrons in each orbit (3d or 4f orbit).
  • the number of electrons (n) entering this orbit is less than half (5) of the maximum number of electrons (10) that can enter this orbit.
  • the spin-orbit interaction acts as a plus.
  • the electron arrangement of the multiplet is expressed using a spectroscopic symbol 2 S + 1 L.
  • L 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ... the symbols S, P, D, F, G, H, I, K, L, M, ... It is done.
  • the crystal field has the meaning of substantially shifting the equilibrium of the spin electronic state, the density of electrons (more precisely, both electrons and spins) is generated in the crystal, resulting in the formation of an electric field. Is done.
  • This crystal field has symmetry due to the spatial arrangement of ions.
  • the orbital angular momentum of electrons reflects such crystal field symmetry, and degenerates as the symmetry decreases.
  • Rare earth (4f) transition metal (ion) is generally V because it directly reflects crystal field symmetry through orbital angular momentum L, but has a large magnetic anisotropy.
  • Miyoban and Tutton salt There are many series of double salts called Miyoban and Tutton salt. Paramagnetic compounds have been measured for magnetism, as exemplified in Table 1 below, from measurements of paramagnetic susceptibility and experiments of paramagnetic resonance absorption. Table 1 shows in particular the paramagnetism of transition metal ions.
  • the magnetic susceptibility is an amount defined by dMZdH when a substance is placed in a magnetic field H and a magnetic field generated when the substance is M is M. Since both M and H are vectors, the magnetic susceptibility is defined by the second-order tensor quantity. Depending on the direction, the way of magnetism will be different. Magnetic susceptibility is also a function of temperature.
  • g represents a g factor, and is an amount that generally indicates correction with a value obtained from approximate theory.
  • the magnetic rotation ratio is indicated. Usually around 2.
  • the element in the axial direction is expressed as g
  • the fine structure factor of D represents a fine structure of energy levels. If the value of D (absolute value) is large, it is possible that V, ⁇ , and ⁇ interact.
  • the magnetic anisotropy symmetric in the axial direction is strong, and the substance is a candidate for a spin memory material.
  • in the axial direction and an element g perpendicular to the axis or a material having a large absolute value of the fine structure factor D is ideal as a material for a spin memory.
  • the crystal structure of miyoban is a cubic crystal with a small magnetic anisotropy.
  • Tutton salt is an orthorhombic crystal, and its symmetry is C 5 —P2 / a.
  • the D parameter of uniaxial anisotropy is proportional to the square 2 of the parameter of LS coupling, and ⁇ is 10 2 cm _1 .
  • D is the second perturbation term ⁇ 2 ⁇ ⁇ LS of LS coupling, It is about l ⁇ 10cm _1.
  • the equivalent magnetic field of uniaxial anisotropy energy is Ha ⁇ DS Vg ⁇ S ⁇ 10 4 ⁇ 5 G.
  • one or several transition metal atoms (ions) are contained in a space of about 1 nm 3 .
  • the temperature of the spin system tends to be in thermal equilibrium with the lattice system. This time is called the spin lattice relaxation time ⁇ .
  • reading Z writing can be performed using, for example, a spin probe or a magnetic probe.
  • a spin probe is a probe having a spin-polarized probe at the tip, and a magnetic probe is a probe having a magnetic material or the like at the tip.
  • the spin probe has no leakage magnetic field, but the magnetic probe has a leakage magnetic field.
  • the force acting between the probe and the substrate in the region where the spin orientation and the probe orientation are restored when the spin probe or magnetic probe is brought close to and separated from the spin oriented on the substrate Measure the force in advance, measure this force on the bit of the spin memory, and compare it with the force measured in advance. At this time, if the attractive force is easy to work, the orientation of both is antiparallel, and conversely, if the repulsive force is strong, the orientation of both is considered to be parallel. These forces can be observed directly with an atomic force microscope or probe microscope. By detecting the spin orientation in this way, bits can be read out.
  • the probe For writing, the probe is brought closer to the substrate (for example, about the interatomic distance in the substrate) and more strongly interacted than in the case of reading. As a result, the probe becomes a spin reservoir, the spin is supplied to the substrate, and the isolated spin on the substrate is inverted in the direction of the spin of the probe. Bits can be written using this process. At this time, the isolated spin is easily inverted by raising the substrate temperature.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a read Z write method using a magnetic probe.
  • the magnetic probe 11 is provided with a magnetic body 13 at the tip.
  • magnetic field lines are generated between the magnetic probe 11 and the spin 1 of the surface atom.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing a reading process using the magnetic probe 11.
  • the spin 1 of the surface atom and the spin 15 of the magnetic probe 11 The force of interaction varies depending on the direction.
  • the interaction between the magnetic field of the magnetic probe 11 and the spin 1 of the surface atom is measured.
  • the dashed line 17 in Figure 3A shows the measured interaction.
  • FIG. 3B is a diagram schematically showing a writing process using the magnetic probe 11.
  • writing is performed when the magnetic probe 11 is brought closer to the surface than at the time of reading and the magnetic field of the magnetic probe 11 is close enough to be reversed on a specific spin lb to be written.
  • it is necessary to keep a distance from the spins other than the write target so that they are not reversed.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a read Z write method using a spin probe.
  • the spin probe 21 is provided with a spin-polarized probe 23 at the tip. In this method, no magnetic field lines are generated between the spin probe 21 and the spin 1 of the surface atom.
  • FIG. 5A is a diagram schematically showing a reading process using the spin probe 21.
  • the interaction force differs depending on the direction of the spin 1 of the surface atom and the direction of the spin (probe) 23 of the spin probe 21.
  • the interaction between the spin 23 of the spin probe 21 and the spin 1 of the surface atom is measured. If both orientations are parallel, repulsive exchange interaction works, and if both orientations are antiparallel, attractive exchange interaction works. Dashed line 25 in FIG. 5A shows the measured interaction.
  • FIG. 5B is a diagram schematically showing a writing process using the spin probe 21.
  • the spin probe 21 when the spin probe 21 is moved closer to the surface than when reading, and the spin probe 21 of the spin probe 21 interacts with the spin 1 of the surface atom to push the repulsive force and bring the spin probe 21 closer. Then, the specific spin lb to be written is inverted and writing is performed. However, it is necessary to keep the distance from the spins other than the write target so that they are not reversed.
  • RAM which is a semiconductor memory that can electrically read and write data at any time
  • RAM is a semiconductor memory that can electrically read and write data at any time
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the structure of a RAM to which the present invention is applied.
  • This RAM is based on Two sets of nanowires 33 and 35 are provided on the plate 31 so as to cross each other! RU
  • the nanowires 33 and 35 are, for example, carbon nanotubes.
  • the spin 1 on the substrate 31 is reversed by the magnetic field generated by passing a current through the nanowires 33 and 35.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a main part for explaining a writing method in the RAM to which the present invention is applied.
  • a current is applied to the nanowire 33 in the direction A shown in the figure
  • a magnetic field is generated in the direction of the white arrow 37.
  • the magnetic field at the intersection of the nanowires 33 and 35 is strengthened, and the spin at the intersection (write target) lb can be inverted.
  • it is necessary to control the magnitude of the current so that spins other than those to be written do not invert.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a reading method in the RAM to which the present invention is applied. Reading is performed in a direction perpendicular to the thin film.
  • an electrode is provided to each bit 1 on the substrate 31 constituting the memory body, and a current flowing through each bit 1 is detected by a circuit 39 including the electrode.
  • Each circuit 39 includes an ammeter 41 and a power source 43. If the substrate 31 having magnetic anisotropy in the direction indicated by the arrow 3 and the spin of the read target bit lb are parallel, the current flows, and if it is antiparallel, the current does not flow easily. Each bit can be read by.
  • paramagnetic spins according to the present invention can be used in place of all magnetic devices other than those that use a huge magnetic moment (for example, an electromagnet or a motor). That's right.
  • the spin recording method and apparatus according to the present invention are useful as a spin recording method and apparatus capable of forming stable bits on the atomic / molecular scale and greatly improving the recording density.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Magnetic Record Carriers (AREA)
  • Recording Or Reproducing By Magnetic Means (AREA)

Abstract

　原子・分子スケールの安定したビットを形成して、記録密度を大幅に向上することができるスピン記録方法。単結晶中に相互に十分離れた距離にある遷移金属原子（イオン）を含む化合物単結晶は常磁性を示し、各遷移金属原子（イオン）はその不完全殻の電子による固有の磁気モーメントを持ち、また、各遷移金属原子（イオン）は結晶場の影響で磁気異方性を生じる。すなわち、常磁性化合物の遷移金属原子（イオン）は基本的に個々の独立した磁気モーメントと磁気異方性を持つ。本方法は、このような遷移金属原子（イオン）を含む常磁性結晶表面近傍にある磁性原子（イオン）の原子磁気モーメントを利用して、情報（信号）を記録する。  

Description

明 細 書
スピン記録方法および装置
技術分野
[0001] 本発明は、孤立スピンを利用したスピン記録方法および装置に関する。
背景技術
[0002] 今日、情報記録デバイスとしては、磁化の向きにより情報を記録する磁気記録デバ イスが一般的である。磁気記録の方式には、記録媒体の磁ィ匕方向が磁気ヘッドの走 行方向に平行な長手記録方式と、磁気ヘッドの走行方向に垂直な垂直記録方式と がある。
[0003] 長手記録方式は、従来、一般的な磁気記録方式である力 技術の多年にわたる蓄 積と向上によって記録密度は限界に近づ 、て 、ると言われて 、る。
[0004] 一方、垂直記録方式は、最近実用化されつつある磁気記録方式であり、記録密度 の増大に伴いビットの安定性が増すため、高密度記録に有利であると期待されてい る（非特許文献 1)。垂直記録方式は、隣接する記録ビット同士に吸引力が働くため、 長手記録方式に比べ高密度で安定な磁化が得られるという特長があり、現在、記録 媒体としては、高密度記録が可能な Co— Cr合金系媒体と、熱安定性が高い非晶質 媒体とが開発されている。
非特許文献 1 :竹野入俊司、酒井泰志、桓本一雄、及川忠明、渡辺貞幸、上住洋之 、島津武仁、村岡裕明、中村慶及、「CoPtCr-Si02ダラ-ユラ一垂直磁気記録媒体」 、 日本応用磁気学会誌 Vol. 27, No. 9, 2003
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、垂直記録方式においても、現在の研究開発スピードが続けば、磁壁 程度 (約 10nm)の幅を持った微細な磁石を並べる必要があることが予想されており、 本質的には、現行の技術 (長手記録方式)と同様に強磁性材料を使用する限り、磁 壁以下の大きさにはなれず、記録密度の向上には一定の限界がある。
[0006] また、仮に磁壁以下の原子 ·分子スケールの構造物をビットとして作成できたとして も、交換相互作用（原子間の距離程度の大きさ内で働く）や超交換相互作用（他の物 質を介在して交換相互作用よりも長い距離で働く）があれば、ビット内のスピン同士が 相互作用し、安定したビットにはならない。すなわち、従来は、一般に、材料として強 磁性体が使用されるため、周囲に漏れ磁場が形成され、ビット間に相互作用（磁気双 極子的相互作用）が生じて、隣接するビットが反転するなどの障害が生じるおそれが ある。し力も、ビットを原子 '分子のスケールまで縮小しょうとすれば、漏れ磁場よりも 原子上の電子のスピン間の相互作用（交換相互作用）が大きくなることが予想され、 この交換相互作用によりビット間に相互作用が生じて、やはり、隣接するビットが反転 するなどの障害が生じるおそれがある。したがって、従来の材料を使用する限り、原 子'分子スケールのビットを形成したとしても、孤立的な安定したビットにはならず、安 定的に読み出し Z書き込みを行うには限界がある。
[0007] 本発明の目的は、原子'分子スケールの安定したビットを形成して、記録密度を大 幅に向上することができるスピン記録方法および装置を提供することである。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、結晶場による軌道の異方性力 スピン軌道相互作用によりスピンの磁気 異方性を発現する、孤立スピンを有する常磁性体に対して、情報を前記孤立スピン の状態として書き込むようにした。また、隣接する格子上のスピンと相互作用を持たな Vヽ孤立スピンを有し、前記孤立スピンが結晶場に対してスピン軌道相互作用により特 定の方向性を有する常磁性体に対して、情報を前記孤立スピンの状態として書き込 むよつにした。
発明の効果
[0009] 本発明によれば、原子 ·分子スケールの安定したビットを形成して、記録密度を大 幅に向上することができる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]図 1Aは、常磁性体におけるスピンの一般的な状態 (磁気モーメント）の一例を 模式的に示す図、図 1Bは、本発明における結晶場に対する孤立スピンの状態 (磁気 モーメント）の一例を模式的に示す図
[図 2]本発明の一実施の形態における磁気プローブを用いた読み出し Z書き込みの 方法を説明するための図
[図 3]図 3Aは、磁気プローブを用いた読み出し過程を模式的に示す図、図 3Bは、磁 気プローブを用いた書き込み過程を模式的に示す図
[図 4]本発明の他の実施の形態におけるスピンプローブを用いた読み出し Z書き込 みの方法を説明するための図
[図 5]図 5Aは、スピンプローブを用いた読み出し過程を模式的に示す図、図 5Bは、 スピンプローブを用いた書き込み過程を模式的に示す図
[図 6]本発明のさらに他の実施の形態における RAMの構造を模式的に示す図
[図 7]RAMにおける書き込みの方法を説明するための要部拡大図
[図 8]RAMにおける読み出しの方法を説明するための図
発明を実施するための最良の形態
[0011] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[0012] 本発明は、常磁性化合物の遷移金属原子 (イオン)の不完全殻電子状態、原子磁 気モーメント、および磁気異方性エネルギーを考慮し、その原子磁気モーメントを利 用する新規なメモリに関する。本明細書中では、この新規なメモリを「スピンメモリ」と 呼ぶことにする。
[0013] 本発明者は、記録密度を向上させるためには、原子 ·分子スケールの安定したビッ トを形成することが必要であることを見出した。また、原子'分子スケールの安定した ビットを形成するためには、漏れ磁場や交換相互作用の影響を回避し、ビット間の相 互作用がない材料を用いる必要があることを見出した。さらに、そのためには、特定 の物質の内部または表面に周期的に生じ、磁気異方性を示す結晶場に対して特定 の方向性を有する孤立スピン (隣接する格子上のスピンと相互作用を持たないスピン )を利用すればよいことを見出したのである。
[0014] 本発明は、特定の材料において、孤立スピンが結晶場に対して特定の方向性を有 する点に着目し、孤立スピンの状態 (磁気モーメント）を検出または反転することにより 、孤立スピンをビットとしたメモリの読み取りと書き込みを行うものである。
[0015] より具体的には、単結晶中に相互に十分離れた距離にある遷移金属原子 (イオン） を含む化合物単結晶は常磁性を示し、各遷移金属原子 (イオン）はその不完全殻の 電子による固有の磁気モーメントを持ち、また、各遷移金属原子 (イオン）は結晶場の 影響で磁気異方性を生じる。すなわち、常磁性化合物の遷移金属原子 (イオン）は基 本的に個々の独立した磁気モーメントと磁気異方性を持つ。本発明は、このような遷 移金属原子 (イオン)を含む常磁性結晶表面近傍にある磁性原子 (イオン)の原子磁 気モーメントを利用して、情報 (信号)を記録し、読み取り、書き換える等の操作を行う メモリである。ここで、原子磁気モーメントとは、原子上の電子が作り出す全磁気モー メント、つまり、原子上の全電子のスピン角運動量と軌道角運動量の総和が生み出す 磁気モーメントのことである。
[0016] このように、本発明では、磁気異方性を持つ常磁性体の結晶場の性質を用いるた め、構造中の 1原子、 1分子、 1クラスタ上の孤立スピンと結晶場との相互作用が生み 出す、孤立スピンの磁気モーメントをビットとしたメモリを形成することができる。読み 出しと書き込みについては、プローブ顕微鏡などのスピンプローブや、磁気プローブ などを用いて、スピンを反転させることによって書き込みを行い、また、反転させない 程度の相互作用を検出することによって読み出しを行う。
[0017] 以下、図面を用いて本発明の原理を説明する。
[0018] 本発明では、スピンメモリの材料として、 a)常磁性体で、 b)使用温度 (好ましくは常 温)で磁気異方性が強ぐ c)孤立スピンを持つ、物質を選択する。
[0019] 図 1Aは、常磁性体におけるスピンの一般的な状態 (磁気モーメント）の一例を模式 的に示す図であり、図 1Bは、結晶場に対する孤立スピンの状態 (磁気モーメント）の 一例を模式的に示す図である。
[0020] 上記のように、スピンメモリの材料には、常磁性体を使用する。常磁性体とは、働!ヽ ている磁界の方向に磁場を発生する磁性体である。すなわち、常磁性体では、原子 磁気モーメント間の相互作用が弱ぐ熱じょう乱のためその配列はランダムになって おり、固体としての正味の磁気モーメントを生じないが、外部から磁界をカ卩えると原子 磁気モーメントがわずかに磁界の方向に配向し、全体として磁界方向に磁ィ匕する。こ のような常磁性体においては、図 1Aに示すように、スピン 1は自由な方向に向くこと ができる。なお、従来の磁気記録に使用される強磁性体では、原子磁気モーメント間 に量子力学的な強い交換相互作用が働くため、スピンは平行に揃っている。 [0021] このような常磁性体の系に磁気異方性がある場合、図 1Bに示すように、スピンは二 方向のいずれかを取りやすくなる。特に、これらのスピンが孤立スピン laである場合 は、各スピン laの方向は互いに影響することなぐ二方向に集約される。図 1B中の 白抜き矢印 3は、結晶場の磁気異方性の方向を示している。すなわち、常磁性体の スピンについては、結晶場により軌道のエネルギーが異なり、スピン軌道相互作用に よりスピンの格子 (結晶場）に対して方向性が生じると、磁気異方性 (スピンが向きや すい方向）が生じ、スピンメモリとして使用可能になる。
[0022] 以下では、本発明の原理をより詳細に説明する。
[0023] (電子間クーロン相互作用）
遷移金属原子 (イオン)の不完全殻の電子は、おのおの、軌道角運動量 1とスピン角 運動量 sを持ち、不完全殻の電子間クーロン相互作用のエネルギーは、電子全体の 軌道角運動量 L=∑1とスピン角運動量 S =∑sで決まる LS多重項力もなる。 LS多重 項の電子配置 (電子状態）に関して、最低のエネルギーを持つ状態 (基底状態）は、 フント（Hund)の法則で決まる。フントの法則によれば、（a)—つの電子配置では、 S が最大の多重項が一番低 、エネルギーを持つ、（b)最大の Sを与える多重項が複数 あれば、その中で Lが最大のものが一番低!、エネルギーを持つ。
[0024] (スピン軌道相互作用）
一つの多重項は、スピン軌道相互作用によりエネルギーがさらに分裂し、 J = L + S で定義される全角運動量の大きさ Jで指定される J多重項に分かれる。
[0025] 遷移金属原子 (イオン)の不完全殻が鉄族遷移金属（3dn)や希土類遷移金属 (4fn )の場合は、電子間クーロン相互作用がスピン軌道相互作用よりも大きいため、一つ の多重項内において、スピン軌道相互作用のエネルギーは、 V = λ LSで表すこと
LS
力 Sでさる。ここで、
3dn軌道では、 n< 5 (less than half)で L >0、 n> 5 (more than half)で； L < 0、 4 軌道では、 n< 7 (less than half)で λ >0、 n> 7 (more than half)でえく 0、であ る。 nは、各軌道（3d軌道、 4f軌道）に入った電子の個数を意味する。
[0026] この式により、例えば、 3dn軌道の場合、この軌道に入っている電子の個数 (n)が、 この軌道に入りうる電子の最大数（10個）の半分 (5個）よりも小さいとき、つまり、半分 未満しか 3d軌道が充填されて ヽな 、原子の場合には、スピン軌道相互作用はプラス として働くことになる。
[0027] なお、通常、多重項の電子配置は、分光学の記号2 S+1Lを用いて表される。例えば , L=0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, · ·に対して記号 S, P, D, F, G, H, I, K, L, M, · ·力 S用 いられる。
[0028] (1原子当たりの磁気モーメント）
最低エネルギーの J多重項において、磁気モーメントは、 m=— (L + 2S) μ = -g
B J
μ Jとなる。ここで、 μ はボーァ（Bohr)磁子、 gはランデ (Lande)因子と呼ばれる。後
B B J
述するように、 4f軌道は、遷移金属原子 (イオン)の内部にあり、直接結晶場の影響 を受けないため、原子磁気モーメントは、 m=—g μ Jで良く記述することができる。
J B
しかし、 3dn軌道の場合、電子は結晶場の影響で軌道角運動量の消失、つまり、軌道 角運動量の期待値〈L〉 =0が起こるため、磁気モーメントは、 m=— 2S /z である。な
B
お、結晶場は、実質的にはスピン電子状態の平衡をずらす意味を持っため、結晶内 に電子 (より厳密には、電子とスピンの両方）の密度に濃淡が生じ、これにより電場が 形成される。
[0029] (結晶場の影響）
遷移金属原子 (イオン)の不完全殻の電子は、結晶中の周囲のイオンが作る電場（ 結晶場)の影響を受けながら運動している。この結晶場は、イオンの空間配置による 対称性を持つ。電子の軌道角運動量は、このような結晶場の対称性を反映して、対 称性が下がるにつれて縮退がとれてゆく。
[0030] 一つの LS多重項において、電子間クーロン相互作用のエネルギーを V 、スピン軌
H
道相互作用の大きさを V 、結晶場の大きさを V とすると、 V >v >v の場合は
LS cr cr H LS 強い結晶場であり、 V <V <V の場合は弱い結晶場であり、 V <v <v の場 cr LS H LS cr H 合は中間の結晶場である。第 1の場合は、結晶場で分かれた準位に低いエネルギー 力 順番に士スピンの電子が詰まるため、全体のスピンは低くなる（low spin state)。 これに対し、第 2と第 3の場合は、フントの法則によりスピンの大きい配置が低いエネ ノレギーを持つ (high spin state)。
[0031] 上記のように、鉄族（3d-)遷移元素イオンでは、電子は結晶場に大きく影響され、 軌道状態の縮退が無くなり、軌道角運動量の期待値〈 が零となる軌道角運動量の 消失が起こる。しかし、スピン軌道相互作用を通じて電子スピンは結晶場の影響を受 け、原子磁気モーメントは、結晶の対称性を反映した異方性を生じる。一般には、 Vし
<v <v、つまり、中間の結晶場である。
S cr H
[0032] 希土類 (4f一）遷移金属 (イオン)では、軌道角運動量 Lを通じて直接結晶場の対 称性を反映するため、一般には V であるが、大きな磁気異方性を持つ。
cr <v LS <v H
[0033] (1イオンの結晶磁気異方性）
結晶場が軸対称であれば、 3dn軌道の基底状態に縮退が無 、場合のスピンノ、ミル トニアン（H)は、 H = g iu HS + D{S 2— S (S + 1) Z3}で表される。ここで、 Dは微細
B z
構造定数である。 4f軌道の場合は、 Sを Jに置き換えればよい。磁気モーメントの大き さや微細構造定数 Dは、例えば、常磁性帯磁率ゃ常磁性共鳴吸収の実験から決め られる。
[0034] (遷移金属イオンを含む常磁性物質の例）
ミヨウバンやタツトン (Tutton)塩と呼ばれる一連の複塩が多く存在する。常磁性化合 物について、常磁性帯磁率の測定や常磁性共鳴吸収の実験などから、次の表 1に 例示するように磁性が測定されている。表 1は、特に、遷移金属イオンの常磁性を示 している。
[0035] [表 1]
遷移金属イオンの常磁性
イオン 物質 P(jUB) (磁化率より） P(jUB)(ESRよし J) 微細構造因子
2 2
C=ズ Tより g g|| g丄 g D
Cr3+(3d3) KCr(S04)-12H20 1.868 3.95 1097 1097 3083 0.06
Cr2+(3d4) CrS04-5H20 2.24
Fe3+(3d5) NH4Fe(S04)2-12H20 4.29 3.9 2 2 4 0.016
Mn2+(3d5) (NH4)2Mn(S04)2'6H20 4.4 3.91 2.06 2.06 4024 0.023
Ni2+(3d8) K2Ni(S04)2-6H20 -3.3
Ni2+(3d8) (NH4)2Ni(S04)2-6H20 -2.25
Cu2+(3d9) CuK2(S04)2-6H20 0.445 4.74 2.45 2.14 5.05
Ce3+(4f1) Ce(C2H5S04)3-9H20 0.452 4.11 3.72 0.2 4.62
[0036] ここで、磁化率とは、物質を磁場 Hの中に置 、た時に生ずる磁ィ匕を Mとした場合に 、 dMZdHで定義される量のことである。 Mも Hもベクトルであるため、磁化率は二階 のテンソル量で定義される。方向によって磁ィ匕の仕方が違うことになる。磁化率は温 度の関数でもある。
[0037] また、 gは g因子を示し、一般に近似理論から得られる値との補正を示す量である。
この場合、磁気回転比を示す。通常は 2程度になる。また、 gが軸対象の場合、軸方 向の要素を g ||、軸に垂直方向の要素を g と表す。これらの値が異なれば軸方向の 磁気異方性が強いと言える。
[0038] また、 Dの微細構造因子はエネルギー準位の微細な構造を表す。 Dの値 (絶対値） が大き 、場合は、 V、ろ 、ろな相互作用が生じて 、ることが考えられる。
[0039] 軸方向に対称な磁気異方性が強!、物質は、スピンメモリの材料の候補となる。特に 、軸方向の要素 g ||と軸に垂直方向の要素 g との差が大きいもの、または、微細構造 因子 Dの絶対値が大きいものは、スピンメモリの材料として理想的である。例えば、表 1に示す物質の中では、上から 2番目の CrSO · 5Η 0、 5番目の K Ni (SO ) · 6Η
4 2 2 4 2 2
0、 6番目の（NH ) Ni (SO ) · 6Η O (Niタツトン塩）、 7番目の CuK (SO ) · 6Η
4 2 4 2 2 2 4 2 2
0 (Cuタツトン塩）、 8番目の Ce (C H SO ) · 9Η 0 (Ceェチルサルフェート）の物質
2 5 4 3 2
が理想的である。
[0040] ミヨウバンの結晶構造は、立方結晶で、磁気異方性は小さ 、。
[0041] タツトン塩は、斜方結晶で、対称性は C5 —P2 /aである。表 1のニッケルタツトン（
2h 1
M- Tutton)塩の（NH ) Ni (SO ) · 6Η Οの場合、結晶定数は、 a = 8.98A、 b = l
4 2 4 2 2
2.22k c = 6.10A、 β = 107° 4，で、単位格子中の分子数 (Ζ)は、 Ζ=2である。ま た、最隣接 Niイオン間距離は 3.05Α、次の隣接イオンは 7.45Αと 8.56Αであり、平 均して 160 Α3の体積中に 1個の磁性イオンが含まれる。表 1に示すように、微細構造 因子 D=— 2.25で、磁気異方性は基本的に一軸性で大きい。なお、一軸性とは、磁 気異方性に関して、一つの軸を持ち、その軸に対して垂直な方向には磁気異方性を 持たな 、物質のことである。
[0042] ニッケルタツトン塩の（NH ) Ni(SO ) · 6Η Οの場合、微細構造因子 D=— 2.25
4 2 4 2 2
(cm—1)で S = lであるため、一軸磁気異方性エネルギーの大きさは Ea = 2.25cm_1 であり、 lcm_1 IKであるため温度で数ケルビン程度となる。ここで、一軸異方性ェ ネルギーを表す微細構造因子 Dは波数の逆数の単位で表している。
[0043] V、ずれにせよ一軸異方性の Dパラメータは LS結合のパラメータの自乗え 2に比例し 、 λは 102cm_1である。また、多重項間のエネルギー差 Δ Ε〜： L03〜104cm_1として 、 Dは LS結合の二次の摂動項 λ 2Ζ Δ Εであるため、磁気異方性エネルギーのォー ダ一は l〜10cm_1程度となる。
[0044] 一軸異方性エネルギーの等価磁界は Ha^DS Vg μ S〜104〜5Gである。
z J B
[0045] 常磁性塩では、例えば、 lnm3程度の空間に 1個または数個の遷移金属原子 (ィォ ン）が含まれている。
[0046] (磁気モーメント mの磁界による反転）
容易軸方向（z軸）に磁界 Hを印加し、同時に垂直面内に角速度 ωの回転磁界を 印加する。磁気角運動量比を γとして、 Ηまたは ωをゆっくり（例えば、スピン格子緩 和時間 Τよりも遅い速さで)変化させると、 Η+ ω / γ >0では磁気モーメントが ζ軸 の正方向を向いていても、 Η+ ω Ζ Ύ =0で回転を開始して、 Η+ ω Ζ Ύく 0では反 転して ζ軸の負方向を向く。すなわち、いわゆる磁気モーメント mの磁界による反転 (a diabatic rapid passageノ力起こる。
[0047] すなわち、外部磁場の量子化軸を z軸とし、これに垂直な振動磁場（回転磁場)を 与えると、その分裂幅に見合ったエネルギーの周波数の場合、レベル間に有限の遷 移確率が生じる。 Hは容易軸方向に与えた磁場の大きさを意味し、これに対して磁気 モーメントを持つ存在 (この場合は原子）は、垂直に与えた磁場は容易軸周辺を角速 度 ωで回転するようになる。 Η + ω Ζ Ύはベクトル量の値になる。よって、 Ηと ωが同 じ方向を向いていれば正になり、逆であれば負になる。また、その中間的なあらゆる 角度も考えられる。
[0048] ここで、例えば、パルス的に強 、交流磁場を加えると、まず、スピン間の相互作用で スピン系のみで熱平衡に達する。この時間をスピンスピン緩和時間 Τと呼ぶ。次に、
2
スピン系の温度が格子系と熱平衡になろうとする。この時間をスピン格子緩和時間 τ と呼ぶ。
[0049] 以上の物理現象を利用して、単一原子磁気モーメントの反転による記憶素子 (スピ ンメモリ）を実現する。
[0050] すなわち、上記のように、スピン間の交換相互作用がない常磁性体では、スピンが 自由に動けるものの、結晶場により軌道のエネルギーが異なり、スピン軌道相互作用 によりスピンの格子 (結晶場）に対して方向性がある場合は、系に磁気異方性 (スピン が向きやすい方向）が生じ、常磁性スピンをスピンメモリのビットにすることができる。
[0051] 次に、スピンメモリにおける読み出し Z書き込みの方法と原理について説明する。
[0052] スピンメモリにおいて、読み出し Z書き込みは、例えば、スピンプローブまたは磁気 プローブを用いて行うことができる。スピンプローブとは、スピン偏極した探針を尖端 に持つプローブであり、磁気プローブとは、磁性体などを尖端に持つプローブである 。スピンプローブには漏れ磁場はないが、磁気プローブには漏れ磁場がある。
[0053] まず、読み出しについては、基板上に配向したスピンにスピンプローブまたは磁気 プローブを近づけ、離した時にスピンの配向性およびプローブの配向性が修復する 領域においてプローブと基板間に働く力をあら力じめ計測しておき、スピンメモリのビ ット上でこの力を測定し、あら力じめ計測しておいた力と比較する。このとき、引力が 働きやすければ、両者の配向性は反平行であり、逆に、斥力が強ければ、両者の配 向性は平行であると考えられる。これらの力は、原子間力顕微鏡やプローブ顕微鏡 などにより、直接観測することができる。このようにしてスピンの配向性を検出すること で、ビットを読み出すことができる。
[0054] また、書き込みについては、読み出しの場合よりもさらにプローブを基板に近づけ（ 例えば、基板内の原子間距離程度)、より強く相互作用させる。これにより、プローブ がスピンのリザーバとなり、スピンが基板に供給され、プローブが持つスピンの方向に 基板上の孤立スピンが反転される。この過程を用いてビットを書き込むことができる。 また、このとき、基板温度を上げることにより、孤立スピンが反転しやすくなる。
[0055] 図 2は、磁気プローブを用いた読み出し Z書き込みの方法を説明するための図で ある。図 2に示すように、磁気プローブ 11には尖端に磁性体 13が設けられている。こ の方法では、磁気プローブ 11と表面原子のスピン 1との間に磁力線が生じる。
[0056] 図 3Aは、磁気プローブ 11を用いた読み出し過程を模式的に示す図である。この場 合、表面原子の形状に加え、表面原子のスピン 1と磁気プローブ 11のスピン 15の方 向により相互作用の力が異なる。この過程では、磁気プローブ 11の磁場と表面原子 のスピン 1との相互作用を測定する。図 3A中の破線 17は、測定した相互作用を示し ている。
[0057] 図 3Bは、磁気プローブ 11を用いた書き込み過程を模式的に示す図である。この場 合、読み出し時よりもさらに磁気プローブ 11を表面に近づけ、磁気プローブ 11の磁 場が書き込み対象となる特定のスピン lb上で反転する程度に近づいた時、書き込み が行われる。ただし、書き込み対象以外の他のスピンとは、反転させない程度に距離 を保つ必要がある。
[0058] 図 4は、スピンプローブを用いた読み出し Z書き込みの方法を説明するための図で ある。図 4に示すように、スピンプローブ 21には、尖端に、スピン偏極した探針 23が設 けられている。この方法では、スピンプローブ 21と表面原子のスピン 1との間に磁力 線は生じない。
[0059] 図 5Aは、スピンプローブ 21を用いた読み出し過程を模式的に示す図である。この 場合、表面原子の形状に加え、表面原子のスピン 1とスピンプローブ 21のスピン（探 針） 23の方向により相互作用の力が異なる。この過程では、スピンプローブ 21のスピ ン 23と表面原子のスピン 1との相互作用を測定する。両者の配向性が平行であれば 反発的な交換相互作用が働き、両者の配向性が反平行であれば吸引的な交換相互 作用が働く。図 5A中の破線 25は、測定した相互作用を示している。
[0060] 図 5Bは、スピンプローブ 21を用いた書き込み過程を模式的に示す図である。この 場合、読み出し時よりもさらにスピンプローブ 21を表面に近づけ、スピンプローブ 21 のスピン (探針) 23と表面原子のスピン 1との相互作用から、反発力を押し切ってスピ ンプローブ 21を近づけた時、書き込み対象となる特定のスピン lbが反転し、書き込 みが行われる。ただし、書き込み対象以外の他のスピンとは、反転させない程度に距 離を保つ必要がある。
[0061] 読み出し Z書き込みの方法には、その他いろいろなノ リエーシヨンが考えられる。
例えば、電気的にデータの読み出しと書き込みが随時可能な半導体メモリである RA Mは、本発明の一つの適用例である。
[0062] 図 6は、本発明を適用した RAMの構造を模式的に示す図である。この RAMは、基 板 31上に二組のナノワイヤ 33、 35を互いに交差するように設けて構成されて！、る。 ナノワイヤ 33、 35は、例えば、カーボンナノチューブなどである。この場合、基板 31 上のスピン 1は、ナノワイヤ 33、 35に電流を流して生じる磁場によって反転させられる
[0063] 図 7は、本発明を適用した RAMにおける書き込みの方法を説明するための要部拡 大図である。図 7に示すように、ナノワイヤ 33に対し、同図に示す方向 Aに電流を流 すと、白抜きの矢印 37の方向に磁場が生じる。また、交差するナノワイヤ 35に対して も、同様に、同図に示す方向 Bに電流を流すことにより、ナノワイヤ 33、 35が交差す る部分における磁場が強まり、その交差部分のスピン (書き込み対象） lbを反転させ ることができる。ただし、書き込み対象以外の他のスピンが反転しないように、電流の 大きさを制御する必要がある。
[0064] 図 8は、本発明を適用した RAMにおける読み出しの方法を説明するための図であ る。読み出しは、薄膜に対して垂直な方向に行われる。図 8の例では、メモリ本体を構 成する基板 31上の各ビット 1に電極を与え、この電極を含む回路 39によって、各ビッ ト 1を流れる電流を検出する。各回路 39は、電流計 41と電源 43を含んでいる。矢印 3で示す方向の磁気異方性を有する基板 31と、読み出し対象ビット lbのスピンとが 平行であれば電流が流れやすぐ反平行であれば電流が流れにくいため、検出する 電流値の大小によって各ビットを読み出すことができる。
[0065] なお、本発明は、あらゆる磁気デバイスのうち、巨大な磁気モーメントを使用するも の（例えば、電磁石やモータなど）以外を、本発明における常磁性体スピンを用いて 置さ換免ることがでさる。
[0066] 本明細書は、 2004年 6月 25日出願の特願 2004— 188907に基づく。この内容は すべてここに含めておく。
産業上の利用可能性
[0067] 本発明に係るスピン記録方法および装置は、原子 ·分子スケールの安定したビット を形成して、記録密度を大幅に向上することができるスピン記録方法および装置とし て有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 結晶場による軌道の異方性が、スピン軌道相互作用によりスピンの磁気異方性を 発現する、孤立スピンを有する常磁性体に対して、情報を前記孤立スピンの状態とし て書き込む、スピン記録方法。
[2] 隣接する格子上のスピンと相互作用を持たない孤立スピンを有し、前記孤立スピン が結晶場に対してスピン軌道相互作用により特定の方向性を有する常磁性体に対し て、情報を前記孤立スピンの状態として書き込む、スピン記録方法。
[3] 前記常磁性体は、ミヨウバンまたはタツトン塩である、請求項 1または請求項 2記載 のスピン記録方法。
[4] 前記常磁性体は、 CrSO · 5Η 0、 K Ni (SO ) · 6Η 0、（NH ) Ni (SO ) - 6H
4 2 2 4 2 2 4 2 4 2 2
0、 CuK (SO ) · 6Η 0、の Ce (C H SO ) - 9H Oからなる群から選ばれる、請求
2 4 2 2 2 5 4 3 2
項 1または請求項 2記載のスピン記録方法。
[5] 前記孤立スピンと相互作用を行うプローブを用いて、前記孤立スピンを反転させな い程度の相互作用を検出することにより、情報の読み出しを行う、請求項 1または請 求項 2記載のスピン記録方法。
[6] 基板上に配向された読み出し対象の孤立スピンに対して磁気プローブを所定の読 み出し位置に接近させたときの、前記磁気プローブのスピンと前記読み出し対象の 孤立スピンとの相互作用を測定し、測定した相互作用
Figure imgf000016_0001
、て前記両スピンの配 向性を検出することにより、情報の読み出しを行う、請求項 1または請求項 2記載のス ピン記録方法。
[7] 基板上に配向された読み出し対象の孤立スピンに対してスピンプローブを所定の 読み出し位置に接近させたときの、前記スピンプローブのスピンと前記読み出し対象 の孤立スピンとの相互作用を測定し、測定した相互作用に基づ!/、て前記両スピンの 配向性を検出することにより、情報の読み出しを行う、請求項 1または請求項 2記載の スピン記録方法。
[8] 前記孤立スピンと相互作用を行うプローブを用いて、前記孤立スピンを反転させる ことにより、情報の書き込みを行う、請求項 1または請求項 2記載のスピン記録方法。
[9] 基板上に配向された書き込み対象の孤立スピンに対して磁気プローブを所定の読 み出し位置よりもさらに基板に近 、所定の書き込み位置に接近させ、前記磁気プロ ーブのスピンと前記書き込み対象の孤立スピンとの相互作用により前記書き込み対 象の孤立スピンを反転させることにより、情報の書き込みを行う、請求項 1または請求 項 2記載のスピン記録方法。
[10] 基板上に配向された書き込み対象の孤立スピンに対してスピンプローブを所定の 読み出し位置よりもさらに基板に近 、所定の書き込み位置に接近させ、前記スピンプ ローブのスピンと前記書き込み対象の孤立スピンとの相互作用により前記書き込み 対象の孤立スピンを反転させることにより、情報の書き込みを行う、請求項 1または請 求項 2記載のスピン記録方法。
[11] 前記孤立スピンの近傍に電流を流して外部磁場を形成することにより、前記孤立ス ピンを反転させる、請求項 1または請求項 2記載のスピン記録方法。
[12] メモリ本体を構成する基板上の各孤立スピンに電流検出回路を設け、前記電流検 出回路により基板上の読み出し対象の孤立スピンを流れる電流を検出し、検出した 電流の大きさにより、情報の読み出しを行う、請求項 1または請求項 2記載のスピン記 録方法。
[13] メモリ本体を構成する基板上の各孤立スピンを互いに交差するナノワイヤの交差部 分に配置し、基板上の書き込み対象の孤立スピンに対応するナノワイヤに電流を流 して前記書き込み対象の孤立スピンの近傍に外部磁場を形成して前記書き込み対 象の孤立スピンを反転させることにより、情報の書き込みを行う、請求項 1または請求 項 2記載のスピン記録方法。
[14] 結晶場による軌道の異方性が、スピン軌道相互作用によりスピンの磁気異方性を 発現する、孤立スピンを有する常磁性体と、
情報を前記孤立スピンの状態として書き込む手段と、
を有することを特徴とするスピン記録装置。
[15] 隣接する格子上のスピンと相互作用を持たない孤立スピンを有し、前記孤立スピン が結晶場に対してスピン軌道相互作用により特定の方向性を有する常磁性体と、 情報を前記孤立スピンの状態として書き込む手段と、
を有することを特徴とするスピン記録装置。
PCT/JP2005/011534 2004-06-25 2005-06-23 スピン記録方法および装置 WO2006001332A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006528587A JPWO2006001332A1 (ja) 2004-06-25 2005-06-23 スピン記録方法および装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004-188907 2004-06-25
JP2004188907 2004-06-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006001332A1 true WO2006001332A1 (ja) 2006-01-05

Family

ID=35781787

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/011534 WO2006001332A1 (ja) 2004-06-25 2005-06-23 スピン記録方法および装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2006001332A1 (ja)
WO (1) WO2006001332A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007179710A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Hokkaido Univ スピン記録方法および装置
WO2013038281A1 (en) * 2011-09-15 2013-03-21 International Business Machines Corporation Antiferromagnetic storage device
WO2022180929A1 (ja) * 2021-02-26 2022-09-01 株式会社日立製作所 量子ビットアレイ及び量子コンピュータ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1194857A (ja) * 1997-09-17 1999-04-09 Japan Science & Technology Corp 走査型トンネル顕微鏡を用いたサンプル表面の電子スピン状態の制御方法及びそのビット読み出し方法
JP2004507104A (ja) * 2000-08-22 2004-03-04 プレジデント・アンド・フェローズ・オブ・ハーバード・カレッジ ドープされた細長い半導体、そのような半導体の成長、そのような半導体を含んだデバイス、およびそのようなデバイスの製造

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3571756B2 (ja) * 1994-06-08 2004-09-29 株式会社東芝 スピン偏極ｓｔｍ装置
JPH09218213A (ja) * 1995-12-07 1997-08-19 Sony Corp 極微小磁区観察方法と極微小磁区観察装置
JP3848119B2 (ja) * 2000-09-27 2006-11-22 キヤノン株式会社 磁気抵抗効果を用いた不揮発固体メモリ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1194857A (ja) * 1997-09-17 1999-04-09 Japan Science & Technology Corp 走査型トンネル顕微鏡を用いたサンプル表面の電子スピン状態の制御方法及びそのビット読み出し方法
JP2004507104A (ja) * 2000-08-22 2004-03-04 プレジデント・アンド・フェローズ・オブ・ハーバード・カレッジ ドープされた細長い半導体、そのような半導体の成長、そのような半導体を含んだデバイス、およびそのようなデバイスの製造

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Jiseitai Handbook", SHOHAN, KABUSHIKI KAISHA ASAKURA SHOTEN, 30 June 1975 (1975-06-30), pages 735 - 750, XP003000478 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007179710A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Hokkaido Univ スピン記録方法および装置
WO2013038281A1 (en) * 2011-09-15 2013-03-21 International Business Machines Corporation Antiferromagnetic storage device
US8724376B2 (en) 2011-09-15 2014-05-13 International Business Machines Corporation Antiferromagnetic storage device
GB2508527A (en) * 2011-09-15 2014-06-04 Ibm Antiferromagnetic storage device
GB2508527B (en) * 2011-09-15 2015-02-11 Ibm Antiferromagnetic storage device
US9343130B2 (en) 2011-09-15 2016-05-17 Globalfoundries Inc. Antiferromagnetic storage device
US9437269B2 (en) 2011-09-15 2016-09-06 Globalfoundries Inc. Antiferromagnetic storage device
DE112012003852B4 (de) 2011-09-15 2021-08-05 Globalfoundries U.S. Inc. Antiferromagnetische Speichereinheit
WO2022180929A1 (ja) * 2021-02-26 2022-09-01 株式会社日立製作所 量子ビットアレイ及び量子コンピュータ

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2006001332A1 (ja) 2008-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103021422B (zh) 磁记录头和磁记录装置
JP5372361B2 (ja) 高周波場支援書込み装置
Hsu et al. Electric-field-driven switching of individual magnetic skyrmions
US9478729B2 (en) Spin transfer torque magnetic memory device using magnetic resonance precession and the spin filtering effect
CN101546808B (zh) 磁阻效应元件和磁性随机存取存储器
CN103069564B (zh) 磁阻效应元件以及磁性随机存取存储器
TWI284901B (en) Ferromagnetic resonance switching for magnetic random access memory
CN101295508A (zh) 磁元件、磁记录头及磁记录装置
JP2001028466A (ja) 磁気機能素子及び磁気記録装置
CN102136275A (zh) 自旋转矩振荡磁致电阻传感器和磁致电阻多传感器阵列
WO2011078018A1 (ja) 磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ
CN101211652B (zh) 利用磁畴壁移动的信息存储装置和制造该装置的方法
Pohlit et al. Experimental and theoretical investigation of the magnetization dynamics of an artificial square spin ice cluster
JP2008021976A (ja) 磁壁の移動を利用した半導体装置
WO2006001332A1 (ja) スピン記録方法および装置
Natali et al. Correlated vortex chiralities in interacting permalloy dot patterns
JP2003502782A (ja) 磁化反転方法、磁化媒体、磁気記録システムおよびデバイス
JP4875037B2 (ja) 磁気メモリ、その再生方法、および書き込み方法
JP4830107B2 (ja) スピン記録方法および装置
JP2003086863A (ja) トンネル磁気抵抗素子
KR20130114327A (ko) 자기 공명과 이중 스핀필터 효과를 이용한 스핀전달토크 자기 메모리 소자
Radu et al. Reversible susceptibility studies of magnetization switching in FeCoB synthetic antiferromagnets
김덕호 Field-Driven Domain-Wall Dynamics Related with Dzyaloshinskii-Moriya Interactions and Magnetic Bubblecade Memory
Krone Magnetization Reversal Processes of Nanostructure Arrays
Krishnia Current-driven domain wall dynamics in coupled ferromagnetic structures

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006528587

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 05753232

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 05753232

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1