(57)【要約】【課題】電圧を印加した後の磁化の回転方向の違いを利用して自然乱数を発生できる乱数発生器を提供することを目的とする。【解決手段】この乱数発生器は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層の一面に積層された非磁性の絶縁層と、を有する乱数発生部と、前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に接続され、前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部に接続され、電圧印加により歳差運動を行う前記第１強磁性層の磁化の向きに応じて前記第１強磁性層に電圧を印加する時間を決定する制御部と、を備える。【選択図】図１
2019144812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、前記第１強磁性層の一面に積層された非磁性の絶縁層と、を有する乱数発生部と、
前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に接続され、前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に電圧を印加する電圧印加部と、
前記電圧印加部に接続され、電圧印加により歳差運動を行う前記第１強磁性層の磁化の向きに応じて前記第１強磁性層に電圧を印加する時間を決定する制御部と、を備える、乱数発生器。
【請求項２】
前記制御部は、電圧印加時間ｔが以下の式（１）を満たすように電圧印加時間を制御する、請求項１に記載の乱数発生器；
【数１】
2019144812.tif 000006
ただし、式（１）において、Ａ０は０．５であり、Ａ１、ｔ０およびｔ１は前記乱数発生器を実測した際のフィッティング曲線から得られるパラメータであり、τ０は前記第１強磁性層の磁化の歳差運動が熱によって乱される緩和時間であり、τ１は前記第１強磁性層の磁化の歳差運動の１周期に要する時間である。
【請求項３】
前記絶縁層の厚みが２ｎｍ以上である、請求項１または２に記載の乱数発生器。
【請求項４】
前記第１強磁性層に外部磁場を印加できる位置に位置し、前記第１強磁性層の磁化容易軸と交差する方向に磁場を印加する磁場印加部をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項５】
前記第１強磁性層の面内方向に接続され、前記第１強磁性層の面内方向に電圧を印加する第２電圧印加部をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項６】
前記絶縁層の前記第１強磁性層と反対側の面に、第２強磁性層をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項７】
前記第１強磁性層の面内方向に接続され、前記第１強磁性層の面内方向の第１の方向に電流を流す電流印加部と、
前記第１の方向と直交する第２の方向の電位差を計測する電圧計と、をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項８】
前記第１強磁性層を挟む又は囲む位置に、磁気シールドをさらに有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項９】
前記乱数発生部を複数備え、
前記電圧印加部を複数の前記乱数発生部で共用している、請求項１から８のいずれか一項に記載の乱数発生器。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の乱数発生器を備える、集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乱数発生器及び集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
乱数には、擬似乱数と自然乱数がある。擬似乱数は、予め定められたプログラムにより計算機を用いて得られる乱数である。擬似乱数は、プログラムに入力する初期値が同一の場合、同一の結果が出力されるという問題や、計算機のレジスタ数に基づき乱数が特定の周期性を有するという問題がある。これに対し、自然乱数は自然界で生じる確率的事象から得られる乱数であり、乱数がランダムであることについては疑いようがない。
【０００３】
自然乱数を得る手段としては、トンネル接合における雑音（熱雑音とショットノイズの和）を利用したもの（特許文献１）、熱雑音を単一電子トランジスタ効果により増幅したもの（特許文献２）、熱雑音を負性抵抗素子により増幅しもの（特許文献３）及び磁気抵抗効果素子における外場による磁化自由層の揺動を利用したもの（特許文献４）及び極薄膜ＳＯＩ（silicon-on-insulator）トランジスタにおける電子の捕捉、放出を利用したもの（非特許文献１）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０８３６４号公報
【特許文献２】特開２００４−３００７１号公報
【特許文献３】特開２００５−１８５００号公報
【特許文献４】特開２００８−３１０４０３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】K.Uchida et al.,J.Appl.Phys,Vol.90,No.7,(2001),pp3551.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜３に記載の乱数発生器は、雑音を増幅するための増幅回路及び情報を二値化するための閾値回路が必要であり、乱数発生器が大型化してしまう。また非特許文献１に記載の乱数発生器は、乱数発生速度が１００ｋｂｉｔ／秒であり、乱数発生器がこの動作速度を満たして動作することが難しい。
【０００７】
また特許文献４に記載の乱数発生器は、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を利用し乱数を発生させている。しかしながらこの乱数発生器は、乱数を得るために印加する電流及び磁場のマージンが小さく、外的要因の影響を受けやすい。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、電圧を印加した後の磁化の回転方向の違いを利用して自然乱数を発生できる乱数発生器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
電圧印加部により強磁性体に電圧を印加した後、その印加電圧を止めることで乱数を発生させることができることを見出した。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
【００１０】
（１）第１の態様にかかる乱数発生器は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層の一面に積層された非磁性の絶縁層と、を有する乱数発生部と、前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に接続され、前記第１強磁性層及び前記絶縁層の積層方向に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部に接続され、電圧印加により歳差運動を行う前記第１強磁性層の磁化の向きに応じて前記第１強磁性層に電圧を印加する時間を決定する制御部と、を備える。
【００１１】
（２）上記態様にかかる乱数発生器の制御部は、電圧印加時間ｔが以下の式（１）を満たすように電圧印加時間を制御してもよい。
【００１２】
【数１】
2019144812.tif 000003
【００１３】
ただし、式（１）において、Ａ０は０．５であり、Ａ１、ｔ０およびｔ１は前記乱数発生器を実測した際のフィッティング曲線から得られるパラメータであり、τ０は前記第１強磁性層の磁化の歳差運動が熱によって乱される緩和時間であり、τ１は前記第１強磁性層の磁化の歳差運動の１周期に要する時間である。
【００１４】
（３）上記態様にかかる乱数発生器において、前記絶縁層の厚みが２ｎｍ以上であってもよい。
【００１５】
（４）上記態様にかかる乱数発生器は、前記第１強磁性層に外部磁場を印加できる位置に位置し、前記第１強磁性層の磁化容易軸と交差する方向に磁場を印加する磁場印加部をさらに備えてもよい。
【００１６】
（５）上記態様にかかる乱数発生器は、前記第１強磁性層の面内方向に接続され、前記第１強磁性層の面内方向に電圧を印加する第２電圧印加部をさらに備えてもよい。
【００１７】
（６）上記態様にかかる乱数発生器は、前記絶縁層の前記第１強磁性層と反対側の面に、第２強磁性層をさらに備えてもよい。
【００１８】
（７）上記態様にかかる乱数発生器は、前記第１強磁性層の面内方向に接続され、前記第１強磁性層の面内方向の第１の方向に電流を流す電流印加部と、前記第１の方向と直交する第２の方向の電位差を計測する電圧計と、をさらに備えてもよい。
【００１９】
（８）上記態様にかかる乱数発生器は、前記第１強磁性層を挟む又は囲む位置に磁気シールドをさらに有してもよい。
【００２０】
（９）上記態様にかかる乱数発生器は、前記乱数発生部を複数備え、前記電圧印加部を複数の前記乱数発生部で共用していてもよい。
【００２１】
（１０）第２の態様にかかる集積素子は、上記態様にかかる乱数発生器を備える。
【発明の効果】
【００２２】
上記態様にかかる乱数発生器は、電圧を印加した後の磁化の回転方向の違いを利用して自然乱数を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る乱数発生器の模式図である。
【図２】乱数発生器の動作を模式的に示した図である。
【図３】乱数発生器における第１強磁性体の磁化の向きと印加した電圧パルスの時間との関係を示す図である。
【図４】第１実施形態にかかる乱数発生器から情報を読み出す方法について模式的に示した図である。
【図５】第１実施形態にかかる乱数発生器から情報を読み出す方法の別の例について模式的に示した図である。
【図６】第１実施形態にかかる乱数発生器の別の例の模式図である。
【図７】第１実施形態にかかる乱数発生器の別の例の模式図である。
【図８】第２実施形態にかかる集積素子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２５】
「第１実施形態」
（乱数発生器）
図１は、第１実施形態にかかる乱数発生器の模式図である。図１に示す乱数発生器１００は、乱数発生部１０と、電圧印加部２０と、制御部３０と、を備える。電圧印加部２０は、乱数発生部１０の積層方向に接続されている。制御部３０は、電圧印加部２０と接続され、乱数発生部１０に印加する電圧を制御する。
【００２６】
＜乱数発生部＞
乱数発生部１０は、第１強磁性層１と絶縁層２とを備える。
【００２７】
［第１強磁性層］
第１強磁性層１は、磁化Ｍ１を有する。第１強磁性層１は、磁化容易方向と磁化困難方向とを有し、磁化Ｍ１は外力が加わっていない状態では磁化容易方向に配向する。図１に示す第１強磁性層１は、第１強磁性層１の積層方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜である。垂直磁化膜を用いると、乱数発生部１０の面積を小さくでき、素子サイズを小さくすることができる。第１強磁性層１は、面内磁化膜でもよい。
【００２８】
第１強磁性層１には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｈｏ、Ｓｍ−Ｆｅ等の合金が挙げられる。またホイスラー合金等を用いてもよい。
【００２９】
［絶縁層］
絶縁層２は、第１強磁性層１の一面に積層されている。電圧印加部２０と第１強磁性層１との間に絶縁層２が挟まることで、第１強磁性層１に電場が形成される。
【００３０】
絶縁層２には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ，Ｓｉ，Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。
【００３１】
絶縁層２の厚みは、２ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることが好ましい。一方で、絶縁層２の厚みは、２０ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることが好ましい。絶縁層２の厚みが薄いと、乱数発生部１０の積層方向に印加できる電圧の上限が小さくなる。一方で、絶縁層２の厚みが厚いと、絶縁層２が発熱し、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の安定性が低下する。
【００３２】
＜電圧印加部＞
電圧印加部２０は、第１強磁性層１及び絶縁層２の積層方向に電圧を印加する。図１では、電圧印加部２０を交流電源として図示した。電圧印加部２０は、所定のパルス電圧を乱数発生部１０に印加できるものであれば、特に問わない。
【００３３】
＜制御部＞
制御部３０は、電圧印加部２０に接続され、電圧印加部２０から乱数発生部１０に印加される電圧を制御する。乱数発生部１０の第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、電圧印加部２０により印加された電圧により歳差運動を行う。制御部３０は、理論的に求められる歳差運動中の磁化Ｍ１の向きに応じて、電圧印加部２０から乱数発生部１０に電圧を印加する電圧印加時間を設定する。制御部３０には、例えばスイッチング素子等を用いることができる。
【００３４】
（乱数発生器の動作）
図２は、第１実施形態にかかる乱数発生器の動作を模式的に示した図である。電圧印加部２０により乱数発生部１０の積層方向に電圧を印加する。乱数発生部１０の積層方向に電圧を印加すると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は面内方向に向かって倒れる。
【００３５】
次いで、制御部３０により乱数発生部１０に印加されている電圧を止める。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、外力が加わっていない状態では、磁化容易軸方向に配向する。そのため、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第１強磁性層１の面内方向から垂直方向に向かって回転する。この際、磁化Ｍ１は図示上向きに回転する場合と、図示下向きに回転する場合がある。磁化Ｍ１が図示上向きと図示下向きのいずれの方向を向くかは、確率的に決定される。乱数発生部１０への電圧印加が止まった時点で第１強磁性層１の磁化Ｍ１が面内方向に向いている場合、磁化Ｍ１が図示上向きとなる確率と図示下向きとなる確率とは等価であり、いずれも５０％となる。例えば図示上向きとなった場合を「１」、図示した向きとなった場合を「０」とすると、「１」と「０」が出る確率が５０％である乱数が得られる。
【００３６】
一方で、乱数には、発生確率が５０％である真正乱数と、例えば発生確率が６０％のように一方向に偏りを持ったオフセット乱数と、がある。乱数発生器１００は、真正乱数もオフセット乱数も出力できる。
【００３７】
図３は、乱数発生器１００における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きと印加した電圧パルスの印加時間との関係を示す図である。上述のように、乱数発生部１０の積層方向に電圧を印加すると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は面内方向に向かって倒れる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、電圧が印加された瞬間に面内方向に倒れるのではなく、一定の歳差運動を行いながら面内方向に倒れていく。
【００３８】
図３における縦軸は第１強磁性層１の磁化Ｍ１の配向方向を数値に置き換えたものであり、横軸は乱数発生部１０の積層方向に印加した電圧パルスのパルス幅を示す。図３の縦軸は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が完全に面内方向に配向した状態を「０．５」、図示上向きに完全配向した状態を「１」、図示下向きに完全配向した状態を「０」として示す。
【００３９】
磁化Ｍ１の歳差運動は、面内方向の軸を中心に回転する。そのため、電圧印加時間が０．５ｎｓｅｃの時点で斜め上向きに配向していた磁化Ｍ１は、電圧印加時間が１．０ｎｓｅｃの時点で斜め下向きに配向する。
【００４０】
電圧印加時間が０．５ｎｓｅｃの時点で電圧印加を止めると、磁化Ｍ１は上向きに配向しやすく、下向きには配向しにくい。磁化Ｍ１が図示上向きとなる確率は約９０％であり、図示下向きとなる確率は約１０％である。他方、電圧印加時間が１．０ｎｓｅｃの時点で電圧印加を止めると、磁化Ｍ１は下向きに配向しやすく、上向きには配向しにくい。磁化Ｍ１が図示上向きとなる確率は約２０％であり、図示下向きとなる確率は約８０％である。つまり、制御部３０により電圧印加時間を制御すると、乱数発生部１０は一方向に偏りを持ったオフセット乱数を発生する。
【００４１】
一方で、電圧印加時間を長くしていくと、磁化Ｍ１の歳差運動は収束していき、磁化反転確率は０．５に収束していく。
【００４２】
磁化反転確率Ｐｓが０．５−０．００３３≦Ｐｓ≦０．５＋０．０３３を満たすと、乱数発生器１００が真正乱数を発生する。±０．００３３の値は、理想的な乱数である２項分布２０万ビットから得られる分散値（±３σ＝０．００３３）であり、磁化反転確率が０．５からこの範囲程度ずれていたとしても誤差として許容できる。つまり、制御部３０により磁化反転確率Ｐｓが上記関係を満たすまで電圧印加時間を長くすると、乱数発生部１０で真正乱数が発生する。
【００４３】
図３に示すグラフは、以下の式（２）でフィッティングできる。
【００４４】
【数２】
2019144812.tif 000004
【００４５】
上記式（２）において、Ｐｓは磁化反転確率であり、Ａ０は確率が収束する値（０．５）であり、Ａ１、ｔ０およびｔ１は乱数発生器１００を実測した際のフィッティング曲線から得られるパラメータであり、τ０は第１強磁性層１の磁化Ｍ１の歳差運動が熱によって乱される緩和時間であり、τ１は第１強磁性層１の磁化Ｍ１の歳差運動の１周期に要する時間である。Ａ１、ｔ０およびｔ１は乱数発生器１００の構成により異なる値であり、実測により求められる。
【００４６】
上記の式（２）を真正乱数が発生する条件に当てはめると、以下の式（３）が成り立つ。
【００４７】
【数３】
2019144812.tif 000005
【００４８】
（乱数発生器の情報の読み出し）
次いで、乱数発生部１０で生じた乱数（真正乱数、オフセット乱数）の外部への出力方法について説明する。乱数発生部１０で生じた乱数は、抵抗値、電圧値として出力される。すなわち、乱数発生器１００は、ランダムな数値を出力する装置に限られず、ランダムな抵抗値、ランダムな電圧値を出力する装置でもよい。
【００４９】
＜第１読み出し手段＞
図４は、第１実施形態にかかる乱数発生器から情報を読み出す方法について模式的に示した図である。図４に示す乱数発生器１０１は、磁気抵抗効果素子１２と、電圧印加部２０と、制御部３０と、直流電源４０と、抵抗測定部４６とを備える。磁気抵抗効果素子１２と制御部３０との間にはコンデンサ４２が設けられ、磁気抵抗効果素子１２と直流電源４０との間にはコイル４４が設けられている。コンデンサ４２は、直流電源４０からの直流電流が電圧印加部２０側に流れることを防ぎ、コイル４４は電圧印加部２０からの交流電流が直流電源４０側に流れることを防ぐ。
【００５０】
磁気抵抗効果素子１２は、第１強磁性層１と絶縁層２と第２強磁性層３とを備える。第２強磁性層３は、絶縁層２の第１強磁性層１と反対側の面に積層されている。第１強磁性層１と絶縁層２とは、乱数発生部１０に対応する。
【００５１】
磁気抵抗効果素子１２は、第１強磁性層１と第２強磁性層３の磁化の相対角によって抵抗値が変化する。乱数発生部１０を動作すると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、第２強磁性層３の磁化Ｍ３と、平行または反平行の二状態のいずれかとなる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層３の磁化Ｍ３とが平行の場合は磁気抵抗効果素子１２の抵抗値は小さくなり、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層３の磁化Ｍ３とが反平行の場合は磁気抵抗効果素子１２の抵抗値は大きくなる。
【００５２】
直流電源４０により磁気抵抗効果素子１２の積層方向に電流を印加すると、磁気抵抗効果素子１２の抵抗値が抵抗測定部４６で測定できる。乱数発生部１０を複数回動作させると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層３の磁化Ｍ３とが平行な状態と、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層３の磁化Ｍ３とが反平行な状態と、がランダムで生じる。抵抗測定部４６は、この状態の違いを抵抗値として出力し、乱数発生部１０で生じた乱数を出力する。
【００５３】
第２強磁性層３は、第１強磁性層１より磁気異方性が相対的に強く、磁化方向が１方向に固定された固定層である。第２強磁性層３には、第１強磁性層１と同様のものを用いることができる。第２強磁性層３の保磁力をより大きくするために、第２強磁性層３の絶縁層２と反対側の面にＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を接触させてもよい。さらに、第２強磁性層３の漏れ磁場を第１強磁性層１に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
【００５４】
＜第２読み出し手段＞
図５は、第１実施形態にかかる乱数発生器から情報を読み出す方法の別の例について模式的に示した図である。図５に示す乱数発生器１０２は、乱数発生部１０と、電圧印加部２０と、制御部３０と、電流印加部５０と、電圧計５２とを備える。
【００５５】
電流印加部５０により第１強磁性層１の面内方向の第１の方向に電流を流すと、異常ホール効果により第１の方向と直交する第２の方向に電位差が生じる。異常ホール効果により生じる電位差は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の向きによって異なる。
【００５６】
異常ホール効果に伴う電位差の違いは、電圧計５２で測定される。乱数発生部１０を複数回動作させると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の磁化Ｍ１が図示上向きと図示下向きのいずれかの方向にランダムに配向する。電圧計５２は、この状態の違いを電圧値として出力し、乱数発生部１０で生じた乱数を出力する。
【００５７】
上述のように、本実施形態にかかる乱数発生器１００、１０１、１０２は、電圧印加部２０の電圧印加時間を制御部３０で制御することで、真正乱数またはオフセット乱数を発生できる。また乱数発生部１０は電圧駆動であり、消費電力を低減することができる。さらに、真正乱数を発生させる場合は、電圧を十分な時間に渡って印加すればよく、精密な制御が不要である。
【００５８】
本発明は、上記実施形態に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００５９】
例えば、図６は、第１実施形態にかかる乱数発生器の別の例の模式図である。図６に示す乱数発生器１０３は磁場印加部６０を有する点で、図１に示す乱数発生器１００と異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。
【００６０】
磁場印加部６０は、第１強磁性層１に外部磁場を印加できる位置に位置する。磁場印加部６０は、第１強磁性層１の磁化容易軸と交差する方向に磁場を印加する。電圧印加部２０により第１強磁性層１に電圧が印加されると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は歳差運動を行いながら面内方向に配向する。磁化容易軸方向に配向している磁化Ｍ１を歳差運動させるためには、一定以上のエネルギーが必要である。磁場印加部６０により外部磁場を加えることで、歳差運動の開始を早めることができる。
【００６１】
一方で磁化Ｍ１が歳差運動を始めた後は、外部磁場を印加しない方が磁化Ｍ１の歳差運動は安定化する。そのため、磁場印加部６０は、印加する磁場を変調できることが好ましい。また歳差運動の周期に合わせて印加する磁場の強度を変調してもよい。
【００６２】
また例えば、図７は、第１実施形態にかかる乱数発生器の別の例の模式図である。図７に示す乱数発生器１０４は第２電圧印加部７０を有する点で、図１に示す乱数発生器１００と異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。
【００６３】
第２電圧印加部７０は、第１強磁性層１の面内方向に接続される。第２電圧印加部７０は、第１強磁性層１の面内方向に電圧を印加する。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、絶縁層２との界面の影響を受けて垂直方向に配向しやすい。第１強磁性層１の面内方向に電圧を印加すると、界面の影響を弱めることができ、第１強磁性層１の磁化Ｍ１を面内方向に倒しやすくなる。すなわち、第２電圧印加部７０により第１強磁性層１の面内方向に電圧を印加することで、磁化Ｍ１の歳差運動の開始を早めることができる。
【００６４】
また周辺回路からの磁界の影響を抑制するために、第１強磁性層１を挟む又は囲む位置に磁気シールドを設けてもよい。外因に伴う乱数の揺らぎを防ぐことができる。
【００６５】
磁場印加部６０、第２電圧印加部７０および磁気シールドは単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
【００６６】
「第２実施形態」
第２実施形態にかかる集積素子は、第１実施形態にかかる乱数発生器を有する。図８は、第２実施形態にかかる集積素子の一例の模式図である。
【００６７】
図８に示す集積素子３００は、複数の入力部Ｄｉｎと、乱数発生器１０５と、積和演算部２００と、複数の出力部Ｄｏｕｔとを備える。集積素子３００は、神経系を模倣したニューラルネットワークを抵抗変化素子のアレイを用いて実現するニューロモーフィック・デバイス（ＮＭＤ）として用いることができる。ＮＭＤは、情報を前段から次段へと重みをかけて伝える。情報に重みづけがされることで、神経系を模倣する。
【００６８】
乱数発生器１０５は、複数の乱数発生部１０と、電圧印加部２０と、制御部３０とを備える。電圧印加部２０は、複数の乱数発生部１０で共用されている。
【００６９】
積和演算部２００は、複数の抵抗変化素子２０１を備える。積和演算部２００は、連続的に抵抗が変化する抵抗変化素子２０１を複数組み合わせ、それぞれの抵抗値を重みとして入力部Ｄｉｎから入力された入力信号に対する積演算を行う。また、そこから出力される電流の総和をとることで和演算を行う。
【００７０】
ＮＭＤにおいて、情報を前段から次段へと重みをかけて伝える場合、重みをランダムに与える場合と、設定された重みを与える場合がある。乱数発生器１０５はランダムな重みを与え、積和演算部２００は設定された重みを与える。つまり集積素子３００は、入力部Ｄｉｎから入力された入力信号に対して重みをつけて出力部Ｄｏｕｔから出力できる。
【００７１】
ここでは集積素子の一例としてＮＭＤを提示したが、集積素子はこの場合に限られない。例えば、乱数発生器をトランジスタ等の半導体回路等と接続し、半導体集積素子として用いてもよい。また量子コンピュータ暗号生成器、認証システム、確率を用いて演算を行うストカスティックコンピュータ（Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）などの乱数発生器としても用いることができる。
【実施例】
【００７２】
「実施例１」
（００１）配向ＭｇＯ基板上に、ＭｇＯ（１０ｎｍ）／Ｃｒ（１０ｎｍ）／Ａｕ（５０ｎｍ）／Ｆｅ８０Ｃｏ２０（０．７ｎｍ）／ＭｇＯ（１．５ｎｍ）／Ｆｅ（１０ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）をＭＢＥ成膜法により形成し、その上の上部電極をパターニングして、素子を形成した。素子の平面形状は、短軸２００ｎｍ・長軸８００ｎｍの楕円形とした。そして、素子の上部電極及び下部電極に制御部及び電圧源を接続し、乱数発生器を作製した。
【００７３】
次いで、素子に電圧印加時間ｔを変化させて印加し、それぞれの電圧印加時間ｔを変化させたときの磁化反転確率を測定した。測定条件として、外部印加磁場Ｈｅｘｔを７００Ｏｅ、印加パルス電圧を−１．０Ｖ／ｎｍ−１とした。その測定結果が、図３に対応する。
【００７４】
電圧印加時間ｔに対する第１強磁性体の磁化の反転確率Ｐの変化は、磁化Ｍの歳差運動に伴う１周期に要する時間τ１、磁化Ｍ歳差運動が熱によって乱される緩和時間τ０に影響され、式（２）のように表される。
【００７５】
図３に示す実測値から各パラメータは、Ａ０＝０．５、Ａ１＝０．６、ｔ０＝−０．２ｎｓｅｃ、ｔ１＝−０．２ｎｓｅｃ、τ０＝２ｎｓｅｃ、τ１＝０．８ｎｓｅｃと求めることができた。このデータフィッティングの結果から実施例１における乱数発生器は、１１ｎｓｅｃ以上の電圧パルスを印加することで、磁化反転確率Ｐｓが０．５±０．００２２以内に収束し、真正乱数を生み出すことができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  第１強磁性層
２  絶縁層
３  第２強磁性層
１０  乱数発生部
１２  磁気抵抗効果素子
２０  電圧印加部
３０  制御部
４０  直流電源
４２  コンデンサ
４４  コイル
４６  抵抗測定部
５０  電流印加部
５２  電圧計
６０  磁場印加部
７０  第２電圧印加部
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  乱数発生器
２００  積和演算部
３００  集積素子
Ｍ１、Ｍ３  磁化
Ｄｉｎ  入力部
Ｄｏｕｔ  出力部
【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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