WO2016072162A1 - 磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置及び通信装置 - Google Patents

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

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秀珍 于
康二郎 田口
十倉　好紀
金子　良夫
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国立研究開発法人理化学研究所
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic element capable of generating and erasing skyrmions, a skyrmion memory using the magnetic elements, a solid state electronic device equipped with a skyrmion memory, a data recording device incorporating the skyrmion memory, and data including the skyrmion memory.
  • the present invention relates to a processing device and a communication device incorporating a skyrmion memory.
  • a magnetic element that uses the magnetic moment of a magnetic material as digital information is known.
  • the magnetic element has a nanoscale magnetic structure that functions as an element of a non-volatile memory that does not require power when holding information.
  • the magnetic element is expected to be applied as a large-capacity information storage medium due to advantages such as ultra-high density due to a nanoscale magnetic structure, and its importance is increasing as a memory device of an electronic device.
  • the magnetic shift register drives the magnetic domain domain wall, transfers the magnetic moment arrangement with current, and reads stored information (see Patent Document 1).
  • FIG. 32 is a schematic diagram showing the principle of magnetic domain domain wall drive by electric current.
  • a domain domain wall is a boundary between magnetic regions in which the directions of magnetic moments are opposite to each other.
  • the domain domain wall in the magnetic shift register 1 is indicated by a solid line.
  • the magnetic domain domain wall is driven.
  • the movement of the domain domain wall changes the magnetism due to the direction of the magnetic moment located above the magnetic sensor 2.
  • the magnetic change is detected by the magnetic sensor 2 to extract magnetic information.
  • Such a magnetic shift register 1 has the disadvantages that a large current is required to move the magnetic domain domain wall and the transfer speed of the magnetic domain domain wall is slow. As a result, the memory write / erase time is delayed.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2014-86470
  • Non-Patent Document 1 Naoto Naganaga, Yoshinori Tokura, “Topical properties of dynamics sciences, Nature Nature,” UK, Nature Publishing Group, December 4, 2013, Vol. 8, p899-911.
  • Skyrmions have a very small magnetic structure with a diameter of 1 nm to 500 nm, and the structure can be held for a long time. Therefore, expectations for application to memory elements are increasing.
  • currently known chiral magnetic materials for generating skyrmions include MnSi having a B20 type crystal structure, Fe 1-x Co x Si, FeGe, and Mn 1-x Ge x Fe (non - nonmagnetic).
  • Patent Document 1 The maximum temperature for producing skyrmions with the B20 type crystal structure is 278 K (5 ° C.) of FeGe, which is lower than the room temperature of 20 ° C. Therefore, in order to use skyrmion as a memory element, a chiral magnetic crystal structure different from the B20 type crystal structure that generates skyrmion at a temperature near room temperature is required.
  • a magnetic element having a chiral magnetic material for generating skyrmions wherein the chiral magnetic material has a ⁇ -Mn type crystal structure or an Au 4 Al type crystal structure.
  • a magnetic element made of a material is provided.
  • a skyrmion memory having a magnetic element according to the first aspect, wherein a plurality of layers are stacked in the thickness direction.
  • a skirmion memory comprising the magnetic element according to the first aspect and a magnetic field generation unit that is provided opposite to the chiral magnetic body and applies a magnetic field to the chiral magnetic body.
  • a substrate, a semiconductor element formed on the substrate, a magnetic element according to the first aspect laminated above the semiconductor element, and a chiral magnetic body are provided opposite to each other.
  • a skyrmion memory including a magnetic field generation unit that applies a magnetic field to a chiral magnetic material.
  • a skirmion memory mounted solid state electronic device comprising the skillion memory according to any one of the second to fourth aspects and a solid state electronic device in the same chip.
  • a data recording apparatus equipped with the skillmion memory according to any one of the second to fourth aspects.
  • a data processing device equipped with the skillmion memory according to any one of the second to fourth aspects.
  • a communication device equipped with the skillmion memory according to any one of the second to fourth aspects.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of a skyrmion which is a nanoscale magnetic structure of the magnetic moment in a magnetic body.
  • the strength and direction of the magnetic moment are schematically shown by arrows.
  • the ⁇ -Mn type crystal structure is shown. It shows the temperature dependence of the magnetization consisting of Co 8 Zn 8 Mn 4. It shows the magnetic field dependence in the 2K magnetization of Co 8 Zn 8 Mn 4. It shows the magnetic field dependence in the 50K of the magnetization of the Co 8 Zn 8 Mn 4. It shows the magnetic field dependence in the 100K of the magnetization of the Co 8 Zn 8 Mn 4.
  • the structural example of the skillion memory 100 is shown.
  • 2 shows an example of the configuration of a skillion memory device 110.
  • 2 shows an example of the configuration of a skillion memory device 110.
  • It is a schematic diagram which shows the structural example of the solid electronic device 200 with a skyrmion memory.
  • 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a data processing device 300.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a data recording device 400.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a communication device 500.
  • FIG. It is a figure which shows the principle of the magnetic domain drive by an electric current.
  • a magnetic material that can generate skyrmions is a chiral magnetic material.
  • a chiral magnetic material is a magnetic material having a chiral crystal structure.
  • a chiral magnetic substance can often be a magnetic substance with a magnetic ordered phase in which the magnetic moment arrangement in the absence of an external magnetic field is rotated on a spiral with respect to the traveling direction of the magnetic moment. By applying an external magnetic field, the helical magnetic ordered phase changes to a ferromagnetic phase through a state in which skyrmions exist.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of skyrmion 40 which is a nanoscale magnetic structure in magnetic body 10.
  • each arrow indicates the direction of the magnetic moment in the skyrmion 40.
  • the x axis and the y axis are axes orthogonal to each other, and the z axis is an axis orthogonal to the xy plane.
  • the magnetic body 10 has a plane parallel to the xy plane.
  • a magnetic moment that faces all directions on the plane of the magnetic body 10 constitutes the skyrmion 40.
  • the direction of the magnetic field applied to the magnetic body 10 is the plus z direction.
  • the magnetic moment on the outermost periphery of the skillion 40 of this example is directed in the plus z direction.
  • the magnetic moment rotates spirally from the outermost circumference to the inside. Further, the direction of the magnetic moment gradually changes from the plus z direction to the minus z direction with the spiral rotation.
  • the direction of the magnetic moment is continuously twisted between the center and the outermost periphery. That is, the skyrmion 40 is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure of magnetic moment.
  • the magnetic body 10 in which the skyrmion 40 exists is a thin plate-like solid material
  • the magnetic moment constituting the skyrmion 40 has the same direction in the thickness direction. That is, in the depth direction (z direction) of the plate, the magnetic moment is in the same direction from the front surface to the back surface.
  • the diameter ⁇ of the skillion 40 indicates the diameter of the outermost periphery of the skillion 40.
  • the outermost periphery refers to the circumference of a magnetic moment that faces the same direction as the external magnetic field shown in FIG.
  • the Skyrmion number Nsk characterizes Skyrmion 40, which is a nanoscale magnetic structure having a spiral structure.
  • the number of skyrmions can be expressed by the following [Equation 1] and [Equation 2].
  • the polar angle ⁇ (r) between the magnetic moment and the z-axis is a continuous function of the distance r from the center of the skyrmion 40.
  • the polar angle ⁇ (r) changes from ⁇ to zero or from zero to ⁇ when r is changed from 0 to ⁇ .
  • n (r) is a unit vector indicating the direction of the magnetic moment of the skyrmion 40 at the position r.
  • m is a voltility
  • ⁇ is a helicity.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing skyrmions 40 having different helicities ⁇ (Non-Patent Document 1).
  • FIG. 2 (e) shows how to coordinate the magnetic moment n (right-handed system). Since a right-handed, n z axis relative to n x axis and n y axis, taken from the rear of the sheet in front of the orientation. 2A to 2E, the shading indicates the direction of the magnetic moment.
  • Magnetic moments indicated by shading on the circumference in FIG. 2 (e) has the direction of the n x -n y plane.
  • the magnetic moment indicated by the thinnest shading (white) at the center of the circle in FIG. 2E has a direction from the back to the front of the paper.
  • the angle with respect to the nz axis of the magnetic moment indicated by the shading of each position between the circumference and the center is taken from ⁇ to zero according to the distance from the center.
  • the direction of each magnetic moment in FIGS. 2 (a) to 2 (d) is indicated by the same shading in FIG. 2 (e). As shown in the center of the skillion 40 in FIGS.
  • the magnetic moment indicated by the darkest shade (black) has a direction from the front of the paper to the back of the paper.
  • Each arrow in FIGS. 2 (a) to 2 (d) indicates a magnetic moment at a predetermined distance from the center of the magnetic structure.
  • the magnetic structure shown in FIGS. 2A to 2D is in a state that can be defined as skyrmion 40.
  • the direction is rotated 90 degrees counterclockwise. 2 is equivalent to the skillion 40 of FIG. 1.
  • the skillion of ⁇ ⁇ / 2 shown in FIG.
  • the four magnetic structures shown in FIGS. 2 (a) to 2 (d) look different, but are the same magnetic structure in topology (topology).
  • the skyrmions 40 having the structures shown in FIGS. 2A to 2D exist stably once generated, and function as a carrier responsible for information transmission in the magnetic body 10 to which an external magnetic field is applied.
  • Non-Patent Document 1 the magnetic material having the highest temperature for producing skyrmion 40 is FeGe, which is 278K (3 ° C.).
  • ⁇ -Mn type crystal structure and Au 4 Al type crystal structure as chiral magnetic crystal structures that can generate skyrmion 40 at a temperature around 20 ° C. at room temperature.
  • the ⁇ -Mn type crystal structure belongs to the space group P4 1 32 type or P4 3 32 type, and is different from the B20 type crystal structure having the space group P2 1 3 crystal structure.
  • the Au 4 Al type crystal structure belongs to the space group P2 1 3 but is different from the B20 type crystal structure having the same space group P2 13 crystal structure.
  • Example 1 A material having a ⁇ -Mn type crystal structure, which is a chiral magnetic substance, has a skyrmion crystal phase at zero ° C. or higher.
  • a more specific example is Co 8 Zn 8 Mn 4 .
  • Co 8 Zn 8 Mn 4 has skyrmion crystals at 300 K (27 ° C.).
  • FIG. 3 shows a ⁇ -Mn type crystal structure.
  • the ⁇ -Mn type crystal structure is a space group P4 1 32 type or P4 3 32 type crystal structure having a chiral structure.
  • the helical structure of the space group P4 1 32 type crystal structure and the P4 3 32 type crystal structure are mirror-symmetrical.
  • the ⁇ -Mn type crystal structure of the helical structure is a cubic structure having 20 atoms in the unit cell.
  • the 20 elements are composed of 8 c sites with an equivalent spatial arrangement and 12 d sites with an equivalent spatial arrangement.
  • the c site is located on the 3rd rotation axis, and the d site is located on the 2nd rotation axis.
  • FIG. 1 space group P4 1 32 type or P4 3 32 type crystal structure having a chiral structure.
  • the helical structure of the space group P4 1 32 type crystal structure and the P4 3 32 type crystal structure are mirror-symmetrical.
  • FIG. 3 shows the ⁇ -Mn type crystal structure of one c-site as viewed from the 111 direction, but the 20 elements each overlap with the original crystal position even if they rotate 120 degrees with respect to the 111 axis. It has symmetry. All c sites are located on the rotation axis three times.
  • Figure 4 shows the temperature dependence of the magnetization of the Co 8 Zn 8 Mn 4 of beta-Mn type crystal structure.
  • the horizontal axis represents the temperature (K) of Co 8 Zn 8 Mn 4
  • the vertical axis represents the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • the applied magnetic field H in this example is 1 kOe (Oersted).
  • Co 8 Zn 8 Mn 4 is a helical magnetic material having a helical magnetic transition temperature of around 310 K (37 ° C.).
  • the helical magnetic transition temperature is important in determining the temperature at which the skyrmion 40 is generated.
  • the helical magnetic transition temperature is a temperature at which transition to the helical magnetic phase occurs, and indicates the highest temperature at which the skyrmion 40 can be generated.
  • FIGS. 5A to 5F show the magnetic field dependence of the magnetization of Co 8 Zn 8 Mn 4 .
  • the horizontal axis represents the applied magnetic field H (kOe) applied to Co 8 Zn 8 Mn 4 from ⁇ 3 kOe to 3 kOe, and the vertical axis represents the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • FIGS. 5A to 5F correspond to the case where the temperature of Co 8 Zn 8 Mn 4 is 2K, 50K, 100K, 200K, 300K, and 350K, respectively. In the case of 2K, the magnetic field dependence of magnetization has a hysteresis characteristic.
  • the magnetic moment When a temperature of 50 K or higher is given, the magnetic moment exhibits a soft magnetization characteristic having linearity up to about 1 kOe with respect to the applied magnetic field H.
  • This soft magnetization characteristic is a necessary condition for generating the skyrmion 40.
  • the soft magnetization characteristic refers to a magnetic material having a small coercive force.
  • the coercive force is the magnitude of a magnetic field necessary for reversing the magnetization.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of the observation method of the magnetic moment of the Lorentz electron beam microscope.
  • the Lorentz electron beam microscope is a transmission electron beam microscope that observes a magnetic moment using Lorentz force.
  • the Lorentz force deflects the electron beam on which the magnetic field generated in the sample 11 is incident.
  • the intensity and direction of the magnetic moment can be directly observed by using an analysis method to be described later for an electron image by the deflected electron beam.
  • the Lorentz electron microscope is one of the few devices that can directly observe nanoscale magnetic moments.
  • Sample 11 is a thin piece of magnetic material having a thickness of 100 nm or less. By setting the thickness of the sample 11 to 100 nm or less, an electron beam that is accelerated and incident from above the sample 11 can pass through the sample 11.
  • an electron beam is incident in parallel from above the sample 11.
  • the magnetization direction of the magnetic domain of the sample 11 is directed to the surface direction of the sample 11 as indicated by an arrow.
  • a Lorentz force is generated by the magnetic field of the magnetic domain, and the trajectory of the electron beam is bent. Since the direction of the electron beam differs depending on the direction of the magnetic domain, a distribution occurs in the electron density reaching the focus plane.
  • the electron density distribution is a high-density black portion and a low-density white portion, each showing a domain boundary. At the domain boundary, black and white inversion alternates and each black and white inversion gap indicates a domain. Thereby, a magnetic domain can be observed.
  • the Lorentz electron beam microscope can directly observe an image obtained by projecting a magnetic moment on a two-dimensional surface.
  • the magnetic moment is a spiral structure
  • black and white inversion can be observed continuously.
  • an incident electron beam uses a focused beam having a focal point on a sample plane. This condensing point can be swept over the two-dimensional surface of the sample plane to obtain an atomic image of the two-dimensional surface.
  • the electron scattering due to the magnetic moment does not receive the interference effect, the magnetic moment cannot be observed.
  • a chiral magnetic material actually observed with a Lorentz electron microscope is shown.
  • the thickness of the sample 11 in this example is 50 nm.
  • the brightness of the stripe pattern along the 001 direction can be observed in the 1-10 direction.
  • This striped pattern indicates that the magnetic moment is helically rotating.
  • the measured distance from the white area to the white area indicates the helical pitch.
  • the region A is an arbitrary region along the 1-10 direction.
  • FIG. 8 shows the measurement results of the intensity along the 1-10 direction of the area A in FIG.
  • the horizontal axis shows the position along the 1-10 direction in the region A, and the vertical axis shows the intensity of the observed signal.
  • the intensity is continuously distributed, and the peaks are equally spaced.
  • the peak-to-peak distance corresponds to the helical pitch. Since the peak-to-peak distance in this example is 100 nm, the helical pitch is 100 nm.
  • the Lorentz electron microscope image of this example shows a state in which the skyrmion 40 is generated, and black dots are generated.
  • the black dots show a hexagonal close-packed crystal structure having six rotations so as to take a close-packed structure.
  • the skyrmion crystal lattice constant calculated from the Lorentz electron microscope image of the present example coincides with the numerical value 120 nm obtained from the helical pitch 100 nm of the helical magnetic phase with zero magnetic field. From the above, it can be seen that the black dots in this example are crystal lattices composed of skyrmions 40. The diameter of the skyrmion 40 is 120 nm.
  • FIG. 10 shows the magnetization distribution in region B (FIG. 9) obtained by analyzing the Lorentz electron beam microscope image of FIG. 9 using the intensity transport equation method.
  • An arrow indicating the magnetic moment rotates clockwise on the sample 11.
  • the length of the arrow corresponds to the projection component of the magnetic moment on the paper.
  • the length of the arrow becomes shorter as it goes from the outer periphery to the center, indicating that the center is directed from the front surface to the back surface perpendicular to the page.
  • the sample 11 of this example generates a magnetic moment in the state of skyrmion (c) in FIG. All of the vortex structures of the skyrmion 40 in this example are in the same direction.
  • the magnetization distribution is calculated by analyzing a Lorentz electron microscope image by the intensity transport equation method. As a result, details of the structure of the magnetic moment of the skyrmion 40 become clear. That is, the Lorentz electron beam microscope image confirms that the skyrmion 40 is generated in the sample 11.
  • the magnetic moment of the skyrmion 40 can be calculated using the intensity transport equation method.
  • the Lorentz electron beam microscope image in the region B is analyzed by the intensity transport equation, and the magnetization distribution of the magnetic moment is calculated.
  • the magnetization distribution of the magnetic moment can be calculated by the following principle.
  • the magnetization distribution in the magnetic material changes the phase of electrons through the Aharanov-Bohm effect.
  • the magnetization distribution can be calculated from this phase change.
  • the phase difference between the two paths is It is.
  • the strength transport equation calculated from the Schrödinger equation by paraxial approximation is shown below.
  • the z-axis direction is an electron beam incident direction. Is an operator in a plane perpendicular to the z-axis.
  • the rate of change of the electron beam intensity I in the z-axis direction From this relationship, the phase ⁇ can be calculated. Based on the relational expression (intensity transport equation) between the phase ⁇ and the electron beam intensity I, the magnetization distribution is obtained by measuring the electron beam intensity.
  • FIG. 11 shows a skyrmion phase diagram determined from a Lorentz electron microscope image of Co 8 Zn 8 Mn 4 .
  • the thickness of the sample 11 is 50 nm.
  • the thickness of the sample 11 is important for generating the skyrmion 40. It has been observed in detail in the example of FeGe that the SkX region indicating the skyrmion crystal phase becomes wider as the sample 11 is thinner (Non-Patent Document 1).
  • Skyrmion crystal phase (SkX) is in the range of 260K to 300K, and the applied magnetic field H is in the region of 30mT to 130mT.
  • FIG. 12 shows the temperature dependence of the magnetization of Co 8 Zn 10 Mn 2 .
  • the horizontal axis indicates the temperature (K) of Co 8 Zn 10 Mn 2
  • the vertical axis indicates the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • the applied magnetic field H in this example is 1 kOe.
  • the magnetization of Co 8 Zn 10 Mn 2 rapidly decreases near 350 K (77 ° C.).
  • Co 8 Zn 10 Mn 2 is a helical magnetic material having a helical magnetic transition temperature around 350 K (77 ° C.).
  • the magnetic field dependence of magnetization is very similar to FIGS. 5A to 5F.
  • a magnetic moment of 50 K or more exhibits a soft magnetization characteristic having linearity up to about 1 kOe with respect to the applied magnetic field H. This soft magnetization characteristic satisfies the requirements for generating skyrmions 40.
  • FIG. 13A and 13B show Lorentz electron microscope images of Co 8 Zn 10 Mn 2 .
  • no skyrmion crystal lattice is generated.
  • H of B 90 mT
  • FIG. 14 shows a skyrmion phase diagram determined from Lorenz electron microscope observation of Co 8 Zn 10 Mn 2 .
  • the sample 11 is a thin layer having a thickness of 50 nm, and 112 surfaces of the sample 11 were observed.
  • the skyrmion crystal phase (SkX) exists in the region where the applied magnetic field H is 30 mT to 200 mT in the temperature range of 320K to 350K.
  • the region of the skyrmion crystal phase (SkX) is wide.
  • the region of skyrmion crystal phase (SkX) spreads to the high temperature side as compared to the case of Co 8 Zn 8 Mn 4 .
  • Co 8 Zn 9 Mn 3 is a bulk polycrystalline body.
  • FIG. 15 shows the temperature dependence of the magnetization of Co 8 Zn 9 Mn 3 .
  • the horizontal axis indicates the temperature (K) of Co 8 Zn 9 Mn 3
  • the vertical axis indicates the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • the applied magnetic field H in this example is 1 kOe.
  • Co 8 Zn 9 Mn 3 is a helical magnetic material having a helical magnetic transition temperature of 325 K (52 ° C.).
  • the magnetic field dependence of magnetization ( ⁇ B / fu) is very similar to the example of FIGS. 5A to 5F.
  • a magnetic moment of 50 K or more exhibits a soft magnetization characteristic having linearity up to about 1 kOe with respect to the applied magnetic field H. This soft magnetization characteristic meets the requirements for being able to generate skyrmions 40.
  • FIG. 16 shows the magnetic field dependence of the magnetization of Co 8 Zn 9 Mn 3 .
  • the magnetic field dependence of magnetization in the vicinity of 300K (306K to 325K) is shown.
  • the horizontal axis represents the applied magnetic field H (kOe), and the vertical axis represents the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • Each curve corresponds to the magnetic field dependence of magnetization when the temperature is changed by 1K in the temperature range of 306K to 325K.
  • Co 8 Zn 9 Mn 3 tends to increase in magnetization as the applied magnetic field H increases.
  • Co 8 Zn 9 Mn 3 has a higher magnetization strength at a lower temperature near 300K.
  • Co 8 Zn 9 Mn 3 has a linear magnetization with respect to a magnetic field up to around 1 kOe, and exhibits soft magnetization characteristics.
  • FIG. 17 shows a curve obtained by differentiating the magnetic field dependence of the magnetization of Co 8 Zn 9 Mn 3 .
  • the horizontal axis represents the applied magnetic field H (kOe), and the vertical axis represents the value dM / dH (au) obtained by differentiating the magnetization M by the applied magnetic field H.
  • the four temperature regions have different differential curve tendencies. For example, it has a dip structure with a differential value dM / dH in the range of 311K to 319K and the applied magnetic field H is 0.05 kOe to 0.13 kOe.
  • the dip structure of the differential value dM / dH indicates that the magnetization distribution of Co 8 Zn 9 Mn 3 has changed due to the generation of skyrmions 40.
  • FIG. 18 shows a phase diagram of the Skyrmion crystal phase (SkX) of Co 8 Zn 9 Mn 3 .
  • the phase diagram of the skyrmion crystal phase (SkX) in this example is calculated from the differential data of magnetization shown in FIG. Skyrmion crystal phase (SkX) is generated in the region of external magnetic field 0.05 kOe to 0.13 kOe in the range of 311K to 319K.
  • Sample 11 used in this example is a bulk crystal and not a flake. Since a three-dimensional crystal shape is used, skirmion 40 is less likely to be generated than when thin pieces are used, and the region of skirmion crystal phase (SkX) is narrow.
  • Co 10 Zn 10 is a bulk polycrystal.
  • FIG. 19 shows the temperature dependence of the magnetization of Co 10 Zn 10 .
  • the horizontal axis represents the temperature (K) of Co 10 Zn 10
  • the vertical axis represents the magnetization ( ⁇ B / fu).
  • the applied magnetic field H in this example is 20 Oe.
  • Co 10 Zn 10 is a helical magnetic material having a helical magnetic transition temperature of 460 K (187 ° C.).
  • the magnetic field dependence of magnetization ( ⁇ B / fu) is very similar to the example of FIGS. 5A to 5F.
  • a magnetic moment of 50 K or more exhibits a soft magnetization characteristic having linearity up to about 1 kOe with respect to the applied magnetic field H. This soft magnetization characteristic satisfies the requirements for generating skyrmions 40.
  • FIG. 20 shows the temperature dependence of the real part [emu / mol] of the AC susceptibility of Co 10 Zn 10 . This is an amount corresponding to the differential amount of the magnetic moment shown in FIG.
  • the magnetic field dependence of the real part of the AC susceptibility at 446K to 467K is shown.
  • a curve with a depression is shown in the range of the applied magnetic field of 0 to 0.1 KOe.
  • Skyrmion 40 exists in this area. This is the same as the region where the skyrmion 40 exists in the curve portion having the depression in the differential curve of the magnetic moment in FIG.
  • the material having the ⁇ -Mn type crystal structure has a skyrmion crystal phase.
  • a skyrmion crystal phase exists at zero ° C. or higher. Since the material having the ⁇ -Mn type crystal structure belongs to the space group P4 1 32 different from the known B20 type crystal structure, the selection range of the material capable of generating the skyrmion 40 is greatly expanded.
  • the material having a ⁇ -Mn type crystal structure is a compound containing the following plural elements in addition to the simple Mn 20 .
  • the mixed crystal between these compounds also has a ⁇ Mn type crystal structure.
  • a magnetic material containing a magnetic element among them may be selected. Furthermore, if a material having a helical magnetic transition temperature of 20 ° C. or higher is selected, a skyrmion crystal phase exists at a temperature of zero ° C. or higher.
  • FIG. 21 shows an Au 4 Al type crystal structure.
  • the Au 4 Al type crystal structure is a space group P2 1 3 type crystal structure having a chiral structure.
  • the B20 crystal structure such as FeGe having a skyrmion crystal phase is a space group P2 1 3 type crystal structure.
  • a material having a helical structure Au 4 Al type structure has a cubic structure composed of 20 atoms in a unit cell.
  • the spatial arrangement of the 20 elements is composed of 4 equivalent a sites, 4 equivalent a ′ sites, and 12 equivalent b sites.
  • the a site and the a ′ site are located on the rotation axis three times.
  • the b site is not on the rotation axis.
  • FIG. 21 shows an Au 4 Al type crystal structure viewed from the 111 direction of one a ′ site.
  • Each of the 20 elements has a three-fold symmetry that overlaps the original crystal position even if it rotates 120 degrees with respect to the 111 axis.
  • the a site and the a ′ site are located on the rotation axis three times.
  • an example of a mixed crystal of Fe 5 Ni 3 Si 2 and Cr 3 Ni 5 Si 2 having an Au 4 Al type crystal structure is shown.
  • FIG. 22 shows the temperature dependence of the magnetization of 0 ⁇ x ⁇ 0.4 in the (1-x) Fe 5 Ni 3 Si 2 + xCr 3 Ni 5 Si 2 mixed crystal.
  • (1-x) Fe 5 Ni 3 Si 2 + xCr 3 Ni 5 Si 2 (0 ⁇ x ⁇ 0.4) is a soft magnetic material having a wide transition temperature range from about 200 K to about 650 K. This behavior is due to helical magnetism. In particular, 0 ⁇ x ⁇ 0.3, where the magnetic transition temperature is 20 ° C. or higher, is important.
  • 23A to 23F correspond to the cases where the temperatures are 2K, 50K, 100K, 200K, 300K, and 350K, respectively.
  • the (1-x) Fe 5 Ni 3 Si 2 + xCr 3 Ni 5 Si 2 mixed crystal of this example is suitable for magnetic field strengths up to 1 kOe. Shows linearity and soft magnetic properties.
  • This crystal structure has a skyrmion crystal phase because it belongs to the space group P2 1 3 type crystal structure showing a helical crystal structure.
  • the magnetic transition temperature is 20 ° C. or higher, it has a skyrmion crystal phase at 20 ° C. or higher.
  • a material having an Au 4 Al type crystal structure has a skyrmion crystal phase at zero ° C. or higher.
  • Au 4 Al type crystals include Au 4 Al, Cu 4 Al, Fe 4-x Ni x P, Cr 4-x Ni x Si, Fe 4-x Ni x Si, and Ir 4-x Mn.
  • the mixed crystal between them has an Au 4 Al type structure.
  • Material having Au 4 Al type crystal structure used in this embodiment may be selected from a magnetic material containing a magnetic element in these. Furthermore, if a material having a magnetic transition temperature of 20 ° C. or higher is selected, a skyrmion crystal phase can exist at a temperature of 20 ° C. or higher.
  • skyrmion crystal lattices in chiral magnetic alloys has been confirmed only for B20 crystal structures such as FeGe and MnSi.
  • B20 crystal structures such as FeGe and MnSi.
  • skyrmion crystal lattices exist even in the ⁇ -Mn type crystal structure and Au 4 Al type crystal structure of the chiral magnetic material.
  • these skyrmion crystal lattices exist above zero degrees Celsius. This greatly opened up practical application of skyrmion memory.
  • Skyrmion memory is a non-volatile memory that can store data at high speed. This is an unprecedented big feature and is different from the conventional memory.
  • FIG. 24 shows a configuration example of the skyrmion memory 100.
  • the skillion memory 100 stores bit information using the skillion 40.
  • the presence / absence of skyrmion 40 in magnetic body 10 corresponds to 1-bit information.
  • the skyrmion memory 100 of this example includes a magnetic element 30, a magnetic field generation unit 20, a measurement unit 50, and a coil current power source 60.
  • the magnetic element 30 can generate and erase the skyrmion 40.
  • the magnetic element 30 of this example is an element formed in a thin layer having a thickness of 500 nm or less. For example, it is formed using a technique such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or sputtering.
  • the magnetic element 30 includes a magnetic body 10, a current path 12, and a skirmion detection element 15.
  • the magnetic body 10 develops at least a skyrmion crystal phase and a helical magnetic phase according to the applied magnetic field.
  • the skyrmion crystal phase refers to a material that can generate skyrmion 40 in the magnetic body 10.
  • the magnetic body 10 is formed of the materials shown in Examples 1 to 4.
  • the magnetic body 10 has a structure surrounded by a non-magnetic body.
  • the structure surrounded by the nonmagnetic material refers to a structure in which all directions of the magnetic material 10 are surrounded by the nonmagnetic material.
  • the magnetic body 10 may be formed in a thin layer shape.
  • the magnetic body 10 may have a thickness of about 10 times or less the diameter of the skyrmion 40, for example.
  • at least a part of the magnetic body 10 is formed as a two-dimensional material.
  • the two-dimensional material refers to a material in which the thickness of the magnetic body 10 is 100 nm or less and the thickness of the magnetic body 10 is sufficiently thinner than the surface of the magnetic body 10.
  • the current path 12 is an example of a skyrmion control unit, and controls generation and erasure of the skyrmion 40.
  • the current path 12 surrounds a region including the end of the magnetic body 10 on one surface of the magnetic body 10.
  • the current path 12 may be electrically isolated from the magnetic body 10 using an insulating material or the like.
  • the current path 12 in this example is a coil current circuit formed in a U shape.
  • the U-shape may be a shape including a right angle as shown in FIG. 3 as well as a shape with rounded corners.
  • the current path 12 may not form a closed region in the xy plane.
  • the combination of the current path 12 and the end may form a closed region on the surface of the magnetic body 10.
  • the current path 12 is connected to the coil current power source 60 and allows the coil current to flow. A magnetic field is generated with respect to the magnetic body 10 by causing the coil current to flow through the current path 12.
  • the current path 12 is formed of a nonmagnetic metal material such as Cu, W, Ti, Al, Pt, Au, TiN, or AlSi.
  • a region surrounded by the current path 12 is referred to as a coil region A C.
  • the coil area A C when a region surrounded by the current path 12 comprises an end portion of the magnetic member 10, particularly referred to as an end region A.
  • the end of the magnetic body 10 crosses at least once from the nonmagnetic body side to the magnetic body 10 side and crosses at least once from the magnetic body 10 side to the nonmagnetic body side in the xy plane. Having a conductive path. As a result, the current path 12 surrounds a region including the end of the magnetic body 10. Note that the magnetic field strength in the end region A is Ha.
  • the skirmion detection element 15 functions as a magnetic sensor for skirmion detection.
  • the skillion detection element 15 detects the generation and deletion of the skillion 40.
  • the skyrmion detection element 15 is a resistance element whose resistance value changes depending on the presence or absence of the skyrmion 40.
  • the skyrmion detection element 15 of this example is a tunnel magnetoresistive element (TMR element).
  • TMR element tunnel magnetoresistive element
  • the skyrmion detection element 15 has a laminated structure of a nonmagnetic thin film 151 and a magnetic metal 152 that are in contact with the surface of the magnetic body 10 on one surface of the magnetic body 10.
  • the magnetic metal 152 becomes a ferromagnetic phase having an upward magnetic moment due to the upward magnetic field from the magnetic body 10.
  • the measuring unit 50 is connected between the magnetic body 10 and the end of the magnetic metal 152 opposite to the magnetic body 10 side. Thereby, the resistance value of the skyrmion detection element 15 can be detected.
  • the resistance value when the skillmion 40 does not exist in the magnetic body 10 indicates the minimum value, and when the skillmion 40 exists, the resistance value increases.
  • the resistance value of the skirmion detection element 15 is determined by the probability of the electron tunneling current of the nonmagnetic thin film 151 depending on the direction of the magnetic moment between the magnetic body 10 and the magnetic metal 152 in the ferromagnetic phase.
  • the high resistance (H) and the low resistance (L) of the skyrmion detection element 15 correspond to the presence or absence of the skyrmion 40 and correspond to information “1” and “0” stored in the information memory cell.
  • the magnetic field generator 20 is provided to face the magnetic body 10.
  • the magnetic field generator 20 generates an applied magnetic field H and applies it in the direction from the back surface to the front surface of the magnetic body 10 and perpendicular to the two-dimensional surface of the magnetic body 10.
  • the back surface of the magnetic body 10 refers to the surface of the magnetic body 10 on the magnetic field generation unit 20 side.
  • only one magnetic field generator 20 is used.
  • a plurality of magnetic field generators 20 may be used as long as the magnetic field generator 20 can apply a magnetic field perpendicular to the magnetic body 10.
  • the number and arrangement of the magnetic field generators 20 are not limited to this.
  • the measurement unit 50 includes a measurement power source 51 and an ammeter 52.
  • the measurement power supply 51 is provided between the magnetic body 10 and the skyrmion detection element 15.
  • the ammeter 52 measures a measurement current that is supplied from the measurement power supply 51.
  • the ammeter 52 is provided between the measurement power supply 51 and the skyrmion detection element 15.
  • the measuring unit 50 can detect the presence or absence of the skillion 40 with a small amount of power by using the highly sensitive skillion detection element 15.
  • the coil current power source 60 is connected to the current path 12 and allows a current to flow in the direction indicated by the arrow C.
  • the current flowing through the current path 12 generates a magnetic field from the front surface to the back surface of the magnetic body 10 in the region surrounded by the current path 12.
  • Orientation of the magnetic field current flowing in the current path 12 is induced, because of the orientation of the uniform magnetic field H from the magnetic field generating unit 20 are opposite, in the coil area A C, in the direction of the surface from the back surface of the magnetic body 10 A weakened magnetic field Ha is generated.
  • the coil current power supply 60 may flow the coil current in the opposite direction to that when the skyrmion 40 is generated. Further, when a plurality of current paths 12 are provided, a plurality of coil current power sources 60 may be provided according to the number of current paths 12.
  • FIG. 25 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the skyrmion memory 100.
  • the skillmion memory 100 stores information by enabling the generation and deletion of the skillmion 40 with current. For example, the presence or absence of the skillion 40 at a predetermined position of the magnetic body 10 corresponds to 1-bit information.
  • the skyrmion memory 100 of this example includes a magnetic element 30, a magnetic field generation unit 20, a control power supply 61, and a measurement unit 50.
  • the magnetic element 30 can generate, erase and detect the skyrmion 40 by the applied current.
  • the magnetic element 30 of this example includes a magnetic body 10, an upstream nonmagnetic metal 16, a downstream nonmagnetic metal 17, and a recessed electrode 153.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 and the recessed electrode 153 constitute a skyrmion detection element 15.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 is connected to the magnetic body 10.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 is connected in the extending direction of the magnetic body 10.
  • the extending direction of the magnetic body 10 refers to a direction parallel to the xy plane.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 may have a thin layer shape. Further, the upstream nonmagnetic metal 16 may have the same thickness as the magnetic body 10.
  • the downstream nonmagnetic metal 17 is separated from the upstream nonmagnetic metal 16 and connected to the magnetic body 10.
  • the downstream nonmagnetic metal 17 may be connected in the extending direction of the magnetic body 10.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 and the downstream nonmagnetic metal 17 are arranged so that a current in a direction substantially parallel to the xy plane flows through the magnetic body 10 when a voltage is applied.
  • the upstream nonmagnetic metal 16 and the downstream nonmagnetic metal 17 are made of a conductive nonmagnetic metal such as Cu, W, Ti, TiN, Al, Pt, or Au.
  • Control power supply 61 is connected to upstream nonmagnetic metal 16 and downstream nonmagnetic metal 17.
  • the control power supply 61 selects either the direction from the upstream nonmagnetic metal 16 toward the downstream nonmagnetic metal 17 or the direction from the downstream nonmagnetic metal 17 toward the upstream nonmagnetic metal 16 to select a magnetic material.
  • a current is supplied to 10.
  • the control power supply 61 applies a current to the magnetic body 10 in a direction from the upstream nonmagnetic metal 16 toward the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the control power supply 61 applies a current to the magnetic body 10 in a direction from the downstream nonmagnetic metal 17 toward the upstream nonmagnetic metal 16.
  • the magnetic body 10 has a recess 19 at the end 18.
  • the end portion 18 in this example is an end portion between the upstream nonmagnetic metal 16 and the downstream nonmagnetic metal 17 among the end portions of the magnetic body 10.
  • the end 18 is an upper end of the magnetic body 10 when the upstream nonmagnetic metal 16 is disposed on the right side and the downstream nonmagnetic metal 17 is disposed on the left side.
  • the recess 19 is provided at the end 18 so as to be separated from both the upstream nonmagnetic metal 16 and the downstream nonmagnetic metal 17.
  • a nonmagnetic material may be provided inside the recess 19.
  • the skyrmion memory 100 uses the skyrmion 40 generated by the current from the control power supply 61 as an information storage medium.
  • the direction of the electron flow is indicated by an arrow (the direction of the current is opposite to this).
  • Skyrmions 40 can be generated from the recesses 19 of the magnetic body 10 by this electron flow.
  • the skyrmion 40 is generated near the corner 24 of the recess 19.
  • the corner 24 is a corner on the upstream nonmagnetic metal 16 side in the region of the recess 19 that protrudes most into the magnetic body 10.
  • the recess 19 has at least two corners in the region that protrudes most into the magnetic body 10.
  • the recess 19 may have a side parallel to the upstream nonmagnetic metal 16 and a side parallel to the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the corner 24 may be an end of a side parallel to the upstream nonmagnetic metal 16.
  • the recess 19 in this example has a quadrangular shape.
  • the magnetic body 10 surrounds the three sides of the recess 19.
  • the remaining one side of the recess 19 is a straight line that interpolates between the end portions 18 on both sides of the recess 19.
  • the corner 24 is a corner closer to the upstream nonmagnetic metal 16 among the two corners at the tip of the recess 19.
  • the shape of the recess 19 is not limited to a quadrangle.
  • the shape of the recess 19 may be a polygon.
  • each side of the recess 19 may not be a straight line.
  • the tip of at least one corner of the recess 19 may be rounded.
  • the magnetic body 10 becomes a ferromagnetic phase by the magnetic field generator 20. For this reason, the magnetic moment in the magnetic body 10 faces the same direction as the magnetic field H. However, the magnetic moment at the end of the magnetic body 10 does not face the same direction as the magnetic field H and has an inclination with respect to the magnetic field H. In particular, in the vicinity of the corner of the recess 19, the gradient of the magnetic moment changes continuously. For this reason, skirmions 40 are more likely to occur in the corners of the magnetic body 10 than in other regions, and the skirmions 40 can be generated by a predetermined electron flow.
  • the concave portion 19 has at least two corner portions in which the inner angle forms an obtuse angle in the most protruding region inside the magnetic body 10.
  • the inner angle of the corner 24 adjacent to the upstream nonmagnetic metal 16 is 180 ° or more.
  • the internal angle of the corner 22 adjacent to the downstream nonmagnetic metal 17 may also be 180 ° or more.
  • the inner angle of the corner of the recess 19 refers to the angle of the corner 24 on the magnetic body 10 side.
  • the internal angle of the corner 24 adjacent to the upstream nonmagnetic metal 16 is 270 °.
  • the inner angle of the corner portion 24 is 270 °, the magnetic moment in the vicinity of the corner portion 24 in a state where no current is applied is closest to the spiral shape. For this reason, in the generation of the skyrmion 40, the inner angle of the corner portion 24 is preferably 270 °.
  • the direction of the electron flow is opposite to that shown in FIG.
  • the reverse electron flow pushes skyrmion 40 into the region between recess 19 and downstream nonmagnetic metal 17.
  • the area has a width that does not allow the skillion 40 to be maintained. For this reason, the skill meon 40 can be erased.
  • the width refers to the length in the direction in which a current flows in the magnetic body 10 (in this example, the y-axis direction).
  • the region between the recess 19 and the upstream nonmagnetic metal 16 has a width that can maintain the skyrmion 40. That is, the region between the recess 19 and the upstream nonmagnetic metal 16 is wider than the region between the recess 19 and the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the recess 19 in this example has a recess electrode 153 made of a nonmagnetic metal connected to the magnetic body 10 in the extending direction of the magnetic body 10. Further, the upstream nonmagnetic metal 16 functions as an electrode for generating and erasing the skyrmion 40 and also functions as an electrode in the skyrmion detection element 15.
  • the skillion detection element 15 detects the generation and deletion of the skillion 40.
  • the skyrmion detection element 15 is a resistance element whose resistance value changes depending on the presence or absence of the skyrmion 40.
  • the concave electrode 153 contacts the side facing the upstream nonmagnetic metal 16 in the concave portion 19. As shown in FIG. 25, the entire recess 19 may be a recess electrode 153.
  • the recessed electrode 153 sandwiches the position where the stable skyrmion 40 exists together with the upstream nonmagnetic metal 16.
  • the resistance value of the magnetic body 10 between the upstream nonmagnetic metal 16 and the recessed electrode 153 changes according to the generation and erasure of the skyrmion 40.
  • the resistance value when the skillmion 40 does not exist in the magnetic body 10 indicates the minimum value, and when the skillmion 40 exists, the resistance value increases.
  • the high resistance (H) and the low resistance (L) of the skyrmion detection element 15 correspond to the presence or absence of the skyrmion 40, and correspond to the information “1” and “0” stored in the memory cell.
  • the measuring unit 50 is connected to the recessed electrode 153 and the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the measuring unit 50 measures the resistance value of the magnetic body 10 between the recessed electrode 153 and the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the resistance value between the recessed electrode 153 and the downstream nonmagnetic metal 17 corresponds to the resistance value of the magnetic body 10 and changes according to the generation and erasure of the skyrmion 40. For example, when the skyrmion 40 does not exist, a spatially uniform magnetic field H is generated in the magnetic body 10. On the other hand, when the skyrmion 40 is present, the magnetic field applied to the magnetic body 10 is not spatially uniform.
  • the measurement unit 50 in this example includes a measurement power supply 51 and an ammeter 52.
  • the measurement power source 51 is provided between the recessed electrode 153 and the downstream nonmagnetic metal 17.
  • the ammeter 52 measures a measurement current flowing from the measurement power supply 51.
  • the resistance value of the magnetic body 10 can be detected from the ratio between the known voltage applied by the measurement power supply 51 and the current measured by the ammeter 52. Thereby, the information stored in the skyrmion memory 100 can be read.
  • the skyrmion memory 100 having the above-described configuration can be embodied as a magnetic element capable of transferring and erasing the skyrmion 40 in the magnetic body 10.
  • the downstream nonmagnetic metal 17, the downstream nonmagnetic metal 17, and the control power supply 61 operate as a skillion control unit that controls generation, erasure, and transfer of the skillion 40.
  • FIG. 26 shows a skyrmion memory 100 having a plurality of magnetic field generators 20.
  • the skyrmion memory 100 of this example has a total of eight layers of magnetic elements 30 from the magnetic element 30-1 to the magnetic element 30-8.
  • the skyrmion memory 100 has four layers of magnetic elements 30 on the magnetic field generator 20-1.
  • the skyrmion memory 100 further includes a magnetic field generator 20-2 between the magnetic element 30-4 and the magnetic element 30-5. Thereby, the magnetic element 30 can keep the intensity of the magnetic field received from the magnetic field generator 20 constant.
  • the magnetic field generator 20 may be arranged at an appropriate interval according to the material of the magnetic element 30 and the like.
  • FIG. 27 shows a configuration example of the skyrmion memory device 110 having a semiconductor element.
  • the skyrmion memory device 110 of this example includes a skyrmion memory 100 and a CMOS-FET 90 that constitutes a CPU function.
  • a skyrmion memory 100 is formed on the CMOS-FET 90.
  • the CMOS-FET 90 of this example has a PMOS-FET 91 and an NMOS-FET 92 formed on the substrate 80.
  • the skyrmion memory device 110 can have the CMOS-FET 90 constituting the CPU function and the skyrmion memory 100, which is a stacked large-scale nonvolatile memory, in the same chip. As a result, the processing time and speed of the CPU can be shortened and the power consumption of the CPU can be greatly reduced.
  • FIG. 28 is a schematic diagram showing a configuration example of a solid electronic device 200 with a skyrmion memory.
  • the skyrmion memory-equipped solid-state electronic device 200 includes the skyrmion memory 100 or the skillumion memory device 110, and the solid-state electronic device 210.
  • the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 is the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 described with reference to FIGS.
  • the solid-state electronic device 210 is, for example, a CMOS-LSI device.
  • the solid-state electronic device 210 has at least one function of writing data to the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 and reading data from the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110.
  • FIG. 29 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the data processing device 300.
  • the data processing apparatus 300 includes a skyrmion memory 100 or a skyrmion memory device 110, and a processor 310.
  • the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 is the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 described with reference to FIGS.
  • the processor 310 includes, for example, a digital circuit that processes a digital signal.
  • the processor 310 has at least one function of writing data to the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 and reading data from the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing a configuration example of the data recording apparatus 400.
  • the data recording apparatus 400 includes a skyrmion memory 100 or a skyrmion memory device 110 and an input / output device 410.
  • the data recording device 400 is a memory device such as a hard disk or a USB memory.
  • the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 is the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 described with reference to FIGS.
  • the input / output device 410 has at least one of a function of writing data from the outside to the skyrmion memory 100 or the skyrmion memory device 110 and a function of reading data from the skyrmion memory 100 or the skyrmion memory device 110 and outputting the data to the outside.
  • FIG. 31 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the communication device 500.
  • the communication device 500 refers to all devices having a communication function with the outside, such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet terminal. Communication device 500 may be portable or non-portable.
  • the communication device 500 includes a skillmion memory 100 or a skillmion memory device 110, and a communication unit 510.
  • the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 is the skirmion memory 100 or the skirmion memory device 110 described with reference to FIGS.
  • the communication unit 510 has a communication function with the outside of the communication device 500.
  • the communication unit 510 may have a wireless communication function, may have a wired communication function, and may have both wireless communication and wired communication functions.
  • the communication unit 510 has a function of writing data received from the outside to the skyrmion memory 100 or the skyrmion memory device 110, a function of transmitting data read from the skyrmion memory 100 or the skyrmion memory device 110, and skyrmion
  • the memory 100 or the skyrmion memory device 110 has at least one function that operates based on the control information stored.
  • any electronic device such as a personal computer or an image recording device may be used.
  • the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 to communication devices (such as mobile phones, smartphones, tablet terminals, etc.) equipped with a CPU, image information can be captured and various large-scale application programs can be used. Since the operation can be realized at a higher speed and the high-speed response can be realized, it is possible to ensure a comfortable use environment for the user. In addition, since the display speed of the image displayed on the screen can be increased, the usage environment can be further improved.
  • the skillion memory 100 or the skillion memory device 110 by applying the skillion memory 100 or the skillion memory device 110 to an electronic device such as a digital camera, it becomes possible to record a moving image over a large capacity. Further, by applying the skyrmion memory 100 or the skyrmion memory device 110 to an electronic device such as a 4K television receiver, it is possible to realize a large capacity of image recording. As a result, it is possible to eliminate the necessity of connecting an external hard disk in the television receiver. Further, the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 may be embodied as a data recording medium in addition to being applied to a data recording device such as a hard disk.
  • the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 to an electronic device such as a navigation system for automobiles, it is possible to realize further enhancement of function and to easily store a large amount of map information.
  • the skillmion memory 100 or the skillmion memory device 110 can be expected to have a great impact in putting the self-propelled device and the flying device into practical use.
  • complicated control processing of flight equipment, weather information processing, enhancement of passenger services by providing high-definition video, and recording of a large amount of recorded information of control of space flight equipment and observed image information And it brings a lot of knowledge to mankind.
  • the skillmion memory 100 or the skillion memory device 110 is a magnetic memory, it has high resistance to high energy elementary particles flying in outer space.
  • the flash memory has an advantage that is different from that of a flash memory that uses electric charges accompanying electrons as a storage holding medium. Therefore, it is important as a storage medium such as a space flight device.
  • SYMBOLS 1 Magnetic shift register, 2 ... Magnetic sensor, 10 ... Magnetic body, 11 ... Sample, 12 ... Current path, 15 ... Skyrmion detection element, 16 ... Upstream Side non-magnetic metal, 17 ... downstream non-magnetic metal, 18 ... end, 19 ... recess, 20 ... magnetic field generator, 22 ... corner, 24 ... corner, DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 ... Magnetic element, 40 ... Skyrmion, 50 ... Measurement part, 51 ... Power supply for measurement, 52 ... Ammeter, 60 ... Power supply for coil current, 61 ... Control Power supply, 80 ... substrate, 90 ... CMOS-FET, 91 ...
  • PMOS-FET, 92 ... NMOS-FET 100 ... skirmion memory, 110 ... skirmion memory device, 151 ... Nonmagnetic thin film, 152 ... Magnetic metal, 153 Recessed electrode, 200 ... Solid electronic device with skyrmion memory, 210 ... Solid electronic device, 300 ... Data processing device, 310 ... Processor, 400 ... Data recording device, 410 ... Input Output device, 500... Communication device, 510.

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Abstract

　スキルミオンを生成できる磁気素子及びこの磁気素子を応用したスキルミオンメモリ等を提供する。カイラル磁性体を有し、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、カイラル磁性体はβ－Ｍｎ型結晶構造を有する磁性材料からなる磁気素子を提供する。また、カイラル磁性体を有し、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、カイラル磁性体はＡｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料からなる磁気素子を提供する。

Description

磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置及び通信装置
　本発明は、スキルミオンを生成、消去可能な磁気素子、当該磁気素子を用いたスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、スキルミオンメモリを内蔵したデータ記録装置、スキルミオンメモリを内蔵したデータ処理装置、及び、スキルミオンメモリを内蔵した通信装置に関する。
　磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。当該磁気素子は、情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素として機能するナノスケールの磁気構造を有する。当該磁気素子は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から、大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度が増している。
　次世代型の磁気メモリデバイスの候補としては、米国ＩＢＭを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、磁気ドメイン磁壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出す（特許文献１参照）。
　図３２は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。図３２では、マグネチックシフトレジスタ１におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ１に矢印の向きの電流を流すことにより、磁気ドメイン磁壁が駆動する。ドメイン磁壁が移動することにより、磁気センサ２の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ２で検知して磁気情報を引き出す。
　しかし、こうしたマグネチックシフトレジスタ１は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流が必要であり、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。この結果、メモリの書き込み、消去時間が遅くなる。
　そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した（特許文献２参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。
　［先行技術文献］
　［特許文献］
　［特許文献１］米国特許第６８３４００５号明細書
　［特許文献２］特開２０１４－８６４７０号公報
　［非特許文献１］永長　直人、十倉　好紀、"Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｋｙｒｍｉｏｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、英国、Ｎａｔｕｒｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ、２０１３年１２月４日、Ｖｏｌ．８、ｐ８９９－９１１．
　スキルミオンは、直径が１ｎｍから５００ｎｍと極微小な磁気構造を有し、その構造を長時間保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。しかし、現在知られている、スキルミオンを生成するカイラル磁性体としては、Ｂ２０型結晶構造をもつＭｎＳｉ、Ｆｅ１－ｘＣｏｘＳｉ、ＦｅＧｅ、及びＭｎ１－ｘＧｅｘＦｅなどがある（非特許文献１）。Ｂ２０型結晶構造でスキルミオンを生成する最高温度はＦｅＧｅの２７８Ｋ（５℃）であり、常温２０℃よりも低い。そのため、スキルミオンをメモリ素子として実用するためには、常温付近の温度でスキルミオンを生成する、Ｂ２０型結晶構造とは異なるカイラル磁性体結晶構造が必要である。
　本発明の第１の態様においては、カイラル磁性体を有し、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、カイラル磁性体はβ－Ｍｎ型結晶構造もしくはＡｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料からなる磁気素子を提供する。
　本発明の第２の態様においては、厚さ方向に複数積層した第１の態様に記載の磁気素子を有するスキルミオンメモリを提供する。
　本発明の第３の態様においては、第１の態様に記載の磁気素子と、カイラル磁性体に対向して設け、カイラル磁性体に磁場を印加する磁場発生部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。
　本発明の第４の態様においては、基板と、基板上に形成した半導体素子と、半導体素子の上方に積層した、第１の態様に記載の磁気素子と、カイラル磁性体に対向して設け、カイラル磁性体に磁場を印加する磁場発生部とを備えるスキルミオンメモリを提供する。
　本発明の第５の態様においては、第２から第４のいずれかの態様に記載のスキルミオンメモリと、固体電子デバイスとを同一チップ内に備えるスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイスを提供する。
　本発明の第６の態様においては、第２から第４のいずれかの態様に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ記録装置を提供する。
　本発明の第７の態様においては、第２から第４のいずれかの態様に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ処理装置を提供する。
　本発明の第７の態様においては、第２から第４のいずれかの態様に記載のスキルミオンメモリを搭載した通信装置を提供する。
磁性体中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの一例を示す模式図である。磁気モーメントの強さと向きを矢印で模式的に示す。 ヘリシテイγが異なるスキルミオンを示す。 β－Ｍｎ型結晶構造を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４からなる磁化の温度依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の２Ｋにおける磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の５０Ｋにおける磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の１００Ｋにおける磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の２００Ｋにおける磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の３００Ｋにおける磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の３５０Ｋにおける磁場依存性を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡の磁気モーメントの観察手法の原理を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡によるＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の観察像を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡によるＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４のらせんピッチを示す。 ローレンツ電子線顕微鏡による磁場４５０Ｏｅの場合のＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の観察像を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡によるＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の観察像の磁気モーメント解析結果を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４のスキルミオンの磁気相図を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の磁化の温度依存性を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡によるＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の３４５Ｋ、印加磁場強度ゼロの場合の観察像を示す。 ローレンツ電子線顕微鏡によるＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の３４５Ｋ、印加磁場強度９０ｍＴの場合の観察像を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２のスキルミオンの磁気相図を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の温度依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の磁場依存性を示す。 Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の磁場依存性の微分データを示す。 Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３のスキルミオンの磁気相図を示す。 Ｃｏ１０Ｚｎ１０の磁化の温度依存性を示す。 Ｃｏ１０Ｚｎ１０の交流帯磁率の実部の磁場依存性を示す。 Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を示す。 Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２とＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の混晶の磁化の温度依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の２Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の５０Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の１００Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の２００Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の３００Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 ０．７Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋０．３Ｃｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の３５０Ｋにおける磁化の磁場依存性を示す。 スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の構成例を示す。 スキルミオンメモリデバイス１１０の構成例を示す。 スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。 データ処理装置３００の構成例を示す模式図である。 データ記録装置４００の構成例を示す模式図である。 通信装置５００の構成例を示す模式図である。 電流による磁気ドメイン駆動の原理を示す図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　スキルミオンを生成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体とはカイラルな結晶構造を有する磁性体である。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対してらせん上に回転する磁気秩序相を伴う磁性体にしばしばなりうる。外部磁場を印加することにより、らせん磁気秩序相はスキルミオンが存在する状態を経て強磁性相へと変化する。
　図１は、磁性体１０中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０の一例を示す模式図である。図１において、各矢印は、スキルミオン４０における磁気モーメントの向きを示す。ｘ軸及びｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸はｘｙ平面に直交する軸である。
　磁性体１０は、ｘ‐ｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１０の当該平面上にあらゆる方向を向く磁気モーメントは、スキルミオン４０を構成する。本例では、磁性体１０に印加する磁場の向きはプラスｚ方向である。この場合に、本例のスキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、プラスｚ方向に向く。
　スキルミオン４０において磁気モーメントは最外周から内側へ向けて渦巻状に回転する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い徐々にプラスｚ方向からマイナスｚ方向へ向きを変える。
　スキルミオン４０は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン４０は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン４０が存在する磁性体１０が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン４０を構成する磁気モーメントはその厚さ方向では同じ向きである。即ち、板の深さ方向（ｚ方向）には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。スキルミオン４０の直径λは、スキルミオン４０の最外周の直径を指す。本例において最外周とは、図１に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。
　スキルミオン数Ｎｓｋは、渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０を特徴づける。スキルミオン数は、以下の［数１］及び［数２］で表現することができる。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との極角Θ（ｒ）はスキルミオン４０の中心からの距離ｒの連続関数である。極角Θ（ｒ）は、ｒを０から∞まで変化させたとき、πからゼロまで又はゼロからπまで変化する。
　［数１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　［数２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　［数１］において、ｎ（ｒ）は、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントの向きを示す単位ベクトルである。［数２］において、ｍはボルテシテイ、γはヘリシテイである。［数１］及び［数２］から、Θ（ｒ）がｒをから∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときＮｓｋ＝－ｍとなる。
　図２は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す模式図である（非特許文献１）。特に、スキルミオン数Ｎｓｋ＝－１の場合の一例を図２に示す。図２（ｅ）は、磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。なお、右手系であるので、ｎｘ軸及びｎｙ軸に対してｎｚ軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。図２（ａ）から図２（ｅ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。
　図２（ｅ）における円周上の濃淡で示す磁気モーメントは、ｎｘ－ｎｙ平面上の向きを有する。これに対して、図２（ｅ）における円中心の最も薄い濃淡（白）で示す磁気モーメントは、紙面の裏から手前の向きを有する。円周から中心までの間の各位置の濃淡で示さす磁気モーメントのｎｚ軸に対する角度は、中心からの距離に応じてπからゼロととる。図２（ａ）から図２（ｄ）における各磁気モーメントの向きは、図２（ｅ）において同一の濃淡で示す。なお、図２（ａ）から図２（ｄ）におけるスキルミオン４０の中心のように、最も濃い濃淡（黒）で示す磁気モーメントは、紙面手前から紙面の裏への向きを有する。図２（ａ）から図２（ｄ）における各矢印は、磁気構造体の中心から所定の距離における磁気モーメントを示す。図２（ａ）から図２（ｄ）に示す磁気構造体は、スキルミオン４０と定義できる状態にある。
　図２（ａ）（γ＝０）において、スキルミオン４０の中心から所定の距離における濃淡は、図２（ｅ）の円周上の濃淡と一致している。このため、図２（ａ）において矢印で示した磁気モーメントの向きは、中心から外側に放射状に向いている。図２（ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（ｂ）（γ＝π）の各磁気モーメントの向きは、図２（ａ）の各磁気モーメントを１８０°回転した向きである。図２（ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（ｃ）（γ＝－π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（ａ）の各磁気モーメントを－９０度（右回りに９０度）回転した向きである。
　図２（ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（ｄ）（γ＝π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（ａ）の各磁気モーメントを９０度（左回りに９０度）回転した向きである。なお、図２（ｄ）に示すヘリシテイγ＝π／２のスキルミオンが、図１のスキルミオン４０に相当する。
　図２（ａ）～（ｄ）に図示した４例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー（位相幾何学）的には同一の磁気構造体である。図２（ａ）～（ｄ）の構造を有するスキルミオン４０は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
　しかし、現在知られている、スキルミオン４０を生成するカイラル磁性体合金は、Ｂ２０型結晶構造に限られていた（非特許文献１）。Ｂ２０型結晶構造の中でスキルミオン４０を生成する温度が最高の磁性体はＦｅＧｅで、２７８Ｋ（３℃）である。常温２０℃付近の温度でスキルミオン４０を生成する可能性のあるカイラル磁性体結晶構造として、β－Ｍｎ型結晶構造及びＡｕ４Ａｌ型結晶構造がある。
　β－Ｍｎ型結晶構造は、空間群Ｐ４１３２型もしくはＰ４３３２型に属し、空間群Ｐ２１３結晶構造をもつＢ２０型結晶構造とは異なる。Ａｕ４Ａｌ型結晶構造は、空間群Ｐ２１３に属するが、同じ空間群Ｐ２１３結晶構造をもつＢ２０型結晶構造とは異なる。次に、β－Ｍｎ型結晶構造を有する材料、及び、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する材料は、ゼロ℃以上のスキルミオン結晶相を有することを実施例で示す。
　（実施例１）
　カイラル磁性体であるβ－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、ゼロ℃以上でスキルミオン結晶相を有する。β－Ｍｎ型結晶構造である化合物として、ＣｏｘＺｎｙＭｎｚからなり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、及び、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０を満たす材料がある。より具体的な例として、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４がある。Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４は、３００Ｋ（２７℃）でスキルミオン結晶を有する。
　図３はβ－Ｍｎ型結晶構造を示す。β－Ｍｎ型結晶構造はカイラル（らせん）構造をもつ空間群Ｐ４１３２型もしくはＰ４３３２型結晶構造である。空間群Ｐ４１３２型結晶構造とＰ４３３２型結晶構造とはらせん構造が鏡面対称関係にある。らせん構造のβ－Ｍｎ型結晶構造は単位胞に２０個の原子を有する立方晶構造である。２０個の元素は、空間配置が等価な８個のｃサイトと、空間配置が等価な１２個のｄサイトからなる。ｃサイトは３回回転軸上に位置し、ｄサイトは２回回転軸上に位置する。図３は１個のｃサイトの１１１方向からみたβ－Ｍｎ型結晶構造を示しているが、２０個の元素それぞれが１１１軸に対して１２０度回転しても元の結晶位置と重なる３回対称性を有する。ｃサイトはどれも３回回転軸上に位置する。
　図４は、β－Ｍｎ型結晶構造のＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の温度依存性を示す。横軸はＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の温度（Ｋ）を示し、縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。本例の印加磁場Ｈは、１ｋＯｅ（エルステッド）である。Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４はらせん磁気転移温度が３１０Ｋ（３７℃）付近のらせん磁性体である。らせん磁気転移温度は、スキルミオン４０を生成する温度を判断する上で重要である。らせん磁気転移温度は、らせん磁性相に転移する温度であり、スキルミオン４０が生成できる最高温度を示す。
　図５Ａ～図５Ｆは、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の磁化の磁場依存性を示す。横軸は、－３ｋＯｅから３ｋＯｅのＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４に与えられる印加磁場Ｈ（ｋＯｅ）を示し、縦軸は、磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。図５Ａ～図５Ｆは、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の温度をそれぞれ２Ｋ、５０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋ、３００Ｋ及び３５０Ｋとした場合に対応する。２Ｋの場合、磁化の磁場依存性は、ヒステリシス特性を有する。５０Ｋ以上の温度が与えられた場合、磁気モーメントは印加磁場Ｈに対して１ｋＯｅ付近まで線形性を有する柔らかい磁化特性を示す。この柔らかい磁化特性は、スキルミオン４０を生成するための必要条件である。ここで、柔らかい磁化特性とは、保磁力が小さな磁性体を指す。保磁力とは、磁化を反転させるために必要な磁場の大きさである。
　図６は、ローレンツ電子線顕微鏡の磁気モーメントの観察方法の原理を説明するための図である。ローレンツ電子線顕微鏡は、ローレンツ力を利用して、磁気モーメントを観察する透過電子線顕微鏡である。ローレンツ力により、試料１１に生じる磁界が入射した電子線を偏向する。偏向した電子線による電子像を後述する解析手法を用いて、磁気モーメントの強度や方向を直接観察できる。ローレンツ電子線顕微鏡は、ナノスケールの磁気モーメントを直接観察できる数少ない装置である。
　試料１１は、厚さが１００ｎｍ以下である薄片の磁性体である。試料１１の厚さを１００ｎｍ以下にすることにより、試料１１の上側から加速して入射する電子線が、試料１１を透過できる。
　ローレンツ電子線顕微鏡は、試料１１の上側から電子線を平行に入射する。試料１１の磁気ドメインの磁化方向は、矢印のように試料１１の面方向に向く。これにより、磁気ドメインの磁界によりローレンツ力が生じ、電子線の軌道を曲げる。磁気ドメインの方向によって電子線方向は異なるので、フォーカス面に到達する電子密度に分布が発生する。電子密度分布は密度の高い黒色部分と、密度の薄い白色部分となり、それぞれがドメイン境界を示す。ドメイン境界では、白黒の反転が互い違いに生じ、白黒反転のそれぞれの間隙がドメインを示す。これにより、磁気ドメインを観察できる。このようにローレンツ電子線顕微鏡は、磁気モーメントを２次元面に投影した画像を直接観察できる。磁気モーメントがらせん構造の場合、白黒の反転が連続的に観察できる。一方、通常の透過電子線顕微鏡では、入射電子線は試料平面に焦点をもつ集光ビームを用いる。この集光点を試料平面の二次元面上を掃引して二次元面の原子像を得ることができる。しかし、磁気モーメントによる電子散乱は干渉効果を受けないので磁気モーメントを観察することはできない。次に、実際にローレンツ電子線顕微鏡により観察した、カイラル磁性体を示す。
　図７は、温度９５Ｋ、印加磁場ＨがＢ＝０での、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４のローレンツ電子線顕微鏡像を示す。本例の試料１１の厚さは５０ｎｍである。１－１０方向に００１方向に沿った縞模様の明暗を観察できる。この縞模様は磁気モーメントがらせん回転していることを示す。白色領域から白色領域までの実測距離がらせんピッチを示す。領域Ａは、１－１０方向に沿った任意の領域である。
　図８は、図７の領域Ａの１－１０方向に沿った強度の測定結果を示す。横軸は、領域Ａ内の１－１０方向に沿った位置を示し、縦軸は、観測した信号の強度を示す。領域Ａにおいて、連続的に強度が分布し、ピークは等間隔となる。ピーク間距離はらせんピッチに相当する。本例のピーク間距離は１００ｎｍであるので、らせんピッチは１００ｎｍとなる。
　図９は、温度２９３Ｋ（２０℃）、印加磁場ＨがＢ＝４５ｍＴ（４５０Ｏｅ）での、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４のローレンツ電子線顕微鏡像を示す。本例のローレンツ電子線顕微鏡像は、スキルミオン４０を生成した状態を示し、黒色ドットが発生している。図７で示した印加磁場ＨがＢ＝０ｍＴ（０Ｏｅ）の場合にはこのようなドット状の像は観察できない。黒色ドットは、最密構造をとるように６回の回転対称をもつ六方最密結晶構造を示す。本例のローレンツ電子線顕微鏡像から算出するスキルミオン結晶格子定数は、磁場ゼロのらせん磁性相のらせんピッチ１００ｎｍから求まる数値１２０ｎｍと一致する。以上から、本例の黒色ドットは、スキルミオン４０からなる結晶格子であることが判る。スキルミオン４０の直径は１２０ｎｍである。
　図１０は、図９のローレンツ電子線顕微鏡像を、強度輸送方程式法を用いて解析した領域Ｂ（図９）の磁化分布を示す。試料１１上に磁気モーメントを示す矢印が右回りに回転する。矢印の長さは磁気モーメントの大きさの紙面への射影成分に対応している。外周部から中心部になるに従い矢印の長さが短くなり、中心部は紙面に垂直に表面から裏面に向いていることを示している。本例の試料１１は、図２のスキルミオン（ｃ）の状態の磁気モーメントを発生させている。本例のスキルミオン４０の渦構造はすべて同一の向きである。磁化分布は、強度輸送方程式法によるローレンツ電子線顕微鏡像の解析によって算出する。これにより、スキルミオン４０の磁気モーメントの構造の詳細が明らかになる。即ち、ローレンツ電子線顕微鏡像は、試料１１にスキルミオン４０が生成していることを確かなものとする。
　スキルミオン４０の磁気モーメントは、強度輸送方程式法を用いて算出できる。本例では、強度輸送方程式によって、領域Ｂにおけるローレンツ電子線顕微鏡像を解析し、磁気モーメントの磁化分布を算出する。磁気モーメントの磁化分布は、以下の原理で算出できる。磁性体中の磁化分布は、アハラノフ－ボーム効果を通して電子の位相を変化させる。この位相変化から磁化分布を算出できる。２つの経路における位相差は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　である。近軸近似によるシュレーディンガー方程式から算出した強度輸送方程式を下記に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　ここで、ｚ軸方向を電子線入射方向とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　はｚ軸に垂直な面における演算子である。
　この関係から、ｚ軸方向の電子線強度Ｉの変化率、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　から位相φを算出できる。位相φと電子線強度Ｉの関係式（強度輸送方程式）に基づき、電子線強度測定によって磁化分布を得る。
　図１１は、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４のローレンツ電子線顕微鏡像から決定したスキルミオン相図を示す。試料１１の厚さは５０ｎｍである。試料１１の厚さはスキルミオン４０の生成に重要である。試料１１が薄い場合ほど、スキルミオン結晶相を示すＳｋＸ領域が広くなることはＦｅＧｅの例で詳細に観察されている（非特許文献１）。スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）は２６０Ｋから３００Ｋの範囲で、印加磁場Ｈは３０ｍＴから１３０ｍＴの領域に存在する。
　（実施例２）
　次に、β－Ｍｎ型結晶構造をもつ磁性体であり、ＣｏｘＺｎｙＭｎｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０であるＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２についての実施例を述べる。
　図１２は、Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の磁化の温度依存性を示す。横軸はＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の温度（Ｋ）を示し、縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。本例の印加磁場Ｈは、１ｋＯｅである。Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の磁化は、３５０Ｋ（７７℃）付近において急激に減少する。Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２は、らせん磁気転移温度が３５０Ｋ（７７℃）付近のらせん磁性体である。また、磁化の磁場依存性は図５Ａ～図５Ｆによく似ている。５０Ｋ以上の磁気モーメントは印加磁場Ｈに対して１ｋＯｅ付近まで線形性を有する柔らかい磁化特性を示す。この柔らかい磁化特性はスキルミオン４０を生成するための必要条件を満たす。
　図１３Ａ及び図１３Ｂは、Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２のローレンツ電子線顕微鏡像を示す。図１３Ａは、温度３４５Ｋ、印加磁場ＨがＢ＝０ｍＴにおけるＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２のローレンツ電子線顕微鏡像を示す。印加磁場ＨがＢ＝０ｍＴのローレンツ電子線顕微鏡像では、スキルミオン結晶格子は生成していない。
　図１３Ｂは、温度３４５Ｋ、印加磁場ＨがＢ＝９０ｍＴ（９００Ｏｅ）におけるＣｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２のローレンツ電子線顕微鏡像を示す。本例のローレンツ電子線顕微鏡像では、スキルミオン結晶格子が生成していることが判る。ドット状のパターンがスキルミオン４０である。
　図１４は、Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２のローレンツ電子線顕微鏡観察から決定したスキルミオン相図を示す。本例では、試料１１が厚さ５０ｎｍの薄層状であり、試料１１の１１２面を観察した。スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）は、温度が３２０Ｋから３５０Ｋの範囲において、印加磁場Ｈが３０ｍＴから２００ｍＴの領域に存在する。図１１に示したＣｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の場合と比較して、スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）の領域が広い。また、Ｃｏ８Ｚｎ８Ｍｎ４の場合と比較して、Ｃｏ８Ｚｎ１０Ｍｎ２の場合は、スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）の領域が高温側に広がっている。
　（実施例３）
　次に、β－Ｍｎ型結晶構造をもつ磁性体であり、ＣｏｘＺｎｙＭｎｚ　、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０であるＣｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３についての実施例を述べる。Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３は、バルク多結晶体である。
　図１５は、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の温度依存性を示す。横軸はＣｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の温度（Ｋ）を示し、縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。本例の印加磁場Ｈは、１ｋＯｅである。Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３はらせん磁気転移温度が３２５Ｋ（５２℃）のらせん磁性体である。また、磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）の磁場依存性は図５Ａ～図５Ｆの例によく似ている。５０Ｋ以上の磁気モーメントは印加磁場Ｈに対して１ｋＯｅ付近まで線形性を有する柔らかい磁化特性を示す。この柔らかい磁化特性はスキルミオン４０を生成することができるための必要条件を満たす。
　図１６は、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の磁場依存性を示す。本例では、３００Ｋ付近（３０６Ｋ～３２５Ｋ）の磁化の磁場依存性を示す。横軸は印加磁場Ｈ（ｋＯｅ）を示し、縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。各曲線は、３０６Ｋ～３２５Ｋの温度範囲において、１Ｋずつ温度を変化させた場合の磁化の磁場依存性に対応する。Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３は、印加磁場Ｈの増加に伴い、磁化が大きくなる傾向にある。また、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３は、３００Ｋ付近において、温度が小さい程、磁化強度は大きい。Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３は、１ｋＯｅ付近まで磁場に対して磁化は線形性を有し、柔らかい磁化特性を示す。
　図１７は、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化の磁場依存性を微分した曲線を示す。横軸は印加磁場Ｈ（ｋＯｅ）を示し、縦軸は磁化Ｍを印加磁場Ｈで微分した値ｄＭ／ｄＨ（ａ．ｕ．）を示す。４つの温度領域は、それぞれ異なる微分曲線の傾向を有する。例えば、３１１Ｋから３１９Ｋの範囲で印加磁場Ｈが０．０５ｋＯｅから０．１３ｋＯｅの領域で微分値ｄＭ／ｄＨにディップ構造を有する。微分値ｄＭ／ｄＨのディップ構造は、スキルミオン４０の生成により、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３の磁化分布に変化があったことを示す。
　図１８は、Ｃｏ８Ｚｎ９Ｍｎ３のスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）の相図を示す。本例のスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）の相図は、図１７に示した磁化の微分データから計算する。３１１Ｋから３１９Ｋの範囲で外部磁場０．０５ｋＯｅから０．１３ｋＯｅの領域にスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）が発生する。本例で用いる試料１１は、バルク結晶体であって薄片ではない。３次元結晶形状を用いたので、薄片を用いる場合よりもスキルミオン４０を生成しにくくなり、スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）の領域が狭い。
　（実施例４）
　次に、β－Ｍｎ型結晶構造をもつ磁性体であり、ＣｏｘＺｎｙＭｎｚ　、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０の実施例を述べる。本例では、ｘ＝ｙ＝１０、ｚ＝０の場合であるＣｏ１０Ｚｎ１０について説明する。Ｃｏ１０Ｚｎ１０は、バルク多結晶体である。
　図１９は、Ｃｏ１０Ｚｎ１０の磁化の温度依存性を示す。横軸はＣｏ１０Ｚｎ１０の温度（Ｋ）を示し、縦軸は磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）を示す。本例の印加磁場Ｈは、２０Ｏｅである。Ｃｏ１０Ｚｎ１０はらせん磁気転移温度が４６０Ｋ（１８７℃）のらせん磁性体である。また、磁化（μＢ／ｆ．ｕ．）の磁場依存性は図５Ａ～図５Ｆの例によく似ている。５０Ｋ以上の磁気モーメントは印加磁場Ｈに対して１ｋＯｅ付近まで線形性を有する柔らかい磁化特性を示す。この柔らかい磁化特性はスキルミオン４０を生成するための必要条件を満たす。
　図２０は、Ｃｏ１０Ｚｎ１０の交流帯磁率の実部［ｅｍｕ／ｍｏｌ］の温度依存性を示す。図１７で示した磁気モーメントの微分量と対応する量である。本例では、４４６Ｋ～４６７Ｋでの交流帯磁率の実部の磁場依存性を示す。４５１Ｋから４５５Ｋの温度範囲で、０～０．１ＫＯｅの印加磁場の範囲において窪みのある曲線を示す。この領域にスキルミオン４０が存在する。これは図１７で磁気モーメントの微分曲線で窪みをもつ曲線部分がスキルミオン４０の存在する領域を示すのと同じである。
　以上、実施例１～４に示したようにβ－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、スキルミオン結晶相を有する。しかも、ゼロ℃以上のらせん磁気転移温度を有する材料群が存在している。その一例として、ＣｏｘＺｎｙＭｎｚ　、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０の条件を満たすことにより、ゼロ℃以上にスキルミオン結晶相が存在している。β－Ｍｎ型結晶構造の材料は、公知のＢ２０型結晶構造とは異なる空間群Ｐ４１３２に属するので、スキルミオン４０を生成できる材料の選択範囲を大きく広げる。
　β－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、単体Ｍｎ２０以外に以下のような複数の元素を含む化合物である。例えば、β－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式ＡｘＢｙＣｚからなり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、及び、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０を満たす化合物である。より具体的には、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）はβ－Ｍｎ型結晶構造を有する。ただし０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０である。
　また、これらの化合物間の混晶もβＭｎ型結晶構造を有する。例えば、β－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式Ａｘ１Ｂｙ１Ｃｚ１からなり、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝２０、及び、０≦ｘ１、ｙ１、ｚ１≦２０を満たす材料Ｍと、複数の元素Ａ'、Ｂ'、Ｃ' を用いた化学式Ａ'ｘ２Ｂ'ｙ２Ｃ'ｚ２からなり、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝２０、及び、０≦ｘ２、ｙ２、ｚ２≦２０を満たす材料Ｎとの混晶Ｍ１－ｄＮｄ（０≦ｄ≦１）である混晶である。本実施形態に用いるβ－Ｍｎ型結晶構造を有する材料は、これらの中の磁性元素を含む磁性体を選択すればよい。さらにらせん磁気転移温度が常温２０℃以上である材料を選択すれば、ゼロ℃以上の温度でスキルミオン結晶相が存在する。
　（実施例５）
　図２１は、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を示す。Ａｕ４Ａｌ型結晶構造は、カイラル構造をもつ空間群Ｐ２１３型結晶構造である。スキルミオン結晶相を有するＦｅＧｅ等のＢ２０結晶構造は、空間群Ｐ２１３型結晶構造である。らせん構造Ａｕ４Ａｌ型構造を有する材料は、単位胞に２０個の原子からなる立方晶構造をもつ。２０個の元素の空間配置は、４個が等価なａサイト、４個が等価なａ´サイトと１２個の等価なｂサイトからなる。ａサイト及びａ´サイトは３回回転軸上に位置する。ｂサイトは回転軸上にはない。図２１は１個のａ´サイトの１１１方向からみたＡｕ４Ａｌ型結晶構造を示す。２０個の元素それぞれが１１１軸に対して１２０度回転しても元の結晶位置と重なる３回対称性を有する。ａサイト及びａ´サイトは、３回回転軸上に位置する。次に、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造であるＦｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２とＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２の混晶での実施例を示す。
　図２２は、（１－ｘ）Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋ｘＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２混晶での０≦ｘ≦０．４での磁化の温度依存性を示す。（１－ｘ）Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋ｘＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２（０≦ｘ≦０．４）は、２００Ｋ付近から６５０Ｋ付近までの広い転移温度領域を有する柔らかい磁性体である。この振る舞いはらせん磁性に起因している。特に、磁気転移温度が常温２０℃以上となる０≦ｘ≦０．３が重要である。
　図２３Ａから図２３Ｆは、（１－ｘ）Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋ｘＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２混晶のｘ＝０．３における磁化の磁場依存性を示す。図２３Ａ～図２３Ｆは、温度をそれぞれ２Ｋ、５０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋ、３００Ｋ及び３５０Ｋとした場合に対応する。実施例１～４で示したＣｏｘＺｎｙＭｎｚと同様に、本例の（１－ｘ）Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２＋ｘＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２混晶は、１ｋＯｅまでの磁場強度に対して線形性を示し、柔らかい磁気特性を示す。またこの結晶構造はらせん結晶構造を示す空間群Ｐ２１３型結晶構造に属することからスキルミオン結晶相を有する。また、磁気転移温度は常温２０℃以上であることから、常温２０℃以上でスキルミオン結晶相を有する。
　以上の通り、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する材料は、ゼロ℃以上でスキルミオン結晶相を有する。例えば、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式ＡｘＢｙＣｚからなり、ｘ＋ｙ＝ａ、ｚ＝ｂとしてａとｂの構成比が４：１を満たす材料により形成する。より具体的には、Ａｕ４Ａｌ型結晶には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）がある。また、これらの間の混晶もＡｕ４Ａｌ型構造を有する。
　例えば、Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式Ａｘ１Ｂｙ１Ｃｚ１からなり、ｘ１＋ｙ１＝ａ１、ｚ１＝ｂ１としてａ１とｂ１の構成比が４：１を満たす材料Ｍと、複数の元素Ａ'、Ｂ'、Ｃ' を用いた化学式Ａ'ｘ２Ｂ'ｙ２Ｃ'ｚ２からなり、ｘ２＋ｙ２＝ａ２、ｚ２＝ｂ２としてａ２とｂ２の構成比が４：１を満たす材料Ｎとの混晶Ｍ１－ｄＮｄ（０≦ｄ≦１）である。本実施形態に用いるＡｕ４Ａｌ型結晶構造を有する材料は、これらの中の磁性元素を含む磁性体から選択すればよい。さらに常温２０℃以上の磁気転移温度を有する材料を選択すれば、常温２０℃以上の温度でスキルミオン結晶相が存在できる。
　従来、カイラル磁性体合金でスキルミオン結晶格子の存在を確認したのは、ＦｅＧｅやＭｎＳｉなどのＢ２０型結晶構造に留まっていた。本明細書では、カイラル磁性体のβ－Ｍｎ型結晶構造やＡｕ４Ａｌ型結晶構造においてもスキルミオン結晶格子が存在することを確かめた。さらに、これらのスキルミオン結晶格子はゼロ℃以上で存在することを明らかにした。このことから、スキルミオンメモリの実用展開を大きく切り開いた。スキルミオンメモリは高速でデータ記憶ができる不揮発性メモリである。これは今までにない大きな特徴であり、従来のメモリと一線を画す。
　図２４は、スキルミオンメモリ１００の構成例を示す。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を用いてビット情報を保存する。例えば、磁性体１０におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０、磁場発生部２０、測定部５０及びコイル電流用電源６０を備える。
　磁気素子３０は、スキルミオン４０の生成及び消去が可能である。本例の磁気素子３０は、厚さを５００ｎｍ以下の薄層状に形成した素子である。例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等の技術を用いて形成する。磁気素子３０は、磁性体１０、電流経路１２及びスキルミオン検出素子１５を有する。
　磁性体１０は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相及びらせん磁性相を発現させる。スキルミオン結晶相は、磁性体１０にスキルミオン４０が発生しうる材料を指す。例えば、磁性体１０は、実施例１～４に示した材料により形成する。
　磁性体１０は、非磁性体によって囲まれた構造を有する。非磁性体に囲まれた構造とは、磁性体１０の全方位が非磁性体に囲まれた構造を指す。磁性体１０は薄層状で形成してよい。磁性体１０は、例えばスキルミオン４０の直径の１０倍以下程度の厚みを有してよい。また、磁性体１０は、少なくとも一部が２次元材料として形成する。２次元材料とは、磁性体１０の厚さが１００ｎｍ以下であり、磁性体１０の表面に対して、磁性体１０の厚さが十分に薄い材料のことを指す。
　電流経路１２は、スキルミオン制御部の一例であり、スキルミオン４０の生成及び消去を制御する。電流経路１２は、磁性体１０の一面において磁性体１０の端部を含む領域を囲む。電流経路１２は、絶縁性素材等を用いて磁性体１０と電気的に隔離していてもよい。本例の電流経路１２は、Ｕ字状に形成したコイル電流回路である。Ｕ字状とは、角が丸い形状のみならず、図３のような直角を含む形状であってよい。電流経路１２は、ｘｙ平面において閉じた領域を形成しなくてよい。電流経路１２及び端部の組み合わせが、磁性体１０の表面において閉じた領域を形成すればよい。電流経路１２は、コイル電流用電源６０に接続して、コイル電流を流す。コイル電流を電流経路１２に流すことにより、磁性体１０に対して磁場を発生させる。電流経路１２を、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉ等の非磁性金属材料により形成する。本明細書において、電流経路１２に囲まれた領域をコイル領域ＡＣと称する。また、電流経路１２に囲まれた領域が磁性体１０の端部を含む場合のコイル領域ＡＣを、特に端部領域Ａと呼ぶ。本例の電流経路１２は、ｘｙ平面において、磁性体１０の端部を、非磁性体側から磁性体１０側に少なくとも１回横切り、且つ、磁性体１０側から非磁性体側に少なくとも１回横切る連続した導電路を有する。これにより電流経路１２は、磁性体１０の端部を含む領域を囲む。なお、端部領域Ａにおける磁場強度をＨａとする。
　スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン検知用磁気センサとして機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成及び消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。本例のスキルミオン検出素子１５は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１０の一面において磁性体１０の表面に接する非磁性体薄膜１５１と磁性体金属１５２との積層構造を有する。
　磁性体金属１５２は、磁性体１０からの上向きの磁場により上向きの磁気モーメントをもつ強磁性相となる。磁性体１０と、磁性体金属１５２の磁性体１０側と逆側の端部との間に、測定部５０を接続する。これにより、スキルミオン検出素子１５の抵抗値を検知できる。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１０内にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の抵抗値は、非磁性体薄膜１５１の電子のトンネル電流の確率が磁性体１０と強磁性相となった磁性体金属１５２との磁気モーメントの向きに依存することにより決まる。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、情報のメモリセル中に記憶する情報「１」と「０」に対応する。
　磁場発生部２０は、磁性体１０に対向して設ける。磁場発生部２０は、印加磁場Ｈを発生し、磁性体１０の裏面から表面の方向に、磁性体１０の２次元面に垂直に印加する。磁性体１０の裏面とは、磁性体１０の磁場発生部２０側の面を指す。なお、本実施形態においては磁場発生部２０を１つのみ用いる。しかしながら、磁場発生部２０が、磁性体１０に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、複数の磁場発生部２０を用いてよい。磁場発生部２０の数や配置は、これに限定しない。
　測定部５０は、測定用電源５１及び電流計５２を備える。測定用電源５１は、磁性体１０とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。電流計５２は、測定用電源５１から流す測定用の電流を計測する。例えば、電流計５２は、測定用電源５１とスキルミオン検出素子１５との間に設ける。測定部５０は、感度の高いスキルミオン検出素子１５を用いることにより、少ない電力でスキルミオン４０の有無を検出できる。
　コイル電流用電源６０は、電流経路１２に接続し、矢印Ｃで示した向きに電流を流す。電流経路１２に流す電流は、電流経路１２に囲まれた領域において、磁性体１０の表面から裏面に向けて磁場を発生させる。電流経路１２に流す電流が誘起する磁場の向きは、磁場発生部２０からの一様磁場Ｈの向きとは逆向きであるので、コイル領域ＡＣにおいて、磁性体１０の裏面から表面の向きに弱めた磁場Ｈａが発生する。この結果、コイル領域ＡＣにスキルミオン４０を生成することが可能となる。なお、スキルミオン４０を消去する場合、コイル電流用電源６０は、スキルミオン４０を生成する場合と逆向きにコイル電流を流してもよい。また、コイル電流用電源６０は、電流経路１２を複数設ける場合、電流経路１２の数に応じて複数設けてもよい。
　図２５は、スキルミオンメモリ１００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ１００は、スキルミオン４０を電流で生成、消去を可能とすることで情報を記憶する。例えば、磁性体１０の所定の位置におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０、磁場発生部２０、制御電源６１及び測定部５０を備える。
　磁気素子３０は、印加電流によってスキルミオン４０の発生、消去及び検出ができる。本例の磁気素子３０は、磁性体１０、上流側非磁性金属１６、下流側非磁性金属１７及び凹部電極１５３を有する。上流側非磁性金属１６及び凹部電極１５３は、スキルミオン検出素子１５を構成する。
　上流側非磁性金属１６は、磁性体１０に接続する。上流側非磁性金属１６は、磁性体１０の延展方向に接続する。本例において磁性体１０の延展方向とは、ｘｙ平面に平行な方向を指す。上流側非磁性金属１６は薄層形状を有してよい。また、上流側非磁性金属１６は、磁性体１０と同一の厚みを有してよい。
　下流側非磁性金属１７は、上流側非磁性金属１６と離間して磁性体１０に接続する。下流側非磁性金属１７は、磁性体１０の延展方向に接続してよい。上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７は、電圧を印加した場合にｘｙ平面とほぼ平行な方向の電流を磁性体１０に流すように配置する。上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性の非磁性金属よりなる。
　制御電源６１は、上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７に接続する。制御電源６１は、上流側非磁性金属１６から下流側非磁性金属１７に向かう方向、及び、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かう方向のいずれかを選択して、磁性体１０に電流を流す。制御電源６１は、磁性体１０にスキルミオン４０を発生する場合、上流側非磁性金属１６から下流側非磁性金属１７に向かう方向に磁性体１０に電流を印加する。また制御電源６１は、磁性体１０に存在するスキルミオン４０を消去する場合、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かう方向に磁性体１０に電流を印加する。
　磁性体１０は、端部１８に凹部１９を有する。本例における端部１８は、磁性体１０の端部のうち、上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７が挟む端部である。より具体的な例では、端部１８は、上流側非磁性金属１６を右側、下流側非磁性金属１７を左側に配置した場合における、磁性体１０の上側の端部である。凹部１９は、端部１８において上流側非磁性金属１６及び下流側非磁性金属１７の双方から離間して設ける。凹部１９の内部には非磁性体を設けてよい。
　スキルミオンメモリ１００は、制御電源６１による電流で発生したスキルミオン４０を情報記憶媒体に使う。図２５において電子流の方向を矢印で示した（電流の向きはこれとは逆向き）。この電子流により磁性体１０の凹部１９からスキルミオン４０を生成できる。
　本例では、凹部１９の角部２４近傍からスキルミオン４０が生じる。本例において角部２４は、凹部１９のうち最も磁性体１０の内部に突出した領域における、上流側非磁性金属１６側の角部である。凹部１９は、最も磁性体１０の内部に突出した領域に、少なくとも２つの角部を有する。凹部１９は、上流側非磁性金属１６と平行な辺と、下流側非磁性金属１７と平行な辺とを有してよい。角部２４は、上流側非磁性金属１６と平行な辺の端部であってもよい。本例の凹部１９は、四角形形状を有する。磁性体１０は、凹部１９の３辺を囲む。凹部１９の残りの１辺は、凹部１９の両側における端部１８の間を補間する直線である。この場合、角部２４は、凹部１９の先端における２つの角部のうち、上流側非磁性金属１６に近いほうの角部である。ただし、凹部１９の形状は、四角形に限定されない。凹部１９の形状は、多角形であってよい。また、凹部１９の各辺は直線でなくともよい。また凹部１９の少なくとも一つの角部の先端は丸みを有してもよい。
　磁性体１０は磁場発生部２０により強磁性相になる。このため、磁性体１０における磁気モーメントは、磁場Ｈと同一の方向を向く。ただし、磁性体１０の端部における磁気モーメントは、磁場Ｈと同一の方向を向かず、磁場Ｈに対して傾きを有している。特に、凹部１９の角部近傍においては、磁気モーメントの傾きが連続的に変化する。このため、磁性体１０の角部は他の領域に比べてスキルミオン４０が生じやすく、所定の電子流によりスキルミオン４０を生成できる。
　凹部１９は、最も磁性体１０の内部に突出した領域に、内角が鈍角をなす少なくとも二つの角部を有する。当該角部のうち、上流側非磁性金属１６に隣接する角部２４の内角は１８０°以上である。また、下流側非磁性金属１７に隣接する角部２２の内角も、１８０°以上であってよい。ここで凹部１９における角部の内角とは、角部２４の磁性体１０側の角度を指す。例えば図２５の例においては、上流側非磁性金属１６に隣接する角部２４の内角は２７０°である。
　角部２４の内角が２７０°の場合において、電流を印加していない状態における角部２４近傍の磁気モーメントが渦巻き状に最も近くなる。このため、スキルミオン４０の生成においては、角部２４の内角が２７０°であることが好ましい。
　また、下流側非磁性金属１７から上流側非磁性金属１６に向かって磁性体１０に電流を流すことで、電子流の向きは図２５とは逆向きになる。逆向きの電子流は、スキルミオン４０を凹部１９及び下流側非磁性金属１７の間の領域へと押しやる。当該領域は、スキルミオン４０を維持できない程度の幅を有する。このため、スキルミオン４０を消去できる。ここで幅とは、磁性体１０に電流が流れる方向（本例ではｙ軸方向）における長さを指す。一方、凹部１９及び上流側非磁性金属１６の間の領域は、スキルミオン４０を維持できる程度の幅を有する。つまり、凹部１９及び上流側非磁性金属１６の間の領域は、凹部１９及び下流側非磁性金属１７の間の領域よりも幅が大きい。
　なお、本例の凹部１９は、磁性体１０の延展方向に磁性体１０と接続した非磁性金属からなる凹部電極１５３を有する。また、上流側非磁性金属１６は、スキルミオン４０の生成及び消去用の電極として機能するのに加え、スキルミオン検出素子１５における電極としても機能する。スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の生成及び消去を検出する。例えば、スキルミオン検出素子１５は、スキルミオン４０の有無に応じて、抵抗値が変化する抵抗素子である。
　凹部電極１５３は、凹部１９において、上流側非磁性金属１６と対向する辺に接する。なお、図２５に示すように凹部１９の全体が凹部電極１５３であってもよい。凹部電極１５３は、安定状態のスキルミオン４０が存在する位置を、上流側非磁性金属１６とともに挟む。本例において、スキルミオン４０の生成及び消去に応じて、上流側非磁性金属１６と、凹部電極１５３との間における磁性体１０の抵抗値が変化する。スキルミオン検出素子１５は、磁性体１０内にスキルミオン４０が存在しない場合の抵抗値が最小値を示し、スキルミオン４０が存在すると抵抗値が増大する。スキルミオン検出素子１５の高抵抗（Ｈ）と低抵抗（Ｌ）は、スキルミオン４０の有り無しに対応し、メモリセルが記憶した情報「１」と「０」に対応する。
　測定部５０は、凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７に接続する。測定部５０は、凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７の間の磁性体１０の抵抗値を測定する。凹部電極１５３及び下流側非磁性金属１７の間の抵抗値は、磁性体１０の抵抗値に対応し、スキルミオン４０の生成及び消去に応じて変化する。例えば、スキルミオン４０が存在しない場合、磁性体１０には空間的に一様な磁場Ｈが発生している。一方、スキルミオン４０が存在する場合、磁性体１０にかかる磁場は、空間的に一様でなくなる。空間的に一様でない磁場が発生した場合、磁性体１０を流れる伝導電子は、磁性体１０の磁気モーメントにより散乱する。即ち、磁性体１０の抵抗値は、スキルミオン４０が存在する場合の方が、スキルミオン４０が存在しない場合よりも高くなる。
　本例の測定部５０は、測定用電源５１及び電流計５２を有する。測定用電源５１は、凹部電極１５３と下流側非磁性金属１７との間に設ける。電流計５２は、測定用電源５１から流れる測定用の電流を計測する。測定用電源５１が印加する既知の電圧と、電流計５２が計測した電流の比から、磁性体１０の抵抗値を検出できる。これにより、スキルミオンメモリ１００が保存した情報を読み取ることができる。
　上述した構成からなるスキルミオンメモリ１００は、磁性体１０中にスキルミオン４０の転送及び消去できる磁気素子として具体化できる。この場合、下流側非磁性金属１７、下流側非磁性金属１７及び制御電源６１は、スキルミオン４０の生成、消去及び転送を制御するスキルミオン制御部として動作する。
　図２６は、複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリ１００を示す。本例のスキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０－１から磁気素子３０－８までの合計８層の磁気素子３０を有する。スキルミオンメモリ１００は、磁場発生部２０－１上に、４層の磁気素子３０を有する。スキルミオンメモリ１００は、磁気素子３０－４と磁気素子３０－５との間に磁場発生部２０－２をさらに有する。これにより、磁気素子３０は、磁場発生部２０から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。磁場発生部２０は、磁気素子３０の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。
　図２７は、半導体素子を有するスキルミオンメモリデバイス１１０の構成例を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリ１００及びＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０上にスキルミオンメモリ１００を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０は、基板８０に形成されたＰＭＯＳ－ＦＥＴ９１及びＮＭＯＳ－ＦＥＴ９２を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ１００を同一のチップ内に有することができる。この結果、ＣＰＵの処理時間の短縮化、高速化が実現し、ＣＰＵの消費電力を大幅に低減できる。
　図２８は、スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス２００は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０と、固体電子デバイス２１０とを備える。スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、図２４から図２７において説明したスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０である。固体電子デバイス２１０は、例えばＣＭＯＳ－ＬＳＩデバイスである。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、及び、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。
　図２９は、データ処理装置３００の構成例を示す模式図である。データ処理装置３００は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０と、プロセッサ３１０とを備える。スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、図２４から図２７において説明したスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０である。プロセッサ３１０は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ３１０は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０へのデータの書き込み、及び、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。
　図３０は、データ記録装置４００の構成例を示す模式図である。データ記録装置４００は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０と、入出力装置４１０とを備える。データ記録装置４００は、例えばハードディスク、又は、ＵＳＢメモリ等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、図２４から図２７において説明したスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０である。入出力装置４１０は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０への外部からのデータの書き込み、及び、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。
　図３１は、通信装置５００の構成例を示す模式図である。通信装置５００は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置５００は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置５００は、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０と、通信部５１０とを備える。スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、図２４から図２７において説明したスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０である。通信部５１０は、通信装置５００の外部との通信機能を有する。通信部５１０は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信及び有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部５１０は、外部から受信したデータをスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０に書き込む機能、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０から読み出したデータを外部に送信する機能、及び、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。
　また、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０を適用した電子機器における電力の省力化も実現できることから、搭載電池の長寿命化が実現できる。これはスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０を適用するモバイル電子機器において、さらに画期的な仕様をユーザ側に提供することが可能となる。ちなみに電子機器としては、パーソナルコンピュータ、画像記録装置等を始め、いかなるものであってもよい。
　またＣＰＵを搭載した通信装置（携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等）について、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０を適用することにより、画像情報の取り込みや、多彩で大規模なアプリケーションプログラムの動作をより高速に実現でき、また高速な応答性を実現できることからユーザにとって快適な使用環境を確保することが可能となる。また、画面上に表示する画像表示の高速化等も実現できることから、その使用環境をさらに向上できる。
　またスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０をデジタルカメラ等の電子機器に適用することで、動画を大容量に亘り記録することが可能となる。またスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０を４Ｋテレビジョン受像機等の電子機器に適用することで、その画像記録の大容量化を実現できる。その結果、テレビジョン受像機において外付けハードディスクの接続の必要性を無くすことが可能となる。またスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、ハードディスクをはじめとしたデータ記録装置に適用する場合に加え、データ記録媒体として具体化してもよい。
　また自動車用のナビゲーションシステム等の電子機器に対してもこのスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０を適用することでさらに高機能化を実現でき、大量の地図情報も簡単に記憶可能となる。
　またスキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は、自走装置、飛行装置を実用化する上で大きなインパクトをもたらすと期待できる。即ち、飛行装置の複雑な制御処理、天候情報処理、高精細の画質からなる映像の提供による乗客用のサービスの充実、さらには宇宙飛行装置の制御や観察した画像情報の膨大な記録情報を記録し、人類に多くの知見をもたらす。
　また、スキルミオンメモリ１００又はスキルミオンメモリデバイス１１０は磁気メモリであるが故に、宇宙空間に飛び交う高エネルギー素粒子に対して高い耐性をもっている。電子に伴う電荷を記憶保持媒体として使うフラッシュメモリと大きく異なる長所を有する。このため宇宙空間飛行装置などの記憶媒体として重要である。
１・・・マグネチックシフトレジスタ、２・・・磁気センサ、１０・・・磁性体、１１・・・試料、１２・・・電流経路、１５・・・スキルミオン検出素子、１６・・・上流側非磁性金属、１７・・・下流側非磁性金属、１８・・・端部、１９・・・凹部、２０・・・磁場発生部、２２・・・角部、２４・・・角部、３０・・・磁気素子、４０・・・スキルミオン、５０・・・測定部、５１・・・測定用電源、５２・・・電流計、６０・・・コイル電流用電源、６１・・・制御電源、８０・・・基板、９０・・・ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ、９１・・・ＰＭＯＳ‐ＦＥＴ、９２・・・ＮＭＯＳ‐ＦＥＴ、１００・・・スキルミオンメモリ、１１０・・・スキルミオンメモリデバイス、１５１・・・非磁性体薄膜、１５２・・・磁性体金属、１５３・・・凹部電極、２００・・・スキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス、２１０・・・固体電子デバイス、３００・・・データ処理装置、３１０・・・プロセッサ、４００・・・データ記録装置、４１０・・・入出力装置、５００・・・通信装置、５１０・・・通信部

Claims (18)

  1. 　カイラル磁性体を有し、スキルミオンを生成するための磁気素子であって、
    　前記カイラル磁性体はβ－Ｍｎ型結晶構造もしくはＡｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料からなる磁気素子。
  2. 　前記β－Ｍｎ型結晶構造を有する磁性材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式ＡｘＢｙＣｚからなり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、及び、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０を満たす請求項１に記載の磁気素子。
  3. 　前記β－Ｍｎ型結晶構造を有する磁性材料は、
    　複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式Ａｘ１Ｂｙ１Ｃｚ１からなり、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝２０、及び、０≦ｘ１、ｙ１、ｚ１≦２０を満たす材料Ｍと、
    　複数の元素Ａ'、Ｂ'、Ｃ' を用いた化学式Ａ'ｘ２Ｂ'ｙ２Ｃ'ｚ２からなり、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝２０、及び、０≦ｘ２、ｙ２、ｚ２≦２０を満たす材料Ｎとの混晶Ｍ１－ｄＮｄ（０≦ｄ≦１）である請求項１に記載の磁気素子。
  4. 　前記β－Ｍｎ型結晶構造を有する磁性材料は、化合物ＣｏｘＺｎｙＭｎｚからなり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝２０、及び、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦２０を満たす請求項１又は２に記載の磁気素子。
  5. 　前記Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料は、複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式ＡｘＢｙＣｚからなり、ｘ＋ｙ＝ａ、ｚ＝ｂとしてａとｂの構成比が４：１を満たす請求項１に記載の磁気素子。
  6. 　前記Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料は、
    　複数の元素Ａ、Ｂ、Ｃを用いた化学式Ａｘ１Ｂｙ１Ｃｚ１からなり、ｘ１＋ｙ１＝ａ１、ｚ１＝ｂ１としてａ１とｂ１の構成比が４：１を満たす材料Ｍと、
    　複数の元素Ａ'、Ｂ'、Ｃ' を用いた化学式Ａ'ｘ２Ｂ'ｙ２Ｃ'ｚ２からなり、ｘ２＋ｙ２＝ａ２、ｚ２＝ｂ２としてａ２とｂ２の構成比が４：１を満たす材料Ｎとの混晶Ｍ１－ｄＮｄ（０≦ｄ≦１）である請求項１に記載の磁気素子。
  7. 　前記Ａｕ４Ａｌ型結晶構造を有する磁性材料は、Ｆｅ５Ｎｉ３Ｓｉ２とＣｒ３Ｎｉ５Ｓｉ２との混晶である請求項１に記載の磁気素子。
  8. 　前記カイラル磁性体は薄層状の磁性体からなる請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気素子。
  9. 　前記カイラル磁性体の２次元材料として形成した部分の厚さは、１００ｎｍ以下である請求項１から８のいずれか一項に記載の磁気素子。
  10. 　前記カイラル磁性体は、印加磁場に応じて、前記スキルミオンが生成するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する、
    　請求項１から９のいずれか一項に記載の磁気素子。
  11. 　薄層状に形成した前記カイラル磁性体の２次元面に略垂直な磁場を印加することにより、前記スキルミオンの生成、消去、及び転送の少なくともいずれかを制御するスキルミオン制御部を有する
    　請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気素子。
  12. 　厚さ方向に複数積層した請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁気素子を有する
    　スキルミオンメモリ。
  13. 　請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁気素子と、
    　前記カイラル磁性体に対向して設け、前記カイラル磁性体に磁場を印加する磁場発生部と、
    　を備えるスキルミオンメモリ。
  14. 　基板と、
    　前記基板上に形成した半導体素子と、
    　前記半導体素子の上方に積層した、請求項１から１１のいずれか一項に記載の磁気素子と、
    　前記カイラル磁性体に対向して設け、前記カイラル磁性体に磁場を印加する磁場発生部と
    　を備えるスキルミオンメモリ。
  15. 　請求項１２から１４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリと、固体電子デバイスとを同一チップ内に備えるスキルミオンメモリ搭載固体電子デバイス。
  16. 　請求項１２から１４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ記録装置。
  17. 　請求項１２から１４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載したデータ処理装置。
  18. 　請求項１２から１４のいずれか一項に記載のスキルミオンメモリを搭載した通信装置。
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