(57)【要約】  強いスピン波を発生させる方法、スピン波と電磁気波とを同時に発生させる方法、スピン波を利用した論理演算素子及びこれを応用した多様なスピン波素子、そしてスピン波の位相制御方法を提供する。本発明によるスピン波発生方法では、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が単独あるいは共同で存在する磁性体に多様な形態のエネルギーを供給して強いスピン波を発生させる。磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きを形成できるようにパターニングされた磁性体にエネルギーを印加すれば、磁気渦巻き中心部に強いトルクを誘発して、その渦巻き中心部から強いスピン波を発生させうる。このように発生させたスピン波は、大きい振幅と短い波長、高い周波数を持つ。本発明によるスピン波を利用した論理演算素子及びこれを応用したスピン波素子は、本発明によるスピン波発生方法によって発生させたスピン波の周波数、波長、振幅、位相などの波動因子を制御し、反射、屈折、透過、トンネリング、重畳、干渉、回折などの波動性質を利用することである。本発明によれば、超高速情報処理の可能な論理演算スピン波素子及び光学で波動を利用したいろいろな形態の光学素子を、スピン波を利用して再構成できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造がそれぞれ単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給するステップと、
前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から、あるいは二つの渦巻きが衝突して消えつつ局所的にスピン波を発生させるステップと、を含むスピン波発生方法。
【請求項２】
前記磁気渦巻き、磁気反渦巻きが単独あるいは共同で存在するように前記磁性体の形状及び寸法を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のスピン波発生方法。
【請求項３】
前記エネルギーは、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギー及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つを利用することを特徴とする請求項１に記載のスピン波発生方法。
【請求項４】
前記スピン波の波動因子を制御するために前記磁性体の種類、形状及び寸法、または前記エネルギー供給方式及び供給エネルギーの量を調節することを特徴とする請求項１に記載のスピン波発生方法。
【請求項５】
磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造がそれぞれ単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給するステップと、
前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から、あるいは二つの渦巻きが衝突して消えつつ局所的にスピン波を発生させると同時に、生成されたスピン波と同じ周波数を持つ電磁気波を発生させるステップと、を含む電磁気波及びスピン波発生方法。
【請求項６】
前記磁気渦巻き、磁気反渦巻きが単独あるいは共同で存在するように前記磁性体の形状及び寸法を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の電磁気波及びスピン波発生方法。
【請求項７】
前記エネルギーは、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギー及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つを利用することを特徴とする請求項５に記載の電磁気波及びスピン波発生方法。
【請求項８】
前記電磁気波の波動因子を制御するために、前記磁性体の種類、形状及び寸法、または前記エネルギー供給方式及び供給エネルギーの量を調節することを特徴とする請求項５に記載の電磁気波及びスピン波発生方法。
【請求項９】
磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が単独あるいは共同で存在する磁性体からなるスピン波発生部と、
前記スピン波発生部にエネルギーを供給するエネルギー供給部と、
前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から発生したスピン波を前記スピン波発生部から伝播させるためのスピン波導波路と、を備えるスピン波素子。
【請求項１０】
前記磁性体は、前記磁気渦巻き、磁気反渦巻きを単独あるいは共同で存在させる形状及び寸法を持っていることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１１】
前記エネルギー供給部は、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギー及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つのエネルギーを供給することを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１２】
前記磁性体及びスピン波導波路は、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体、合金系磁性体、酸化物系磁性体、ＣＭＲ系磁性体、ホイスラー合金系磁性体、磁性半導体及びその複合構造からなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１３】
前記スピン波発生部及びスピン波導波路を支持する基板をさらに備え、前記エネルギー供給部は、
前記スピン波発生部下の前記基板両側に形成された磁場印加導線と、
前記磁場印加導線に電流を流して前記スピン波発生部の一部あるいは全体に磁場を加える電源部と、を備えることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１４】
前記エネルギー供給部は、
レーザー光源と、
前記レーザー光源のビームを前記スピン波発生部に集束して熱を加える集束レンズと、を備えることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１５】
前記エネルギー供給部は、
前記スピン波発生部の下部から水平に伸びる第１導線と、
前記第１導線と所定の角度をなして前記スピン波発生部の上部から水平に伸びる第２導線と、
前記第１及び第２導線に電流を流して、前記スピン波発生部にスピン偏光された電流により発生したトルクの作用によりスピン波を発生させる電源部と、を備えることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１６】
前記エネルギー供給部は、
前記第１及び第２導線に流れる電圧により弾性変形されて、前記スピン波発生部に磁気弾性エネルギーを供給する圧電体をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のスピン波素子。
【請求項１７】
前記スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成されたユニットを複数個備え、前記ユニットの間は、前記スピン波導波路により連結されていることを特徴とする請求項９に記載のスピン波素子。
【請求項１８】
前記スピン波導波路のうち直線でない部分は曲線形態であることを特徴とする請求項１７に記載のスピン波素子。
【請求項１９】
前記スピン波導波路に前記スピン波導波路と異種あるいは同種の磁性物質からなる導波管を挿入したことを特徴とする請求項９または１７に記載のスピン波素子。
【請求項２０】
挿入された前記導波管の形状、寸法及び磁性物質のうち、少なくともいずれか一つを変化させて進行するスピン波の周波数を選択的にろ過するか、進行するスピン波の波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化させることを特徴とする請求項１９に記載のスピン波素子。
【請求項２１】
前記スピン波導波路に局部的に有効磁場の変化を誘発して、スピン波の波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化させることを特徴とする請求項９または１７に記載のスピン波素子。
【請求項２２】
外部磁場、ストレイフィールド、弾性変形、磁気異方性、他の磁性物質との交換結合、電流、スピントルク及び磁区壁の存在のうちいずれか一つにより前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項２３】
前記スピン波導波路に接合されている磁性層をさらに備え、
前記スピン波導波路と前記磁性層との界面との交換結合力により前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項２４】
前記スピン波導波路に磁区壁が存在し、
前記磁区壁の存在によって前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項２５】
前記磁区壁は、９０°、１８０°、３６０°磁区壁、ブロック、ニール形態の磁区壁及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項２４に記載のスピン波素子。
【請求項２６】
前記スピン波導波路に磁区壁を挿入するか、除去することによって前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項２７】
前記スピン波導波路に垂直に伸びる磁場印加導線と、
前記磁区壁が移動でき、前記磁場印加導線を包みつつ両端が前記スピン波導波路に連結された磁区壁導波路をさらに備え、
前記磁場印加導線に電流を流して前記磁場印加導線の周辺に形成されたエルステッドフィールドにより前記磁区壁を移動させることを特徴とする請求項２６に記載のスピン波素子。
【請求項２８】
前記磁区壁が移動でき、前記スピン波導波路に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路と、
前記磁区壁導波路の両端のうちいずれか一端に連結された電源部をさらに備え、
前記電源部を利用して前記磁区壁導波路に電流を流して前記磁区壁を移動させることを特徴とする請求項２６に記載のスピン波素子。
【請求項２９】
前記磁区壁が移動でき、前記スピン波導波路に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路と、
前記磁区壁導波路の両端のうちいずれか一つあるいは両端に連結された追加のスピン波発生部と、をさらに備え、
前記追加のスピン波発生部でスピン波を発生させて前記磁区壁導波路に伝播させることによって前記磁区壁を移動させることを特徴とする請求項２６に記載のスピン波素子。
【請求項３０】
前記スピン波導波路を横切って磁区壁が移動できる磁区壁導波路をさらに備え、
前記磁区壁を利用してストレイフィールドを発生させ、前記磁区壁を移動させて前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項３１】
前記スピン波導波路を横切る磁場印加導線と、
前記磁場印加導線に連結された電源部と、をさらに備え、
前記電源部を利用して前記磁場印加導線に電流を流して、前記スピン波導波路の周辺に形成されるエルステッドフィールドにより前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項３２】
前記スピン波導波路を垂直あるいは水平方向に二股に形成し、前記二股の間に前記スピン波導波路と垂直あるいは一定角をなしつつ水平に伸びる方向に電流が流れる導線を位置させて、エルステッドフィールドを形成することによって前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項３３】
前記スピン波導波路の下部から水平に伸びる第１導線と、
前記スピン波導波路の上部から水平に伸びる第２導線と、をさらに備え、
前記第１及び第２導線に電流を流して、前記スピン波導波路の局部的領域にスピン偏光された電流により発生したトルクの作用により前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項２１に記載のスピン波素子。
【請求項３４】
前記スピン波導波路と第１導線との間、または前記スピン波導波路と第２導線との間に圧電体をさらに備え、前記第１及び第２導線に流れる電圧による前記圧電体の弾性変形により前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３３に記載のスピン波素子。
【請求項３５】
前記ユニットは、前記スピン波の波動因子を制御して論理演算を行うように連結されていることを特徴とする請求項１７に記載のスピン波素子。
【請求項３６】
前記波動因子は、前記スピン波の周波数、波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つであり、前記波動因子の変化を制御して論理演算を行うことを特徴とする請求項３５に記載のスピン波素子。
【請求項３７】
前記スピン波の重畳、反射、屈折、透過、放射、回折、干渉のいずれか一方あるいは複合的な作用を利用して、前記波動因子の変化で論理演算を行うことを特徴とする請求項３５に記載のスピン波素子。
【請求項３８】
スピン波が進行するスピン波導波路に局部的に有効磁場の変化を誘発してスピン波の位相を変化させることを特徴とするスピン波位相制御方法。
【請求項３９】
ストレイフィールド、弾性変形、磁気異方性、他の磁性物質との交換結合、電流及びスピントルクのうちいずれか一つにより前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４０】
前記スピン波導波路に垂直に伸びる磁場印加導線と、
磁区壁が移動でき、前記磁場印加導線を包みつつ両端が前記スピン波導波路に連結された磁区壁導波路と、を利用して、
前記磁場印加導線に電流を流して、前記磁場印加導線の周辺に形成されたエルステッドフィールドにより、前記磁区壁を移動させて前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４１】
磁区壁が移動でき、前記スピン波導波路に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路と、
前記磁区壁導波路の両端のうちいずれか一端に連結された電源部と、を利用して、
前記磁区壁導波路に電流を流して、前記磁区壁を移動させて前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４２】
磁区壁が移動でき、前記スピン波導波路に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路と、
前記磁区壁導波路の両端のうちいずれか一端に連結された追加のスピン波発生部と、を利用して、
前記追加のスピン波発生部でスピン波を発生させて前記磁区壁導波路に伝播させることによって、前記磁区壁を移動させて前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４３】
前記スピン波導波路を横切って磁区壁が移動できる磁区壁導波路をさらに備え、
前記磁区壁を利用してストレイフィールドを発生させ、前記磁区壁を移動させて前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４４】
前記スピン波導波路を垂直あるいは水平方向に二股に形成し、前記二股の間に前記スピン波導波路と垂直あるいは一定角をなしつつ水平に伸びる方向に電流が流れる導線を位置させて、エルステッドフィールドを形成することによって前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４５】
前記スピン波導波路の下部から水平に伸びる第１導線と、
前記スピン波導波路の上部から水平に伸びる第２導線と、をさらに備え、
前記第１及び第２導線に電流を流して、前記スピン波導波路の局部的領域にスピン偏光された電流により発生したトルクの作用により前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【請求項４６】
前記スピン波導波路と第１導線との間、または前記スピン波導波路と第２導線との間に圧電体をさらに備え、前記第１及び第２導線に流れる電圧による前記圧電体の弾性変形により前記有効磁場を変化させることを特徴とする請求項３８に記載のスピン波位相制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスピン波発生方法及び素子に係り、特に数ｎｍから数μｍに至る波長及び数百ＭＨｚから数十ＧＨｚの周波数帯を持つ双極子−交換スピン波を発生させる方法と、この方法を実現するための構成を持つスピン波発生素子、そして、このようなスピン波を利用して論理演算を行うように構成した情報処理素子に関する。本明細書では、スピン波発生素子とこれを利用した情報処理素子を通称してスピン波素子とも呼ぶ。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ基盤の情報処理方法論は、次のような理由で限界が予想される。第１に、集積度増加によってゲート酸化膜の厚さが益々小さくならねばならないが、ゲート酸化膜の厚さが０．７ｎｍ程度になれば電子がゲート酸化膜を透過して、ゲート酸化膜がこれ以上絶縁膜としての機能を行えなくなる。第２に、集積度増加のために導線の幅を縮めれば、電流密度の増加によって導線の短絡が発生する。
【０００３】
ＣＭＯＳ基盤の情報処理方法論を代替するために電子、すなわち、電荷の移動による情報処理方法から外れて、電子が持っている量子的特性のスピンを利用した情報処理方法についての研究が行われている。例えば、ナノ磁性体でのソリトンを利用した磁気量子セル方式自動装置（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｅｌｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）素子と、情報の伝達及び処理に磁性体で発生したスピン波とを応用するための研究が行われている。
【０００４】
スピン波とは、スピンが波動の形態で集団的な挙動をすることを称する言葉である。強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体などの磁性体にエネルギーを加えれば、磁性体内部のスピンは摂動し、それぞれのスピンの摂動は、双極子−双極子相互作用、交換相互作用のようなスピン間の磁気的相互作用により波動の形態を帯びるようになる。この波動がスピン波である。
【０００５】
スピン波は、支配的な相互作用によっていくつかに分けられる。第１に、双極子−双極子相互作用が支配的であり、数μｍから数ｃｍに至る波長を持つ静磁波がある。次いで、交換相互作用が支配的に作用して数ｎｍ以下の波長を持つ交換スピン波がある。そして、二つの相互作用が競争的に作用して生成される数ｎｍから数μｍに至る波長を持つ双極子−交換スピン波がある。現在まで応用的側面で研究されたのは静磁波であり、主に高周波信号処理用素子として利用されてきた。
【０００６】
既存の静磁波素子で使用するスピン波発生方法は次の通りである（例えば、米国特許第４，２０８，６３９号明細書、米国特許第４，３１６，１６２号明細書、米国特許第５，６０１，９３５号明細書）。ＹＩＧのようなフェリ磁性体の薄膜面に形成されている導線に高周波の交流電流を流して電磁気波を発生させれば、発生した電磁気波とフェリ磁性体の静磁波との強い結合により高周波の静磁波が発生して磁性体の内部を進行させる。このように発生した静磁波の波長は普通１０μｍから１ｍｍの大きさを持つようになる。この方法の核心は、磁性体の局部的領域に導線を通して磁場を印加し、スピン波を発生させて伝播させることである。
【０００７】
スピン波を利用した情報処理素子が既存のＣＭＯＳ基盤の情報処理方法を代替する新概念の超高速情報処理素子になるためには、波長が数ｎｍで周波数がＧＨｚ以上でなければならず、素子内で数ｎｍから数百ｎｍサイズの領域で局所的なスピン波の発生が可能でなければならない。ところが、導線に流れる電流による誘導磁場が、導線から離れた領域にも距離に反比例する大きさで形成されるために、既存の静磁波を利用した素子では、素子の前領域が磁場の影響中に入るようになって、局部的領域のスピン波を発生させることが不可能になる。
【０００８】
したがって、スピン波を利用した情報処理素子のためには、双極子−交換スピン波を発生させうる方法が優先的に必要である。ところが、交換スピン波と双極子−交換スピン波は、素子としての応用についての研究がほとんど進んでいない。特開平６−０９７５６２号公報には、磁性体にエネルギーを加えて磁性体内部の磁気的相互作用の変化を引き起こしてスピン波を発生させるという概念的方法が提示されており、Ｃｕ−Ｋ  Ｘ線を磁性体に照射して底状態のスピン波を励起状態にする方法をその例として挙げている。しかし、ここで提示するエネルギー供給によるスピン波発生方法は、磁性体でスピン波を発生させる一般的な方法に過ぎず、スピン波の情報処理素子としての応用のための局部的領域での強いスピン波発生方法を提示できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、スピン波を利用した情報処理素子で要求されるレベル、すなわち、数ｎｍから数百ｎｍサイズの局所的領域に数μｍから数μｍに至る波長と、数百ＭＨｚから数十ＧＨｚの周波数帯とを持つ大きい振幅の双極子−交換スピン波を発生させる方法を提供することであり、かつ、スピン波発生と同時にスピン波と同じ周波数の電磁気波を発生させる方法を提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、本発明によるスピン波発生方法を実現するための構成を持つスピン波発生素子を提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとするさらに他の技術的課題は、本発明によるスピン波発生方法により発生したスピン波を利用して論理演算を行うように構成した情報処理スピン波素子を提供することである。
【００１２】
本発明が解決しようとするさらに他の技術的課題は、多様な情報処理スピン波素子を具現できるように、スピン波の位相を制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題を達成するための本発明によるスピン波発生方法では、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造がそれぞれ単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給し、前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から、あるいは二つの渦巻きが衝突して消えつつ局所的にスピン波を発生させる。
【００１４】
本発明によるスピン波発生方法は、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造がそれぞれ単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給するステップと、前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から、あるいは二つの渦巻きが衝突して消えつつ局所的にスピン波を発生させると同時に、生成されたスピン波と同じ周波数を持つ電磁気波を発生させるステップと、を含む。
【００１５】
前記他の技術的課題を達成するための本発明によるスピン波素子は、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が単独あるいは共同で存在する磁性体からなるスピン波発生部と、前記スピン波発生部にエネルギーを供給するエネルギー供給部と、前記エネルギー供給によって前記磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から発生したスピン波を前記スピン波発生部から伝播させるためのスピン波導波路と、を備える。
【００１６】
本発明による素子において、前記磁性体は、前記磁気渦巻き、磁気反渦巻きが単独あるいは共同で存在するようにする形状及び寸法を持っている。前記エネルギー供給部は、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギー及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つのエネルギーを供給する。前記磁性体及び／あるいはスピン波導波路は、現存するあらゆる磁性体でありうる。その中でも例えば、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体、合金系磁性体、酸化物系磁性体、ＣＭＲ系磁性体、ホイスラー合金系磁性体、磁性半導体及びその複合構造からなる群から選択されたいずれか一つである。
【００１７】
前記さらに他の技術的課題を達成するための本発明によるスピン波素子は、前記スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成されたユニットを複数個備え、前記ユニットの間は、前記スピン波導波路により連結されているが、前記ユニットが前記スピン波の波動因子を信号として利用して論理演算を行うように連結されていることが特徴である。
【００１８】
本発明では、ナノサイズのスピン波導波路の局部的領域に磁性物質の固有定数と、導波路の外形的特性を変化させてスピン波導波路を進行させるスピン波の波動因子とを制御する方法と、これを構成して論理演算を行うように構成した情報処理スピン波素子も提供する。
【００１９】
本発明はまた、スピン波が進行するスピン波導波路に局部的に有効磁場の変化を引き起こしてスピン波の位相を変化させるスピン波位相制御方法も提供する。ここで、エルステッドフィールド、ストレイフィールド、弾性変形、他の磁性物質との交換結合、電流及びスピントルクのうちいずれか一つにより前記有効磁場を変化させる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によるスピン波発生方法によれば、ｎｍスケールの波長を持って数十ＧＨｚの高周波、そして大きい振幅を持つ双極子−交換スピン波を素子内で数十ｎｍサイズの領域に局所的に発生させうる。また、このような方法を利用すれば、超高集積化及び超小型化の可能なスピン波素子を形成できる。このスピン波素子は処理速度が非常に速いという長所を持ち、ＣＭＯＳ基盤の情報処理方法を代替できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
実施例で、前記スピン波発生部及びスピン波導波路を支持する基板をさらに備え、前記エネルギー供給部は、前記スピン波発生部下の前記基板両側に形成された磁場印加導線と、前記磁場印加導線に電流を流して前記スピン波発生部の一部あるいは全体に磁場を加える電源部と、を備える。
【００２２】
他の実施例で、前記エネルギー供給部は、レーザー光源と、前記レーザー光源のビームを前記スピン波発生部に集束して熱を加える集束レンズと、を備える。
【００２３】
さらに他の実施例で、前記エネルギー供給部は、前記スピン波発生部の下部から水平に伸びる第１導線と、前記第１導線と所定の角度をなして前記スピン波発生部の上部から水平に伸びる第２導線と、前記第１及び第２導線に電流を流して、前記スピン波発生部にスピン偏光された電流により発生したトルクの作用によりスピン波を発生させる電源部と、を備える。ここで、前記エネルギー供給部は、前記第１及び第２導線に流れる電圧により弾性変形されて、前記スピン波発生部に磁気弾性エネルギーを供給する圧電体をさらに備える。
【００２４】
さらに他の望ましい実施例によるスピン波素子は、前記スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成されたユニットを複数個備え、前記ユニットの間は、前記スピン波導波路により連結されている。このとき、スピン波の伝達効率を高めるために、前記スピン波導波路のうち、直線ではない部分は曲線形態をなしている。
【００２５】
前記スピン波導波路に前記スピン波導波路と異種あるいは同種の磁性物質からなる導波管を挿入したスピン波素子も構成できる。この時、挿入された前記導波管の形状、寸法及び磁性物質のうち、少なくともいずれか一つを変化させて進行するスピン波の周波数を選択的にろ過させることができる。挿入された前記導波管の形状、寸法及び磁性物質のうち少なくともいずれか一つを変化させて進行するスピン波の波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化させることもできる。
【００２６】
本発明による素子において、前記波動因子は、前記スピン波の周波数、波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つであり、特に前記スピン波の重畳、反射、屈折、透過、放射、回折、干渉のいずれか一つあるいは複合的な作用を利用して、前記波動因子の変化で論理演算を行うように構成したものである。
【００２７】
（実施例）
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施例を参照するに明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され、但し、本実施例は本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものである。
【００２８】
（第１実施例）
図１は、本発明によるスピン波発生方法を説明するためのフローチャートである。図１を参照するに、本発明によるスピン波発生方法では、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給する（ステップＳ１）。エネルギー供給によって磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から局所的にスピン波を発生させる（ステップＳ２）。この時、磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から、あるいは二つの渦巻きが衝突して消えつつ局所的にスピン波を発生させると同時に、生成されたスピン波と同じ周波数を持つ電磁気波を発生させうる。磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造及びスピン波が発生する具体的な原理については後述する。
【００２９】
本発明によるスピン波発生方法のように、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が単独あるいは共同で存在する磁性体にエネルギーを供給すれば、スピン構造の中心部に局部的に強いトルクが引き起こされる。このトルクにより大きい振幅を持つ双極子−交換スピン波を発生させうる。磁気渦巻きや磁気反渦巻きスピン構造中心部の大きさは１０〜２０ｎｍ程度であるため、本発明によれば、数十ｎｍサイズの局所的領域からスピン波を発生させることができる。このスピン波は双極子及び交換相互作用に優れた双極子−交換スピン波である。また、生成されたスピン波と同じ周波数を持つ電磁気波を発生させうる。
【００３０】
本発明によるスピン波発生方法でのステップＳ１前に、磁気渦巻き、磁気反渦巻きが単独あるいは共同で存在するように磁性体の形状及び寸法を決定するステップをさらに含むことが望ましい。そして、スピン波及び／または電磁気波の波動因子、例えば、周波数、波長、振幅、位相などを制御するために磁性体の種類、形状及び寸法、またはエネルギー供給方式及び供給エネルギーの量を調節する。磁性体の種類を変化させれば、飽和磁化、磁気異方性定数、交換結合定数、減少係数が変わるので、スピン波の波動因子を制御できるようになる。そして、磁性体に供給するエネルギーとして、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギーのうちいずれか一つまたはこれらの組み合わせを利用してスピン波の波動因子を制御できる。
【００３１】
図２は、このようなスピン波発生方法を実現するための本発明によるスピン波素子の一例である。図２に示したスピン波素子は、スピン波発生部１０１、エネルギー供給部１０２及びスピン波導波路１０３を備え、これらは基板１０４により支持されている。スピン波発生部１０１は、磁性体からなっており、内部のスピン構造は後述する磁気渦巻き、磁気反渦巻きを単独あるいは共同で持つことができる形状及び寸法を持ち、その中心部には局部的に強いトルクがかかる。スピン波発生部１０１は、後述する形状を持つことができる。エネルギー供給部１０２は、スピン波発生部１０１にエネルギーを供給して強いトルクを引き起こす。スピン波導波路１０３は、エネルギー供給によって磁気渦巻きまたは磁気反渦巻きスピン構造の中心部から発生したスピン波がスピン波発生部１０１から伝えられて伝播する部分である。スピン波発生部１０１及び／またはスピン波導波路１０３は現存するあらゆる磁性体でありうる。その中でも例えば、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体、合金系磁性体、酸化物系磁性体、ＣＭＲ系磁性体（例えば、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｅｓｋｉｔｅ）マンガン酸化物Ｌａ１−ｘＡｘＭｎＯ３（Ａ＝Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）及びＮｄ０．５Ｐｂ０．５ＭｎＯ３）、ホイスラー合金系磁性体（約５０％のＣｕ、２５％のＭｎ、２５％のＳｎで構成されている。ＳｎはＡｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｂに代替でき、ＣｕはＡｇに代替できる。）、磁性半導体及びその複合構造からなる群から選択されたいずれか一つでありうる。
【００３２】
（磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造及びスピン波の発生原理）
以下、磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造及びスピン波が発生する具体的な原理について説明する。
【００３３】
磁性体からなる薄膜でスピン方向の分布は色々なエネルギーにより決定されるが、主に静磁気エネルギー、交換エネルギー、異方性エネルギーにより決定される。数百ｎｍから数μｍサイズの直径を持つパターニングされた強磁性体薄膜で主に観察できる磁気渦巻きは、このようなエネルギーにより決定される平衡状態での磁気微細構造である。
【００３４】
パターニングされた強磁性体薄膜で大部分のスピンは、形状異方性エネルギーにより薄膜面に平行した方向に向かう。また近距離で作用する交換エネルギーにより隣接したスピンは同じ方向に向かおうとするが、有限なサイズの磁性体でこのようにスピンがいずれも同じ方向に向かうならば、磁性体の終端部分に自由極が生じて静磁気エネルギーが増加するので、このエネルギーを減らすためにスピンは互いに相次いで繋がる磁気渦巻き形状になる。
【００３５】
図３Ａないし図３Ｃに、このような磁気渦巻き形状に関するシミュレーション結果が提示されているが、直径２５０ｎｍ、厚さ２０ｎｍである円形のパーマロイ磁性薄膜の安定化した形状を、微小磁気学シミュレーションを利用して得た図である。薄膜面上の方向をｘ、ｙ方向とし、薄膜面に垂直の方向をｚ方向とする時、図３Ａは、ｘｙ平面でのスピンの方向を矢印で表している。図３Ｂは、ｘｙ平面でのスピンの垂直方向成分、すなわち、Ｍｚ値の分布を面の高低と白黒の明暗サイズによって表している。この時、渦巻き中心部の磁化方向は上あるいは下に向かう。図３Ｃは、図３ＡのＶ１−Ｖ１’線に位置したスピンのｚ方向成分の飽和磁化に対する比率を表すが、これより磁気渦巻き中心（ｖｏｒｔｅｘ  ｃｏｒｅ：ｖｃ）を確認することができる。
【００３６】
また、これと相応する形状として、磁気反渦巻きスピン構造がある。この構造は、磁気渦巻きスピン構造と同じく静磁気エネルギーを減らすために、スピンの方向は薄膜面に平行して隣接したスピン同士で互いに相次いで繋がる形状を持っているが、これは、磁気渦巻き形状ではなく図４Ａのようにクロスブロック線の形状をなしている。図４Ａないし図４Ｃは、ピーナッツ状のパーマロイ磁性薄膜の安定化した形状を微小磁気学シミュレーションを利用して得た結果のうち、磁気反渦巻きが形成された部分についてのものである。図４Ａは、ｘｙ平面でのスピンの方向を矢印で表している。図４Ｂは、ｘｙ平面でのスピンの垂直方向成分、すなわち、Ｍｚ値の分布を面の高低と白黒の明暗サイズによって表している。この時、反渦巻き中心部の磁化方向は、上あるいは下に向かう。図４Ｃは、図４ＡのＶ２−Ｖ２’線に位置したスピンの飽和磁化に対するｚ方向成分の比率を表すが、これより磁気反渦巻きスピン構造も、薄膜面に垂直の方向に向かう磁気反渦巻き中心（ａｎｔｉｖｏｒｔｅｘ  ｃｏｒｅ：ａｃ）を持っていることが確認できる。
【００３７】
一般的に磁性体に磁場のようなエネルギーが加えられれば、トルクが発生して個々のスピンが摂動し始める。前記で説明した磁気渦巻きあるいは磁気反渦巻きスピン構造にエネルギーが加えられれば、やはりトルクが発生する。この時、磁性体全体に均一なエネルギーが加えられても、磁気渦巻きと磁気反渦巻きの中心部にはその周辺部とは異なって非常に大きいトルクが発生して、薄膜面に垂直する中心部スピン方向の急激な変化あるいは磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造の移動を誘発し、これにより局所的領域の中心部から大きい振幅のスピン波が発生して放射することを本発明者らが見出した。この時に発生するスピン波は、磁気渦巻きあるいは磁気反渦巻きスピン構造をなしている磁性体の飽和磁化、磁気異方性定数、交換結合定数、減少係数、磁性体の形状及び寸法のような固有特性によって、そしてエネルギー供給方式によって波動因子、例えば、周波数、波長、振幅、位相などが決定される。
【００３８】
図５Ａは、図２に図示したスピン波素子に対する微小磁気学シミュレーション結果を示す図であり、図５Ｂは、図５Ａの結果のうち、スピン波導波路部分に対する結果であり、経時的な垂直成分の磁化方向を示す図である。ここでスピン波発生部１０１は円形ディスクのパーマロイ磁性体薄膜であり、磁気渦巻きスピン構造を単独で持つ場合に想定した。
【００３９】
図５Ａは、スピン波発生部１０１にサイン波形態のパルス磁場を印加、磁気渦巻き中心部の方向の急激な変化を誘発して発生させたスピン波を経時的に示す。経時的に、円形ディスク内に強いスピン波が渦巻き中心部から放射されていることが分かる。図５Ｂは、スピン波発生部１０１で発生したスピン波が経時的にスピン波導波路１０３を通じて伝播されることを示す。
【００４０】
図６は、スピン波発生部１０１に磁気渦巻き構造、磁気反渦巻き構造が共に存在する例であり、ピーナッツ状のパーマロイ磁性薄膜の安定化した形状を微小磁気学シミュレーションで得た結果である。図６で実線及び小さな矢印は、平面に平行したスピン方向の空間的分布を表し、面の高低及び明暗はスピンの垂直方向成分、すなわち、Ｍｚ値の空間的分布を意味する。このように磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造が共に存在する磁性体からなるスピン波発生部１０１に対してエネルギーを加えれば、次いで図７Ａないし図７Ｅを参照して説明するように二スピン構造は移動し、結局には互いに合って消滅するが、消滅する瞬間、二つの構造の中心部が合う局所的な領域で大きいトルクが発生し、これにより大きい振幅のスピン波が発生して放射する。この時に発生するスピン波磁気渦巻き、反渦巻きスピン構造をなしている磁性体の飽和磁化、磁気異方性定数、交換結合定数、減少係数、磁性体の形状及び寸法のような固有特性によって、そしてエネルギー供給方式によって波動因子が決定される。
【００４１】
図７Ａないし図７Ｅは、前述した磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造の経時的な移動及び消滅によるスピン波の発生に対して、本発明者がパーマロイ磁性薄膜をモデルとして実施した微小磁気学シミュレーション結果である。図７Ａないし図７Ｅで面の高低及び明暗は、図６のように平面に垂直するスピン方向成分の空間的分布を意味する。
【００４２】
まず図７Ａは、磁場を加えて１９０ｐｓが経過した時、磁気渦巻きスピン構造の移動により発生するスピン波を示す。図７Ｂは、５４４ｐｓ経過後に磁気渦巻きと磁気反渦巻き構造が互いに合って消滅する瞬間のスピン方向の空間的分布を示す。図７Ｃ及び図７Ｄは、磁気渦巻きと磁気反渦巻き構造が消滅した以後に発生したスピン波を示すものであり、それぞれ５８３ｐｓ、６５４ｐｓ経過後の空間的分布を示す。図７Ｅは、図７Ｂに示す消滅瞬間のトルクサイズの空間的分布であり、磁気渦巻きと磁気反渦巻きスピン構造の中心部が合う局所的部分に強いトルクが形成されていることを示す。
【００４３】
図８Ａは、図６のように磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造を共に持つスピン波発生部を備えるスピン波素子に対するシミュレーション結果を示す図であり、図８Ｂは、図８Ａの結果のうち、スピン波導波路部分に対する結果を示す図である。
【００４４】
図８Ａは、磁気渦巻きスピン構造を持つスピン波発生部１０１に特定サイズの静的な磁場を印加し、磁気渦巻きと磁気反渦巻きスピン構造の移動を誘発し、二つの構造の消滅を通じて発生させたスピン波を経時的に示す。図８Ｂは、スピン波発生部１０１で発生したスピン波が経時的にスピン波導波路１０３を通じて伝播されることを示す。
【００４５】
なお、スピン波素子を構成する各部分についての細部的な説明及びこれらに関する望ましい実施例をさらに説明する。
【００４６】
（第２実施例）
図２に示したスピン波素子でスピン波発生部１０１は円形の薄膜形状をなしている。しかし、本発明によるスピン波素子でのスピン波発生部１０１の形状が必ずこれに限定されるものではない。ただし、スピン波発生部１０１の形状及び寸法を決定する時には、前述した磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造を単独あるいは共同で安定した状態に存在させねばならない。
【００４７】
図９は、本発明によるスピン波素子でのスピン波発生部の形状として可能な形状を例示的に示している。図９に示したように、スピン波発生部形状の例は方形、円形、三角形、角が円弧型に掘られた方形、角がラウンド処理された三角形、長方形、ピーナッツ型、アレイ型、左右が円弧型に拡張された長方形などがある。
【００４８】
（第３実施例）
エネルギー供給部１０２は、スピン波発生部１０１にエネルギーを供給する部分であり、ここでのエネルギーは、磁場、電場、電圧、電流、電磁波、音、熱、磁気弾性エネルギーのうちいずれか一つが単独あるいは複合的にスピン波発生部１０１に作用して局部的トルクの形成を誘発する。エネルギー供給部１０２は、加えるエネルギーの形態によって多様な構造及び材料を持つことができる。
【００４９】
まず図１０Ａは、エネルギー供給部１０２が磁場エネルギーを供給する場合についての実施例の図である。ここで、スピン波発生部１０１及びスピン波導波路１０３は基板１０４上に支持されている。エネルギー供給部１０２は、具体的にスピン波発生部１０１下の基板１０４の両側に金属線で形成された磁場印加導線２０１及び電源部２０２を備える。ここでは、電源部２０２を利用して磁場印加導線２０１に電流を流して、スピン波発生部１０１一部あるいは全体に磁場を加える。
【００５０】
次いで、図１０Ｂは、エネルギー供給部１０２が熱エネルギーを供給する場合についての実施例の図であり、エネルギー供給部１０２は、レーザー光源２０３、及び集束レンズ２０４を備える。ここでは、集束レンズ２０４を使用してレーザー光源２０３のビームをスピン波発生部１０１に集束してスピン波発生部１０１に熱を加える。
【００５１】
図１０Ｃは、スピン偏光された電子のスピントルクによるエネルギーあるいはトルク作用を利用するエネルギー供給部１０２を持つスピン波素子についての図であり、エネルギー供給部１０２は、スピン波発生部１０１の下部から水平に伸びる第１導線２０５、第１導線２０５と所定の角度をなしてスピン波発生部１０１の上部から水平に伸びる第２導線２０６、及び電源部２０７を備える。ここでは、電源部２０７を利用して第１及び第２導線２０５、２０６に電流を流して、スピン波発生部１０１にスピン偏光された電流によるトルク作用によるエネルギーを加える。図面には、二つの電源部２０７がそれぞれ第１及び第２導線２０５、２０６に連結されたことと図示したが、電源部２０７の構成がこれからいくらでも変わりうるということを当業者ならば理解できるであろう。
【００５２】
図１０Ｄは、磁気弾性エネルギーを加えるエネルギー供給部１０２を持つスピン波素子についての図である。図１０Ｄを参照するに、図１０Ｃと同じ構造に圧電体２０８をさらに備え、圧電体２０８はスピン波発生部１０１の下部に接合されている。電源部２０７を利用して第１及び第２導線２０５、２０６に電流を流して圧電体２０８に電圧を印加すれば、圧電体２０８に弾性変形が起き、これを通じてスピン波発生部１０１に磁気弾性エネルギーを供給できるようになる。
【００５３】
この他に、エネルギー供給部１０２が電場、電圧、電流、電磁波、音などのエネルギーをスピン波発生部１０１に供給するように構成でき、その時の細部的な構成は当業者により容易に実施、変更されうるので、詳細な説明は省略する。
【００５４】
（第４実施例）
スピン波導波路１０３は、スピン波発生部１０１で発生したスピン波を空間的に伝達させる媒体の役割を行う。スピン波発生部１０１に一つあるいは複数のスピン波導波路１０３の一端を連結し、他端は他のスピン波素子と連結すれば、スピン波発生部１０１で発生したスピン波が他のスピン波素子に伝達されるように構成できる。図１１は、このような実施例によるスピン波素子の例を示す。
【００５５】
図１１に示したスピン波素子は、スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成されたユニットを複数個備えるものであり、例として図示されたものは、正方形のスピン波発生部を備える第１ユニット３０１、他の正方形のスピン波発生部を備える第２ユニット３０２及び円形のスピン波発生部を備える第３ユニット３０３である。これら第１ないし第３ユニット３０１、３０２、３０３の間は、スピン波導波路１０３によりスピン波発生部１０１に互いに連結されている。例えば、スピン波発生部１０１で発生したスピン波は、スピン波発生部１０１と第１ユニット３０１との間のスピン波導波路１０３により第１ユニット３０１に伝達される。スピン波の伝達効率を高めるために、スピン波導波路１０３のうち一部は曲線のようないろいろな形態が可能である。
【００５６】
（超高速情報処理素子としてのスピン波素子）
本発明によるスピン波発生方法により発生させたスピン波はその速度が非常に速いために、図１１を参照して説明したように、スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成された複数のユニット間をスピン波導波路により連結して情報処理素子に具現する時、情報処理速度が非常に速くなる。したがって、超高速情報処理用素子として適している。この時、各ユニットは、スピン波の波動因子を信号として利用して論理演算を行うように連結され、その連結関係を適切に変形させてＯＲゲート、ＸＯＲゲート、ＮＯＲゲート、ＡＮＤゲート、ＮＡＮＤゲート、インバータなどの論理演算手段及びこれらの組み合わせを具現できる。波動因子は、スピン波の周波数、波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つであり、スピン波の重畳、反射、屈折、透過、放射、回折、干渉のいずれか一方あるいは複合的な作用を利用して、波動因子の変化で論理演算を行うように構成する。
【００５７】
まず、スピン波の波動的性質を説明する。図１２Ａないし図１２Ｄ、図１３Ａないし図１３Ｅは、本発明で提案した方法で発生させたスピン波の波動的性質を調べるために、本発明者等が磁性薄膜をモデルとして行った微小磁気学シミュレーション結果である。
【００５８】
まず、図１２Ａないし図１２Ｄの実施例を通じてスピン波の伝播、反射、透過特性を説明する。シミュレーション方法は次の通りである。
【００５９】
図１２Ａのように、左側にパーマロイで構成されたスピン波発生部１０１からスピン波を発生させ、スピン波発生部１０１で発生したスピン波をパーマロイからなるスピン波導波路１０３に注入した。この時、パーマロイからなるスピン波導波路１０３内部にＦｅからなる導波管１０５を挿入させれば、Ｆｅ導波管１０５はパーマロイとは異種の磁性物質であるため、パーマロイとは異なる固有定数（飽和磁化、磁気異方性定数、交換結合定数、減少係数など）を持つ。このためにパーマロイスピン波導波路１０３とは異なるエネルギー障壁を形成し、エネルギー障壁からスピン波の反射、透過、トンネリングが起きる。したがって、進行するスピン波の周波数を選択的にろ過するか、進行するスピン波の波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化させるようになる。
【００６０】
図１２Ｂは、異種磁性物質からなる導波管の挿入時に周波数によるスピン波の反射、透過、トンネリングを示す図である。図１２Ｂを説明するに、ｙ軸は周波数であり、ｘ軸はスピン波発生部１０１の中心からの距離ｘである。パーマロイスピン波導波路１０３の内部では１４ＧＨｚ以上のスピン波が存在できるが、ｘ＝３００〜４００（ｎｍ）領域にＦｅ導波管１０５を挿入すれば、Ｆｅ導波管１０５の内部にスピン波の入射時、２５ＧＨｚ以下のスピン波は内部に進入できずに反射し、２５ＧＨｚ以上のスピン波はＦｅ導波管１０５を透過後に伝播される。
【００６１】
図１２Ｃ及び図１２Ｄは、時間が１ｎｓである時、２０ＧＨｚ（Ａ−Ａ’）、２６ＧＨｚ（Ｂ−Ｂ’）スピン波を、その伝播方向を基準に分けてこれらの分布を示したものである。図１２Ｃを参照するに、パーマロイスピン波導波路１０３の内部から前方に伝播する２０ＧＨｚのスピン波は、Ｆｅ導波管１０５に合ってその振幅が減衰し、これ以上は進行できず、後方にいずれも反射されるが、図１２Ｄを参照するに、２６ＧＨｚのスピン波は、Ｆｅ導波管１０５に合って一部は反射され、一部は透過されることが観察できる。このように、図１２Ａのように異種の磁性物質の組み合わせからなる導波路は、図１２Ｂに示したように周波数ろ過作用が可能であり、これを利用すれば、スピン波フィルターとして適用できる。
【００６２】
図１３Ａないし図１３Ｅは、前述したスピン波の伝播、反射、透過を利用してスピン波の干渉特性を調べるために、本発明者らが磁性薄膜をモデルで実施した微小磁気学シミュレーション結果である。
【００６３】
図１３Ａのように、左側にパーマロイで構成されたスピン波発生部１０１からスピン波を形成し、Ｂ、Ｃ部分に同じ位相を持って伝えられるように、Ｙ形態の対称形パーマロイスピン波導波路１０３を形成した。スピン波導波路１０３は、前述したように、曲線の形態で形成して伝達効率を高め、またパーマロイ以外にＦｅ導波管１０５を挿入して一定領域以下の周波数帯域のスピン波をろ過した。
【００６４】
このように互いに同じ特性を持つスピン波が、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示したように、互いに密着した状態でＢ、Ｃ地点（ｕｐｐｅｒ  ｐａｔｈ、ｌｏｗｅｒ  ｐａｔｈ）に到達すれば、同じ波動因子のスピン波がＢ、Ｃ地点から右側の大きいパーマロイ強磁性薄膜１０６に放射する。これは、光の波動性を証明するために行ったヤング（Ｙｏｕｎｇ）の二重スリット実験と同じ実験であり、スピン波の波動性を示すシミュレーション結果となる。
【００６５】
図１３Ｄ及び図１３Ｅは、図１３Ａに点線ボックス表示されたＡ領域の内部で時間が１ｎｓである時の３７ＧＨｚ  Ｍｚ値の分布を示すものであり、放射された二つのスピン波の重畳現象によって生じる干渉紋を確認することができる。
【００６６】
次いで、スピン波の波動因子を制御する原理及び方法についてさらに詳細に説明する。前述したように、スピン波は、各個別スピンの摂動がスピン間の相互作用により現れる波動的挙動を称する言葉である。これは、各個別スピンの摂動を決定する有効磁場、固有定数とスピンとの相互作用がスピン波の波動因子を決定するということを意味する。有効磁場と各スピンとの相互作用に影響を及ぼす要因としては、エルステッドフィールド、ストレイフィールド、弾性変形、他の物質との交換結合、電流、スピントルクのような外部的要因と交換結合力、磁気異方性定数のような固有定数と導波路の外形的特性などがある。本発明では、このような要素を制御してスピン波の波動因子、特に位相を制御する方法を提供する。
【００６７】
図１４Ａないし図１４Ｄは、導波路の固有定数と外形的特性、有効磁場によるスピン波の分散関係変化を示す。スピン波の分散関係は、スピン波導波路を進行させるスピン波の波長と周波数との関係を表すが、これより、所定周波数のスピン波が所定条件（ここでは、スピン波導波路の固有定数と外部的要因）に対していかなる波長を持つかが分かる。
【００６８】
まず、図１４Ａは、スピン波導波路の磁性体固有定数による分散関係変化結果を示す。図１４Ａを参照するに、固有定数である飽和磁化値Ｍｓと交換結合定数ａとによって周波数及び波数が変わることが分かる。スピン波導波路を通る時に周波数は固定されているので、固有定数が変わる部分では波数が変わる。すなわち、波長（位相）が変わる。図１４Ａをさらに説明すれば、Ｍｓは同じであるが、Ａが減少する場合には波数が増加し、Ｍｓは同じであるが、Ａが増加する場合には波数が減少する。Ａは同じであるが、Ｍｓが増加する場合にも波数が減少する。
【００６９】
図１４Ｂは、スピン波導波路に及ぶ有効磁場の大きさ及び方向による分散関係変化結果を示す。図１４Ｂを参照するに、有効磁場によって周波数及び波数が変わることを示している。有効磁場が正に増加する場合には波数が減少し、有効磁場が負に増加する場合には波数が増加する。したがって、有効磁場によって波長（位相）を制御できることが分かる。
【００７０】
図１４Ｃ及び図１４Ｄは、スピン波導波路の形状による分散関係変化を図示する。まず図１４Ｃを参照するに、スピン波導波路の幅によって周波数及び波数が変わることを示しており、特に幅が増加するほど波数が増加する。図１４Ｄを参照するに、スピン波導波路の厚さによって周波数及び波数が変わることが分かり、周波数２０ＧＨｚ以上では、厚さが増加するほど波数が増加する。
【００７１】
図１４Ａないし図１４Ｄから、進行するスピン波の局部的領域に導波管を挿入して、その導波管の形状、寸法及び磁性物質のうち少なくともいずれか一つを変化させるか、あるいは外部要因の変化で有効磁場を変化させて、スピン波の波長、振幅、位相及びこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化ないし制御できることが分かる。
【００７２】
図１５Ａは、本発明の実施例によってスピン波導波路の局部的領域に有効磁場変化が発生した状態の図である。図１５Ａを参照するに、スピン波が進行するスピン波導波路１０３の局部的領域２２１に、スピン波導波路１０３と異なる固有定数を持つ導波管が挿入されているか、あるいは形状の異なる導波管が挿入されているか、あるいは他の方法により有効磁場が変化されている部分を含む。
【００７３】
スピン波導波路１０３と異なる固有定数を持つ異種磁性物質からなる導波管１０５を挿入した例は、図１２Ａないし図１２Ｄを参照して既に説明した。既に説明したように、このような異種導波管１０５の挿入によってスピン波フィルターへの適用が可能なだけでなく、ここで説明するように、スピン波の位相制御が可能である。導波管１０５は磁性体からなっており、スピン波導波路を構成している磁性体とは異なる固有定数を持っていなければならない。図１４Ａの分散関係から分かるように、所定周波数のスピン波に対する波長は飽和磁化値、交換結合定数により変わることが確認できる。また当業者ならば、磁気異方性定数もスピン波の挙動に同じ効果を与えられるということが分かる。導波管１０５の挿入以外の方法で有効磁場を変化させるのは、エルステッドフィールド、ストレイフィールド）、弾性変形、他の磁性物質との交換結合、電流、スピントルク及び磁区壁の存在のうちいずれか一つにより可能であり、それぞれの実施例については後述する。
【００７４】
次いで、図１５Ｂは、図１５Ａに示す導波管を通るスピン波の伝播、導波管を通らないスピン波の伝播及び導波管をすぎるスピン波と過ぎないスピン波の伝播を比較するために同時に示した実施例の図である。
【００７５】
図１５Ｂで（ａ）は、スピン波導波路１０３を進行させるスピン波が前述した局部的領域２２１を通過する時にスピン波の波長が変わることを示す。局部的領域２２１を通過した後に進行するスピン波の場合、元来の波長を回復するが、前記の局部的領域２２１が存在しないスピン波導波路の場合には、波長が（ｂ）のように一定であって、（ａ）と（ｂ）とで位相差が発生する。したがって、（ｃ）に示したように、位相差が１８０°になるようにこの二つのスピン波を重畳する素子を構成すれば、二つのスピン波は前述したスピン波の波動的性質のうち、重畳の原理により互いに消滅干渉を起こして消えてしまう。これは、前述したスピン波因子のうち、スピン波の振幅を信号とする時、スピン波の波長、結果的に位相を制御してスピン波の重畳原理を利用して信号を制御する一つの実施例となる。
【００７６】
なお、異種導波管１０５の他の挿入以外の方法で有効磁場が変化されている部分を含むことによって、局部的領域でスピン波の波長変化を通じて位相を変化させうる方法についての具体的実施例を説明すれば、次の通りである。
【００７７】
図１６は、本発明の実施例によってスピン波導波路に導波管の形状変化でスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図１６を参照するに、スピン波導波路１０３より幅及び厚さが狭くなった導波管１０５ａを挿入して、スピン波導波路の形状変化を利用してスピン波の波動因子、特に位相を制御する。図１４Ｃ及び図１４Ｄの分散関係を参照すれば、所定周波数のスピン波に対する波長は、導波管の厚さ及び幅によって変わる。図１６を参照するに、導波管１０５ａの厚さや幅あるいは両方ともスピン波導波路１０３と異ならせることによって、スピン波導波路１０３を通過するスピン波の位相を制御する。すなわち、挿入された導波管１０５ａの形状あるいは寸法を変化させて進行するスピン波の波長、振幅、位相、またはこれらの組み合わせのうちいずれか一つを変化させることができる。導波管１０５ａは、スピン波導波路１０３と同種の磁性物質であってもよい。
【００７８】
図１７は、本発明の実施例によってスピン波導波路に他の磁性物質を接合して、その界面との交換結合力によりスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図１７を参照するに、スピン波導波路１０３の局部的領域２２１に接合されている磁性層２２３の界面との交換結合力によりスピン波の位相を変化させる。交換結合力は局部的領域２２１の有効磁場の変化をもたらし、これは、前述したように進行するスピン波の位相を変化させる。磁性層２２３は、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体、合金系磁性体、酸化物系磁性体、ＣＭＲ系磁性体、ホイスラー合金系磁性体、磁性半導体及びその複合構造からなる群から選択されたいずれか一つでありうる。
【００７９】
前述した位相制御方法は、導波管の固有性質や形状を利用するものであり、後述する位相変調装置のうち、静的位相変調装置に応用できる。次いで、前記の方法と異なって入力する信号によってスピン波の位相変化を制御する方法を説明する。
【００８０】
図１８Ａは、スピン波導波路に形成された磁区壁でスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図１８Ａを参照するに、スピン波導波路１０３に磁区壁２２５を存在させる。磁区壁２２５は、９０度、１８０°、３６０°磁区壁、ブロック（Ｂｌｏｃｈ）、ニール（Ｎｅｅｌ）形態の磁区壁及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つでありうる。磁区壁２２５を通過するスピン波の波長は、磁区壁２２５に形成された有効磁場により変形される。本発明は、単純な磁区壁２２５の利用に過ぎず、磁区壁２２５をスピン波導波路１０３に挿入または除去することによって有効磁場を変化させる方法も提案する。
【００８１】
図１８Ｂは、本発明の実施例によって導線に流れる電流によるエルステッドフィールドで磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図であり、図１８Ｃは、本発明の実施例によって磁区壁導波路に流れる電流により磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図であり、図１８Ｄは、本発明の実施例によって磁区壁導波路に強いスピン波を入射させて、磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。まず図１８Ｂを参照するに、スピン波導波路１０３に磁区壁２２５が移動できる磁区壁導波路２２７の両端を連結して、磁区壁２２５をスピン波導波路１０３に挿入または除去できるようにして、後述する動的位相変換装置として使用可能にする。磁区壁２２５を移動するためには、スピン波導波路１０３に垂直に伸張して電流が流れる磁場印加導線２３０をさらに備え、磁区壁導波路２２７がこれを包むようにスピン波導波路１０３に両端を連結する。磁場印加導線２３０に電流を流して、磁場印加導線２３０の周辺にエルステッドフィールドを形成させて磁区壁２２５を移動させる。
【００８２】
他の方法では、図１８Ｃのように磁区壁２２５が移動でき、スピン波導波路１０３に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路２２７を置き、磁区壁導波路２２７の両端のうちいずれか一端に電源部２３２を連結して、磁区壁導波路２２７に電流を流して磁区壁２２５を移動させることがある。
【００８３】
また図１８Ｄに示したように、磁区壁２２５が移動でき、スピン波導波路１０３に両端を除外した中間部分が連結された磁区壁導波路２２７を置き、磁区壁導波路２２７の両端のうちいずれか一端あるいは両端に追加のスピン波発生部１０１ａを連結して、追加のスピン波発生部１０１ａで発生した強いスピン波を磁区壁導波路２２７に伝播させることによって磁区壁２２５を移動させる方法も可能である。
【００８４】
以上の図１８Ｂないし図１８Ｄのように、磁区壁２２５をスピン波導波路１０３に挿入して進行するスピン波の位相を変化させるか、磁区壁２２５を除去して位相を変化させない。このように、電源部２３２や磁場印加導線２３０の電流、スピン波発生部１０１ａを入力信号として、スピン波導波路１０３を進行させるスピン波の位相変化を制御できるため、動的位相変換装置に応用が可能である。
【００８５】
図１９は、本発明の実施例によって局部的領域にエルステッドフィールドをスピン波導波路に印加してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図１９を参照するに、スピン波導波路１０３の局部的領域２２１にエルステッドフィールドを印加して有効磁場の変化をズームでスピン波の位相を制御する。具体的に、電源部２３４を利用してスピン波導波路１０３を横切る磁場印加導線２３６に電流が流れれば、スピン波導波路１０３の局部的領域２２１にエルステッドフィールドが強く印加されつつ有効磁場が変化される。すると、スピン波の波長は、図１４Ｂの分散関係変化から確認できるように、有効磁場の強度及び方向によって所定周波数のスピン波に対する波長が変わる。これより、電流の強度及び方向を調節することによって前述したようにスピン波の位相が制御される。また電源部２３４を入力信号とする動的位相変換装置に応用できる。
【００８６】
図２０は、本発明の実施例によって局部的領域に磁区壁によるストレイフィールドをスピン波導波路に印加してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図２０を参照するに、磁区壁２２５の周囲に形成されたストレイフィールドによる有効磁場の変化でスピン波の位相を制御する。具体的に、磁区壁２２５の近くではその周辺とは異なって非常に強いストレイフィールドが局所的に形成される。本発明では、このように形成されたストレイフィールドをスピン波導波路１０３の局部的領域２２１に印加して、有効磁場を変化させてスピン波の位相を制御する。ここで磁区壁２２５は、スピン波導波路１０３の下にスピン波導波路１０３と所定の角度をなして水平に伸びる磁区壁導波路２２７に沿って動くが、動く方法は、図１８Ｂ、図１８Ｃ及び図１８Ｄに記述した方法と同一に外部磁場を加えるか、電流を流すか、強いスピン波を発生させて行う。すなわち、磁区壁２２５によるストレイフィールドは局部的領域２２１でのみ形成されるので、磁区壁２２５をスピン波導波路１０３の近くに位置させるか、外すかによってスピン波導波路１０３を進行させるスピン波の位相変化が制御できて、動的位相変換装置として利用できる。
【００８７】
図２１は、本発明の実施例によってスピントルクを利用してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図２１を参照するに、スピン波導波路１０３の下部から水平に伸びる第１導線２４０とスピン波導波路１０３の上部から水平に伸びる第２導線２４２とに電流を流す。すると、スピン波導波路１０３の局部的領域２２１にスピン偏光された電子のスピントルクによる有効磁場変化あるいはトルク作用によりスピン波の位相を変化させる。ここで、スピン波の位相変化程度及び如何は、第１及び第２導線２４０、２４２に流れる電流の量及び方向から制御でき、動的位相変換装置として利用できる。
【００８８】
図２２は、本発明の実施例によって弾性変形を利用してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。図２２に示すように、図２１のような構造に圧電体２４４をさらに備える。スピン波導波路１０３と第１導線２４０との間またはスピン波導波路１０３と第２導線２４２との間に圧電体２４４を備えることができる。すなわち、スピン波導波路１０３の局部的領域２２１に圧電体２４４を挿入しておき、第１及び第２導線２４０、２４２に電圧を加えることによって圧電体２４４の弾性変形を起こして、この変形から局部的領域２２１の弾性変形を誘発すれば、逆磁歪効果（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）により局部的領域２２１の磁気異方性及び磁化方向が変わる。そして、これは固有定数変化のような原理で、局部的有効磁場変化をもたらしてスピン波の位相変化をもたらす。第１及び第２導線２４０、２４２に加えられる電圧を調節して圧電体２４４の弾性変形を制御できて、加える電圧を入力信号としてスピン波の位相変化を制御する動的位相変換装置として利用できる。
【００８９】
基本的に本発明のように発生させたスピン波が存在する場合の状態を“１”とし、スピン波のない時の状態を“０”として“０”と“１”とを区分でき、スピン波のない時の状態はスピン波をまったく発生させないか、前述した方法でスピン波の波動因子を制御して位相差が１８０°である二つのスピン波を、図１３Ａないし図１３Ｅに示したように重畳で消滅させることによって作ることができる。
【００９０】
以下では、本発明のスピン波素子を利用してＯＲゲート、ＸＯＲゲート、ＮＯＲゲート、ＡＮＤゲート、ＮＡＮＤゲート、インバータなどの論理演算手段を構成する例を説明する。このような論理演算手段を適切に組み合わせれば、いかなる論理演算も可能になる。
【００９１】
まず図２３Ａは、Ａ、Ｂを入力、ｏｕｔを出力とするＯＲゲートの概念図であり、図２３Ｂは、このようなＯＲゲートを具現するための本発明によるスピン波素子の実施例の図である。図２３Ａを参照するに、ＯＲゲートは周知のように、Ａ、Ｂの対が“１”、“１”である時、“１”、“０”である時、そして“０”、“１”である時にｏｕｔが“１”になり、Ａ、Ｂの対が“０”、“０”である時にｏｕｔは“０”になる。
【００９２】
次いで図２３Ｂを参照するに、スピン波発生部及びエネルギー供給部（例えば、図１０Ａで説明したように、磁場印加導線と電源部）で形成された第１ユニット４０１と第２ユニット４０２との間が、二つの曲線型スピン波導波路１０３及びこれらが統合された結合スピン波導波路４０３により連結されている。二つのスピン波導波路１０３は互いに同じ長さを持つ。第１ユニット４０１と第２ユニット４０２とはスピン波信号入力部になり、スピン波導波路４０３の端部にはスピン波信号出力部４０４がある。
【００９３】
第１ユニット４０１及び第２ユニット４０２でエネルギー供給によりスピン波を発生させれば、スピン波はスピン波導波路１０３を通じて進行し、結合スピン波導波路４０３で波動特性である重畳の原理により論理演算を行う。前述したように“０”と“１”との出力信号は、スピン波信号出力部４０４でのスピン波存否を示すが、図２３Ｂに図示した素子で第１ユニット４０１と第２ユニット４０２とに同時にエネルギー供給による信号“１”が入力されれば、それぞれでスピン波が発生してスピン波導波路１０３を経て結合スピン波導波路４０３に進行する。この時、二つのスピン波導波路１０３の長さが同一であるので、各スピン波導波路１０３を通じて進行された二つのスピン波は、結合スピン波導波路４０３で同じ位相を持って重畳される。したがって、結合スピン波導波路４０３にスピン波が存在するので、スピン波信号出力部４０４から“１”の信号を出力する。
【００９４】
入力信号が一側のみ“１”である場合、すなわち、第１ユニット４０１と第２ユニット４０２のうちいずれか１側でのみスピン波が発生した場合には、結合スピン波導波路４０３で重畳なしにスピン波が存在するので、やはり“１”の信号を出力する。入力信号のない“０”の場合、すなわち、第１ユニット４０１と第２ユニット４０２どちらでもスピン波が発生しないので“０”を出力する。このようにして本素子はＯＲゲートになる。
【００９５】
図２４は、インバータ（すなわち、ＮＯＴゲート）の概念図である。円は連続的にスピン波を発生させる素子５０１であり、黒い三角形は動的位相変換装置５０５であり、両方向からのスピン波注入のみによってスピン波の位相が１８０°変換される。すなわち、動的位相変換装置５０５は、刺激になる信号をここに印加して始めて、この部分を通るスピン波の位相が１８０°変換される。前述したスピン波位相変換方法を応用して動的位相変換装置５０５を構成できることを、当業者ならば理解できるであろう。
【００９６】
図２４で連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられて、一つは動的位相変換装置５０５を通る。この時、入力Ａに“１”の信号を与える場合（望ましくは、本発明のようにスピン波発生部及びエネルギー供給部で形成されたユニットを利用して発生させたスピン波を入力信号として利用する。）、動的位相変換装置５０５を通るスピン波の位相が１８０°変換されるので、二股のスピン波が合わせられて出る時は“０”の状態となる。一方、入力Ａが“０”である場合、動的位相変換装置５０５を通るスピン波の位相が変換されないので、二股のスピン波が合わせられて出る時は“１”の状態となる。本発明によるスピン波素子を応用してこのようなインバータを実際に具現するのは、複数のユニットをスピン波導波路に連結して容易に行えるということを当業者ならば理解でき、図２４で連続的にスピン波を発生させる素子５０１は、スピン波発生部及びエネルギー供給部（例えば、図１０Ａで説明したように磁場印加導線と電源部）で形成された第１ユニット、実線はスピン波導波路、入力Ａは第２ユニットに対応すると見ればよい。
【００９７】
図２５Ａは、本発明の実施例によってエルステッドフィールドによるスピン波の位相変化を利用したインバータゲートの実施例を示す図であり、これに対する微小磁気シミュレーション結果が次の図２５Ｂないし図２５Ｅに提示されている。
【００９８】
まず図２５Ａを見れば、連続的に発生したスピン波が水平の二股に分けられるスピン波導波路１０３を通過するが、二股のスピン波導波路１０３の間にスピン波導波路１０３と垂直に電流が流れる磁場印加導線２３０を置いて、磁場印加導線２３０に電流が流れる場合（図２４で、入力Ａに信号が入力された場合と同一）に、磁場印加導線２３０の周辺に円形でエルステッドフィールドが形成され、これは、二股のスピン波導波路１０３に他の方向の外部磁場が印加される役割を行って、二つのスピン波導波路１０３を進行したスピン波の位相差を効果的に与える。したがって、適正な電流強度を通じて二つのスピン波の位相差を１８０°に与えることができ、合わせて出たスピン波は互いの相殺干渉により消滅されて“０”の状態となる。一方、二股のスピン波導波路１０３の中央に位置した磁場印加導線２３０に電流が流れない場合、連続的に発生したスピン波が二股のスピン波導波路１０３を通過する時にも位相が変換されないので、二股のスピン波が合わせられて出る時は補強干渉により“１”の状態となる。
【００９９】
図２５Ｂは、エルステッドフィールドを利用したスピン波インバータゲートの駆動をシミュレーションするためのモデル構造の図であり、実際にこの形状を利用してシミュレーションを実施した。
【０１００】
図２５Ｃは、エルステッドフィールドの大きさ分布及び方向についての結果を示す実施例の図である。図２５Ｃを見れば、磁場印加導線２３０に電流が流れる時に形成されるエルステッドフィールドの強度及び方向分布が分かる。
【０１０１】
図２５Ｄは、導線に加えられる電流の大きさによってスピン波の位相が変わることを表す実施例の図である。図２５Ｄを参照するに、図２５Ｂでそれぞれ二股のスピン波導波路１０３の中央に位置した地点“Ａ”と“Ｂ”での経時的なスピン波の振幅変化を示す。これより二股のスピン波導波路１０３を進行させるスピン波が電流の強度によっていかなる位相差を示すかが分かる。
【０１０２】
図２５Ｅは、スピン波インバータゲートの出力信号が電流入力信号によってスピン波の干渉を調節してインバータゲート動作を行う実施例の図である。図２５Ｅを参照するに、二股のスピン波導波路１０３に沿って進行したそれぞれのスピン波が合わせられて進行する地点である“Ｃ”で、経時的なスピン波の振幅変化を示すグラフに電流が流れる時に相殺干渉が起き、スピン波の電流が流れない時に補強干渉が起きることが分かる。
【０１０３】
図２５Ｆは、インバータゲートの他の構造を示す実施例であり、上下に分けられる二股のスピン波導波路１０３を介して、その間にスピン波導波路１０３と特定角をなして水平に伸びる方向に電流が流れる磁場印加導線２０３を置いて、磁場印加導線２３０に電流が流れる場合に、磁場印加導線２３０の周辺に円形にエルステッドフィールドを形成させるものである。形成されたエルステッドフィールドは、二股のスピン波導波路１０３に他の方向の外部磁場が印加される役割を行って、二つのスピン波導波路１０３を進行したスピン波の位相差を効果的に与える。この構造は素子の製作時に前記の垂直に伸びる磁場印加導線の構造よりさらに容易である。
【０１０４】
図２６は、Ａ、Ｂを入力、ｏｕｔを出力とするＮＯＲゲートの概念図である。図２６を見れば、ＮＯＲゲートは図２３ＡのＯＲゲートと図２４のインバータとの順次的配列であることが分かる。
【０１０５】
図２６でＡ、Ｂの対が“１”、“１”である時、“１”、“０”である時、そして“０”、“１”である時、動的位相変換装置５０５に刺激信号“１”を与えることができる。連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられて、一つは動的位相変換装置５０５を通るので、このスピン波は１８０°位相変換される。他の分岐のスピン波は位相変化がないので、この二つが合わせられた出力は“０”になる。Ａ、Ｂの対Ｉ“０”、“０”である時にのみ動的位相変換装置５０５への信号入力が“０”になる。連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられるが、動的位相変換装置５０５の刺激信号がない場合であるので、二股のスピン波が合わせられた出力は“１”になる。本発明によるスピン波素子を応用してこのようなＮＯＲゲートを実際具現することも当業者ならば理解できるであろう。図２６で連続的にスピン波を発生させる素子５０１は、スピン波発生部及びエネルギー供給部で形成された第１ユニット、実線はスピン波導波路、入力Ａは第２ユニット、入力Ｂは第３ユニットに対応すると見ればよい。
【０１０６】
図２７は、Ａ、Ｂを入力、ｏｕｔを出力とするＸＮＯＲゲートの概念図である。連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられる。入力Ａに“１”の信号を与える場合、これは、上側動的位相変換装置５０５の刺激信号になるので、上股のスピン波の位相を１８０°変換させる。これから入力Ｂに“１”の信号を与える場合、これは、下側の動的位相変換装置５０６の刺激信号になるので、下股のスピン波の位相を１８０°変換させる。したがって、上股のスピン波と下股のスピン波とが同じ位相で重畳されるので、ｏｕｔに“１”の信号を出力する。入力“Ａ”は１であるが、入力“Ｂ”が“０”である場合、下股のスピン波は位相変換なしに下股の動的位相変換装置５０６を通る。したがって、上股のスピン波と下股のスピン波とはその位相が異なるので、重畳で消滅されて出力は“０”になる。Ａ、Ｂの対が“０”、“１”である場合も同じく、上股のスピン波と下股のスピン波とは位相が異なるので、重畳で消滅されて出力は“０”になる。二つの入力信号ＡとＢとに“０”の信号を与えれば、二股のスピン波位相は何の変化もなく、同じ位相で重畳されるのでｏｕｔに“１”の信号を出力する。
【０１０７】
図２８Ａは、Ａ、Ｂを入力、ｏｕｔを出力とするＸＯＲゲートの第１概念図、図２８Ｂは、第２概念図であり、図２８Ｃは、このようなＸＯＲゲートを具現するための本発明によるスピン波素子を応用したＸＯＲゲートの実施例の図である。
【０１０８】
図２８Ａ及び図２８Ｂで円は、図２４と同じく連続的にスピン波を発生させる素子５０１、５０２であり、白い三角形は静的位相変換装置５０３であり、この部分を通ればスピン波の位相が１８０°変換される。黒い三角形は、動的位相変換装置５０５、５０６、５０７である。
【０１０９】
まず図２８Ａを参照するに、図２７のＸＮＯＲゲートと図２４のインバータとの順次的配列であるということが分かる。左側のＸＮＯＲゲートにより生成された出力信号は、右側インバータにより信号が反転されてＸＯＲゲートとして動作する。
【０１１０】
図２８Ｂを参照するに、左側に図示された連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられる。上股に進行するスピン波は静的位相変換装置５０３を通りつつ位相が１８０°変換される。入力Ａに“１”の信号を与える場合、これは上側動的位相変換装置５０５の刺激信号になるので、上股の１８０°位相変換されたスピン波の位相を再び１８０°変換させる。したがって、上股のスピン波は元来の位相に戻る。なお、入力“Ｂ”に“１”の信号を与える場合、これは下側の方動的位相変換装置５０６の刺激信号になるので、下股のスピン波の位相を１８０°変換させる。したがって、上股の元来の位相のスピン波と下股の１８０°位相変換されたスピン波とは位相が逆になって重畳消滅されるため、ｏｕｔからの出力は“０”になる。入力“Ａ”は１であるが、入力“Ｂ”が“０”である場合、下股のスピン波は位相変換なしに下側の動的位相変換装置５０６を通る。したがって、上股のスピン波と下股のスピン波とは位相が同じものであるので、重畳して出る出力は“１”になる。以上の説明を適用してＡ、Ｂの対が“０”、“１”である時にｏｕｔは“１”になり、Ａ、Ｂの対が“０”、“０”である時にｏｕｔは“０”になるということが分かる。
【０１１１】
図２８Ｃに提示された素子は、このようなＸＯＲゲートを具現するための簡単な素子の例であって、図２３Ｂに図示した素子の変形例と見なすことができるが、二つのスピン波導波路１０３のうち、一側に１８０°位相変換装置４０５が備えられている。第１ユニット４０１及び第２ユニット４０２に“１”の信号が入れれば、スピン波が発生してスピン波導波路１０３を経て結合スピン波導波路４０３に進行するが、この時、スピン波導波路１０３の長さが同一であり、一側のスピン波導波路１０３のみに１８０°位相変換装置４０５があって、二つのスピン波は結合スピン波導波路４０３で１８０°異なる位相を持って重畳するので、スピン波が互いに相殺されて“０”の信号を出力する。残りの入力信号の場合は図２３ＢのＯＲゲート素子と同一であるので、図２８Ｃに提示された素子はＸＯＲゲートとして動作する。
【０１１２】
図２９は、Ａ、Ｂを入力と、ｏｕｔを出力とするＮＡＮＤゲートの概念図である。図２９で連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられて、一つは動的位相変換装置５０５を通る。この時、入力Ａが“１”ならば、動的位相変換装置５０５を通るスピン波の位相が１８０°変換されるので、二股のスピン波が合わせられて出る時は“０”の状態となる。一方、入力Ｂが“１”である場合、二股に分けられたスピン波のうち、動的位相変換装置５０６を通るスピン波の位相が１８０°変換されるので、二股のスピン波が合わせられて出る時は“０”の状態となる。両側から“０”が合わせられて出力されるので、出力は“０”である。Ａは“１”であるが、Ｂが“０”である時には動的位相変換装置５０６を通るスピン波の位相変換がなく、したがって、二股のスピン波が合わせられて出る時は“１”の状態となる。両側からそれぞれ“０”と“１”とが合わせられて出力されるので、出力は“１”である。以上の説明を適用してＡ、Ｂの対が“０”、“１”である時、そして“０”、“０”である時にもｏｕｔが“１”になることを当業者ならば理解できるであろう。また、本発明によるスピン波素子を応用してこのようなＮＡＮＤゲートを実際に具現することも当業者ならば理解できるであろう。
【０１１３】
図３０Ａは、Ａ、Ｂを入力、ｏｕｔを出力とするＡＮＤゲートの第１概念図であり、図３０Ｂは第２概念図である。まず、図３０Ａを見れば、図２９のＮＡＮＤゲートと図２４のインバータとの順次的配列であることが分かる。すなわち、上側のＮＡＮＤゲートで発生した信号は下側のインバータにより信号が反転されてＡＮＤゲートとして動作する。
【０１１４】
図３０Ｂでは、右側上段に図示された連続的にスピン波を発生させる素子５０１で発生したスピン波が二股に分けられて、一つは動的位相変換装置５０５を通る。この時、入力Ａが“１”ならば、動的位相変換装置５０５を通るスピン波の位相が１８０°変換される。他股のスピン波は静的位相変換装置５０３を通るのでやはり１８０°位相変換される。したがって、二股のスピン波が合わせられて出る時は、１８０°位相反転されたスピン波が存在して“１”の状態となる。その後、他の静的位相変換装置５０４を再び経るので、位相は再び反転されて元来の位相に戻る。一方、入力Ｂが“１”である場合、二股に分けられたスピン波のうち、動的位相変換装置５０６を通るスピン波の位相が１８０°変換されるので、二股のスピン波が合わせられて出る時は“０”の状態となる。両側からそれぞれ“１”と“０”とが合わせられて出力されるので、出力は“１”になる。以上の説明を適用してＡ、Ｂの対が“１”、“０”である時、“０”、“１”である時、そして“０”、“０”である時、ｏｕｔは“０”になることを当業者ならば理解できるであろう。また、本発明によるスピン波素子を応用してこのようなＡＮＤゲートを実際具現することも、当業者ならば理解できるであろう。
【０１１５】
以上のようなＯＲゲート、ＸＯＲゲート、ＮＯＲゲート、ＡＮＤゲート、ＮＡＮＤゲート、インバータなどの論理演算手段を組み合わせれば、いかなる論理演算素子も設計でき、これよりスピン波を利用した論理演算が可能になる。
【０１１６】
以上、本発明を詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で色々な変形が可能であるということは、当業者には明らかである。本発明は、請求項の範ちゅうにより定義されるだけである。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明によるスピン波発生方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明によるスピン波発生方法を実現するためのスピン波発生素子の核心構造体についての例を示す図である。
【図３Ａ】磁気渦巻きスピン構造での平面上のスピンの方向を矢印で示している図である。
【図３Ｂ】図３Ａの磁気渦巻きスピン構造でのスピンの垂直方向成分を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａの磁気渦巻きスピン構造でのＶ１−Ｖ１’上のスピンの平面に垂直方向成分の距離による大きさ変化を示すグラフである。
【図４Ａ】反渦巻きスピン構造での平面上のスピンの方向を矢印で示している図である。
【図４Ｂ】図４Ａの反渦巻きスピン構造でのスピンの垂直方向成分を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａの反渦巻きスピン構造でのＶ２−Ｖ２’上のスピンの平面に垂直方向成分の距離による大きさ変化を示すグラフである。
【図５Ａ】図２に示したスピン波発生素子の核心構造体に対する微小磁気学シミュレーション結果を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａの結果のうち、スピン波導波路部分に対する結果であり、経時的な垂直成分の磁化方向を示す図である。
【図６】ピーナッツ状の磁気薄膜構造体で、二つの磁気渦巻き間に一つの磁気反渦巻きスピン構造が安定した状態に共存する微細構造を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図７Ａ】図６に提示した磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造に磁場を印加する時、スピンの垂直方向成分の空間的分布が経時的に変化する様相を示す図である。
【図７Ｂ】図６に提示した磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造に磁場を印加する時、スピンの垂直方向成分の空間的分布が経時的に変化する様相を示す図である。
【図７Ｃ】図６に提示した磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造に磁場を印加する時、スピンの垂直方向成分の空間的分布が経時的に変化する様相を示す図である。
【図７Ｄ】図６に提示した磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造に磁場を印加する時、スピンの垂直方向成分の空間的分布が経時的に変化する様相を示す図である。
【図７Ｅ】磁気渦巻き／磁気反渦巻きスピン構造が消滅する瞬間、渦巻き中心部に発生したトルク値の空間的分布を示す図である。
【図８Ａ】図６のように磁気渦巻き、磁気反渦巻きスピン構造を共に持つスピン波発生部を備えるスピン波発生素子に対するシミュレーション結果を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａの結果のうち、スピン波導波路部分に対する結果を示す図である。
【図９】磁気渦巻きが単独あるいは磁気反渦巻きと共に安定して共存できる薄膜構造体を示し、スピン波発生部の形状についての例を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例によって磁場エネルギーを供給してスピン波を発生させうるスピン波発生素子の核心部分を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例によって、レーザー光入射を通じる熱エネルギーを供給してスピン波を発生させうるスピン波発生素子の核心部分を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施例によって、電流による渦巻きの中心部にスピントルクを発生させてスピン波を発生させうるスピン波発生素子の核心部分を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施例によって、弾性エネルギーを利用してスピン波を発生させうるスピン波発生素子の核心部分を示す図である。
【図１１】本発明の実施例によるスピン波素子の他の例を示す図である。
【図１２Ａ】スピン波導波路の内部に異種磁性物質からなる導波管を挿入した例を説明するための図である。
【図１２Ｂ】異種磁性物質からなる導波管挿入時、周波数によるスピン波の反射、透過、トンネリングを示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｂで２０ＧＨｚ周波数（Ａ−Ａ’）を持つスピン波の透過、反射、トンネリングを示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｂで２６ＧＨｚ周波数（Ｂ−Ｂ’）を持つスピン波の透過、反射、トンネリングを示す図である。
【図１３Ａ】スピン波の放射、透過、反射、トンネリング、フィルタリング、干渉などの波動性を示しうるモデル構造の図である。
【図１３Ｂ】時間ｔ＝１．０ｎｓであるとき、Ｙ形態スピン波導波路上でスピン波の伝播を示す実施例の図である。
【図１３Ｃ】時間ｔ＝１．０ｎｓであるとき、Ｙ形態スピン波導波路の両側でスピン波の密着性を示す実施例の図である。
【図１３Ｄ】図１３Ａで示すＡ領域でスピン波の干渉紋を示す実施例の図である。
【図１３Ｅ】図１３Ｄで線Ｙ−Ｙ’上でのスピン波の干渉紋を示す実施例の図である。
【図１４Ａ】スピン波導波路の磁性体固有定数による分散関係変化結果を示す図である。
【図１４Ｂ】スピン波導波路に及ぶ有効磁場の大きさ及び方向による分散関係変化結果を示す図である。
【図１４Ｃ】スピン波導波路の幅による分散関係変化結果を示す図である。
【図１４Ｄ】スピン波導波路の厚さによる分散関係変化結果を示す図である。
【図１５Ａ】本発明の実施例によってスピン波導波路の局部的領域に有効磁場変化が発生した状態の図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに示した導波管を通るスピン波の伝播、導波管を過ぎないスピン波の伝播及び導波管を通るスピン波と過ぎないスピン波との伝播を比較するために同時に示す図である。
【図１６】本発明の実施例によってスピン波導波路に、導波管の形状変化でスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１７】本発明の実施例によってスピン波導波路に、他の磁性物質を接合してその界面との交換結合力によるスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１８Ａ】スピン波導波路に形成された磁区壁でスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の実施例によって導線に流れる電流によるエルステッドフィールドで磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１８Ｃ】本発明の実施例によって磁区壁導波路に流れる電流により磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１８Ｄ】本発明の実施例によって磁区壁導波路に強いスピン波を入射させて磁区壁をスピン波導波路に挿入及び除去して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図１９】本発明の実施例によってエルステッドフィールドをスピン波導波路の局部的領域に印加して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図２０】本発明の実施例によって磁区壁によるストレイフィールドをスピン波導波路の局部的領域に印加して、スピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図２１】本発明の実施例によってスピントルクを利用してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図２２】本発明の実施例によって弾性変形を利用してスピン波の位相を変化させる素子の核心部分を示す図である。
【図２３Ａ】スピン波を利用したＯＲゲートの概念図である。
【図２３Ｂ】スピン波を利用したＯＲゲートを具現するための本発明によるスピン波素子の実施例の図である。
【図２４】スピン波を利用したインバータの概念図である。
【図２５Ａ】本発明の実施例によってエルステッドフィールドによるスピン波の位相変化を利用したインバータゲートの実施例を示す図である。
【図２５Ｂ】エルステッドフィールドを利用したスピン波インバータゲートの駆動をシミュレーションするためのモデル構造の図である。
【図２５Ｃ】エルステッドフィールドの大きさ分布及び方向に対する結果を示す実施例の図である。
【図２５Ｄ】導線に加えられる電流大きさによってスピン波の位相が変わることを示す実施例の図である。
【図２５Ｅ】スピン波インバータゲートの出力信号が電流入力信号によってスピン波の干渉を調節してインバータゲート動作をする実施例の図である。
【図２５Ｆ】本発明の実施例によってエルステッドフィールドによるスピン波の位相変化を利用したインバータゲートの他の実施例を示す図である。
【図２６】スピン波を利用したＮＯＲゲートの概念図である。
【図２７】スピン波を利用したＸＮＯＲゲートの概念図である。
【図２８Ａ】スピン波を利用したＸＯＲゲートの第１概念図である。
【図２８Ｂ】スピン波を利用したＸＯＲゲートの第２概念図である。
【図２８Ｃ】スピン波を利用したＸＯＲゲートを具現するための本発明によるスピン波素子の実施例の図である。
【図２９】スピン波を利用したＮＡＮＤゲートの概念図である。
【図３０Ａ】スピン波を利用したＡＮＤゲートの第１概念図である。
【図３０Ｂ】スピン波を利用したＡＮＤゲートの第２概念図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２５Ｅ】
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【図２５Ｆ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【国際調査報告】
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