(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性金属／非磁性金属または半導体／磁性金属からなる３層構造を有する層状薄膜構造体よりなり、該層状薄膜構造体に光を入射する照射手段、前記層状薄膜構造体に入射された光の反射光または透過光を検出する手段よりなり、前記層状薄膜構造体における量子井戸準位の形成の有無に起因する光遷移を前記磁性金属の保持している磁化情報の検出に利用することを特徴とする光素子。
【請求項２】
磁性金属／非磁性金属または半導体／磁性金属からなる３層構造を有する層状薄膜構造体よりなり、該層状薄膜構造体に光を入射し、前記層状薄膜構造体に入射された光の反射光または透過光を検出するとき、前記磁性金属層間の相対的な磁化の向きに応じて、前記層状薄膜構造体中の量子井戸準位の形成の有無に起因する光吸収、透過または反射強度、または偏光状態、または位相の変化を前記磁性金属の保持している磁化情報の検出に利用することを特徴とする光素子。
【請求項３】
磁性金属／非磁性金属または半導体／磁性金属からなる３層構造を有する層状薄膜構造体よりなり、該層状薄膜構造体に光を入射し、前記層状薄膜構造体に入射された光の反射光または透過光を検出するとき、前記磁性金属層間の相対的な磁化の向きに応じて、前記層状薄膜構造体中の量子井戸準位の形成の有無に起因する誘電率の変化に伴うプラズモン共鳴条件の変化を前記磁性金属層の保持している磁化情報の検出に利用することを特徴とする光素子。
【請求項４】
前記３層構造の磁性金属層の一つに反強磁性金属層が付加的に設けられた請求項１、２および３のいずれかに記載の光素子。
【請求項５】
磁性金属／非磁性金属または半導体／磁性金属からなる３層構造を有する層状薄膜構造体、該層状薄膜構造体に光を入射する手段、前記層状薄膜構造体に入射された光の反射光または透過光を検出する手段よりなり、前記磁性金属層間の相対的な磁化の向きに応じて、前記層状薄膜構造体中の量子井戸準位の形成の有無に起因する光吸収、透過または反射強度または、偏光状態、または位相の変化を前記磁性金属層の保持している磁化情報の検出をすることを特徴とする磁気信号検出装置。
【請求項６】
前記３層構造の磁性金属層の一つに反強磁性金属層が付加的に設けられた請求項５記載の磁気信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光により高感度で磁化情報の状態検出を行う方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性／非磁性／磁性層からなる多層膜を用いた磁気センサー、磁気ヘッド、磁気メモリーとして、ＧＭＲやＴＭＲ効果による電気抵抗変化を用いた読み出し方法が知られている（例えば、特開平１０−４０６７６、特開平１０−２８４７６５、特開２００１−８５７６３）。これらには、磁性金属／非磁性金属膜または半導体膜／磁性金属という構成が開示されている。また、磁化情報の光による検出方法としては、磁気的カー効果を用いて偏光方向の変化により検出する方法が広く知られている（例えば、講談社ブルーバックス、磁気光学の最前線、１９８９）。さらに、光による検出方法としては、プラズモンを利用して磁気的カー効果により高感度で検出する方法が開示されている（例えば、特開２００１−６７６８５）。
【０００３】
これらの公知例は、しかしながら、磁性金属／非磁性金属膜または半導体膜／磁性金属という構成を持つとともに、非磁性金属膜または半導体膜が量子井戸構造であることを積極的に利用するという開示あるいは示唆はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
磁化情報を検出する場合、外部磁界に対する感度が大きいこと、応答速度が速いことが重要である。ＧＭＲやＴＭＲ効果を用いた手法は、電気抵抗変化を利用しているため、その応答速度は光を用いる手法に比べて遅くなる。一方磁気的カー効果により光を用いた読み出し技術においては、応答速度は早いが高密度記録で求められる短波長領域での感度が小さいという問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、磁性金属／非磁性金属膜または半導体膜／磁性金属という構成を持つとともに、非磁性金属膜または半導体膜が量子井戸構造であることを積極的に利用し、強磁性体に挟まれた非磁性金属薄膜中の量子井戸準位または半導体量子井戸準位を使った光遷移を用いることを提案するものである。これにより、磁化情報の高速高感度読み出し方法を提供し、さらに、これを用いた記録用媒体、再生読みとり用ヘッドおよびメモリ素子を提供することである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
上記目的を達成するために本発明では、磁性金属／非磁性金属／磁性金属または、磁性金属／半導体／磁性金属の少なくとも３層薄膜構造を形成する。この時、磁性金属と、非磁性貴金属の組み合わせにより、非磁性金属薄膜中に量子井戸準位が形成されることがあることはすでに知られている。磁性金属／非磁性金属／磁性金属の三層構造にした場合、磁性金属層同士の相対的な磁化方向の変化により閉じ込め条件が変わり、非磁性金属中の量子状態が異なるため、非磁性金属中の量子準位に基づく光遷移強度が異なり、それにより磁性金属同士の相対的な磁化の向きの変化を測定することができる。非磁性金属の膜厚を変えることで、量子化エネルギー準位を変えることができるため、短波長領域での高感度測定が可能である。これは非磁性金属のかわりに半導体量子井戸を形成した場合も同様である。また、磁性薄膜中にも量子井戸が形成されるため、この準位間の光遷移を用いてもよい。形成された量子井戸準位間のエネルギーまたはそれに近いエネルギーを持つ光を入射すると、磁性金属の相互の磁化方向に依存して量子井戸形成条件が異なるため、入射光の吸収強度、屈折率、偏光状態、位相が変化する。
（実施例１）
図１を用いて、光磁気素子の原理を本発明の一実施例により示す。強磁性金属１／非磁性金属または半導体量子井戸薄膜２／強磁性金属３の三層構造において、強磁性金属１、３の相対的な磁化の向きの変化により、貴金属または半導体量子井戸薄膜２に生じる量子井戸状態の違いを励起光５による光励起により感知するものである。図１（ａ）は強磁性金属１、３の磁化の向きが同じ場合について示す図であり、貴金属または半導体量子井戸薄膜２に量子井戸準位４が形成され、励起光５により、励起された電子が下位の準位から上位の準位に移動する様子を示す。図１（ｂ）は強磁性金属１、３の磁化の向きが逆の場合について示す図であり、貴金属または半導体量子井戸薄膜２に量子井戸準位４が形成されていないから、励起光５による作用は起きない。
【０００７】
図２は、非磁性金属として貴金属「銀」を使用した実施例についてエネルギーバンド構造を説明する。まず、Ｆｅ（１００）の薄膜を形成してその上にエピタキシャル成長させたＡｇ（１００）の薄膜を形成してその上にさらにＦｅ（１００）の薄膜を形成した３層薄膜構造を形成する。図２（ａ）は、図１（ａ）に対応して、強磁性金属１、３の相対的な磁化の向きを同じにしたときの、エネルギーバンド構造を示したものである。図２（ｂ）は、図１（ｂ）に対応して、強磁性金属１、３の相対的な磁化の向きを逆にしたときの、エネルギーバンド構造を示したものである。
【０００８】
図２（ａ）に示すように、強磁性金属１、３の相対的な磁化の向きを同じにしたときは、フェルミ準位近傍のＡｇ（１００）の電子は、対称性としてΔ1の特性を持つため、対称性としてΔ2，Δ2’およびΔ5の特性を持つ鉄中に電子はしみ込むことができず薄膜中に閉じ込められ、その結果エネルギーが量子化される。このΔ2，Δ2’およびΔ5の特性を持つ鉄のエネルギー領域は、スピンの向きに依存しており、マイノリティスピン（minority spin）の向きを持つ電子に対しては−３〜１．５ｅＶ、マジョリティスピン（majority spin）の向きを持つ電子に対しては−４〜−１ｅＶ程度であり、−１〜１．５ｅＶのエネルギー領域では、マイノリティスピンの向きを持つ電子が効率的に閉じ込められる。これに対して、図２（ｂ）に示すように、強磁性金属１、３の相対的な磁化の向きを逆にしたときは、フェルミ準位近傍のＡｇ（１００）の電子は薄膜中に閉じ込められることはなく、その結果エネルギーが量子化されることもない。
【０００９】
図３は、４０Ｋ程度の低温で強磁性金属１（Ｆｅ（１００）表面）にＡｇを超高真空中でエピタキシャル成長させた後、５７０Ｋでアニール処理した量子井戸を形成しているＡｇ（１００）の薄膜２の電子状態を光電子分光法により測定したものである。この時、Ａｇ（１００）の膜厚に応じて量子井戸準位が形成されている様子がわかる。図中ＭＬはモノレイヤーで１原子層（０．２０４ｎｍ）を示す。Ｆｅの代わりにＣｏ，Ｎｉでも良く、Ａｇの代わりにＣｕでも良く、ＧａＡｓ等の半導体でも良い。
【００１０】
図４はこの量子井戸の二光子光電子スペクトルである。図中矢印で示した領域に、量子井戸に起因した光遷移がおきている様子が観測されている。ここで、Ｆｅ（１）／Ａｇ（２）／Ｆｅ（３）の三層構造の素子を作ると、Ｆｅ（１）とＦｅ（３）の磁化の向きが同じ時は、Ａｇ（２）中にマイノリティスピンの向きを持つ電子による量子井戸が形成される。
【００１１】
ここでマイノリティスピンとは、Ｆｅ（１）の磁化方向と逆向きのスピンを持つ電子である。一方、Ｆｅ（１）とＦｅ（３）の磁化の向きが異なる時は、Ｆｅ（１）に対してマイノリティスピンを持つ電子は、Ｆｅ（３）に対してはメジョリティスピンとなり、Ｆｅ（３）中にその電子はしみ込みＡｇ（２）中に閉じ込められることはない。すなわち、Ｆｅ（１）とＦｅ（３）の磁化の向きにより、Ａｇ（２）中に発生する量子井戸はできたりできなかったりすることにより、その反射、透過、吸収、偏光、位相が変化する。励起光５はｐ偏光であることが望ましい。これにより、磁化方向の判別が可能である。また、Ｆｅ（３）中にも量子井戸準位が形成される。Ｆｅ（３）のメジョリティスピンバンドΔ1およびΔ5に起因する量子井戸準位間の光遷移を用いても、同様にＦｅ（１）とＦｅ（３）の相対的な磁化方向の違いにより、その反射、透過、吸収、偏光、位相が変化する。これは、Ｆｅ（３）のメジョリティスピンのΔ1準位に起因する量子準位が、Ｆｅ（１）とＦｅ（３）の相対的な磁化方向の違いにより、Ｆｅ（１）中にも透過したりしなかったりするためである。
【００１２】
ここで、Ａｇ（２）の代わりにＡｕを用いても、同様の素子を作成することができる。この時、ｓｐ量子井戸準位間の光遷移には限らず、Ａｕ５ｄ電子から４ｓｐ量子井戸準位への光遷移に対応する励起光５を用いてもよい。この場合、励起光５は右回りまたは左回り円偏光でもよい。
（実施例２）
図５に本発明による磁化検出ヘッドの一実施例を示す。
【００１３】
図５において、強磁性体層９，１０と貴金属または半導体層１１を含む３層構造と反強磁性体層２０とを持つ多層膜１００が、誘電体プリズム７の水平面に接している。１２は保護膜であり、多層膜１００が誘電体プリズム７と接触している部分を除いた周辺に設けられる。入射光６が誘電体プリズム７の曲面に入射し、多層膜１００の表面に到達すると、この表面で表面プラズモンを励起する。多層膜１００中の２つの強磁性層９，１０の磁化の相対的な向きの違いにより、実施例１で述べたように量子井戸形成条件が異なるため、多層膜１００の誘電率が変化し、その結果プラズモンの吸収波数および吸収スペクトルの幅が変化し、出射光８にこの変化が反映される。このため、入射光６の波長および入射角度を適当に選ぶことにより、多層膜１００中の磁化変化に伴う誘電率の変化を高感度で測定することが可能である。ここで、反強磁性体層２０はこれと接している強磁性層９の磁化の向きをより安定に保つために設けられたものであり、検出すべき磁化により基準となるべき磁化の方向が影響を受けるのを防止する効果がある。
【００１４】
（実施例３）
図６（ａ）は本発明による三層構造を持つ光磁気素子を、書き込みおよび読み出し用光磁気記録媒体３１として用いた光磁気記録装置を、（ｂ）は光磁気記録媒体３１の断面構造の一実施例を示す図である。
【００１５】
図６（ａ）に示すように、量子準位間のエネルギーに対応する励起光を発生するレーザーダイオード３２から発生する光はコリメーターレンズ３５およびビームスプリッター３６に入る。ビームスプリッター３６からの反射光は集光レンズ３９とフォトディテクタ３４により検出される。ビームスプリッター３６からの透過光は対物レンズ３７により記録媒体３１に集光され、その反射光がビームスプリッター３６で反射されて集光レンズ３８およびフォトディテクタ３３によって検出される。フォトディテクタ３３と３４の強度を比較することにより再生信号４１を得る。書き込みはデータ４４を変調回路４３により書き込み信号に変換して、レーザーダイオード３２を照射しながら、磁気ヘッド４２により行う。光磁気記録媒体３１は、適当な駆動手段により、たとえば、図に示すように一点鎖線の位置を中心として回転させられる。
【００１６】
図６（ｂ）に示すように、光磁気記録媒体３１は基板２００上に反強磁性体層２０、強磁性体層９、貴金属または半導体層１１、強磁性体層１０と積層されるとともに最外層に保護層１２を形成する。図の例では、光磁気記録媒体３１はトラック対応で分離されているものとした。
（実施例４）
図７は、本発明による三層構造を持つ光磁気素子４６を再生読み取り用ヘッドとして用いた実施例である。ここで、光磁気素子４６は図５で説明した多層膜１００で構成されるものであり、層構造でも縦型のいずれでも良い。記録媒体４７は、一層の磁気記録層を持つ光磁気記録媒体でもよい。また、記録媒体４７は、適当な駆動手段により、たとえば、図に示すように一点鎖線の位置を中心として回転させられる。
【００１７】
量子準位間のエネルギーに対応する励起光を発生するレーザーダイオード３２から発生する光はコリメーターレンズ３５およびビームスプリッター３６を通り、ビームスプリッター３６からの反射光は集光レンズ３９とフォトディテクタ３４により検出される。ビームスプリッター３６からの透過光は、プリズム４５により光磁気素子４６の磁化方向に依存した変調を受け、出射光が集光レンズ３８およびフォトディテクタ４３によって検出される。スリット９０を用いて入射および反射角度の精度をあげてもよい。フォトディテクタ３３と３４の強度を比較することにより再生信号４１を得る。
（実施例５）
図８は、本発明による三層構造を持つ光磁気素子５１、５２を用いた光スイッチを作製した一実施例である。光磁気素子５１、５２の磁化書き込みはビット線４８、４９およびワード線５０による電流一致選択方式により行った。光磁気素子、ビット線、ワード線はさらに多く複数あってもよい。
【００１８】
光磁気素子５１は量子準位間もしくはその近傍のエネルギーを持つ励起光を入射される導波路５３の分岐光路の一方に配置される。分岐光路はその後交叉させられて干渉計を構成するとともに、導波路５５および５６に結合される。光磁気素子５１の磁化方向により光磁気素子５１を通る励起光の位相が変化し、交叉位置で１／２波長ずれて導波路５５または５６のいずれかにスイッチされる。光磁気素子５２についても同様であり、導波路５４に入射される励起光が光磁気素子５２の磁化方向により導波路５７または５８いずれかにスイッチされる。
【００１９】
図９は、上述した光磁気素子５１の部分に着目した断面構造の例である。三層構造を持つ光磁気素子５１は、図５で説明した三層構造に反強磁性体層を付加した構造である。光磁気素子５１の磁化は直交するワード線５０およびビット線４８により書き換えられる。導波路５９中を通ってきた励起光５は屈折率の異なるプリズム６０により光磁気素子５１表面で反射する。光磁気素子５１の二つの強磁性体層の相対的な磁化に依存してその反射光は強度および位相が変調される。
【００２０】
なお、この構造は、図８に示す光磁気素子５１、５２として使用できるのみでなく、独立に使用して導波路のスイッチとして機能させるものとすることもできる。
【００２１】
（実施例６）
図１０は、本発明による三層構造を持つ光磁気素子を二次元的に複数配列したメモリボード６４の各光磁気素子の情報を光によって読み出す記憶装置の実施例である。メモリボード６４の各光磁気素子は、図には表示していないが、実施例５と同様に、直交するワード線およびビット線により磁化の向きが書き換えられる。レーザーダイオード６５から出射された励起光５はコリメーターレンズ６６を通り、マスク６７によりメモリボード６４の各光磁気素子の、たとえば、Ｘ軸並びの一列のみに照射領域を制限されて各光磁気素子に照射される。その一部はビームスプリッター６８により分けられ集光レンズ６９およびフォトダイオード７０により参照光として検出される。一方、メモリボード６４からの反射光は、マスク７１により、たとえば、Ｙ軸並びの一列のみからの反射光が選択され集光レンズ７２およびフォトダイオード７３により検出される。７３で検出された光強度はフォトダイオード７０で検出された参照光と比較することにより磁化の向きが検出される。マスク６７のＸ軸の開口位置、マスク７１のＹ軸の開口位置を制御すれば、メモリボード６４の全ての光磁気素子の情報を光によって読み出すことができる。
【００２２】
ここで、メモリボード６４の表面は実施例５のプリズム６０のようなプリズムで覆ってもよい。また、励起光５は導波路を用いて照射するものとしても良い。マスク６７、７１は液晶または導波路中に設けた電気光学効果を用いた光スイッチを用いても良い。さらに、メモリボード６４の全面を液晶による光スイッチで覆い、選択された一つの光磁気素子の部分のみが開口した状態にして、メモリボード６４の全面を励起光５で照射して、選択された一つの光磁気素子の情報を得るものとしても良い。
【００２３】
本実施例により、各素子に貯えられた磁化情報を光を用いて選択的に高速で取り出すことができる。
【００２４】
（その他の実施例）
上述の実施例においては、量子井戸層は一つであったが、磁性金属／非磁性金属または半導体／磁性金属磁性からなる３層構造またはこれに反強磁性体層を付加した４層構造を積み重ねて量子井戸層を複数個とすることで、光遷移に伴う効果を増大させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、光による高感度の磁化検出方法および装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光磁気素子の原理を示す概念を示す図。
【図２】本発明による光磁気素子のエネルギーバンド構造を説明する図。
【図３】作製された金属量子井戸の電子構造を示すスペクトルを示す図。
【図４】量子準位に起因する光遷移を示す二光子スペクトルを示す図。
【図５】本発明による光磁気素子の実施例を示す概念図。
【図６】本発明による金属量子井戸を用いた光磁気読み出し素子の実施例を示す概念図。
【図７】本発明による金属量子井戸を用いた再生読み出しヘッドの実施例を示す概念図。
【図８】本発明による金属量子井戸を用いた光スイッチの実施例を示す平面図。
【図９】図８に示した金属量子井戸を用いた光スイッチの断面構造を示す図。
【図１０】本発明による金属量子井戸を用いた記憶装置の実施例を示す概念図。
【符号の説明】
１：強磁性金属、２：貴金属または半導体量子井戸薄膜、３：強磁性金属、４：量子井戸準位、５：励起光、６：入射光、７：誘電体プリズム、８：出射光、９：強磁性体層、１０：強磁性体層、１１：貴金属または半導体層、１２：キャップ層、１３：キャップ層、２０：反強磁性体層、３１：記録媒体、３２：レーザーダイオード、３３：フォトディテクタ、３４：フォトディテクタ、３５：コリメーターレンズ、３６：ビームスプリッター、３７：対物レンズ、３８：集光レンズ、３９：集光レンズ、４０：演算素子、４１：再生信号、４２：磁気ヘッド、４３：変調信号発生回路、４４：データ、４５：プリズム、４６：光磁気素子、４７：磁気記録媒体、４８，４９：ビット線、５０：ワード線、５１，５２：光磁気素子、５３，５４、５５，５６，５７，５８，５９：導波路、６０：プリズム、６４：メモリーボード、６５：レーザーダイオード、６６：集光レンズ、６７：マスク、６８：ビームスプリッター、６９：集光レンズ、７０：フォトディテクタ、７１：マスク、７２：集光レンズ、７３：フォトディテクタ、７４：演算素子、７５：再生信号、９０：コリメーター用スリット。
【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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