(57)【要約】【課題】情報の入力、および、演算が容易な磁性演算素子の提供。【解決手段】磁化容易軸を有する複数の磁性体の磁化の向きにより情報を演算する磁性演算素子１００において、磁性体の一つである第一磁性体１０１と、磁性体の一つであって、第一磁性体１０１の近傍に配置され、第一磁性体１０１の磁化方向に基づき磁化方向が決まる第二磁性体１０２と、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２の磁化方向を決定しない程度に第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２のエネルギー状態を活性化させる磁界である外部磁界を前記複数の磁性体に印加する外部磁界発生手段１２０と、第一磁性体１０１の磁化方向を決定する第一入力手段１２１と、第二磁性体１０２の磁化方向を検出する検出手段１２２とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化容易軸を有する複数の磁性体の磁化の向きにより情報を演算する磁性演算素子において、
前記磁性体の一つである第一磁性体と、
前記磁性体の一つであって、前記第一磁性体の近傍に配置され、前記第一磁性体の磁化方向に基づき磁化方向が決まる第二磁性体と、
前記第一磁性体、および、前記第二磁性体の磁化方向を決定しない程度に前記第一磁性体、および、前記第二磁性体のエネルギー状態を活性化させる磁界である外部磁界を前記複数の磁性体に印加する外部磁界発生手段と、
前記第一磁性体の磁化方向を決定する第一入力手段と、
前記第二磁性体の磁化方向を検出する検出手段と
を備える磁性演算素子。
【請求項２】
さらに、
前記磁性体の一つである第三磁性体と、
前記第三磁性体の磁化方向を決定する第二入力手段と、
前記磁性体の一つである第四磁性体と、
前記第四磁性体の磁化方向を決定する第三入力手段とを備え、
前記第二磁性体は、前記第一磁性体の磁化方向と、前記第三磁性体の磁化方向と、前記第四磁性体の磁化方向との関係に基づき磁化方向が決まる
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項３】
前記第一磁性体の磁化容易軸と前記第二磁性体の磁化容易軸と前記第三磁性体の磁化容易軸とは平行であり、
前記第二磁性体の磁化容易軸と前記第四磁性体の磁化容易軸とは同一軸線上に乗る
請求項２に記載の磁性演算素子。
【請求項４】
前記第一磁性体が、
形状磁気異方性により一つの磁化容易軸をもち、
前記第一磁性体の磁化容易軸上の磁化の向きが双安定動作をする
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項５】
前記第一磁性体の磁化容易軸と垂直に交差する方向から見る形状は、楕円形、または、長円形、長方形、角が丸められた長方形であり、
前記第一磁性体の前記形状を構成する部分の磁化容易軸に対応する部分の長さ（「長さ」と記す場合がある）と前記第一磁性体の前記形状を構成する部分の前記磁化容易軸と垂直に交差する軸に対応する部分の長さ（「幅」と記す場合がある）との比が１.１:１から４:１までの範囲内であり、
前記第一磁性体の長さが２００ｎｍ以下、
長さと幅とのいずれにも垂直に交差する軸に対応する部分の長さ（「厚み」と記す場合がある）が３０ｎｍ以下である
請求項４に記載の磁性演算素子。
【請求項６】
前記第一磁性体と前記第二磁性体とは１００ｎｍ以下の隙間を隔てて（接触状態も含む）配置される
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項７】
前記外部磁界発生手段が発生させる磁界の強さは、前記第二磁性体の近傍において前記第二磁性体の保磁力より弱く、第二磁性体の演算結果である準安定状態への励起エネルギー以上のエネルギーを与えることのできる強さより強い
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項８】
前記第一入力手段は、前記第一磁性体の近傍（接触状態も含む）に配置され、前記第一磁性体と対向する部分から局所的な磁界を発生させる第一入力素子を備える
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項９】
前記第一入力手段は、第一磁性体に注入する電子のスピンの方向を制御することにより第一磁性体の磁化方向を決定するスピン注入型磁化反転素子である
請求項１に記載の磁性演算素子。
【請求項１０】
前記第一入力手段は、
電子のスピン方向を決定する磁化の向きが固定された固定磁性体と、
前記固定磁性体から発生する磁界をキャンセルする浮遊磁界補償用磁性体とを備える
請求項９に記載の磁性演算素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は磁性体間の磁気的な相互作用を利用した演算素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に現在のコンピュータは、半導体により電気的に、つまり電流により演算が行われている。しかし、半導体や導体から構成される半導体演算素子の集積度およびクロック周波数が増加するに従い、リーク電流による発熱量が大きくなり、半導体演算素子の集積度および性能を向上させることが困難になりつつある。
【０００３】
半導体演算素子は、ゲートからリーク電流が発生してしまうため、本質的に発熱が伴うものである。従って、現在のコンピュータでは半導体演算素子から発生する熱をコンピュータから排出し、コンピュータ自体を所定の温度以下に維持するための装置が別途必要になる。以上から、より高性能な演算が可能なコンピュータを得るためには、コンピュータの冷却性能を向上させるか、演算に伴う発熱が本質的に生じない演算素子を開発する必要がある。
【０００４】
本願発明者等は、演算に伴う発熱が発生しない（発生しにくい）演算素子である磁性体を用いた演算素子について鋭意研究を重ねた結果、磁性体間の磁気的な相互作用を利用することにより、磁性体による演算が可能であることを見いだした。
【０００５】
この磁性体間の磁気的な相互作用を利用した演算素子については、特許文献１に開示されており、また、非特許文献１には、磁性体間の磁気的な相互作用を利用した演算素子により演算可能であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８０８９２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Journal of Magnetism and Magnetic Materials、２８２巻、３８０−３８４ページ（２００４年）
【非特許文献２】Science、３１１巻、２０５−２０８ページ（２００６年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記特許文献１や非特許文献１では、磁性体間の磁気的な相互作用を利用した演算が可能であることを示したのみであり、演算素子に情報を入力する方法は記載されておらず、演算結果の出力についても記載されていない。
【０００９】
また非特許文献２には、磁性体に隣接して新たな磁性体を形成し、外部磁界により、演算の可能性が示唆されている。しかし、記載されている演算素子は、その磁性体配置により決定された演算結果を準安定状態としてとりうることを示したのみで演算を行うことはできない。
【００１０】
本願発明は上記課題に鑑みなされたものであり、磁性体に磁気的な情報を任意に入力することができ、また、情報が入力された磁性体に基づき他の磁性体の磁気的な情報を変更することができる磁性演算素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本願発明にかかる磁性演算素子は、磁化容易軸を有する複数の磁性体の磁化の向きにより情報を演算する磁性演算素子において、前記磁性体の一つである第一磁性体と、前記磁性体の一つであって、前記第一磁性体の近傍に配置され、前記第一磁性体の磁化方向に基づき磁化方向が決まる第二磁性体と、前記第一磁性体、および、前記第二磁性体の磁化方向を決定しない程度に前記第一磁性体、および、前記第二磁性体のエネルギー状態を活性化させ、演算結果である準安定状態へと遷移させる磁界である外部磁界を前記複数の磁性体に印加する外部磁界発生手段と、前記第一磁性体の磁化方向を決定する第一入力手段と、前記第二磁性体の磁化方向を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
これにより、第一磁性体は、外部磁界発生手段により発生した外部磁界によりエネルギー状態が活性化する。そして、第一入力手段により磁化方向が決定する。つまり、第一磁性体は、容易に情報が磁気的に入力される。さらに、第二磁性体も同様に外部磁界によりエネルギー状態が活性化しているため、第一磁性体の磁化方向に容易に影響されて磁化方向が決定する。
【００１３】
また、第一磁性体は外部磁界によりエネルギーが活性化しているため、第一入力手段から僅かなエネルギーを入力するだけでも、磁気的な情報を入力することができる。これにより、第一入力手段から発生するエネルギーが第一磁性体以外に及ぼす影響を抑制することが可能となる。
【００１４】
さらに、前記磁性体の一つである第三磁性体と、前記第三磁性体の磁化方向を決定する第二入力手段とを備え、前記第二磁性体は、前記第一磁性体の磁化方向と前記第三磁性体の磁化方向との関係に基づき磁化方向が決まるものとしてもよい。
【００１５】
これにより、第一磁性体に入力される情報と第三磁性体に入力される情報との関係により第二磁性体の磁化方向が決まるため、複雑な演算を行うことが可能となる。
【００１６】
さらに、前記磁性体の一つである第四磁性体と、前記第四磁性体の磁化方向を決定する第三入力手段とを備え、前記第二磁性体は、前記第一磁性体の磁化方向と、前記第三磁性体の磁化方向と、前記第四磁性体の磁化方向との関係に基づき磁化方向が決まるものとしてもよい。
【００１７】
これにより、第四磁性体に入力される情報により、第二磁性体に現れる結果（磁化方向）をＮＯＲ論理演算の結果としたり、ＮＡＮＤ論理演算の結果とすることができ、より複雑な演算を行うことが可能となる。
【００１８】
また、前記第一磁性体が、形状磁気異方性により一つの磁化容易軸をもち、前記第一磁性体の磁化容易軸上の磁化の向きが双安定動作をすることが好ましい。
【００１９】
これにより、第一磁性体は、磁化方向として磁化容易軸上の一方と他方の２方向を安定的に採ることができる。例えば、前記一方を０とし、他方を１と考えれば、第一磁性体はデジタル情報を保有することが可能となる。
【００２０】
なお、当該発明を第二磁性体や第三磁性体、第四磁性体に採用することで同様の作用効果を得ることが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
本願発明により、磁性体間の相互作用により演算を行う演算素子において、容易に磁性体に情報を入力し、演算することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本願発明の実施の形態に係る磁性演算素子の一部を模式的に示す平面図である。
【図２】本願発明の実施の形態に係る磁性演算素子の一部を模式的に示す側面図である。
【図３】磁性演算素子を模式的に示す平面図である。
【図４】磁性演算素子を模式的に示す側面図である。
【図５】入力手段を示す側面図である。
【図６】入力手段の他の態様を示す側面図である。
【図７】他の入力手段を示す側面図である。
【図８】検出手段を示す側面図である。
【図９】ＮＯＲおよびＮＡＮＤの演算例を示す図である。
【図１０】磁性演算素子およびそれを用いた演算装置のブロック回路図である。
【図１１】磁性体に情報を入力する場合を模式的に示す図である。
【図１２】第二磁性体の磁化方向を検出する装置、および、検出結果の状態を示す図である。
【図１３】演算状態を示す表である。
【図１４】他の実施の形態に係る磁性演算素子を示す図である。
【図１５】他の実施形態に係る磁性演算素子およびそれを用いた演算装置のブロック回路図である。
【図１６】情報の入力状態を示す図である。
【図１７】情報の検出状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本願発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本願発明の実施の形態に係る磁性演算素子の一部を模式的に示す平面図である。なお、図面は、発明を説明するために部分を省略して示したり、縦横比等を現実の比と違えて示す場合がある。
【００２５】
同図に示すように磁性演算素子１００は、磁化容易軸を有する複数の磁性体の磁化の向きにより情報を演算する演算素子であって、磁性体の一つである第一磁性体１０１と、磁性体の一つである第二磁性体１０２と、磁性体の一つである第三磁性体１０３と、磁性体の一つである第四磁性体１０４と、外部磁界発生手段１２０とを基板１１０の上に備えている。
【００２６】
第一磁性体１０１は、磁化容易軸Ａ１を有する磁性体であり、磁性演算素子１００においては入力磁性体として機能する。本実施の形態の場合、第一磁性体１０１は、Ｎｉ-Ｆｅ系合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｏ系合金、Ｃｏ-Ｆｅ系合金の少なくとも一つを成分として備えている。ここで、第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１は、第一磁性体１０１の形状磁気異方性により発生する仮想的な軸（方向）であり、第一磁性体１０１は、同図に示すＹ方向に１本磁化容易軸Ａ１を備えている。また、第一磁性体１０１は、磁化容易軸Ａ１上において磁化の向きが双安定動作をする。すなわち、安定状態において、第一磁性体１０１の磁化の向きが、同図中上向き（Ｙ軸の正の方向）、または同図中下向き（Ｙ軸の負の方向）にのみ磁化方向をとり、他の方向（たとえば同図中のＸ軸の正の方向）にはとらない。
【００２７】
また第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１と垂直に交差する方向（同図の紙面に対し垂直方向）から見る形状が磁化容易軸Ａ１に沿って細長い形であれば、磁化容易軸Ａ１上において磁化の向きが双安定動作をする。具体的に第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１と垂直に交差する方向（同図の紙面に対し垂直方向）から見る形状は、楕円形、または、長円形、長方形、角が丸められた長方形、円を二つわずかに重ねた形が好ましい。これらは製造が容易で、集積化が図りやすい為である。また円を二つわずかに重ねた形状では、その形状磁気異方性から双安定動作を向上させることができる。なお、本願発明においては、第一磁性体１０１が双安定動作をすれば良く、上記第一磁性体１０１の形状は、例示に過ぎない。
【００２８】
さらに具体的には、第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１に対応する部分の長さである長さＬと磁化容易軸Ａ１と垂直に交差する軸に対応する部分の長さである幅Ｗとの比が１.１:１から４:１までの範囲内であることが好ましい。幅Ｗに対する長さＬの比が１．１未満であると、形状磁気異方性の発現が乏しく演算ができない可能性が高まるからであり、幅Ｗに対する長さＬの比が４よりも大きいと、第一磁性体１０１から発生し、第二磁性体に作用する磁界の十分な強さを確保することが困難となるからである。また、具体的な数値としては、第一磁性体１０１の長さＬは２００ｎｍ以下が好ましい。２００ｎｍよりも長くなると、磁性演算素子１００を集積化する場合に不利となり、また、情報を入力して磁化方向を決定するためなどのエネルギーが多く必要となって無駄となるからである。一方、第一磁性体１０１の厚みＴ（図２参照、Ｚ軸方向）は３０ｎｍ以下が好ましい。厚みＴが３０ｎｍよりも厚くなると、第一磁性体１０１の磁化の向きの安定性が悪くなり、演算に不向きとなるためである。従って、本実施の形態の場合、第一磁性体１０１は、楕円形の面を備えた薄膜とみなせる。
【００２９】
磁性演算素子１００が備える第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４は、本実施の形態の場合、第一磁性体１０１と同様の形状であり、材質も同様である。
【００３０】
また、第一磁性体１０１が設けられている基板１１０の面と同じ面に、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４が設けられている。第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１と第二磁性体１０２の磁化容易軸Ａ２と第三磁性体１０３の磁化容易軸Ａ３とが平行となるように、第二磁性体１０２と第三磁性体１０３と第四磁性体１０４とは基板１１０上に配置されている。また、第二磁性体１０２の磁化容易軸Ａ２と第四磁性体１０４の磁化容易軸Ａ４とが同一軸線上に乗るように第二磁性体１０２と第四磁性体１０４とは基板１１０上に配置されている。
【００３１】
第一磁性体１０１と第二磁性体１０２とは、接触した状態で配置されても良く、また、所定の距離を隔てて配置されても良い。ただし、第一磁性体１０１と第二磁性体１０２との間隔Ｄは１００ｎｍ以下が好ましい。間隔Ｄが１００ｎｍよりも大きいと第一磁性体１０１が発生する磁界によって第二磁性体１０２に影響を及ぼすことが困難となるためである。なお、第二磁性体１０２と第三磁性体１０３との関係も上記と同様であり、第二磁性体１０２と第四磁性体１０４との関係も上記と同様である。
【００３２】
なお、第二磁性体１０２は、第一磁性体１０１の磁化方向と、第三磁性体１０３の磁化方向と、第四磁性体１０４の磁化方向との関係に基づき磁化方向が決まるものとなっている。つまり、第二磁性体１０２の磁化方向は、第一磁性体１０１によって発生する磁界と、第三磁性体１０３によって発生する磁界と、第四磁性体１０４によって発生する磁界とが重畳的に作用して決定されることになる。
【００３３】
外部磁界発生手段１２０は、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２の近傍に磁界を発生させる装置であり、本実施の形態では、第三磁性体１０３、および、第四磁性体１０４の近傍にも磁界を発生させている。外部磁界発生手段１２０が発生させる磁界の強さは、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４の磁化方向を決定しない程度であって、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４のエネルギー状態を活性化させることのできる強さである。また、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４に外部から印加される磁界などとの重畳的な作用により、第一磁性体１０１、および、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４を演算結果である準安定状態へと遷移させる程度の強度である。
【００３４】
本実施の形態の場合、外部磁界発生手段１２０は、磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）を挟んで配置され、開口部が対向するソレノイドの組みで構成されており、磁性体に対し均一に磁界が発生する構成が採用されている  外部磁界発生手段１２０が発生させる磁界の具体的な強さは、第二磁性体１０２の磁化容易軸と平行な軸でかつ第二磁性体の近傍にある軸（図１中の白抜き矢印、図２中の丸の中にバツ印の位置）において１８０ Oe以上、２２０ Oe以下であることが好ましい。磁界の強さが１８０ Oe未満であると第二磁性体１０２のエネルギー状態を有効に活性化することが困難となる。一方、磁界の強さが２２０ Oeよりも強くなると、外部磁界により磁性体の磁化の方向が決定される可能性が高くなるからである。
【００３５】
なお、外部磁界発生手段１２０が発生させる磁界の強さは、第二磁性体１０２の磁化容易軸と垂直に交差する軸と平行な軸でかつ第二磁性体の近傍にある軸において９０度傾いた方向（図１、図２中の斜線の矢印の方向）に対して４００ Oe以上としてもかまわない。特に、これらの数値範囲は、磁性体の材質が、Ｎｉ-Ｆｅ系合金、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｏ系合金、Ｃｏ-Ｆｅ系合金の場合に有効に適用される。なお、図中の矢印と磁界の方向とに関係性は無い。
【００３６】
また、外部磁界発生手段１２０が発生させる磁界の強さは、第二磁性体１０２の近傍において第二磁性体１０２の保磁力より弱く、第二磁性体１０２の演算結果である準安定状態への励起エネルギー以上のエネルギーを与えることのできる強さより強い範囲である必要がある。これは第二磁性体１０２の保磁力より外部磁界が強ければ、第二磁性体１０２の磁化方向が外部磁界により決定されるからであり、外部磁界により第二磁性体１０２を準安定状態に励起できない強さであれば、第一磁性体１０１や第三磁性体１０３、第四磁性体１０４から発生する磁界によって磁化方向を決定できない為である。この外部磁界の強さと第二磁性体１０２の性質との関係は、外部磁界の強さと他の磁性体（第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４）の性質との間においても同様の関係となる。
【００３７】
図３は、磁性演算素子を模式的に示す平面図である。
【００３８】
図４は、磁性演算素子を模式的に示す側面図である。
【００３９】
これらの図に示すように、磁性演算素子１００は、さらに、第一入力手段１２１と、第二入力手段１２３と、第三入力手段１２４と、検出手段１２２とを備えている。
【００４０】
第一入力手段１２１は、第一磁性体１０１の磁化方向を決定する装置である。本実施の形態の場合、第一入力手段１２１は、第一入力素子１４１と、移動手段（図示せず）とを備えている。
【００４１】
第一入力素子１４１は、第一磁性体１０１の近傍（接触状態も含む）に配置され、第一磁性体１０１と対向する部分から局所的な磁界を発生させる部材である。第一入力素子１４１は、円柱部の先端に円錐部が接合された棒形状または針形状であって、第一磁性体１０１と対向する先端の曲率半径は、第一磁性体１０１と第二磁性体１０２との距離の半分以下である。第一入力素子１４１の先端形状をこのようにすることで、第一入力素子１４１の先端から発生させた局所的な磁界を第一入力素子１４１にのみ作用させることが可能となる。
【００４２】
第一入力素子１４１の第一磁性体１０１と対向する部分（本実施の形態の場合、鋭利な先端部）から局所的に発生する磁界の強さは３００ Oe以上であることが好ましい。磁界の強さは３００ Oe未満の場合、外部磁界と重畳的に作用させても、第一磁性体１０１の磁化方向を決定し難くなるからである。なお、磁界の強さは、近傍に配置される他の磁性体の磁化方向の決定に影響を及ぼさない強さが上限である。
【００４３】
第一入力素子１４１は、永久磁石を備えている。本実施の形態の場合、第一入力素子１４１は、第一入力素子１４１を形成する基材の表面に永久磁石がコーティングされたものとなっている。
【００４４】
移動手段は、第一入力素子１４１を第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１に沿って移動させる装置であり、例えばマイクロマシンを例示することができる。本実施の形態の場合、移動手段は、第一入力素子１４１が先端部に取り付けられているレバー１２６を磁化容易軸Ａ１に沿って移動させるものである。
【００４５】
本実施の形態の場合、第二入力手段１２３、第三入力手段１２４はともに上記第一入力手段と同じ構成となっている。
【００４６】
なお、第一入力手段１２１は上記に限定されるものではない。
【００４７】
例えば、図６に示すように、第一入力素子１４１の上方近傍に、第一入力素子１４１から局所的に発生させる磁界を発生させ、当該磁界の向きを変更することのできる入力磁界発生手段１２５を備えてもかまわない。この場合、第一入力素子１４１は、入力磁界発生手段１２５により発生する磁界を伝搬させ収束させる機能を有しておればよく、第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１のいずれか偏った位置の近傍に配置されればよい。この第一入力手段１２１は、第一磁性体１０１へ作用させる磁界の方向を変更するだけで（磁界を作用させる位置は変更することなく）第一磁性体１０１の磁化方向を決定することが可能となる。従ってこの第一入力手段１２１は、移動手段を備える必要が無い。
【００４８】
また、第一入力手段１２１は、第一磁性体１０１に注入する電子のスピンの方向を制御することにより第一磁性体１０１の磁化方向を決定するスピン注入型磁化反転素子であっても良い。スピン注入型磁化反転素子とは、図７に示すように、第一磁性体１０１に対し層状に配置される素子であり、第一磁性体１０１の一方の面に配置される非磁性体１３２と、磁化方向が固定される固定磁性体１３３と、固定磁性体１３３の磁化の向きを固定するための反強磁性体１３４と、電流を流すための電極１３１とを備えている。このスピン注入型磁化反転素子とは、電極１３１間に電流を流すと、固定磁性体１３３により流れる電流を構成する電子のスピンの方向が制御され、スピンの方向が制御された電子が第一磁性体１０１を通過することで、第一磁性体１０１の磁化方向を決定するものである。そして、電流の流れる方向を変えることで第一磁性体１０１の磁化方向を変更することができるものである。特にスピン注入型磁化反転素子を磁性演算素子に適用する場合、第一入力手段１２１は、固定磁性体１３３から発生する磁界を少なくとも第一磁性体１０１近傍においてキャンセルすることのできる浮遊磁界補償用磁性体を備えることが好ましい。
【００４９】
なお、第二入力手段１２３、第三入力手段１２４は、上記いずれかの構成とすれば良く、第一入力手段１２１と第二入力手段１２３と第三入力手段１２４とを同じ構成としても、異なる構成としても良い。
【００５０】
検出手段１２２は、第二磁性体の磁化方向を検出する装置である。本実施の形態の場合、検出手段１２２は、図８に示すように、第一入力手段１２１と類似した形状であり、磁性体を備える棒状の出力素子１２９であって、第二磁性体１０２の近傍であって先端が第二磁性体１０２の磁化容易軸Ａ２のいずれか一方に配置される出力素子１２９と、出力素子１２９から伝搬した磁界の方向を検出する検出素子１２８とを備えている。これにより演算結果である第二磁性体１０２の磁化方向を検出することが可能となる。
【００５１】
なお、検出手段１２２は、磁気抵抗効果素子を備えるものでもかまわない。
【００５２】
（実施例１）
次に磁性演算素子１００の実施例を説明する。
【００５３】
本実施例１に係る磁性演算素子１００は、図１に示すように、４つの楕円形の演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）を備えている。これらの演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）は、半導体プロセスでも用いられている蒸着やスパッターなどの方法を用いて熱酸化シリコン製の基板１１０上に設けられたものである。磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）の具体的形状は、長さＬが１３０ｎｍ、幅Ｗが８０ｎｍ、厚みＴが３０ｎｍである。また、隣接する磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）の間隔Ｄは、５０ｎｍで配置されている。磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）を構成する材料は、Ｎｉ-２０at%Ｆｅ合金が採用されている。また、第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４の近傍には、第一入力手段１２１、第二入力手段１２３、第三入力手段１２４が配置されている。また、入力手段と同形状の検出手段１２２は、第二磁性体１０２の近傍に配置されている。
【００５４】
図１において、演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）は形状磁気異方性によりＹ軸と平行に磁化容易軸をもつ。磁化の向きが「＋Ｙ方向」または「−Ｙ方向」であった場合をそれぞれ、デジタル情報の「０」と「１」に対応させる。第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４は情報入力素子として機能し、第二磁性体１０２は、情報出力素子として機能する。外部磁界発生手段１２０は、「＋Ｘ方向」へクロックとなる外部磁界を印加する。これにより、第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４の磁化の向きに対応して、第二磁性体１０２に演算結果が出力される。この時、隣接する磁性体間には、静磁気的な相互作用が働き、そのため、各磁性体の磁化の向きは、相互作用の働く条件下で、最もエネルギーの低い状態になる。
【００５５】
図９は、ＮＯＲおよびＮＡＮＤの演算例を示している。同図に示すように、第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４への情報入力は８種類存在し、それぞれに対して、第二磁性体１０２の磁化の向きとして、演算結果が出力される。第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４の入力に対する第二磁性体１０２の挙動は、第四磁性体１０４に「０」を入力した場合ＮＯＲ論理演算に、また「１」を入力した場合ＮＡＮＤ論理演算となる。図９の（ａ）から（ｄ）はそれぞれ０  ＮＯＲ  ０  ＝  １、０  ＮＯＲ  １  ＝  ０、１  ＮＯＲ  ０  ＝  ０、１  ＮＯＲ  １  ＝  ０の演算例を、図９の（ｅ）から（ｈ）はそれぞれ０  ＮＡＮＤ  ０  ＝  １、０  ＮＡＮＤ  １  ＝  １、１  ＮＡＮＤ  ０  ＝  １、１  ＮＡＮＤ  １  ＝  ０の演算例を示している。
【００５６】
図１０は、磁性演算素子およびそれを用いた演算装置のブロック回路図である。
【００５７】
磁性演算素子１００の演算装置として磁気力顕微鏡法を利用したものである。磁性演算素子１００の取り付けられた基台１３５はＸ、Ｙ、Ｚ方向へ駆動可能な走査ステージ３０１へ固定され、磁性演算素子１００の長さＬ方向には、マグネット制御器３１０によって制御されるマグネット３０２ａおよび３０２ｂが取り付けられている。この場合、マグネット制御器３１０が外部磁界発生手段１２０として機能する。垂直方向制御器３０３および水平方向制御器３０４を用いることで、磁性探針４０６に対して任意の位置へ磁性演算素子１００を移動することが可能である。磁性探針４０６は「＋Ｚ方向」へ磁化されており、磁性探針４０６の取り付けられたカンチレバー４０７はその根元を、励振素子３０５によって一定の励振振幅および、自由状態での共振周波数で励振している。カンチレバー４０７の変位は、変位検出計３０６によって電気信号へと変換される。演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）と磁性探針４０６との間に働く磁気的相互作用力は、カンチレバー４０７の振動変化から検出される。第一磁性体１０１から１０４と磁性探針４０６との間に引力相互作用が働いた場合、カンチレバーの位相は自由状態の位相と比較して低くなる。一方、斥力相互作用が働いた場合は、カンチレバーの位相は自由状態の位相と比較して高くなる。したがって、変位検出計３０６の出力を、位相検出回路３０７を用いて位相信号へと変換することで、演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）と磁性探針４０６との間に働く磁気的相互作用力を測定することができる。
【００５８】
入力要求ＱＩへ「１」が入力された場合、情報入力制御器３０８は磁性演算素子１００と磁性探針４０６の相対位置を制御することで、入力信号Ｉ１０１からＩ１０３の情報をそれぞれ第一磁性体１０１、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４へ情報を書き込む。この場合、磁性探針４０６、および、関連装置が、第一入力手段１２１、第二入力手段１２３、第三入力手段１２４として機能する。また、出力要求ＱＯへ「１」が入力された場合、情報出力制御器３０９はまず、第二磁性体１０２に対し「０」を入力し、マグネット制御器３１０によって「−Ｙ方向」へクロックとなる外部磁界を印加することで演算を実行する。その後、磁性演算素子１００と磁性探針４０６の相対位置を制御し、その際取得した位相信号から演算用の第二磁性体１０２の磁化の向きを「０」または「１」で出力する。
【００５９】
図１１は、磁性体に情報を入力する場合を模式的に示す図である。
【００６０】
同図に示すように、第一磁性体１０１に対する情報入力手法の例を示す。図１１の（ａ）に示すように「０」の磁化の向きを取る第一磁性体１０１に対して「１」を書き込むには、図１１（ｂ）に示すように、第一入力手段１２１として機能する磁性探針４０６の先端を第一磁性体１０１の磁化容易軸Ａ１の「−Ｙ側」へ接近させる。その結果、第一磁性体１０１の磁化の向き、磁性探針４０６の局所からの漏えい磁界４０１の影響によって磁化の向きが反転し、「１」の磁化の向きへと遷移する。一方、図１１（ｃ）に示すように、「１」の磁化の向きをとる第一磁性体１０１に対して「０」を書き込むには、図１１（ｄ）に示すように、磁性探針４０６の先端を第二磁性体１０２の磁化容易軸であるＹ軸の「＋Ｙ側」へ接近させる。その結果、第一磁性体１０１は磁性探針４０６からの漏えい磁界４０１の影響によって磁化の向きが反転し、「０」を示す向きとなる。このように、磁性探針４０６を使用することで第一磁性体１０１に対して任意の「０」もしくは「１」の組み合わせを入力することができる。第三磁性体１０３、および、第四磁性体１０４に対しても同様の方法で磁化方向を決定することがきる。
【００６１】
図１２は、第二磁性体の磁化方向を検出する装置、および、検出結果の状態を示す図である。
【００６２】
はじめに、第二磁性体１０２に対して、磁性探針４０６を、第二磁性体１０２の磁化の向きを反転させない高さで、楕円形の中心の直上を通過するようにＹ軸に沿って「−Ｙ側」から「＋Ｙ側」へ向け走査する。その際、図１２の（ａ）に示すように第二磁性体１０２が＋「Ｙ方向」へ磁化していた場合、第二磁性体１０２からの漏えい磁界５０１によって、「−Ｙ側」では斥力が、「＋Ｙ側」では引力が働く。したがって得られる位相信号は図１２の（ｂ）に示すように「−Ｙ側」ではプラスに（５０２ａ）、「＋Ｙ側」ではマイナスに（５０３ａ）二つのピークをもつ波形となる。一方、図１２の（ｃ）に示すように第二磁性体１０２が「＋Ｙ方向」へ磁化していた場合、第二磁性体１０２からの漏えい磁界５０１によって、「−Ｙ側」では引力が、「＋Ｙ側」では斥力が働く。したがって得られる位相信号は図１２の（ｄ）に示すように「−Ｙ側」ではマイナスに（５０２ｂ）、「＋Ｙ側」ではプラスに（５０３ｂ）二つのピークをもつ波形となる。得られた波形の二つめのピーク位置がマイナス（５０２ａ）、もしくはプラス（５０３ａ）であった場合、第二磁性体１０２の磁化の向きは「０」もしくは「１」となる。なお、得られた位相信号から直接「０」もしくは「１」を決定したが、ノイズの大きい場合などは、得られた位相信号を「＋Ｙ軸方向」へ積分し、その平均値がプラスもしくはマイナスであることから「０」、「１」を識別してもよい。また、ノイズの少ない場合は、第二磁性体１０２の特定の座標点のみのデータから「０」、「１」を識別してもよい。
【００６３】
図１３は、演算状態を示す表である。
【００６４】
同図に入力信号Ｉ１０１からＩ１０３に対する出力Ｏ１０４の結果を示す。入力Ｉ１０２およびＩ１０３に対して、Ｉ１０１が「０」の場合ＮＯＲの、「１」の場合ＮＡＮＤの演算結果を得ることができた。
【００６５】
なお、上記においては磁化方向の検出に位相変調方式を用いたが、振幅変調方式、周波数変調方式等、原子間力顕微鏡で用いられている他の相互作用力検出方式を用いてもよい。また、変位検出系には光てこ方式を用いたが、光干渉方式、水晶振動子等を用いてもよい。また、この記載は、上記検出手段１２２の適用を妨げるものではない。
【００６６】
また、磁性体の材料として、Ｎｉ-２０at%Ｆｅ合金を用いたが、他の磁性材料を使用することもできる。しかし、磁性演算素子１００においては、低い磁界で磁化の向きが反転することが好ましく、その観点からＮｉ-Ｆｅ-Ｃｏ合金、Ｃｏ-Ｆｅ合金が好ましい。また、磁性体の厚さを３０ｎｍとしたが、隣接する磁性体との磁気的な相互作用が十分に得られれば、厚さを変えても、問題はない。また、磁性体の大きさ、間隔についても、隣接する磁性体との交換結合が十分に得られれば、変化させても本発明の効果は失われない。
【００６７】
また、磁性体近傍における磁界を発生させる素子として、磁性探針を用いたが、第一入力手段１２１等は、磁界を発生させる素子であれば、微小なコイルなどの他の素子を使用することができる。しかし、演算結果を実験的に検出するという観点からは、磁性探針の使用が好ましい。また、検出手段１２２として、微小なコイルを用いることもできる。
【００６８】
（実施例２）
図１４は、他の実施の形態に係る磁性演算素子を示す図である。
【００６９】
本実施形態における磁性演算素子１００は、楕円形をした演算用の第一磁性体１０１、非磁性体１３２、磁化の向きを固定した固定磁性体１３３、固定磁性体１３３の磁化の向きを固定するための反強磁性体１３４および、電流を流すための電極１３１の楕円形状の多層膜を一つの要素としている。また、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４も、同じ多層膜構造が採用されており、合計４つの要素６０７から６１０で構成される。演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）は形状磁気異方性により「Ｙ方向」に磁化容易方向をもつ。磁化の向きが「＋Ｙ方向」または「−Ｙ方向」であった場合をそれぞれ、デジタル情報の「０」と「１」に対応させる。また、固定磁性体１３３の磁化の向きは、演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）が「１」の状態をとる向き、すなわち「−Ｙ方向」に固定されている。これらの要素６０７から６１０は、半導体プロセスを用いて、熱酸化シリコン製の基板１１０上に、長さＬが１３０ｎｍ、幅Ｗが８０ｎｍ、間隔Ｄが５０ｎｍの間隔で配置されている。
【００７０】
浮遊磁界補償用磁性体６１５は、固定磁性体１３３が発生させる磁界であって、第一磁性体１０１近傍に存在する磁界を打ち消すことのできる磁界を発生させる部材であり、本実施の形態の場合、第一磁性体１０１の側方であって磁化容易軸Ａ１と軸が一致するように配置されている。また、第二磁性体１０２、第三磁性体１０３、第四磁性体１０４の側方にもそれぞれ浮遊磁界補償用磁性体６１６〜６１８が配置されている。
【００７１】
演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）の材料は、Ｎｉ-２０at%Ｆｅ、非磁性体１３２の材料は、Ｃｕ、磁化の向きを固定した固定磁性体１３３の材料は、Ｎｉ-２０at%Ｆｅである。また、演算用の磁性体（第一磁性体１０１〜第四磁性体１０４）の厚みＴは１０ｎｍ、非磁性体１３２の厚みＴは６ｎｍ、磁化の向きを固定した固定磁性体１３３の厚みＴは、５ｎｍである。また、固定磁性体１３３の磁化の向きを固定するために、厚さ１０ｎｍのＭｎ-２２at%Ｉｒからなる反強磁性体１３４を固定磁性体１３３の上に積層した。また、要素６０７から６１０のそれぞれへ電流を印加するための外部電極６１１から６１５を接続した。
【００７２】
図１５は、他の実施形態に係る磁性演算素子およびそれを用いた演算装置のブロック回路図である。
【００７３】
同図に示すように、デジタル情報の入力にスピン分極磁化反転を、デジタル情報の読み出しに磁気抵抗効果を利用したものである。磁性演算素子１００の長さＬの方向には、外部磁界発生手段１２０としてのマグネット制御器７０３によって制御されるマグネット７０４ａおよび７０４ｂが取り付けられている。また、磁性演算素子１００の外部電極６１１から６１３は、一定の電流密度の電流を発生することのできる情報書き込み装置７０１へ接続されている。この情報書き込み装置７０１は、書き込み入力要求ＱＩへ「１」が入力された場合、一定の電流を入力信号Ｉ１０１からＩ１０３に合わせた特定の方向に流すことで、要素６０７から６０９へそれぞれ情報を入力する。また、出力要求ＱＯへ「１」が入力された場合、情報出力制御器７０２はまず、要素６１０における第二磁性体１０２に対し「０」を入力し、マグネット制御器７０３によって「−Ｙ方向」へクロックとなる外部磁界を印加することで演算を実行する。その後、要素６１０へ微弱な電流を流し、その際印加した電圧から算出した抵抗値から要素６１０における第二磁性体１０２の磁化の向きを検出する。
【００７４】
図１６の（ａ）に示すように、「０」の状態をとる第一磁性体１０１に対して「１」を書き込むには、第一磁性体１０１の磁化の向きを反転できるだけの電流密度をもった電流８０１を「＋Ｚ方向」へ向かって流す。電子は、磁化の向きが固定された固定磁性体１３３を通過することでスピン分極する。そして、スピン分極した電子が第一磁性体１０１を通過することにより、第一磁性体１０１の磁化に作用するトルクが発生する。このトルクによって第一磁性体１０１の磁化の向きが「０」から「１」へと反転し、第一磁性体１０１は図１６の（ｂ）に示す「１」に対応する磁化の向きとなる。
【００７５】
図１６の（ｃ）に示すように、「１」の状態を取る第一磁性体１０１に対して「０」を書き込むには、第一磁性体１０１の磁化の向きを反転することができるだけの電流密度をもった電流８０１を「−Ｚ方向」へ向かって流す。その際、磁化の向きが固定された固定磁性体１３３によって弾かれた電子が、第一磁性体１０１の磁化に作用するトルクが発生する。このトルクによって第一磁性体１０１の磁化の向きが「１」から「０」へと反転し、第一磁性体１０１は図８の（ｄ）に示す「０」に対応する磁化の向きとなる。
【００７６】
このように印加する電流の向きを「＋Ｚ方向」もしくは「−Ｚ方向」にすることで、第一磁性体１０１に対して「１」もしくは「０」のデジタル情報を書き込むことが可能となる。
【００７７】
以上の入力態様は、第三磁性体１０３に対しても、第四磁性体１０４に対しても同様である。
【００７８】
図１７は、第二磁性体の磁化の向きを読み取る方法を示す図である。
【００７９】
第二磁性体１０２の磁化の向きを読み取るには、第二磁性体１０２の磁化の向きが反転しない程度の微弱な電流９０１を「＋Ｚ方向」に向かって流す。図１７の（ａ）に示すように、第二磁性体１０２が「１」の状態を表す磁化の向きを取っていた場合、第二磁性体１０２および固定磁性体１３３の磁化の向きは並行となり、電極１３１間の電気抵抗値は、第二磁性体１０２が「０」の磁化状態の場合と比較して低い値を示す。一方、第二磁性体１０２が「０」の状態を示す磁化の向きを取っていた場合、第二磁性体１０２および固定磁性体１３３の磁化の向きは反平行となり、電極１３１間の電気抵抗値は、第二磁性体１０２が「１」の磁化状態の場合と比較して高い値を示す。したがって、電極１３１間の電気抵抗値の値を読み取ることで、第二磁性体１０２の磁化の向きを検出することができる。
【００８０】
以上のように、第二磁性体１０２の磁化の向きの読み取りに「＋Ｚ方向」の向きの電流を用いたが、「−Ｚ方向」の向きの電流を用いても問題ない。また本実施形態では、情報の入力にスピン注入磁化反転を用いたが、第１の実施形態のように磁界を発生させる素子を使用してもよい。
【００８１】
本実施例では、磁性体の材料としてＮｉ-２０at%Ｆｅ合金を用いたが、その他の軟磁性材料を用いることもできる。例えば、Ｎｉ-Ｆｅ-Ｃｏ系合金、Ｃｏ-Ｆｅ系合金を用いると、得られる磁気抵抗効果が大きくなり、演算結果の検出に都合が良い。また、反強磁性層材料として、Ｍｎ-２２at%Ｉｒ合金を用いたが、Ｆｅ-Ｍｎ系合金、Ｍｎに貴金属あるいはＲｕを添加した合金も使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本願発明は、コンピュータなどに用いられる演算装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００  磁性演算素子
１０１  第一磁性体
１０２  第二磁性体
１０３  第三磁性体
１０４  第四磁性体
１１０  基板
１２０  外部磁界発生手段
１２１  第一入力手段
１２２  検出手段
１２３  第二入力手段
１２４  第三入力手段
１２５  入力磁界発生手段
１２６  レバー
１２８  検出素子
１２９  出力素子
１３１  電極
１３２  非磁性体
１３３  固定磁性体
１３４  反強磁性体
１３５  基台
１４１  第一入力素子
３０１  走査ステージ
３０２ａ  マグネット
３０３  垂直方向制御器
３０４  水平方向制御器
３０５  励振素子
３０６  変位検出計
３０７  位相検出回路
３０８  情報入力制御器
３０９  情報出力制御器
３１０  マグネット制御器
４０１  磁界
４０６  磁性探針
４０７  カンチレバー
５０１  磁界
６０７  要素
６０８  要素
６０９  要素
６１０  要素
６１１  外部電極
６１５  浮遊磁界補償用磁性体
７０１  装置
７０２  情報出力制御器
７０３  マグネット制御器
７０４ａ  マグネット
８０１  電流
９０１  電流
【図１】
2011028340.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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