(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性材料から成る少なくとも一つの縦長の動作構造であって、それに沿って磁壁が移動できる動作構造と、この動作構造に電流を印加する手段と、動作構造から出る磁場のための少なくとも一つの磁場センサーとを有する磁気電気素子において、
この動作構造は、その中心での磁壁の横磁化方向が動作構造に沿った磁壁の移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない磁壁を作り出せることと、
この動作構造が、動作構造に沿った磁壁の移動方向と垂直な方向に関して、実効的な異方性を持たないか、この動作構造が、磁壁の移動方向と垂直な方向における形状の異方性の成分を消滅させる対称性を有するか、或いはその両方であることと、
を特徴とする磁気電気素子。
【請求項２】
強磁性材料から成る少なくとも一つの縦長の動作構造であって、それに沿って磁壁が移動できる動作構造と、この動作構造に電流を印加する手段と、動作構造から出る磁場のための少なくとも一つの磁場センサーとを有する磁気電気素子において、
この動作構造が、質量を持たない磁壁を作り出せることと、
この動作構造が、動作構造に沿った磁壁の移動方向と垂直な方向に関して、実効的な異方性を持たないか、この動作構造が、磁壁の移動方向と垂直な方向における形状の異方性の成分を消滅させる対称性を有するか、或いはその両方であることと、
を特徴とする磁気電気素子。
【請求項３】
当該の動作構造に磁場を印加する手段が配備されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気電気素子。
【請求項４】
当該の動作構造が、少なくとも一つの区画を柱形に構成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項５】
当該の動作構造が、少なくとも一つの区画を直線的な柱形に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気電気素子。
【請求項６】
当該の動作構造が、少なくとも一つの区画を円柱として構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気電気素子。
【請求項７】
当該の動作構造が、少なくとも一つの区画を多角形の横断面を持つ柱形として構成されていることを特徴とする請求項４から６までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項８】
当該の動作構造が直径対縦の比率が１：５よりも小さい縦長の構造であることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項９】
当該の動作構造の少なくとも一つの区画が１００ｎｍ以下の直径を有することを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１０】
当該の動作構造の少なくとも一つの区画が５０ｎｍ以下の直径を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１１】
当該の強磁性材料から成る動作構造の少なくとも一つの区画が、その強磁性材料の磁性交換長の２０倍を下回る直径を有することを特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１２】
当該の強磁性材料から成る動作構造の少なくとも一つの区画が、その強磁性材料の磁性交換長の１０倍を下回る直径を有することを特徴とする請求項１１に記載の磁気電気素子。
【請求項１３】
当該の動作構造の強磁性材料が軟磁性であることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１４】
当該の磁場センサーがＧＭＲセンサーであることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１５】
当該の動作構造又は動作構造の一つの区画の電気抵抗を測定する手段が配備されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の磁気電気素子。
【請求項１６】
請求項１から１５までのいずれか一つに記載の磁気電気素子を使用したデジタルデータ用シフトレジスタ。
【請求項１７】
請求項１から１５までのいずれか一つに記載の磁気電気素子を使用した論理ゲート。
【請求項１８】
強磁性材料の非断熱スピントランスファーパラメータβを測定する方法において、
質量を持たない磁壁が強磁性材料から成る動作構造を通って移動する際の磁壁の磁化方向がその移動方向の周りを回転する角速度を測定することと、
この角速度から、非断熱スピントランスファーパラメータβとギルバート減衰係数αの間の差を求めることと、
この動作構造が、動作構造に沿った磁壁の移動方向と垂直な方向に関して、実効的な異方性を持たないか、この動作構造が、磁壁の移動方向と垂直な方向における形状の異方性の成分を消滅させる対称性を有するか、或いはその両方であることと、
を特徴とする方法。
【請求項１９】
磁壁が外部磁場の影響下で動作構造を通って移動する速度から、ギルバート減衰係数の値を求めることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
磁壁が電流の影響下で動作構造を通って移動する速度から、スピン偏極率Ｐの値を求めることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
動作構造を通って流れる電流の影響下で磁壁の磁化方向がダイポール発振する周波数から、非断熱スピントランスファーパラメータβを求めることを特徴とする請求項１８から２０までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
当該の動作構造が、少なくとも一つの区画を柱形に構成されており、直径対縦の比率が１：５よりも小さい縦長の構造であることを特徴とする請求項１８から２１までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
強磁性材料から成る少なくとも一つの縦長の動作構造であって、それに沿って磁壁が移動できる動作構造と、この動作構造に電流を印加する手段と、動作構造から出る磁場のための少なくとも一つの磁場センサーとを有する磁気電気素子において、
この動作構造が、質量を持たない磁壁を作り出せるだけでなく、質量を持たない磁壁を有することを特徴とする磁気電気素子。
【請求項２４】
当該の磁壁が動作構造内を９５０ｍ／ｓ以上の速度で移動できることを特徴とする請求項２３に記載の磁気電気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気電気素子及びその磁気電気素子を使用して行う測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
「レーストラックメモリ」とも呼ばれる磁気シフトレジスタは、フラッシュメモリの堅牢性、ＤＲＡＭメモリの速さ及びハードディスクの反転性と不揮発性を一緒に組み合わせた磁気メモリである。そのようなシフトレジスタは、非特許文献１により周知である。縦長の強磁性メモリ構造には、磁化反転、従って、そのメモリ構造の縦に沿って移動する磁壁が形成されている。この場合、スピントランスファー効果として知られる、薄いメモリ構造内の磁壁が電流の印加によって制御されて、そのメモリ構造に沿って移動できるように作用する効果を活用している。通常ハードディスク上に有るようなデジタルデータは、互いに連続する二つの磁壁間の間隔で符号化されている。
【０００３】
移動する磁壁は、記録時だけでなく、情報処理時でも一定の役割を果たす。非特許文献２により、移動可能な磁壁を情報ユニットとして処理する論理素子が周知である。非特許文献３では、薄い磁気ストリップに沿ったスピン波の伝搬に基づく論理素子内の情報ユニットとしての磁壁を提案している。
【０００４】
上述した素子の機能に関する基本的な前提条件は、薄い磁気ストリップに沿った磁壁の制御された速い動きである。しかし、磁壁がメモリ構造又は論理素子内で移動できる速度がウォーカー限界（非特許文献４）によって数百ｍ／ｓに制限されることが欠点である。ウォーカー限界によって与えられる最大速度以上では、磁壁内における周期的な磁化構造の変化が起こり、それによって、記録又は処理した情報の完全性が脅かされて、記録又は処理速度が大幅に低下する（非特許文献５）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, "Magnetic Domain Wall Racetrack Memory", Science 320, 190 (2008)
【非特許文献２】D. A. Allwood, G. Xion, C. C. Faulkner, D. Atkinson, D. Petit, R. P. Cowburn, "Magnetic Domain Wall Logic", Science 309, 1688 (2005)
【非特許文献３】R. Hertel, W. Wulfhekel, J. Kirschner, "Domain-wall induced phase shift in Spin Waves", Physical Review Letters 93, 257202 (2004)
【非特許文献４】N. L. Schryer, L. R. Walker, "The motion of 180 domain walls in uniform dc magnetic fields", Jounal of Applied Physics 45, 5406 (1974)
【非特許文献５】M. Klaeui, P. O. Jubert, R. Allenspach, A. Bischof, J. A. C. Bland, G. Faini, U. Ruediger, C. A. F. Vaz, L. Vila, C. Vouille, "Direct observation of domain wall configuration transformed by spin currents", Physical Review Letters 95, 026601 (2005)
【非特許文献６】W. Doering, Zeitschrift fuer Naturforschung 3a, 373 (1948)
【非特許文献７】A. Mougin, M. Cornier, J.P. Adam, P.J. Metaxas, J. Ferre, "Domain wall mobility, stability and Walker breakdown in magnetic nanowire", Europhysics Letters 78, 57007 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のことから、本発明の課題は、これまで従来技術で可能であった速度よりも速く情報を読み出し、記録し、或いは処理し、最終的に出力できる磁気電気素子を提供することである。本発明の別の課題は、そのような動作構造に関して技術的に重要な非断熱スピントランスファーパラメータβの決定を従来技術と比べて容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本課題は、本発明による主請求項及び副請求項に記載された磁気電気素子、並びに更に別の副請求項に記載された、その素子を使用した方法によって解決される。別の有利な実施形態は、それらの請求項を参照する従属請求項から明らかとなる。
【０００８】
本発明の範囲内において、磁気電気素子を開発した。その素子は、強磁性材料から成る縦長の動作構造であって、それに沿って、磁壁が移動できる少なくとも一つの動作構造と、その動作構造に電流を印加する手段と、その動作構造から出る磁場のための少なくとも一つの磁場センサーとを有する。
【０００９】
縦長の構造とは、特に、直径対縦の比率が１：５より小さい、有利には、１：１０より小さい、更に有利には、１：２０より小さい構造であると解釈する。縦長の構造の例は、ワイヤー、この場合には、特に、ナノワイヤーである。
【００１０】
本発明では、動作構造は、その動作構造の中心における磁壁の横磁化方向が動作構造に沿った移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない磁壁を作ることができるように構成される。
【００１１】
そのような有利な方向の存在が、正に動作構造に沿った磁壁の移動速度がウォーカー限界に支配される物理的な原因であることを発見した。有利な方向が存在すると、その有利な方向に関する位置エネルギーが磁壁の横磁化方向にそれぞれ配分される。そのエネルギーが大きい程、実際の横磁化方向が有利な方向から遠ざかる。
【００１２】
更に、磁壁が動いた場合に、その横磁化方向とそれに関して存在する有利な方向との偏差に対応するエネルギーが、その動作速度に依存することを発見した。この磁化方向は、有利な方向に沿って釣り合いを取って、位置エネルギーを最小化させる方向を向く。
【００１３】
外部からの作用によって、磁壁が動作構造に沿って動いた場合、そのエネルギーの平衡は崩れる。その場合、有利な方向に対する磁壁の不整合を引き起こす回転モーメントが磁化に作用する。そのため、この有利な方向に対抗する位置エネルギーが常に発生する。そのような動きに対応する位置エネルギーの一部が、交換エネルギーに変換される、即ち、磁壁が動作構造を通って速く動く程、動作構造内における磁化の不均質性が増大する。そのような磁壁の動特性によって生じる位置エネルギー及び交換エネルギーの上昇は、形式的には、運動エネルギーとして解釈できる。
【００１４】
この運動エネルギーが臨界点を上回った場合、磁壁のマイクロ磁気構造が崩壊して、累積したエネルギーがスピン波によって解放されてしまうほど、動作構造内の磁化が変化する。その場合、磁気渦の発生及び／又は全滅が起こる。それは、如何なる場合でも、平衡状態と比べて磁壁構造の著しい変化を引き起こす。
【００１５】
そこで、有利な方向が存在しないように、動作構造を構成することによって、そのような磁壁の動きに対応する運動エネルギーが排除される。従って、それは、最早動作構造に沿った移動速度の制限要因ではなくなる。それは、磁気電気素子の用途に関して、従来技術で周知の磁気電気素子よりも大幅に速く情報を収集、処理又は記憶して、最終的に再度出力できることを意味する。
【００１６】
動作構造の互いに境界を接する異なる磁化領域の間に、如何なる形態の磁壁が構成されるかは、動作構造の形状、内部構造及び材料によって決まる。そのようなパラメータによって決まる異方性と磁気スカラーポテンシャル状況は、異なる磁化の領域間の境界での最小エネルギー準位を決める。それによって、その境界に形成される磁壁の形式と構造が決まる。
【００１７】
以下において、この発見した効果を物理的に深く理解してもらうために、本発明者は、止まっている磁壁と比べて動く磁壁が変化し、その場合のエネルギー上昇分が速度の２乗に比例するという事実に基づき、運動エネルギーと質量が磁壁に付与されるとのドーリング氏の１９４８年の非特許文献６に記載された公式を引用する。この場合、質量を持つ磁壁という用語は、動く磁壁は、そのエネルギーが速度の２乗で上昇するだけでなく、そのエネルギーが止まっている磁壁と比べて上昇するほど質量を付与されるという形で一般化される。
【００１８】
この公式の範囲内においても、本発明者によって開発された磁気電気素子は、強磁性材料から成る縦長の動作構造であって、それに沿って、磁壁が移動できる少なくとも一つの動作構造と、その動作構造に電流を印加する手段と、その動作構造から出る磁場のための少なくとも一つの磁場センサーとを有する。
【００１９】
本発明では、動作構造は、質量を持たない磁壁を形成できるように構成される。
【００２０】
ウォーカー限界として知られる、動作構造における磁壁速度が、典型的には、数百ｍ／ｓに制限されることが、磁壁の質量によって起こることを発見した。本発明者は、薄い磁気ストリップに沿って動く磁壁が運動量と慣性、従って、粒子の動特性を示すという周知の事実が、磁壁の質量が数学的な抽象概念ではなく、測定可能な効果の原因である証拠と見做した。本発明者は、磁壁の質量が磁壁の移動速度に関するウォーカー限界の存在の原因であることも発見した。ウォーカー限界と磁壁の質量の間の物理的な関連は、磁壁構造が動いている間、従って、それと関連してエネルギー密度が上昇している間に磁壁構造がダイナミックに変化することで説明できる。エネルギー密度は、マイクロ磁気構造が崩壊するまで上昇する。即ち、ウォーカー限界は、運動エネルギーの存在と関連付けられる。質量を持つ動く磁壁は、必然的に運動エネルギーを持ち、そのため、ウォーカー限界に支配される。
【００２１】
従って、質量を持たない動く磁壁の運動エネルギーは消滅することを発見した。そのため、質量を持たない磁壁は、特に有利には、磁気電気素子のために活用できるダイナミックな挙動を示す。質量を持たない磁壁は、ウォーカー限界に支配されず、従って、質量を持つ磁壁よりも著しく速く伝搬できる。磁壁の本質的なピニングも、その質量によって引き起こされるので、質量を持たない磁壁は、そのようなピニングにも支配されず、それと関連する運動特性の更なる制限にも支配されない。質量を持たない磁壁は、動作構造内の電流密度に対してほぼ線形的に変化する速度で動作構造を通って移動する。それは、磁気電気素子の用途に関して、従来技術で周知の磁気電気素子よりも大幅に速く情報を収集、処理又は記録し、最終的に再度出力できることを意味する。
【００２２】
更に、質量を持たない磁壁に関しては、動作構造を通る動きを始動するのに必要な臨界的な電流が要らない。従来技術では、そのような臨界的な電流に関する高い値が、この形式の磁気電気素子の一連の用途に対する別の障害であった。これまでの技術的な難しさは、所定の電流強度までしか薄い動作構造を壊さずに、それを通して電流を流せなかったことであった。他方では、そもそも磁壁を移動できるためには、少なくとも臨界的な電流強度が必要であったので、技術的に利用可能な電流強度の範囲は、全体として大きく制限されていた。動作構造は、不必要に加熱され、そのため、特に、バッテリー動作式携帯用途において乏しい電流が浪費されていた。
【００２３】
本明細書の特別な段落で詳しく述べる通り、本発明者は、解析計算とマイクロ磁気の有限要素シミュレーションによって、少なくとも区画毎に柱形に構成された動作構造内には、質量を持たない磁壁が存在することを確認した。それは、そもそも質量を持たない磁壁が具体的な構造内に存在することの初めての証拠である。当業者の従来の知識では、質量を持たない磁壁は、前述した質量を持つ磁壁の世界における単なる空想的な概念であった。従って、本発明者が与えた知見は、質量を持たない磁壁を構成できる動作構造の具体的な例を提供するだけに留まらない。むしろ、この全般的な技術知識は、そもそも質量を持たない磁壁が磁気エレクトロニクスに関して実際に利用できるということに及ぶ。
【００２４】
当業者が思い浮かべる課題は、通常具体的に与えられた境界条件を考慮して動作構造を製造することである。そのような境界条件は、特に、素子の具体的な使用目的と、複雑な回路内での素子の使用位置に関する仕様とから導き出される。当業者は、上記の全般的な技術知識を与えられれば、本発明者が与えた具体的な例に関する知見を利用して、与えられた境界条件を満たすシステムに対しても、本明細書の特別な段落で記載した手段を適用できる。そのため、当業者は、境界条件を満たす全ての形式のシステムの中から、質量を持たない磁壁を構成できるか、或いは中心の横磁化方向が動作構造に沿った移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない磁壁を構成できるシステムを見つけ出すことができる。そのような追加の有利な特性を付け加えるための所定の条件によって特徴付けられる動作構造は、本発明者が与えた開示によって、当業者がアクセス可能な更に別の製造工程となる。
【００２５】
そのため、装置に関する独立請求項の特徴は、当業者が実施可能なものである。
質量を持たない磁壁又は中心の横磁化方向が動作構造に沿った移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない磁壁は、特に、縦磁壁とすることができる。それは、移動方向に沿った磁化が動作構造を通ると１８０°回転する磁壁であり、その磁壁は、動作構造をそれぞれ逆向きに磁化された二つの領域に分離している。この場合、それらの領域は、特に、動作構造を通る磁壁の移動方向に沿って、或いはその逆方向に沿って磁化されている。
【００２６】
質量を持たない磁壁又は中心の横磁化方向が動作構造に沿った移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない磁壁は、特に、横磁壁とすることができる。その場合、磁壁の移動方向に対して垂直な方向の横断面に沿った動作構造の磁化は、ほぼ均一である。そして、そのマイクロ磁気構造は、動作構造に沿った位置だけに依存し、磁壁の中心との距離に依存しない。
【００２７】
相応の手段によって動作構造に供給できる電流は、磁壁を動作構造に沿って動かすための原動力である。好適な電流パルスによって、動作構造の材料内の磁化反転とそのため磁壁自体を同時に生成できる。しかし、それに代わって、局所的な磁場及び／又は回転磁場によって、動作構造内に磁化反転を起こすこともできる。更に、電流の代わりに、動作構造に沿って磁壁を更に前進させるために、回転磁場を使用できる。しかし、そのような前進は、電流で実現可能な前進よりも明らかに弱い。
【００２８】
そのため、本発明の有利な実施形態では、特に、回転磁場及び／又は局所的な磁場を動作構造に印加する手段が配備される。
【００２９】
本発明の特に有利な実施形態では、動作構造は、動作構造に沿った磁壁の移動方向と垂直な方向に関して、実効的な異方性を持たない。そのような動作構造は、例えば、磁壁の移動方向と垂直な方向に関する形状の異方性の成分を解消するような対称性を持った構造の形状で実現できる。磁壁は、特に、そのような構造の対称軸に沿って、動作構造を通って移動できる。
【００３０】
そして、この構造は、有利には、もともと結晶の異方性を持たない強磁性材料から構成される。そのような材料は、例えば、アモルファスとして、例えば、多数の小さいランダムな向きのクリスタライトから構成することができ、そのため、結晶の異方性が、もはや中心に作用しなくなる。そのような材料の例は、パーマロイである。
【００３１】
しかし、それに代わって、動作構造は、磁壁の移動方向と垂直な方向に関して形状の異方性を持つことができる。例えば、それは、強磁性材料の同じ大きさで逆向きの異方性、例えば、結晶の異方性によって打ち消すことができる。そのようにして、磁壁の移動方向と垂直な方向に関する実効的な異方性が全体として解消するように、例えば、横断面が円形でなく、楕円形のワイヤーを作ることができる。この例では、一方の主軸に沿った材料の異方性によって、形状の異方性を打ち消すことができる。
【００３２】
移動方向の周りの（実効的な）対称性のために、磁壁の中心での横磁化成分が移動方向に対して垂直な面内に有利な方向を持たない場合、動作構造に沿った磁壁の特別な動特性と、特に、その移動速度に関するウォーカー限界の解消とが得られる。前述した情報の収集、処理又は記録及び最終的な出力の高速化に関する利点を達成するために、磁壁が厳密に質量を持たず、実効的な異方性が厳密に解消され、或いは完璧な一次元の横磁壁であることが必ずしも必要ではない。それらの要件がただ近似的に満たされる毎に、動特性の改善が段階的に得られる。
【００３３】
本発明の特に有利な実施形態では、動作構造は、少なくとも一つの区画において、柱形に、ここでは、特に、直線的な柱として、特に有利には、円柱として構成される。それは、本発明者が質量を持たない磁壁の存在を最初に実証した実施構成である。磁壁は、柱形の軸に沿って移動する。この場合、質量を持たない磁壁は、伝搬時に、その位置と磁化方向を変化させるが、その内部の磁気構造を変化させないことを確認した。柱形の動作構造は、その高い対称性のために、磁壁の移動方向と垂直な方向に対して形状の異方性を持たず、そのため、例えば、パーマロイなどの結晶の異方性を持たないアモルファス強磁性材料から製造することができる。更に、そのような高い対称性の動作構造は、解析幾何学的に良好に規定することが可能である。本明細書の特別な段落において、柱形の動作構造をシミュレーション及び解析した調査結果を説明する。
【００３４】
しかし、動作構造が少なくとも一つの区画において柱形として構成された本発明の実施形態では、その柱形は、特に、頂点の数が偶数、特に有利には、頂点が６，８又は１２個の多角形の横断面を持つことができる。それによって、例えば、ほぼ直円柱とすることができると同時に、正にそのような直円柱を除くそれ以外の境界条件も満たすことができる。この場合、頂点の数が多い程、（例えば、材料の異方性などの）別の措置によって打ち消さなければならない形状の異方性が小さくなる。
【００３５】
動作構造の直径は、有利には、少なくとも一つの区画において、１００ｎｍ以下、有利には、５０ｎｍ以下である。有利には、その直径は、強磁性材料の交換長の高々２０倍、有利には、高々１０倍である。強磁性材料の交換長は、材料パラメータによって与えられ、典型的には、約５ｎｍである。交換長よりも大幅に長くはない範囲の長さでは、磁化は大抵均一である。直径が交換長よりも大幅に長い場合、長期間の強磁性が崩壊するので、磁壁の構造と動特性が変化する。
【００３６】
有利には、動作構造の強磁性材料は軟磁性である。軟磁性材料の保持力は、１０００Ａ／ｍ以内である。本発明の特に有利な実施形態では、軟磁性材料はパーマロイである。
【００３７】
本発明の特に有利な実施形態では、磁場センサーはＧＭＲセンサーである。そのようなセンサーは、薄膜センサーであり、従って、有利には、動作構造と一緒に基板に統合して製造することができる。
【００３８】
本発明の別の有利な実施形態では、動作構造又は動作構造の区画の電気抵抗を測定する手段が配備される。その抵抗は、異方性の磁気抵抗（ＡＭＲ）のために、動作構造又はその区画に含まれる領域の数に依存する。そのため、それは、そこに含まれる磁壁の数にも依存する。
【００３９】
本磁気電気素子は、デジタルデータ用のシフトレジスタとすることができる。そして、ハードディスクで一般的な符号化と同様に、二つの連続した磁壁の間の間隔によりデジタルデータを符号化することができる。ウォーカー限界によって制限されない、磁壁が動作構造を通って移動する速度は、そのようなシフトレジスタのアクセス速度を向上させ、そのため、これは、ＤＲＡＭメモリの速度とハードディスクの反転性及び不揮発性を互いに組み合わせて持つことができる。
【００４０】
しかし、本磁気電気素子は、例えば、論理ゲートとすることができる。そのようなゲートは、入力側の一つ以上の真理値を出力側の一つの真理値に一義的に対応付ける。真理値が磁壁の形で符号化されている場合に、如何に高速にそれを行うかは、それらの磁壁がゲートを通って移動する速度に依存する。
【００４１】
本明細書の特別な段落において、本発明者は、解析計算によって、少なくとも区画毎に柱形に構成された動作構造には、質量を持たない磁壁が存在することを確認した。その研究によって、移動方向と垂直な方向に関する質量を持たない磁壁の磁化方向が動作構造を通る間に回転する角速度が、スピン電流誘導効果を検出するためにギルバート方程式に付加される通常計測し難い非断熱スピントランスファー回転モーメントに依存することを発見した。従って、本発明は、強磁性材料の非断熱スピントランスファーパラメータβを測定する方法にも関する。
【００４２】
このパラメータは、伝導電子が強磁性の動作構造を通って移動する場合に、動作構造の局所的な磁化に作用する回転モーメントの成分の大きさを規定する。従って、伝導電子のスピンが、局所的な磁化と相互作用する。その相互作用の結果、それぞれ互いに直交し、断熱スピントランスファー項と非断熱スピントランスファー項と称される二つの成分に分けられる回転モーメントが局所的な磁化に作用する。これらの回転モーメント項の数学的な形式は、この後の相応に拡張したギルバート方程式で規定される。このパラメータβは、非断熱項と関連する回転モーメントの成分の大きさを表す無次元の係数である。
【００４３】
物理学的な観点では、磁化に対する断熱と非断熱のスピントランスファー効果及びそれらと関連する回転モーメントの成分は、伝導電子のスピンが局所的な磁化と相互作用する二つの異なる形態で区別される。断熱の場合、伝導電子のスピンが強磁性試料の場所毎に局所的な磁化に瞬間的に適合することを出発点とする。即ち、不均一に磁化された構造に沿って電子フローが流れる場合、電子スピンは、絶えず、言わば瞬間的に局所的な磁化方向に適合する。そのような電子スピンの回転は、回転運動量の変化に繋がる。全回転運動量は保存されるために、それに対応する逆向きの回転運動量が磁化に転換される。そのような時間単位毎の回転運動量の変化が、磁化に作用する断熱スピントランスファー回転モーメントと一致する。
【００４４】
非断熱の場合、高エネルギーの伝導電子のスピンは、不均一に磁化された領域を通過する際に、完全かつ瞬間的には局所的な磁化方向に適合できないという事実を考慮する。その結果、同様に回転モーメントと関連する電子スピンと局所的な磁化との不整合が起こる。そのような効果の大きさは、現在のところ十分に分かっておらず、専門文献で意見が分かれて活発に議論されている。そのような効果の大きさは、一般的に非断熱スピントランスファーパラメータβによって定量化される。その値は、これまで非常に難しい実験で計測可能であった。従って、本発明の対象は、従来技術と比べて、大幅に簡単であると同時に殆どモデルに依存しない形で、このパラメータβを計測することである。
【００４５】
本発明では、特に、質量を持たない磁壁が強磁性材料から成る動作構造を通って移動する際の磁化方向が移動方向の周りを回転する角速度を測定する。
【００４６】
強磁性の動作構造で起こる電子スピンは、その構造の磁化方向の周りを歳差運動する。それにより、回転運動量の保存のために、この磁化方向も変化する。
【００４７】
正規化した局所的な磁化
【数１】
0005624609.tif 000002
の動特性は、以下の拡張したギルバート方程式によって規定される。
【数２】
0005624609.tif 000003
ここでは、電流で誘導される磁化動特性が、最後の二つの項で考慮されている。Ｍs は飽和磁化であり、γは磁気回転比であり、
【数３】
0005624609.tif 000004
は実効磁場であり、αはギルバート減衰係数である。βは非断熱スピントランスファーパラメータである。ベクトル
【数４】
0005624609.tif 000005
は、以下の通り定義される。
【数５】
0005624609.tif 000006
ここには、電流密度があり、ｇはランデ因子であり、μB はボーア磁子であり、ｅは電気素量であり、Ｐは電流のスピン偏極率である。
【００４８】
非断熱スピントランスファーパラメータβは、伝導電子が不均一に磁化された領域を通って（例えば、磁壁などを通って）移動する際に局所的な磁化と相互作用し、そのために回転モーメントが磁化に作用するスピントランスファー効果の非断熱寄与分の大きさを規定している。
【００４９】
本発明者は、動作構造を通って移動する際の質量を持たない磁壁の磁化方向が移動方向の周りを回転する角速度が非断熱スピントランスファーパラメータβとギルバート減衰係数αの間の差（β−α）に依存することを発見した。そこで、αの値は様々な手法で求められるので、角速度を計測することによって、βを求めることができる。それに対して、従来技術では、βを計測することは難しかった。
【００５０】
例えば、本発明の有利な実施形態では、磁壁が外部磁場の影響下で動作構造を通って移動する速度から、α（ギルバート減衰係数）の値を求める。
【００５１】
本発明の別の有利な実施形態では、磁壁が電流の影響下で動作構造を通って移動する速度から、スピン偏極率Ｐの値を求める。その速度ｖとスピン偏極率Ｐの間の関係が、以下の式で与えられることを発見した。
【数６】
0005624609.tif 000007
ここで、この式の左側には、測定パラメータｖ、即ち、磁壁の速度が有り、右側には、求める偏極率Ｐが有る。右側の第一の項は、αとβだけを含む。通常αとβは両方とも１より非常に小さいので、その第一の項の値は、以下の通り、非常に良い近似で１に等しい値に設定できる。
【数７】
0005624609.tif 000008
【００５２】
それに代わって、本発明の方法に基づき、αとβの値を個別に求めて設定できる。
【００５３】
この磁壁速度に関する式の右側の第二の項は、物理的な定数（ボーア磁子μB 、電気素量ｅ、ランデ因子ｇ）と、例えば、文献の表から、一般的に材料特有のパラメータとして周知の飽和磁化ＭS だけを含んでいる。
【００５４】
この式には、それ以外の係数として、動作構造の全電流と横断面から分かる電流密度ｊと、求めるスピン偏極率Ｐが残っている。そのため、Ｐの値は、周知の手法を用いて、磁壁速度ｖの測定に基づき簡単に算出できる。スピン偏極率Ｐは、技術的に大きく関係するスピントロニクスのパラメータである。この分野での成果は、多くの場合、如何なる程度のスピン偏極率Ｐを作り出して、素子に加え、その素子による処理時に保持できたかで測られる。
【００５５】
有利には、磁壁の磁化方向が動作構造を流れる電流の影響下でダイポール発振を起こす周波数から、β（非断熱スピントランスファーパラメータ）の値を求める。その周波数は、係数２πによって、質量を持たない磁壁の磁化方向が動作構造を通って移動する際に移動方向の周りを回転する角速度と直ちに結び付けられる。ダイポール発振の周波数を実験で測定することは、角速度を直接測定するよりも簡単である。
【００５６】
磁壁の角速度ωは、例えば、好適な磁場センサーを用いて検出できる、それに対応するダイポール発振の周波数（ｆ＝ω／２π）によって測定可能である。しかし、実際には、ωの正と負の値の間を直接的な手法で区別することは、多くの場合難しい形でしか可能ではない。ωの異なる符号は、磁壁の逆方向の回転を規定している。不明な符号のωから得られたβの値の両義性を解消するために、電流に加えて、動作構造に沿って磁壁を動かすための縦磁場を更に印加できる。この追加磁場は、磁場の強さに比例する値Δωだけ角速度の変化を引き起こす。そのため、（この場合、一般化を制限すること無く、Δωが正である、即ち、磁壁の移動方向と逆の正のｚ方向に磁場を印加すると仮定して）発振周波数ｆの僅かに測定可能な絶対値が一方の場合には増大し（ω＋Δω）、他方の場合には減少する（−ω＋Δω）ので、当初区別し難かった−ωと＋ωの場合を区別できる。
【００５７】
本方法を実施するために、特に、主請求項と副請求項による磁気電気素子を用いることができる。そのため、それらは、同時に測定機器でもある。
【００５８】
以下において、図面に基づき本発明の対象を詳しく説明するが、それによって、本発明の対象は制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】長さ４μｍ、直径１０ｎｍの柱形ワイヤーにおける横磁壁の構成図
【図２】柱形ワイヤーにおける磁壁の磁化方向の特徴的な回転運動の模式図
【図３ａ】柱形ワイヤー内の電流密度の関数として磁壁の線形的な速度を表したグラフ
【図３ｂ】異なる電流密度値に関する時間の関数として磁壁の変位を表したグラフ
【図３ｃ】二つの異なる直径の柱形ワイヤーにおける磁壁速度を比較したグラフ
【図４】磁壁内の磁化方向の動特性を表すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００６０】
柱形の動作構造の特に有利な実施構成をマイクロ磁気シミュレーションと解析手法の両方で調べた。このシミュレーションは、既に前述した正規化した局所的な磁化
【数８】
0005624609.tif 000009
に関するギルバート方程式に基づく有限要素アルゴリズムで実施した。
【００６１】
ここで調べた実施例の動作構造は、材料パラメータμ0 ＭS ＝１Ｔ（飽和磁化）で、異方性を解消した、磁気交換定数Ａ＝１．３＊１０-11 Ｊ／ｍのパーマロイ（Ｐｙ）から成るワイヤーである。そのような動作構造は、例えば、磁気シフトレジスタとして使用できる。
【００６２】
図１は、シミュレーション結果として得られた、長さ４μｍ、直径１０ｎｍの柱形ワイヤーにおける横磁壁の構造を図示している。シミュレーションのために用いたデカルト座標系と解析調査のために使用した球座標系は、図１の左下に表示されている。比較のために、幅１００ｎｍ、厚さ１０ｎｍのパーマロイ製ストリップにおける横磁壁の構造が図１の右上に挿入図面として表示されている。このシミュレーションのために、ワイヤーの体積をセルの大きさが約１．２５ｎｍ×１．２５ｎｍ×５ｎｍの２５９，２００個の四面体に分割した。軸方向の対称性のために、磁壁とそのエネルギーの構造は、ｘｙ平面内における磁化の回転に対して変化しない。
【００６３】
正のｚ軸に沿った電流の影響下において、磁壁は、電子フローの方向（負のｚ方向）に動く。ワイヤーの軸に沿った線形的な動きに加えて、磁壁の磁化方向がワイヤーの軸の周りを回転する。
【００６４】
図２は、そのような磁化方向の特徴的な回転運動を図示している。ここでは、チューブと称するワイヤーの黒い横断面は、異なる時点ｔ1 〜ｔ5 での磁壁の位置を表している。それらの横断面の矢印は、その時点のその場所での磁壁の横磁化方向の向きを表している。ワイヤー内に記入された螺旋は、磁壁の歳差運動を図示している。このシミュレーションでは、αを０．０２に固定する一方、βの値を０と０．１の間で変化させた。
【００６５】
図３ａでは、α＝０．０２として、βの四つの異なる値に関して、磁壁の線形的な速度ｖが、直径１０ｎｍの柱形ワイヤー内の電流密度ｊの関数として記入されている。図３ａの線は、ｖの解析計算値を表している。この速度は、ｊには線形的に依存するが、βには依存しない。比較のために、同じパラメータの薄いストリップでの磁壁の動きをシミュレーションした（図３ａの挿入図面）。この挿入図面での線は、単にシミュレーションした個々の値に基づく関数の推移をグラフで表示している。本ワイヤーの挙動は、基本的にストリップと異なっている。β＝０に関して、本ワイヤーでは、本質的なピニングが生じていない。それに対して、ストリップでは、磁壁の動きを始動するために、最小限の（臨界的な）電流を加えなければならない。小さいｊに関して、ｊに依存しない小さい磁壁速度しか得られていない。その原因は、最終的な試料の大きさと関係する静磁気効果である。磁壁が試料の中心から動き出すと、縦方向の静磁場が発生する。
【００６６】
丸いワイヤーにおける磁壁が質量を持たないことも確認できる。そのプロフィルは、動いている間は変化しない。シミュレーションでは、核生成によって領域が消滅する、ｊ又は外部磁場に関して非現実的な高い値を仮定した場合でも、磁壁に関して質量が全く生じなかった。しかし、磁壁が厳密に数学的に、或いはただ実質的に質量を持たないか否かは、磁気電気素子、特に、シフトレジスタの技術的な用途に関して重要ではない。
【００６７】
柱形ワイヤーでは、磁壁の構造は、ウォーカー限界によっては崩壊しない。しかし、ストリップでは、β＞αの場合に、ウォーカー限界に到達する。その結果、図３ａの挿入図面において矢印で表されている通り、速度が大きく低下している。
【００６８】
柱形ワイヤーでは、磁壁速度は、βに依存しない。それに対して、ストリップでは、βへの大きな依存性を示している。丸いワイヤーでは、磁壁は、電流の投入後直ぐに一定の速度に達している。そのような観察は、磁壁が質量も慣性も持たないことと一致する。
【００６９】
図３ｂは、そのような磁壁の妨げられない動きを図示している。そこでは、磁壁の変位ｄが、ｊの三つの異なる値に対して、時間ｔの関数として記入されている。
【００７０】
図３ｃは、二つの異なる直径Ｄ（１０ｎｍと４０ｎｍ）の柱形ワイヤーにおける磁壁速度を比較したグラフを図示している。ワイヤーの直径への僅かな依存性だけが示されている。
【００７１】
図４は、磁壁内の磁化方向の動特性を集約したものである。電流密度ｊに関する、その磁化方向が回転する角速度が、βの三つの異なる値に対して記入されている。図４の左下の挿入図面には、厚さ１０ｎｍのワイヤーと厚さ４０ｎｍのワイヤーの間の角速度を比較したグラフが表示されている。磁壁の線形的な移動と同様に、磁化方向が回転する角速度も、ｊへの線形的な依存性を有する。しかし、それは、βにも依存し、β−αに比例することを発見した。回転方向は、α＝βの場合に変化し、その場合、理想的には、磁壁の磁化方向は回転しない。シミュレーションでは、そのような場合にも、遅い回転が発生している。その原因は、シミュレーションしているワイヤーの長さが有限であるために起こる静磁気効果である。
【００７２】
これらのシミュレーションしたデータの物理的な背景を調べるために、非特許文献７に記載されている解析モデルを用いて、ウォーカー限界のためにブロッホ磁壁の構造が崩壊する磁場を計算した。図１の左下に表示された球座標系を使用した。磁化の角速度は、以下の通り、磁壁に作用する回転モーメントΓに依存する。
【数９】
0005624609.tif 000010
【００７３】
磁壁に作用する回転モーメントの合計に関する式は、モーギン氏等の公式１０で与えられる。そこでは、ｚ方向に沿って作用する静磁場Ｈ、減磁場、減衰によって起こる回転モーメントを規定する等価減衰磁場、及びｚ方向に流れる電流が考慮されている。ワイヤーの柱形の対称性を活用するとともに、磁壁の中心（θ＝π／２）だけを考慮するとの簡単化によって、減磁場に属する全ての項を消去することができて、以下の通りとなる。
【数１０】
0005624609.tif 000011
ここで、ｗｃの添字は、磁壁の中心を表す。
【００７４】
そこで、単純にするために、先ずはｚ軸に沿って作用する外部静磁場によって駆動される磁壁の動きを調査した。ｕ＝０により、以下の通りとなる。
【数１１】
0005624609.tif 000012
【００７５】
即ち、外部静磁場では、磁壁は、（ほぼ１に近い予め与えられる係数１／（１＋α2 ）を除いて）ラーモア周波数で歳差運動し、減衰のために磁場方向に前進する。それが、達成可能な速度に関係する場合、外部磁場によって駆動される磁壁の動きは、予め与えられる係数αが小さいために、余り関心を引かない。
【００７６】
電流で駆動される磁壁の動きに関して、ｕ＝０の代わりに、Ｈ＝０と仮定すると、以下の通りとなる。
【数１２】
0005624609.tif 000013
【００７７】
これらの式は、断熱項が磁壁の線形的な動きに如何なる影響を与えるかを示す一方、非断熱項と減衰項の間の差が磁化方向の回転に如何なる影響を与えるかを示している。それに反して、ストリップでのブロッホ磁壁又は横磁壁の場合の減衰項及び／又は非断熱項は、磁壁を歪める、即ち、質量を消滅させない。この消滅しない質量は、本質的なピニングや速度に関するウォーカー限界などの様々な望ましくない効果を引き起こす。ウォーカー限界のために磁壁構造が崩壊する臨界的な電流又は臨界的な磁場は、通常磁壁の中心がその当初の面から回転して外れてしまう最低点として定義される（
【数１３】
0005624609.tif 000014
）。しかし、動作構造としてのワイヤーに関して、その対称性は、磁壁の磁化が自由に回転でき、その際磁壁が変形しないという作用効果を奏する。この場合、角速度がβ−αに依存する一方、磁壁が前進する線形的な速度はβに依存しない。
【数１４】
0005624609.tif 000015
と
【数１５】
0005624609.tif 000016
の両方は、磁壁の幅に関する尺度である∂θ／∂ｚ｜wcに比例することが重要である。線形的な速度ｖに関しては、
【数１６】
0005624609.tif 000017
のために、磁壁の幅は重要でない。そのため、線形的な速度は、図３ａで直線の形で記入されているｖとほぼ等しい。それは、厚いワイヤーが幅の広い磁壁を形成するにも関わらず、図３ｃに図示されている通りの線形的な速度がワイヤーの厚さに依存しないことの証左である。それは、角速度が厚いワイヤーで低下することを示す図４の左下の挿入図面でのシミュレーションと一致する。図４の線は、βの異なる値に関する速度の解析値を表している。それらの線は、シミュレーションした磁壁プロフィルから抽出された∂θ／∂ｚ｜wcの値で得られたものである。そのシミュレーションは、符号が異なり、絶対値が等しいβ−αに関して、同じ角速度が生じるという解析により得られた結果をほぼ完全に確認している。
【００７８】
角速度がαとβの間の差に依存することは、非断熱スピントランスファー回転モーメントに関する予め与えられる係数であり、通常決定することが難しい非断熱スピントランスファーパラメータβの測定に関して興味深い展望を開いた。αの値が磁場で駆動される速度から得られるので、丸いワイヤーでの磁場及び電流で駆動される磁壁の動きの特性によって、そのような情報を精密に決定するということである。そして、βの値は、電流で駆動される場合、
【数１７】
0005624609.tif 000018
と
【数１８】
0005624609.tif 000019
に関する式から得られる、電流で駆動されるダイポール発振周波数から算出できる。この場合、ほぼ正確にｕと等しい偏極率Ｐも、電流で駆動される磁壁速度から算出できる（図３とそれに対応する本明細書の全般的な段落における実施形態を参照）。
【００７９】
ここで提案した方法に基づく非断熱スピントランスファーパラメータβの決定は、減衰パレメータαの値を知ること、或いは実験で計測することから始めることができる。αの値の測定は、有利には、動作構造に沿って印加された縦方向磁場の影響下で磁壁が動く速度を計測することにより実施できる。前述した動特性に基づき、その速度は、以下の式で与えられる。
【数１９】
0005624609.tif 000020
そのため、減衰定数αの外に、速度は、駆動磁場の磁気回転比γと磁場強度Ｈ、並びに磁壁の磁気構造に依存する。∂θ／∂ｚ｜wcの値は、磁壁の中心における動作構造に沿った磁化の勾配を規定している。それは、磁壁の幅と関連が有り、解析モデル、実験での測定、或いはコンピュータシミュレーションで算出できる。そのため、αの値は、それが上記の式で唯一の不明な変数なので、その式に応じて算出できる。αに関する二乗の式を解いた時に生じる数学的な両義性は、条件α<<１によって排除できる。
【００８０】
αの値を算出した後、磁壁が電流の影響下で動作構造を通って移動する間に起こすダイポール発振の周波数に基づきβを計算できる。角速度ωは、以下の式で与えられる。
【数２０】
0005624609.tif 000021
ここで、∂θ／∂ｚ｜wcの値は、又もや測定によって求めるか、或いは計算によって見積もることができる。ｕの値は、
【数２１】
0005624609.tif 000022
によって与えられる。ｕ内の予め与えられる変数を決定する手法は前述した。そのため、測定可能な角速度ωと非断熱スピントランスファーパラメータβの求める値の間の簡単で直接的な関係が得られる。
【図１】
0005624609.tif 000023
【図２】
0005624609.tif 000024
【図３ａ】
0005624609.tif 000025
【図３ｂ】
0005624609.tif 000026
【図３ｃ】
0005624609.tif 000027
【図４】
0005624609.tif 000028