(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに共鳴周波数が異なる磁性体により形成され積層される複数の磁性層を含み、それぞれの磁性層が記録トラックを含む磁気記録媒体に対して、記録トラックの媒体の磁気共鳴現象を利用して記録の読み出しを行う三次元磁気記録再生装置の磁気ヘッドにおいて、
同時に複数の異なる周波数で発振可能であるスピントルク発振素子と、
前記スピントルク発振素子による前記読み出しを補助する補助磁極とを備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項２】
前記磁気ヘッドは、読み出し用の磁気ヘッドであり、
前記スピントルク発振素子は、トンネル型発振素子であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項３】
前記磁気ヘッドは、読み出し用の磁気ヘッドであり、
前記スピントルク発振素子は、異なる周波数で発振可能な複数の発振素子の並列接続で構成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気ヘッド。
【請求項４】
前記スピントルク発振素子は、それが発振した複数の周波数と前記複数の磁性層の各々に係る共鳴周波数との関係に応じて、所望の複数の磁性層に同時に磁気共鳴を生じさせることにより、前記複数の磁性層の全部又は一部に係る記録トラックに対する一括若しくは同時の読み出しを行う請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スピントルク発振素子を用いた磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直磁化媒体の開発とＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）を磁気センサーとして用いた読み出しヘッド（ＴＭＲヘッド）の採用により、磁気記録における記録密度は近年年率４０％の速度で上昇を続けており２００９年時点で５００Ｇｂ／ｉｎ２の記録密度が達成されている。
【０００３】
（１）記録密度を更に飛躍的に高める方策としてパターン化媒体が従来から知られているが、最近では記録層を多層化した３次元記録の方法が提案されている。この方法では、各層毎に磁気共鳴周波数が異なる記録媒体を用い、スピントルク発振素子と磁極を併用して、各層への選択的書き込みと、各層からの選択的読み出しを行う。
【０００４】
（２）一方、今後記録密度の更なる上昇に伴って現在のものに比較してより微小な磁性粒子で構成された媒体が用いられることになる。このような媒体の記録の安定性を確保するためには、熱ゆらぎによる微小粒子磁化の反転を防止するために、極めて大きな保磁力をもつ磁性粒子を用いることが必要となる。しかしながら、このような高保磁力媒体では記録磁極による書き込みが困難となり、書き込み時に記録磁極が発生する磁場に加えて他のエネルギーを同時に供給するアシスト記録法が必要になると考えられている。アシスト記録法においては、ＧＨｚの高速性と数１０ｎｍの局所性を併せ持つ大きなパワー密度のエネルギー供給が必要となるが、レーザーアシスト法、マイクロ波アシスト法などの方法が提案されている。中でもスピントルク発振素子を用いたマイクロ波アシスト法が近年大きな注目を集め、多くの研究機関で開発が進められている。スピントルク発振素子を用いたマイクロ波アシスト法は、フリー層磁化の歳差運動に伴う高周波磁場（マイクロ波磁場）を用い、媒体による高周波磁場の共鳴吸収現象を利用する方法である。この方法は、所望の媒体ビットに選択的にパワーを供給できる長所を持っているが、アシスト効果を高めるためには、強い高周波磁場を媒体ビットに印加することが必要となる。強い高周波磁場を発生する方法として、従来は厚いフリー層を含む発振素子の開発が試みられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−３２６００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（１）従来の３次元記録再生技術においては、多層化された磁気記録媒体への読み出しを各層ごとに逐次行うため、迅速な読み出しができないという課題があった。
【０００７】
本実施形態は、上述した事情を考慮してなされたものであり、多層化された磁気記録媒体からの読み出しをより速くすることができる磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【０００８】
（２）従来のアシスト型記録ヘッドでは、厚いフリー層を含む発振素子を安定して動作させることは容易ではなく、強い高周波磁場を印加するより効果的な手段が必要とされている。
【０００９】
本実施形態は、上述した事情を考慮してなされたものであり、より強い高周波磁場を印加することができるアシスト型記録ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）実施形態によれば、互いに共鳴周波数が異なる磁性体により形成され積層される複数の磁性層を含み、それぞれの磁性層が記録トラックを含む磁気記録媒体に対して、記録トラックの媒体の磁気共鳴現象を利用して記録の読み出し又は書き込みを行う三次元磁気記録再生装置の磁気ヘッドは、スピントルク発振素子と、補助磁極とを含む。前記スピントルク発振素子は、同時に複数の異なる周波数で発振可能である。前記補助磁極は、前記スピントルク発振素子による前記読み出し又は書き込みを補助する。
【００１１】
（２）実施形態によれば、高周波アシスト法を利用する記録ヘッドは、マイクロ波磁場印加部と、記録磁極とを含む。前記マイクロ波磁場印加部は、記録媒体の記録トラックに対する書き込みを行うために、互いに位相同期された複数のスピントルク発振素子により形成される。前記記録磁極は、前記マイクロ波磁場印加部による前記書き込みを補助する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】スピントルク発振素子を用いた三次元磁気記録再生装置の基本構成の概要を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係るスピントルク発振素子及びリング型磁極を用いた三次元記録媒体からの情報の読み出し方法に関するトラック方向と平行の断面図。
【図３】第１の実施形態に係るスピントルク発振素子及びリング型磁極を用いた三次元記録媒体からの情報の読み出し方法に関するトラック方向と垂直の断面図。
【図４】比較例に係るスピントルク発振素子及びリング型磁極を用いた三次元記録媒体からの情報の読み出し方法に関するトラック方向と垂直の断面図。
【図５】第１の実施形態に係る並列接続されたスピントルク発振素子の構成例を示す図。
【図６】第１の実施形態に係る多層の記録を一括して読み出すための回路の構成例を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る直列接続されたスピントルク発振素子の構成例を示す図。
【図８】第１の実施形態に係る直列接続されたスピントルク発振素子の構成例を示す図。
【図９】第１の実施形態に係る直列接続されたスピントルク発振素子の構成例を示す図。
【図１０】具体例で用いられる素子の構成を示す図。
【図１１】具体例で用いられる素子の発振スペクトルを示す図。
【図１２】の実施形態に係るマイクロ波アシスト型磁気ヘッドの第１の基本構成例を示す図。
【図１３】第２の実施形態に係るマイクロ波アシスト型磁気ヘッドの第２の基本構成例を示す図。
【図１４】アシスト用スピントルク発振素子の基本構成の概要を示すブロック図。
【図１５】比較例に係る厚いフリー層のスピントルク発振素子の構成例を示す図。
【図１６】第２の実施形態に係る４個のナノピラー型発振素子の積層構造の例を示す図。
【図１７】第２の実施形態に係る人工反強磁性層を用いた発振素子の積層構造の例を示す図。
【図１８】第２の実施形態に係るスピン波で結合したナノコンタクト型素子の構成例を示す図。
【図１９】具体例における積層構造の発振素子を用いた記録ヘッドの構成例を示す図。
【図２０】具体例で用いられる素子の発振スペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る磁気ヘッドについて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
【００１４】
はじめに、図１を参照しながら、スピントルク発振素子を利用した三次元磁気記録再生装置の基本構成について説明する。
【００１５】
図１に示されるように、三次元磁気記録再生装置１００は、スピントルク発振素子１０１と、ＤＣ電流源１２１と、負荷１２２とを含む。なお、本実施形態では、スピントルク発振素子に加えて図示しない補助磁極（記録磁極）を利用するが、補助磁極を利用する場合については後で説明する。
【００１６】
スピントルク発振素子１０１は、その基本的な構成として、模式的に示したように、固定層（磁化固定層）１０２、非磁性層１０３、そして、フリー層１０４の順番から構成される３層構造をもち、数十ナノメートルのサイズをもつ素子である。固定層１０２の上層には上部電極１０５、フリー層１０４の下層には下部電極１０６が積層され、両電極にスピントルク発振素子１０１が挟まれた状態となる。なお、本実施形態で用いるスピントルク発振素子１０１の具体的な構成例は後で説明する。
【００１７】
スピントルク発振素子１０１は、磁気記録媒体（図示していないが、下部電極１０６の下方に位置される）から情報を読み出すとき際の読み出し用発振素子として使用されることができ、または、磁気記録媒体に情報を書き込む際のアシスト用（書き込み用）発振素子として使用されることができる。
【００１８】
なお、スピントルク発振素子１０１の記録媒体に対する向きは、図１に示す方法で用いる方法以外に、図１のスピントルク発振素子１０１の向きを右若しくは左に９０度回転させて用いる方法、図１のスピントルク発振素子１０１の向きを１８０度回転させて用いる方法も可能である。この点は、これから説明する本実施形態の各種スピントルク発振素子についても同様である。
【００１９】
固定層１０２は、磁化膜として、例えばＣｏあるいはＣｏ／非磁性体積層膜あるいはＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＴａＮｂなどのＣｏＣｒ系合金が使用されるが、これに限らず、Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ／ＰｄなどのＣｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、さらに希土類を含むＳｍＣｏ系合金やＴｂＦｅＣｏ合金を使用してもよい。また、固定層１０２は、磁化の向きが固定されている。
【００２０】
非磁性層１０３は、例えばＡｌ−０（アルミニウム酸化膜）などのトンネル絶縁膜あるいはＣｕなどの非磁性金属を採用することができる。
【００２１】
フリー層１０４は、例えばＦｅ、ＦｅＣｏ合金などの大きな飽和磁化をもつ磁性材料が使用される。これは、強い高周波磁場を得るには、飽和磁化Ｍが大きいことが必要だからである。また、フリー層１０４は、磁化の向きが自由に回転する。
【００２２】
ＤＣ電流源１２１は、スピントルク発振素子１０１に直流電流を流す。
【００２３】
負荷１２２は、歳差運動するフリー層１０４の磁化と固定層１０２の磁化との間のＴＭＲ効果（トンネル磁気抵抗効果）により、発生する数ＧＨｚから数十ＧＨｚの高周波電圧の値を読み取るために使用される。
【００２４】
記録媒体からの読み出しの際のスピントルク発振素子１０１の動作と記録媒体への書き込みの際の動作について簡単に説明する。
【００２５】
まず、ＤＣ電流源１２１からスピントルク発振素子１０１へ直流電流を流す。この直流電流の値が閾値以上の値である場合、スピントルク発振素子１０１に含まれるフリー層１０４の磁化Ｍが歳差運動を開始する。フリー層１０４の磁化Ｍが歳差運動する状態を図１右下に示す。このように電流ゼロの場合の磁化の向きを基準とした歳差運動が起こる。
【００２６】
歳差運動するフリー層１０４の磁化と固定層１０２の磁化との間には、ＴＭＲ効果により数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚの高周波電圧が発生し、負荷１２２に出力される。加えて、このスピントルク発振素子１０１の近傍には、フリー層磁化の歳差運動に伴う高周波（回転）磁場（数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）も発生する。三次元磁気記録再生装置１００では、上記電圧（電力）出力及び高周波磁場の両方を利用して、記録の書き込み／読み出しを行う。なお、高周波磁場は、マイクロ波磁場または近接場ともいう。
【００２７】
なお、記録を行う場合と読み出しを行う場合との違いは、磁化反転を生じさせるために記録磁極による磁場及び発振素子による高周波磁場をともに読み出しの場合よりも強く印加することである。
【００２８】
（１）第１の実施形態
第１の実施形態は、媒体の磁気共鳴現象を利用して記録の読み出しを行う３次元磁気記録において、スピントルク発振素子を磁気センサーとして利用して記録層を多層化した媒体からの読み出しを行うにあたって、複数の記録層に対する同時読み出し（一括読み出し）ができるようにするものである。また、媒体の磁気共鳴現象を利用して記録の書き込みを行う３次元磁気記録において、スピントルク発振素子をマイクロ波アシストとして利用して記録層を多層化した媒体への書き込みを行うにあたって、複数の記録層に対する同時書き込み（一括書き込み）ができるようにするものである。
【００２９】
まず、スピントルク発振素子と補助磁極を用いた磁気ヘッド（読み出し用磁気ヘッド／書き込み用磁気ヘッド）の基本的な構成・動作について説明する。
【００３０】
図２に、本実施形態のスピントルク発振素子と補助磁極を用いた磁気ヘッドのトラック方向の断面図を示し、図３に、そのトラックに垂直方向の断面図を示す。
【００３１】
また、図４に、比較例に係る磁気ヘッドについて、トラックに垂直方向の断面図を示す（なお、比較例に係る磁気ヘッドのトラック方向の断面図は、図２と同じようになるので、省略する）。
【００３２】
この磁気ヘッドの構造は、補助磁極１５０と、その近傍にあるスピントルク発振素子１０１とで構成される。磁気ヘッドは、磁気シールド１８０内に納められていても良い。詳しくは後述するが、このスピントルク発振素子１０１は、同時に複数の周波数を発信可能である。
【００３３】
ここでは、補助磁極１５０としてリング型磁極を用いる場合を例にとって説明する。
【００３４】
図中、２００は記録媒体である。ここでは、記録媒体２００として、共鳴周波数の異なる４層の面内磁化媒体（図中、２２１〜２２４）を用いる場合を例にとって説明する。この面内磁化媒体においては、既存の長手記録とは異なり、各ビットの磁化が記録トラックに垂直な方向を向いている。もちろん、２層、３層又は５層以上の記憶層をもつ記録媒体についても、本実施形態は適用可能である。
【００３５】
三次元記録化された記録媒体２００は、例えば、情報が記録された磁性層２０１と、非磁性層２０２とを交互に積層することにより構成される。非磁性層２０２で分離された各磁性層２０１は、それぞれ異なる共鳴周波数（本具体例では、ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４）をもつ磁性体で構成されており、記録媒体２００のうち磁気ヘッドに最も近い磁性層２０１から最も遠い磁性層２０１へ向かって、順次、共鳴周波数の高い磁性層２０１が配置される。本具体例では、共鳴周波数は、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４の順に大きくなる。
【００３６】
図２及び図３は、磁気ヘッドがスピントルク発振素子１０１を一つ備える場合を例示している（この場合、スピントルク発振素子１０１は、読み出しヘッドの読み出し用発振素子として使用されるか、または、記録ヘッドのアシスト用発振素子として使用される）が、磁気ヘッドが、読み出し用発振素子として使用するスピントルク発振素子と、アシスト用発振素子として使用するスピントルク発振素子の二つのスピントルク発振素子を備える構成も可能である（この場合、例えば、図２及び図３において、スピントルク発振素子１０１からみて補助磁極１５０の反対側にもう一つのスピントルク発振素子が設けられる）。
【００３７】
以下、スピントルク発振素子１０１を読み出し用発振素子として使用する場合について説明する。
【００３８】
最初に、複数の記録層のうちの一つの記録層にあるビットを読み出す場合について説明する。
【００３９】
スピントルク発振素子１０１に加えて補助磁極１５０を利用する場合に、この補助磁極１５０は、記録層内の所望のビットを選択するために使用され、補助磁極１５０により印加される磁場は、ビットの磁化を反転させない程度に弱いことが必要である。選択されたビットの磁気共鳴現象は、スピントルク発振素子１０１の出力電圧の低下として検知されるので、これによって読み出しがなされる。
【００４０】
ここで、補助磁極１５０の直下にある４層の記録層のうちの一つ（例として、第４層の記録層（共鳴周波数＝ｆ４）とする）にある特定のビットを読み出す場合を考える。第４層のこの特定のビットは、補助磁極１５０によって、第４層の他のビットに比較してより強い磁場が印加され、共鳴周波数がｆ４からｆ４＊に変化する。よって、スピントルク発振素子１０１の周波数をｆ４＊に設定することにより、第４層の補助磁極１５０の直下のビットに選択的に共鳴吸収を生じさせることができる。
【００４１】
ところで、スピントルク発振素子１０１により発生する高周波磁場は、記録媒体２００の磁化の向きにかかわらず磁気共鳴吸収を生じさるが、補助磁極１５０を用いることにより一方の向きに磁気共鳴吸収を生じさせることができる。すなわち、補助磁石の発生する磁場が記録媒体２００の磁化に作用すると、磁場に平行な磁化の共鳴周波数は、当該記録層の共鳴周波数ｆからｆ＊＝ｆ＋Δｆへ、反平行な磁化の共鳴周波数はｆからｆ＊＝ｆ−Δｆへそれぞれ変化する。したがって、スピントルク発振素子１０１の周波数をｆ＋Δｆ（上記第４層の場合、ｆ４＋Δｆ４）に設定すれば平行な磁化に、ｆ−Δｆ（上記第４層の場合、ｆ４−Δｆ４）に設定すれば反平行な磁化に、それぞれ磁気共鳴を誘起することができる。よって、所望のビットを選択的に読み出すことが可能となる。
【００４２】
なお、補助磁極を用いる場合には、スピントルク発振素子１０１を読み出したいビットの直上に設置することが難しい場合がある。しかし、公知であるように共鳴状態にある磁性体は、その高周波透磁率が非共鳴状態のものに比べて１桁以上大きい。その結果、スピントルク発振素子１０１が読み出したいビットの直上に設置されていない場合でも、高周波磁場の磁束が読み出したいビットに集中し、このビットに十分強い高周波磁場が印加される。なお、図２及び図３に示す補助磁極１５０は、スピントルク発振素子１０１に近接させているが、これに限らず、補助磁極１５０及びスピントルク発振素子１０１の位置関係は、スピントルク発振素子１０１が射出する電磁波が読み出しを行うビットに届く位置にあれば良い。
【００４３】
次に、図４の比較例と、図３の本実施形態の読み出し動作に関する相違について説明する。
【００４４】
図４の比較例のスピントルク発振素子は、単一周波数の発振素子を補助磁極１５０と併用し、逐次、各層の記録の読み出しを行うものである。
【００４５】
よって、例えば、共鳴周波数の異なる４層の面内磁化媒体を用いる場合に、比較例のスピントルク発振素子９００１では、４層のそれぞれについて、かつ、平行磁化と反平行磁化のそれぞれについて、逐次、読み出しを行うので、計８回の読み出しが必要になる。
【００４６】
これに対して、図３の本実施形態では、異なる複数の周波数を発振するスピントルク発振素子１０１を補助磁極１５０と併用し、異なる共鳴周波数をもつ複数層媒体からの同時読み出し（一括読み出し）を行うことが可能である。例えば、共鳴周波数の異なる４層の面内磁化媒体を用いる場合に、スピントルク発振素子１０１が同時に４つの周波数を発振できるものであるならば、４層一括して読み出しを行うことができるので、平行磁化と反平行磁化のそれぞれについて１回ずつ読み出しを行えば良く、すなわち、全体で計２回の読み出し動作を行えば良いことになる。この場合に、例えば、第１層〜第４層の平行磁化について一括読み出しを行う第１のフェイズと、第１層〜第４層の反平行磁化について一括読み出しを行う第２のフェイズとを交互に実行しても良いし、他の方法も可能である。
【００４７】
また、例えば、スピントルク発振素子１０１が同時に２つの周波数を発振できるものである場合に、４層に対して２層同時読み出しを２回行うとともに、平行磁化と反平行磁化のそれぞれについて１回ずつ読み出しを行っても良く、すなわち、全体で計４回の読み出動作を行えば良いことになる。
【００４８】
また、図３の本実施形態のスピントルク発振素子１０１について、同時に発信可能な周波数の個数を上限として、任意の１又は複数の記録層について（かつ、個々の記録層ごとに、平行磁化と反平行磁化とのうちの任意のものについて）、選択的に読み出しを行うことができる（図３では、第２層と第４層を選択的に読み出す場合を例示した）。
【００４９】
なお、異なる複数の周波数を発振する（読み出し用発振素子として使用する）スピントルク発振素子１０１の具体的な構成例については後で説明する。
【００５０】
以下、スピントルク発振素子１０１をアシスト用発振素子として使用する場合について説明する。
【００５１】
最初に、複数の記録層のうちの一つの記録層にビットを書き込む場合について説明する。
【００５２】
アシスト型記録ヘッドの構造は、補助磁極１５０を用いた読み出しヘッドの構造と同じである。読み出しの場合との相違は、磁化反転を生じさせるために記録磁極（補助磁極）１５０による磁場及び発振素子による高周波磁場を、ともに読み出しの場合よりも強く印加することである。
【００５３】
記録磁極１５０の直下にある第ｎ層のビットの磁化を反転する場合の一例を説明する。高周波磁場によるアシスト作用（高周波アシスト法ともいう）は２つの原理に基づいて発生する。第１の原理は、高周波磁場による磁化の共鳴反転によるものであり、第２の原理は、高周波磁場による磁性体の共鳴吸収加熱によるものである。前者は減衰定数αの小さな磁性体で形成された媒体において主要な原理となり、後者は減衰定数αの大きな磁性体で形成された媒体において主要な原理となる。
【００５４】
第１の原理について簡単に説明する。第ｎ層にある磁性体の異方性磁場Ｈｋより小さな記録ヘッド磁場Ｈｎを、所望のビットの磁化Ｍと逆向きに印加する。ＨｎはＨｋより小さいのでこの状態では磁化反転は生じないが、同時に式（１）で表される共鳴周波数の高周波磁場ｈを、微小磁性発振素子により印加すると磁化Ｍは歳差運動を始める。  
ｆｎ＝(γ／２π)(ＨＫ−Ｈｎ)                            （１）  
高周波磁場ｈが十分大きく  
(γ／２π)ｈ＞αｆｎ                                  （２）  
の関係が満たされれば歳差運動の振幅は時間とともに増大し、最後には磁化Ｍが反転する。ただし、γは磁気回転比である。
【００５５】
記録ヘッドの直下にないビットの磁化や他の記録層のビットの磁化は、式（１）の条件を満たしていないので、高周波磁場に共鳴せず磁化反転は生じない。
【００５６】
第２の原理について簡単に説明する。記録媒体に吸収される高周波パワーＰは記録媒体の帯磁率の虚数部χ″に依存し、高周波磁場をｈとすると下記の式（３）と表される。
【００５７】
Ｐ＝（１／２）χ″ｈ２ω                                （３）
χ″（ω）は周波数に強く依存し、媒体の共鳴周波数から離れた周波数では小さく１程度であるが、共鳴周波数近くでは１０から１００程度に増大する。記録媒体の加熱効率は吸収パワーに依存するので、共鳴周波数近くの高周波磁場により記録媒体は強く加熱される。すなわち、記録磁極の直下にある第ｎ層のビットが選択的に加熱され他のビットはほとんど加熱されない。媒体温度が上昇するとレーザーアシストと同様に異方性定数Ｋｕ１が減少し、記録ヘッドの磁場により選択的に磁化を反転させることにより書き込みが行われる。
【００５８】
これら第１の原理及び第２の原理は典型的な場合であり、多くの現実の系では第１の原理及び第２の原理が共存する状態で磁化反転が生じ、高周波アシスト法により三次元記録媒体の所望のビット磁化を反転させることにより記録媒体に書き込みを行うことができる。
【００５９】
図４の比較例と図３の本実施形態の書き込み動作に関する相違については、前述したそれらの読み出し動作に関する相違と同様である。
【００６０】
例えば、共鳴周波数の異なる４層の面内磁化媒体を用いる場合に、比較例のスピントルク発振素子９００１では計８回の書き込みが必要になるのに対して、図３の本実施形態のスピントルク発振素子１０１が同時に４つの周波数を発振できるものであるならば、４層一括書き込みを行って、全体で計２回の書き込み動作を行えば良いことになる。また、例えば、スピントルク発振素子１０１が同時に２つの周波数を発振できるものであるならば、２層同時書き込みを行って、全体で計４回の書き込み動作を行えば良いことになる。
【００６１】
また、図３の本実施形態のスピントルク発振素子１０１について、同時に発信可能な周波数の個数を上限として、任意の１又は複数の記録層について（かつ、個々の記録層ごとに、平行磁化と反平行磁化とのうちの任意のものについて）、選択的に書き込みを行うことができる（図３では、第２層と第４層を選択的に書き込む場合を例示した）。
【００６２】
なお、異なる複数の周波数を発振する（アシスト用発振素子として使用する）スピントルク発振素子１０１の具体的な構成例については後で説明する。
【００６３】
次に、読み出し用発振素子として使用するスピントルク発振素子１０１の構成例について説明する。
【００６４】
記録媒体からの記録の読み出しは図１に示されるように素子の出力電圧の変化を測定することによって行われることから、読み出し用発振素子として使用するスピントルク発振素子１０１には、電圧出力の大きいＴＭＲ型素子を利用するのが好ましい。
【００６５】
ただし、ＴＭＲ型素子は抵抗が大きいことから、測定回路とのインピーダンス整合を考慮して、図３のスピントルク発振素子１０１は、異なる発振周波数をもつ複数のＴＭＲ型素子を並列接続して用いることが好ましい。
【００６６】
図５に、複数の記録層（例として、４つの記録層）に対応する素子が並列接続されたスピントルク発振素子１０１の例を示す。図中、１２１はＤＣ電流源を示し、１００１〜１００４はそれぞれ第１記録層用の読み出し用発振素子（共鳴周波数＝ｆ１）〜第４記録層用の読み出し用発振素子（共鳴周波数＝ｆ４）を示す。また、個々の素子の構成例を、図５の右側に示す。図中、１０２は固定層、１０３は非磁性層、１０４はフリー層、１０７は反強磁性層（交換バイアス）である。
【００６７】
図６に、一括読み出しする場合に各記録層ごとに発生し得る高周波電圧の値を読み取るための回路構成の例を示す。この例では、各記録層用に高周波電圧信号を通過させるバンドパスフィルタ１４１〜１４４を設ける。
【００６８】
例えば、第１記録層に関して発生された高周波電圧は、第１記録層用のバンドパスフィルタ１４１を通過して、図示しない第１記録層用の負荷に導かれて、該高周波電圧の値を読み取ることを可能にする。他の記録層についても同様である。
【００６９】
図６では、第２層と第４層が読み出された場合を例示した。
【００７０】
次に、アシスト用発振素子として使用するスピントルク発振素子１０１の構成例について説明する。
【００７１】
記録媒体への記録の書き込みはスピントルク発振素子１０１の近傍に発生する高周波磁場によるアシスト効果を利用するので、アシスト用発振素子として使用するスピントルク発振素子１０１には、大電流による磁化の大振幅運動が発生するＣＰＰ−ＧＭＲ型素子を利用するのが好ましい。
【００７２】
ただし、ＣＰＰ−ＧＭＲ型素子は抵抗が小さいことから、測定回路とのインピーダンス整合を考慮して、図３のスピントルク発振素子１０１は、異なる発振周波数をもつ複数のＣＰＰ−ＧＭＲ型素子を直列接続して用いることが好ましい。
【００７３】
図７に、複数の記録層（例として、４つの記録層）に対応する素子が直列接続されたスピントルク発振素子１０１の例を示す。図中、１０２１〜１０２４はそれぞれ第１記録層用のアシスト用発振素子（共鳴周波数＝ｆ１）〜第４記録層用のアシスト用発振素子（共鳴周波数＝ｆ４）を示す。図中、１１５は上部電極、１１６は下部電極である。また、個々の素子の構成例を、図７の右側に示す。図中、１０２は固定層、１０３は非磁性層、１０４はフリー層、１０７は反強磁性層（交換バイアス）である。
【００７４】
図８及び図９に、それぞれ、２つ及び４つの記録層に対応する素子が直列接続されたスピントルク発振素子１０１の他の例を示す。図中、１０４１〜１０４４はそれぞれ第１記録層用のアシスト用発振素子（共鳴周波数＝ｆ１）〜第４記録層用のアシスト用発振素子（共鳴周波数＝ｆ４）を示す。図中、１３５は上部電極、１３６は下部電極である。また、個々の素子の構成例を、各図中に示す。図中、１０２は固定層、１０３は非磁性層、１０４はフリー層、１０８及び１０９は人工反強磁性層（Ｍp11及びＭp22）である。
【００７５】
次に、実際に作成・実験を行った具体例について説明する。
【００７６】
スパッタ法によりガラス基板上に成膜した磁性積層膜を電子線及び光リソグラフィーを用いて加工し、図１０に示すように２つの素子（ここでは、図５で説明した素子）が並列接続されたスピントルク発振素子を作製した。ただし、素子１００１のフリー層はＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）、素子１００２のフリー層はＣｏＦｅであり、人工反強磁性層及び非磁性層はいずれもＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）及びＣｕ（４ｎｍ）とし、素子サイズはいずれも４０ｎｍｘ８０ｎｍとした。
【００７７】
この素子に５００Ｏｅの外部磁場の下で図１０の回路を用いてＤＣ電流を流した状態で発振スペクトルをスペクトルアナライザ（ＳＡ）１２３を用いて観測した。この結果を、図１１に示す。５．３ＧＨｚと６．５ＧＨｚに強い発振スペクトルが観測される。
【００７８】
以上述べたように、単一のスピントルク発振素子に替えて異なる周波数の複数のスピントルク発振素子と補助磁極を併用することにより、多層化３次元媒体から一括読み出しを行うことができ、読み出しを効率的に行うことができる。また、単一のスピントルク発振素子に替えて異なる周波数の複数のスピントルク発振素子と補助磁極（記録磁極）を併用することにより、多層化３次元媒体から一括書き込みを行うことができ、書き込みを効率的に行うことができる。
【００７９】
（２）第２の実施形態
第２の実施形態は、磁気記録において記録磁極と併用される書き込みアシスト用のマイクロ波磁場印加機構を改良するもので、スピントルク発振素子を用いたマイクロ波アシスト法（マイクロ波磁場により媒体ビットに磁気共鳴吸収を生じさせ、記録磁極による書き込みを容易にする方法）により媒体への書き込みを行うにあたって、より強いマイクロ波磁場を印加することができ、アシスト効果を高めることができるようにするものである。
【００８０】
図１２に、アシスト用スピントルク発振素子（マイクロ波磁場印加機構）と読み出しヘッドを別々に設けたマイクロ波アシスト型磁気ヘッドの基本構成例を示す。また、図１３に、マイクロ波磁場印加機構（マイクロ波磁場印加部）が読み出しヘッドも兼ねるマイクロ波アシスト型磁気ヘッドの基本構成例を示す。本実施形態は、いずれのタイプのマイクロ波アシスト型磁気ヘッド（のマイクロ波磁場印加機構）にも適用可能である。
【００８１】
図１２において、２１００はマイクロ波アシスト型磁気ヘッド、２１２０はアシスト用のスピントルク発振素子（マイクロ波磁場印加機構）、２１３０は読み出しヘッド、２１４０は磁気シールド、２１５０は記録磁極、２１６０，２１７０は電極、２１８０は非磁性層であり、また、２２００は記録媒体、２２１０は記録層である。記録磁極２１５０の近傍にアシスト用スピントルク発振素子２１２０が配置され、読み出しヘッド２１３０は磁気シールド２１４０内に納められている。
【００８２】
図１３において、２３００はマイクロ波アシスト型磁気ヘッド、２１９０は読み出し／アシスト兼用のスピントルク発振素子である。記録磁極２１５０の近傍に読み出し／アシスト兼用スピントルク発振素子２１９０が配置されており、図１２と異なり、独立した読み出しヘッドをもたない。なお、記録磁極（補助磁極）２１５０及び読み出し／アシスト兼用スピントルク発振素子２１９０が磁気シールド内に納められていても良い（図示せず）。
【００８３】
以下、図１２のタイプを例にとって説明するが、図１３のタイプも基本的には同様である。
【００８４】
図１４を参照しながら、アシスト用スピントルク発振素子の基本的な構成・動作の概要について説明する。図１４は、アシスト用スピントルク発振素子（マイクロ波磁場印加機構）２１２０がもつ基本的な構造を示す。図中、２１０２は固定層、２１０３は非磁性層、２１０４はフリー層、２１１５，２１１６は電極である。なお、本実施形態のアシスト用スピントルク発振素子の具体的な構成例については後で説明する。
【００８５】
図示されるように、スピントルク発振素子２１２０が、記録磁極２１５０に隣接して配置されている。フリー層２１０４の磁化の歳差運動に伴ってスピントルク発振素子２１２０の近傍に高周波磁場（マイクロ波磁場）が発生し、記録媒体２２００のビットに磁気共鳴吸収を生じさせ、記録磁極２１５０による磁化反転（書き込み）をアシストする。アシストが有効であるためには１ＫＯｅ程度の強い高周波磁場が媒体ビットに印加される必要があるが、そのためには厚いフリー層を媒体ビットに近づけて配置することが必要である。例えば、約１Ｔｂ／ｉｎｃｈ２の記録密度では図１５に示すように厚さ約３０ｎｍのフリー層（２１４１）を記録媒体から１０ｎｍの近さに配置しなければならないことが数値計算から導かれている。しかしながら、スピントルク発振素子においては、フリー層磁化に作用するスピントルクは、非磁性層との界面部分（厚さ数ｎｍ）に作用し、それ以外には作用しないため、厚さ数１０ｎｍの厚いフリー層を駆動することは容易ではない。このような困難を打開する一つの方法は、数ｎｍの薄いフリー層をもつ複数の発振素子を位相同期させて発振させることである。この方法により、媒体ビットに強い高周波磁場を印加することが可能となる。
【００８６】
図１６に、複数個の（例として、４個の）ナノピラー型発振素子を積層したスピントルク発振素子２１２０の例を示す。図中、２００１〜２００４は４個の素子をそれぞれ示す。また、個々の素子の構成例を、図１６の右側に示す。図中、２１０２は固定層、２１０３は非磁性層、２１０４はフリー層、２１０７は反強磁性層（交換バイアス）である。この例の場合には、素子を流れる電流のマイクロ波成分を介して、４個の素子２００１〜２００４が位相同期する。
【００８７】
図１７に、図１６の反強磁性体層の代わりに、人工反強磁性層を用いた発振素子を積層した例を示す。図中、２２０１〜２２０４は４個の素子をそれぞれ示す。また、個々の素子の構成例を、図１７の右側に示す。２１０８，２１０９が人工反強磁性層（固定層）である。この例の場合にも、素子を流れる電流のマイクロ波成分を介して、４個の素子２２０１〜２２０４が位相同期する。
【００８８】
図１６又は図１７の積層構造を例えば図１と同様のＤＣ電流源（１０５）で駆動すると、４個の素子が同一の位相で発振する。
【００８９】
図１８に、他の例として、ナノコンタクト型発振素子の場合を示す。図中、３１１５は上部電極、３１１６は下部電極である。２つのナノコンタクト（図中のナノコンタクト１とナノコンタクト２）は、スピン波（図中の３２００）を介して相互作用するため、それぞれのナノコンタクトに通電すると、２つのナノコンタクト直下の磁化は同一の位相で発振する。
【００９０】
図１６の方法や図１７の方法は、素子を流れるマイクロ波電流を介して位相同期が発生するため、磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の大きなＴＭＲ型発振素子の場合に極めて有効である。非磁性層に金属を用いたＭＲ比の小さいＧＭＲ型素子の場合には、位相同期を確実にするために、外部からＤＣ電流に加えてマイクロ波電流を重畳して印加することが有効である。この方法は注入同期法と呼ばれ、より確実に位相同期が得られる。マイクロ波アシストに用いる発振素子には、大きな電力（電圧）出力ではなく、大きな磁場出力が必要とされるため、抵抗が高いＴＭＲ型素子よりも抵抗が低く大きな電流を流すことが可能なＧＭＲ型素子の方が適している。ＧＭＲ型素子に大きな電流を流すことにより、大振幅磁化運動が発生し、高周波磁場出力が増大する。
【００９１】
例えば図１６又は図１７の積層型素子と記録磁極２１５０を組み合わせることにより、図１９の書き込みヘッドが得られるが、この素子は容易に発振し、図１５に例示したような厚いフリー層の素子と同等の強さの高周波磁場を媒体ビットに印加することができる。
【００９２】
次に、実際に作成・実験を行った具体例について説明する。
【００９３】
スパッタ法によりガラス基板上に成膜した磁性積層膜を電子線及び光リソグラフィーを用いて加工し、図１７の４層積層型素子を作製した。ただし、フリー層はＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）、人工反強磁性層はＣｏＦｅＢ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）、非磁性層はＣｕ（４ｎｍ）とし、素子サイズは４０ｎｍｘ８０ｎｍとした。
【００９４】
この素子に５００Ｏｅの外部磁場の下で図１と同様の回路を用いてＤＣ電流を流した状態で発振スペクトルを観測した。この結果を、図２０に示す。図２０中の（ａ）で示されるブロードなスペクトルは電流０．６ｍＡの下でのもので、発振周波数の異なる４層のフリー層が位相同期せず、発振していることを示している。電流を０．６５ｍＡに増大させると４層のフリー層は互いに同一位相で同期発振するため、図２０中の（ｂ）で示される線幅の狭い強い発振スペクトルが観測される。
【００９５】
以上述べたように、単一のスピントルク発振素子に替えて互いに位相同期した複数のスピントルク発振素子を用いることにより、媒体ビットに強いマイクロ波磁場を印加することができ、アシスト効果を高めることができる。
【００９６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９７】
１００…三次元磁気記録再生装置、１０１，２１２０，２１９０…スピントルク発振素子、１０２，２１０２…固定層、１０３，２０２，２１８０，２１０３…非磁性層、１０４，２１０４…フリー層、１０５，１０６，２１１５，２１１６，２１６０，２１７０，３１１５，３１１６…電極、１０７，２１０７…反強磁性層、１０８，１０９，２１０８，２１０９…人工反強磁性層、１２１…ＤＣ電流源、１２２…負荷、１４１〜１４４…バンドパスフィルタ、１５０，２１５０…磁極、１８０，２１４０…磁気シールド、２００，２２００…記録媒体、２２１０…記録層、２０１…磁性層、１００１〜１００４，１０２１〜１０２４，１０４１〜１０４４，２００１〜２００４，２２０１〜２２０４…発振素子、２１００，２３００…マイクロ波アシスト型磁気ヘッド、２１３０…読み出しヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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