(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に対向して設けられ、前記磁性体を準安定強磁性状態または強磁性状態にする磁場発生部と
を備え、
前記磁性体の前記一面とは逆側に位置する前記磁性体の他の一面において、熱エネルギーを局所的に印加することにより、スキルミオンを生成または消去でき、
薄層状の前記磁性体の平面の大きさが、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、薄層状の前記磁性体に生成するスキルミオンの直径λに対し、
Ｗｍ＞λ／２、かつ、
ｈｍ＞λ／２
となるサイズを有し、
前記熱エネルギーを局所的に印加して前記スキルミオンを生成または消去する場合において、
ギルバート緩和定数αが０．０５＞α≧０．０１の場合、
ｄ≧１５ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．０・Ｊ
であり、
ａは前記磁性体の格子定数であり、Ｊは前記磁性体の磁気交換相互作用の大きさであり、ｋＢはボルツマン定数であり、ｄは局所熱のスポットサイズ半径であり、Ｔは前記熱エネルギーを印加した部位の前記磁性体の温度である、
磁気記憶媒体。
【請求項２】
前記磁場発生部は、前記磁性体を準安定強磁性状態にする磁場であって、前記磁性体のスキルミオン結晶相に相当する磁場を発生する
請求項１に記載の磁気記憶媒体。
【請求項３】
前記準安定強磁性状態である前記磁性体の前記他の一面に対して、
ｄ≧１５ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．０・Ｊ
を満たす前記熱エネルギーを局所的に印加して、前記磁性体に前記スキルミオンを生成する
請求項２に記載の磁気記憶媒体。
【請求項４】
前記準安定強磁性状態である前記磁性体の前記他の一面に対して、
ｄ≧１８ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊ
を満たす前記熱エネルギーを局所的に印加して、前記磁性体の前記スキルミオンを消去する
請求項２に記載の磁気記憶媒体。
【請求項５】
前記磁場発生部が前記磁性体を強磁性状態にする
請求項１に記載の磁気記憶媒体。
【請求項６】
前記強磁性状態である前記磁性体の前記他の一面に対して、
ｄ≧１５ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊ
を満たす前記熱エネルギーを局所的に印加して、前記磁性体に前記スキルミオンを生成する
請求項５に記載の磁気記憶媒体。
【請求項７】
前記強磁性状態である前記磁性体の前記他の一面に対して、
ｄ≧２０ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊ
を満たす前記熱エネルギーを局所的に印加して、前記磁性体の前記スキルミオンを消去する
請求項５に記載の磁気記憶媒体。
【請求項８】
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に対向して設けられ、前記磁性体を準安定強磁性状態にする磁場であって、前記磁性体のスキルミオン結晶相に相当する磁場を発生する磁場発生部と
を備え、
前記磁性体の前記一面とは逆側に位置する前記磁性体の他の一面において、熱エネルギーを印加することにより、スキルミオンを生成または消去でき、
薄層状の前記磁性体の平面の大きさが、幅をＷｍ、高さをｈｍとすると、薄層状の前記磁性体に生成するスキルミオンの直径λに対し、
Ｗｍ＞λ／２、かつ、
ｈｍ＞λ／２
となるサイズを有し、
前記準安定強磁性状態である前記磁性体の前記他の一面に対して前記熱エネルギーを局所的に印加して前記スキルミオンを消去する場合において、
前記磁性体における熱エネルギーｋＢＴが、
２．０Ｊ＞ｋＢＴ≧１．５Ｊである場合、前記熱エネルギーの印加時間は、２００（１／Ｊ）≧ｔ≧１５０（１／Ｊ）であり、
ｋＢＴ≧２．０Ｊの場合、前記熱エネルギーの印加時間は、２５０（１／Ｊ）≧ｔ≧２００（１／Ｊ）であり、
Ｊは前記磁性体の磁気交換相互作用の大きさであり、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは前記熱エネルギーを印加した部位の前記磁性体の温度である、
磁気記憶媒体。
【請求項９】
磁気記憶媒体を備えるスキルミオンメモリであって、
前記磁気記憶媒体は、
薄層状の磁性体と、
前記磁性体の一面に対向して設けた磁場発生部と
を有し、
前記磁性体の前記一面とは逆側に位置する前記磁性体の他の一面において、熱エネルギーを印加することにより、スキルミオンを生成または消去でき、
前記スキルミオンメモリは、
前記磁性体の前記他の一面の上部に接して設けられた絶縁体と前記絶縁体の上部に接して設けられた磁性金属とを有する第１電極と、
前記一面の下部に接して設けられた金属からなる第２電極を備え、
前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加し、
前記絶縁体に電流を流すことにより発生するジュール熱を前記磁性体に与え、
前記磁性体にスキルミオンを生成または消去し、
前記絶縁体を流れるトンネル電流によりスキルミオンを検知する、
スキルミオンメモリ。
【請求項１０】
前記絶縁体との接触面における前記第１電極の平面形状において、矩形の一辺または円の直径の長さＤは、前記熱エネルギーを局所的に印加する場合の局所熱のスポットサイズ半径ｄの２倍である
請求項９に記載のスキルミオンメモリ。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のスキルミオンメモリを一つの記憶単位メモリとして構成した複数のスキルミオンメモリと、
前記複数のスキルミオンメモリの少なくともの一つに電気的に接続したビット線と、
前記複数のスキルミオンメモリの少なくともの一つに電気的に接続した選択線と、
前記複数のスキルミオンメモリの少なくともの一つに電気的に接続したリード線と、
前記ビット線、前記選択線および前記リード線に一つずつ接続され、前記複数のスキルミオンメモリの少なくとも一つを選択する、複数の電界効果トランジスタと、
前記リード線に流れる電流を増幅し、前記スキルミオンの有無を検出する検出回路と
を備えるスキルミオンメモリデバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のスキルミオンメモリデバイスと中央演算処理デバイスとを同一チップ内に形成しているスキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス。
【請求項１３】
請求項１１記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ記録装置。
【請求項１４】
請求項１１記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載するデータ処理装置。
【請求項１５】
請求項１１記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄層状の磁性体に熱エネルギーを印加することにより、スキルミオンを生成および消去可能である磁気記憶媒体、および、当該磁気記憶媒体を備えるデータ記録装置、スキルミオンメモリ、スキルミオンデバイス、スキルミオンデバイスを備えるデータ記録装置、スキルミオンデバイスを備えるデータ処理装置、スキルミオンデバイスを備えるデータ通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを印加することによりデータを記録する装置の例として、ＤＶＤ＋ＲＷがある。画像記録装置に用いるＤＶＤ＋ＲＷは、ブルーレーザの登場によりその記憶容量は数十ＧＢ容量と飛躍的に増加した。このＤＶＤ＋ＲＷは書き換えが可能であり、かつ、高速記録に対応可能である相変化型記録媒体を用いる（特許文献１）。【０００３】
相変化型メモリの場合、情報を書き込むときは局所熱によりＧｅＴｅなどの材料を結晶相からアモルファス相に相変化させて、急冷する。これにより、材料の一部をアモルファス相にする。結晶相の高抵抗状態とアモルファス相の低抵抗状態との抵抗変化をビット情報として利用する。結晶相からアモルファス相への転移時間は数十ナノ秒（ｎｓ）程度である。これ以上、高速化できない。また、情報を消去する際には非晶質の部分を短時間に消去するために、記録層の結晶化速度を上げる必要がある。結晶化速度を上げる為には非晶質の部分を従来よりもさらに細くする必要がある等の技術開発課題がある（特許文献１）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２００６−２２１７１２号公報
［非特許文献］
［非特許文献１］Ｌｕｋａｓ  Ｎｏｖｏｔｏｎｙ  ａｎｄ  Ｎｉｅｋ  ｖａｎ  Ｈｕｌｓｔ、"Ａｎｔｅｎｎａｓ  ｆｏｒ  ｌｉｇｈｔ"  Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ５，  ８３−９０  （２０１１）．
［非特許文献２］Ｍ．Ｌｕｔｗｙｃｈｅ、ｅｔ  ａｌ、"５×５  ２Ｄ  ＡＦＭ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  Ａｒｒａｙｓ  ａ  ｆｉｒｓｔ  ｓｔｅｐ  ｔｏｗａｒｄ  ａ  Ｔｅｒａｂｉｔ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｄｅｖｉｃｅ"  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｖｏｌ．７３  ｐ８９−９４  （１９９９）．
［非特許文献３］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】
【０００４】
情報記録の高速度化を実現するには、情報の生成または消去に要する時間を短縮する必要がある。また、情報記録密度向上のために、情報を担う記憶ビットサイズを数ｎｍから数十ｎｍと極力小さくする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、薄層状の磁性体と、磁性体の一面に対向して設けた磁場発生部とを備え、磁性体の一面とは逆側に位置する磁性体の他の一面において、熱エネルギーを印加することにより、スキルミオンを生成または消去できる磁気記憶媒体を提供する。
本発明の第２の態様においては、薄層状の磁性体と、磁性体の一面に対向して設けた磁場発生部とを備え、磁性体の他の一面の上部に接して設けられた絶縁体と前記絶縁体の上部に接して設けられた磁性金属からなる第１電極と、磁性体の一面とは逆側に位置する磁性体の他の一面において、前記一面の下部に接して設けられた金属からなる第２電極とからなり、両電極間に電流パルスを印加し、絶縁体に発生したジュール熱による熱エネルギーを印加することにより、スキルミオンを生成または消去できるスキルミオンメモリを提供する。【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】磁性体１０中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０の一例を示す模式図である。
【図２】ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す図である。
【図３】スキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置１００を示す模式図である。
【図４】光アンテナ５０を用いたスキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置２００を示す模式図である。
【図５】加熱針５５を用いたスキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置３００を示す模式図である。
【図６】電極構成による加熱装置８０を用いたスキルミオン４０を生成または消去するスキルミオンメモリ４１０を示す模式図である。
【図７】シミュレーションに用いた磁性体１０の磁気相図を示す。
【図８】実施例１における、スキルミオン４０の生成を示すシミュレーション実験の結果を示す図である。
【図９】実施例２における、スキルミオン４０の消去を示すシミュレーション実験の結果を示す図である。
【図１０】実施例３における、スキルミオン４０の生成または消去における、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。
【図１１】実施例４における、生成できるスキルミオンの種類の、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。
【図１２】（Ａ）および（Ｂ）は、図１１の領域ＩＶにおける磁気構造であって、単一スキルミオン４０とは異なる磁気構造を示す図である。（Ｃ）は、図１１の領域ＩＶにおける磁気構造であって、二個のスキルミオン４０を示す図である。
【図１３】実施例５における、スキルミオン４０の生成または消去における、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。
【図１４】実施例６における、スキルミオン４０の生成における、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。
【図１５】ｘ‐ｙ平面で見た場合における、第１電極８２の形状例を示す図である。
【図１６】ｘ‐ｙ平面で見た場合における、第１電極８２の形状例を示す図である。
【図１７】スキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。
【図１８】スキルミオンメモリ４１０とＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０を搭載したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。
【図１９】スキルミオンメモリユニット層１１０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。
【図２０】複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。
【図２１】スキルミオンメモリ４１０をＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０の上層に搭載したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。
【図２２】スキルミオンメモリデバイス５００の書き込み回路および消去回路の一例を示す図である。
【図２３】スキルミオンメモリデバイス５００の検出回路１３８の一例を示す図である。
【図２４】スキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス６００の構成例を示す図である。
【図２５】データ記録装置７００の構成例を示す図である。
【図２６】データ処理装置８００の構成例を示す。
【図２７】データ通信装置９００の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明している特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
スキルミオンを形成できる磁性体の一例としてカイラル磁性体がある。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメント配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋状に回転する磁気秩序相（らせん磁性相）となる磁性体である。外部磁場を印加することにより、らせん磁性相は最密結晶格子に並んだスキルミオンが安定化するスキルミオン結晶相を経て強磁性相となる。
【００１０】
図１は、磁性体１０中のナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０の一例を示す模式図である。図１において、磁性体１０中の各矢印は、スキルミオン４０における磁気モーメントの向きを示す。ｘ軸およびｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸はｘｙ平面に直交する軸である。
【００１１】
磁性体１０は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１０中に配置したあらゆる向きを向く磁気モーメントが、スキルミオン４０を構成する。スキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、印加する外部磁場と同一の方向を向く。本例では、磁性体１０に印加する磁場の向きはプラスｚ方向である。それゆえ、本例のスキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、プラスｚ方向に向く。
【００１２】
スキルミオン４０において磁気モーメントは最外周から内側へ向けて渦巻状に回転する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻状の回転に伴い徐々にプラスｚ方向からマイナスｚ方向へ向きを変える。
【００１３】
スキルミオン４０は中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれる。つまり、スキルミオン４０は、磁気モーメントの渦巻構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン４０が存在する磁性体１０が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン４０を構成する磁気モーメントは、その厚さ方向では同じ向きの磁気モーメントである。すなわち板の深さ方向（ｚ方向）には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントからなる。スキルミオン４０の直径λとは、スキルミオン４０の最外周の直径を指す。本例において最外周とは、図１に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。
【００１４】
スキルミオン数Ｎｓｋは、渦巻構造を有するナノスケール磁気構造体であるスキルミオン４０を特徴づける。スキルミオン数Ｎｓｋは、以下の［数１］及び［数２］で表現することができる。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との間の極角Θ（ｒ）は、スキルミオン４０の中心からの距離ｒの連続関数である。極角Θ（ｒ）は、ｒを０から∞まで変化させたとき、πからゼロまでまたはゼロからπまで変化する。
【００１５】
【数１】
0006450389.tif 000002
【００１６】
【数２】
0006450389.tif 000003
【００１７】
［数１］において、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントは、ベクトル量である下記の［数３］で表すことができる。
【００１８】
【数３】
0006450389.tif 000004
【００１９】
［数２］において、ｍはボルテシテイ、γはヘリシテイである。［数１］および［数２］から、Θ（ｒ）がｒを０から∞まで変化させ、πからゼロまで変化するときＮｓｋ＝−ｍとなる。
【００２０】
図２は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す図を示す。特に、スキルミオン数Ｎｓｋ＝−１の場合の一例を図２に示す。
【００２１】
図２（Ｅ）は、磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。なお、右手系であるので、ｎｘ軸およびｎｙ軸に対してｎｚ軸は、紙面の裏から手前の向きに取る。また、濃淡と磁気モーメントの向きとの関係を、図２（Ｅ）に示す。
【００２２】
図２（Ａ）から図２（Ｄ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各矢印は、スキルミオン４０の中心から所定の距離だけ離れた磁気モーメントを示す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）に示す磁気構造体は、スキルミオン４０と定義できる状態にある。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の最外周のように、濃淡が最も淡い領域は、紙面の裏面から手前方向の磁気モーメントを示している。なお、当該磁気モーメントは、図では白色で表す。図２（Ａ）から図２（Ｄ）の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、紙面の手前から裏面方向の磁気モーメントを示している。なお、当該磁気モーメントは、図では黒色で表す。
【００２３】
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｂ）（γ＝π）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを１８０°回転した向きである。図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｃ）（γ＝−π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを−９０度（右回りに９０度）回転した向きである。
【００２４】
図２（Ａ）（γ＝０）の各磁気モーメントに対して、図２（Ｄ）（γ＝π／２）の各磁気モーメントの向きは、図２（Ａ）の各磁気モーメントを９０度（左回りに９０度）回転した向きである。なお、図２（Ｄ）に示すヘリシテイγ＝π／２のスキルミオン４０が、図１のスキルミオン４０に相当する。
【００２５】
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。図２（Ａ）〜（Ｄ）の構造を有するスキルミオン４０は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
【００２６】
図３は、スキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置１００を示す模式図である。データ記録装置１００は、磁気記憶媒体３０と、レーザ光源７０とを有する。
【００２７】
磁気記憶媒体３０は、磁性体１０と、磁場発生部２０とを有する。磁性体１０は、薄層状の形状を有する。磁性体１０は、薄膜形状である。図３においては、薄膜形状である磁性体１０の一部分を示す。磁性体１０は、ｘ‐ｙ面と平行である平面を二面有する。当該二面は、薄膜形状である磁性体１０の一面１２と当該一面１２とは逆側に位置する他の一面１４とを指す。
【００２８】
本例の磁性体１０は、厚さが５００ｎｍ以下の薄層状に形成した磁性体である。磁性体１０は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）またはスパッター等の技術を用いて形成する。
【００２９】
各実施例において、磁性体１０はカイラル磁性体である。カイラル磁性体は、ＦｅＧｅまたはＭｎＳｉ等よりなる。なお、磁性体１０は、螺旋磁性を示すカイラル磁性体に限定せず、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または磁性材料と非磁性材料との積層構造からなるものであってもよい。
【００３０】
ダイポール磁性体は、磁性体の磁性を説明する上で、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。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。磁性材料と非磁性材料との積層構造を有する磁性体は、磁性材料の非磁性材料に接する磁気モーメントを非磁性材料のスピン軌道相互作用により変調した磁性体である。
【００３１】
磁場発生部２０は、薄膜形状である。図３においては、薄膜形状である磁場発生部２０の一部分を示す。磁気記憶媒体３０は、それぞれ薄膜形状である磁性体１０および磁場発生部２０を有する。したがって、磁気記憶媒体３０も薄膜形状である。
【００３２】
磁場発生部２０を、磁性体１０の一面１２に対向して設ける。磁場発生部２０は、磁性体１０よりもマイナスｚ方向に配置する。本例では、磁場発生部２０は、磁性体１０の一面１２からマイナスｚ方向に離間して、当該一面１２に対して略平行に配置する。なお、磁場発生部２０は、例えば強磁性体である。本例では、熱拡散を考慮して、磁場発生部２０が強磁性体の金属である場合、磁性体１０と磁場発生部２０とを離間する。なお、これに対して、磁場発生部２０が強磁性体の絶縁体である場合、磁性体１０と磁場発生部２０とを接触させてもよい。
【００３３】
磁場発生部２０中の矢印は、磁場発生部２０が発生する磁場を模式的に示したものである。外部磁場としての当該磁場を磁性体１０に印加する。
【００３４】
磁性体１０の他の一面１４の一部には、レーザ光源７０からレーザ光６０を照射する。当該レーザ光６０の照射により、磁性体１０の他の一面１４の一部を加熱する。レーザ光６０としてブルーレーザを用いた場合、回折限界から、数１００ｎｍ程度の照射径が限界である。なお、磁性体１０の他の一面１４に印加するレーザ光の照射径が、局所熱エネルギーのスポットサイズ半径に相当する。この場合はスキルミオン直径が１マイクロメートル程度となる磁性体を採用すればよい。さらに短波長レーザを用いれば、スキルミオン直径の磁性体を用いることが可能となる。なお、局所的な熱エネルギーを生成するための熱エネルギーを出力する装置として、集束コイルで集束した電子線を出力する集束電子線発生装置を用いてもよい。
【００３５】
レーザ光６０を磁性体１０の他の一面１４の一部に所定時間印加すると、磁性体１０の他の一面１４から一面１２まで、磁気モーメントの渦構造であるスキルミオン４０を生成できる。データ記録装置１００は、ビット情報に同期させてスキルミオン４０を生成する。データ記録装置１００は、ビット情報"１"のときはスキルミオン４０の"生成"、ビット情報"０"のときはスキルミオン４０の"生成なし"とする。当該情報により、データ記録装置１００は画像を記録してもよい。なお、本明細書において、熱エネルギーとは、レーザ光６０、光アンテナ５０が出力する電磁波、加熱針５５または、集束電子線により発生した磁性体の他の一面１４上での熱エネルギーを指す。
【００３６】
データ記録装置１００において、ビット情報を、磁性体１０において等間隔のスキルミオン４０の有無に変換することができる。例えば、円板形状の磁気記憶媒体３０を一定の速さで回転させて、局所熱エネルギーのオンオフを磁性体１０の他の一面１４に印加する。これにより、スキルミオン４０の有無を、高速で回転する磁性体１０に保持する。磁性体１０の表面（他の一面１４）だけではなく裏面（一面１２）まで同じ渦構造をもつ磁気モーメントとして、スキルミオン４０を生成することができる。これによりスキルミオン４０は、簡単には壊れない（消失しない）構造として安定に、尚且つ位置を移動することなく静止して存在することができる。人間生活での弱磁場環境では、スキルミオン４０は、簡単に移動または消失しない。
【００３７】
スキルミオン４０の有無を読み取るときは、ディスク上部にＴＭＲ素子などのセンサーを用意し、スキルミオン４０の有無をビット情報としての電気信号に変換すればよい。スキルミオン４０の消去には、一例として、スキルミオン４０の生成時に磁性体１０の他の一面１４に対して局所的に印加する熱エネルギーのエネルギーより大きいエネルギーを当該他の一面１４に印加する。これにより、磁気記憶媒体３０において、スキルミオン４０の生成および消去が可能となる。
【００３８】
図４は、スキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置２００を示す模式図である。データ記録装置２００は、光アンテナ５０をさらに有し、当該光アンテナ５０にレーザ光源７０からレーザ光６０を照射することにより、熱エネルギーを磁性体１０の他の一面１４に印加する。係る点において、図４は図３の例と異なる。他の構成は、図３の例と同一である。
【００３９】
金属からなる光アンテナ５０にレーザ光６０を照射することにより、当該光アンテナ５０の数ナノサイズの先端から、数から数十ナノメートル（ｎｍ）サイズの微少径を有する電磁波（光）を生成することが可能である（非特許文献１）。なお、磁性体１０の他の一面１４に印加した電磁波の微小径が、局所熱エネルギーのスポットサイズ半径に相当する。この局所的な電磁波を照射して局所的な熱エネルギーを磁性体１０の他の一面１４に与えると、スキルミオン４０を電磁波の照射部分に生成できる。
【００４０】
図５は、スキルミオン４０を生成または消去するデータ記録装置３００を示す模式図である。データ記録装置３００は、データ記録装置１００のレーザ光源７０に代えて、加熱針５５を有し、当該加熱針５５の先端５７から熱エネルギーを磁性体１０の他の一面１４に印加する。係る点において、図５は図３の例と異なる。他の構成は、図３の例と同一である。
【００４１】
加熱針を用いた加熱方法は既知技術である（非特許文献２）。ヒータを有する加熱針は微細加工により形成することができる。ヒータを有する加熱針５５を磁性体１０の他の一面１４の一部に接触することより、磁性体１０を局所的に加熱することができる。なお、加熱針５５の先端５７において、磁性体１０の他の一面１４と接触する部分のｘ‐ｙ面における半径が、局所熱エネルギーのスポットサイズ半径に相当する。
【００４２】
複数の加熱針５５は、二次元面状にマトリックスアレイ状に配置する。これは、１個の加熱針５５の可動範囲が限定的であることによる。図５においては、マトリクスアレイ状に配置した加熱針５５の一つのみを図示する。加熱針５５には、加熱針５５をｘおよびｙ方向に移動させるアクチュエータを接続する。加熱針５５をｚ方向に移動させるアクチュエータも加熱針５５に接続する。加熱針５５をｚ方向に移動させるアクチュエータにより、加熱針５５の先端５７の針圧を調整できる。加熱針５５を用いる場合、アクチュエータによりｘおよびｙ方向に掃引しながら磁性体１０を局所的に加熱することにより、磁性体１０にスキルミオン４０を形成する。それゆえ、加熱針５５を用いる場合は、磁性体１０を回転する必要はない。
【００４３】
図６は、電極を用いた加熱装置８０を用いたスキルミオン４０を生成または消去するスキルミオンメモリ４１０を示す模式図である。いままで述べてきた磁性体１０外部からのレーザ光等の加熱機構と異なり磁性体１０上に電極を用いて加熱することによりスキルミオンを生成、消去するスキルミオンメモリである。微細加工技術により加熱装置８０を作製する。この場合、外部からの加熱装置は必要ではない。スキルミオンメモリ４１０は、メモリデバイスとして利用できる。電極による加熱の場合、加熱エネルギーによるスキルミオンの生成、消去が可能であることから、外部からの加熱の例と同様に扱える。スキルミオンメモリ４１０は、磁性体１０、磁場発生部２０、第１電極８２、第２電極８４及び電流計９１を有する。加熱装置８０は、第１電極８２と、第２電極８４とを有する。第１電極８２は、磁性体１０の他の一面１４の上部に接して設けられた絶縁体９２と、絶縁体９２の上部に接して設けられた磁性金属８３とを有する。第２電極８４は、磁性体１０の一面１２の下部に接して設けられた金属からなる。なお、電源８１はスキルミオンメモリ４１０の構成要素ではない。本明細書において、上および上方とは、磁性体１０の一面１２から他の一面１４に向かう＋ｚ方向を指す。また、下および下方とは、磁性体１０の他の一面１４から一面１２に向かう−ｚ方向を指す。
【００４４】
本例において第１電極８２の磁性金属８３は、円柱状の磁性金属である。磁性金属８３は、加熱針５５と同程度の微細形状であってよい。磁性金属８３の円状の断面積が磁性体１０の他の一面１４に接触する面積であり、磁性金属８３の円状断面の半径は局所熱エネルギーのスポットサイズ半径に相当する。磁性金属８３と磁性体１０との間には絶縁体９２を形成する。磁性体１０および第２電極８４は、ｘ‐ｙ面と平行な平板である。磁性体１０のサイズの幅をＷｍとし、高さをｈｍとする。本例では、生成するスキルミオン４０の直径λに対し、Ｗｍ＞λ／２、かつ、ｈｍ＞λ／２となるサイズを有する。上記の幅および高さの下限値の範囲は、単一のスキルミオン４０が磁性体１０に安定して存在するための下限値である。第２電極８４のサイズは第１電極８２と同じサイズでよい。また、第２電極８４のサイズは磁性金属８３より大きいサイズでもよい。
【００４５】
本例の第１電極８２は電流を印加することができる磁性金属８３を有する。磁性金属８３は、強磁性体金属であるＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、または、これら強磁性体金属からなる積層強磁性体金属薄膜である。本例の第２電極８４は、強磁性金属であってもよく、非磁性金属のＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＮ、およびＡｌＳｉ等であってよい。なお、第２電極８４はスキルミオンを生成する磁性体金属であってもよい。この場合、第２電極８４を形成する必要がなくなる。スキルミオン４０を生成する磁性体金属の抵抗値が高い場合は他の金属材料をさらに設けることにより第２電極８４とする必要がある。加熱部位の面積を局所加熱とする必要からである。
【００４６】
電源８１の一方の端子８５は、第１電極８２の磁性金属８３に電気的に接続する。電源８１の他方の端子８７は、第２電極８４に電気的に接続する。電源８１は、電源８１に接続されたスイッチにより、磁性金属８３と第２電極８４との間にパルス的に電流を流すことができる。スイッチはＦＥＴトランジスタである。パルス電流が第１電極８２における絶縁体９２を流れるときに発生するパルス的ジュール熱により磁性体１０を加熱することができる。絶縁体９２には絶縁体９２と磁性金属８３との接触断面で電流が流れるので、磁性金属８３の円状断面サイズで局所熱を発生することができる。
【００４７】
図６で示した電極構成はスキルミオンセンサとしても機能する。第１電極８２の磁性金属８３は強磁性体金属からなる。磁場発生部２０からの垂直磁化（ｚ方向）に応答して磁性金属８３の磁気モーメントはｚ方向となる。例えば、スキルミオン４０が存在しない場合、磁性体１０の磁気モーメントはｚ方向を向いている。この場合、磁性金属８３の磁気モーメントと磁性体１０の磁気モーメントは上向きに揃う。このため絶縁体９２を流れるトンネル電流は、スキルミオン４０が存在する場合と比較して大きい電流値を示す。これに対して、スキルミオン４０が存在する場合、磁性体１０にはスキルミオン４０のらせん状の磁気モーメントが存在するので、＋ｚ方向以外の多くの向きの磁気モーメントが存在する。このため、絶縁体９２に流れるトンネル電流は、スキルミオン４０が存在しない場合と比較して小さくなる。このトンネル電流の大小で磁性体１０のスキルミオン４０の有無を検知する。スキルミオンの渦構造の磁気モーメントは磁性体１０の裏面（一面１２）から表面（他の一面１４）まで貫いた構造である。そのためにトンネル電流に大きな散乱効果を与える。したがって、検知感度は高い。
【００４８】
以下に、スキルミオン４０を生成する、実施例１から５を示す。
［実施例１］
実施例１において、磁性体１０の他の一面１４に局所熱エネルギーを与えて、スキルミオン４０を生成するシミュレーション実験結果を示す。局所熱エネルギーによるスキルミオン４０の生成または消去は下記の［数４］で記述することができる。
【００４９】
【数４】
0006450389.tif 000005
【００５０】
［数４］において、Ｈは磁性体１０を記述するハミルトニアンである。外部磁場は、ベクトル量［数５］で表現することができる。αはギルバート緩和定数である。
【００５１】
【数５】
0006450389.tif 000006
【００５２】
温度の局所的分布を下記の［数６］とし、座標μ，ν＝ｘ，ｙ，ｚとすると、温度の局所的分布による局所磁場の揺らぎは、統計的なガウス分布に従う。局所磁場の揺らぎは、下記の［数７］で表すことができる。なお、ｋＢはボルツマン定数である。
【００５３】
【数６】
0006450389.tif 000007
【００５４】
【数７】
0006450389.tif 000008
【００５５】
また、カイラル磁性体でのハミルトニアンＨは、［数８］で表すことができる。
【００５６】
【数８】
0006450389.tif 000009
【００５７】
［数８］において、Ｊは磁性体の磁気交換相互作用の大きさである。Ｄはジャロシンスキー・守谷相互作用を示す定数である。ａは磁性体１０の格子定数である。また、ｅｘおよびｅｙは、それぞれｘ軸方向およびｙ軸方向の単位ベクトルである。なお、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体、または、積層磁性体に関してはこのハミルトニアン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。
【００５８】
シミュレーションにおいては、磁性体材料固有の値である磁気交換相互作用の大きさＪにより規格した値で各種の物理量を記述する。なお、本実施例において、Ｄ＝０．１５Ｊ、α＝０．０１である。
【００５９】
図７は、シミュレーションに用いた磁性体１０の磁気相図を示す。横軸は、磁性体１０に作用させる外部磁場［数５］を磁気交換相互作用の大きさＪと数値とで示す。なお、本例の磁性体１０はカイラル磁性体である。外部磁場［数５］を、磁性体１０のプラスｚ方向に印加する。カイラル磁性体では、磁場発生部２０から印加する外部磁場［数５］に応じて、複数の相が発現する。
【００６０】
外部磁場［数５］がゼロの場合、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のらせん磁性相を持つ。外部磁場［数５］がゼロから０．００５２Ｊ未満までの間、らせんの磁気モーメントの磁気構造であるカイラル磁性体はらせん磁性相を発現する。外部磁場［数５］＝０．００５２Ｊをスキルミオン結晶相が発生する磁場として、Ｈｓｋで表す。
【００６１】
外部磁場［数５］＝０．００５２Ｊ（Ｈｓｋ）で、カイラル磁性体はスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）になる。当該スキルミオン結晶相（ＳｋＸ）においては、複数のスキルミオン４０が二次元最密結晶格子構造となってｘｙ平面内に発生する。外部磁場［数５］０．００５２Ｊ（Ｈｓｋ）から０．０１７５Ｊ未満までの間、カイラル磁性体はスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）を発現する。
【００６２】
カイラル磁性体がスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）であるとき、スキルミオン４０の直径λは、磁気交換相互作用の大きさＪとＤとを用いて以下の［数９］のように表すことができる。
【００６３】
【数９】
0006450389.tif 000010
【００６４】
ここでａはシミュレーションに用いたカイラル磁性体の格子定数である。カイラル磁性体では、スキルミオン４０の直径λは数ｎｍから数百ｎｍのナノメートルサイズである。本例ではＤ＝０．１５Ｊであるので、λ＝６０ａとなる。格子定数ａが５Åである磁性体の場合、λ＝３００Å＝３０ｎｍとなる。ジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさを示す物理定数であるＤは物質固有の物理定数であるので、［数９］により、スキルミオン４０の直径λは物質に固有の定数となる。スキルミオン４０の直径λは非特許文献３に記載のように、例えばＦｅＧｅでは７０ｎｍであり、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。
【００６５】
なお、本実施例で用いるカイラル磁性体では、外部磁場［数５］＝０．０１７５Ｊで強磁性相が発現する。当該強磁性相においては、カイラル磁性体の全ての磁気モーメントが外部磁場［数５］の印加方向と同じ向きに、プラスｚ方向に向く。なお、外部磁場［数５］＝０．０１７５Ｊを強磁性相が発現する磁場の大きさとして、Ｈｆで表す。
【００６６】
スキルミオン４０をカイラル磁性体中に生成させる手順について述べる。まず、磁場発生部２０とは異なる他の磁場発生部と磁気記憶媒体３０とを近接させる。当該他の磁場発生部は、カイラル磁性体を強磁性状態にする磁場を磁性体１０としてのカイラル磁性体および磁場発生部２０にかける。当該他の磁場発生部は、例えば、工場出荷時に磁気記憶媒体３０のカイラル磁性体を強磁性状態にする強磁性体の磁石である。本例では、当該他の磁場発生部は、カイラル磁性体に０．０１７５J（Ｈｆ）より大きい外部磁場［数５］を印加する。この場合、カイラル磁性体の全ての磁気モーメントは、外部磁場［数５］の印加方向と同じ向きに、プラスｚ方向に向く。また、当該他の磁場発生部が印加する磁場により、磁場発生部２０はｚ方向に揃った所定の磁場を発生できるようになる。この処理をしない場合、磁場発生部２０は方向の異なった磁気構造がそのままになってしまう。
【００６７】
その後、他の磁場発生部を、磁気記憶媒体３０と磁場発生部２０とから離す。磁場発生部２０は、カイラル磁性体を準安定強磁性状態とする磁場であって、カイラル磁性体のスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）に相当する磁場を発生させる。したがって、他の磁場発生部により、カイラル磁性体が強磁性状態になった後、磁場発生部２０は、カイラル磁性体を準安定強磁性状態にする。
【００６８】
本例では、磁場発生部２０は、カイラル磁性体に０．０１７５Ｊ（Ｈｆ）より小さい外部磁場０．０１５Ｊを印加する。この場合でもカイラル磁性体は強磁性状態で準安定であり、カイラル磁性体においてスキルミオン４０を生成できない。つまり、カイラル磁性体は、０．０１７５Ｊ（Ｈｆ）よりも小さい外部磁場［数８］のｈを印加しているにもかかわらず、強磁性状態で準安定となる。なお、本明細書において、強磁性状態とは、磁性体１０における各磁気モーメントの向きが外部磁場［数８］のｈと同じ向きに向いている状態を意味する。また、準安定強磁性状態とは、磁性体１０のスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）に相当する磁場を磁性体１０に現在印加しているが、以前に強磁性相に相当する磁場を磁性体１０に印加していたので、ヒシテリシス効果により強磁性状態を維持している状態を意味する。
【００６９】
図８は、実施例１における、スキルミオン４０の生成を示すシミュレーション実験の結果を示す図である。上述の通り、Ｄ=０．１５Ｊ、α＝０．０１であり、カイラル磁性体に対して印加する外部磁場［数５］を０．０１７５Ｊ（Ｈｆ）より強い磁場から０．０１５Ｊとして準安定強磁性状態とした場合に、局所熱エネルギーを磁性体１０の他の一面１４に与えた場合のシミュレーション結果である。
【００７０】
磁性体１０のサイズは、格子定数ａを単位として３００×３００の大きさとした。境界条件としてｘおよびｙ方向に周期的境界条件を用いた。この条件により無限大の２次元平面状態でのシミュレーション条件を設定したことになる。磁性体１０の他の一面１４に印加する局所熱エネルギーのスポットサイズは、半径２０ａとした。磁性体１０の他の一面１４の中央部分に、局所熱エネルギーを、０≦ｔ≦２００（１／Ｊ）の時間印加した。特定のスポットサイズで局所熱エネルギーを印加した磁性体１０の部位の温度を温度Ｔで表す。なお、局所熱エネルギーは、ｋＢＴ=１．０Ｊに相当する。また時間は、Ｊを用いて１／Ｊで表現した。図８（Ｅ）は、図２（Ｅ）と同様に磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。
【００７１】
図８（Ａ）から（Ｄ）は、磁性体１０の他の一面１４の中央部分に局所熱エネルギーを与えたときの磁気モーメントの時間変化をそれぞれ示す。図８（Ａ）は時間ｔ＝１（１／Ｊ）での磁気モーメントを示す。時間ｔ＝１（１／Ｊ）では、局所熱エネルギーを印加した磁性体１０の他の一面１４の中央部分において、２０ａのサイズの磁気モーメントの乱れが発生している。
【００７２】
図８（Ｂ）、は時間ｔ＝２００（１／Ｊ）での磁気モーメントを示す。ｔ＝２００（１／Ｊ）において、ｔ＝０（１／Ｊ）から続けていた局所熱エネルギーの印加を止める。ｔ＝２００（１／Ｊ）では、明瞭に単一のスキルミオン４０が生成しつつある。磁性体１０の他の一面１４の中央部分から周囲に局所熱エネルギーが拡散することにより、磁気モーメントの乱れが中央部分から周囲に拡散する様子が見てとれる。
【００７３】
図８（Ｃ）は時間ｔ＝３５０（１／Ｊ）での磁気モーメントを示す。磁性体１０の他の一面１４の中央部分の黒点は、マイナスｚ方向の磁気モーメントを示す。図８（Ｄ）は時間ｔ＝５７０（１／Ｊ）での磁気モーメントを示す。時間ｔ＝５７０（１／Ｊ）では、安定したスキルミオン４０の形成が完成している。
図８で示したシミュレーションでの磁性体１０のサイズは、無限大の２次元平面状態である。一方、磁性体１０のサイズが幅Ｗｍ、高さｈｍの有限である場合、磁性体１０は、スキルミオン４０の直径λに対し、Ｗｍ＞λ／２、かつ、ｈｍ＞λ／２となるサイズを有しなければならない。それより小さいと局所熱エネルギーにより生成したスキルミオン４０が消滅する。
【００７４】
［実施例２］
図９は、実施例２における、スキルミオン４０の消去を示すシミュレーション実験の結果を示す図である。上述の通り、Ｄ=０．１５Ｊ、α＝０．０１であり、カイラル磁性体に対して印加する外部磁場［数５］を０．０１７５Ｊ（Ｈｆ）より強い磁場から０．０１５Ｊとして準安定強磁性状態とした場合に、局所熱エネルギーを磁性体１０の他の一面１４に与えた場合のシミュレーション結果である。磁性体１０の他の一面１４に印加した局所熱エネルギーのスポットサイズは、半径２０ａとした。磁性体１０の他の一面１４の中央部分に、局所熱エネルギーを、０≦ｔ≦２００（１／Ｊ）の時間印加した。上述のように、特定のスポットサイズで局所熱エネルギーを印加した磁性体１０の部位の温度を温度Ｔで表す。本例では、磁性体１０の他の一面１４に与える局所熱エネルギーｋＢＴを１．５Ｊに上げる。他のパラメータおよび条件等は実施例１と同じである。図９（Ｃ）は、図２（Ｅ）と同様に磁気モーメントｎの座標のとりかた（右手系）を示す。
【００７５】
図９（Ａ）は、時間ｔ＝３００（１／Ｊ）で、スキルミオン４０の中心部分に黒点が存在しマイナスｚ方向の磁気モーメントはまだ存在している。図９（Ｂ）は、時間ｔ＝５００（１／Ｊ）では、スキルミオン４０の中心におけるマイナスｚ方向の磁気モーメントは消失し、スキルミオン４０を維持できないことを示す。
【００７６】
次にスキルミオン消去のための熱エネルギー印可時間依存性について述べる。１５０（１／Ｊ）≦ｔ≦２００（１／Ｊ）の時間印加の場合、スキルミオン４０を消去できる。しかし、局所熱エネルギーの印可時間が上記範囲より小さい場合および大きい場合のいずれでもスキルミオンを生成してしまう。以上、局所熱エネルギーが１．５Ｊの場合のｔ＝１５０から２００（１／Ｊ）の間のレーザ印加により、ｔ＝５００（１／Ｊ）でスキルミオン４０を消去することができる。さらに、局所熱エネルギーｋＢＴが２．０Ｊの場合におけるスキルミオン消去のための熱エネルギー印可時間依存性について述べる。２００（１／Ｊ）≦ｔ≦２５０（１／Ｊ）の時間印加の場合、スキルミオン４０を消去できる。局所熱エネルギーの印可時間が上記範囲より小さい場合および大きい場合のいずれでもスキルミオン４０を生成してしまう。
【００７７】
［実施例３］
図１０は、実施例３における、スキルミオン４０の生成または消去における、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。なお、縦軸は、局所熱エネルギーであるｋＢＴを磁気交換相互作用の大きさＪで規格化した数値を示す。横軸は、磁性体１０の他の一面１４に印加する局所熱エネルギーのスポットサイズ半径をカイラル磁性体の格子定数ａ（Å）で規格化した数値を示す。実施例３において、局所熱エネルギーおよび局所熱エネルギーのスポットサイズ半径を変更したこと以外、その他のパラメータおよび条件は実施例１と同じである。
【００７８】
図１０において領域Ｉは、スキルミオン４０を生成も消去もできない局所熱エネルギーの条件を示す。領域ＩＩは、単一のスキルミオン４０を生成できる局所熱エネルギーの条件を示す。領域ＩＩＩは、スキルミオン４０を消去できる局所熱エネルギーの条件を示す。ただし、スキルミオン消去ための熱エネルギー印可時間依存性が存在する。局所熱エネルギーｋＢＴ＝１．５Ｊの場合、印可時間は１５０（１／Ｊ）≦ｔ≦２００（１／Ｊ）であり、局所熱エネルギーｋＢＴ＝２．０Ｊの場合、印可時間は２００（１／Ｊ）≦ｔ≦２５０（１／Ｊ）である。
【００７９】
図１０より、スキルミオン４０を消去できる、局所熱エネルギーのスポットサイズおよび熱エネルギーについての条件が判る。すなわちスキルミオン生成より強い熱エネルギーの印加、もしくは大きいスポットサイズの場合、スキルミオン消去が可能となる。スキルミオン４０を消去するときの局所熱エネルギーの条件として、スキルミオン４０を生成するときの熱エネルギーよりも消去のための熱エネルギーが大きいこと、および、磁性体１０の他の一面１４にスキルミオン４０を生成する場合における熱エネルギーのスポットサイズ半径よりも大きいスポットサイズ半径を有すること、の少なくともいずれかを満たすとしてよいと言える。
【００８０】
一例として、スキルミオン４０の消去時は、局所熱エネルギーおよびスポットサイズ半径の両方が、スキルミオン４０の生成時よりも大きくてよい。また、スポットサイズ半径を２０ａに固定して、スキルミオン４０生成時は局所熱エネルギーをｋＢＴ＝１．０Ｊとし、スキルミオン４０消去時は局所熱エネルギーをｋＢＴ＝１．５Ｊとしてもよい。つまり、スポットサイズ半径を固定した場合、スキルミオン４０を消去するときの局所熱エネルギーを、スキルミオン４０を生成するときの局所熱エネルギーよりも大きくしてよい。
【００８１】
図１０より、局所熱エネルギーのスポットサイズ半径の２倍がスキルミオン４０の直径である。スキルミオン４０の直径λが６０ａである場合に、局所熱エネルギーの直径スポットサイズはスキルミオンの直径サイズの１／２程度であれば、スキルミオン４０の生成に適切であると言える。また、局所熱エネルギーのスポットサイズ半径を２０ａ以上とした場合、ｋＢＴ＝１．５Ｊ以上の局所熱エネルギーを用いれば、生成したスキルミオン４０を消去できる。
【００８２】
［実施例４］
図１１は、実施例４における、生成できるスキルミオンの種類の、局所熱エネルギー（横軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。縦軸および横軸は図１０と同様である。図１１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、ギルバート緩和定数α＝０．０５、０．１および１の場合のスキルミオン生成条件をそれぞれ示す。実施例４において、その他のパラメータおよび条件は実施例１と同じである。
【００８３】
図１１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）の領域Ｉは、スキルミオン４０を生成も消去もできない局所熱エネルギーの条件を示す。図１１（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）の領域ＩＩは、単一のスキルミオン４０が存在できる条件を示す。領域ＩＶは、領域ＩＩとは異なる磁気構造を有する条件を示す。
磁性体が準安定強磁性状態で、ギルバート緩和定数αが０．０５＞α≧０．０１の場合、局所熱のスポットサイズ半径ｄ、熱エネルギー温度Ｔとして、
ｄ≧１５ａ  でかつ  ｋＢＴ≧Ｊ
でスキルミオンを生成できる。
また、
ｄ≧１８ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊ
でスキルミオンを消去できる。スキルミオンを消去できるスポットサイズと加熱エネルギーの下限値はスキルミオンを生成できるスポットサイズと加熱エネルギーの下限値より大きい。０．０１＜α＜０．０５においては、図１０の領域ＩＩＩの範囲はスキルミオン４０を消去できる条件を与える。０．０１＜α＜０．０５において、図１０の領域ＩＩＩの範囲は、連続的に変化し、且つ、α＝０．０１の条件における図１０の領域ＩＩＩの範囲よりも狭くならない。
【００８４】
図１２（Ａ）および（Ｂ）は、図１１の領域ＩＶにおける磁気構造であって、単一スキルミオン４０とは異なる磁気構造を示す図である。図１２（Ｃ）は、図１１の領域ＩＶにおける磁気構造であって、二個のスキルミオン４０を示す図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、この順に、スキルミオニウム、ジスキルミオニウムおよび２つのスキルミオンと呼ばれる磁気構造である。
【００８５】
［実施例５］
図１３は、実施例５における、スキルミオン４０の生成または消去における、局所熱エネルギー（横軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。縦軸および横軸は図１０および図１１と同様である。本例は、外部磁場［数５］＝０．０２Ｊであり、カイラル磁性体が準安定強磁性状態ではなく、強磁性状態であるときに、カイラル磁性体の他の一面１４に対して局所熱エネルギーを印加することにより、スキルミオン４０を生成する。係る点が実施例１から４と異なる。
【００８６】
図１３において、ギルバート緩和定数はα＝０．０１である。領域Ｉは、スキルミオン４０を生成も、消去もできない局所熱エネルギーの条件を示す。領域ＩＩは単一のスキルミオン４０を生成できる局所熱エネルギーの条件を示す。領域ＩＩＩはスキルミオン４０を消去できる局所熱エネルギーの条件を示す。領域ＩＩＩでの熱エネルギーの印可時間依存性はない。短時間印可から長時間印可条件のいずれもスキルミオン消去条件となる。この消去条件では、スキルミオン４０を生成できない。
【００８７】
［実施例６］
図１４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、実施例６における、スキルミオン４０の生成における、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）との依存性を示す図である。ギルバート緩和定数はそれぞれ、図１４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）ではα＝０．０５、α＝０．1、α＝１である。実施例６において、その他のパラメータおよび条件は実施例５と同じである。
【００８８】
図１４（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）の領域Ｉおよび領域ＩＩは、図１３と同様である。図１４（Ａ）の領域Ｖは複数のスキルミオンを生成できる局所熱エネルギーの条件を示す。なお、領域Ｖで生成できるスキルミオン構造は、上述の領域ＩＶにおけるスキルミオニウムまたはジスキルミオニウム等の磁気構造ではない。
磁性体が強磁性状態で、ギルバート緩和定数αが０．０５＞α≧０．０１の場合、局所熱のスポットサイズ半径ｄ、熱エネルギー温度Ｔとして、
ｄ≧１５ａ  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊでスキルミオンを生成できる。
また、
ｄ≧２０a  でかつ  ｋＢＴ≧１．５・Ｊ
でスキルミオンを消去できる。スキルミオンを消去できるスポットサイズの下限値はスキルミオンを生成できるスポットサイズの下限値より大きい。
０．０１＜α＜０．０５においては、図１３の領域ＩＩＩの範囲はスキルミオン４０を消去できる条件を与える。０．０１＜α＜０．０５において、図１３の領域ＩＩＩの範囲は、連続的に変化し、且つ、α＝０．０１の条件における図１３の領域ＩＩＩの範囲よりも狭くならない。
【００８９】
以上、実施例１〜６で示したように、単一のスキルミオン４０を生成および消去する方法として強磁性状態もしくは準安定強磁性状態である磁性体１０に局所熱エネルギーを印加すればよい。単一のスキルミオン４０のサイズは１ｎｍから１００ｎｍである。これに対して、従来のＤＶＤに用いる相変化型記録媒体や相変化メモリの場合、単位記憶容量あたり数１００ナノメートル（ｎｍ）程度の大きさである。
【００９０】
相変化型記録媒体の場合、光波長を数百ナノメートルよりも短くしても、短くした光波長の特徴を生かせない。結晶相とアモルファス相との間の境界を維持しつつ、結晶相とアモルファス相との間で相変化するメカニズムを維持するには、相変化型記録媒体のサイズの限界が数百ナノメートルだからである。これに対して、スキルミオン４０を用いる場合、光波長を短くするとそれだけスキルミオン４０のサイズが小さい磁性体１０を選択して用いればよい。つまり、スキルミオン４０を生成および消去する磁性体１０では、印加する熱エネルギーの径または大きさに応じて、記憶単位の大きさを小さくすることができる。例えば、光アンテナ５０を使えば、既存のレーザ光６０を用いても熱エネルギーを印加する径は、レーザ光６０の径よりもさらに微細化できる。スキルミオン４０の特徴はさらに効果を発生する。現在のＬＳＩ製造プロセスを使えば、加熱針５５の先端５７の径は数ｎｍとすることができる。それゆえ、数ｎｍのスキルミオン４０の直径λを有する磁性体１０を、磁気記憶媒体３０に用いることが可能である。これにより、磁性体１０に生成するスキルミオン４０の密度をさらに向上させることができる。
相変化メモリの場合は、絶縁膜上の電極に電圧を印加し、絶縁膜の抵抗によるジュール熱を用いて、たとえばカルコゲナイド合金ゲルマアンチモンテルル（ＧｅＳｂＴｅ）などの材料の結晶相とアモルファス相の抵抗変化をメモリとして用いる。この場合は電極の大きさが加熱スポットサイズを決める。電極の一辺の長さはここで用いたスポットサイズの２倍でよい。
【００９１】
また、局所熱エネルギーを適切な大きさにすれば、生成したスキルミオン４０を消去することができる。ｔ＝３０００（１／Ｊ）は、およそ１ナノ秒（ｎｓ）に相当する。したがって、スキルミオン４０の生成または消去の時間は０．２ナノ秒（ｎｓ）以下であり、従来の相変化型記録媒体もしくはメモリにおける３０ナノ秒程度の相変化時間と比較して超短パルスである。このために、高速書き込みおよび高速消去可能であり、かつ、大規模記憶容量の記憶媒体およびメモリを提供することができる。
【００９２】
また本明細書は、スキルミオン４０を生成および消去可能な磁気記憶媒体３０およびスキルミオンメモリ４１０に対して最適の設計指針を与える。当該設計指針は、局所熱エネルギー（縦軸）と局所熱エネルギーのスポットサイズ半径（横軸）とを用いて記述した状態図で示した（図１０、１１、１３および１４）。これにより各種の磁性材でも共通の設計指針を与えことができるので、スキルミオン４０を用いた磁気記憶媒体３０およびスキルミオンメモリ４１０を利用した超高速、大規模メモリ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。
【００９３】
スキルミオン４０を用いたデータ記録装置１００、２００および３００ならびにスキルミオンメモリ４１０は書き込みおよび消去を何度でも行うことが可能である。すなわち、書き込みおよび消去の回数の制限はなく、エンデュランス（耐久性）は無限大である。また、スキルミオン４０は安定して存在するので、スキルミオン４０をデータ記録の単位に用いたデータ記録装置１００等およびスキルミオンメモリ４１０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。一般に孤立したナノサイズ磁性体の場合、外界の熱擾乱によりその磁気モーメントの反転が起きてしまう。そのために磁気モーメントを記憶情報として扱う場合、磁性体をナノサイズレベルに微細化することは大きな壁とされてきた。データ記録装置１００等およびスキルミオンメモリ４１０における磁性体１０をナノサイズにしてもこのような熱擾乱における限界を突破できる。その理由は磁性体１０下部に安定した磁場発生部２０を有することによる。この磁場発生部２０は、ナノサイズではなく磁性体１０の下部に二次元的に広がる大きな磁性体であることから熱擾乱を受けずに安定して強磁性の磁気モーメントを保持続ける。磁場発生部２０から発生する磁場によりスキルミオン４０は外部環境による熱擾乱程度では磁気モーメントが反転することはない。これがデータ記録装置１００等およびスキルミオンメモリ４１０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理由である。
【００９４】
図１５及び図１６は、ｘ‐ｙ平面で見た場合における、第１電極８２の形状例を示す図である。第１電極８２は、磁性体１０の上方において第１絶縁体９２と接触する。第１電極８２は、ｘ‐ｙ平面で見た場合に、第１絶縁体９２内に設けられる。
【００９５】
図１５の例において、第１電極８２は長方形または正方形の形状を有する。絶縁体９２との接触面における第１電極８２（磁性金属８３）の平面形状において、矩形の一辺の長さＤは、スポットサイズ半径ｄの２倍であってよい。第１電極８２は三角形の形状を有してもよい。三角形は、正三角形、直角三角形または二等辺三角形であってもよい。また、第１電極８２は楕円または長円の形状を有してもよい。また、第１電極８２は平行四辺形の形状を有してもよい。平行四辺形はひし形であってもよい。また、第１電極８２は台形の形状を有してもよい。図１６の例において、第１電極８２は円の形状を有する。図１６の第１電極８２は、図６の第１電極８２に対応する。絶縁体９２との接触面における磁性金属８３の平面形状において、円の直径の長さＤは、スポットサイズ半径ｄの２倍であってよい。
【００９６】
ｘ‐ｙ平面における第１電極８２の形状は、上記の例に限定されない。上記の複数の例に類似の形状であってよく、上記の複数の例を組み合わせた形状であってもよい。なお、これまでに述べた磁性体１０の実施例における結論は、定性的には磁性体１０を積層した構造であっても同じである。
【００９７】
図１７は、スキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリ４１０を少なくとも１つ備えるデバイスである。なお、図６の電流計９１は、図１７においては省略している。スキルミオンメモリデバイス５００は、強磁性体層である磁場発生部２０と、磁場発生部２０の上方に形成したスキルミオンメモリユニット層１１０とを備える。また、スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリユニット層１１０と磁場発生部２０との間に絶縁体９４を備える。
【００９８】
本例のスキルミオンメモリユニット層１１０は、メモリ層１６０、第１配線層１７０および第２配線層１７５の順で上方に積層した、メモリ層１６０、第１配線層１７０および第２配線層１７５を有する。絶縁体９４は、スキルミオンメモリユニット層１１０と磁場発生部２０との間に位置する。メモリ層１６０、絶縁体９４及び磁場発生部２０は、図６のスキルミオンメモリ４１０に対応する。なお、左から１つ目および３つ目の磁性体１０における黒丸はスキルミオン４０が生成されている状態を示している。
【００９９】
第１配線層１７０は、第１配線１７１、第１配線保護膜１７２およびビア１７３を有する。第１配線保護膜１７２は、第１配線１７１を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。第１配線１７１は、スキルミオン４０を生成、消去および検出するための電流を第１電極８２に供給する。
【０１００】
第２配線層１７５は、第２配線１７６および第２配線保護膜１７７を有する。第２配線１７６は、ビア１７３と接続する。第２配線保護膜１７７は、第２配線１７６を絶縁するための層間絶縁膜として機能する。
【０１０１】
図１８は、スキルミオンメモリ４１０とＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０を搭載したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリ４１０およびＣＭＯＳ‐ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）１３０を備える。シリコン基板におけるＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０が存在しない領域にスキルミオンメモリ４１０を形成する。
【０１０２】
ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０は、一般的なシリコンプロセスにより形成する一般的なＣＭＯＳ‐ＦＥＴである。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０は、２層のＣｕ配線層を有する。また、ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０は、Ｐ型ウェルに形成されたＮＭＯＳ‐ＦＥＴ１３２およびＮ型ウェルに形成されたＰＭＯＳ‐ＦＥＴ１３３を有する。
【０１０３】
図１９は、スキルミオンメモリユニット層１１０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。本例のスキルミオンメモリデバイス５００は、ｎ＝５の場合である。磁場発生部２０は、３０００Åの膜厚を有する。スキルミオンメモリユニット層１１０は、スキルミオンメモリユニット層１１０‐１からスキルミオンメモリユニット層１１０‐ｎまで積層した構造を有する。本例のスキルミオンメモリデバイス５００は、合計１５，０００Å程度の膜厚を有する。
【０１０４】
図２０は、複数の磁場発生部２０を有するスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。本例のスキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリユニット層１１０‐１からスキルミオンメモリユニット層１１０‐６までの合計６層のスキルミオンメモリユニット層１１０を有する。スキルミオンメモリデバイス５００は、磁場発生部２０‐１上に、３層のスキルミオンメモリユニット層１１０を有する。スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリユニット層１１０‐３とスキルミオンメモリユニット層１１０‐４との間に磁場発生部２０‐２をさらに有する。これにより、スキルミオンメモリユニット層１１０は、スキルミオンメモリユニット層１１０の積層方向において、スキルミオンメモリユニット層１１０中の磁性体１０が磁場発生部２０から受ける磁場の強度を一定に保つことができる。なお、磁場発生部２０は、スキルミオンメモリユニット層１１０の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。
【０１０５】
図２１は、スキルミオンメモリ４１０をＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０の上層に搭載したスキルミオンメモリデバイス５００の断面を示す図である。スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオンメモリ４１０およびＣＰＵ（中央演算処理）機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０上にスキルミオンメモリ４１０を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０は、Ｐ型ウェル上に形成されたＮＭＯＳ‐ＦＥＴ１３２およびＮ型ウェル上に形成されたＰＭＯＳ‐ＦＥＴ１３３を有する。
【０１０６】
スキルミオンメモリデバイス５００は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０と、積層した大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ４１０を同一のチップ内に有することができる。この結果、ＣＰＵの処理時間の短縮化、高速化が実現し、ＣＰＵの消費電力を大幅に低減できる。すなわち、ＰＣ起動時の基本ＯＳなどのＨＤからの呼び出し、外付けＳＲＡＭやＤＲＡＭなどへの書き込み、読み出しなどの処理時間を大幅に短縮可能となり、ＣＰＵタイムの削減（大幅高速化）に貢献する。この結果、大幅に消費電力が低いＣＰＵを実現できる。さらに大規模不揮発性メモリであるスキルミオンメモリ４１０はメモリ保持のための電力消費がゼロである。スキルミオンの磁気モーメントの向きはトポロジカル安定性を有するために外部からの一切の電力供給を必要としない。ＤＲＡＭメモリはデータリフレッシュが必要であり、ＳＲＡＭも揮発性であるので常時電力投入が必要である。フラッシュメモリはデータアクセスタイムが長いのでＣＰＵと直接データのやり取りはできない。
【０１０７】
図２２は、スキルミオンメモリデバイス５００の書き込み回路および消去回路を示す図である。本明細書において、スキルミオンメモリ４１０にデータを書き込むとは、スキルミオンメモリ４１０の磁性体１０にスキルミオン４０を生成することを指す。また、本明細書において、スキルミオンメモリ４１０のデータを消去するとは、スキルミオンメモリ４１０のスキルミオン４０を消去することを指す。
【０１０８】
図２２には、磁場発生部２０が図示されていないが、スキルミオンメモリ４１０は、図６の構成と同様の構成を有してよい。
【０１０９】
複数のスキルミオンメモリ４１０を、スキルミオン選択線１３５およびビット線１３６に接続する。例えば、スキルミオン選択線１３５（ｎ）を、ｎ行のスキルミオンメモリ４１０にそれぞれ接続し、ビット線１３６（ｎ）を、ｎ列のスキルミオンメモリ４１０にそれぞれ接続する。スキルミオンメモリ４１０に接続した各スキルミオン選択線１３５およびビット線１３６には１つのＦＥＴ１３９を接続する。ＦＥＴ１３９は、ＦＥＴ１３９のゲートに電圧を印加することにより、個々のスキルミオンメモリ４１０を選択する電気的スイッチとして働く。
【０１１０】
例えば、スキルミオンメモリ４１０（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０を生成する場合、一対のスキルミオン選択線１３５（ｎ）およびビット線１３６（ｎ）に接続したＦＥＴ１３９をそれぞれオンする。ビット線１３６は電源８１の高電位側と電気的に接続しており、スキルミオン選択線１３５は電源８１の低電位側と電気的に接続している。また、ビット線１３６はスキルミオンメモリ４１０の第１電極８２に電気的に接続し、スキルミオン選択線１３５はスキルミオンメモリ４１０の第２電極８４に電気的に接続している。第１電極８２から第２電極８４に電流パルスが流れると磁性体上の絶縁膜は高抵抗であるからジュール熱を発生する。発熱領域は第１電極８２の面積である。このパルス的熱エネルギーは磁性体１０にパルス的に熱エネルギーを印加することになり、スキルミオンメモリ４１０（ｎ、ｎ）の磁性体１０にスキルミオン４０を生成することができる。図２２中の矢印は電流の流れる向きを示す。電流は、ビット線１３６（ｎ）からスキルミオンメモリ４１０（ｎ、ｎ）およびスキルミオン選択線１３５（ｎ）を経て、接地に流れる。
【０１１１】
スキルミオンメモリデバイス５００は、電源８１の大きさを調節することにより、スキルミオンメモリ４１０のデータを消去することもできる。例えば、スキルミオン４０生成時よりも大きな電流を印加することにより、スキルミオン４０生成時よりも大きな熱エネルギーを与えて、スキルミオンメモリ４１０のデータを消去することができる。消去の詳細な条件は、図７から図１４に記載された条件に従うとしてよい。電源８１は、一対のスキルミオン選択線１３５およびビット線１３６のＦＥＴ１３９がオンされたことに起因して、生成時よりも高い電流を磁性体１０にパルス的に印加することができる。電源８１の電圧値の調整は、ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ１３０等によりなされてよい。
【０１１２】
なお、１つのスキルミオン選択線１３５に対して並列に接続された２つのＦＥＴ１３９のうち、リード線１３７に接続されたＦＥＴ１３９をリード線１３７のＦＥＴ１３９と呼び、リード線１３７に接続されていないＦＥＴ１３９をスキルミオン選択線１３５のＦＥＴ１３９と呼ぶこととする。リード線１３７は、スキルミオン選択線１３５を介して複数のスキルミオンメモリ４１０の少なくともの一つに電気的に接続する。書込みおよび消去の場合には、リード線１３７に接続したＦＥＴ１３９はオフ状態とする。
【０１１３】
図２３は、スキルミオンメモリデバイス５００の検出回路１３８の一例を示す図である。スキルミオンメモリデバイス５００は、複数のリード線１３７に接続した１つの検出回路１３８を備えている。本例の検出回路１３８は図６の電流計９１に対応してよい。本明細書において、スキルミオンメモリ４１０のデータを読み出すとは、スキルミオンメモリ４１０の磁性体１０においてスキルミオン４０の存在を検出することを指す。
【０１１４】
例えば、スキルミオンメモリ４１０（ｎ、ｎ）においてスキルミオン４０の有無を検出する場合、スキルミオンメモリデバイス５００は、ビット線１３６（ｎ）のＦＥＴ１３９をオン状態にして、ビット線１３６から第１電極８２にスキルミオン検出用の電流を流す。
【０１１５】
また、スキルミオンメモリデバイス５００は、スキルミオン選択線１３５のＦＥＴ１３９をオフ状態にし、かつ、リード線１３７のＦＥＴ１３９をオン状態にして、第２電極８４からリード線１３７を経て検出回路１３８に電流を流すことによりスキルミオン４０を検出する。
【０１１６】
検出回路１３８は、リード線１３７に流れる電流を増幅して、スキルミオン４０の有無を検出する。検出回路１３８は、帰還抵抗Ｒｆ、増幅回路Ｃ１および電圧比較回路Ｃ２を備える。リード線１３７から検出回路１３８に入力した電流は電流電圧変換回路Ｃ１に入る。電流電圧変換回路Ｃ１は、リード線１３７からの電流を電圧に変換して増幅する。電圧比較回路Ｃ２は、電流電圧変換回路Ｃ１の出力電圧および参照電圧Ｖｒｅｆの２つの入力を有する。電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも大きい場合は「１」を出力する。一方、電圧比較回路Ｃ２は、増幅回路Ｃ１の出力電圧が参照電圧Ｖｒｅｆよりも小さい場合は「０」を出力する。
【０１１７】
また、スキルミオンメモリ４１０（ｎ−１、ｎ＋１）においてスキルミオン４０の有無を検出する場合、まず、ビット線１３６（ｎ＋１）およびリード線１３７（ｎ−１）に接続したＦＥＴ１３９をオンする。これにより、リード線１３７（ｎ−１）に接続した検出回路１３８が、トンネル電流を検出する。これにより検出回路１３８は１個ですむ。
【０１１８】
スキルミオン４０の存在に応じて、「１」または「０」のデータを得ることができる。即ち、スキルミオン４０の存在の有無に応じたデータの読み出しが可能となる。
【０１１９】
以上、スキルミオンメモリデバイス５００は、任意のスキルミオンメモリ４１０を選択して、スキルミオン４０の生成、消去および検出ができる。スキルミオンメモリ４１０の周辺に配置したＦＥＴ１３９、検出回路１３８は、ＣＭＯＳデバイスで構成してよい。スキルミオンメモリデバイス５００は、複数のスキルミオンメモリ４１０を平面状に配列してもよく、平面状に配列したスキルミオンメモリ４１０をさらに積層してよい。
【０１２０】
図２４は、スキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス６００の構成例を示す図である。スキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス６００は、スキルミオンメモリデバイス５００と、中央演算処理デバイス６１０とが同一チップとなっている。図２１にその断面図を示した。スキルミオンメモリデバイス５００は、上述のスキルミオンメモリデバイス５００である。中央演算処理デバイス６１０は、例えばＳｉ基板上に形成したＣＭＯＳ‐ＬＳＩデバイスである。中央演算処理デバイス６１０は、スキルミオンメモリデバイス５００への各種の演算処理データ、データベースの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス５００からのデータ処理基本ソフトプログラムや各種データの読み出しの機能を有する。
【０１２１】
図２５はスキルミオンメモリデバイス５００と、入出力装置７１０とを備える。データ記録装置７００は、ＨＤ置き換え用メモリデバイス、ＵＳＢメモリやＳＤカード等のメモリデバイスである。スキルミオンメモリデバイス５００は、上述のスキルミオンメモリデバイス５００である。入出力装置７１０は、外部からスキルミオンメモリデバイス５００へのデータの書き込み機能、および、スキルミオンメモリデバイス５００からデータを読み出して外部に出力する機能の少なくとも一方を有する。
【０１２２】
図２６は、データ処理装置８００の構成例を示す。データ処理装置８００は、スキルミオンメモリデバイス５００と、プロセッサ８１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス５００は、上述のスキルミオンメモリデバイス５００である。プロセッサ８１０は、例えばデジタル信号を処理するデジタル回路を有する。プロセッサ８１０は、スキルミオンメモリデバイス５００へのデータの書き込み、および、スキルミオンメモリデバイス５００からのデータの読み出しの少なくとも一方の機能を有する。
【０１２３】
図２７は、データ通信装置９００の構成例を示す。通信装置９００は、例えば携帯電話機、スマートフォン、タブレット型端末等の、外部との通信機能を有する装置全般を指す。通信装置９００は携帯型であってよく、非携帯型であってもよい。通信装置９００は、スキルミオンメモリデバイス５００と、通信部９１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス５００は、上述のスキルミオンメモリデバイス５００である。通信部９１０は、通信装置９００の外部との通信機能を有する。通信部９１０は、無線通信機能を有してよく、有線通信機能を有してよく、無線通信および有線通信の双方の機能を有していてもよい。通信部９１０は、外部から受信したデータをスキルミオンメモリデバイス５００に書き込む機能、スキルミオンメモリデバイス５００から読み出したデータを外部に送信する機能、及び、スキルミオンメモリデバイス５００が記憶した制御情報に基づいて動作する機能の少なくとも一つを有する。
【０１２４】
以上の通り、高速、且つ、低消費電力でスキルミオン４０を生成、消去および検知できる、スキルミオンメモリデバイス５００、スキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス６００、データ記録装置７００、データ処理装置８００および通信装置９００を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
スキルミオン４０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磁気記憶媒体として応用することができる。スキルミオンメモリは熱的に書き込みを行うことができる。そして、この書き込みに要する時間も数百ピコ秒である。こうした超高速・大規模書き込み消去可能な磁気記憶媒体３０を用いることで、映画およびテレビの画像記憶に用いる大規模磁気記憶性能を大幅に向上させることができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１０  磁性体、１２  一面、１４  他の一面、２０  磁場発生部、３０  磁気記憶媒体、４０  スキルミオン、５０  光アンテナ、５５  加熱針、５７  先端、６０  レーザ光、７０  レーザ光源、８０  加熱装置、８１  電源、８２  第１電極、８３  磁性金属、８４  第２電極、８７  他方の端子、９１  電流計、９２  絶縁体、９４  絶縁体、１００  データ記録装置、１１０  スキルミオンメモリユニット層、１３０  ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ、１３２  ＮＭＯＳ‐ＦＥＴ、１３３  ＰＭＯＳ‐ＦＥＴ、１３５  スキルミオン選択線、１３６  ビット線、１３７  リード線、１３８  検出回路、１３９  ＦＥＴ、１６０  メモリ層、１７０  第１配線層、１７１  第１配線、１７２  第１配線保護膜、１７３  ビア、１７５  第２配線層、１７６  第２配線、１７７  第２配線保護膜、２００  データ記録装置、３００  データ記録装置、４１０  スキルミオンメモリ、５００  スキルミオンメモリデバイス、６００  スキルミオンメモリ搭載中央演算処理デバイス、６１０  中央演算処理デバイス、７００  データ記録装置、７１０  入出力装置、８００  データ処理装置、８１０  プロセッサ、９００  通信装置、９１０  通信部
【図１】
0006450389.tif 000011
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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