(57)【要約】【課題】電界により強磁性体のスピン分極率を変調でき、かつ、得られたデータを安定的に保持できる積層構造体、スピン変調素子及び磁気記録システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、マルチフェロイック層と、前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれる酸化防止層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性層と、
マルチフェロイック層と、
前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれる酸化防止層と、を備える、積層構造体。
【請求項２】
前記酸化防止層の厚みが０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である、請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記強磁性層がハーフメタルである、請求項１又は２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記強磁性層は、Ｘ２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記酸化防止層を構成する元素のイオン化傾向が、前記マルチフェロイック層を構成する元素のイオン化傾向より小さい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項７】
前記酸化防止層は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒからなる群から選択される１種以上を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層構造体と、
前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第２強磁性層と、を備える、スピン変調素子。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層構造体と、
前記積層構造体のマルチフェロイック層に磁界を印加する磁界印加手段と、電界を印加する電界印加手段と、を備える、磁気記録システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造体、スピン変調素子及び磁気記録システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体が有するスピンを利用した素子は、様々な用途で用いられている。例えば、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド、磁気記録媒体及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用されている。
【０００３】
磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“０”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“１”とすることで、磁気抵抗効果素子は２値のデータを出力できる。
【０００４】
一方で、近年のデータの高容量化に伴い、データをより高密度に集積することが求められている。その一つの手段として、データを２値以上の多値で記録できる素子の開発が進められている。例えば、特許文献１及び２には、電界を利用して強磁性層のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−６３０２４号公報
【特許文献２】特開２０１６−６３０６２号公報
【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及び２に記載の素子において、金属化合物からなる強磁性層は、酸化物からなる層上に積層されている。酸化物を構成する酸素は、時間の経過とともに金属化合物からなる強磁性層にマイグレーションする。強磁性層の酸化は、強磁性層の磁気特性を低下させる原因となりうる。すなわち、スピン分極率が変化する強磁性層の磁化の異方性（磁化のピン止め）が不安定になり、熱等の外因によりデータを安定的に保持できない場合がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電界により強磁性体のスピン分極率を変調でき、かつ、得られたデータを安定的に保持できる積層構造体、スピン変調素子及び磁気記録システム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】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【０００９】
（１）第１の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、マルチフェロイック層と、前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれる酸化防止層と、を備える。
【００１０】
（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記酸化防止層の厚みが０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であってもよい。
【００１１】
（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がハーフメタルであってもよい。
【００１２】
（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層は、Ｘ２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素であってもよい。
【００１３】
（５）上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
【００１４】
（６）上記態様にかかる積層構造体において、前記酸化防止層を構成する元素のイオン化傾向が、前記マルチフェロイック層を構成する元素のイオン化傾向より小さくてもよい。
【００１５】
（７）上記態様にかかる積層構造体において、前記酸化防止層は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒからなる群から選択される１種以上を含んでもよい。
【００１６】
（８）第２の態様にかかるスピン変調素子は、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第２強磁性層と、を備える。
【００１７】
（９）第３の態様にかかる磁気記録システムは、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体のマルチフェロイック層に磁界を印加する磁界印加手段と、電界を印加する電界印加手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１８】
上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、電界により強磁性体のスピン分極率を変調でき、かつ、得られたデータを安定的に保持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。
【図２】スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。
【図３】本実施形態にかかる磁気記録システムを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施形態について、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、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同じであるとは限らない。また、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い。
【００２１】
（スピン変調素子）
図１は、本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。図１に示すスピン変調素子１００は、積層構造体１０と非磁性層２０と第２強磁性層３０とを備える。また第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面には電極４０を備えてもよい。
【００２２】
「積層構造体」
積層構造体１０は、強磁性層１とマルチフェロイック層２と酸化防止層３とを備える。図１では、積層構造体１０をスピン変調素子１００の構成の一部として図示しているが、積層構造体１０のみでもＡＭＲ（磁気異方性）センサ等として用いることもできる。
【００２３】
強磁性層１は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層１を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。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、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。
【００２４】
また強磁性層１は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には１に近い大きなスピン分極率を示す。
【００２５】
またハーフメタルとして、ホイスラー合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物等が知られているが、ホイスラー合金が特に好ましい。ホイスラー合金は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体との高い格子整合性、室温以上のキュリー温度、フェルミ面近傍での大きなバンドギャップ等の特徴を有し、室温においても高いスピン分極率を示すことができる。
【００２６】
ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ及びＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００２７】
マルチフェロイック層２は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つマルチフェロイック材料を有する。マルチフェロイック材料としては、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。またマルチフェロイック材料は、特性を失わない範囲で、上記の物質の一部の元素を置換したものを用いることができる。例えば、ＸＹＯ３と表記される物質のＸの一部を他の３価の元素で置換したり、Ｙの一部を３ｄ遷移金属の他の元素で置換してもよい。またマルチフェロイック材料に酸素欠損等が生じていてもよい。これらの材料の中でもＢｉＦｅＯ３は、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。
【００２８】
マルチフェロイック材料は、結晶構造によってその特性が異なる。結晶構造が菱面体晶の場合は、強誘電特性及び強磁性特性の双方を示し、特に強磁性特性に優れる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるが、強磁性特性はあまり示さない。
【００２９】
マルチフェロイック層２は、強磁性層１に少なくとも二つの影響を与える。第１の影響はマルチフェロイック層２の有する強磁性特性に由来するものであり、第２の影響はマルチフェロイック層２の有する強誘電特性に由来するものである。
【００３０】
マルチフェロイック層２が強磁性特性を示すと、マルチフェロイック層２の磁化と強磁性層１の磁化との交換相互作用により、強磁性層１の磁化の向きが一方向に強く配向する（第１の影響）。すなわち、マルチフェロイック層２は、その強磁性特性により強磁性層１の磁化をピン止めする効果を有する。強磁性層１の磁化が一方向に強く固定されると、対向する第２強磁性層３０との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）を大きくなる。
【００３１】
一方で、マルチフェロイック層２が強誘電特性を示すと、マルチフェロイック層２は誘電分極する。誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層１内のマルチフェロイック層２側の界面に電荷を誘起し、その界面電荷による電界は強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する（第２の影響）。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子１００の多値化が実現できる。例えば、強磁性層１のスピン分極率が１．０で第２強磁性層３０と平行な場合と、強磁性層１のスピン分極率が０．５で第２強磁性層３０と平行な場合とでは、強磁性層１と第２強磁性層３０の間の抵抗値が異なるためである。
【００３２】
マルチフェロイック層２が強磁性層１に与える影響としては、第１の影響及び第２の影響のいずれも重要である。結晶構造が菱面体晶の場合は、強磁性特性に優れるため、第１の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるため、第２の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。
【００３３】
酸化防止層３は、強磁性層１とマルチフェロイック層２の間に挟まれる。上述のように、マルチフェロイック層２は誘電特性を示すため絶縁体であり、酸化物を含む。酸化防止層３は、マルチフェロイック層２から強磁性層１への酸素のマイグレーションを防ぐ。
【００３４】
酸化防止層３は金属又は合金を含み、イオン化傾向の小さい金属又は合金を含むことが好ましい。例えば、酸化防止層３は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒからなる群から選択される１種以上を含むことが好ましい。
【００３５】
一般に、イオン化傾向の大きい金属は、酸素と結合しやすい。そのため酸化防止層３を構成する元素のイオン化傾向は、マルチフェロイック層２を構成する元素のイオン化傾向より小さいことが好ましい。ここで、「マルチフェロイック層２を構成する元素」とは、マルチフェロイック層２を構成する元素のうち酸素と立体構造をとる元素を意味する。例えば、ＡＢＯ３で表記されるペロブスカイト構造の場合は、Ｂ元素に対応する。そのため例えば、上述のようにマルチフェロイック層２にＣｒ、Ｃｏ、Ｆｅ等が用いられている場合は、これらの元素よりイオン化傾向の小さいＰｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒ等を用いることが特に好ましい。
【００３６】
酸化防止層３の厚みは、０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることがより好ましく、０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。上述のように、マルチフェロイック層２の強磁性特性に伴い強磁性層１に与える第１の影響は、交換磁気結合により生じる。そのため、酸化防止層３の厚みが厚すぎると、強磁性層１に与える第１の影響が弱まってしまう。
【００３７】
酸化防止層３は、強磁性層１の酸化を防ぐという機能だけでなく、強磁性層１とマルチフェロイック層２との間に働く交換磁気結合の強度を調整するという機能も有する。すなわち、酸化防止層３の膜厚を変化させることで、マルチフェロイック層２が強磁性層１に及ぼす第１の影響の強さを調整できる。
【００３８】
「非磁性層」
非磁性層２０は絶縁体でも、半導体でも、金属でもよい。非磁性層２０が絶縁体からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子となり、非磁性層２０が半導体もしくは金属からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子となる。
【００３９】
非磁性層２０には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層２０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００４０】
一方で、例えば非磁性層２０が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ−ＢＮ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層２０として用いることができる。
【００４１】
ここで、非磁性層２０から強磁性層１に酸素がマイグレーションすることも考えられる。そのため、非磁性層２０は、イオン化傾向が大きい元素の酸化物であることが好ましい。例えば、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４に含まれるＭｇ、Ａｌは、イオン化傾向が高く、酸素と結合しやすい。換言すると、酸素を放出しにくく、強磁性層１への酸素のマイグレーションを抑制できる。
【００４２】
このようにＴＭＲ素子のように、酸化物からなる非磁性層と強磁性層とが隣接する素子は報告されていた。しかしながら、ＴＭＲ素子では、非磁性層としてＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることが一般的である。すなわち、非磁性層から強磁性層へマイグレーションする酸素量は少なく、強磁性層の磁気特性に与える影響は限定的であった。これに対し、マルチフェロイック層２から強磁性層１へマイグレーションする酸素量は、ＴＭＲ素子における非磁性層と比較して多く、大きな影響を及ぼすものであった。すなわち、この課題は、マルチフェロイック層２と強磁性層１とが隣接する本実施形態にかかるスピン変調素子１００（積層構造体１０）において見出されたものである。
【００４３】
「第２強磁性層」
第２強磁性層３０は、強磁性層１と非磁性層２０と磁気抵抗効果素子を形成する。強磁性層１が固定層の場合、第２強磁性層３０は自由層となり、強磁性層１が自由層の場合、第２強磁性層３０は固定層となる。
【００４４】
第２強磁性層３０の材料には、公知のもの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やＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。またより高い出力を得るために、第２強磁性層３０にホイスラー合金を用いてもよい。
【００４５】
上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子１００は、酸化防止層３により強磁性層１へ酸素がマイグレーションすることを防ぐことができる。その結果、強磁性層１の磁気特性が変化することを防ぎ、強磁性層１の磁化状態を安定化させることができる。マルチフェロイック層２の強磁性特性に伴う第１の影響と強誘電特性に伴う第２の影響を大きく与えるという観点からは、強磁性層１とマルチフェロイック層２との間に層を設けることは当業者にとっては想定しにくいものである。しかしながら、当該界面に酸化防止層３を設けることでスピン変調素子１００の特性を高めることができた。
【００４６】
（スピン変調素子の製造方法）
スピン変調素子１００の製造方法について説明する。まず、基材を準備する。基材は、積層構造体１０の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。基材が導電性を有することで、電極を兼ねることができる。
【００４７】
次いで、準備した基材上に、マルチフェロイック層２を積層する。積層する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等を用いることができる。
【００４８】
次いで、マルチフェロイック層２上に、酸化防止層３、強磁性層１、非磁性層２０、第２強磁性層３０を順に積層する。これらの層は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の強磁性層及び非磁性層と同様の方法で積層することができる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等を用いることができる。また第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面には、電極を積層することが好ましい。電極を設けることで、強磁性層１全面に均一に電流を流すことができる。
【００４９】
（スピン変調素子の動作）
次いで、スピン変調素子の動作を説明すると共に、どのように多値化が実現されるかについて説明する。
【００５０】
図２は、スピン変調素子１００の動作を説明するための模式図である。スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１に流れる電流を制御するスイッチＳＷ１と、マルチフェロイック層２に電場を印加するスイッチＳＷ２とが接続されている。
【００５１】
まず図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２が開いている場合、マルチフェロイック層２には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第１状態（図２（ａ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第２状態（図２（ｂ））と、の２状態をとる。強磁性層１の磁化の向きは、スイッチＳＷ１を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）により反転させる。
【００５２】
次いで、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、スイッチＳＷ２を閉じ、強磁性層１と電極４０との間（マルチフェロイック層２）に電界を加える。マルチフェロイック層２に電界が印加されると、マルチフェロイック層２は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって生じる電界は、強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する。
【００５３】
例えば、マルチフェロイック層２に正電圧を印加する（図２（ｃ）電圧ＶＢ方向）と、電界によって強磁性層１のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層１のマルチフェロイック層２側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層１のスピン分極率は減少する。図２（ｃ）及び（ｄ）では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。
【００５４】
図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、強磁性層１のスピン分極率が減少した状態でも、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第３状態（図２（ｃ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第４状態（図２（ｄ））と、の２状態をとる。
【００５５】
すなわちスピン変調素子１００は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を制御することで、４つの状態が生み出される。４つの状態は、第１状態、第３状態、第４状態、第２状態の順で抵抗値が大きい。
【００５６】
上記ではスイッチＳＷ２を用いてマルチフェロイック層２の誘電状態を調整し、第３状態及び第４状態を生み出す方法について説明した。しかしながら、スピン変調素子の動作は、マルチフェロイック層２の誘電状態の制御によるスピン分極率の調整に伴うものに限られない。
【００５７】
例えば、マルチフェロイック層２に磁界及び電界を外部から印加してもよい。マルチフェロイック層２は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つ。そのため、外部から磁界及び電界を印加することで、マルチフェロイック層２の磁化方向を制御できる。マルチフェロイック層２の磁化方向が変わると、交換磁気相互作用により強磁性層１の磁化の向きが変化する。すなわち、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２に変えて、マルチフェロイック層２に磁界を印加する磁界印加手段及び電界を印加する電界印加手段を設けることで、スピン変調素子１００における強磁性層１の磁化状態を制御してもよい。
【００５８】
「磁気記録システム」
図３は本実施形態にかかる磁気記録システムの断面模式図である。図３に示す磁気記録システム１０１は、積層構造体１０と積層構造体１０のマルチフェロイック層２に電界を印加する電界印加手段５０と、磁界を印加する磁界印加手段６０とを備える。すなわち、スピン変調素子１００の非磁性層２０及び第２強磁性層３０の代わりに、電界印加手段５０及び磁界印加手段６０が設けられ、電気的に接続する配線が除去されている。
【００５９】
電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、公知のものを用いることができる。電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、外部電界及び外部磁界をマルチフェロイック層２に加えることで、マルチフェロイック層２のスピン分極率を変更する。電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、電界及び磁界をスポット印加することで、マルチフェロイック層２のスピン分極率を、面内方向の領域毎に変えることができる。
【００６０】
強磁性層１の磁化は、マルチフェロイック層２の磁化との交換相互作用によりその配向方向が変化する。そのため、マルチフェロイック層２のスピン分極率を面内方向の領域毎に変えることで、強磁性層１の面内方向の磁化の向きを制御できる。強磁性層１の面内方向の磁化の向きは、磁気記録媒体と同様に情報を持つ。この情報を読み出すことで、磁気記録システムとして機能する。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【実施例】
【００６２】
（実施例１）
実施例１は、図１に示す積層構造体１０を作製した。具体的には、マルチフェロイック層２としてＢｉＦｅＯ３、酸化防止層３としてＰｔ、強磁性層１としてＣｏ２ＦｅＳｉを用いた。また各層の厚みは、マルチフェロイック層２が３０ｎｍ、酸化防止層３が０．５ｎｍ、強磁性層１が６ｎｍであった。そして、実施例１の磁気特性を、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定した。
【００６３】
（比較例１）
比較例１は、酸化防止層を設けなかった点のみが、実施例１に示す積層構造体１０と異なる。その他の構成は、実施例１に示す積層構造体１０と同様にした。そして、比較例１の磁気特性を実施例１と同様に測定した。
【００６４】
実施例１の磁気特性と比較例１の磁気特性とを比較すると、実施例１では、飽和磁化が６５０ｅｍｕ／ｃｃ、保磁力は２３Ｏｅであるのに対して、比較例１では、飽和磁化が４６０ｅｍｕ／ｃｃ、保磁力は２３Ｏｅと言う点が異なる。これは、実施例１における酸化防止層３であるＰｔが、ＢｉＦｅＯ３からの酸素の拡散を防止し、強磁性層１であるＣｏ２ＦｅＳｉの酸化を防止したことに起因したものと考えられる。すなわち、実施例１にかかる積層構造体１０は、酸化防止層を備えることで、磁気特性が低下することが抑制されている。
【００６５】
（実施例２〜３）
実施例２〜３は、酸化防止層３の厚みを変更した点のみが実施例１に示す積層構造体１０と異なる。その他の条件は、実施例１と同じとした。実施例２の膜厚は０．７ｎｍ、実施例３の膜厚は２．０ｎｍであった。その結果、実施例２の飽和磁化は８１０ｅｍｕ／ｃｃ、保磁力は２６Ｏｅであり、実施例３の飽和磁化は９６０ｅｍｕ／ｃｃ、保磁力は２５Ｏｅであった。
【符号の説明】
【００６６】
１…強磁性層、２…マルチフェロイック層、３…酸化防止層、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、４０…電極、５０…電界印加手段、６０…磁界印加手段、１００…スピン変調素子、１０１…磁気記録システム、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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