(57)【要約】【課題】発振の立ち上がりまたは立ち下がりを高速で行うことができる磁気抵抗効果発振器を提供する。【解決手段】立ち上がりにおいて、発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する電流を印加し、その後、磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように、第１の電流密度を有する電流密度未満かつ発振閾値電流密度以上である第２の電流密度を有する電流を印加する磁気抵抗効果発振器。立ち下がりにおいて、第１の電流密度を有する電流を印加し発振している状態から、第１の電流密度と逆極性の第２の電流密度を有する電流を印加して発振を消失させる磁気抵抗効果発振器。【選択図】図８ａ
2015100105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、
その後、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように、前記第１の電流密度未満かつ前記発振閾値電流密度以上である第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、前記第２の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じであることを特徴とする磁気抵抗効果発振器。
【請求項２】
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が静止状態のみが安定となる領域に位置している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加することを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果発振器。
【請求項３】
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が発振状態のみが安定となる領域に位置するように前記発振閾値電流密度以上の第３の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、
前記第３の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じで、前記第２の電流密度は前記第３の電流密度よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果発振器。
【請求項４】
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が双安定領域に位置するように第３の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、前記第３の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じであることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果発振器。
【請求項５】
第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子に第１の電流密度を有する電流を印加し前記磁気抵抗効果素子が発振している状態から、前記第１の電流密度を有する電流と逆方向の第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して前記磁気抵抗効果素子の発振を消失させることを特徴とする磁気抵抗効果発振器。
【請求項６】
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の電流密度を有する電流を印加し前記磁気抵抗効果素子が発振している状態から、前記第２の電流密度を有する電流と逆方向の第４の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して前記磁気抵抗効果素子の発振を消失させることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果発振器は磁気抵抗効果素子に電流を印加することによって生じる磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化の歳差運動を利用した発振器である。近年、この磁気抵抗効果発振器に関する研究が盛んに行われている。特許文献１では発振閾値電流密度以下の低い電流密度で磁気抵抗効果発振器を動作させる動作方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５１９７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁気抵抗効果発振器を通信に応用する際に、素子の応答速度に問題が生じる場合があった。つまり、発振の立ち上がり、立ち下がりに時間がかかると、高速通信に応用できないという課題がある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発振の立ち上がりまたは立ち下がりを高速で行うことができる磁気抵抗効果発振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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果発振器は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、その後、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように、前記第１の電流密度未満かつ前記発振閾値電流密度以上である第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、前記第２の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じであることを特徴とする。この第１の態様に係る磁気抵抗効果発振器により、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりが高速化し、応答速度が改善される。
【０００７】
本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果発振器では、さらに、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が静止状態のみが安定となる領域に位置している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加することを特徴とする。
【０００８】
本発明の第３の態様に係る磁気抵抗効果発振器では、第１の態様において前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が発振状態のみが安定となる領域に位置するように前記発振閾値電流密度以上の第３の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、前記第３の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じであり、前記第２の電流密度は前記第３の電流密度よりも大きいことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第４の態様に係る磁気抵抗効果発振器では、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が双安定領域に位置するように第３の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加している状態から、前記第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、前記第３の電流密度を有する電流の方向は前記第１の電流密度を有する電流の方向と同じであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第５の態様に係る磁気抵抗効果発振器は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子に第１の電流密度を有する電流を印加し前記磁気抵抗効果素子が発振している状態から、前記第１の電流密度を有する電流と逆方向の第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して前記磁気抵抗効果素子の発振を消失させることを特徴とする。この第５の態様に係る磁気抵抗効果発振器により、磁気抵抗効果発振器の発振の立ち下がりが高速化し、応答速度が改善される。
【００１１】
本発明の第６の態様に係る磁気抵抗効果発振器では、第１から第４の態様において、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の電流密度を有する電流を印加し前記磁気抵抗効果素子が発振している状態から、前記第２の電流密度を有する電流と逆方向の第４の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して前記磁気抵抗効果素子の発振を消失させることを特徴とする。この第６の態様に係る磁気抵抗効果発振器により、磁気抵抗効果発振器の発振の立ち上がりと立ち下がりが高速化し、応答速度が改善される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、発振の立ち上がりまたは立ち下がりを高速で行うことができる磁気抵抗効果発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。
【図２ａ】本発明の実施形態１，４に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。
【図２ｂ】本発明の実施形態１，４，７に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。
【図２ｃ】本発明の実施形態５，６，７に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の第２の磁性層の磁化の歳差運動の軌道を表す３次元グラフである。
【図４】本発明の実施形態４に係る磁気抵抗効果発振器の模式図である。
【図５】本発明の実施形態４に係る磁気抵抗効果発振器の計算モデルを示す図である。
【図６ａ】本発明の実施例２に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図６ｂ】本発明の実施例２に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図７ａ】本発明の実施例１に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図７ｂ】本発明の実施例１に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図８ａ】本発明の実施例１に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図８ｂ】本発明の実施例１に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図９ａ】本発明の比較例１に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図９ｂ】本発明の比較例１に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１０ａ】本発明の実施例２に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１０ｂ】本発明の実施例２に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１１ａ】本発明の比較例２に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１１ｂ】本発明の比較例２に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１２ａ】本発明の実施例２に係る双安定領域近傍における磁化ベクトルの時間変化の計算結果を示すグラフである。
【図１２ｂ】本発明の実施例２に係る双安定領域近傍における磁化ベクトルの時間変化の計算結果を示すグラフである。
【図１３ａ】本発明の比較例３に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１３ｂ】本発明の比較例３に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１４ａ】本発明の実施例３に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１４ｂ】本発明の実施例３に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１５ａ】本発明の比較例４に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１５ｂ】本発明の比較例４に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１６ａ】本発明の実施例４に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１６ｂ】本発明の実施例４に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１７ａ】本発明の比較例５に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１７ｂ】本発明の比較例５に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１８ａ】本発明の実施例５に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１８ｂ】本発明の実施例５に係る発振の立ち下がりの計算結果を示すグラフである。
【図１９ａ】本発明の比較例６に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図１９ｂ】本発明の比較例６に係る発振の立ち下がりの計算結果を示すグラフである。
【図２０ａ】本発明の実施例６に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図２０ｂ】本発明の実施例６に係る発振の立ち下がりの計算結果を示すグラフである。
【図２１ａ】本発明の比較例７に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図２１ｂ】本発明の比較例７に係る発振の立ち下がりの計算結果を示すグラフである。
【図２２ａ】本発明の実施例７に係る印加電流を示すグラフである。
【図２２ｂ】本発明の実施例７に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図２２ｃ】本発明の実施例７に係る発振の立ち下がりの計算結果を示すグラフである。
【図２３】歳差運動する磁化の状態図を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態の例を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれ
る。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、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、およびその他の変更が可能である。
【００１５】
（実施形態１）
図２ａに磁気抵抗効果発振器の回路図を示す。磁気抵抗効果発振器１００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部１１４を有する。電流印加部１１４は電流源１１３と制御部１１５を有する。電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２に電流を供給できるように接続される。制御部１１５は電流源１１３の動作を制御する。図１は磁気抵抗効果素子１１２の構成例を示す図である。磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１と、第２の磁性層１０２と、その間に配置されたスペーサ層１０３とを有する。第１の磁性層１０１は第１の電極１１０と、第２の磁性層１０２は第２の電極１１１と各々電気的に接続している。第１の電極１１０と第２の電極１１１間に電流源１１３を接続する。ここでの第１の磁性層１０１の磁化方向は固定されており、矢印１０４は第１の磁性層１０１の磁化の固定方向を示す。第２の磁性層１０２の磁化方向は、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の状態では、有効磁場の方向を向いており、矢印１０５は有効磁場の方向を示す。有効磁場は、第２の磁性層１０２内で生じる異方性磁場、交換磁場、外部磁場、反磁場の和である。図１では、第１の磁性層１０１の磁化の方向と、第２の磁性層１０２の有効磁場の方向が、互いに反対方向を向いているが、互いの方向はこれに限られない。
【００１６】
各磁性層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＢの合金などを用いることができる。
【００１７】
磁気抵抗効果素子１１２は特に限定されないが、例えば巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子、またはスペーサ層１０３の絶縁層中に電流狭窄パスが存在する電流狭窄型磁気抵抗効果（ＣＣＰ―ＧＭＲ）素子などを用いることができる。
【００１８】
ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。
【００１９】
ＴＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３として、ＭｇＯ、ＡｌＯｘなどの非磁性絶縁材料を用いることができる。
【００２０】
ＣＣＰ―ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３の絶縁層としてＡｌＯｘやＭｇＯなどを用いることができ、スペーサ層１０３の電流狭窄パスとしてＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。
【００２１】
磁気抵抗効果素子１１２は第１の中間層を含んでもよい。例えば、第１の磁性層１０１とスペーサ層１０３の間やスペーサ層１０３と第２の磁性層１０２の間に非磁性金属層や磁性層、絶縁層などが含まれていてもよい。
【００２２】
また、各磁性層の磁化方向を固定するために磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１、または第２の磁性層１０２に接するように反強磁性層を付加したり、第１の磁性層１０１、または第２の磁性層１０２と接するように第２の中間層、第３の磁性層、反強磁性層などを付加してもよい。また、磁性層の結晶構造、形状などに起因する磁気異方性などを利用して固定してもよい。
【００２３】
反強磁性層はＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、Ｃｒ、Ｍｎなどを用いることができる。
【００２４】
また、各電極と各磁性層間にキャップ層、シード層、バッファ層などを含んでいてもよく、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒなどを用いることができる。
【００２５】
電流印加部１１４として、電流源１１３の他に電圧源などを電極間に接続することも可能である。
【００２６】
本明細書において、電流の方向を次のように定義する。正の方向を第２の磁性層１０２から第１の磁性層１０１への方向とし、負の方向を第１の磁性層１０１から第２の磁性層１０２への方向とする。
【００２７】
本実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１１２の発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。
【００２８】
磁気抵抗効果素子１１２の発振は磁気抵抗効果素子１１２の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁化のダイナミクスは以下のＬＬＧ（ランダウ−リフシッツ−ギルバート）式（１）として表すことができる。
【数１】
2015100105.tif 000003
ここで、ｖは第２の磁性層１０２の磁化の単位ベクトル、γはジャイロ磁気因子、Ｈｅｆｆは有効磁場、ｐは第１の磁性層の磁化の単位ベクトル、αは磁気緩和定数、μBはボーア磁子、Ｐはスピン偏極効率、ｊは電流密度、ｅは素電荷、ＭＳは飽和磁化、ｄは第２の磁性層１０２の厚み、ｔは時間である。右辺第１項は歳差運動項、第２項はダンピング項、第３項はスピントランスファ−トルク項である。
【００２９】
第２の磁性層１０２が概ね単一磁区構造を取りうる場合、第２の磁性層１０２の磁化の動きはマクロな磁化ベクトルに近似して計算することが可能である。この場合、式（１）を解くことで、磁化のダイナミクスが計算可能である。
【００３０】
有効磁場は異方性磁場Ｈｋ、反磁場Ｈｄの和とする。Ｈｄは式（２）のように表される。
【数２】
2015100105.tif 000004
【００３１】
ここで、Ｎは反磁場係数である。
【００３２】
磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に正の方向の電流Ｉを印加すると、伝導電子１０６が電流Ｉとその逆方向、すなわち第１の磁性層１０１からスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れる。矢印１０４の方向に磁化した第１の磁性層１０１において、伝導電子１０６のスピンは矢印１０４の方向に偏極する。矢印１０７は伝導電子１０６のスピンの方向を表す。スピン偏極した電子１０６はスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れこむことで、第２の磁性層１０２の磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向から向きを変えようとする作用（式（１）の右辺第３項）が働く。一方で、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向に安定させようとするダンピングの作用（式（１）の右辺第２項）が働く。したがって、これら２つの作用が釣り合って、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、第２の磁性層１０２の磁化方向を示す矢印１０８の、有効磁場の方向を示す矢印１０５のまわりの運動として表わし、点線１０９によって矢印１０８の歳差運動の軌跡を示す。第２の磁性層１０２の磁化方向１０８が第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して高周波で変化するため、第２の磁性層１０２の磁化方向１０８と第１の磁性層１０１の磁化方向１０４の相対角度に依存して抵抗が変化する磁気抵抗効果によって、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値も高周波で変化する。電流Ｉに対して抵抗値が高周波で変化するので、およそ１００ＭＨｚから数十ＴＨｚの高周波数で振動する電圧が発生する。また、第１の磁性層の磁化方向１０４は磁気抵抗効果素子の面内に水平な方向や面に垂直な方向など、任意の方向を有することができる。また、有効磁場の方向は、第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して反対方向に限られず、同じ方向や、その間の任意の方向を有することができるが、第１の磁性層の磁化方向１０４との相対角度が大きいほうがより好ましい。
【００３３】
磁気抵抗効果素子１１２に外部磁場、電流を印加していない状態から、必要な場合はある大きさの外部磁場が印加された状態で、ある大きさの電流密度を有する直流電流を印加することによって第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動を開始し、磁気抵抗効果素子１１２は発振する。この時の最小の電流密度を発振閾値電流密度ｊＯと呼び、１０７Ａ／ｃｍ２程度であることが知られている。発振閾値電流密度は外部磁場の強さや方向によって変化する。
【００３４】
磁気抵抗効果素子１１２に、必要な場合は一定の磁場を印加している状態で、発振閾値電流密度以上の電流を印加している状態から印加電流を徐々に減少させていくと、歳差運動が消失する。この時の最大の電流密度を静止閾値電流密度ｊＳと呼ぶ。つまり、静止閾値電流密度以下の電流を印加した場合、磁気抵抗効果素子１１２は発振しない。
【００３５】
また、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度が非常に大きいと、スピントランスファートルクの効果によって第２の磁性層１０２の磁化が第１の磁性層１０１の磁化と略同一の方向を向く磁化反転が生じ、歳差運動は消失する。この磁化反転が生じる最小の電流密度を磁化反転閾値電流密度ｊRと呼ぶ。
【００３６】
図２３は磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化（歳差運動する磁化）の状態図の一例であり、特許文献１に記載のものを簡略化したものである。横軸が磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度ｊ、縦軸が印加した磁場ＨＥＸＴである。
【００３７】
ｊ＝ｊＳ（ＨＥＸＴ）の線はｊＳの磁場依存性を示しており、印加した磁場の強度を大きくすると、ｊＳは増加する傾向にある。
【００３８】
ｊ＝ｊＯ（ＨＥＸＴ）の線はｊＯの磁場依存性を示しており、磁場の強度を大きくすると、ｊＯは概ね線形に増加する。
【００３９】
ｊ＝ｊＲの線は、ｊＲは外部磁場の変化によらず、一定であることを表している。
【００４０】
磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度における磁気抵抗効果素子１１２の磁性層の磁化の状態をある一定の磁場ＨＥＸＴ１を印加した状態を例として説明する。
【００４１】
磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度ｊがｊＲ＞ｊ≧ｊＯの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域２３０１に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化は歳差運動し、発振状態のみが安定となる。
【００４２】
また、ｊがｊＳ≧ｊの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域２３０３に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動は消失し、静止状態（磁気抵抗効果素子が発振していない状態）のみが安定となる。
【００４３】
また、ｊがｊ≧ｊRの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域２３０４に位置する。この時、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化は反転し、磁気抵抗効果素子１１２は静止状態のみが安定となる。
【００４４】
また、ｊがｊＯ＞ｊ＞ｊＳの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域２３０２に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化は前歴によって安定な状態が変化する。つまり領域２３０１から領域２３０２に遷移させた場合は歳差運動を生じ、発振状態となる。一方、領域２３０３から領域２３０２に状態を遷移させた場合は静止状態となる。このような領域２３０２を双安定領域とよぶ。  
【００４５】
一般的な非線形発振素子の安定した発振状態をモデル化しているＡｕｔｏ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌにおいて、以下の関係式が成立する。
【数３】
2015100105.tif 000005
ここで、ｐｏｕｔは発振出力である。
【００４６】
発振閾値電流密度を実験的に求める手法を示す。まず、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度を変化させながら定常時における発振出力ｐｏｕｔを測定する。測定にはスペクトラムアナライザやオシロスコープなどを利用することができる。次に測定結果を縦軸１／ｐｏｕｔ、横軸ｊのグラフにプロットして、１／ｐｏｕｔ＝０になるｊを外挿などより求めることで、発振閾値電流密度ｊＯを求めることができる。このｊＯ以上の電流密度を磁気抵抗効果素子１１２に印加している電流の範囲において発振状態のみが安定となる。
【００４７】
磁気抵抗効果素子１１２の動作点における双安定領域と静止状態のみが安定となる領域を実験的に求める手法を説明する。磁気抵抗効果素子１１２に発振閾値電流密度以上の電流を印加し、定常状態から電流を発振閾値電流密度以下に少しずつ下げ、定常時において発振状態となる場合、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は双安定領域に位置する。一方、静止状態となる場合は磁気抵抗効果素子１１２の動作点は静止状態のみが安定となる領域に位置する。この試行を磁場を変化させながら行うことで双安定領域と静止状態のみが安定となる領域を実験的に求めることが可能である。
【００４８】
本実施形態１は磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加して、磁気抵抗効果素子１１２の発振を持続させるための形態である。
【００４９】
本実施形態１における制御部１１５によって制御される電流源１１３の動作を以下に示す。第１のステップでは、電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２の動作点を静止状態のみが安定となる領域に位置させるように、静止閾値電流密度ｊＳ以下の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加または電流を印加しない。この時、第２の磁性層１０２の磁化が有効磁場の方向１０５を向いている。その後第２のステップでは、電流源１１３は発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。その後、第３のステップでは電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２が所定の周波数で発振するように第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。
【００５０】
上記の電流ステップを生成する手段として電流源１１３を制御する方法の他に、周辺回路を利用した一例を説明する。図２ｂは磁気抵抗効果発振器２００の回路図である。磁気抵抗効果発振器２００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部２０５を有する。電流印加部２０５はインダクタ２０１と抵抗２０２と電流源２０４を有する。磁気抵抗効果素子１１２とインダクタ２０１は並列に接続され、インダクタ２０１と抵抗２０２は直列に接続されて、電流源２０４に接続されている。
【００５１】
電流源２０４が第１の電流密度を有する電流Ｉ１を発生させると、インダクタ２０１では磁束の変化を打ち消すように起電力が生じ、抵抗２０２にはほとんど電流は流れず、電流Ｉ１のほぼすべてが磁気抵抗効果素子１１２に流れる。その後、電流Ｉ１の時間変動がなくなると、起電力が消え、抵抗２０２には電流Ｉ２、磁気抵抗効果素子１１２には一定の電流Ｉ１−Ｉ２が流れる。ここで、Ｉ１―Ｉ２が第２の電流密度を有する電流となるようにインダクタ２０１、抵抗２０２の値を調整する。したがって、磁気抵抗効果発振器２００は本実施形態１における駆動電流を生成することができる。
【００５２】
上記電流印加ステップを実験的に求める手段を説明する。電極１１０、１１１にプローブを当てて、オシロスコープなどで電極間の電圧を時間領域測定することで磁気抵抗効果素子に印加された電流の時間変化を推測でき、電流パルスの大きさや時間などを実験的に求めることが可能である。
【００５３】
上記の動作方法によって磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりが高速になるメカニズムは定かではないが、次のように考えられる。
【００５４】
図３は第２の磁性層１０２の代表的な磁化ベクトルの軌跡を表した３次元グラフである。ここで、各軸は磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流の向きをｚ軸の負の方向、磁気抵抗効果素子１１２の第１の磁性層１０１の磁化の向きを（１，０，０）となるようにｘｙｚ直交座標系を定義する。原点Ｏ（０，０，０）を中心とする球面３００は磁化の向きが取りうる面である。点３０１は有効磁場の方向を示し、電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する前において、第２の磁性層１０２の磁化ベクトルは原点Ｏから点３０１を向いて静止している。軌跡３０２は発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し続け、安定な発振状態となった時の第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動の軌道を表す。軌跡３０３は第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し続け、発振安定状態になった時の第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動の軌道を表す。
【００５５】
図３を用いて、まず、本実施形態１における第１のステップの後に、第２のステップを省略して第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子に印加する場合について説明する。
【００５６】
この場合、第１の磁性層１０１の磁化が方向１０４に固定され、第２の磁性層１０２の磁化の方向が有効磁場の方向１０５に向いている状態から、所定の周波数で磁気抵抗効果素子１１２が発振するように第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。すると、第２の磁性層１０２の磁化は式（１）の右辺第３項のスピントランスファートルク項の作用によって有効磁場の方向の点３０１から回転を伴って向きを変え、スピントランスファートルク項の作用が式（１）の右辺第２項のダンピングの項による作用と釣り合った定常状態において、軌跡３０３上を歳差運動する。
【００５７】
一方、本実施形態１における動作では、第１の磁性層１０１の磁化が方向１０４に固定され、第２の磁性層１０２の磁化が有効磁場の方向１０５に向いている状態から、第２のステップにおいて第２の電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。これによって、スピントランスファートルク項がより大きくなり、第２のステップを省略した場合に比べて第２の磁性層１０２の磁化は軌跡３０２の軌道に向かって高速に向きを変え、スピントランスファートルク項の作用が式（１）の右辺第２項のダンピングの項による作用と釣り合った第１の発振状態において、軌跡３０２上を歳差運動する。
【００５８】
次に本実施形態１の第２のステップにおける第１の発振安定状態から第３のステップにおける第２の発振安定状態に移る際のメカニズムを説明する。
【００５９】
本実施形態１における動作では、第３のステップとして第１の電流密度未満の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。すると、スピントランスファートルクが弱まり、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向である点３０１に向かって向きを変える。その磁化ベクトルの移動の過程において、第２の磁性層１０２の磁化ベクトルは第２の電流密度を有する電流における安定軌道である軌跡３０３に入り、磁気抵抗効果素子１１２は第２の発振安定状態（スピントランスファートルク項の作用がダンピングの項による作用と釣り合った状態）に移る。
【００６０】
軌跡３０２上を歳差運動する第１の発振安定状態から軌跡３０３上を歳差運動する第２の発振安定状態に移る第１の遷移時間は式（１）の右辺第２項のダンピング項に依存し、さらに磁気緩和係数αに依存する。一般的な磁性体の場合、αはおおよそ０．０１以上であることが知られているので、ダンピングの作用は大きく、第１の遷移時間は短い。
【００６１】
第２のステップを省略した場合、第１の遷移時間は存在しないが、発振の立ち上がり時間を総合的に比較すると、本実施形態１は第２のステップにおける高速化の寄与が大きいので、第２のステップを省略した場合よりも立ち上がりが高速である。
【００６２】
第３のステップにおいて、磁気抵抗効果素子１１２に第２の電流密度を有する電流を印加し続け、第２の電流密度に応じた周波数で発振を持続させる。
【００６３】
特許文献１では磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させて動作する方法が開示されているが、この場合、発振時に外からのノイズ等によって一時的に外部磁場、印加電流が変動すると、歳差運動が生じない静止状態に遷移し、そのまま発振が消失する恐れがある。つまり、特許文献１に記載の動作方法は、高速な発振の立ち上がりと持続的な発振の両立に問題がある。一方、本実施形態１は発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子に印加するので、外からのノイズ等によって先のような磁場、電流の変動が一時的に生じて、仮に一時的に静止状態に遷移しても、元の磁場、元の電流に戻れば発振は元に戻って持続する。したがって、磁気抵抗効果素子がより安定に発振を持続するためには本実施の形態が好ましい。
【００６４】
ここまでは磁気抵抗効果素子１１２の略面内において第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動する発振の形態を用いてメカニズムを説明したが、発振の形態はこれに限定されず、例えば磁気抵抗効果素子１１２の略垂直方向に第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動する場合などにおいても同様のことが言える。
【００６５】
第１の電流密度は大きいほうが発振の立ち上がりをより高速化でき、第１の電流密度が第２の電流密度の１．５倍以上であると、第１の遷移時間による発振の立ち上がり時間の増加の影響を、第２のステップにおける高速化の寄与による発振の立ち上がり時間の短縮効果が上回る効果が顕著になる。従って、第１の電流密度は第２の電流密度の１．５倍以上であることが望ましい。
【００６６】
また、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化が第１の磁性層の磁化と略同一の方向を向く磁化反転の状態で磁気抵抗効果素子１１２が安定するならば、第２のステップとして磁気抵抗効果素子１１２に印加する発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度は磁化反転閾値電流密度ｊＲより小さい方が望ましい。もしくは第１の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する時間が磁化反転が生じる時間よりも短ければ、第１の電流密度は磁化反転閾値電流密度ｊＲ以上でもよい。
【００６７】
（実施形態２）
本実施の形態において、磁気抵抗効果発振器は電流源１１３の動作以外は実施形態１のものと同一とする。制御部１１５によって電流源１１３を制御して電流源１１３を以下のように動作させ、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する。第１のステップとして電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２の動作点を発振状態のみが安定となる領域に位置させるように、発振閾値電流密度以上の第３の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、その後第２のステップでは、電流源１１３は発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。その後、第３のステップでは電流源１１３は第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。第２の電流密度は第３の電流密度よりも大きい。この場合、発振の立ち上がりが高速になるメカニズムは実施形態１と同様に以下のように考えられる。
【００６８】
本実施の形態では第２のステップとして第２の電流密度より大きな第１の電流密度を有する電流を印加するので、第２のステップを省略した場合に比べて、スピントランスファートルク項がより大きくなり、第２の磁性層１０２の磁化はより速く向きを変える。その後、第３のステップとして磁気抵抗効果素子１１２に第２の電流密度を有する電流を印加すると、第２の電流密度は第１の電流密度よりも小さいので、比較的強いダンピングトルクが働き、発振が安定するまでの遷移時間は短い。したがって、本実施の形態を用いると第２のステップを省略した場合に比べて発振の立ち上がりを高速化することができる。
【００６９】
（実施形態３）
本実施の形態において、磁気抵抗効果発振器は電流源１１３の動作以外は実施形態１のものと同一とする。制御部１１５によって電流源１１３を制御して電流源１１３を以下のように動作させ、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する。第１のステップとして磁気抵抗効果素子１１２の動作点を双安定領域に位置させるように、発振閾値電流密度より小さな第３の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、その後第２のステップでは、電流源１１３は発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。その後、第３のステップでは電流源１１３は第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。この場合、発振の立ち上がりが高速になるメカニズムは実施形態１や実施形態２と同様である。
【００７０】
第１のステップとして磁気抵抗効果素子１１２を双安定領域に位置させるように正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、発振が消失している状態から本実施の形態の第２のステップの電流の印加を行うと、実施形態１と同様に第２の磁性層１０２の磁化が動き、発振の立ち上がりが高速化する。
【００７１】
一方、第１のステップとして磁気抵抗効果素子１１２を双安定領域に位置させるように正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し発振している状態から、第２のステップの電流を印加する場合、実施形態２と同様に第２の磁性層１０２の磁化が動き、発振の立ち上がりが高速化する。
【００７２】
したがって、本実施の形態を用いれば磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりを高速化することができる。
【００７３】
（実施形態４）
実施形態４の磁気抵抗効果発振器４００は、実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００の磁気抵抗効果素子１１２にかえて、磁気抵抗効果素子４１０を用いたものである。その他の構成は実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００と同じである。図４に磁気抵抗効果素子４１０の模式図を示す。磁気抵抗効果素子４１０は、第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とその間に設けられたスペーサ層４０９を有する。また、第１の磁性層４０１に接して第１の電極４０７が設けられ、第２の磁性層４０２に接して第２の電極４０８が設けられている。電極４０７と電極４０８間に電流源１１３を接続する。電流源１１３のかわりに電圧源を接続してもよい。スペーサ層４０９は絶縁部４０３と強磁性ナノコンタクト部４０４からなる。第１の磁性層４０１、第２の磁性層４０２、強磁性ナノコンタクト部４０４は強磁性体で形成され、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＡｌの合金、ＦｅとＣｏとＡｌとＳｉの合金などが望ましい。絶縁部４０３は電気的に絶縁性がとれたものがよく、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどが望ましい。第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化は矢印４０５、４０６の方向を各々向いており、強磁性ナノコンタクト部４０４には磁壁が形成される。このような構造の素子をＮＣＭＲ（ナノコンタクト磁気抵抗効果）素子と呼ぶ。なお、スペーサ層４０９は、第１の磁性層４０１および第２の磁性層４０２と接しており、強磁性ナノコンタクト部４０４は第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とを電気的に接続しているが、図４では、スペーサ層４０９の構造をわかりやすくするために、スペーサ層４０９は第１の磁性層４０１および第２の磁性層４０２と離して描いてある。
【００７４】
矢印４０６は矢印４０５に対して反対方向に限られず、同じ方向や、その間の任意の方向を有することができる。
【００７５】
ｘｙ平面は磁気抵抗効果素子４１０の膜面に平行な面とする。また磁気抵抗効果素子４１０の膜面に垂直な方向をｚ軸方向と定義する。
【００７６】
磁気抵抗効果素子４１０の発振現象を計算するために、磁気抵抗効果素子４１０の１つの強磁性ナノコンタクトに形成される磁壁のダイナミクスを計算する。図５は強磁性ナノコンタクトの計算モデルを示した図である。モデル化において、第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化の方向は固定とする。各磁性層の固定手段としては外部磁場や反強磁性体との交換結合、磁気異方性などを利用することができる。第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の間に形成される磁壁は互いに交換結合した磁化が磁性層４０１から磁性層４０２に向かってｚ軸方向に１次元に連なっているものとする。
【００７７】
計算において、式（１）を少し変更した下式を用いる。
【数４】
2015100105.tif 000006
【００７８】
有効磁場は交換磁場のみとし、その強さは交換結合定数によって決まる。
【００７９】
磁気抵抗効果素子４１０に電極を介して電流Ｉを各層に垂直な方向に流すと、スピントランスファートルクが磁壁に作用し、磁気抵抗効果素子４１０は発振する。ここで、説明のために第１の磁性層４０１の磁化を概ね（１、０、０）の方向に固定し、第２の磁性層４０２の磁化を概ね（―１、０、０）の方向に固定している場合を考える。強磁性ナノコンタクト内には（１、０、０）の方向から（―１、０、０）の方向に徐々に向きを変える磁化が磁壁を形成する。図６ａは磁気抵抗効果素子４１０に発振閾値電流密度を有する電流を印加した時の、強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの各成分の平均値の時間変化の計算結果である。磁化ベクトルのｙ成分の平均値ｍｙがゼロの時強磁性ナノコンタクト内の磁壁はネール磁壁となり、ｚ成分の平均値ｍｚがゼロの時、ブロッホ磁壁となる。３ピコ秒以降、ｍｙとｍｚが交互にゼロになりながら振動している。つまり、強磁性ナノコンタクト内の磁化は周期的に歳差運動している。このようにネール磁壁とブロッホ磁壁が交互に移り変わる現象が生じ、２つの磁壁は抵抗値が異なるので抵抗が振動し、発振が生じる。
【００８０】
本実施の形態では実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００と同様に、例えば図２ａの回路図で表現された回路で駆動電流を生成することができる。また、本実施の形態では実施形態１の磁気抵抗効果発振器２００と同様に、例えば図２ｂの回路図で表現された回路で駆動電流を生成することができる。
【００８１】
本実施形態４においても実施形態１と類似のメカニズムで磁気抵抗効果素子４１０の発振の立ち上がりを高速化することが可能である。
【００８２】
本実施形態４において磁気抵抗効果素子４１０の発振の立ち上がりが高速になるメカニズムを説明する。磁気抵抗効果素子４１０に発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する電流を印加すると、強磁性ナノコンタクトに電流が流れ、強磁性ナノコンタクト内の磁化は歳差運動する。
【００８３】
第２のステップにおいて、電流源１１３は磁気抵抗効果素子４１０に発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する電流を印加する。この時、第２のステップを省略した場合に比べてより大きい電流が流れるので、式（４）の右辺第３項のスピントランスファートルクの項の作用が大きくなり、強磁性ナノコンタクト内の磁化は高速に応答してその向きが変化する。そして、スピントランスファートルクの項の作用が式（４）の右辺第２項のダンピングの項による作用と釣り合った所で、強磁性ナノコンタクト内の磁化は第１の歳差運動を始める。
【００８４】
その後、第３のステップにおいて、電流源１１３は第１の電流密度よりも小さい第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加する。これによって強磁性ナノコンタクト内の磁化はスピントランスファートルクによる作用が小さくなり、ダンピングの項の作用と釣り合った所で第２の歳差運動をする。第１の歳差運動から第２の歳差運動への遷移時間はダンピングの項に依存し、実施形態１と同様にこの遷移時間は短い。第２のステップを省略した場合、この遷移時間は存在しないが、発振の立ち上がり時間を総合的に比較すると、本実施形態４は第２のステップにおける高速化の寄与が大きいので、第２のステップを省略した場合よりも立ち上がりが高速である。
【００８５】
第１の電流密度は大きいほうが発振の立ち上がりをより高速化でき、第１の電流密度が第２の電流密度の１．５倍以上であると、第１の遷移時間による発振の立ち上がり時間の増加の影響を、第２のステップにおける高速化の寄与による発振の立ち上がり時間の短縮効果が上回る効果が顕著になる。従って、第１の電流密度は第２の電流密度の１．５倍以上である方が望ましい。
【００８６】
また、本実施形態４では第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化の方向を固定としたが、例えば第２の磁性層が、磁化の方向が固定されない磁化自由層である場合においても立ち上がりを高速化することが可能である。
【００８７】
（実施形態５）
本実施の形態において、磁気抵抗効果発振器１００は実施形態１のものと電流源１１３の動作以外は同一とし、磁気抵抗効果発振器２００は実施形態１のものと電流源２０４の動作以外は同一とする。
【００８８】
本実施形態５は磁気抵抗効果素子１１２が発振している状態から、発振を消失させるための形態である。
【００８９】
本実施形態５の制御部１１５によって制御された電流源１１３の動作を以下に示す。電流源１１３は第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振している状態から、電流源１１３は第１の電流密度を有する電流と逆方向、つまり第２の電流密度を有する負の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加して磁気抵抗効果素子１１２の発振を消失させる。
【００９０】
また、上記の電流ステップを回路を用いて生成する電流印加部の一例を説明する。図２ｃは磁気抵抗効果発振器２００の回路図である。磁気抵抗効果発振器２００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部２０５を有する。電流印加部２０５はインダクタ２０１と抵抗２０２と電流源２０４を有する。磁気抵抗効果素子２０３とインダクタ２０１は並列に接続され、インダクタ２０１と抵抗２０２は直列に接続される。
【００９１】
磁気抵抗効果素子１１２に第１の電流密度を有する電流を印加している状態から、電流源２０４からの電流の印加を止めると、インダクタ２０１では磁束の変化を打ち消すように起電力が生じ、印加されていた第１の電流密度を有する電流と同じ向きの電流Ｉ３がインダクタ２０１に流れ、磁気抵抗効果素子１１２には印加されていた第１の電流密度を有する電流とは逆向きの負の方向の電流Ｉ３が流れる。Ｉ３を第２の電流密度を有する電流となるようにインダクタ２０１、抵抗２０２の値を調整する。その後、電流の変化が止まると、起電力が消え、磁気抵抗効果素子１１２には電流が流れなくなる。したがって、磁気抵抗効果発振器２００は発振の立ち下がりにおける駆動電流を生成することができる。
【００９２】
本実施形態５によって磁気抵抗効果素子１１２の発振が高速に立ち下がるメカニズムは以下のように考えられる。
【００９３】
磁気抵抗効果素子１１２が発振している状態において、式（１）の第２項と第３項は概ね釣り合った状態である。この時に第１の電流密度を有する電流の方向とは逆方向の第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加すると、第３項のスピントランスファートルクの項は符号が逆になり、第２項のダンピング項を強めるように作用する。これによって、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化は高速に有効磁場の方向に向いて発振は消失する。磁気抵抗効果素子１１２の発振が消失した後、磁気抵抗効果素子１１２に対する電流の印加を止めることで磁気抵抗効果素子１１２の発振の消失状態が持続する。第２の電流密度が発振閾値電流密度より小さい場合は、第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し続けても磁気抵抗効果素子１１２の発振の消失状態は持続する。第２の電流密度が発振閾値電流密度以上の場合は、磁気抵抗効果素子１１２の発振が消失した後、第２の電流密度を有する電流にかえて発振閾値電流密度より小さい第３の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加することで磁気抵抗効果素子１１２の発振の消失状態が持続する。つまり、磁気抵抗効果素子１１２の発振が消失した後、発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加、または電流の印加を止めることで磁気抵抗効果素子１１２の発振の消失状態が持続する。磁気抵抗効果素子１１２の発振が消失した後に磁気抵抗効果素子１１２に印加される、発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する電流の方向は正負のどちらでも構わない。したがって、本実施形態５の磁気抵抗効果発振器１００、２００を用いると磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち下がりを高速化できる。
【００９４】
（実施形態６）
以下、本実施の形態を説明する。実施形態６の磁気抵抗効果発振器４００は、実施形態５の磁気抵抗効果発振器１００の磁気抵抗効果素子１１２にかえて、実施形態４で示した磁気抵抗効果素子４１０を用いたものである。その他の構成は実施形態５の磁気抵抗効果発振器１００と同じである。
【００９５】
磁気抵抗効果素子４１０の発振を止める典型的な手段として、例えば発振時に磁気抵抗効果素子４１０に印加していた電流を止める方法が考えられる。この時、強磁性ナノコンタクト内の各局所磁化は磁気抵抗効果素子４１０への電流の印加を止めることでスピントランスファートルクが働かなくなり、ダンピング項によって安定な静止状態に移り変わろうとするが、各局所磁化は隣り合う磁化と互いに同じ方向を向こうとする交換結合による力が生じるので静止状態への瞬時の遷移を妨げる。
【００９６】
本実施形態６では磁気抵抗効果発素子４１０の発振を瞬時に止めるために、以下のように磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流を変化させる。磁気抵抗効果素子４１０に第１の電流密度を有する正の方向の電流を印加して発振している状態から、第１の電流密度を有する電流と逆方向の第２の電流密度を有する負の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加して磁気抵抗効果素子の発振を消失させる。その後、発振閾値電流密度ｊｏより小さい電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加、または電流の印加を止めることで磁気抵抗効果素子４１０の発振の消失状態が持続する。
【００９７】
上記の電流ステップを生成する電流印加部として、実施形態５と同じ周辺回路を利用して本実施形態６の電流ステップを生成することができる。
【００９８】
本実施形態６における磁気抵抗効果素子４１０の強磁性ナノコンタクト内の磁化は、実施形態５の磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化とほぼ同じ動作をする。第１の電流密度を有する電流の方向とは逆方向の第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加すると、強磁性ナノコンタクト内の磁化は高速に有効磁場の方向に向いて磁壁の回転は止まり、発振は消失する。従って、本実施形態６は発振の立ち下がりを高速化できる。
【００９９】
（実施形態７）
本実施の形態において、磁気抵抗効果発振器は電流源１１３の動作以外は実施形態１のものと同一とする。
【０１００】
本実施形態７における制御部１１５によって制御された電流源１１３の動作を以下に示す。電流源１１３は、発振の立ち上がり時における動作として、実施形態１と同様に、第１〜第３のステップの動作を行う。第１のステップでは磁気抵抗効果素子１１２の動作点を静止状態のみが安定となる領域に位置させるように、電流源１１３は静止閾値電流密度ｊＳ以下の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加するまたは電流を印加しない。第２のステップでは電流源１１３は発振閾値電流密度より大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、第３のステップでは電流源１１３は第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度以上の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。
【０１０１】
次に発振の立ち下がり時における電流源１１３の動作として、実施形態５と同様に、電流源１１３は、第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振している状態から、第２の電流密度を有する電流とは逆方向の負の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加して磁気抵抗効果素子１１２の発振を消失させる。その後、電流源１１３は発振閾値電流密度ｊｏより小さい電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加、または電流の印加を止めることで磁気抵抗効果素子１１２の発振の消失状態が持続する。
【０１０２】
本実施形態７を用いると、実施形態１、実施形態５と同様のメカニズムで発振の立ち上がり、立ち下がりを高速化することができる。
【０１０３】
実施形態７では、実施形態１と実施形態５を組み合わせた形態を説明したが、実施形態２または実施形態３と実施形態５を組み合わせても良く、実施形態４と実施形態６を組み合わせても良い。
【０１０４】
（実施例１）
図１は本実施例１に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１とスペーサ層１０３と第２の磁性層１０２を有する。また、第１の磁性層に電気的に接続する第１の電極１１０と第２の磁性層１０２に電気的に接続する第２の電極１１１とを設けた。第２の磁性層１０２は長径１３５×短径６５×厚さ２．５ｎｍ３の楕円形状とした。ここでｘ軸方向を長径方向、ｙ軸方向を短径方向、ｚ軸方向を厚み方向とする。第１の磁性層１０１、第２の磁性層１０２はＮｉ８０Ｆｅ２０とした。第１の磁性層１０１の磁化は第１の磁性層１０１の直下の、図示しない反強磁性体ＦｅＭｎとの交換結合によって固定されており、その磁化は矢印１０４の方向に固定されている。スペーサ層は非磁性金属のＣｕとした。第１の電極１１０と第２の電極１１１間に電流源１１３を接続し、磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に正の方向の電流Ｉを印加した。
【０１０５】
磁気抵抗効果素子１１２はｘ軸方向に形状磁気異方性を持ち、その異方性磁場を２９．０５×１０３Ａ／ｍとした。また、膜厚は十分薄いとみなせるので、反磁場係数Ｎｘ＝０、Ｎｙ＝０、Ｎｚ＝１とした。
【０１０６】
本実施例１で使用したパラメタを表１に示す。
【表１】
2015100105.tif 000007
【０１０７】
ダイナミクスＭＲ比ＭＲＤは第１の磁性層１０１の磁化と第２の磁性層１０２の磁化の方向が平行の時と反平行の時の静止状態における抵抗変化値に対する動的な抵抗変化値の割合を表し、以下の式を用いて計算する。
【数５】
2015100105.tif 000008
【０１０８】
ここで、ＲＯＳＣは動的な抵抗変化値、Ｒｍａｘは第１の磁性層１０１の磁化と第２の磁性層１０２の磁化の方向が反平行の時の抵抗値、Ｒｍｉｎは第１の磁性層１０１の磁化と第２の磁性層１０２の磁化の方向が平行の時の抵抗値、θは第２の磁性層１０２の有効磁場の方向と、電流印加時における第２の磁性層１０２の磁化の方向のなす角である。
【０１０９】
定常時において、ダイナミクスＭＲ比が０．１％以上の状態を発振状態とする。
【０１１０】
定常時において、ダイナミクスＭＲ比が０．１％未満の状態を静止状態とする。
【０１１１】
発振の立ち上がり時間は、磁気抵抗効果素子１１２に発振の立ち上がりに対する電流の印加を開始する時点から発振周波数が定常時の発振周波数の１％以下の変動となるまでの時間とする。本実施例１、後述する実施例２−４、７および比較例１−５においては磁気抵抗効果素子に発振の立ち上がりに対する電流の印加を開始する時点を０秒としている。
【０１１２】
図７ａおよび図７ｂは本実施例１の磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加せず、第２の磁性層１０２の磁化が有効磁場の方向を向いている状態から、一定の正の方向の電流を印加した場合のダイナミクスＭＲ比ＭＲＤの時間変化である。図７ａは電流密度が１．１×１０１１Ａ／ｍ２の時の結果であり、ＭＲＤの振幅が徐々に大きくなり発振状態であった。一方、図７ｂは電流密度が１．０×１０１１Ａ／ｍ２の時の結果であり、ＭＲＤが徐々に小さくなっており、静止状態であった。したがって、発振閾値電流密度はおおよそ１．１×１０１１Ａ／ｍ２であった。
【０１１３】
発振の立ち上がりに対して、本実施例１では以下のステップで電流源１１３を制御して磁気抵抗効果発振器１００を駆動させた。図８ａは本実施例１の印加電流の時間変化を表したものである。第１のステップでは磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加せず、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向を向いている状態から、第２のステップでは発振閾値電流密度より大きい８．８×１０１１Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．５ナノ秒間印加し、その後、第３のステップでは発振閾値電流密度１．１×１０１１Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。
【０１１４】
図８ｂは上記の動作での磁気抵抗効果素子１１２の発振周波数の時間変化を示した計算結果である。電流印加開始時の発振周波数は３．５ＧＨｚで、比較的低周波で発振した。これは第１のステップで比較的大きな電流を印加したことでスピントランスファートルクが強く作用し、大きな振幅の振動が生じ、低周波で発振していると考えられる。その後、第３ステップに移ると、トルクが弱まることで磁化の歳差運動の振幅が小さくなり、高周波に変化し、４．７ＧＨｚの周波数で発振が安定した。立ち上がり時間は１７ナノ秒であった。
【０１１５】
（比較例１）
比較例として、実施例１の第２のステップを省略した場合の結果を示す。図９ａは印加する電流密度の時間変化、図９ｂは本比較例１における発振周波数の時間変化の計算結果である。ゼロ秒以降、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度１．１×１０１１Ａ／ｍ２を有する正の方向の一定の電流を印加した。発振閾値電流密度において、スピントランスファートルクはちょうどダンピングと釣り合うので、安定した発振が得られるまで時間がかかり、立ち上がり時間は９８ナノ秒であった。
【０１１６】
実施例１と比較例１の立ち上がり時間を比較すると、比較例１は９８ナノ秒だが、実施例１では１７ナノ秒である。したがって実施例１の磁気抵抗効果発振器１００は比較例１のものに比べて約５倍立ち上がりが高速である。
【０１１７】
（実施例２）
磁気抵抗効果素子がＮＣＭＲ素子で構成される場合の具体例を示す。本実施例２の磁気抵抗効果発振器４００は第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とその間に設けられたスペーサ層４０９を有する磁気抵抗効果素子４１０と、第１の磁性層４０１に接する第１の電極４０７と第２の磁性層４０２に接する第２の電極４０８とを有する。第１の電極４０７と第２の電極４０８間に電流源４１１を接続した。スペーサ層４０９は絶縁部４０３と強磁性ナノコンタクト部４０４からなる。第１の磁性層４０１、第２の磁性層４０２、強磁性ナノコンタクト部４０４はＦｅ５０Ｃｏ５０で構成した。強磁性ナノコンタクト部４０４は長さが１．３ｎｍ、面積が１ｎｍ２とした。絶縁部４０３は主成分がＡｌ２Ｏ３で構成した。第１の磁性層４０１の直下にはＩｒ２０Ｍｎ８０で構成される反強磁性体層が接しており、第１の磁性層４０１と交換結合している。これによって第１の磁性層４０１の磁化の方向は固定され、矢印４０５の方向を向いている。第２の磁性層４０２の磁化の方向は外部印加磁場によって矢印４０６の方向を向いて固定されている。矢印４０５と矢印４０６は平行を向いていないので、強磁性ナノコンタクト部４０４には磁壁が形成される。磁気抵抗効果素子４１０に電極を介して電流Ｉを各層に垂直な方向に流すとスピントランスファートルクが磁壁に作用し、マイクロ波が発生する。
【０１１８】
磁気抵抗効果素子４１０の発振現象を計算するために、実施形態４と同様のモデル化を行った。
【０１１９】
計算で使用したパラメタを表２に示す。
【表２】
2015100105.tif 000009
【０１２０】
本実施例２において、印加電流密度は１つの強磁性ナノコンタクト内における値とする。
【０１２１】
印加電流密度は以下の方法で見積もることができる。磁気抵抗効果素子４１０のスペーサ層４０９を露出させ、その露出表面を導電性原子間力顕微鏡（ｃ−ＡＦＭ）で観察し、導電領域から露出表面内のナノコンタクトの総面積を評価する。磁気抵抗効果素子４１０に印加した電流値をナノコンタクトの総面積で割ることでナノコンタクト内の電流密度を見積もることができる。
【０１２２】
図６ａおよび図６ｂは磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加していない状態から、正の方向の一定の電流を印加した場合の強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの平均値の時間変化の計算結果である。図６ａは電流密度が２．６６×１０１２Ａ／ｍ２の時の結果であり、６ピコ秒以降でネール磁壁とブロッホ磁壁が一定の周期で移り変わっており、安定した歳差運動が生じた。一方、図６ｂは電流密度が２．６５×１０１２Ａ／ｍ２の時の結果であり、安定した歳差運動が生じなかった。したがって、発振閾値電流密度はおおよそ２．６６×１０１２Ａ／ｍ２であった。
【０１２３】
以下に発振の立ち上がりに対する本実施例２の制御部によって制御した電流源の動作を示す。図１０ａは本実施例２における印加電流の時間変化を示したものである。第１のステップでは電流を印加せず、
その後、第２のステップでは磁気抵抗効果素子４１０に電流密度１３．３×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．３５ピコ秒間、印加した。その後、第３のステップでは
発振閾値電流密度の２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。
【０１２４】
図１０ｂは本実施例２によって得られた発振周波数の時間変化を示したグラフである。定常時は６．２ＴＨｚの一定の周波数で発振し、立ち上がり時間は０．５ピコ秒であった。
【０１２５】
（比較例２）
比較として実施例２の第２のステップを省略した場合の例を示す。図１１ａは本比較例２において磁気抵抗効果素子４１０に印加する任意の時点における印加電流密度を示しており、発振閾値電流密度の２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加し続けた。
【０１２６】
図１１ｂは本比較例２の動作によって発振した磁気抵抗効果素子４１０の発振周波数の時間変化を示したものである。徐々に周波数が高くなり、最終的に６．２ＴＨｚの一定の周波数で安定して発振した。立ち上がり時間は８．８ピコ秒であった。
【０１２７】
実施例２と比較例２の発振の立ち上がり時間を比較すると、実施例２では０．５ピコ秒に対して比較例２では８．８ピコ秒である。したがって、実施例２の磁気抵抗効果発振器を用いれば一定電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加する手法よりも約１６倍、発振の立ち上がりを高速化できる。
【０１２８】
（比較例３）
比較例３として、特許文献１で開示されている動作法による例を示す。特許文献１では磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域内に位置させる第１のステップ、その後、磁気抵抗効果素子に印加する電流を発振閾値電流密度より上に増大させる第２のステップ、その後、磁気抵抗効果素子に印加する電流を発振閾値電流密度より下に減少させる第３のステップで磁気抵抗効果素子を動作させる方法が開示されている。
【０１２９】
比較例３は、実施例２に対して電流源の動作が異なり、その他の構成は実施例２と同じである。磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるような電流密度の範囲を以下の方法で計算した。まず、第１のステップとして発振閾値電流密度の２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０の発振が定常状態になるまで磁気抵抗効果素子４１０に印加し、その後、徐々に印加する電流密度を下げ、定常時において静止状態となる電流密度をシミュレーションによって求めた。図１２ａは５．８０×１０１１Ａ／ｍ２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加した時の磁化ベクトルの時間変化であり、発振が持続していることが確認できる。一方、図１２ｂは５．７０×１０１１Ａ／ｍ２の電流密度を有する正の方向の電流を印加した時の磁化ベクトルの時間変化である。２０ピコ秒以降は磁壁の回転が止まり、発振が消失した。したがって、静止閾値電流密度は概ね５．７０×１０１１Ａ／ｍ２であり、５．８０×１０１１Ａ／ｍ２以上、２．６６×１０１２Ａ／ｍ２未満の電流密度を有する正の方向の電流を印加している時、磁気抵抗効果素子４１０の動作点は双安定領域に位置する。
【０１３０】
図１３ａは本比較例３の動作方法における磁気抵抗効果素子４１０への印加電流の時間変化を示したものである。第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように電流密度１．９９×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加し、その後、第２のステップでは電流密度１３．３×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．３５ピコ秒印加した。その後、第３のステップでは磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように発振閾値電流密度より低い１．９９×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加した。
【０１３１】
図１３ｂは本比較例３の動作方法によって得られた発振周波数の時間変化を示したグラフである。定常時は４ＴＨｚで発振し、立ち上がり時間は６ピコ秒であった。
【０１３２】
実施例２と比較例３の発振の立ち上がり時間を比較すると、実施例２では０．５ピコ秒に対して、比較例３では４ピコ秒である。したがって、実施例２の磁気抵抗効果発振器を用いると、特許文献１の動作方法よりも約８倍発振の立ち上がりを高速化できる。これは第２のステップにおいて磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流密度と第３のステップにおいて印加する電流密度の差が実施例２のほうが比較例３よりも小さく、第１の遷移時間が短かったためと考えられる。
【０１３３】
（実施例３）
第１のステップとして磁気抵抗効果素子の動作点を発振状態のみが安定となりうる領域内に位置させるように電流を磁気抵抗効果素子に印加している場合の実施例を示す。磁気抵抗効果素子は実施例２と同一とした。
【０１３４】
図１４ａは本実施例３における磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流のステップを示している。第１のステップとして発振閾値電流密度の２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。その後、第２のステップとして、１２．０×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．３ピコ秒間印加した。その後、第３のステップとして６．０×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．３ピコ秒以降印加した。
【０１３５】
図１４ｂは上記の電流ステップで磁気抵抗効果発振器を駆動させた場合における発振周波数の時間変化のシミュレーション結果である。定常時は約３０ＴＨｚで発振し、立ち上がり時間は１．６ピコ秒であった。
【０１３６】
（比較例４）
実施例３に対する比較として、実施例３と同一の磁気抵抗効果素子４１０に実施例３の第２のステップを省略した場合の例を示す。図１５ａは本比較例４における磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流を示している。磁気抵抗効果素子４１０に第１のステップとして発振閾値電流密度の２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加し、その後、一定の電流密度である６．０×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。
【０１３７】
図１５ｂは上記の電流ステップで磁気抵抗効果発振器を駆動させた場合における発振周波数の時間変化のシミュレーション結果である。定常時は約３０ＴＨｚで発振し、立ち上がり時間は２．６ピコ秒であった。
【０１３８】
実施例３と比較例４の発振の立ち上がり時間を比較すると、実施例３の方が、１ピコ秒程度立ち上がり時間が短く、高速通信に好適である。これは実施例３において、第２のステップとして比較的大きな電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加したことによって、ナノコンタクト内の各局所磁化が大きく揺らぎ、第２の電流を印加した場合の発振軌道に高速に移ったためであると考えられる。一方、比較例４では第２のステップの発振軌道から徐々に６．０×１０１２Ａ／ｍ２の電流密度を有する電流を印加した場合の発振軌道に遷移しており、発振の立ち上がりに時間を要している。
【０１３９】
（実施例４）
第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加した時の実施例を示す。磁気抵抗効果素子は実施例２と同一とした。図１６ａは本実施例４における磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流密度の時間変化を示したものである。第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように電流密度１．９９×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。その後、第２のステップとして電流密度１３．３×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を０．３５ピコ秒印加した。その後、第３のステップとして発振閾値電流密度の３．５０×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加した。
【０１４０】
図１６ｂは本実施例４における発振周波数の時間変化のシミュレーション結果である。定常時は約１０ＴＨｚで発振しており、立ち上がり時間は４．８ピコ秒であった。
【０１４１】
（比較例５）
実施例４に対する比較として、実施例４の第２のステップを省略した場合を示す。本比較例５において、磁気抵抗効果素子は実施例４と同一とした。図１７ａは磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流密度の時間変化である。第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように電流密度１．９９×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加し、その後、発振閾値電流密度以上の３．５０×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加した。
【０１４２】
図１７ｂは本比較例５における発振周波数の時間変化のシミュレーション結果である。定常時は約１０ＴＨｚで発振しており、立ち上がり時間は７ピコ秒であった。
【０１４３】
実施例４と比較例５の立ち上がり時間を比較すると、実施例４では４．８ピコ秒であるのに対して比較例５では７ピコ秒であり、実施例４のほうが立ち上がりが速い。
【０１４４】
また、第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加している点で共通な比較例３と実施例４の立ち上がり時間を比較すると、比較例３では６ピコ秒程度であり、実施例４は比較例３に対しても立ち上がりが高速である。
【０１４５】
（実施例５）
以下に本発明の実施形態に係る発振の立ち下がりに関する実施例を説明する。本実施例において、磁気抵抗効果素子は実施例１と同一とした。
【０１４６】
磁気抵抗効果発振器が発振の立ち下がりに対する動作を開始してから静止状態になるまでの時間を立ち下がり時間とする。本実施例５、後述する実施例６、７および比較例６、７では立ち下がりに対する動作を開始する時点を０秒としている。
【０１４７】
図１８ａは本実施例５において磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度の時間変化を示している。第１のステップでは１．１×１０１１Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加し、その後第２のステップの０ナノ秒から０．５ナノ秒までの間、８．８×１０１１Ａ／ｍ２を有する負の方向の電流を印加した。第３のステップの０．５ナノ秒以降は電流の印加を止めた。
【０１４８】
図１８ｂは本実施例５における磁気抵抗効果素子１１２のダイナミクスＭＲ比の時間変化を示している。第１のステップにおいてはダイナミクスＭＲ比が１０％以上で発振状態であった。０ナノ秒以降、ダイナミクスＭＲ比は急激に下がり、静止状態になるまでの立ち下がり時間は０．５ナノ秒であった。
【０１４９】
（比較例６）
比較例として、実施例５の磁気抵抗効果素子に印加する電流の第２のステップを省略した場合の磁気抵抗効果素子の発振の立ち下がりのダイナミクスを示す。磁気抵抗効果素子は実施例５と同一とした。図１９ａは本比較例６における磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度の時間変化を示している。第１のステップとして実施例５と同様に１．１×１０１１Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加し、その後、電流の印加を止めた。
【０１５０】
図１９ｂは本比較例６における磁気抵抗効果素子１１２のダイナミクスＭＲ比の時間変化を示している。０ナノ秒まではダイナミクスＭＲ比が１０％以上で発振状態であった。その後、徐々にＭＲ比が下がった。静止状態になるまでの立ち下がり時間は４ナノ秒であった。
【０１５１】
実施例５と比較例６の発振の立ち下がり時間を比較すると、実施例５では０．５ナノ秒であったのに対して、比較例６では４ナノ秒であった。これは実施例５では比較的大きな逆方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加したことで発振を止める強いスピントランスファートルクがかかり、発振が高速に立ち下がっているのに対して、比較例６ではダンピング項の作用で発振が徐々に小さくなり、静止状態になるまでに時間を要している。したがって実施例５の磁気抵抗効果発振器を用いれば、第２のステップを省略した場合よりも発振の立ち下がりを８倍程度高速化することが可能である。
【０１５２】
（実施例６）
以下に本発明の実施形態に係る発振の立ち下がりに関する実施例を説明する。本実施例６において、磁気抵抗効果素子は実施例２と同一のＮＣＭＲ素子とした。
【０１５３】
本実施例６において、立ち下がり時間を以下のように定義する。磁気抵抗効果発振器に対して立ち下がりに対する動作を開始する時点から強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの平均値のｚ成分がゼロで交差した最大の時点までを立ち下がり時間とする。
【０１５４】
磁気抵抗効果素子４１０の発振を止めるための電流源の動作を説明する。図２０ａは磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流密度の時間変化を表したグラフである。第１のステップとして発振閾値電流密度２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を印加し、一定の周波数で発振している状態から、第２のステップとして０．５ピコ秒間１０．６×１０１２Ａ／ｍ２を有する負の方向の電流を印加し、その後、第３のステップとして電流の印加を止めた。
【０１５５】
図２０ｂは強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの平均値の時間変化の計算結果である。０秒以降、磁化ベクトルの平均値のｚ成分ｍｚがゼロで交差しておらず、概ねネール磁壁を維持しているので、抵抗変化が生じていない。これは負の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加し、逆向きのスピントランスファートルクを磁気抵抗効果素子４１０に作用させることで、磁壁が逆方向に回ろうとする力がかかり、回転が急速に止まったためであると考えられる。
【０１５６】
（比較例７）
比較のために、実施例６の第２のステップを省略した例を示す。磁気抵抗効果素子は実施例６と同一のものとした。図２１ａは本比較例７における印加電流密度の時間変化である。第１のステップでは実施例６と同様に発振閾値電流密度２．６６×１０１２Ａ／ｍ２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加し、その後、電流の印加を止めた。
【０１５７】
図２１ｂは本比較例７における磁気抵抗効果素子４１０の強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの平均値の時間変化の計算結果である。０秒以降、３ピコ秒程度まで磁化ベクトルのｚ成分の平均値ｍｚと磁化ベクトルのｙ成分の平均値ｍｙが互いにゼロを交差しており、ネール磁壁とブロッホ磁壁に交互に移り変わっていた、つまり発振が持続していた。３ピコ秒以降はｍｚがゼロで交差しておらず、概ねネール磁壁を維持しており、発振が消失していた。したがって本比較例７における発振の立ち下がり時間は３ピコ秒であった。
【０１５８】
実施例６と比較例７の立ち下がり時間を比較すると、実施例６では０秒であるのに対して、比較例７では３ピコ秒である。したがって、実施例６の磁気抵抗発振器を用いれば、発振の立ち下がりを高速化する効果が期待できる。
【０１５９】
（実施例７）
以下に本発明の実施形態に係る発振の立ち上がりと立ち下がりに関する実施例をパルス電流生成手段をより具体化して示す。図２ｂに示すように、磁気抵抗効果発振器２００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部２０５を有する。電流印加部２０５はインダクタ２０１と抵抗２０２と電流源２０４を有する。磁気抵抗効果素子１１２とインダクタ２０１は並列に接続され、インダクタ２０１と抵抗２０２は直列に接続される。磁気抵抗効果素子１１２は実施例１と同一とした。磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を５０Ω、インダクタ２０１のインダクタンスを３０ｎＨ、抵抗２０２を７．１４３Ωとした。
【０１６０】
第１の電極１１０と第２の電極１１１間に電流源２０４を接続し、磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に電流を印加した。図２２ａは電流源２０４が発生した電流の時間変化を表しており、４０ナノ秒間６ｍＡの電流を印加し、その後４０ナノ秒間電流の印加を止めるといった動作でパルス電流を発生させた。このように変動する電流は高速通信に利用されており、例えば電流印加時に１、そうでない時は０の情報を表すＮＲＺ（Ｎｏｎ  Ｒｅｔｕｒｎ  Ｔｏ  Ｚｅｒｏ）方式の信号に該当する。
【０１６１】
図２２ｂは本実施例７における磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流の時間変化を表している。インダクタ２０１の起電力によって電流の印加を開始したタイミングで６ｍＡほどのパルスが数ナノ秒間印加され、その後は起電力が消え、電流は０．７ｍＡに減少して安定した。電流の印加を止めるタイミングにおいてはインダクタ２０１の起電力によって−６ｍＡ程度の電流が数ナノ秒間磁気抵抗効果素子に流れ、その後、電流はゼロになった。このような回路の動作によって実施例１における磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりの動作をするための電流と実施例５における磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち下がりの動作をするための電流を共に生成することが可能である。
【０１６２】
さらに本実施例７の磁気抵抗効果発振器は高速無線通信に利用することが可能である。図２２ｃは図２２ｂの電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加した時のダイナミクスＭＲ比の時間変化を表したものである。電流が印加されている時には抵抗が振動、つまりＲＦ信号が生じている。一方、電流が印加されていない時には抵抗変化が生じず、ＲＦ信号は発生しない。したがって、ＮＲＺ方式の信号を磁気抵抗効果素子１１２に入力することでＲＦ信号に変調でき、本実施例７においては数十ＭｂｐｓのＮＲＺ信号の変調が可能である。
【０１６３】
このように本発明の磁気抵抗効果発振器は、磁気抵抗効果素子が高速通信の信号の立ち上がりと立ち下がりに追従して発振の動作をすることを可能にし、高速無線通信に利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
本発明に係る磁気抵抗効果発振器は、高速無線通信などに利用可能である。
【符号の説明】
【０１６５】
１００、２００、４００・・・磁気抵抗効果発振器、１０１、１０２、４０１、４０２・・・磁性層、１０３・・・スペーサ層、１１２、４１０・・・磁気抵抗効果素子、１０６・・・伝導電子、１１０、１１１、４０７、４０８・・・電極、１１４、２０５・・・電流印加部、１１５・・・制御部、１１３、２０４・・・電流源、２０１・・・インダクタ、２０２・・・抵抗、４０３・・・絶縁部、４０４・・・強磁性ナノコンタクト部、５００・・・強磁性ナノコンタクトの計算モデル、２３０１・・・発振状態のみが安定な領域、２３０２・・・双安定領域、２３０３、２３０４・・・静止状態のみが安定な領域
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２３】
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