(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキルミオンを生成可能な薄層状の磁気素子であって、
印加される磁場強度に応じてスキルミオン相および強磁性相になる、薄層状の下部磁性体と、
前記下部磁性体の一面側において前記下部磁性体の端部を含む所定領域を囲んで設けられ、電流が流れることで、前記下部磁性体に印加されている第１磁場とは逆方向に向かう第２磁場を、前記所定領域に発生させる電流回路と、
を備えることを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記電流回路は、前記所定領域の前記端部の延展方向の長さである幅Ｗが、スキルミオンの直径λに対してλ≧Ｗ＞λ/４の範囲にある前記所定領域を囲んで設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気素子。
【請求項３】
前記電流回路は、前記所定領域の前記端部の延展方向と垂直な向きの長さである高さｈが、スキルミオンの直径λに対して２λ＞ｈ＞λ/２の範囲にある前記所定領域を囲んで設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気素子。
【請求項４】
前記下部磁性体は、前記所定領域内の前記端部に形成された切欠部を有し、前記切欠部と前記所定領域との接線の長さＬがλ＞Ｌ＞λ/２の範囲にあることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の磁気素子。
【請求項５】
前記下部磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、
前記電流回路は、前記所定領域の幅をＷ、高さをｈとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
となる前記所定領域を囲むよう設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の磁気素子。
【請求項６】
前記電流回路は、前記下部磁性体の一面側において前記下部磁性体の一端部中央よりも偏った位置にある前記所定領域を囲んで設けられ、
前記下部磁性体は幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ
２λ＞ｈｍ＞λ
となるサイズを備え、
前記電流回路は、前記所定領域の幅をＷ、高さをｈ、前記電流回路と前記下部磁性体の一端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をｄとすると、
Ｗ＝０．４×λ
ｈ＝λ／２
０．４×λ＞ｄ＞０．２λ
となる前記所定領域を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記電流回路は、前記下部磁性体の一面側において前記下部磁性体の端部を含む第１領域及び前記端部とは反対側において前記第１領域に隣接する第２領域を囲んで設けられ、
前記下部磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、
前記電流回路が囲む前記第１領域は、前記端部と平行な向きである幅が０．４×λ、前記端部と垂直な向きである高さが０．６×λであり、
前記電流回路が囲む前記第２領域は、前記端部と平行な向きである幅が０．４×λ、前記端部と垂直な向きである高さが０．４×λである
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の磁気素子。
【請求項８】
前記下部磁性体はカイラル磁性体、ダイポール磁性体およびフラストレート磁性体のいずれかよりなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の磁気素子。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項記載の磁気素子と、
前記磁気素子の一面側に対向して設けられ前記磁気素子に第１方向から前記第１磁場を印加可能な磁場発生部と、
前記電流回路に、前記第２磁場を発生させる電流を印加可能な電源と、
を備えることを特徴とするスキルミオンメモリ。
【請求項１０】
前記電源は、前記磁気素子の前記電流回路に対して、前記第１磁場より弱く前記第１磁場とは逆方向に向かう第２磁場を発生させるように電流を印加可能であることを特徴とする請求項９記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１１】
前記電源は、前記電流回路に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能であることを特徴とする請求項９または１０記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１２】
請求項９から１１の何れか１項に記載のスキルミオンメモリとＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスが同一チップ内に形成されていることを特徴とするスキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス。
【請求項１３】
請求項９から１１の何れか１項に記載のスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキルミオンを生成可能な磁気素子及びこの磁気素子を応用したスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、パーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビジョン受像機、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記憶容量の大容量化への要求はとどまることを知らない。画像素子の画素数は増大し、その要求する記憶量は１Mビット相当となり、さらに動画は１Gビットを超える情報量となっている。【０００３】
これに対応して、記憶装置も記憶容量は１Ｔビットからさらに大容量化しつつある。またカメラやビデオカメラ等の撮像機器用のSDカードも大容量化している。【０００４】
磁性体の磁気構造を記憶ビットとして利用する磁気素子は、大容量記憶装置としてその地位を確保してきた。磁気素子は、ナノスケールの磁気構造がその情報を電力消費することなく保持することができ、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度はますます増している。【０００５】
さらに近年、不揮発性メモリをシリコン基板上に作られたＣＭＯＳデバイスに搭載し、計算処理能力の飛躍的向上を目的とした磁気メモリＣＭＯＳ混載デバイスの研究開発が精力的に行われている。【０００６】
これは、ＣＭＯＳ回路で構成されたシリコンチップと不揮発性素子チップとの信号のやり取りに伴う、制御回路の省略、制御時間の短縮を目的としたもので、計算処理時間を飛躍的に向上させる技術である。【０００７】
さらに、この研究開発は、無駄な回路部分への電力を遮断した超省電力デバイスの開発も目的としている。特に近年はＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスの省電力化が重要な課題として浮上しており、待機電力の削減という課題を解決することの重要性は増している。【０００８】
これらの技術が実現すると、これらの大容量メモリを搭載することで大規模情報が扱え、その応答（書き込み、読み出し、消去）は高速で、高機能かつ操作性に優れたヒューマンインターフェイスをもち、かつ、低消費電力のパーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置等の実現が期待されている。【０００９】
こうした状況下で、本願発明者らは、外部磁場のもとでカイラル磁性体にスキルミオン磁気構造をもつ材料を見出し、また、電流によりスキルミオンを駆動できることを見出し、この磁気構造体を用いた磁気素子を提案した（特許文献１）。【００１０】
スキルミオンは中心部において印加された磁場に対して反平行の磁気モーメントを有し、周辺部においては印加された磁場に対して平行な磁気モーメントを有する、渦巻状の磁気構造を備えている。【００１１】
スキルミオンは、直径が１〜１００ｎｍのナノスケールサイズの磁気構造を有し、膨大なビット情報を極細密化して記憶できる大容量記憶磁気素子として応用することが期待されている。また、スキルミオンは、このビット情報を直接転送し、情報演算や伝達に応用できる可能性をもつ磁気構造体でもある。【００１２】
こうした特徴から、スキルミオン素子は、要求される記憶容量が増加の一途をたどるデータ記録媒体およびデータ記録装置用磁気メモリの性能限界にブレークスルーを与える次世代型磁気メモリデバイスの根幹を担うものとして期待されている。【００１３】
特に磁気メモリは宇宙空間での各種の素粒子や放射線への耐性が強い。スキルミオンメモリも同じ特徴を有している。また、こうした大容量磁気メモリはモーターなどの回転機構を必要としない。そのため、大容量磁気メモリは宇宙空間におけるメモリの主役としての位置を占めると期待される。【００１４】
一方で、最近メモリ媒体として浮上している電子を記憶ビットとして利用するフラッシュメモリはこのような環境には適さない。電子は高エネルギー素粒子や放射線でシリコン酸化膜のエネルギー障壁を簡単に乗り越え、データの消去や誤書き込みを発生させるからである。【００１５】
また、大規模不揮発性スキルミオンメモリが大規模論理ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスと同一チップ上で一体化されると、低消費電力型ＣＭＯＳデバイスや高インテリジェント型ＣＭＯＳデバイスにとって大変魅力的であるため、こうした技術を応用した高密度不揮発性スキルミオンメモリ混載ＣＭＯＳ-ＬＳＩデバイスの登場が期待されている。【００１６】
こうした次世代型のメモリ磁気デバイスの他の候補としては、米国ＩＢＭを中心に磁気ドメイン壁を駆動してその磁気モーメント配置を電流で転送し、記憶情報を読み出すマグネチックシフトレジスタ１が提案されている（特許文献２参照）。【００１７】
図１６は、電流による磁気ドメイン磁壁駆動の原理を示す模式図である。互いに磁気モーメントの向きが相反する磁気領域の境界がドメイン磁壁である。矢印の向きの電流により磁気ドメイン磁壁が駆動される。ドメイン磁壁が移動することにより生じる、ドメインを構成する情報を記憶した磁気モーメントの向きによる磁気変化を、下部の磁気センサー２で検知して磁気情報を引き出す。【００１８】
しかし、こうしたマグネチックシフトレジスタ１は、磁気ドメイン磁壁を動かす際に大きな電流を必要とし、また磁気ドメイン磁壁の転送速度が遅いという欠点を持っている。その結果、メモリの書き込みの遅延や消去に要する時間の長時間化という問題が生じている。【００１９】
そこで、本願発明者は、磁性体中に発生するスキルミオンを記憶単位として使ったスキルミオン磁気素子を提案した（特許文献１参照）。この提案において本願発明者らは、スキルミオンを電流により駆動できることを示した。【００２０】
従来、特定の形状をしたパーマロイなどの材料のエッジに磁気バブルを固定するとともに、磁界を回転させることにより、磁気バブルをエッジ上に動かしていた。すなわち、磁気バブルを用いた磁気素子メモリでは、常に回転磁界が必要となっていた。【００２１】
これに対して、本願発明者らは、磁気バブルではなくスキルミオンを用いるとともに、これを回転磁界ではなく電流で直接駆動できることを示した。【００２２】
このように、スキルミオンは電流による生成、消去及び移動が可能であることから、磁気情報の生成、消去及び移動を制御できる磁気素子としての応用が期待されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
特許文献１  特願２０１２−２３２３２４
特許文献２  米国特許第６８３４００５号
[非特許文献]
非特許文献１  永長  直人、十倉  好紀、"Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｋｙｒｍｉｏｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、英国、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｇｒｏｕｐ、２０１３年１２月４日、Ｖｏｌ．８、ｐ８９９−９１１．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上述したように、メモリや論理演算等のデバイスにスキルミオンを応用することへの期待が高まっているが、スキルミオンの生成と磁場等との詳細な関係が明らかではなかったため、スキルミオンメモリを実現することができない状況であった。【００２４】
そこで、本願発明者はスキルミオンの生成と印加される磁場等との詳細な関係を明らかにして、スキルミオンの生成ができる磁気素子及びスキルミオンメモリを開発した。【００２５】
すなわち、本願発明は、低消費電力でスキルミオンの生成ができる磁気素子及びこの磁気素子が応用されたスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵したパーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビジョン受像機、自走装置、飛行装置及び宇宙空間飛行装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
第１発明に係る磁気素子は、スキルミオンを生成可能な薄層状の磁気素子であって、印加される磁場強度に応じてスキルミオン相および強磁性相になる、薄層状の下部磁性体と、下部磁性体の一面側において下部磁性体の端部を含む所定領域を囲んで設けられ、電流が流れることで、下部磁性体に印加されている第１磁場とは逆方向に向かう第２磁場を、所定領域に発生させる電流回路と、を備えることを特徴とする。
【００２７】
第２発明に係る磁気素子は、第１発明に係る磁気素子において、前記電流回路は、前記所定領域の前記端部の延展方向の長さである幅Ｗが、スキルミオンの直径λに対してλ≧Ｗ＞λ/４の範囲にある前記所定領域を囲んで設けられていることを特徴とする。【００２８】
第３発明に係る磁気素子は、第１又は第２発明に係る磁気素子において、前記電流回路は、前記所定領域の前記端部の延展方向と垂直な向きの長さである高さｈが、スキルミオンの直径λに対して２λ＞ｈ＞λ/２の範囲にある前記所定領域を囲んで設けられていることを特徴とする。【００２９】
第４発明に係る磁気素子は、第１〜第３発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記下部磁性体は、前記所定領域内の前記端部に形成された切欠部を有し、前記切欠部と前記所定領域との接線の長さＬがλ＞Ｌ＞λ/２の範囲にあることを特徴とする。【００３０】
第５発明に係る磁気素子は、第１〜第４発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記下部磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、前記電流回路は、前記所定領域の幅をＷ、高さをｈとすると、
λ≧Ｗ＞λ／４
２λ＞ｈ＞λ／２
となる前記所定領域を囲むよう設けられていることを特徴とする。【００３１】
第６発明に係る磁気素子は、第１〜第４発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記電流回路は、前記下部磁性体の一面側において前記下部磁性体の一端部中央よりも偏った位置にある前記所定領域を囲んで設けられ、前記下部磁性体は幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ
２λ＞ｈｍ＞λ
となるサイズを備え、前記電流回路は、前記所定領域の幅をＷ、高さをｈ、前記電流回路と前記下部磁性体の一端部と隣接する他端部のうち最も近い他端部との間隙の幅をｄとすると、
Ｗ＝０．４×λ
ｈ＝λ／２
０．４×λ＞ｄ＞０．２λ
となる前記所定領域を囲むように設けられていることを特徴とする。【００３２】
第７発明に係る磁気素子は、第１〜第３発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記電流回路は、前記下部磁性体の一面側において前記下部磁性体の端部を含む第１領域及び前記端部とは反対側において前記第１領域に隣接する第２領域を囲んで設けられ、前記下部磁性体は、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、生成されるスキルミオンの直径λに対し、
２λ＞Ｗｍ＞λ／２
２λ＞ｈｍ＞λ／２
となるサイズを備え、前記電流回路が囲む前記第１領域は、前記端部と平行な向きである幅が０．４×λ、前記端部と垂直な向きである高さが０．６×λであり、前記電流回路が囲む前記第２領域は、前記端部と平行な向きである幅が０．４×λ、前記端部と垂直な向きである高さが０．４×λであることを特徴とする。【００３３】
第８発明に係る磁気素子は、第１〜第７発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記下部磁性体はカイラル磁性体よりなることを特徴とする。【００３４】
第９発明に係る磁気素子は、第１〜第７発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記下部磁性体はダイポール磁性体よりなることを特徴とする。【００３５】
第１０発明に係る磁気素子は、第１〜第７発明の何れか１つに係る磁気素子において、前記下部磁性体はフラストレート磁性体よりなることを特徴とする。【００３６】
第１１発明に係るスキルミオンメモリは、スキルミオンを生成可能な薄層状の磁気素子と、前記磁気素子の一面側に対向して設けられ前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加可能な磁場発生部と、前記電流回路に電流を印加可能な電源とを備え、前記磁気素子は第１から第１０発明の何れか１つに係る磁気素子であることを特徴とする。【００３７】
第１２発明に係るスキルミオンメモリは、第１１発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記電源は、前記磁気素子の前記電流回路に対して、前記第１磁場より弱く前記第１磁場とは逆方向に向かう第２磁場を発生させるように電流を印加可能であることを特徴とする。【００３８】
第１３発明に係るスキルミオンメモリは、第５発明に係る磁気素子と、前記磁気素子の一面側に対向して設けられ前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加可能な磁場発生部と、前記磁気素子の前記電流回路に電流を印加することで、前記電流回路に第２磁場を発生させることが可能な電源と、を備えることを特徴とする。【００３９】
第１４発明に係るスキルミオンメモリは、第１３発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記電源は、前記電流回路に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能であることを特徴とする。【００４０】
第１５発明に係るスキルミオンメモリは、第１４発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルスは０．０１５Ｊより小さく、前記消去パルスは０．０４Ｊ以上であることを特徴とする。【００４１】
第１６発明に係るスキルミオンメモリは、第６発明に係る磁気素子と、前記磁気素子の一面側に対向して設けられ前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加可能な磁場発生部と、前記磁気素子の前記電流回路に電流を印加することで、前記電流回路に第２磁場を発生させることが可能な電源と、を備えることを特徴とする。【００４２】
第１７発明に係るスキルミオンメモリは、第１６発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記電源は、前記電流回路に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能であることを特徴とする。【００４３】
第１８発明に係るスキルミオンメモリは、第１７発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルスは０．０１５Ｊより小さく、前記消去パルスは０．０２Ｊより小さいことを特徴とする。【００４４】
第１９発明に係るスキルミオンメモリは、第７発明に係る磁気素子と、前記磁気素子の一面側に対向して設けられ前記磁気素子に第１方向から第１磁場を印加可能な磁場発生部と、前記磁気素子の前記電流回路に電流を印加することで、前記電流回路に第２磁場を発生させることが可能な電源と、を備えることを特徴とする。【００４５】
第２０発明に係るスキルミオンメモリは、第１９発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記電源は、前記電流回路に対し、前記スキルミオンを生成する生成パルスと、前記スキルミオンを消去する消去パルスを発生させることが可能であることを特徴とする。【００４６】
第２１発明に係るスキルミオンメモリは、第２０発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルスと前記消去パルスは同じ磁気強度であることを特徴とする。【００４７】
第２２発明に係るスキルミオンメモリは、第２１発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルス及び前記消去パルスは０．０１５Ｊより小さいことを特徴とする。【００４８】
第２３発明に係るスキルミオンメモリは、第２０発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルスより前記消去パルスの方が大きな磁場強度であることを特徴とする。【００４９】
第２４発明に係るスキルミオンメモリは、第２３発明に係るスキルミオンメモリにおいて、前記生成パルスは０．０１５Ｊより小さく、前記消去パルスは０．０２Ｊよりも小さいことを特徴とする。【００５０】
第２５発明に係るスキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスは、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリとＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイスが同一チップ内に形成されていることを特徴とする。【００５１】
第２６発明に係るパーソナルコンピュータは、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５２】
第２７発明に係るデータ記録媒体は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５３】
第２８発明に係るデータ記憶装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５４】
第２９発明に係る携帯電話は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５５】
第３０発明に係るスマートホンは、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５６】
第３１発明に係るデジタルカメラは、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５７】
第３２発明に係るスティックメモリは、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５８】
第３３発明に係る通信装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００５９】
第３４発明に係る画像記録装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００６０】
第３５発明に係るテレビジョン受像機は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００６１】
第３６発明に係る自走装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００６２】
第３７発明に係る飛行装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。【００６３】
第３８発明に係る宇宙空間飛行装置は、第１１から２４発明の何れか１つに係るスキルミオンメモリを搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００６４】
上述した構成からなる本発明によれば、低消費電力でスキルミオンを生成することができる磁気素子及びこの磁気素子が応用されたスキルミオンメモリ、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ-ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵した、パーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】磁性体中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの一例を示す模式図である。
【図２】図２（Ａ）から（Ｅ）は、位相が異なるスキルミオンを示す模式図である。
【図３】スキルミオンの生成を可能とする磁気素子を示す模式図である。
【図４】スキルミオンの生成と磁場との関係を示す模式図である。図４（Ａ）はカイラル磁性体の磁気相図、図４（Ｂ）は領域Aの磁場の時間依存性を示す模式図である。
【図５】領域が四角形状となる場合のスキルミオン生成を示す模式図である。
【図６】領域が磁性体端部を含む場合のスキルミオン生成を示す模式図である。図６（Ａ）は領域Ａが磁性体の高さと同一の高さの場合の模式図、図６（Ｂ）は領域が磁性体の高さの１／２である場合の模式図である。
【図７】図７（Ａ）から（Ｄ）は、領域Aの幅を変化させた場合のスキルミオン生成を示す模式図である。
【図８】図８（Ａ）から（Ｃ）は、領域Aの幅と切欠部の有無に応じたスキルミオン生成を示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）および（Ｂ）は、領域Aの高さを変化させた場合のスキルミオン生成を示す模式図である。
【図１０】実施例２においてスキルミオンの生成と消去を行う際の領域Aの磁場変化と時間の関係を示す模式図である。
【図１１】図１０で示した領域Aの磁場変化によるスキルミオン生成、消滅の時間変化を示す模式図である。図１１（Ａ）は生成開始状態を、図１１（Ｂ）はスキルミオンが生成された状態を、図１１（Ｃ）はスキルミオンが移動された状態を、図１１（Ｄ）はスキルミオンが消去された状態を示す。
【図１２】実施例３におけるスキルミオンの生成と消去を示す模式図である。図１２（Ａ）はスキルミオンの生成と消去を行う際の領域Aの磁場Haと時間の関係を示す模式図、図１２（Ｂ）は実施例３における磁気素子を示す模式図である。
【図１３】実施例４におけるスキルミオンの生成と消去を示す模式図である。図１３（Ａ）はスキルミオンの生成と消去を行う際の領域Aの磁場Haと時間の関係を示す模式図、図１３（Ｂ）は実施例４における磁気素子を示す模式図である。図１３（Ｃ）は分割した領域Ａを示す模式図である。
【図１４】図１４（Ａ）から（Ｈ）は、電流回路の他の形状例を示す模式図である。
【図１５】電流回路の更に他の形状例を示す模式図である。
【図１６】電流による磁気ドメイン駆動の原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００６７】
図１は、磁性体中の磁気モーメントのナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの一例を示す模式図である。図１において、矢印は磁気モーメントの向きを示している。
【００６８】
スキルミオンは、あらゆる向きを向く磁気モーメントで構成されている。磁性体中に印加される磁場の向きが図中上向きである場合に、最外周磁気モーメントは、その磁場の向きと同様に上向きで、かつ磁場と平行とされている。
【００６９】
スキルミオンは、その最外周から渦巻状に内側へ向けて回転していく平面形態とされ、これに伴って磁気モーメントの向きは徐々に向きを変えることとなる。
【００７０】
そしてスキルミオンの中心を構成する磁気モーメントは、磁場と反平行となるように、下向きで安定することとなる。
【００７１】
スキルミオンでは、磁気モーメントが中心から最外周に至るまで下向きから上向きに向きが連続的に遷移しつつ規則的に並ぶ結果、複数の磁気モーメントが渦のように規則的に並んだ構造をしている。中心の磁気モーメントと最外周の磁気モーメントの向きは反平行で、中心から外周の間に向きは連続的にねじれ、渦巻き構造を形成する。
【００７２】
ここで、磁性体中に渦巻くナノスケール磁気構造体は、スキルミオン数で特徴づけられる。スキルミオン数は、単位空間あたり何回磁気モーメントが渦巻くかを示す、以下の［数１］及び［数２］で表現される。［数２］において、磁気モーメントとの極角Θ（ｒ）はスキルミオンの中心からの距離ｒの連続関数であり、ｒを０から∞まで変化させたとき、πからゼロもしくはゼロからπに変化する。
【００７３】
【数１】
0006507147.tif 000002
【００７４】
【数２】
0006507147.tif 000003
【００７５】
このようなスキルミオン数Ｎｓｋ＝±１の場合の一例を図２に示した。図２は、位相が異なるスキルミオンを示す模式図である。図２（Ｅ）は座標のとりかた(右手系)を示している。ｘ軸、ｙ軸に対してｚ軸は紙面の裏から手前の向きに取る。矢印は磁気モーメントを示している。この図２に示す磁気構造体は、スキルミオンと定義される状態にある。
【００７６】
γは磁気モーメント間の位相を示している。図２では、異なる位相γの４例（Ａ）〜（Ｄ）が示されている。
【００７７】
（Ａ）γ＝０に対して（Ｂ）γ＝πのすべての磁気モーメントの向きは丁度１８０°回転した磁気モーメントの向きを持っている。
【００７８】
（Ｃ）γ＝−π／２はγ＝０のすべての磁気モーメントの向きに対し、−９０度（右回りに９０度）磁気モーメントの向きをとる。なお、図２（Ｄ）の位相λ＝π／２のスキルミオンが、図１のスキルミオンに相当する。
【００７９】
すなわち、図２（Ａ）〜（Ｄ）に図示した４例の磁気構造は異なるように見えるが、トポロジー的には同一の磁気構造体である。
【００８０】
このような構造を有するスキルミオンは、一度生成すると安定して存在し、外部磁場印加下のカイラル磁性体中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
【００８１】
次に、このようなスキルミオン数Ｎｓｋ＝±１のナノスケール磁気構造体であるスキルミオンの運動を以下に記述する。
【００８２】
図３は、スキルミオンの生成及び消去を可能とする磁気素子１０を示す模式図である。磁気素子１０は、厚さが５００ｎｍ以下の薄層状に形成された素子であり、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）やスパッター等の技術を用いて形成されている。
【００８３】
磁気素子１０は、ベースとなる下部磁性体１１１と、下部磁性体１１１の上部の面に対向して形成された電流回路１１２を備えている。本例の電流回路１１２は、下部磁性体１１１の端辺を垂直に横切る辺、下部磁性体１１１の端辺と平行な辺、および、下部磁性体の端辺を再度垂直に横切る辺を有する。
【００８４】
下部磁性体１１１は、カイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等により形成されている。
【００８５】
電流回路１１２は、絶縁性素材等を用いて下部磁性体１１１と電気的に隔離されていてもよい。電流回路１１２は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉ等の金属材料により形成されている。
【００８６】
以下、この電流回路に囲まれた領域を領域Ａと呼び、領域Ａでの磁場強度をHaとする。
【００８７】
こうした磁気素子１０と磁場発生部１２とを備えてスキルミオンメモリが形成されている。スキルミオンメモリは、スキルミオンをビット情報とするメモリである。
【００８８】
磁場発生部１２は、磁場Ｈを発生し、下部磁性体１１１に対して図３の紙面下方から上方に向けて（すなわち、下部磁性体１１１の裏面から表面に向けて）印加される。なお、本実施形態においては磁場発生部１２が１つのみ用いられているが、本発明においてはこれに限らず、下部磁性体１１１に対して垂直に磁場を印加できるものであれば、磁場発生部１２の数や配置は限定されるものではなく、複数の磁場発生部１２を用いることもできる。
【００８９】
次に、図示しない電極から電流が、電流回路１１２に対して図３の矢印Ｃで示された向きに印加される。この電流は領域Ａにおいて上から下向き（すなわち、下部磁性体１１１の表面から裏面の向き）に磁場を発生させる。この電流により誘起される磁場の向きは一様磁場Ｈの向きとは逆向きであるので、電流回路１１２および下部磁性体１１１の端辺により囲まれた矩形の領域Ａの下から上の向きの磁場Haが弱められる。
【００９０】
この結果、矩形の領域にスキルミオンを生成することが可能となる。
【００９１】
次に、カイラル磁性体中でのスキルミオンの生成を詳細に実施例で実証する。
【００９２】
［実施例１］
実施例１において、スキルミオン生成のシミュレーション実験結果を示す。
【００９３】
スキルミオンの運動はＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ―Ｇｉｌｂｅｒｔ（ＬＬＧ）方程式で記述される。以下、断熱、非断熱スピントランスファートルク項をもつＬＬＧ方程式を数値的に解く。
【００９４】
［数３］
ｄＭｒ／ｄｔ＝−γＭｒ×Ｂｒｅｆｆ＋α／Ｍ・Ｍｒ×ｄＭｒ／ｄｔ
【００９５】
［数４］
Ｈ＝―ＪΣＭｒ・（Ｍｒ＋ｅｘ＋Ｍｒ＋ｅｙ）
−ＤΣ（Ｍｒ×Ｍｒ＋ｅｘ・ｅｘ＋Ｍｒ×Ｍｒ＋ｅｙ・ｅｙ）−Σ（Ｂ＋Ha）・Ｍｒ
【００９６】
ここで、Breff=−1(1/(hγ))(∂H/∂Mr)により、[数３]と[数４]とが関連付けられる。γ＝ｇμB/h(＞０)は磁気回転比である。ｈはプランク定数である。Ｍｒは無次元量で磁気モーメントを示す。上記［数３］及び［数４］中、×は外積を示す。
【００９７】
ここで、［数４］で示したＨなるハミルトニアンはカイラル磁性体の場合についてのものである。ダイポール磁性体やフラストレート磁性体に関してはこのＨの表現をそれぞれの磁性体を記述するものに置換すればよい。
【００９８】
なお、ダイポール磁性体は、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。また、フラストレート磁性体は、磁気不整合状態を好む磁気的相互作用の空間構造を含む磁性体である。
【００９９】
次に、本実施例でのシミュレーション実験の実験条件を図４に示す。
【０１００】
図４（Ａ）は、カイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した模式図である。
【０１０１】
カイラル磁性体は、磁場強度Hskによりカイラル磁性相からスキルミオン相になり、さらに強い磁場強度Hfでスキルミオン相から強磁性相になる磁性体である。本実施例で用いられているカイラル磁性体はD＝０．１８J、M＝１、α＝０．０４である。Dはジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさである。
【０１０２】
ここではこの磁性体の磁気交換相互作用の大きさをJとして、この量で規格した値で各種の物理量を記述する。
【０１０３】
低磁場では、カイラル磁性体は、らせん状の磁気モーメントの磁気構造をもつカイラル相になる。磁場強度を高くすると、カイラル磁性体は、磁場強度Hsk＝0.0075Jで、スキルミオン相になる。このときのスキルミオン直径をλとすると、λはJとＤを用いて以下の［数５］のように表すことができる。
【０１０４】
［数５］
λ＝２√２・πＪ×ａ／Ｄ
【０１０５】
ここでaは格子定数である。カイラル磁性体ではλのサイズは数nmから数百nmのナノメートルサイズである。さらに、本実施例で用いられているカイラル磁性体では、強い磁場強度であるHf＝0.0252Jで強磁性相になる。
【０１０６】
シミュレーション実験での領域Ａの磁場Haの時間変化を図４（Ｂ）に示した。
【０１０７】
まず、シミュレーション実験は、カイラル磁性体の領域Ａの磁場HaをHfより大きい磁場強度にして、領域Ａが強磁性相になっている状態から開始された。具体的には、磁場は下から上の向き（すなわち、下部磁性体１１１の裏面から表面の向き）に磁場強度H=0.03Jの大きさで印加される。この場合、カイラル磁性体の基底状態はスキルミオンが存在しない強磁性体相である。
【０１０８】
次に、電流回路１１２に電流を流し始める。このとき、領域Ａの磁場Haは、電流回路１１２の電流によって発生した磁場により変化する。
【０１０９】
電流は、ｔ＝1000（以下、ｔの単位１/J）において、領域Aでの磁場Haが0.01Jの大きさになるように印加される。その後ｔ＝2000まで、Ha=0.01Jの一定の磁場強度を保持する。ｔ＝3000で電流の印加が停止されると、磁場強度は初期状態に戻り、Ha =0.03Jとなる。
【０１１０】
この条件で、ＬＬＧ方程式を用いてシミュレーション実験を実施する。スキルミオンの生成に関するシミュレーション結果を図５から図１３に示す。
【０１１１】
図５は、領域Ａが四角形状となる場合のスキルミオン生成を示す模式図である。
【０１１２】
領域Ａの形状は、電流回路１１２の形状に対応して形成される。図５の場合、電流回路１１２が四角形状に形成されることで、電流回路１１２の形状に対応して形成される領域Ａの形状も四角形状となる。
【０１１３】
この領域Ａの磁場Haが、パルス電流により0.03Ｊから0.01Ｊに減少したときのスキルミオン生成を示す。四角で囲まれた部位が磁性体端部に接触していない場合はスキルミオンＳが生成されないことがわかる。領域Aの磁場Haを減少させ、スキルミオン相になるHa=Hsk以下に減少してもスキルミオンＳは生成せず、強磁性体相が保持されたままである。
【０１１４】
ところが、図６（Ａ）で見るように、領域Ａが、磁性体端部を含むような領域になるとスキルミオンＳが生成する。上述したように、下部磁性体１１は、磁場発生部１２により強磁性相にされる。このため、下部磁性体１１における磁気モーメントは、磁場発生部１２により印加される磁場Ｈと同一の方向を向く。ただし、下部磁性体１１の端部における磁気モーメントは、磁場Ｈと同一の方向を向かず、磁場Ｈに対して傾きを有している。このため、下部磁性体１１の端部は他の領域に比べてスキルミオンＳが生じやすい。下部磁性体１１の端部を含む領域を囲むように電流回路１１２を設けることで、スキルミオンＳを容易に生じさせることができる。
【０１１５】
これにより、磁性体端部を含むことがスキルミオン生成に欠かせない条件になっていることがわかる。一様な磁気モーメントをもつ強磁性状態とスキルミオンＳとのトポロジー状態との間には、エネルギー的に大きな壁が存在することを示している。
【０１１６】
しかし、ひとたびスキルミオンＳが一様な磁気モーメント状態に形成されると、スキルミオンＳは安定に存在する。これは、情報を担うキャリアとしてのスキルミオンＳの安定性を保証する重要な特徴である。
【０１１７】
また、図６（Ａ）からは、領域Ａの端部の延展方向の長さである幅Ｗが広いと左右に２個のスキルミオンＳが生成してしまうことがわかる。メモリに用いる磁気素子として用いる場合、スキルミオンＳは所定の領域内に１個のみ生成されることが望ましい。
【０１１８】
そこで、図６（Ｂ）に示すように、領域Ａの端部の延展方向と垂直な向きの長さである高さｈを半分にすると、スキルミオンＳは左端に２個、中央に１個生成する結果が得られた。
【０１１９】
図７は、スキルミオン生成について、領域Ａの高さｈを半分に固定して幅Wを変化させることで、スキルミオン生成の幅Ｗへの依存性を調べたものである。図７（Ａ）から図７（Ｄ）へと、順次幅Ｗが狭められている。
【０１２０】
シミュレーションの結果、図７（Ａ）と（Ｂ）では２個のスキルミオンＳが存在するが、図７（Ｃ）と（Ｄ）では１個のみが存在する状態となった。なお、図７（Ｃ）における幅WはスキルミオンＳの直径λと同じサイズであり、図７（Ｄ）における幅WはスキルミオンＳの直径λの１/２と同じサイズとなっている。
【０１２１】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ領域Ａの幅Wがλ/2より小さい場合である。この場合にはスキルミオンＳは生成しない。
【０１２２】
図８（Ｃ）は、幅Wがλ/2であっても磁性体端部の切欠部Ｂを備えると、スキルミオンＳを生成できることを示している。この切欠部Ｂが領域A内を切り欠くときの切欠部Ｂの領域Ａとの接線の長さをＬとするとλ＞Ｌ＞λ/2の範囲でスキルミオンＳが生成できることを見出した。すなわち磁性体の切欠部Ｂはスキルミオン生成に効果的に働く。
【０１２３】
図９は領域Aの高さｈを低くした場合の実験結果である。図９（Ａ）のように、２λ＞ｈ＞λ/2の範囲であればスキルミオンＳは１個生成する。一方、図９（Ｂ）のｈ＜λ/2の場合はスキルミオンＳを生成することはできない。
【０１２４】
これらのシミュレーション実験から以下のことが判明した。
【０１２５】
（１）領域Aの左右の幅Ｗは下記の範囲が最適である。
λ≧Ｗ＞λ/４
【０１２６】
（２）領域Ａの高さｈは下記の範囲が最適である。
２λ＞ｈ＞λ/2
【０１２７】
（３）領域Ａに非磁性の切欠部Ｂを設置する場合、領域Ａ内と切欠部Ｂの接線の長さＬが以下の範囲にあれば、単一のスキルミオンＳを生成することができる。
λ＞Ｌ＞λ/２
【０１２８】
（４）単一のスキルミオンＳを生成するために必要な領域Aの磁場Haは、Ｈａ＜0.015Jである。このＨａの上限値は、下部磁性体１１がスキルミオン相になる磁場強度Ｈｓｋの2倍である。
【０１２９】
（５）局所磁場の印加時間幅（パルス幅）Ｔは1000（1/J）以上あればスキルミオンＳは形成される。それより長い時間でも単一のスキルミオンＳが生成した状態が維持され、複数個のスキルミオンＳが生成することはない。
【０１３０】
以上のシミュレーション実験結果は、電流印加による磁場によるスキルミオン生成の詳細な設計指針を与え、スキルミオン生成を備えた磁気素子を設計するうえで、大変重要である。
【０１３１】
このように、本願発明は、スキルミオン生成方法の最適の設計指針を与える。その設計ルールをスキルミオンサイズで規格された量で記述できたことから、各種の磁性材でも共通の設計指針を与えることができた。これにより、スキルミオンを用いた磁気素子を実用化する上で大きなインパクトをもたらすと期待できる。
【０１３２】
［実施例２］
実施例２において、スキルミオン消去のシミュレーション実験結果を示す。
【０１３３】
スキルミオンを消去する際のスキルミオンの運動は、LLG方程式を用いてスキルミオン生成の場合と同様に記述できる。
【０１３４】
本実施例の磁性体は、実施例１と同じカイラル磁性体である。カイラル磁性体の磁気相図は図４（A）に与えられている。磁性体１１１の幅はスキルミオンの直径λと同一で、高さもλと同一の正四角形状である。
【０１３５】
電流回路１１２は図１１（Ａ）に示した領域Aに追加磁場を印加できるように配置しており、図３に示す電流回路１１２と同様のものである。
【０１３６】
領域Ａは磁性体１１１の端部を含む領域に設定されている。領域Aの幅はλ/2とし、高さｈは０．６×λとした。
【０１３７】
領域Aの磁場をHaとする。スキルミオンＳを消去する場合の領域Aの磁場Haを図１０に示す。
【０１３８】
時刻ｔ＝０、磁場Ha=０．０３Ｊにおいてカイラル磁性体は強磁性相である。
【０１３９】
時刻ｔ=３０００（１／Ｊ）までのパルス磁場で、スキルミオンＳが生成される。このとき、図１１（Ａ）の状態から図１１（Ｂ）に示すように、スキルミオンＳが１個生成する。この生成条件は実施例１で説明した条件と同一である。
【０１４０】
次に、スキルミオンＳを消去する為に領域Aの磁場Haを強くする。時刻ｔ＝５０００（１／Ｊ）から８０００（１／Ｊ）の間、領域Aに最大でHa=0.05Jの図１０のようなパルス磁場を加える。
【０１４１】
この間、図１１（Ｃ）に示すように領域Aの左端にスキルミオンＳが動き、さらに下部に移動し、消滅する。その後、Ha=0.03Jとして、図１１（Ｄ）に示す初期状態に戻し、スキルミオンＳの消去が完了する。この時の追加磁場強度は＋０．０２Jであり、生成時の−０．０２Jが正負反転した量である。
【０１４２】
上述したように、一度生成したスキルミオンＳを領域Aの磁場Haの増大によって消去できる。この時の消去に必要な条件は以下である。
【０１４３】
（６）磁性体の幅Wmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Wm＞λ/2
Wmが小さすぎるとスキルミオンが生成されない。Wmはλ程度がよい。
【０１４４】
（７）磁性体の高さｈmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ/2
ｈｍが大きすぎるとスキルミオンの消去時にスキルミオンが電流回路から逃げだし消去できない。
【０１４５】
（８）領域Aの幅Wは（１）に従う。すなわち、λ≧Ｗ＞λ/４である。
【０１４６】
（９）領域Aの高さｈの条件は（２）に従う。すなわち、２λ＞ｈ＞λ/２である。ここでは０．６×λの高さに設定した。
【０１４７】
（１０）消去に必要な領域Aの磁場HaはHa≧０．０４Jである。
【０１４８】
［実施例３］
実施例３において、スキルミオン消去用印加パルス磁場の向きがスキルミオン生成用パルスと同じ向きであっても、スキルミオンを消去できる実施例を示す。この実施例３で、領域Ａは磁性体１１１の端部を含む領域に設定されている。電流回路１１２は磁性体１１１の下辺の中央より左側に偏った位置に形成されている。なお、本発明においては、電流回路１１２は下部磁性体１１１の下辺の中央よりも左右どちらかに偏った位置に形成されていればよく、右側に偏った位置であってもよい。
【０１４９】
図１２（Ａ）に示すように、磁気素子１０に磁場である生成パルス１を印加し、次に磁場である消去パルス２を印加する。
【０１５０】
このときの消去パルス２は生成パルス１と同じ向きの磁場印加である。本例では領域Aの磁場Haの消去パルス２の磁場強度を強磁性相に対応する０．０３Jより小さい値０．０１５Jにする。なお生成パルス１の磁場強度は０．０１Jである。このとき、図１２（Ｂ）で示したように領域Aを左側に配置していれば、生成したスキルミオンを消去できる。ただし、領域Aを左端に寄せすぎると最初の磁場印加でスキルミオンが生成できない。
【０１５１】
この場合、磁性体の幅Ｗｍ及び高さｈｍはλより大きくとる必要がある。本実施例では、１．２×λとしている。λよりすこし大きな磁性体を採用する理由は、生成したスキルミオンが磁性体中心に移動する為の空間を確保するためである。
【０１５２】
上述した本実施例におけるスキルミオンの消去に必要な条件は以下の通りである。
【０１５３】
（１１）スキルミオン消去パルスの向きが生成パルスの向きと同じ場合、磁性体サイズの幅Wmはスキルミオン直径λに対して
２λ＞Ｗｍ＞λ
である。磁性体サイズの高さも同様に
２λ＞ｈｍ＞λ
である。
【０１５４】
（１２）スキルミオン消去パルスの向きが生成パルスの向きと同じ場合、領域Aの幅Wは０．４×λである。高さｈはλ/2である。領域Aの左端での磁性体との間隙ｄは、０．４×λ＞ｄ＞０．２λである。なお、ｄが０．２λよりも小さいと、生成パルスでスキルミオンを生成することができない。
【０１５５】
（１３）領域Aに印加するスキルミオン生成パルスの磁場強度Haは上の生成条件（４）に従う。すなわち、Ｈa＜０．０１５Ｊである。
【０１５６】
（１４）領域Ａに印加するスキルミオン消去パルスの磁場強度Haは、Ha＜０．０２Jである。
【０１５７】
［実施例４］
実施例４において、領域Aが生成用A1と消去用A2の二つの領域に分割される場合のスキルミオン消去のシミュレーション実験結果を示す。図１３（Ｃ）は、領域Ａを分割した例を示す模式図である。生成用の領域Ａ１は、下部磁性体１１１の端部を含む。消去用の領域Ａ２は、生成用の領域Ａ１が含む下部磁性体１１１の端部とは逆側において、生成用の領域Ａ１と隣接する。
【０１５８】
図１３（Ｃ）に示す生成用の領域A１の幅W１は０．４×λで高さｈ１は０．６×λである。また、消去用の領域Ａ２の幅W２は０．４×λで高さｈ２は０．４×λである。
【０１５９】
磁性体の幅Wmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Wm＞λ/2
Wmが小さすぎるとスキルミオンが生成されない。Wmはλ程度がよい。
【０１６０】
磁性体の高さｈmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ/2
ｈｍが大きすぎるとスキルミオンの消去時にスキルミオンが電流回路から逃げだし消去できない。
【０１６１】
図１３（Ｃ）に示す２つの領域A１、Ａ２に対し、領域A1に磁場強度Ha1の生成パルスを印加することによりスキルミオンを生成できる。領域A1と異なる領域A２に磁場強度Ha2の消去パルスを印加することによりスキルミオンを消去できる。図１３（A）に示す生成パルスおよび消去パルスは、磁場として同じ向きで同じ大きさのパルス磁場である。本例では、磁場強度Ha1および磁場強度Ha2を０．０１Jとする。これにより、スキルミオンを生成し、消去することができる。また、消去パルスの向きと生成パルスの向きが同じ場合であって、生成パルスの磁場強度Ha1が０．０１Ｊ、消去パルスの磁場強度Ha2が０．０１５Jの場合を図１３（B）に示した。この場合でもスキルミオンを消去できる。領域A２の磁場HaがHa＜０．０２Jであれば消去可能である。
【０１６２】
生成パルスが印加された際にスキルミオンが発生しない場合、消去パルスの印加磁場でスキルミオンが生成することはない。これは、消去用領域A２の高さが小さいために、スキルミオンを生成することができないからである。
【０１６３】
上述した本実施例におけるスキルミオンの消去に必要な条件は以下の通りである。
【０１６４】
（１５）生成用領域A１と消去用領域A2を設けた場合、生成パルスの磁場強度Ha1と消去用パルスの磁場強度Ha2が同じ場合でもスキルミオンの生成、消去が可能である。
【０１６５】
（１６）磁性体の幅Wmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞Wm＞λ/2
【０１６６】
（１７）磁性体の高さｈmはスキルミオン直径λに対して以下の範囲にする。
２λ＞ｈｍ＞λ/2
【０１６７】
なお、図１３（Ｂ）に示すように、消去パルスを生成パルスよりも小さなものとしてもよく、Ha2＜０．０２Jの範囲で可能である。ただし、消去用領域A２の高さが０．５５×λ以下では、スキルミオンは消去できない。
【０１６８】
このように、本実施例では、スキルミオンの生成と消去用にそれぞれ異なる２つの領域A１、Ａ２を用いる場合においても、スキルミオンの生成と消去が可能であることが示された。
【０１６９】
上述した実施例１−４において、磁場印加によるスキルミオン生成、消去のためのシミュレーション実験を示した。そして、スキルミオン生成、消去のための設計デザインルールを（１）から（１７）の１７項目で明らかにした。
【０１７０】
この１７項目の基準はスキルミオンメモリ素子を設計するための基本ルールを定めたもので極めて重要である。この設計ルールは磁性体の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Jと、生成されるスキルミオンサイズλの二つの量で規格化された量として表現されている。λは［数５］でジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄと関係づけられる。［数５］において、ａは磁性体１１の格子定数であり、Ｄはジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさで物質固有の物理常数である。したがって、スキルミオン直径λは物質固有常数となる。スキルミオン直径λは非技術文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。
【０１７１】
したがってこの基本ルールは各種のカイラル磁性体に適用可能な設計ルールとして表現されていて、適用範囲は広い。
【０１７２】
図１４、図１５は、電流回路の他の形状例を示す模式図である。図１５は電流回路がコイル状の場合を示している。本発明における電流回路の形状は、これらの形状に限定されるものではなく、類似の他の電流回路形状を採用することができる。
【０１７３】
なお、ここに述べたカイラル磁性体での実施例での結論は定性的にはダイポール系磁性体でもフラストレート磁性体でも変更をきたさない。
【０１７４】
このように、本願発明は、スキルミオンを生成、消去可能な磁気素子及びスキルミオンメモリの最適の設計指針を与える。
【０１７５】
その設計ルールはスキルミオンサイズで規格された量で記述できることから各種の磁性材でも共通の設計指針を与えことができるため、スキルミオンを用いた磁気素子を実用化する上で大きなインパクトをもたらすと期待できる。
【０１７６】
スキルミオンメモリは書き込み、消去を何度でも行うことが可能である。すなわち、書き込み、消去の回数の制限はなく、エンデユランス（耐久性）は無限大である。
【０１７７】
また、スキルミオンは安定して存在するため、スキルミオンメモリはデータリテンション（保持）性能を大幅に向上することができる。
【０１７８】
本願発明に係る磁気素子及びスキルミオンメモリのこれら２つの特徴は、酸化膜の絶縁性を利用するフラッシュメモリの場合に伴う電子保存の書き込み回数の制限や保持性能の劣化などの問題を一気に解決する画期的なものである。
【産業上の利用可能性】
【０１７９】
スキルミオンは、直径が１〜１００ｎｍとナノスケールのサイズを有する極微細構造であり、膨大なビット情報を極細密化できる大容量記憶磁気素子として応用することができる。スキルミオンメモリは電気的に書き込みと消去を行うことができる。そして、この書き込みと消去に要する時間もナノ秒である。こうした高速大規模不揮発性メモリを用いることで、現在多くの電子機器で求められている大規模情報の高速処理能力を大幅に向上させる。【０１８０】
また、スキルミオンは磁気モーメントを記憶媒体としながら、電流により誘起された磁場により直接書き込みと消去を行うことができる。【０１８１】
このスキルミオンメモリの電流誘起磁場による記録方法を用いることで、大容量磁気メモリであるハードディスクに必要な機械駆動部分を無くすことができ、消費電力の大幅削減、摩耗部品等の駆動疲労による劣化をなくし、超高速の書き込み、消去も可能となる。このため、現在のハードディスクの置き換えが可能である。【０１８２】
また、記録容量が増加しつつある、電気による書き込み、消去を採用しているフラッシュメモリに対しても多くの優位な点をもっている。磁気モーメントを記録媒体として用いているので、何回でも記録の書き換えが可能である。また、スキルミオンメモリの記録保持時間は長い。【０１８３】
これらの特徴により、例えばスキルミオンメモリを搭載するパーソナルコンピュータの使用環境は大幅に向上する。スキルミオンメモリを用いることで機器への電源投入から運転可能になるまでの立ち上がり時間の短縮化と応答速度の高速化が実現され、快適な使用環境が実現される。【０１８４】
また、省電力化により搭載電池の長寿命化を実現することもでき、モバイル機器等についてさらに画期的な仕様を実現することができる。【０１８５】
ＣＰＵ搭載の携帯電話やスマートホンも、スキルミオンを用いた高速大規模不揮発性メモリの使用が可能となれば、画像の取り込みや、多彩なアプリケーションプログラムの実行、画像表示等の速度が高速化し、使用環境がさらに向上する。【０１８６】
また、デジタルカメラやテレビジョン受像機にスキルミオンメモリを搭載すれば、記憶可能な動画のデータ量も大幅に増やすことができる。【０１８７】
また、自動車等の自走装置や航空機等の飛行装置についても、制御装置や各種搭載機器にスキルミオンメモリを用いることで、複雑な制御処理、天候情報処理、座席や客室におけるテレビ受像機を用いた高画質な映像の提供による乗客用のサービスの充実等を実現することができる。【０１８８】
更に、人工衛星、宇宙航空船等の宇宙飛行装置の制御装置や実験装置等の各種装置に本発明に係るスキルミオンメモリを搭載することで、制御情報や観察した画像の情報等、膨大な情報を記録することができ、人類に多くの知見をもたらすことができる。【０１８９】
このように、本願発明に係るスキルミオンメモリは、高速大規模不揮発性メモリとして、スキルミオンメモリ搭載ＣＭＯＳ−ＬＳＩデバイス、およびスキルミオンメモリを内蔵した、パーソナルコンピュータ、データ記録媒体、データ記録装置、携帯電話、スマートホン、デジタルカメラ、スティックメモリ、通信装置、画像記録装置、テレビ、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置等、多数の装置に搭載可能であり、これらの装置に多大なる利点をもたらすと期待できる。
【符号の説明】
【０１９０】
１  マグネチックシフトレジスタ
２  磁気センサー
１０  磁気素子
１２  磁場発生部
１１１  下部磁性体
１１２  電流回路
Ｓ  スキルミオン
【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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【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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