(57)【要約】【課題】規模の増大を防止しつつ、低消費電力化を実現可能な多入力・多出力の情報処理デバイスを提供すること。【解決手段】グランドに接続された導電性基板１１上にガーネット薄膜１２を積層し、ガーネット薄膜１２上に磁電カップリング層１３を設けるととともに、磁電カップリング層１３においてガーネット薄膜１２と接する界面１３１と反対側の面を入出力面１３２とする。入出力面１３２上には、数、大きさ、配置位置を自由に設定可能な複数の入力用電極１４及び複数の出力用電極１５を設ける。入力用電極１４に対して所定の電気信号が入力信号として入力された場合に、前記第１電極に対応する入力領域にてスピン波を励起し、かつ、出力用電極１５に対応する出力領域にスピン波を伝搬させるとともに、出力領域にてスピン波を再度電気信号に変換して、出力用電極１５から出力させる。【選択図】図１
2019134100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電圧に維持される第１構造層と、
前記第１構造層上に形成される第２構造層と、
前記第２構造層上に形成され、前記第２構造層に接する面と反対側の面が信号の入出力面となる第３構造層と、
を有し、
前記第３構造層が、
前記入出力面のいずれの場所にも形成可能な電極であって、所定の電気信号が入力信号として入力される１以上の第１電極と、
前記第１電極が形成された場所を除き、前記入出力面のいずれの場所にも形成可能な電極であって、所定の電気信号が出力信号として出力される１以上の第２電極と、
を備え、
前記第２構造層が、
前記第１電極に対して所定の電気信号が入力信号として入力された場合に、前記第１電極に対応する第１領域にてスピン波を励起し、かつ、前記第２電極に対応する第２領域に前記スピン波を伝搬させる構造を有し、
前記第１領域と前記第２領域の位置に応じて、前記スピン波の特性が異なることを特徴とする情報処理デバイス。
【請求項２】
前記入出力面に対して任意の方向に、所定値の直流外部磁場を印加する磁場印加手段をさらに備える、請求項１に記載の情報処理デバイス。
【請求項３】
前記入力信号が入力され、前記スピン波が前記第２構造層を伝搬した場合に、
その履歴がスピンの分布状態として残留し、その後に入力される前記入力信号に対する前記出力信号の信号値を前記履歴に基づき変化させる、請求項１又は２に記載の情報処理デバイス。
【請求項４】
前記第３構造層が、
前記第１電極及び前記第２電極の形成された領域にビアホールを有し、当該ビアホール内に他の部位とは組成の異なる材料が埋め込まれている、請求項１〜３の何れか1項に記載の情報処理デバイス。
【請求項５】
前記第３構造層が、
前記入力信号の入力に伴い変形し、
前記第２構造層が、
前記第３構造層の変形に伴って、前記第１領域の磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の情報処理デバイス。
【請求項６】
前記第３構造層が、
前記入力信号の入力に伴い、分極ベクトルが変化し、
前記第２構造層が、
前記第３構造層における分極ベクトルの変化に伴って生じる電気磁気効果に起因して磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の情報処理デバイス。
【請求項７】
前記ビアホール内に埋め込まれた材料が、
前記入力信号の入力に伴い、スピン偏極電子流を生じ、
前記第２構造層が、
前記ビアホール内の材料に生じたスピン偏極電子流に伴って生じる電気磁気効果に起因して磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、請求項４に記載の情報処理デバイス。
【請求項８】
前記ビアホール内に埋め込まれた材料が、
前記入力信号の入力に伴い、トンネル磁気抵抗効果により、スピンの歳差運動を生じ、
前記第３構造が、
当該スピンからの漏えい磁場、或いは、当該スピンによるスピン間交換相互作用により磁気異方性が変化することによって、前記第１領域にて前記スピン波が励起される、請求項４に記載の情報処理デバイス。
【請求項９】
前記第２電極に対して、直流バイアス電流を印加する電流印加手段をさらに有する、請求項８に記載の情報処理デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号の情報処理デバイスに関し、特に多入力・多出力の入出力形態を実現可能な情報処理デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）集積回路技術によるデジタルロジック回路を用いた従来型のコンピューティングでは、時間的、エネルギー的な計算コストがかかる各種の情報処理を低コストに実現するため、ニューロモルフィックコンピューティング（ニューラルネットワークともいう。）を用いる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、認知処理や連想記憶等の情報処理においては、ニューラルネットワークを用いることによる優位性が存分に発揮されることが望まれている。また、例えば、自動車の自動運転等の分野においては、イメージセンサと連動した深層学習を用いて、認知処理等の高度な処理を行う必要があり、計算コストが非常に大きくなる。このため、この種の処理に、計算コストの非常に小さいニューラルネットワークを活用するための研究が積極的に進められている。
【０００４】
従来、ニューラルネットワークを実現する手法の１つとして、デジタルロジック回路を用いて、脳の機能を模倣したデバイスが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】特開２０１４−５００３７号
【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、上記特許文献１に記載のデバイスのように従来型のデジタルロジック回路により、多入力及び多出力であるニューロン型の入出力形態を実現しようとすると、微小領域での配線が困難になり、いわゆる、配線爆発問題として、装置製造が困難になることが多い。
【０００７】
また、このようなデジタルロジック回路は、配線の１つ１つをＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）を配線毎に設ける必要性があるため、回路構成が大規模化してしまう。
【０００８】
さらに、デジタルロジック回路の場合において、電気配線によるデータの読み出し／書き込みは、その性質上、１配線あたり１クロックとする必要性があるため、入出力数が増加すると、それに応じて必要な動作クロック数が増加し、エネルギー消費量が増大してしまう。
【０００９】
したがって、上記特許文献１の構成において、回路規模の縮小と、低消費電力化を両立するとは、困難である。
【００１０】
本発明は、上述した課題に鑑みたものであり、入力に対して発生する物理現象に基づいて出力を決定するリザバーを実現するためのデバイスであって、規模の増大を防止しつつ、低消費電力化を実現可能な多入力・多出力型の情報処理デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明は、
基準電圧に維持される第１構造層と、
前記第１構造層上に形成される第２構造層と、
前記第２構造層上に形成され、前記第２構造層に接する面と反対側の面が信号の入出力面となる第３構造層と、
を有し、
前記第３構造層が、
前記入出力面のいずれの場所にも形成可能な電極であって、所定の電気信号が入力信号として入力される１以上の第１電極と、
前記第１電極が形成された場所を除き、前記入出力面のいずれの場所にも形成可能な電極であって、所定の電気信号が出力信号として出力される１以上の第２電極と、
を備え、
前記第２構造層が、
前記第１電極に対して所定の電気信号が入力信号として入力された場合に、前記第１電極に対応する第１領域にてスピン波を励起し、かつ、前記第２電極に対応する第２領域に前記スピン波を伝搬させる構造を有し、
前記第１領域と前記第２領域の位置に応じて、前記スピン波の特性が異なる構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明は、第３構造層に形成される第１電極及び第２電極の少なくともいずれか一方の配置位置が異なれば、同一の信号を第１電極に入力したとしても、異なる信号を第２電極から取り出すことができるので、入出力面に複数の第１電極（入力用電極）及び第２電極（出力用電極）を形成した場合にも、それぞれの入力信号に対して、異なる信号を出力することができる。
【００１３】
すなわち、本発明は、ロジック回路を用いることなく、入出力面内に入力電極と出力電極を適切に設置するだけで、入力電極及び出力電極の面内位置に応じて、入力信号を適切に処理しつつ、出力することができる。
【００１４】
したがって、本発明は、電気配線によらず、かつ、動作クロックに無関係など電子のチャージ及びディスチャージによる電位変化を利用することなく、スピン波の伝搬という物理現象によって多入力及び多出力のデバイスとして構成することができる。
【００１５】
この結果、本発明によれば、入力に対して発生する物理現象に基づいて出力を決定するリザバーにおいて、規模の増大を防止しつつ、低消費電力化を実現可能な多入力・多出力型の情報処理デバイスを実現することができる。
【００１６】
そして、本発明は、入力信号の順序やアナログデータの入力信号波形、あるいは、多入力の組み合わせに依存して、多種多様な出力バリエーションを実現することができるので、ニューラルネットワークなどの多数の情報処理を実現するためのデバイスとして用いることができる。
【００１７】
（２）また、本発明は、
前記入出力面の任意方向に対して、所定値の直流外部磁場を印加する磁場印加手段をさらに備える構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明は、入力領域内の原子が有するスピンに対して、任意方向の磁場を印加することができるので、例えば、非線形干渉が発生し易くなるなどの所定の特性を有するスピン波を励起することができる。
【００１９】
すなわち、本発明は、多数の入力があった場合にはスピン波の伝搬過程で事前のスピン分布状態やスピン波同士の干渉など、相互作用を用いることによって、多入力・多出力型の情報処理デバイスを実現することができる。
【００２０】
また、この構成により、本発明は、空間に対して非対称な外部磁場環境を設定することも可能であり、かつ、非線形干渉が生じるスピン波を第２構造層の入力領域にて励起させることができるので、入力信号に対する出力の多様性を確保することができるとともに、ニューラルネットワークに相当する機能を実現する際においても、高い適応性を確保することができる。
【００２１】
（３）また、本発明は、
前記入力信号が入力され、前記スピン波が前記第２構造層を伝搬した場合に、
その履歴がスピンの分布状態として残留し、その後に入力される前記入力信号に対する前記出力信号の信号値を前記履歴に基づき変化させる、構成を有している。
【００２２】
この構成により、直前に入力された信号が、第２構造層におけるスピンの分布状態として残留するので、次に信号が入力され、スピン波が励起されると、当該スピン波が、スピンの分布状態が変化した環境下を伝播し、当該入力信号に対応する出力信号が変化することとなる。
【００２３】
この結果、本発明は、過去に入力された入力信号の履歴に応じて、出力信号を変化させることができるとともに、各信号の相互作用を通して、新たなスピン波を形成することができるので、メモリを併設することなく、過去の記憶の重み付け総和をとる演算を行う際にも、高い適応性を発揮することができる。
【００２４】
特に、時系列データでは、前後のデータ間に相関関係がある可能性が高いので、本発明によれば、データ間の相関関係を反映した出力特性を実現できる。
【００２５】
なお、時間的に連続するアナログデータにおいても直前の入力信号値や直後の入力信号値と、現在の入力信号値の間には相関関係（例えば、時間的・数値的連続性）があるので、前後の信号値を反映した出力特性を実現できる。
【００２６】
（４）また、本発明は、
前記第３構造層が、
前記第１電極及び前記第２電極の形成された領域にビアホールを有し、当該ビアホール内に他の部位とは組成の異なる材料が埋め込まれている、構成を有している。
【００２７】
この構成により、本発明は、電気信号とスピン波を変換する際のエネルギー効率を向上させることができる。
【００２８】
（５）また、本発明は、
前記第３構造層が、
前記入力信号の入力に伴い変形し、
前記第２構造層が、
前記第３構造層の変形に伴って、前記第１領域の磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、構成を有している。
【００２９】
この構成により、本発明は、圧電体により第３構造層を構成することで、第１領域にてスピン波を励起することができるので、情報処理デバイスの構成を簡略化できるとともに、ビアホール内に圧電体を埋め込む構成とすれば、電気信号とスピン波相互間の変換効率を向上させることができる。
【００３０】
（６）また、本発明は、
前記第３構造層が、
前記入力信号の入力に伴い、分極ベクトルが変化し、
前記第２構造層が、
前記第３構造層における分極ベクトルの変化に伴って生じる電気磁気効果に起因して磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、構成を有している。
【００３１】
この構成により、本発明は、誘電体により第３構造層を構成することで、第１領域にてスピン波を励起させることができるので、情報処理デバイスの構造を簡略化することができるとともに、ビアホール内に誘電体を埋め込む構成とすれば、電気信号とスピン波相互間の変換効率を向上させることができる。
【００３２】
（７）また、本発明は、
前記ビアホール内に埋め込まれた材料が、
前記入力信号の入力に伴い、スピン偏極電子流を生じ、
前記第２構造層が、
前記ビアホール内の材料に生じたスピン偏極電子流に伴って生じる電気磁気効果に起因して磁気異方性が変化することにより前記第１領域にて前記スピン波が励起される、構成を有している。
【００３３】
この構成により、本発明は、ビアホール内に重金属を埋め込む簡単な構成で、電気信号とスピン波を変換する際のエネルギー効率を向上させることができるとともに、電流信号を入力信号に用いることができる。
【００３４】
（８）また、本発明は、前記ビアホール内に埋め込まれた材料が、
前記入力信号の入力に伴い、トンネル磁気抵抗効果により、スピンの歳差運動を生じ、
前記第３構造が、
当該スピンからの漏えい磁場、或いは、当該スピンによるスピン間交換相互作用により磁気異方性が変化することによって、前記第１領域にて前記スピン波が励起される、構成を有している。
【００３５】
この構成により、本発明は、ビアホール内に磁気トンネル接合素子を設けることにより、電気信号とスピン波を変換する際のエネルギー効率を向上させることができるとともに、信号の入出力に電流信号を用いることができる。
【００３６】
（９）また、本発明は、
前記第２電極に対して、直流バイアス電流を印加する電流印加手段を更に備える、構成を有している。
【００３７】
この構成により、本発明は、直流バイアス電流を印加することによって、出力領域におけるスピンの動きを正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本願の一実施形態における情報処理デバイスの一構成例を示す構成図である。
【図２】一実施形態の情報処理デバイスにおける入力領域及び出力領域の断面構造の一例を示す図である。
【図３】一実施形態において実行されるシミュレーションの条件（シミュレーション条件）を説明するための図である。
【図４】一実施形態においてシミュレーションに用いたスピン波励起用の信号を説明するための図である。
【図５】一実施形態のシミュレーションにおいて、Ｅｘｃｉｔｅｒ１に設けられた入力用電極に１回励起信号を入力した場合に、各Ｄｅｔｅｃｔｏｒの領域にて検出されたスピン波の空間分布を示す図である。
【図６】一実施形態のシミュレーションにおいてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に設けられた入力用電極に対して２回励起信号を入力した際に励起されるスピン波の空間分布を示す図である。
【図７】一実施形態のシミュレーションにおけるスピン波のｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図である。
【図８】一実施形態のシミュレーションにおいてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極に２回励起信号を入力した場合に、各Ｄｅｔｅｃｔｏｒの領域において検出されるスピン波のｓｘ成分とその包絡線を示す図である。
【図９】一実施形態の情報処理デバイスを用いたリザバーコンピューティングのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】一実施形態のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の変形例２における情報処理デバイスの構成を示す図である。
【図１２】変形例２におけるビアホール内部の構成例を示す断面図（その１）である。
【図１３】変形例２におけるビアホール内部の構成例を示す断面図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下の実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００４０】
［１］情報処理デバイス
まず、図１を用いてスピン波を用いてリザバーを用いたコンピューティング（以下、「リザバーコンピューティング」という。）を実現するための情報処理デバイス１について説明する。なお、図１は、本実施形態の情報処理デバイス１の一構成例を示す図である。
【００４１】
本実施形態の情報処理デバイス１は、複数の信号が同時に入力された場合に、直前のスピン分布状態や各信号の相互作用を通して新たなスピン波を形成して（励起及び伝播）、これを複数の箇所にて検出を行い、同時に複数の信号を出力することにより、多入力・多出力型の入出力形態を実現し、リザバーとして機能するものである。
【００４２】
具体的には、本実施形態の情報処理デバイス１は、図１に示すように、グランドに接続された導電性基板１１の上に積層されたガーネット薄膜１２と、このガーネット薄膜１２上に積層された磁電カップリング層１３を有し、物質波としてスピン波を用いて、多入力・多出力型のリザバーを実現するためのデバイスである。
【００４３】
従来のロジック回路においては、信号を同時に多数入力することができないので、ニューロン型の入出力形態（すなわち、多入力・多出力）を実現しようとすると、入力信号を１つずつメモリに書き込み、全信号の書き込み後にメモリを同時に読み出す（重み付け総和をとる）という出力工程を経る必要がある。
【００４４】
このため、ロジック回路を用いた従来型のニューラルネットワークは、刻一刻と変化するデータを扱うために、膨大な量のメモリが必要となり、回路規模の縮小が困難である。また、物理的な配線も行わければならず、配線爆発の問題が生じるとともに、回路規模が増大し、消費電力も増大してしまう。
【００４５】
一方、リザバーを実現する方法としては、レーザを用いたものがあるが、極小化や低消費電力化の観点から実現されていない。
【００４６】
そこで、本実施形態の情報処理デバイスは、スピン波の伝搬という物理現象によって多入力及び他出力のデバイスとして構成し、入力に対して発生する物理現象に基づいて出力を決定するリザバーとしての機能を実現するとともに、規模の増大を防止しつつ、低消費電力化を実現している。
【００４７】
ガーネット薄膜１２は、例えば、Ｔｍ３Ｆｅ５Ｏ１２及びＹ３Ｆｅ５Ｏ１２等のフェリ磁性体又は強磁性体により構成され、後述する入力領域において磁電カップリング層１３により励起されたスピン波を、伝搬させる伝達媒体として機能する。
【００４８】
磁電カップリング層１３は、例えば、圧電体や強誘電体により構成され、ガーネット薄膜１２に接する界面１３１と反対側の面１３２が各種信号の入出力面（以下、この面を「入出力面１３２」という。）となっている。
【００４９】
そして、磁電カップリング層１３は、入出力面１３２に複数の入力用電極１４と複数の出力用電極１５が形成可能な構造を有している。
【００５０】
入力用電極１４及び出力用電極１５は、その大きさ、数及び配置方法を自由に決めて入出力面１３２上の任意の領域に配設できるようになっている。すなわち、本実施形態の情報処理デバイス１は、物理的な制限を除き、入出力面１３２の面内であれば、好きな位置に好きな大きさの電極を好きな数だけ設置することができるようになっている。
【００５１】
特に、本実施形態の情報処理デバイス１を実際に利用する場合には、入出力のバリエーションを最も多く取れる配置を探し、目的のコンピューティング内容に合致するように入力用電極１４及び出力用電極１５の位置、大きさ及び数を最適化しつつ、電極を配置することが望ましい。
【００５２】
例えば、情報処理デバイス１により、１００入力・１００出力の入出力形態を実現する場合には、入出力面１３２に２００個以上の電極を設け、目的のコンピューティング内容に応じて、その中から、入出力のバリエーションを最も多く取れる配置を探しつつ、１００個の電極を入力用電極１４に選択するとともに、１００個の電極を出力用電極１５として選択して使用するようにすればよい。
【００５３】
また、この場合には、目的のコンピューティング内容に応じて各電極の位置及び大きさを、適切に設定することが望ましい。
【００５４】
さらには、入出力面１３２内に多数の電極を予め配置し、その中から、目的のコンピューティングに応じて、所定の電極を入力用電極１４及び出力用電極１５として用いるようにしてもよい。
【００５５】
この場合には、例えば、必要な出力数よりも多くの電極を出力用電極１５に割り当て、当該電極からの出力信号を外部回路にて利用しつつ、学習を行った結果、誤差が所定値を下回る電極の組み合わせを出力用電極１５として選択し、他の電極に関しては利用しないようにすることもできる。すなわち、当初設定した出力用電極１５から実際に出力用電極１５として用いる電極を取捨選択するようにしてもよい。
【００５６】
一方、入力用電極１４及び出力用電極１５の材質については、任意であり、例えば、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の各種金属により構成することができる。
【００５７】
そして、各入力用電極１４及び出力用電極１５には、図示せぬ外部回路が電気的に接続されており、この外部回路から入力用電極１４に対して電気信号が供給されるようになっている。
【００５８】
なお、図１には、入出力面１３２上に所定の大きさの入力用電極１４及び出力用電極１５をランダムに所定数配置した場合の電極配置例を示している。また、例えば、本実施形態の入力用電極１４及び出力用電極１５は、それぞれ、本発明の「第１電極」及び「第２電極」を構成する。
【００５９】
磁電カップリング層１３は、外部回路から入力用電極１４に対して電気信号が入力されると、ガーネット薄膜１２において入力用電極１４の設置領域に対応する領域（「入力領域」という。）の性質を局所的に変化させ、当該入力領域内にスピン波を励起させる機能を有している。
【００６０】
特に、入力領域において励起されたスピン波は、ガーネット薄膜１２において出力用電極１５の設置領域（以下、「出力領域」という。）までガーネット薄膜１２内を伝搬し、出力領域にて、再度電気信号に変換されて、出力用電極１５から出力される。すなわち、入力信号に対応する出力信号が、外部回路（各種の処理を実行する回路）に供給されることとなる。
【００６１】
また、この構成により、本実施形態の情報処理デバイス１は規模を増大させることなく、多入力・多出力の入出力形態を実現し、リザバーコンピューティングを行う際の低消費電力化を実現することができるようになっている。
【００６２】
なお、例えば、本実施形態の入力領域及び出力領域は、それぞれ、本発明の「第１領域」及び「第２領域」に相当する。また、本実施形態の情報処理デバイス１に印加される外部磁界については後述する。
【００６３】
［２］ガーネット薄膜におけるスピン波の励起原理
次に、図２を用いてガーネット薄膜１２においてスピン波が励起される原理について説明する。
【００６４】
なお、図２は、本実施形態の情報処理デバイス１において入力用電極１４及び出力用電極１５の設置領域における情報処理デバイス１の断面構造を示す図である。特に、図２は、方法１を実現する場合における断面構造（図２（ａ））、及び、方法２を実現する場合における断面構造（図２（ｂ））を示す図である。
【００６５】
本実施形態の情報処理デバイス１においては、マイクロストリップアンテナを用いることなく、入力領域において局所的なスピン波を励起させる方法を採用している。
【００６６】
具体的には、本実施形態の情報処理デバイス１においては、
（１）磁電カップリング層１３を構成する物質と、ガーネット薄膜１２を構成する物質の電子軌道の相互作用に起因するＭＥ効果（電気磁気効果）を用いて、入力領域にスピン波を励起する方法、または、
（２）フェリ磁性体としてのガーネット薄膜１２の入力領域に結晶の局所的歪みを与えることにより入力領域の一軸磁気異方性を変化させて、スピン波を励起する方法
を採用している。なお、ＭＥ効果とは、スピンの方向が変化すると分極が変化し、電場が変化するとスピンの方向が変化する現象をいうが、ＭＥ効果自体は周知であるため詳細を省略する。
【００６７】
上記の（１）の方法を採用する場合には、例えば、図２（ａ）に示すようにガーネット薄膜１２上に強誘電体により構成される磁電カップリング層１３を積層し、磁電カップリング層１３の入出力面１３２上に入力用電極１４及び出力用電極１５を設ける。そして、入力用電極１４に対して、電気信号（入力信号）としての電圧信号が入力される。
【００６８】
この構成により、入力用電極１４に電圧信号が入力された時点で、界面１３１の入力用電極１４直下の領域において磁電カップリング層１３の電子軌道と、ガーネット薄膜１２の電子軌道の相互作用が生じ、ＭＥ効果によりガーネット薄膜１２のスピンが変化して、入力領域にてスピン波が励起される。
【００６９】
また、このようにして励起されたスピン波は、ガーネット薄膜１２内を出力領域まで伝搬し、出力領域にて磁電カップリング層１３の電子軌道と、ガーネット薄膜１２の電子軌道の相互作用が生じ、当該スピン波が電圧信号に変換されて、出力用電極１５から当該電圧信号が出力信号として出力される。
【００７０】
一方、上記の方法２を採用する場合には、例えば、図２（ｂ）に示すようにガーネット薄膜１２上に圧電体により構成される磁電カップリング層１３を積層し、磁電カップリング層１３の入出力面１３２上に入力用電極１４及び出力用電極１５を設ける。そして、入力用電極１４に対して、電気信号（入力信号）としての電圧信号が入力される。
【００７１】
この構成により、入力用電極１４に電圧信号が入力された時点で、入力用電極１４と導電性基板１１の間に電界が発生し、磁電カップリング層１３において入力用電極１４の配設された領域が収縮する。
【００７２】
したがって、ガーネット薄膜１２の入力領域においては、結晶構造に歪みが生じ、結晶の磁気異方性が変化してスピン波が励起され、出力領域まで伝搬するようになっている。
【００７３】
そして、伝搬したスピン波により、ガーネット薄膜１２と磁電カップリング層１３の相互作用が生じ、出力領域にてスピン波が再度電圧信号に変換され、出力用電極１５から当該電圧信号が出力信号として出力される。
【００７４】
また、材料が強誘電体としての性質と圧電体としての性質を併せ持つことがあるが、どちらの性質が作用した場合においても電圧信号により入力領域にてスピン波を励起させ、伝搬したスピン波を再度電圧信号に変換することが可能である。
【００７５】
この結果、本実施形態の情報処理デバイス１は、大きなアンテナを搭載することなく、電圧信号とスピン波の相互変換が行えるので、規模が大きくなることを防止することができる。
【００７６】
なお、磁電カップリング層１３の構造に関しては、図２に例示する構造には限定されない。例えば、入力用電極１４及び出力用電極１５の設置直下領域にビアホール１６を設ける構成としてもよいが、詳しくは変形例の項にて説明する。
【００７７】
また、情報処理デバイス１に、より確実に、空間に対して非対称であり、かつ、非線形干渉を起こすスピン波を励起させるために、外部直流磁場を印加してもよい。
【００７８】
ここで、現在までに提案されているスピン波を利用するデバイスは、スピン波の線形干渉を用いるものが多い。
【００７９】
すなわち、このような従来のデバイスでは、線形干渉を生じさせるために０．１〜０．２Ｔ程度の比較的強い磁場を印加してスピン波を励起させることでスピン波の線形干渉を生じさせている。
【００８０】
しかしながら、実際にリザバーに適用する場合には、出力の多様性が求められるため、磁電カップリング層１３により励起されるスピン波は、線形干渉を起こすものよりも非線形干渉を起こすものの方がより好ましい。
【００８１】
ここで、ガーネット薄膜１２における各スピンは、＋ｚ軸方向に対して、０．１〜０．２Ｔ（テスラ）程度の比較的強い外部直流磁場が印加されている状態では、直流磁場が有効磁場内で支配的になるので、スピンがｚ軸方向に揃い、円錐角の小さな安定した歳差運動を行い、磁電カップリング層１３により励起されるスピン波の綺麗な線形干渉が生じる。このとき、各スピンの傾きは、面内方向に対する成分で０．１〜０．２％程度である。
【００８２】
一方、＋ｚ方向に印加される直流磁場が小さくなると、これに伴い、直流磁場方向への復元力が小さくなり、すべての領域、あるいは、ある程度の領域においてガーネット薄膜１２内のスピンの傾き（すなわち、図２左右方向、又は、紙面垂直方向の傾き）が、大きくなる。
【００８３】
このようにして、スピンの傾きが大きくなると、そのスピンが作るダイポール磁場が他のスピンに作用する有効磁場を＋ｚ方向から乖離させ、これにより、さらに周りのスピンの有効磁場が＋ｚから乖離し、有効磁場の分布が変動し続けることとなる。
【００８４】
このため、各スピンは、常に有効磁場がぐらついた状態となる。すなわち、時々刻々と変化する有効磁場を中心に回転をしようとするもの、その際にまた有効磁場が変化する、という非常に不安定な回転運動を続けることとなる。
【００８５】
この結果、一つのスピンの傾きが大きくなると、それが他のスピンの有効磁場を変化させ、それがまた自らのスピンの有効磁場を変化させる正のフィードバックが進行することになり、ガーネット薄膜１２において非対称かつ非線形干渉を生じるスピン波が励起されることとなる。
【００８６】
そこで、本実施形態においては、図１に示すように、情報処理デバイス１に印加する直流磁場を、
（１）＋ｚ方向に０．０３Ｔ（テスラ）、
（２）＋ｙ方向に０．０００１Ｔ、
の比較的弱い値とし、非対称かつ非線形干渉を起こすスピン波を励起・伝播させる構成を採用することとした。
【００８７】
例えば、本実施形態の構成を採用する場合には、上記の形態で外部磁場を印加することにより、面内方向の成分で３〜１０％程度スピンが傾くので、非対称かつ非線形性の干渉を生じるスピン波を励起させることができる。
【００８８】
そして、本実施形態の情報処理デバイス１は、図１に示すような外部直流磁場が印加されることによって、ガーネット薄膜１２において非対称かつ非線形の干渉を生じるスピン波を励起させることができるので、リザバーコンピューティングを行う際における出力の多様性を確保することができるようになっている。
【００８９】
なお、図１に示す直流外部磁場の印加形態（方向及び大きさ）はあくまでも一例であり、ガーネット薄膜１２及び磁電カップリング層１３として利用する材質に応じて、情報処理デバイス１に印加する磁場を変更することが望ましい。
【００９０】
この場合には、磁場の強さをスピン波の非線形干渉が生じる程度に調整するようにすることが必要となる。例えば、ガーネット薄膜１２として用いる材料に応じて、後述する（式１）の磁化ベクトル（Ｍ）やダンピング定数（α）の大きさが変化するので、利用する材料に応じて、適切に直流磁場の大きさを調整することが望ましい。
【００９１】
また、利用する材料によっては外部磁場をなくして初めて非線形干渉が起きるような物質も想定されるので、この種の材料を利用する場合には、外部磁場を印加しない構成とすることも可能である。
【００９２】
さらに、上記のように＋ｙ方向に弱い磁場を印加することにより、励起されるスピン波の特性（非対称性と非線形干渉性）を向上させ、リザバーとしての性能を向上させることができるが、＋ｙ方向に磁場を印加すること自体は本発明に必須の要件ではなく、非対称かつ非線形干渉を生じるスピン波を励起させることができれば、＋ｙ方向に外部磁場を印加することは必ずしも必要とならない。
【００９３】
また、本実施形態の情報処理デバイス１は、従来の磁気バブル技術を用いることにより、当該情報処理デバイス１と一体化されたモジュールによって外部直流磁場を印加する構成を有している。ただし、外部直流磁場を印加する構造についてはこの限りでない。
【００９４】
さらに、本実施形態においては、＋ｚ方向及び＋ｙ方向の両方向に対して、個別に外部直流磁場を印加する構成とすることもできるが、＋ｚ方向に対して、０．０３Ｔの外部直流磁場を印加する際に、外部直流磁場の印加方向を＋ｙ方向に１°チルトさせる（傾ける）ことによっても、上記の態様にて情報処理デバイス１に外部直流磁場を印加することができるようになっている。
【００９５】
［３］リザバーを利用したコンピューティングのシミュレーション結果
次に、上記構成を有する情報処理デバイス１により、リザバーコンピューティングの実現可能性についてシミュレーションした結果について説明する。
【００９６】
［３．１］シミュレーション条件
［３．１．１］シミュレーションに用いた情報処理デバイス
まず、図３を用いて本実施形態におけるシミュレーションに用いた情報処理デバイス１について説明する。
【００９７】
なお、図３は、本実施形態におけるシミュレーション条件を説明するための図である。特に、図３は、シミュレーション用の情報処理デバイス１におけるガーネット薄膜１２の構成、情報処理デバイス１に印加する外部磁場の方向及び強度の関係、及び、本シミュレーションにおけるスピン波の励起位置及び検出位置の配置を説明するための図である。また、図３（ｃ）においてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２は、スピン波の励起位置、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１、２及び３は、スピン波の検出位置を示している。
【００９８】
本シミュレーションにおいては、図３（ａ）に示すように、２０μｍ×２０μｍ×１００ｎｍの平面構造のガーネット薄膜１２を用いて構成される情報処理デバイス１を用いた。
【００９９】
なお、図示はしていないが、図３（ａ）に示すガーネット薄膜１２の下には導電性基板１１が形成され、グランドに接続されているとともに、ガーネット薄膜１２上には磁電カップリング層１３が積層されている。
【０１００】
また、この情報処理デバイス１においては、
（１）図３（ａ）において薄いグレーで示される内側の１９μｍ×１９μｍ×１００ｎｍの伝搬領域と、
（２）外側の濃いグレーの減衰領域と、
にガーネット薄膜１２を分け、内側の伝搬領域のダンピング定数を０．００１、外側の減衰領域のダンピング定数を１とした。
【０１０１】
特に、ダイナミクスは、下記の（式１）のＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式により表される。ただし、（式１）において、Ｍは、磁化ベクトル、Ｈｅｆｆは、有効磁場、γはジャイロ磁気定数、αは、ダンピング定数、Ｍｓは、飽和磁化（磁化ベクトルの大きさ、スカラー量）である。なお、ここでいう「磁化」とは、「スピン」と同義に解釈して差し支えない。
【０１０２】
【数１】
2019134100.tif 000003
【０１０３】
なお、（式１）の右辺第一項がスピンの歳差運動を示し、第二項がＨｅｆｆに向かう制動項、すなわち歳差運動の減衰項を示している。また、（式１）において、γの次元は、ｒａｄ／ｓＴ（ラジアン／（秒×テスラ））である。
【０１０４】
この構成により入力領域（Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２）にて励起されたスピン波が、内側の領域を著しく減衰することなく伝搬するとともに、外側の領域まで伝搬した時点で速やかに減衰することとなる。
【０１０５】
この結果、ガーネット薄膜１２の端部において、スピン波が反射して、シミュレーション結果に誤差が生じることを防止することができるようになっている。
【０１０６】
なお、情報処理デバイス１においては、端面反射が生じてもリザバーとしての機能に大きな問題が生じないので、図３（ａ）のように、ガーネット薄膜１２にダンピング定数の異なる２つの領域を設けることは必須とならないが、本シミュレーションにおいては、反射波の影響を除去するため、図３（ａ）のような構成のガーネット薄膜１２を有する情報処理デバイス１を用いている。
【０１０７】
なお、この情報処理デバイス１においては、以下の設定をしてシミュレーションを行った。
（１）ガーネット薄膜１２の飽和磁化ＭＳを、１００ｋＡ／ｍに設定
（２）交換剛性定数ＡＥＸを、３．７×１０−１２Ｊ／ｍに設定
（３）ガーネット薄膜１２の全領域を直交座標系に沿って１０ｎｍ×１０ｎｍ×５０ｎｍの体積を有するスモールメッシュに分割
（４）シミュレーション温度を０Ｋに設定
（５）ほぼすべてのスピン方向を＋ｚ方向に沿わせる（具体的には、９９．９９％）初期化操作を行った後、情報処理デバイス１に印加する外部直流磁場を、図３（ｂ）に示すように＋ｚ方向に０．０３Ｔ、＋ｙ方向に０．０００１Ｔまで緩和させる操作を実行
【０１０８】
なお、初期化操作において、スピンの方向を＋ｚ方向に沿わせたのは、本シミュレーションにおいて、例えばこの直流磁場をいきなり印加すると、これにより全体のスピン分布が変わってしまいシミュレーション結果に影響を与える可能性がある可能性があるので、これを防止するためである。具体的には、直流磁場により、Ｅｘｃｉｔｅｒ以外の領域のスピンが変化すると、観測された現象が直流磁場の印加に起因した現象であるのか、スピン波の励起・伝播に起因した現象であるのか判別できなくなる可能性があるため、このような事態を防止するため、直流磁場によってスピンが動くことを初期化操作により防止した。
【０１０９】
なお、スピンは、スモールメッシュのコーナー部分に位置することとなる。
【０１１０】
また、図３（ａ）におけるｘ軸とｙ軸の交点（０，０）は、図３（ｂ）におけるｘ軸とｙ軸の交点（０，０）の座標と位置を合わせてある。
【０１１１】
そして、図３（ｂ）のＥｘｃｉｔｅｒ１及び２の位置に中心が合うように直径２５０ｎｍの入力用電極１４を設けるとともに、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１、２及び３の位置に中心が合うように直径１００ｎｍの出力用電極１５を設けた。
【０１１２】
具体的には、図３（ｂ）に示すように、（１μｍ，０）及び（−１μｍ，０）の位置に、それぞれ、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４を設けるとともに、（０，０）点の位置にＤｅｔｅｃｔｏｒ２、（０，１μｍ）の位置にＤｅｔｅｃｔｏｒ１、（０，−１μｍ）の位置にＤｅｔｅｃｔｏｒ３に対応する出力用電極１５を設けた。
【０１１３】
なお、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２の位置に設けられる入力用電極１４の設置領域に対応するガーネット薄膜１２上の領域は、上記入力領域として機能し、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の位置設けられる出力用電極１５の設置領域に対応するガーネット薄膜１２上の領域は、上記出力領域として機能する。
【０１１４】
そして、図３（ａ）に示すように、外部直流磁場（すなわち、＋ｚ方向に０．０３Ｔ、＋ｙ方向に０．０００１Ｔ）を印加した状態で、入力用電極１４にスピン波励起用の電圧信号を入力し、入力領域におけるガーネット薄膜１２のｚ方向垂直一軸磁気異方性Ｋｕ（以下、「一軸磁気異方性Ｋｕ」という。）を変化させることにより、入力領域にてスピン波を励起させ、情報処理デバイス１におけるスピン波の特性を評価した。
【０１１５】
［４．１．２］シミュレーションに用いたスピン波励起用の信号
次に、図４を用いて本シミュレーションに用いたスピン波励起用の信号について説明する。
【０１１６】
なお、図４は、本シミュレーションにおいて用いたスピン波励起用の信号を説明するための図である。特に、図４（ａ）は、ガーネット薄膜１２において１回のみスピン波を励起させる場合に用いるスピン波励起用の信号を説明するための図であり、図４（ｂ）は、ガーネット薄膜１２において、２回、スピン波を励起させる場合に用いるスピン波励起用の信号を説明するための図である。
【０１１７】
また、図４においては、時間軸（横軸）の開始位置を０点とするとともに、横軸に対して１ｎｓ（ナノ秒）毎に目盛を付している。
【０１１８】
（ガーネット薄膜において１回のみスピン波を励起させる場合）
この場合には、Ｅｘｃｉｔｅｒの領域における一軸磁気異方性Ｋｕを、図４（ａ）のように変化させるための電圧信号（以下、「１回励起信号」という。）をＥｘｃｉｔｅｒの位置に設置された入力用電極１４に入力した。
【０１１９】
このとき、図４（ａ）において一軸磁気異方性ＫｕをＫｕＬに維持する１ｓｔの区間の時間長が３ｎｓ（ナノ秒）、その後、一軸磁気異方性Ｋｕの値がＫｕＨに維持されるように１回励起信号の電圧値を制御した。
【０１２０】
（ガーネット薄膜においてスピン波を２回励起させる場合）
この場合には、一軸磁気異方性Ｋｕを、図４（ｂ）に示すように２回ステップの形態にて変化させるための電圧信号（以下、「２回励起信号」という。）をＥｘｃｉｔｅｒの位置に設置された入力用電極１４に入力した。
【０１２１】
このとき、
（１）Ｋｕ＝ＫｕＬとする１ｓｔの区間の時間長が３ｎｓ、
（２）Ｋｕ＝ＫｕＨとする２ｎｄの時間長がＸｎｓ（以下、このＸの値を「Ｘ値」という。）、
（３）Ｋｕ＝ＫｕＬとする３ｒｄの区間の時間長が３ｎｓ、及び、
（４）Ｋｕ＝ＫｕＨとする４ｔｈの区間の時間長が６ｎｓ、
となるように入力用電極１４に入力する２回励起信号の電圧値を制御した。
【０１２２】
なお、図４（ｂ）には、Ｘ値を「３ｎｓ」とした場合における一軸磁気異方性Ｋｕの変化状態を示している。
【０１２３】
また、Ｅｘｃｉｔｅｒ領域に設置された入力用電極１４に入力する電圧信号の電圧値については、任意であるが、ガーネット薄膜１２及び磁電カップリング層１３として用いる材質に合わせて、ＫＵＬ＝１ｋＪ／ｍ３、ＫＵＨ＝１０ｋＪ／ｍ３となるように適切に電圧値を設定してある。
【０１２４】
さらに、図４（ａ）及び（ｂ）に示す一軸磁気異方性Ｋｕの変化は、入力領域における変化であって、Ｅｘｃｉｔｅｒに対応する領域以外の領域では一軸磁気異方性Ｋｕが、常時ＫｕＨに維持されるようになっている。
【０１２５】
［４．２］ガーネット薄膜において励起されるスピン波
次に、上記条件にて、Ｅｘｃｉｔｅｒの位置に設置された入力用電極１４に電圧信号（すなわち、１回励起信号又は２回励起信号）を入力してスピン波を励起させ、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の位置にてスピン波のｘｙｚ成分（以下、それぞれ、「ｓｘ成分」、「ｓｙ成分」、「ｓｚ成分」という。）を検出した結果について説明する。
【０１２６】
［４．２．１］スピン波のシミュレーション結果１
まず、図５を用いてＥｘｃｉｔｅｒ１に対応する入力用電極１４に１回励起信号を入力した際に励起されるスピン波のシミュレーション結果について説明する。
【０１２７】
なお、図５は、本実施形態のシミュレーションにおいて、Ｅｘｃｉｔｅｒ１に設けられた入力用電極に１回励起信号を入力した場合に、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の領域にて検出されたスピン波の空間分布を示す図である。特に、図５（ａ）は、ｓｘ成分の空間分布を示す図であり、図５（ｂ）は、ｓｙ成分の空間分布を示す図である。
【０１２８】
最初に、情報処理デバイス１において励起されるスピン波の基本的性質を調べるため、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の位置に設置した入力用電極１４に対してのみ１回励起信号を入力し、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の領域にてスピン波を１回のみ励起させるとともに、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３に対応する出力領域にてスピン波を検出した。
【０１２９】
このとき、図５（ａ）における０点からの経過時間数ｔが「７ｎｓ」になったタイミングで、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の領域にて検出されたスピン波の空間分布を図５に示す。
【０１３０】
また、図５においては、上下方向及び左右方向のサイズをそれぞれ１０μｍとし、１０μｍ×１０μｍの領域における空間分布を示すとともに、ｘ軸及びｙ軸のそれぞれに対して、１μｍ毎に目盛を付している。
【０１３１】
さらに、図５においては、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の位置を黒い星印で示すとともにｓｘ成分及びｓｙ成分の値をカラーバーにより定義している。
【０１３２】
また、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の出力領域にて、スピン波を検出する方法は任意であり、例えば、出力用電極１５から出力される電圧信号に基づいてスピン波を検出するようにしてもよく、他の方法にて、検出するようにしてもよい。
【０１３３】
このとき、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ガーネット薄膜１２内では、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の領域にて、内径約１．２μｍ、幅約２μｍの円のようなスピン波が励起され、時間とともに広がっていく（伝搬する）様子が観測された。
【０１３４】
この場合に励起されるスピン波の振幅は、励起場所（すなわち、Ｅｘｃｉｔｅｒ１）に対して空間的に円対称ではなく、非対称な伝搬特性を有していることが判明した。
【０１３５】
具体的には、図面左右方向に対して、少し斜めに傾いた方向に振幅の大きい領域が生じるとともに、上下には、あまり振幅の大きい領域が生じなかった。
【０１３６】
条件を変化させつつ、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の位置にてスピン波を励起させてシミュレーションした結果、非対称性が、１ｓｔの時間長（図４（ａ）の場合には「３ｎｓ」）に依存しており、１ｓｔの時間長を変化させるとスピン波の形状が変化することが判明した。
【０１３７】
［４．２．２］スピン波のシミュレーション結果２
次に、図６を用いて本実施形態の情報処理デバイス１にて励起されるスピン波の干渉についてシミュレーションするため、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２の位置に２回励起信号を入力して、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２の領域における一軸磁気異方性Ｋｕを図４（ｂ）のように変化させて、スピン波の干渉をシミュレーションし、その結果を説明する。
【０１３８】
なお、図６は、本実施形態のシミュレーションにおいてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に設けられた入力用電極に対して２回励起信号を入力した際に励起されるスピン波の空間分布を示す図である。特に、図６（ａ）は、Ｘ値を「３」、信号入力開始後、７ｎｓ経過したタイミングにおけるｓｘ成分の空間分布を示す図であり、図６（ｂ）は、Ｘ値を「４」、信号入力開始後、８ｎｓ経過したタイミングにおけるｓｘ成分の空間分布を示す図であり、図５と同様に１０μｍ角の範囲において１μｍ毎に目盛を付している。
【０１３９】
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、スピン波の非対称性に加えてＸ値の変化に伴いＤｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３において検出されるスピン波の波形が変化することが観察された。
【０１４０】
また、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２のいずれか一方に２回励起信号入力し、その線形和を行った場合についてもシミュレーションしたが（図示はしない）、図６とは若干異なるスピン波が観測された。このことは、図６に示すスピン波において非線形干渉が起きていることを示唆しているが、この点については、後に詳述する。
【０１４１】
［４．３］スピン波の時間発展について
次に、図７及び図８を用いてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に対して、Ｘ値を「３ｎｓ」とする２回励起信号を入力し、本実施形態の情報処理デバイス１において励起されるスピン波の時間発展についてシミュレーションした結果について説明する。
【０１４２】
なお、図７は、スピン波のｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図である。特に、図７（ａ）は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２の領域における一軸磁気異方性Ｋｕの変化状態を示す図であり、図７（ｂ）は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１の領域におけるｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図である。また。図７（ｃ）は、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１の領域におけるｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図であり、図７（ｄ）は、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ２の領域におけるｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図である。さらに、図７（ｅ）は、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ３の領域におけるｓｘ成分及びｓｚ成分の経時変化を示す図である。そして、図７においては、ｓｘ成分を赤線にて示すとともに、ｓｚ成分を青線にて示している。
【０１４３】
また、図８は、本実施形態のシミュレーションにおいてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極に２回励起信号を入力した場合に、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の領域において検出されるスピン波のｓｘ成分とその包絡線を示す図である。特に、図８において、（ａ）は、Ｘ値を「１．５ｎｓ」に設定した状態にて、経過時間数ｔが「８〜９ｎｓ」の間に観測されるスピン波のｓｘ成分経時変化と包絡線を示し、（ｂ）は、Ｘ値を「４．５ｎｓ」に設定したときに、経過時間数ｔが「８〜９ｎｓ」の間に観測されるｓｘ成分の変化と包絡線の関係を示している。また、図８においては、ｓｘ成分を赤線にて示すとともに、その包絡線を黒線にて示している。
【０１４４】
本実施形態のシミュレーションにおいては、図７（ｂ）に示すように、スピン波の励起は、主に一軸磁気異方性ＫｕがＫｕＬからＫｕＨと変化するタイミングで起きることが分かった。
【０１４５】
Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２の領域で励起されたスピン波は、ガーネット薄膜１２内を伝搬して、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３の領域で検出されることになるが、仮に線形干渉が発生しているのであれば、Ｅｘｃｉｔｅｒ１，２から等距離にあるＤｅｔｅｃｔｏｒ１及び３における検出結果は一致するはずである。
【０１４６】
しかしながら、図７（ｃ）及び（ｅ）に示すように、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１及び３の領域にて検出されるｓｘ成分及びｓｚ成分の値は、異なっていることが図７（ｃ）及び（ｅ）から読み取れる。
【０１４７】
このことは、図６及び８において示したスピン波の空間非対称性が関わっているとともに、スピン波の間に非線形干渉が生じていることを示している。
【０１４８】
また、本シミュレーションにより、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３における波形は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１又は２のいずれか一方の領域にて得られる波形の和と異なることも判明した。
【０１４９】
また、図８（ａ）及び（ｂ）に示すｓｘ成分の包絡線からもＤｅｔｅｃｔｏｒ１及び３において検出されたｓｘ成分が異なることが確認された。
【０１５０】
さらに、図７（ａ）に示すように、このシミュレーション時間中、Ｅｘｃｉｔｅｒにおける一軸磁気異方性ＫｕがＫｕＬ→ＫｕＨとステップするタイミングが、２回ある。この１回目のステップ時に励起されるスピン波と、２回目のステップで励起されるスピン波は、Ｅｘｃｉｔｅｒ、Ｄｅｔｅｃｔｏｒ１，２，３のいずれにおいても異なっていることが図７（ｂ）〜（ｅ）から読み取れる。
【０１５１】
これは、以下のような理由に起因するものと考えられる。
【０１５２】
具体的には、１回目のステップ時においては、Ｅｘｃｉｔｅｒ以外の領域におけるスピンがほぼ面に垂直方向（＋ｚ方向）を向いていた状態で、スピン波が励起され、伝搬して、各Ｄｅｔｅｃｔｏｒに対応する領域に到達する。
【０１５３】
一方、２回目のステップ時には、一回目で励起され、伝搬したスピン波によりスピンが既にある程度分布している状態（すなわち、スピンが揺れている、又は、傾いている状態）をスピン波が伝搬して各Ｄｅｔｅｃｔｏｒの領域に到達するため、一回目で励起されるスピン波と二回目で励起されるスピン波では、その伝搬環境に差が生じるということである。
【０１５４】
この現象は、１回目のステップで励起されたスピン波により、２回目のステップで励起されたスピン波が影響を受けていることを示唆している。すなわち、この現象は、１回目のステップによって励起されたスピン波の励起・伝搬によって、ガーネット薄膜１２のスピンに履歴が残り、この履歴が２回目のステップにより励起されたスピン波に影響を与えていることを意味している。
【０１５５】
通常、原子が持つ大きさが０にはならない自発スピンをもつ磁性体において、スピンは常に何らかの方向を指している。そして、現在のスピンが、入力される信号場（ベクトル）及び到来するスピン波と相互作用して、その原子のスピンの動きが決まり、スピン波が励起・伝搬等する。
【０１５６】
また、磁性体においては、過去にスピン波が励起され、又は、伝搬した場合に、過去におけるスピン波の励起・伝搬の履歴によって決定される現在のスピン状態が、信号場とともに相互作用を決定する。
【０１５７】
このため、ガーネット薄膜１２内をスピン波が伝搬すると、どのような順番で、どのような信号が入力されたのかが、スピンの分布状態として残留し、後に入力される信号の出力結果を変化させる。
【０１５８】
ニューラルネットワークにおいては、全入力信号に対する重み付け総和をとる処理を行う例が多いが、本実施形態の情報処理デバイス１は、過去に入力された入力信号の履歴に応じて、出力信号を変化させることができるとともに、各信号の相互作用を通して新たなスピン波を形成することができるのでメモリを併設することなく、過去の記憶の重み付け総和をとる演算を行う際にも、高い適応性を発揮することができる。
【０１５９】
この結果、本実施形態の情報処理デバイス１は、規模を増大させることなく、ニューラルネットワークに対する高い適応性を確保できるリザバーとして利用することができる。
【０１６０】
また、ガーネット薄膜１２は、スピンの特性（例えば、スピンの向きや分布等）が、位置に応じて異なるという特性を有しているので、本実施形態の情報処理デバイス１においては、出力領域から出力される電気信号が、入力用電極１４及び出力用電極１５の入出力面１３２における面内位置に応じて変化する。
【０１６１】
例えば、本実施形態の情報処理デバイス１は、同じ面内位置から同じ電気信号が入力された場合においても、出力領域の面内位置が異なると、異なる信号が出力される。
【０１６２】
さらに、本実施形態の情報処理デバイス１においては、同じ出力用電極１５から出力される信号であっても入力用電極１４の面内位置が異なると違う信号が出力される。
【０１６３】
また、本実施形態の情報処理デバイス１においては、過去の入力信号に基づき励起・伝搬した、スピン波の履歴が、出力信号に反映されるので、信号の入力タイミングが異なると、同じ面内位置から同じ信号を入力し、かつ、同じ面内位置から信号を出力させる場合においても、違う信号が出力される。
【０１６４】
この結果、本実施形態の情報処理デバイス１は、多数の入力信号に対して、多種多様な出力バリエーションを実現できるので、ニューラルネットワークを実現する際においても、高い適応性を有するリザバーとして利用することができる。
【０１６５】
［４．３］リザバーコンピューティングのシミュレーション結果
次に、図９を用いて本実施形態の情報処理デバイス１を用いたリザバーコンピューティングのシミュレーション結果について説明する。
【０１６６】
なお、図９は、本実施形態の情報処理デバイスを用いたリザバーコンピューティングのシミュレーション結果を示す図である。
【０１６７】
本シミュレーションは、上記の情報処理デバイス１において、Ｅｘｃｉｔｅｒに対応する入力用電極１４に対して、それぞれ、Ｘ値の異なる複数種類の２回励起信号を入力し、非線形干渉を生じるスピン波を励起させた場合であって、当該励起されたスピン波を用いて、外部回路にて、各入力信号のＸ値を推定した場合のシミュレーションである。
【０１６８】
具体的には、本シミュレーションにおいては、まず、Ｘ値を「１．５ｎｓ」、「２．５ｎｓ」、「３．５ｎｓ」、「４．５ｎｓ」とした既知の２回励起信号（図７（ａ）参照）をトレーニングデータとしてＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に入力した。
【０１６９】
そして、２回励起信号の入力開始タイミングからの経過時間数ｔが８ｎｓとなったタイミングから９ｎｓとなるまで１ｎｓの間、各Ｄｅｔｅｃｔｏｒに対応する出力用電極１５から出力される出力信号を外部回路に入力して、当該出力信号に基づき、外部回路にＸ値の推定方法を学習させた。
【０１７０】
このとき、出力信号に基づくＸ値の推定値が、既知のＸ値（すなわち、トレーニングデータのＸ値）となるように出力信号に対して、最適な重み付けを行うための学習（すなわち、パラメータフィッティング）を外部回路に行わせた。
【０１７１】
そして、この学習の後、Ｘ値が未知の２回励起信号（具体的には、Ｘ値が「２．０ｎｓ」、「３．０ｎｓ」、「４．０ｎｓ」、となっている２回励起信号）を、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に入力して、出力信号に基づくＸ値の推定を外部回路に行わせた。
【０１７２】
以上のようにトレーニングデータ及び未知の２回励起信号をＥｘｃｉｔｅｒ１及び２に入力した際に、外部回路にて推定されたＸ値と、実際に入力した２回励起信号におけるＸ値との関係をプロットしたところ図９のような結果が得られた。
【０１７３】
なお、図９は、本実施形態の情報処理デバイス１を用いたリザバーコンピューティングのシミュレーション結果を示す図であり、実際に入力した２回励起信号のＸ値を横軸、出力信号から外部回路が推定したＸ値を縦軸に設定している。
【０１７４】
また、図９において０点から伸びる斜めの線は、実際に入力した２回励起信号におけるＸ値と、出力信号から推定されるＸ値が一致する点を結んだ線であり、この線に近ければ近いほど、実際のＸ値と推定されたＸ値の誤差が小さいことを示している。
【０１７５】
さらに、図９においてはトレーニングデータに基づく推定結果を青い四角形にて示すとともに、Ｘ値が未知の２回励起信号が入力された際におけるＸ値の推定結果を赤丸にて示している
。
【０１７６】
図９に示すように外部回路におけるＸ値の推定結果は、トレーニングデータのみならず、Ｘ値が未知の２回励起信号に関しても、実際のＸ値と推定値が低い誤差で一致することが確認された。
【０１７７】
すなわち、本実施形態の情報処理デバイス１によれば、未学習の入力信号に対しても、小さな誤差囲内で適切な推定値を与えることが実証された。
【０１７８】
この未学習の入力に対して、適切な推定値を与える能力は、汎化能力と呼ばれる。
【０１７９】
本実施形態の情報処理デバイス１は、信号を高次元空間に変換（写像）することが可能であり、その出力を用いて外部回路において学習を成功させ、未学習の信号が入力された場合にも、最も確からしい値を高い精度で推定できる汎化能力を実現できる。
【０１８０】
すなわち、本実施形態の情報処理デバイス１は、未知の信号が入力された場合にも、外部回路にて高精度な推定を実現できる。
【０１８１】
この汎化能力は、リザバーコンピューティングの特長であり、未学習の信号が入力された場合にも、外部回路におけるパラメータ・
フィッティングを成功させるために有効な高次元空間への変換（写像）を実現できる機能が求められる。
【０１８２】
したがって、以上のシミュレーション結果から、本実施形態の情報処理デバイス１は、高い精度でリザバーコンピューティングを実現できる高次元空間への写像が可能であることが実証された。
【０１８３】
なお、図９は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に２回励起信号を入力して励起されたスピン波を干渉させた場合に、経過時間数ｔ＝８〜９ｎｓの１ｎｓの間に得られるスピン波を用いてＸ値を推定した結果を示すものであった。
【０１８４】
［４．４］シミュレーションにおける条件の違いがコンピューティングに与える影響について
次に、図１０を用いて本実施形態の情報処理デバイス１を用いたリザバーコンピューティングにおける条件の違いがコンピューティングに与える影響について説明する。
【０１８５】
なお、図１０は、本実施形態のシミュレーション結果を示す図である。特に、図１０（ａ）は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極に対して２回励起信号を入力した際におけるＲＭＳＥの分布を示す図であり、図１０（ｂ）は、Ｅｘｃｉｔｅｒ１に対応する入力用電極１４に対してのみ２回励起信号を入力した際におけるＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ  Ｅｒｒｏｒｓ：二乗平均平方根誤差）の分布を示す図である。
【０１８６】
本シミュレーションは、上記の情報処理デバイス１において、上記図９における条件（すなわち、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に同時にスピン波を励起させ、経過時間数ｔが８〜９ｎｓとする条件）を変更しつつ、外部回路にて入力信号のＸ値を推定した場合のシミュレーションである。
【０１８７】
すなわち、本シミュレーションは、図９の条件に基づいた上記のシミュレーション結果において、Ｘ値の推定結果と、実際に入力された２回励起信号のＸ値が概ね一致する結果が得られたが、これらの条件が正しい推定結果を得るための必要条件であるか否かを確認するためのシミュレーションである。
【０１８８】
具体的には、本シミュレーションにおいて、上記図９における条件が、
（１）２回励起信号をＥｘｃｉｔｅｒ１のみに入力した場合、
（２）経過時間数ｔの開始タイミングを変更した場合、
（３）経過時間数ｔの観測対象時間長
（以下、「ｄｕｒａｔｉｏｎ」ともいう。）を変化させた場合、の各場合について網羅的に検証した。
【０１８９】
（ａ）経過時間数ｔ及び観測対象時間長が与える影響について
まず、上記（２）及び（３）の影響をシミュレーションするため、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に２回励起信号を同時入力し（すなわち、図９と同一条件）、経過時間数ｔの時間範囲（すなわち、経過時間数ｔのスタートタイミング及びｄｕｒａｔｉｏｎ）を変化させた。
【０１９０】
そして、各場合に、出力信号から推定されたＸ値と実際に入力された２回励起信号におけるＸ値に基づき、ＲＭＳＥを算出し、ＲＭＳＥの算出結果と開始タイミング及びｄｕｒａｔｉｏｎの関係をプロットしたところ、図１０（ａ）のような結果が得られた。
【０１９１】
また、図１０（ａ）に示すように、図９のシミュレーション条件（すなわち、開始タイミング=８ｎｓ、ｄｕｒａｔｉｏｎ＝１ｎｓ）が最もＲＭＳＥが小さいことが判明した。
【０１９２】
（ｂ）Ｅｘｃｉｔｅｒの領域で励起されるスピン波の影響について
次に、Ｅｘｃｉｔｅｒの領域で励起されるスピン波がコンピューティングに与える影響をシミュレーションするため、Ｘ値を「１．５ｎｓ」、「２．５ｎｓ」、「３．５ｎｓ」、「４．５ｎｓ」とした２回励起信号（トレーニングデータ）をＥｘｃｉｔｅｒ１に対応する入力用電極１４のみに入力して、外部回路にて、上記と同様の学習を行わせた後、Ｅｘｃｉｔｅｒ１に対応する入力用電極１４にのみ２回励起信号を入力した。
【０１９３】
そして、開始タイミング及びｄｕｒａｔｉｏｎの影響をシミュレーションするため開始タイミング及びｄｕｒａｔｉｏｎを変化させつつ、外部回路にて推定されるＸ値と、実際の入力信号に対応するＸ値に基づきＲＭＳＥを算出し、各場合におけるＲＭＳＥをプロットした結果、図１０（ｂ）のような結果が得られた。
【０１９４】
特に、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すようにＥｘｃｉｔｅｒ１に対応する入力用電極１４のみに２回励起信号を入力した場合には、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４に２回励起信号を入力した場合と比較して、全ての条件で誤差が大きくなることが判明した。
【０１９５】
以上のミュレーション結果から、Ｅｘｃｉｔｅｒ１及び２に対応する入力用電極１４対して、２回励起信号を同時に入力し、非線形干渉を起こすスピン波を励起させることが、推定結果の正確性を向上させ、リザバーコンピューティングに対する高い適応性を確保する上で、非常に重要であることが判明した。
【０１９６】
また、当該シミュレーション結果から、非対称かつ非線形干渉を起こすスピン波を励起できる本実施形態の情報処理デバイス１がリザバーコンピューティングに高い適応性を有することが確認された。
【０１９７】
［５］変形例
［５．１］変形例１
上記実施形態においては、情報処理デバイス１単体で、入力信号を変換して出力する構成について説明したが、ニューラルネットワークを実現するため、外部回路と組み合わせて１つのシステム（すなわち、リザバーコンピューティングを実現するシステム）を構成するようにしてもよい。
【０１９８】
［５．２］変形例２
次に、図１１〜図１３を用いて、本発明の変形例２について説明する。なお、図１１は、本変形例における情報処理デバイス１の構成を示す図であり、図１２及び図１３は、ビアホール内部の構成を示す断面図である。
【０１９９】
上記実施形態においては、磁電カップリング層１３として加工のない平面構造のものを用いる構成を採用しているが、本変形例の情報処理デバイス１においては、図１１に示すように、磁電カップリング層１３において入力用電極１４及び出力用電極１５の設置領域直下にビアホール１６を設ける構成を採用してもよい。
【０２００】
具体的には、各ビアホール１６には、他の材料を埋め込み、素子を作り込む構成を有している。また、ビアホール１６内の具体的な構成としては、図１２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）、並びに、図１３（ａ）及び（ｂ）のような５通りの構成を採用することができる。
【０２０１】
＜構成パターン１＞
この構成は、図１２（ａ）に示すようにビアホール１６内において、磁電カップリング層１３と接する部位に絶縁膜を設け、絶縁膜に峡持される領域に、強誘電体を埋め込む構成である。
【０２０２】
この構成を採用した場合には、入出力として電圧信号を用いることが必要となる。そして、入力用電極１４に電圧信号が入力されると、入力用電極１４直下の磁気異方性が変化して、スピン波が励起され、伝搬し、出力領域にて再度電圧信号に変換されて出力用電極１５から出力されることとなる。
【０２０３】
なお、この構成により、電束の面内に対する広がりが抑えられ、効率の良い変換が実現することができる。
【０２０４】
＜構成パターン２＞
この構成は、図１２（ｂ）に示すようにビアホール１６内において、磁電カップリング層１３と接する部位に絶縁膜を設け、絶縁膜に峡持される領域に、圧電体を埋め込む構成である。
【０２０５】
この構成を採用した場合にも、入出力には電圧信号を用いることが必要となる。そして、入力用電極１４に電圧信号が入力されると、入力用電極１４直下の圧電体が変形し、入力領域にてガーネット薄膜１２の一軸磁気異方性Ｋｕが変化してスピン波が励起され、出力用電極１５から電圧信号が出力される。
【０２０６】
この構成により、電束の面内に対する広がりを抑制し、圧電体の体積変化の逃げも少なくできるので電圧信号とスピン波の間の変換を行う際のエネルギー損失を低減させることができる。
【０２０７】
＜構成パターン３＞
この構成は、図１２（ｃ）に示すようにビアホール１６内において、磁電カップリング層１３と接する部位に絶縁膜を設け、絶縁膜に峡持される領域に、逆磁歪強磁性体と圧電体を積層して埋め込む構成である。
【０２０８】
この構成を採用した場合においても、入出力には電圧信号を用いることが必要となる。そして、入力用電極１４に電圧信号が入力されると、入力用電極１４直下領域にて圧電体が変形する。また、圧電体の体積変化を、高い磁気歪みをもつ逆磁歪強磁性体材料のスピン方向変化に変換する。そして、このスピンからの漏えい磁場、或いは、層を越えたスピン間交換相互作用をガーネット薄膜１２が受け、入力領域にてスピン波が励起され、伝搬して、出力用電極１５から電圧信号が出力される。
【０２０９】
すなわち、本構成においては、磁気的相互作用、或いは、局所電子間相互作用を利用してスピン波が励起される。
【０２１０】
この構成により、電圧信号とスピン波を相互変換する際のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０２１１】
＜構成パターン４＞
この構成は、図１３（ａ）に示すようにビアホール１６内において、磁電カップリング層１３と接する部位に絶縁膜を設け、絶縁膜に峡持される領域に、重金属を充填する構成である。
【０２１２】
この構成を採用する場合には、図１３（ａ）に示すように絶縁膜に峡持される領域に絶縁膜により構成される隔離壁を設ける。
【０２１３】
また、本構成の場合には、重金属として、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）
などを用いることができる。
【０２１４】
さらに、本構成の場合には、入力を電流信号により行い、出力は電圧信号により行うことが必要となる。
【０２１５】
一方、本構成では、入力用電極１４及び出力用電極１５をそれぞれ、２つの端子により構成することが必要となる。
【０２１６】
重金属は、スピン軌道相互作用が大きいためスピン偏極電子流を生成できる。そして、本構成では、重金属を流れる電流の向きに応じて、ガーネット薄膜１２表面に流れるスピンの向きを変化させることでスピン波が励起され、伝搬して、出力用電極１５から電圧信号が出力される。
【０２１７】
この構成により、スピン波を伝搬する強磁性体と圧電体との変換効率を高めることができ、電気信号とスピン波を相互変換する際のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【０２１８】
＜構成パターン５＞
この構成は、図１３（ｂ）に示すようにビアホール１６内において、磁電カップリング層１３と接する部位に絶縁膜を設け、絶縁膜に峡持される領域に、強磁性体と、トンネル磁性膜、金属配線を積層する構成である。
【０２１９】
この構成によれば、強磁性トンネル接合により、スピン波を励起することができる。なお、強磁性トンネル接合とは、強磁性体、トンネル絶縁膜、強磁性体から成る三層構造で上部下部の磁性体のスピン方向によって抵抗が変化する素子のことである。
【０２２０】
また、この構成では、強磁性体は導電のものを用いることが必要になり、入出力をともに、電流信号により行うことが必要となる。
【０２２１】
さらに、この構成では、出力側に直流バイアス電流を印加した構成とする。この構成により出力領域におけるスピンの動きを検出することができる。
【０２２２】
また、この構成では、入力用電極１４及び出力用電極１５をそれぞれ、２つの端子により構成することが必要となる。
【０２２３】
そして、この構成により、磁気的相互作用、あるいは局所電子間相互作用を利用することで、電流の向きによってトンネル接合下部の強磁性体のスピンが歳差運動をして、このスピンからの漏えい磁場、或いは、層を越えたスピン間交換相互作用をガーネット薄膜１２が受けて、スピン波が励起され、伝搬して、出力用電極１５から電流信号が出力されることとなる。
【０２２４】
また、この構成により、直流電流で共振現象を起こすことが可能であり、直流−交流変換として、スピン波の励起を交流入力で永続的に持続させることも期待できる。
【０２２５】
［５．３］変形例３
上記実施形態においては、ガーネット薄膜１２により情報処理デバイス１を構成したが、強磁性体金属合金、強磁性酸化物、フェリ磁性体等、強磁性共鳴やスピン波を誘起可能な材質であれば、何を用いて情報処理デバイス１を構成するようにしてもよい。
【０２２６】
すなわち、入力用電極１４に対して、電気信号が入力された際に、磁電カップリング層１３により、局所的な物理特性が変化して、スピン波を励起可能なものであれば、何を利用してもよい。
【符号の説明】
【０２２７】
１  ・・・  情報処理デバイス
１１  ・・・  導電性基板
１２  ・・・  ガーネット薄膜
１３  ・・・  磁電カップリング層
１４  ・・・  入力用電極
１５  ・・・  出力用電極
１６  ・・・  ビアホール、
１３１  ・・・  界面
１３２  ・・・  入出力面
【図１】
2019134100.tif 000004
【図２】
2019134100.tif 000005
【図３】
2019134100.tif 000006
【図４】
2019134100.tif 000007
【図５】
2019134100.tif 000008
【図６】
2019134100.tif 000009
【図７】
2019134100.tif 000010
【図８】
2019134100.tif 000011
【図９】
2019134100.tif 000012
【図１０】
2019134100.tif 000013
【図１１】
2019134100.tif 000014
【図１２】
2019134100.tif 000015
【図１３】
2019134100.tif 000016