(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振層を含むスピントルク発振素子と、
少なくとも１つの記録層を含む記録部と、
前記スピントルク発振素子への電流の印加によって誘起される前記発振層の磁化の歳差運動を制御する制御部と、
を具備し、各記録層における磁化反転は、前記発振層の前記磁化と前記記録層の磁化との協調ダイナミクスを励起することにより実行される、磁気記録装置。
【請求項２】
前記記録部は、磁気共鳴周波数が互いに異なる複数の記録層を含み、
前記制御部は、書き込み対象の記録層を選択するために、前記歳差運動の周波数を制御する、請求項１に記載の磁気記録装置。
【請求項３】
前記磁気共鳴周波数は、前記スピントルク発振素子の前記発振層から離れて位置する記録層ほど低い、請求項２に記載の磁気記録装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記磁気共鳴周波数の高い順に前記複数の記録層に情報を書き込む、請求項２又は３に記載の磁気記録装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記記録部に記録されている情報を読み取った後に、前記記録部に情報を書き込む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つの記録層のうちの少なくとも１つは反強磁性結合膜で構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【請求項７】
前記電流を供給する電流源をさらに具備する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【請求項８】
前記記録部が複数設けられている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【請求項９】
前記スピントルク発振素子と前記記録部とを含むメモリセルが複数設けられ、前記記録部は少なくとも１つの参照層をさらに含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの参照層のうちの少なくとも１つは反強磁性結合膜で構成される、請求項９に記載の磁気記録装置。
【請求項１１】
前記記録部に記録された情報を読み出すための読み出しバイアス生成器をさらに具備する、請求項９又は１０に記載の磁気記録装置。
【請求項１２】
前記スピントルク発振素子は、絶縁体層を介して前記記録部に積層されている、請求項１乃至７及び９乃至１１のいずれか１項に記載の磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピントルク発振素子（Spin-Torque Oscillator：ＳＴＯ）を用いた磁化反転アシスト技術が知られている。この磁化反転アシスト技術は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory:ＭＲＡＭ）等の磁気記録装置において利用されている。磁化反転アシスト技術では、ＳＴＯは、何らかの磁化反転方式（ＨＤＤにおける書き込み磁場を用いた磁化反転やスピン注入ＭＲＡＭにおける書き込み電流を用いた磁化反転）のアシストとして使用される。磁化反転アシスト技術を利用する磁気記録装置は、書き込みに係る素子構造が複雑になる。より簡易な構成で磁化反転を引き起こすことができる技術が求められている。
【０００３】
ところで、ＭＲＡＭは、電源をオフしても記憶が消失しないという意味での不揮発性を備えたメモリである。ＭＲＡＭは、記憶を保持するのに電力を使わないため、ＩＣＴ（Information and Communication Technology）機器等の省エネルギーにつながる。また、ＭＲＡＭは高速読み書き可能であることが知られている。
【０００４】
不揮発性及び高速読み書き可能性から、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の置き換えを狙ったＭＲＡＭの技術開発がなされている。ＤＲＡＭ置き換えのためには、現行のメガビット級からギガビット級への記録密度の向上が求められる。また、メモリ階層という考え方において、ストレージクラスメモリ（ランダムアクセス速度と記録密度がＤＲＡＭとＳＳＤ（Solid State Drive）の中間的なパフォーマンスのメモリデバイス）という概念があるが、ＭＲＡＭをそのようなストレージクラスメモリにアプローチさせるためには、ギガビット級からさらに進めた記録密度の向上が要求される。
【０００５】
ＭＲＡＭでは、通常、トンネル型磁気抵抗効果素子（Magnetic Tunnel Junction:ＭＴＪ）における磁化反平行状態（高抵抗ＲＡＰ）と磁化平行状態（低抵抗ＲＰ）の２状態に記録ビットの“０”、“１”を割り当てて２値動作する。メモリセルサイズの微細化によって記録密度を増大させることができるが、微細化には限界がある。素子の磁化が情報保持状態（平行状態又は反平行状態）を長期間保てるためのサイズの限界が存在するためである。その限界は超常磁性限界と呼ばれ、サイズ１０ｎｍ程度が限界であるとされる。
【０００６】
このような背景のもと、高密度化を図るために、ＭＲＡＭの各メモリセルに多値の情報を記録する技術が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−６９８２１号公報
【特許文献２】特開２０１４−４１６９３号公報
【特許文献３】特開２００７−２８１３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で情報書き込みを行なうことができる磁気記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態に係る磁気記録装置は、スピントルク発振素子、記録部及び制御部を備える。スピントルク発振素子は、発振層を含む。記録部は、少なくとも１つの記録層を含む。制御部は、前記スピントルク発振素子への電流の印加によって誘起される前記発振層の磁化の歳差運動を制御する。各記録層における磁化反転は、前記発振層の前記磁化と前記記録層の磁化との協調ダイナミクスを励起することにより実行される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る磁気記録装置を示す図。
【図２】図１に示したＳＴＯを制御する系を示す図。
【図３】図１に示した記録部が取り得る状態を示す図。
【図４】（Ａ）は数値シミュレーション設定を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はシミュレーション結果を示す図。
【図５】（Ａ）は数値シミュレーション設定を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）はシミュレーション結果を示す図、（Ｆ）、（Ｇ）はシミュレーションにおいてＳＴＯに通電する電流の波形を示す図。
【図６】記録部が複数の記録層を含む場合における磁気共鳴周波数の設計例を示す図。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は情報書き込みの手順例を示す図。
【図８】（Ａ）は全部の記録層が反強磁性結合膜で構成される記録部を示す図、（Ｂ）は一部の記録層が反強磁性結合膜で構成される記録部を示す図。
【図９】一実施形態に係る単一のＳＴＯ及び複数の記録部を含む磁気記録装置を示す図。
【図１０】書き込み可能となる範囲を説明する図。
【図１１】一実施形態に係る磁気記録媒体を示す図。
【図１２】一実施形態に係るメモリセルを示す図。
【図１３】図１２に示した記録部が取り得る状態を示す図。
【図１４】（Ａ）は全部の参照層が反強磁性結合膜で構成される記録部を示す図、（Ｂ）は１つの参照層が反強磁性結合膜で構成される記録部を示す図。
【図１５】記録部に記録されている情報を読み出す系を示す図。
【図１６】一実施形態に係る複数のＳＴＯ及び複数の記録部を含む磁気記録装置を示す図
【図１７】ＳＴＯが絶縁体層を介して記録部に積層される例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。実施形態は、スピントルク発振素子の発振層磁化と記録部（磁気記録媒体）の記録層磁化との協調ダイナミクスに基づく情報書き込み方式を採用した磁気記録装置に関する。
【００１２】
図１は、一実施形態に係る磁気記録装置１００を概略的に示している。磁気記録装置１００は、図１に示すように、スピントルク発振素子（Spin-Torque Oscillator：ＳＴＯ）１０及び記録部２０を備える。
【００１３】
ＳＴＯ１０は、発振層１１と、ポーラライザ層１３と、発振層１１とポーラライザ層１３との間に設けられた中間層１２と、を含む。このような発振層と中間層とポーラライザ層の３層が積層した構造は、ＳＴＯの最も基本的な構造である。このことは、１９９０年代末にスピントランスファテクノロジーが誕生して以来知られていることである。
【００１４】
ＳＴＯ１０は、図２に示すように、１対の電極１７、１８に接続されている。電極１７と電極１８との間には、パルス発生器１９が設けられている。パルス発生器１９は、電極１７、１８を介してＳＴＯ１０にパルス状電流を印加する。パルス発生器１９は、コントローラ（制御部ともいう）１４によって制御される。コントローラ１４は、記録部２０に情報を書き込むために、ＳＴＯ１０に通電する電流を制御する。コントローラ１４は、書き込みステップ（後述する）ごとに電流値が定められた電流パルス発生プログラムに従って動作する。
【００１５】
ＳＴＯ１１０に電流を通電すると、発振層１１の磁化が電流値に応じた周波数で歳差運動する。具体的には、電流がポーラライザ層１３の磁化によってスピン偏極され、スピン偏極した電流が発振層１１の磁化に作用し、それにより、発振層１１の磁化の歳差運動が誘起される。この現象は、スピン注入磁化発振と呼ばれる現象である。発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数は、ＳＴＯ１０に通電する電流によって制御される。従って、コントローラ１４は、発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御している。
【００１６】
記録部２０は、少なくとも１つの記録層２１を含む。図１には、記録層２１が３層である例が示されている。各記録層２１の断面形状は、シンプルな形状、例えば、円形状、四角形状（丸角の四角形状を含む）等である。断面形状は、膜面（記録層２１を積層する方向に垂直な面に相当する。）における形状である。
【００１７】
本実施形態では、各記録層２１は垂直磁化膜で構成される。記録層２１の磁化は、上向き及び下向きの２方向のいずれかを向く。磁化の向きは情報“０”、“１”に対応付けられる。例えば、上向き磁化は情報“０”に対応し、下向き磁化は情報“１”に対応する。以下では、上向きをｕとラベルし、下向きをｄとラベルして、磁化方向を表現することがある。記録部２０が３層の記録層２１を有する場合、磁化方向の組み合わせは、図３に示すように、ｕｕｕ、ｄｕｕ、ｕｄｕ、ｄｄｕ、ｕｕｄ、ｄｕｄ、ｕｄｄ、ｄｄｄの８通りある。図３では、３つの記録層２１をＳＴＯ１０に近い方から順番に記録層１、記録層２、記録層３とラベルしている。Ｎ層の記録層２１を有する記録部２０は、２Ｎ値の状態を表現することができる。Ｎは１以上の整数である。
【００１８】
本実施形態に係る情報書き込み方法の基本原理について説明する。各記録層２１における磁化反転は、ＳＴＯ１０の発振を基にして励起される、発振層１１の磁化とその記録層２１の磁化との協調ダイナミクスによって引き起こされる。
【００１９】
図４（Ａ）は、発明者らが実施した数値シミュレーションの設定を示している。ここでは、協調ダイナミクスを浮き彫りにするために、記録部２０が単一の記録層２１を含む場合を例に挙げている。図４（Ａ）に示すように、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を定義する。ｘ方向及びｚ方向は記録層２１の膜面に平行な方向であり、ｙ方向は膜面に垂直な方向である。以下に記載する「＋ｙ方向」は、記録層２１の膜面に垂直であって、記録部２０からＳＴＯ１０に向かう方向を指す。すなわち、＋ｙ方向は、本明細書でいう上向きに対応する。ＳＴＯ１０及び記録層２１は、図４（Ａ）に示すように、ｙ方向に並んで配置している。ＳＴＯ１０及び記録層２１は共に円柱形状である。すなわち、ＳＴＯ１０及び記録層２１の断面形状は共に円形状である。その半径は共に１５ｎｍである。ＳＴＯ１０の発振層１１と記録層２１との間の距離ｄは２０ｎｍである。ＳＴＯ１０は、ポーラライザ層１３、非磁性中間層１２、発振層１１が積層した構造を有する。ポーラライザ層１３、非磁性中間層１２、発振層１１の膜厚はそれぞれ、６ｎｍ、１ｎｍ、３ｎｍである。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１は、磁性体で形成される。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１の磁気パラメタは次の通りである。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１の順に、飽和磁化Ｍｓは、６００ｅｍｕ／ｃｍ３、１４００ｅｍｕ／ｃｍ３、７００ｅｍｕ／ｃｍ３であり、垂直磁気異方性Ｋｕは、１０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、１Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、２．８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３であり、磁気減衰係数αは、０．０２、０．０２、０．０１である。初期の磁化方向について、ポーラライザ層１３の磁化１６の向きは上向きであり、発振層１１の磁化１５の向きはｚ方向であり、記録層２１の磁化２５の向きは上向きである。この設定の下、ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１に関する磁化ダイナミクスのＬＬＧシミュレーションを実施して得られた結果を図４（Ｂ）から（Ｄ）に示す。なお、ＬＬＧとは、Landau-Lifshitz-Gilbertの略であり、ＬＬＧ方程式に基づくＬＬＧシミュレーションは、磁気デバイス分野でしばしば用いられる有用なシミュレーション手法である。
【００２０】
図４（Ｂ）は、ＳＴＯ１０に電流Ｉ＝０．９０ｍＡを通電した場合における発振層１１の磁化１５及び記録層２１の磁化２５のｙ成分の時系列データを示す。図４（Ｃ）は、対応するｘ成分の時系列データを示す。ＳＴＯ１０に正の電流を通電した場合、スピン偏極電子流が発振層１１からポーラライザ層１３の向きに流れ、発振層１１の磁化１５は、＋ｙ方向に対して右回りに（＋ｙ方向に向かう右ねじの方向に）歳差運動する。負の電流を通電した場合には、＋ｙ方向に対して左回りに（＋ｙ方向に向かう左ねじの方向に）歳差運動する。ポーラライザ層１３の磁化１６は、大きな垂直磁気異方性のために、時間ｔ＝０〜１０ｎｓの間、ほぼ上向きの状態を保つ。
【００２１】
図４（Ｂ）に示すように、時刻ｔ＝０ｎｓでの通電後、記録層２１の磁化２５は、発振層１１の磁化１５の歳差運動に伴って発生する振動ダイポール磁場の影響を受けて、初期の上向きから、下向きに磁化反転する。この磁化反転プロセスにおいて、ＳＴＯ１０は、記録層２１の磁化２５に対する振動磁場源としての能動的な役割を担うばかりでなく、記録層２１の磁化２５の反転に伴う振動のフィードバックを受けるという意味での受動的な振る舞いをする。発振層１１の磁化１５と記録層２１の磁化２５が互いに影響を及ぼしあって協調的に振る舞う帰結として、終状態での記録層２１の磁化２５の反転に至っている。その協調性は、図４（Ｃ）においてＳＹＮＣ（同期Synchronizationの意味でＳＹＮＣ）とラベルした時間域の時系列データに示されている。この時間域では、発振層１１の磁化１５と記録層２１の磁化２５が互いに周波数を時々刻々合わせるように動作しており、（瞬時）周波数が一致しているという意味において共鳴的に、磁化２５の反転ダイナミクスが励起されている。この例での記録層２１の磁化２５は、その振動振幅｜Ｍｘ｜が大きくなると周波数が小さくなる性質を有しているが、その性質に時々刻々合わせるように、発振層１１の磁化１５が歳差運動している。この振る舞いは、磁気共鳴が時々刻々生じているものとみなすことができる。また、ＳＹＮＣとラベルした時間域では、ＳＴＯ１０から記録層２１の磁化２５への正味のエネルギートランスファが生じている。これは、発振層１１の磁化１５の歳差運動の振幅がその時間域で一時的に小さくなっていることからわかる（図４（Ｂ）、（Ｃ）参照）。これらのことから、この磁化反転現象を「共鳴反転」と呼ぶことにする。
【００２２】
図４（Ｄ）は、図４（Ａ）の設定のＳＴＯ１０を電流値０〜０．２ｍＡの範囲で動作させてプロットした、共鳴反転が生じた電流域を示す。電流値に比例した周波数直線（ＳＴＯ発振基本周波数）は、記録層２１の磁化２５が存在しないとした場合の発振層１１の磁化１５の発振周波数である。ＳＴＯ発振基本周波数はしばしばfree-running frequencyと呼ばれる。この例では、図４（Ｄ）に示すように、０．０７８〜０．１１４ｍＡの電流域で共鳴反転が現れる。その下限を与える電流値は、発振層１１の磁化１５の発振周波数が記録層２１の磁化２５の磁気共鳴周波数となるような電流値として与えられる。このように、共鳴反転は、限られた電流域、すなわち、それに伴う限られたＳＴＯ発振基本周波数域で発現する。記録部２０が複数の記録層２１を含む場合では、共鳴反転が生じるＳＴＯ発振基本周波数域が記録層２１の磁気共鳴周波数に応じて限定されるというこの性質を利用して多値書き込みがなされる。多値書き込みついては、後に詳細に説明する。
【００２３】
図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示されるシミュレーション結果は、正の電流を通電し、発振層１１の磁化１５が右回りに歳差運動する場合に得られるものである。負の電流を通電する場合には、初期に上向きを向いている記録層２１の磁化２５は、磁化１５の影響を受けることなく、上向きを保ったままとなる。これは、有効磁場に対して右ねじの向きに回転するという磁化の性質のためである。記録層２１のような垂直磁化膜の磁化は自身が向いている方向に有効磁場を受けており、記録層２１の磁化２５は、上向きの場合は、＋ｙ方向に対して右回りに回転する性質を持ち、下向きの場合は、＋ｙ方向に対して左回りに回転する性質を持っている。そのため、初期に上向きを向いている記録層２１の磁化２５は、正の電流で発振層１１の磁化１５が右回りに歳差運動する場合には、磁化１５の影響を受けやすく、所定の電流域で共鳴磁化反転を示す。対照的に、負の電流で発振層１１の磁化１５が＋ｙ方向に対して左回りに歳差運動する場合には、初期に上向きを向いている記録層２１の磁化２５は、磁化１５の影響を受けることはない。初期に下向きを向いている記録層２１の磁化２５に対しては、その逆である。初期に下向きを向いている記録層２１の磁化２５は、負の電流で発振層１１の磁化１５が左回りに歳差運動する場合には、磁化１５の影響を受けやすく、正の電流で発振層１１の磁化１５が右回りに歳差運動する場合には、磁化１５の影響を受けない。
【００２４】
なお、ここに示した磁化反転方法、すなわち、協調ダイナミクスに基づく共鳴磁化反転は、従来にない方法である。従来技術として、ＳＴＯを用いた磁化反転アシスト技術が知られている。例えば、ＨＤＤ技術におけるＳＴＯを用いた高周波アシスト記録やスピン注入ＭＲＡＭにおけるＳＴＯを用いた磁化反転アシストである。本実施形態に係る上述の磁化反転方法は、それらの従来技術とは相違する。本実施形態の磁化反転方法は、それらの従来技術のようにＳＴＯを何らかの磁化反転方式（ＨＤＤの書き込み磁場やスピン注入ＭＲＡＭの書き込み電流を用いた磁化反転）のアシストとして用いるのではなく、ＳＴＯ１０のみを用いて磁化反転を引き起こす。
【００２５】
次に、記録部２０が複数の記録層２１を含む場合における情報書き込み方法について説明する。記録部２０が複数の記録層２１を含む場合、共鳴反転が生じるＳＴＯ発振基本周波数域が記録層２１の磁気共鳴周波数に応じて限定されるという性質を利用して、情報書き込みが行われる。
【００２６】
図５（Ａ）は、発明者らが実施した数値シミュレーションの設定を示している。図５（Ａ）に示すように、ＳＴＯ１０と２層の記録層２１がｙ方向に並んで配置している。図５（Ａ）では、２つの記録層２１をＳＴＯ１０に近い方から順番に記録層１（Recording layer 1）、記録層２（Recording layer 2）とラベルしている。本明細書では、２つの記録層２１をＳＴＯ１０に近い方から順番に記録層２１−（１）、記録層２１−（２）と記載する。ＳＴＯ１０及び２つの記録層２１−（１）、２１−（２）は円柱形状である。すなわち、ＳＴＯ１０及び２つの記録層２１−（１）、２１−（２）の断面形状は円形状である。その半径は１５ｎｍである。ＳＴＯ１０の発振層１１と記録層２１−（１）との間の距離ｄは２０ｎｍである。ＳＴＯ１０は、ポーラライザ層１３、非磁性中間層１２、発振層１１が積層した構造を有する。ポーラライザ層１３、非磁性中間層１２、発振層１１の膜厚はそれぞれ、６ｎｍ、１ｎｍ、３ｎｍである。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）は磁性体で形成される。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）の磁気パラメタは次の通りである。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）の順に、飽和磁化Ｍｓは６００ｅｍｕ／ｃｍ３、１４００ｅｍｕ／ｃｍ３、７００ｅｍｕ／ｃｍ３、７００ｅｍｕ／ｃｍ３であり、垂直磁気異方性Ｋｕは１０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、１Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、２．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３である。ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）の磁気減衰係数αはすべて０．０２である。初期の磁化方向について、ポーラライザ層１３の磁化１６の向きは上向きであり、発振層１１の磁化１５の向きはｚ方向（面内方向）である。記録部２０の初期状態としては、ｕｕ、ｕｄ、ｄｕ、ｄｄの２２通りの状態を採用した。例えば、状態ｕｄは、記録層２１−（１）の磁化の向きが上向きであり、かつ、記録層２１−（２）の磁化の向きが下向きであることを表す。この設定の下、ポーラライザ層１３、発振層１１、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）に関する磁化ダイナミクスのＬＬＧシミュレーションを実施して得られた結果を図５（Ｂ）から（Ｅ）に示す。
【００２７】
本シミュレーション設定でのＳＴＯ１０に正の電流を通電した場合、スピン偏極電子流が発振層１１からポーラライザ層１３の向きに流れ、発振層１１の磁化は、＋ｙ方向に対して右回りに歳差運動する。負の電流を通電した場合には、発振層１１の磁化は、＋ｙ方向に対して左回りに歳差運動する。ＳＴＯ発振基本周波数は、図４（Ｄ）に示したように電流値に比例する。本シミュレーションでは、電流印加は、図５（Ｆ）又は図５（Ｇ）に示すような、立ち上がり時間０．２ｎｓｅｃ、持続時間８ｎｓｅｃのパルス状の電流を時刻ｔ＝１ｎｓに投入することで実施した。図５（Ｆ）は、正の電流を通電する場合のパルス形状を示し、図５（Ｇ）は、負の電流を通電する場合のパルス形状を示す。以下において「電流値Ｘを通電する」と記載した時の電流値は、パルス状電流の最大値（Ｘ＞０の場合）又は最小値（Ｘ＜０の場合）を表す。ポーラライザ層１３の磁化は、大きな垂直磁気異方性のために、時間ｔ＝０〜１４ｎｓの間、上向きの状態を保つ。
【００２８】
図５（Ｂ）は、ＳＴＯ１０に電流値−０．０４ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｕｄから終状態ｕｕに遷移することを示している。図５（Ｃ）は、ＳＴＯ１０に電流値−０．１５ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｄｄから終状態ｕｕに遷移することを示している。図５（Ｄ）は、ＳＴＯ１０に電流値−０．１５ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｄｕから終状態ｕｕに遷移することを示している。図５（Ｅ）は、ＳＴＯ１０に電流値＋０．０８ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｕｕから終状態ｕｄに遷移することを示している。
【００２９】
図５（Ｂ）〜（Ｅ）に示した以外にも、同様のシミュレーションを実施することにより、次の結果を得る。ＳＴＯ１０に電流値＋０．１６ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｕｕから終状態ｄｄに遷移する。ＳＴＯ１０に電流値−０．０８ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｄｄから終状態ｄｕに遷移する。ＳＴＯ１０に電流値＋０．０４ｍＡを通電することにより、記録部２０が初期状態ｄｕから終状態ｄｕに遷移する（記録層２１−（２）の磁化は反転することなく状態ｕのままである）。
【００３０】
この例においては、記録層２１−（１）の磁気共鳴周波数ｆ１は、Ｉ〜±０．１５ｍＡで与えられるＳＴＯ発振基本周波数に対応している。また、記録層２１−（２）の磁気共鳴周波数ｆ２は、記録部２０が状態ｄｕ又は状態ｕｄである場合には、Ｉ〜０．０４ｍＡで与えられるＳＴＯ発振基本周波数に対応しており、記録部２０が状態ｕｕ又は状態ｄｄである場合には、Ｉ〜０．０８ｍＡで与えられるＳＴＯ発振基本周波数に対応している。図４（Ｄ）を参照して上述したように、共鳴反転が生じるＳＴＯ発振基本周波数域は記録層２１の磁気共鳴周波数に応じて限定される。その性質ゆえに、「発振層の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御すること」と「共鳴反転プロセスに関わる記録層を選択すること」との間に対応関係が現れている。発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御することは、ＳＴＯ１０に通電する電流を制御する（切り替える）ことによって実行される。このように、本実施形態の磁気記録装置１００においては、発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御することによって、状態ｕｕから状態ｕｄへの遷移等の磁化反転プロセスが決まる。すなわち、発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御することによって、共鳴反転プロセスに関わる記録層２１が選択される。
【００３１】
例えば、記録層２１−（１）と記録層２１−（２）との２層の記録層２１がある場合、記録層２１−（１）の磁気共鳴周波数は、漏れ磁場の影響のために、記録層２１−（２）の磁化の向きがｕであるかｄであるかによって変化する。記録部２０がＮ層の記録層２１を有する場合、これら記録層２１の１つを記録層２１−（ｉ）と記載する。ここで、ｉは、１以上Ｎ以下の整数である。記録層２１−（ｉ）の磁気共鳴周波数は、記録層２１−（ｉ）に作用する有効磁場Ｈｉｅｆｆを用いて、（γ／２π）Ｈｉｅｆｆと表される。γは磁気回転比を表す。有効磁場Ｈｉｅｆｆは他の記録層２１の磁化の向きに応じた漏れ磁場によって変化する。それゆえ、他の記録層２１の磁化の向きによって、記録層２１−（ｉ）の磁気共鳴周波数は変化する。磁気共鳴周波数は漏れ磁場だけでなく、記録層材料や形状に依存するため、上記の例のように、記録層２１−（１）の磁気共鳴周波数ｆ１を記録層２１−（２）の磁気共鳴周波数ｆ２より大きく設定することが可能である。「磁気共鳴周波数ｆ１が磁気共鳴周波数ｆ２よりも大きい」とは、記録層２１−（２）がとりえる磁気共鳴周波数の最大の値よりも記録層２１−（１）がとりえる磁気共鳴周波数の最小の値が大きいことを意味する。
【００３２】
本実施形態の磁気記録装置１００においては、上述した対応関係が成立するように、複数の記録層２１の磁気共鳴周波数が互いに異なる。上記の例では、記録層２１−（１）、２１−（２）の垂直磁気異方性Ｋｕはそれぞれ３．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３、２．３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３のように異なる値をとり、漏れ磁場の影響を含めて、記録層２１−（１）の磁気共鳴周波数ｆ１と記録層２１−（２）の磁気共鳴周波数ｆ２の値が異なる。ここでは、Ｎ＝２の場合を例に説明したが、Ｎ≧３の場合も同様である。
【００３３】
以上のように、本実施形態に係る磁気記録装置１００は、発振層を含むＳＴＯ１０と、少なくとも１つの記録層２１を含む記録部２０と、を備える。「発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御すること」と「共鳴反転プロセスに関わる記録層２１を選択すること」との間に対応関係がある。このため、発振層１１の磁化の歳差運動の方向及び周波数を制御することで、書き込み対象の記録層２１を選択することができる。発振層１１の磁化と選択された記録層２１の磁化との協調ダイナミクスを励起することにより、選択された記録層２１への情報書き込みがなされる。
【００３４】
記録層２１の磁気共鳴周波数は、ＳＴＯ１０の発振層１１から離れるほど低くなるように設計することが望ましい。すなわち、図６に示すように、ＳＴＯ１０の発振層１１に近い方から、記録層２１−（１）、記録層２１−（２）、…、記録層２１−（Ｎ）とラベルして、それらの磁気共鳴周波数をｆ１、ｆ２、…、ｆＮとしたときに、ｆ１＞ｆ２＞…＞ｆＮである。記録層２１−（ｉ）の磁気共鳴周波数ｆｉは、記録層２１−（ｉ）に作用する有効磁場Ｈｉｅｆｆを用いて（γ／２π）Ｈｉｅｆｆと表すことができる。本発明者らが実施したＬＬＧシミュレーションによれば、発振層１１の磁化と記録層２１−（ｉ）の磁化との協調ダイナミクスが生じるか否かは、Ｈｉ⊥ｄｉｐｏｌｅ／Ｈｉｅｆｆの大きさに依存する。ここで、Ｈｉ⊥ｄｉｐｏｌｅは、発振層１１の磁化から記録層２１−（ｉ）の磁化に作用するダイポール磁場の大きさである。Ｈｉ⊥ｄｉｐｏｌｅ／Ｈｉｅｆｆが大きいほど、協調ダイナミクスが発現しやすい。ダイポール磁気相互作用は、２体の距離が離れるほど小さくなるという性質を持っているため、Ｈｉ⊥ｄｉｐｏｌｅは発振層１１から離れるほど小さくなる。従って、Ｈｉ⊥ｄｉｐｏｌｅ／Ｈｉｅｆｆがなるべく大きな値を持つためには、記録層２１−（ｉ）に作用する有効磁場Ｈｉｅｆｆを小さく設定するのがよい。そうすることによって、発振層１１から距離が離れた記録層２１においても、協調ダイナミクスの発現しやすさを保つことができる。有効磁場Ｈｉｅｆｆを小さく設定することは、磁気共鳴周波数を小さく設定することに他ならない。すなわち、記録層２１について、発振層１１から距離が離れる（ｉが大きくなる）に従って、その磁気共鳴周波数が小さくなるよう設定することにより、発振層１１から距離が離れた記録層２１に対して、協調ダイナミクスに伴う共鳴反転を作用させることが可能となる。つまり、記録層２１の数をより増やすことができ、記憶容量をより高めることができる。
【００３５】
本実施形態の情報書き込み方法は、磁気共鳴周波数が大きい順に記録層２１を選択して書き込みを行なう。これにより、Ｎ層の記録層２１を有する記録部２０に書き込みたい多値情報をＮステップで確実に書き込むことができる。以下、図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、このことを詳細に説明する。
【００３６】
図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、記録層２１が３層である場合における多値情報を書き込む手順例を示している。具体的には、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、記録部２０を状態ｄｕｕにする手順例を示している。これは、例えば、記録部２０に多値情報“０１１”を書き込むことに対応する。３層の記録層２１の磁気共鳴周波数をｆ１、ｆ２、ｆ３と表し、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３であるとする。本実施形態では、多値情報“０１１”を書き込むというのは、記録層２１が３つの場合には、任意の２３（＝８）状態から出発して状態ｄｕｕに至るように、３つの記録層２１に選択的に協調ダイナミクスを励起することである。状態ｄｕｕに至るには次のステップを経ればよい。
【００３７】
まず、発振層１１の磁化が＋ｙ方向に対して右回りに約ｆ１の周波数で歳差運動するような電流をＳＴＯ１０に通電し、磁気共鳴周波数ｆ１を有する記録層２１に協調ダイナミクスを励起して共鳴反転を引き起こす（Ｓｔｅｐ１）。次に、発振層１１の磁化が＋ｙ方向に対して左回りに約ｆ２の周波数で歳差運動するような電流をＳＴＯ１０に通電し、磁気共鳴周波数ｆ２を有する記録層２１に協調ダイナミクスを励起して共鳴反転を引き起こす（Ｓｔｅｐ２）。最後に、発振層１１の磁化が＋ｙ方向に対して左回りに約ｆ３の周波数で歳差運動するような電流をＳＴＯ１０に通電し、磁気共鳴周波数ｆ３を有する記録層２１に協調ダイナミクスを励起して共鳴反転を引き起こす（Ｓｔｅｐ３）。
【００３８】
この時、次の点に注意されたい。図７（Ｂ）のＳｔｅｐ１のプロセスで例示されているように、磁気共鳴周波数ｆ１を有する記録層２１だけでなく、磁気共鳴周波数ｆ２、ｆ３を有する記録層２１にも共鳴反転が引き起こされる。大きな共鳴周波数を有する記録層２１に共鳴反転を引き起こそうとすると、それより小さな共鳴周波数を有する記録層２１も影響を及ぼされるのである。そのような例は、図７（Ａ）、（Ｂ）のＳｔｅｐ２のプロセスにも示されている。また、図５（Ｃ）に示したＬＬＧシミュレーション例は、そのような「共鳴反転のなだれ現象」の例となっている。このなだれ現象が生じるのは、共鳴反転におけるＳＴＯの磁化と記録層磁化との協調ダイナミクスによる磁化振動の周波数変化に起因している。図４（Ｃ）のＳＹＮＣとラベルした時間域の磁化振動の周波数を見ると分かるように、記録層２１の磁化反転に至る過程で、協調ダイナミクスによる磁化振動の周波数は時々刻々小さくなっていく。そのため、例えば、最大の周波数ｆ１から出発して、共鳴反転プロセスが生じ始めると、ＳＴＯの磁化の歳差運動周波数は、低減していき、途中で周波数ｆ２に出会うことになる。その結果、磁気共鳴周波数ｆ２を有する記録層２１に同時に協調ダイナミクスが励起されることになる。このなだれ現象が現れ得るという観点から、図７（Ｂ）のＳｔｅｐ１や図７（Ａ）、（Ｂ）のＳｔｅｐ２で例示している書き込みステップは、なだれ現象によって生じたある種の誤書き込みを訂正するステップであるとみなせる。本実施形態においては、ＳＴＯ１０による書き込み動作において、磁気共鳴周波数の大きさが大きい記録層２１から順に書き込みを行なうことにより、３層の記録層２１を有する記録部２０に書き込みたい多値情報を３ステップで確実に書き込むことができる。ここではＮ＝３の場合を説明したが、Ｎ＝２やＮ≧４の場合も同様である。
【００３９】
本実施形態の情報書き込み方法は、既に記録部２０に記録されている多値情報を読み取って現状の複数の記録層の磁化向き情報を取得し、その後に、協調ダイナミクスを励起して書き込みを行なってもよい。これにより書き込みステップを低減し、書き込み時間を減らすことが可能になる。図７（Ｃ）を再度参照しながら、このことを詳細に説明する。
【００４０】
図７（Ｃ）に示した例は、状態ｄｕｄから状態ｄｕｕに至る書き込みプロセスを３ステップで行なう例である。このプロセスにおいて、Ｓｔｅｐ１、Ｓｔｅｐ２が結果的に何ら情報書き換えに関与していないことに注目されたい。もし、現状の記録部２０が状態ｄｕｄであることを知っているのであれば、Ｓｔｅｐ３に示される書き込みステップのみを実行することで状態ｄｕｄから状態ｄｕｕへの遷移を行うことが可能である。従って、ＳＴＯ１０による書き込み動作において、まず、記録部２０が既に格納している多値情報を読み取り、その後に、書き込みを行なう。これにより、書き込みステップを低減し、書き込み時間を減らすことが可能になる。
【００４１】
記録部２０内の記録層２１のうちの少なくとも１つが反強磁性結合膜で構成されていてもよい。図８（Ａ）は、記録部２０内のすべての記録層２１が反強磁性結合膜で構成される例を示す。図８（Ｂ）は、複数の記録層２１の一部が反強磁性結合膜で構成される例を示す。具体的には、図８（Ｂ）に示される例では、記録部２０がＮ層の記録層２１−（１）〜２１−（Ｎ）を含み、これらのうちの記録層２１−（３）、２１−（Ｎ）が反強磁性結合膜で構成されている。反強磁性結合膜は、図８（Ａ）に示すように、第１磁性層２１１と、第２磁性層２１３と、第１磁性層２１１と第２磁性層２１３との間に配置された中間層２１２と、を含む。中間層２１２は、ルテニウム（Ｒｕ）のような、２つの磁性層間に反強磁性結合をもたらす材料で形成される。
【００４２】
記録層２１として反強磁性結合膜を用いる場合、記録層２１間のｙ方向の漏れ磁場が低減される。それにより、記録層磁化の共鳴反転発現域（共鳴反転が生じる電流域又はＳＴＯ発振基本周波数域）の非対称性が低減される。非対称性は、例えば、磁化方向をｕからｄに反転するプロセスを生じさせる電流値又はＳＴＯ発振基本周波数と磁化方向をｄからｕに反転するプロセスを生じさせる電流値又はＳＴＯ発振基本周波数とに生じる差を指す。その結果、書き込み時の誤書き込みを低減することができ、さらに、記録層数を大きくなるような設計が可能になる。
【００４３】
非対称性が大きいと、積層可能な記録層数を大きくするような設計、それに伴うＳＴＯ発振基本周波数の割り当て設定が困難になることは、共鳴反転発現域がバンド的であることから容易に理解される。共鳴反転発現域がバンド的であるがゆえに、非対称性が大きい場合には、記録層２１間に共通の、共鳴反転が生じる電流値又はＳＴＯ発振基本周波数が存在しやすくなるからである。
【００４４】
なお、記録層２１間の漏れ磁場を最大限に低減するには、第１磁性層２１１と第２磁性層２１３の磁気ボリュームを揃えることが良いことは言うまでもない。
【００４５】
次に、複数の記録部が設けられる実施形態について説明する。これらの実施形態によれば、複数の記録部を設けることにより、大容量の磁気記録装置が提供される。
【００４６】
図９は、一実施形態に係る磁気記録装置９００を概略的に示している。磁気記録装置９００は、図９に示すように、単一のＳＴＯ１０と、マトリクス状に配列した複数の記録部２０と、ＳＴＯ１０と複数の記録部２０とを相対的に移動させる可動部（図示せず）と、を備える。書き込みの際には、ＳＴＯ１０は、書き込み対象の記録部２０の近傍に移動する。ＳＴＯ１０の構造、各記録部２０の構造、及び情報書き込み方法は、図１から図８（Ｂ）を参照して上述したものと同様であるので、重ねての説明を省略する。
【００４７】
図１０を参照して、書き込みが可能となるＳＴＯ１０と記録部２０との間の距離について説明する。図１０において、ＳＴＯ１０のサイズをＬと表し、書き込みが可能となる範囲を点線円で示している。この点線円はＳＴＯ１０の発振層１１の記録部２０側の面の中心位置を中心として描かれている。書き込みが可能となる範囲は、発振層１１の磁化と記録層２１の磁化との協調ダイナミクスに基づく記録層２１の磁化の共鳴反転が発現する空間範囲を指す。記録部２０はＮ層の記録層２１を有し、ＳＴＯ１０に近い方から記録層２１−（１）、記録層２１−（２）、…、記録層２１−（Ｎ）とラベルする。記録層２１−（１）、２１−（２）、…、２１−（Ｎ）とＳＴＯ１０の発振層１１との間の距離をｄ１、ｄ２、…、ｄＮと表す。発明者らが実施したＬＬＧシミュレーションによれば、書き込みが可能となる範囲は、おおむね、発振層１１の記録部２０側の面の中心位置からの距離がＳＴＯ１０のサイズＬ以下となる範囲である。このことから、隣り合う記録部２０間の距離が図１０に示した最小ピッチＰｍｉｎ＝√（Ｌ２−ｄ１２）より小さい場合、書き込み対象の記録部２０に隣接する記録部２０の記録層２１とＳＴＯ１０との間で協調ダイナミクスが発現することがある。そのような誤動作を防ぐために、複数の記録部２０を配列する場合には、記録部２０のピッチをＰｍｉｎよりも大きくすることが望ましい。
【００４８】
上記のような、発振層１１の磁化と記録層２１の磁化との協調ダイナミクスに基づく記録層２１の磁化の共鳴反転が発現する空間範囲というものが存在するのは、その協調ダイナミクスが発振層１１の磁化と記録層２１の磁化との間のダイポール相互作用を起源にしており、ダイポール相互作用は、２体の距離が離れるほど小さくなるという性質を持つためである。
【００４９】
複数の記録部２０の配列は、図９に示されるマトリックス状のものに限定されない。例えば、複数の記録部２０は、図１１に示すように、ＨＤＤの記録媒体技術におけるビットパターン媒体のように、磁気記録媒体１１００に設けられた円環状のトラックに沿って配置されてもよい。この場合にも、記録部２０のピッチをＰｍｉｎよりも大きくすることが望ましい。それにより、現行のＨＤＤ技術の磁気情報書き込み方式を、発振層１１の磁化と記録層２１の磁化との協調ダイナミクスに基づく記録層２１の磁化の共鳴反転方式に置き換えたＨＤＤ技術が提供される。発振層１１の磁化と記録層２１の磁化との協調ダイナミクスに基づく記録層２１の磁化の共鳴反転方式においては、記録層磁化の反転に外部磁界が不要であるため、現行のＨＤＤ技術における書き込みヘッドに備えられている磁界発生ポール等が不要になり、従来よりも簡便な書き込みヘッドが提供される。
【００５０】
一実施形態に係る磁気記録装置は、図１２に示されるメモリセル１２００を複数備える。各メモリセル１２００は、ＳＴＯ１０及び記録部２０を含む。この実施形態では、複数のＳＴＯ１０が複数の記録部２０それぞれに対向して設けられる。各記録部２０は、図１２に示すように、複数の記録層２１と、複数の参照層２２と、複数のスペーサ層２３と、により形成される積層構造を有する。記録層２１及び参照層２２は磁性体で形成され、スペーサ層２３は非磁性金属又は絶縁体で形成される。ＳＴＯ１０の構造及び情報書き込み方法は、図１から図８（Ｂ）を参照して上述したものと同様であるので、重ねての説明を省略する。
【００５１】
図１２に示される記録部２０では、記録層２１、スペーサ層２３、参照層２２、スペーサ層２３、記録層２１、スペーサ層２３、参照層２２、スペーサ層２３、記録層２１がこの順に積層されている。記録部２０の積層構造において、記録層２１と参照層２２とスペーサ層２３の積層順序は、部分的に見た場合、記録層／スペーサ層／参照層、又は参照層／スペーサ層／記録層という順序となっている。このような３層構造は、磁気抵抗効果膜構造であり、ＴＭＲ素子と同様に記録層２１の磁化と参照層２２の磁化が平行であるか、反平行であるかに応じて、記録部２０の素子抵抗が低抵抗（ＲＰ）、高抵抗（ＲＡＰ）になるように構成されている。図１２は、記録層２１が３層の場合を例示している。記録部２０は、参照層２２を共有したＴＭＲ素子が積層しているとみなせる構造を有している。積層構造の断面形状は、シンプルな形状、例えば、円形状、四角形状（角丸の四角形状）等である。図１２では、模式的に各層が均一の断面積を有するような積層構造が示されているが、テーパ等による断面積の不均一があってもよい。記録層２１が１層又は２層の場合は、参照層２２は１層設けられていればよい。
【００５２】
情報読み取りは、記録部２０の素子抵抗を検出することによりなされる。図１３は、図１２に示した記録部２０の２つの参照層２２の磁化が上向き（ｕ）で固定され、３つの記録層２１の磁化が上向き（ｕ）又は下向き（ｄ）となる全８通りの場合を示している。記録部２０の素子抵抗は、スペーサ層２３を介する記録層２１の磁化と参照層２２の磁化の向きとが平行か反平行かに応じて定まる抵抗値ＲＰ、ＲＡＰの直列和として与えられる。例えば、３つの記録層２１の磁化が上から順にｕｄｕを向いている場合、記録部２０の素子抵抗は、リード線等の抵抗によるオフセットを除いて、Ｒ１Ｐ＋Ｒ２ＡＰ＋Ｒ３ＡＰ＋Ｒ４Ｐとなる。ＴＭＲ素子において、スペーサ層の材料及び膜厚や、記録層及び参照層の磁性材料等に依存して、磁気抵抗効果比を調整できることはよく知られている。３層の記録層２１を有する記録部２０は、８通りの素子抵抗Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ３Ｐ＋Ｒ４Ｐ、Ｒ１ＡＰ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ３Ｐ＋Ｒ４Ｐ、Ｒ１Ｐ＋Ｒ２ＡＰ＋Ｒ３ＡＰ＋Ｒ４Ｐ、Ｒ１ＡＰ＋Ｒ２ＡＰ＋Ｒ３ＡＰ＋Ｒ４Ｐ、Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ３Ｐ＋Ｒ４ＡＰ、Ｒ１ＡＰ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ３Ｐ＋Ｒ４ＡＰ、Ｒ１Ｐ＋Ｒ２ＡＰ＋Ｒ３ＡＰ＋Ｒ４ＡＰ、Ｒ１ＡＰ＋Ｒ２ＡＰ＋Ｒ３ＡＰ＋Ｒ４ＡＰが互いに異なるように設計されている。すなわち、記録部２０がＮ層の記録層２１は、互いに異なる２Ｎ通りの素子抵抗を取り得る。
【００５３】
記録部２０内の参照層２２の少なくとも１層は、磁性層／中間層／磁性層の積層構造を有する反強磁性結合膜で構成されていてもよい。図１４（Ａ）は、記録部２０が４層の記録層２１を有する場合においてすべての参照層２２が反強磁性結合膜で構成される例を示し、図１４（Ｂ）は、記録部２０が４層の記録層２１を有する場合において一部の参照層２２が反強磁性結合膜で構成される例を示している。反強磁性結合膜は、図１４（Ａ）に示すように、第１磁性層２２１と、第２磁性層２２３と、第１磁性層２２１と第２磁性層２２３との間に配置された中間層２２２と、を含む。中間層２２２は、Ｒｕのような２つの磁性層間に反強磁性結合をもたらす材料で形成される。参照層２２として反強磁性結合膜を用いることにより、参照層２２から記録層２１へ作用するｙ方向の漏れ磁場が減る。従って、記録層磁化の共鳴反転発現域（共鳴反転が生じるＳＴＯへの入力電流域又はＳＴＯ発振基本周波数域）の非対称性が低減される。その結果、書き込み時の誤書き込みが減り、さらに、記録層数がなるべく大きくなるような設計が可能になる。
【００５４】
なお、少なくとも１つの参照層２２が反強磁性結合膜で構成される記録部２０において、図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明したように、記録層２１のうちの少なくとも１つを反強磁性結合膜にすることも可能である。
【００５５】
記録部２０は、図１５に示すように、１対の電極２７、２８に接続されている。電極２７と電極２８との間には、読み出しバイアス生成器２９が設けられている。読み出しバイアス生成器２９は、記録部２０に記録されている情報を読み出すために、１対の電極２７、２８を介して記録部２０にバイアスを印加する。記録部２０の抵抗値は、記録部２０に流れる電流の大きさを測定することによって検出され、図示しないデコーダにおいて情報に変換される。
【００５６】
複数のメモリセル１２００を含む磁気記録装置では、図１６に示すように、メモリセル１２００をマトリクス状に配置し、ＭＲＡＭ技術におけるビットライン毎に、図２に示したパルス発生器１９及び図１５に示した読み出しバイアス生成器２９を設けることができる。図１６に示される例では、１６個のメモリセル１２００が４行４列に配置されている。第１方向に延びる電極１７、電極１８及び電極２７が設けられ、第１方向に交差する第２方向に延びる線路３６及び線路３７が設けられている。電極２７、１７間には、記録部２０と線路３６によって制御される選択トランジスタ３８とが設けられている。電極１７、１８間には、ＳＴＯ１０と線路３７によって制御される選択トランジスタ３９とが設けられている。
【００５７】
電極１７、１８には、パルス発生器１９が接続されている。パルス発生器１９は、ドライバ／シンカー３０によって駆動される。パルス発生器１９とドライバ／シンカー３０との間には、選択トランジスタ４０が設けられている。さらに、電極２７、１７には、読み出しバイアス生成器２９が接続されている。読み出しバイアス生成器２９はドライバ／シンカー３１によって駆動される。読み出しバイアス生成器２９とドライバ／シンカー３１との間には、選択トランジスタ４１が設けられている。線路３６及び線路３７は、ドライバ３２に接続されている。ＳＴＯ１０は、選択トランジスタ３９及び４０によって選択され、記録部２０は、選択トランジスタ３８及び４１によって選択される。
【００５８】
ＳＴＯ１０は、図１７に示すように、絶縁体層５０を介して記録部２０に積層されていてもよい。絶縁体層５０の膜厚を薄膜化することにより、ＳＴＯ１０の発振層１１と記録部２０との距離を短くすることができる。上述のように、発振層１１と記録層２１層との間の距離が短いほど、共鳴反転を引き起こしやすい。従って、図１７の例のように、ＳＴＯ１０の発振層１１と記録部２０との距離を短くすることにより、より多くの記録層を記録部に含めることが可能となり、より大容量の多層磁気メモリが提供される。
【００５９】
以上説明した実施形態の少なくとも１つによれば、磁化反転は、ＳＴＯの発振層磁化と記録部の記録層磁化との協調ダイナミクスを励起することにより実行される。すなわち、ＳＴＯのみを用いて記録層の磁化を反転することができる。この実施形態によれば、簡易な構成で情報書き込みを行なうことができる。
【００６０】
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】
【００６１】
１０…スピントルク発振素子（ＳＴＯ）、１１…発振層、１２…中間層、１３…ポーラライザ層、１４…コントローラ、１７，１８…電極、１９…パルス発生器、２０…記録部、２１…記録層、２２…参照層、２３…スペーサ層、２７，２８…電極、２９…読み出しバイアス生成器、５０…絶縁体層、１００…磁気記録装置、２１１…磁性層、２１２…中間層、２１３…磁性層、９００…磁気記録装置、１２００…メモリセル。
【要約】
【課題】  簡易な構成で情報書き込みを行なえる磁気記録装置を提供する。
【解決手段】  一実施形態に係る磁気記録装置は、スピントルク発振素子、記録部及び制御部を備える。スピントルク発振素子は、発振層を含む。記録部は、少なくとも１つの記録層を含む。制御部は、前記スピントルク発振素子への電流の印加によって誘起される前記発振層の磁化の歳差運動を制御する。各記録層における磁化反転は、前記発振層の前記磁化と前記記録層の磁化との協調ダイナミクスを励起することにより実行される。
【選択図】図１【図１】
0005932960.tif 000002
【図２】
0005932960.tif 000003
【図３】
0005932960.tif 000004
【図４】
0005932960.tif 000005
【図５】
0005932960.tif 000006
【図６】
0005932960.tif 000007
【図７】
0005932960.tif 000008
【図８】
0005932960.tif 000009
【図９】
0005932960.tif 000010
【図１０】
0005932960.tif 000011
【図１１】
0005932960.tif 000012
【図１２】
0005932960.tif 000013
【図１３】
0005932960.tif 000014
【図１４】
0005932960.tif 000015
【図１５】
0005932960.tif 000016
【図１６】
0005932960.tif 000017
【図１７】
0005932960.tif 000018