(57)【要約】  磁気素子スキルミオン（40）を周回転送可能なスキルミオンメモリサーキット（30）であって，閉経路形状の磁性体中（10）に，閉経路形状の外周部に接続した外周電極（12）と，閉経路形状の内周部に接続した内周電極（14）との間に電流を印加し，印加した電流方向とは略垂直の方向にスキルミオンを転送し，閉経路形状の磁性体中にスキルミオンを周回させ，閉経路形状の磁性体の一面において磁性体の端部を含む端部領域を囲んで設けられた１個以上の電流経路（16）を備えるスキルミオンメモリサーキットを提供する。
2016002806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキルミオンが発生可能な薄膜状の閉経路形状磁性体を備え、  前記閉経路形状磁性体は薄膜平面上で幅Ｗと長さＬをもち、且つ、前記長さＬの両端部が接続され、前記スキルミオンを周回転送する閉経路形状を有する  スキルミオンメモリサーキット。
【請求項２】
前記閉経路形状磁性体は、  前記閉経路形状磁性体の閉経路形状の面における内周を規定する内周側端部と、  外周を規定する外周側端部と  を有し、  前記スキルミオンメモリサーキットは、  前記閉経路形状磁性体の延展方向と平行な面において、  前記閉経路形状磁性体の前記内周側端部に接続した非磁性金属からなる内周電極と、  前記閉経路形状磁性体の前記外周側端部に接続した非磁性金属からなる外周電極と  を有し、  前記スキルミオンメモリサーキットは、前記内周電極と前記外周電極との間に流す電流の方向を、前記スキルミオンを転送する方向に対して略垂直に配置した横転送配置である  請求項１に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項３】
前記内周電極と前記外周電極との間に電流を印加することにより、前記閉経路形状磁性体中に１または複数の前記スキルミオンを周回転送する  請求項２に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項４】
前記閉経路形状磁性体の幅Ｗは、前記スキルミオンの直径をλとすると、                                Ｗ＞０．５λ  である請求項２または３に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項５】
前記周回転送する複数の前記スキルミオンの間隔ｄは、前記スキルミオンの直径をλとしたとき、                                ｄ≧０．５・λ  である請求項２から４のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項６】
前記周回転送する複数の前記スキルミオンの間隔をｄとして、前記スキルミオンの直径をλとしたとき、                                ｄ≧２・λ  である場合、複数の前記スキルミオンは、間隔ｄを保持しつつ周回転送する  請求項２から５のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項７】
前記閉経路形状磁性体の磁気交換相互作用の大きさをＪとし、複数の前記スキルミオンを周回転送するときの前記電流の電流密度をＪｄとした場合、  前記内周電極および前記外周電極の間に流す電流の電流密度Ｊｃを                                Ｊｃ≧２・Ｊｄ  とし、周回転送する複数の前記スキルミオンをすべて消去する請求項２から６のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項８】
複数の前記スキルミオンをすべて消去する場合、前記電流密度Ｊｃの印加時間ｔを                              ｔ≧６０００（１/Ｊ）  とする請求項７に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項９】
前記閉経路形状磁性体の一面において１個以上の電流経路をさらに備え、  前記電流経路に電流を印加することにより、１または複数の前記スキルミオンを生成または消去し、もしくは前記スキルミオンの転送速度を加速または減速する  請求項２から８のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１０】
前記１個以上の電流経路のうちの第１の電流経路は、前記閉経路形状磁性体の幅および長さ方向と同一方向における幅Ｗ１と、長さＬ１が、前記スキルミオンの直径λに対して、  ０．７５・λ≧Ｗ１＞０．２・λ、且つ、０．５・λ≧Ｌ１＞０．１・λ  の範囲にある端部領域を囲んでおり、  前記第１の電流経路に第１の方向の電流を流すことにより発生する磁場により、前記端部領域の磁場Ｈａが、                                ０．０１Ｊ≧Ｈａ（ただし、Ｊは前記閉経路形状磁性体の磁気交換相互作用の大きさを示す）  になった場合に、前記閉経路形状磁性体に前記スキルミオンを生成する、請求項９に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１１】
前記１個以上の電流経路のうちの第１の電流経路は、前記閉経路形状磁性体の幅および長さ方向と同一方向における幅Ｗ１と、長さＬ１が、前記スキルミオンの直径λに対して、  ０．７５・λ≧Ｗ１＞０．２・λ、且つ、０．５・λ≧Ｌ１＞０．１・λ  の範囲にある端部領域を囲んでおり、  前記第１の電流経路に第２の方向の電流を流すことにより発生する磁場により、前記端部領域の磁場Ｈａが、                        ０．０２４Ｊ≧Ｈａ＞０．０１Ｊ  （ただし、Ｊは前記閉経路形状磁性体の磁気交換相互作用の大きさを示す）  になった場合に、前記閉経路形状磁性体の前記スキルミオンを消去する、請求項９または１０に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１２】
前記１個以上の電流経路のうちの第２の電流経路は、前記閉経路形状磁性体の幅および長さ方向と同一方向における幅Ｗ２と、長さＬ２が、前記スキルミオンの直径λに対して、                        ０．２・λ≧Ｗ２、且つ、Ｌ２≧λ、  の範囲にある端部領域を囲んでおり、  前記第２の電流経路に電流を流すことにより発生する磁場により、前記閉経路形状磁性体を周回転送している１もしくは複数の前記スキルミオンの転送速度が加速もしくは減速する請求項９から１１のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１３】
前記閉経路形状磁性体は、印加する磁場に応じて、前記スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する、  請求項１から１２のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１４】
前記閉経路形状磁性体は、カイラル磁性体、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のいずれかからなる請求項１から１３の何れか１項に記載のスキルミオンメモリサーキット。
【請求項１５】
マトリクス状に配列している、請求項９から１２のいずれか１項に記載の複数のスキルミオンメモリサーキットと、  前記閉経路形状磁性体の前記内周電極を選択する第１選択線及び前記第１選択線に設けたスイッチと、  前記閉経路形状磁性体の前記外周電極を選択する第２選択線及び前記第２選択線に設けたスイッチと、  前記１個以上の電流経路に電流を印加する１個以上の書込み線及び前記書込み線に設けたスイッチと、  前記スキルミオンを検出するセンサと、  前記センサに接続したワード線及び前記ワード線に設けたスイッチと、  前記ワード線の信号を検出する検出回路と、  前記閉経路形状磁性体に第１の磁場を印加する磁場発生部と、  を備えるスキルミオンメモリデバイス。
【請求項１６】
一つの前記スキルミオンメモリサーキットに配線した前記スキルミオンを生成するための前記書込み線は他の前記スキルミオンメモリサーキットの前記書込み線と共通である、請求項１５に記載のスキルミオンメモリデバイス。
【請求項１７】
一つのスキルミオンメモリサーキットに配線した前記スキルミオンを検知するための前記ワード線は、他の前記スキルミオンメモリサーキットの前記ワード線と共通である、請求項１５または１６に記載のスキルミオンメモリデバイス。
【請求項１８】
前記複数のスキルミオンメモリサーキットの前記閉経路形状磁性体の幅方向に予め定められた電流を印加することで、前記複数のスキルミオンメモリサーキットにおける前記スキルミオンを一括消去する、請求項１５から１７のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリデバイス。
【請求項１９】
請求項１５から１８のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリデバイスを、２層以上積層する多層積層構造のスキルミオンメモリデバイス。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれか１項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を同一チップ内に形成したスキルミオンメモリデバイスを搭載した固体電子デバイス。
【請求項２１】
請求項１５から１９のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ記録装置。
【請求項２２】
請求項１５から１９のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ処理装置。
【請求項２３】
請求項１５から１９のいずれか１項に記載のスキルミオンメモリデバイスを搭載した通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、スキルミオンをメモリとして使った磁気素子、スキルミオンメモリ、スキルミオンメモリサーキット、スキルミオンメモリデバイス、スキルミオンメモリデバイス搭載固体電子デバイス、データ記録装置、データ処理装置および通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  磁性体の磁気モーメントをデジタル情報として利用する磁気素子が知られている。磁気素子であるスキルミオンを使ったスキルミオンメモリはナノスケールの情報保持時に電力を要さない不揮発性メモリの要素構造を有する。当該磁気素子は、ナノスケールの磁気構造による超高密度性等の利点から、大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして、その重要度が増している。【０００３】  次世代型の磁気メモリデバイスの候補としては、米国ＩＢＭを中心にマグネチックシフトレジスタが提案されている。マグネチックシフトレジスタは、磁気ドメイン磁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（特許文献１参照）。【０００４】  図３６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。図３６では、マグネチックシフトレジスタ１におけるドメイン磁壁を実線で示している。マグネチックシフトレジスタ１に、矢印の向きの電流を流すこと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、磁気センサ２の上方に位置する磁気モーメントの向きによる磁気が変化する。当該磁気変化を磁気センサ２で検知して磁気情報を引き出す。【０００５】  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が必要であり、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。さらにナノサイズのドメインの場合、熱擾乱によるスピン反転が発生するという深刻な問題が発生する。ＬＳＩの信頼性保証は１０年のデータ保持を要求している。【０００６】  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２参照）。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。また、スキルミオンの運動は電流で駆動できることを詳細に解明し、その結果を示した（非特許文献２参照）。【０００７】  本明細書において、駆動電流とスキルミオンの転送方向が略平行である配置を縦転送配置と定義する。このような縦転送配置をメモリとして応用する場合、スキルミオンを有する磁性体の細線構造の両端に電流を印加する電極を設ける。スキルミオンを情報単位として扱うにはスキルミオンを検知するセンサを磁性体細線の特定箇所に設置する。このため、スキルミオンをセンサ特定の部位に転送する時間が必要である。これは、米国ＩＢＭ提案のマグネチックシフトレジスタも同様である（図３６参照）。【０００８】  しかし、縦転送配置におけるスキルミオンの転送速度が小さいという大きな課題があることが判明した（非特許文献２）。第２の解決すべき課題として、縦転送配置でのスキルミオン駆動電流密度が大きい問題がある。縦転送配置でスキルミオンの転送速度が秒速１５ｍの場合、２×１０１１Am-2の大電流密度になってしまう（非特許文献２）。スキルミオンを情報単位として扱う上で、スキルミオンの転送速度が遅いこと、そのため、駆動する電流密度が大きいという課題があることが判明した。  [先行技術文献]  [特許文献]  [��許文献１]米国特許第６８３４００５号明細書  [特許文献２]特開２０１４−８６４７０号公報  [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．  [非特許文献２]Ｉｗａｓａｋｉ，  Ｊ．，  Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ，  Ｍ．  ＆  Ｎａｇａｏｓａ，  Ｎ．，  Ｎａｔ．  Ｃｏｍｍｕｎ．  ４，  １４６３（２０１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  スキルミオンは、直径が１ｎｍから１００ｎｍと極微小な磁気構造を有し、その構造を長時間保持できることからメモリ素子に応用することへの期待が高まっている。スキルミオンをメモリ素子として利用するための第１の課題はスキルミオンの転送速度の桁違いの高速化である。第２の課題は駆動する電流密度を低下させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明の第１の様態においては、スキルミオンが発生可能な薄膜状の磁性体を備え、磁性体は薄膜平面上で幅Ｗと長さＬをもち、且つ、長さＬの両端部が接続され、スキルミオンを周回転送する閉経路形状を有するスキルミオンメモリサーキットを提供する。【００１１】  磁性体は、磁性体の閉経路状の面における内周を規定する内周側端部と、外周を規定する外周側端部とを有してよい。スキルミオンメモリサーキットは、磁性体の延展方向と平行な面において、磁性体の内周側端部に接続した非磁性金属からなる内周電極と、磁性体の外周側端部に接続した非磁性金属からなる外周電極とを有してよい。スキルミオンメモリサーキットは、内周電極と外周電極との間に流す電流の方向を、スキルミオンを転送する方向に対して略垂直に配置した横転送配置であってよい。【００１２】  スキルミオンメモリサーキットは、内周電極と外周電極との間に電流を印加することにより、磁性体中に１または複数のスキルミオンを周回転送してよい。磁性体の幅Ｗは、スキルミオンの直径をλとすると、                                Ｗ＞０．５λ  であってよい。【００１３】  周回転送する複数のスキルミオンの間隔ｄは、スキルミオンの直径をλとしたとき、                                ｄ≧０．５・λ  であってよい。【００１４】  周回転送する複数のスキルミオンの間隔をｄとして、スキルミオンの直径をλとしたとき、                                ｄ≧２・λ  である場合、複数のスキルミオンは、当該間隔ｄを保持しつつ周回転送する。【００１５】  磁性体の磁気交換相互作用の大きさをＪとし、複数のスキルミオンを周回転送するときの電流の電流密度をＪｄとした場合、電極間に流す電流の電流密度Ｊｃを                                Ｊｃ≧２・Ｊｄ  とし、周回転送する複数のスキルミオンをすべて消去してよい。【００１６】  複数のスキルミオンをすべて消去する場合、電流密度Ｊｃの印加時間ｔを                              ｔ≧６０００（１/Ｊ）  としてよい。【００１７】  磁性体の一面において１個以上の電流経路をさらに備え、電流経路に電流を印加することにより、１または複数のスキルミオンを生成または消去し、もしくはスキルミオンの転送速度を加速または減速してよい。【００１８】  １個以上の電流経路のうちの第１の電流経路は、磁性体の幅および長さ方向と同一方向における幅Ｗ１と、長さＬ１が、スキルミオンの直径λに対して、  ０．７５・λ≧Ｗ１＞０．２・λ、且つ、０．５・λ≧Ｌ１＞０．１・λ  の範囲にある端部領域を囲んでよい。第１の電流経路に第１の方向の電流を流すことにより発生する磁場により、端部領域の磁場Ｈａが、                              ０．０１Ｊ≧Ｈａ（ただし、Ｊは前記磁性体の磁気交換相互作用の大きさを示す）  になった場合に、磁性体にスキルミオンを生成してよい。【００１９】  第１の電流経路に第２の方向の電流を流すことにより発生する磁場により、端部領域の磁場Ｈａが、                      ０．０２４Ｊ≧Ｈａ＞０．０１Ｊ  になった場合に、磁性体のスキルミオンを消去してよい。【００２０】  １個以上の電流経路のうちの第２の電流経路は、磁性体の幅および長さ方向と同一方向における幅Ｗ２と、長さＬ２が、スキルミオンの直径λに対して、                        ０．２・λ≧Ｗ２、且つ、Ｌ２≧λ、  の範囲にある端部領域を囲んでよい。第２の電流経路に電流を流すことにより発生する磁場により、磁性体を周回転送している１もしくは複数のスキルミオンの転送速度が加速もしくは減速してよい。【００２１】  磁性体は、印加する磁場に応じて、スキルミオンが発生するスキルミオン結晶相と強磁性相とが少なくとも発現する。磁性体は、カイラル磁性体、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のいずれかからなってよい。【００２２】  本発明の第２の態様においては、二次元面内に配列している、第１の態様における複数のスキルミオンメモリサーキットと、磁性体の内周電極を選択する第１選択線及び第１選択線をスイッチするＦＥＴと、磁性体の外周電極を選択する第２選択線及び第２選択線をスイッチするＦＥＴと、１個以上の電流経路に電流を印加する１個以上の書き込み線及び書き込み線をスイッチするＦＥＴと、スキルミオンを検出するセンサと、センサに接続したワード線及びワード線をスイッチするＦＥＴと、ワード線の信号を検出する検出回路と、閉経路形状の磁性体に第１の磁場を印加する磁場発生部と、を備えるスキルミオンメモリデバイスを提供する。【００２３】  一つのスキルミオンメモリサーキットに配線したスキルミオンを生成するための書き込み線は他のスキルミオンメモリサーキットのスキルミオンの書き込み線と共通であってよい。【００２４】  一つのスキルミオンメモリサーキットに配線したスキルミオンを検知するためのワード線は、他のスキルミオンメモリサーキットのスキルミオンのワード線と共通であってよい。【００２５】  複数のスキルミオンメモリサーキットの磁性体の幅方向に予め定められた電流を印加することで、複数のスキルミオンメモリサーキットにおけるスキルミオンを一括消去してよい。【００２６】  第２の態様に係るスキルミオンメモリデバイスを、２層以上積層する多層積層構造としてよい。【００２７】  本発明の第３の態様においては、第２の態様に係るスキルミオンメモリデバイスと、中央演算処理デバイスを同一チップ内に形成したスキルミオンメモリデバイスを搭載した固体電子デバイスを提供する。【００２８】  本発明の第４の態様においては、第２の態様に係るスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ記録装置を提供する。【００２９】  本発明の第５の態様においては、第２の態様に係るスキルミオンメモリデバイスを搭載したデータ処理装置を提供する。【００３０】  本発明の第６の態様においては、第２の態様に係るスキルミオンメモリデバイスを搭載した通信装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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】ヘリシテイγが異なるスキルミオンを示す図である。
【図３】閉経路形状の磁性体に内周電極と外周電極との間に電流を流し、電流方向とは略垂直にスキルミオンを周回転送するスキルミオンメモリデバイス１００の構成例を示す模式図である。
【図４】横転送配置でのスキルミオンを周回転送するスキルミオンメモリサーキット３０を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図５】閉経路形状の磁性体に用いたカイラル磁性体の磁気相図を示す図である。
【図６】閉経路形状の磁性体に横転送配置で電極を配置して、スキルミオンを周回転送するスキルミオンメモリサーキットにおいて、電流経路に囲まれた磁性体側部端部Ｓの磁場の時間変化を示す図である。
【図７】スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻１３００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図８】スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻１８５０/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図９】スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻６５５０/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１０】スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻９２００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１１】スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻１１４５０/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１２】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻３１４５０/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１３】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻５８１００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１４】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻８３１５０/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１５】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻８６７００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１６】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻１０４０００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１７】スキルミオンメモリサーキットを周回転送するスキルミオン運動の時刻１１６８００/Jでのミュレーション結果を示す図である。
【図１８】閉経路形状磁性体１０において駆動電流とは略垂直方向に周回転送しているすべてのスキルミオン４０を一括消去するために流す電流印加条件を示す図である。
【図１９】周回転送しているスキルミオン２個を消去する様子を示したシミュレーション結果を示す図である。
【図２０】周回転送しているスキルミオンが加減速する様子を示したシミュレーション結果を示す図である。
【図２１Ａ】第１の電流経路１６−１の形状例を示す図である。
【図２１Ｂ】第１の電流経路１６−１の形状例を示す図である。
【図２１Ｃ】第１の電流経路１６−１の形状例を示す図である。
【図２２】電流による磁場発生用の多層コイルを示す模式図である。
【図２３】複数個のスキルミオンメモリサーキット３０を有するスキルミオンメモリデバイス１００を示す模式図である。
【図２４】ジグザグチェーン状のスキルミオンメモリサーキット３０を有するスキルミオンメモリデバイスを示す模式図である。
【図２５】コイル状のスキルミオンメモリサーキット３０を示す模式図である。
【図２６】スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。
【図２７】スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造の他の例を示す。
【図２８】スキルミオンメモリサーキット３０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。
【図２９】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１１０を示す。
【図３０】スキルミオンメモリデバイス１００をＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０の上層に搭載したスキルミオンメモリデバイス１１０の断面図を示す。
【図３１】スキルミオンメモリデバイス１１０を用いたメモリ回路１２０の一例を示す図である。
【図３２】スキルミオンメモリデバイス搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。
【図３３】データ記録装置３００の構成例を示す模式図である。
【図３４】データ処理装置４００の構成例を示す模式図である。
【図３５】通信装置５００の構成例を示す模式図である。
【図３６】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】
【００３２】  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。
【００３３】  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上に回転する磁気秩序相を伴う磁性体である。外部磁場を印加することにより、カイラル磁性体はスキルミオンが格子状に配列した結晶相をへて強磁性相になる。
【００３４】  図１は、閉経路形状磁性体１０の一部に形成した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。閉経路形状磁性体１０は薄膜形状を有する。閉経路形状磁性体１０は、薄膜平面上で幅Ｗと長さＬをもち、長さＬの両端部が接続した閉経路形状を有する。図１においては、閉経路形状の一部を示している。図１に示した閉経路形状磁性体１０の両端が延伸して接続する。本例において長さＬは、幅Ｗの中央を通り、閉経路を１周する長さである。
【００３５】  閉経路形状磁性体１０の幅Ｗは、スキルミオン４０の直径をλとすると、                            Ｗ＞０．５λ  であることが好ましい。これよりも幅Ｗが小さいと、閉経路形状磁性体１０にスキルミオン４０が存在できない。なお図１において、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。
【００３６】  閉経路形状磁性体１０は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０の当該平面上の位置に応じて渦状に向きが変化する磁気モーメントを有する。本例では、閉経路形状磁性体１０に印加する磁場の向きはプラスｚ方向である。閉経路形状磁性体１０の全体に、所定の強度の磁場を一様に印加する。この場合に、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。
【００３７】  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していくように配置する。さらに磁気モーメントの向きは、当該渦巻き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。
【００３８】  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き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオンが存在する閉経路形状磁性体１０が薄い板状固体材料の場合、スキルミオンを構成する各磁気モーメントは、閉経路形状磁性体１０の厚さ方向において同じ向きの磁気モーメントである。すなわち、スキルミオンの磁気モーメント構造は薄膜構造の深さ方向（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。つまり、スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０の厚さと同一の高さの円柱形状を有する。
【００３９】  渦巻き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は、スキルミオン数で特徴づけられる。スキルミオン数は、以下の［数１］及び［数２］であらわされる。［数２］において、磁気モーメントとｚ軸との極角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。
【００４０】
【数１】
2016002806.tif 000003
【００４１】
【数２】
2016002806.tif 000004
【００４２】  ［数１］において、ｎ（ｒ）は、位置ｒにおけるスキルミオンの磁気モーメントである。［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。
【００４３】  また、後述するように、閉経路形状磁性体１０に電流を流すと、スキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０上を転送する。転送方向は、電子流の方向に対して垂直な方向である。例えば電子流がｘ軸正側から負側に向けて流れる場合、スキルミオン４０は、ｙ軸負側から正側に向けて転送する。
【００４４】  図２は、ヘリシテイγが異なるスキルミオン４０を示す模式図である。特に、スキルミオン数Ｎｓｋ＝―１の場合の一例を図２に示す。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、紙面と平行な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。図２（Ａ）から図２（Ｅ）において、濃淡は磁気モーメントの向きを示す。
【００４５】  図２（Ｅ）における円周上の濃淡で示す磁気モーメントは、ｎｘ−ｎｙ平面上の向きを有する。これに対して、図２（Ｅ）における円中心の最も薄い濃淡（白）で示す磁気モーメントは、紙面の裏から手前の向きを有する。円周から中心までの間の各位置の濃淡で示す磁気モーメントのｎｚ軸に対する角度は、中心からの距離に応じてπからゼロととる。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各磁気モーメントの向きは、図２（Ｅ）において同一の濃淡で示す。なお、図２（Ａ）から図２（Ｄ）におけるスキルミオン４０の中心のように、最も濃い濃淡（黒）で示す磁気モーメントは、紙面手前から紙面の裏への向きを有する。図２（Ａ）から図２（Ｄ）における各矢印は、磁気構造体の中心から所定の距離における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。
【００４６】  図２（Ａ）（γ＝０）において、スキルミオン４０の中心から所定の距離における濃淡は、図２（Ｅ）の円周上の濃淡と一致している。このため、図２（Ａ）において矢印で示した磁気モーメントの向きは、中心から外側に放射状に向いている。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。
【００４７】  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のスキルミオンが、図１のスキルミオン４０に相当する。
【００４８】  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は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した閉経路形状磁性体１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。
【００４９】  図３は、スキルミオンメモリデバイス１００の構成例を示す図である。スキルミオンメモリデバイス１００は、スキルミオン４０を用いて情報を保存する。例えば、閉経路形状磁性体１０の所定の位置におけるスキルミオン４０の有無が、１ビットの情報に対応する。本例のスキルミオンメモリデバイス１００は、スキルミオンメモリサーキット３０、磁場発生部２０、１個以上の電流経路用の電流経路用電源５０および測定部７０を備える。電流経路用電源５０は、スキルミオンメモリデバイス１００には搭載されず、スキルミオンメモリデバイス１００の外部に配置されてもよい。また、スキルミオンメモリデバイス１００は、電源５２から駆動電力を受け取る。電源５２は、スキルミオンメモリデバイス１００の外部に設けられてよい。
【００５０】  スキルミオンメモリサーキット３０は、スキルミオン４０の発生、消去、周回転送および転送速度の加減速が可能である。スキルミオンメモリサーキット３０は、閉経路形状磁性体１０、外周電極１２、内周電極１４、１個以上の電流経路１６およびセンサ７２を有する。
【００５１】  閉経路形状磁性体１０は、印加する磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相および強磁性相が発現する。スキルミオン結晶相及び強磁性相を有する磁性体は、スキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０に発生しうる磁性体であることの必要条件である。例えば閉経路形状磁性体１０は、カイラル磁性体である。閉経路形状磁性体１０は薄層状である。スキルミオン４０の直径とは、スキルミオン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。
【００５２】  閉経路形状磁性体１０は、上述したように閉経路形状を有する。閉経路形状磁性体１０は、閉経路形状の面における内周を規定する内周側端部と、外周を規定する外周側端部とを有する。内周電極１４および外周電極１２は、閉経路形状磁性体１０の延展方向と平行な面において、閉経路形状磁性体１０と接続する。内周電極１４は閉経路形状磁性体１０の内周側端部に沿って接続し、外周電極１２は閉経路形状磁性体１０の外周側端部に沿って接続する。
【００５３】  磁場発生部２０は、閉経路形状磁性体１０に第１の磁場を印加する。本例の磁場発生部２０は、閉経路形状磁性体１０を強磁性相にする第１の磁場を発生する。また、磁場発生部２０は、薄膜状の閉経路形状磁性体１０の表面に略垂直な第１の磁場を、閉経路形状磁性体１０に印加する。本例において閉経路形状磁性体１０は、ｘｙ平面と平行な表面（一面）を有しており、磁場発生部２０は、磁場発生部２０中の矢印で示すようにプラスｚ方向の第１の磁場を発生する。磁場発生部２０は、閉経路形状磁性体１０の裏面と対向して設けられてよい。磁場発生部２０は、閉経路形状磁性体１０と離間していてよく、接触していてもよい。磁場発生部２０が金属の場合、磁場発生部２０は閉経路形状磁性体１０と離間していることが好ましい。
【００５４】  閉経路形状磁性体１０中のスキルミオンの運動の機構をさらに説明する。詳細は後述する。外周電極１２内から内周電極１４に向かう方向に、閉経路形状磁性体１０に電流を流す。スキルミオンの運動を考える場合、電流とは逆向きの電子流を駆動力と考えるとよい。すなわち内周電極１４から外周電極１２に電子流を流す。
【００５５】  スキルミオン４０は電子流により二つの力を受ける。一つは電子流と同じ向きの力である。もう一つは閉じ込め力とマグナス力のバランスが生み出す力である。電子流による第一の力は閉経路形状磁性体１０の外周側端部にスキルミオン４０を押し付け、第二の力はスキルミオン４０を電子流とは略垂直である矢印の転送方向に転送する。
【００５６】  スキルミオン４０の駆動電流の方向と、スキルミオン４０の転送方向とが略垂直である配置を横転送配置と定義する。これは先に定義した縦転送配置とは異なる。この横転送配置におけるスキルミオンの運動についての詳細は後述する。横転送配置の場合は、駆動電流とスキルミオンの方向が略平行の場合の縦転送配置のスキルミオンの転送速度に対して１０〜１００倍の高速で転送することを可能にする。
【００５７】  この結果、スキルミオンを情報単位として使うための課題であった、スキルミオンの転送速度の高速化、駆動電流密度の低減化を解決できる。この横転送配置をとる電流用の電極配置は細線の長さ方向に沿って備えればよい。これは横転送配置のメモリを利用する上で重要な電極配置を決めている。さらに、横転送配置は図３に示したように、スキルミオンを有する磁性体を細線構造の両端を接続した閉経路形状にすることによって、スキルミオンを周回転送することができる。
【００５８】  これはスキルミオンを転送する場合、電流の流す方向で一意的に転送方向を決めることができる。図３に示したように、内周電極１４から外周電極１２方向の電子流方向の場合、スキルミオンはｚ方向の上からみて、常に時計回りに転送する。方向が決まった周回転送は書込み、読み出しの順番を決定し、書込み、読み出し時の情報のアドレスを一意的に決めることができる。特許文献１のレイストラック構造の場合は、書き込み時にドメインを左右の一方向に転送し、読み出し時はドメインを逆方向に転送しなければならない。
【００５９】  スキルミオンが閉経路を周回する場合は、同じ方向の回転を維持しながら、情報を読み出すことが可能である。電子流を外周電極１２から内周電極１４に流してもよい。この場合はスキルミオンの転送方向は反時計回りとなり、スキルミオンは閉経路形状磁性体１０の内周側端部に沿って周回転送する。
【００６０】  また、スキルミオンの転送に必要な電流密度以上の所定の電流密度の電流を、閉経路形状磁性体１０に印加することにより、閉経路形状磁性体１０中に周回転送している複数のスキルミオンをすべて消去できる。つまり、電子デバイスのフラッシュメモリと同じ性能を有することができる。これも実用上大変大きな特徴である。スキルミオンメモリサーキットに印加する電流は、スキルミオンの生成（WRITE）や、消去（ERASE）、読み出し（WORD）時のみ必要である。待機時はスキルミオンを転送する必要はなく、消費電力はゼロである。
【００６１】  電流経路１６は、閉経路形状磁性体１０の表面において、閉経路形状磁性体１０の端部を含む端部領域を囲んで設けられる。電流経路用電源５０は、電流経路１６に電流を流すことで、当該端部領域に第２の磁場を印加する。例えば電流経路用電源５０は、磁場発生部２０が生成する第１の磁場とは逆向きの第２の磁場を発生させるように、電流経路１６に電流を流す。
【００６２】  端部領域においては、磁場発生部２０が発生する第１の磁場の一部が、電流経路１６に流れる電流による第２の磁場に相殺される。このとき、電流経路１６に流れる電流により印加する第２の磁場は、磁場発生部２０により印加する第１の磁場よりも弱い。これにより、端部領域には強磁性相に１個のスキルミオン４０を生成する。スキルミオンを生成するには、スキルミオンメモリサーキット３０に１か所の端部領域を形成すればよい。
【００６３】  この結果、スキルミオンメモリサーキット３０にデータを書き込むための書き込み線の本数を格段に少なくできる。スキルミオン４０は周回転送しているので、生成したスキルミオン４０が所定の距離転送したタイミングで、次のスキルミオン４０を生成する。この結果、スキルミオンメモリサーキット内には多数のスキルミオン列が形成できる。
【００６４】  実際のデバイスに使う場合、一つのメモリが数Ｋビットから数Ｍビットの情報を担うことから、１個のスキルミオンメモリサーキットにはスキルミオン数も数千個から数百万個が転送周回することになる。さらに数千個のスキルミオンメモリサーキットを平面状に配置し、数百Ｍビットから数Ｇビットの情報を記憶することで、大規模不揮発性メモリを実現できる。
【００６５】  センサ７２は、閉経路形状磁性体１０の表面に対向して設けられる。磁気センサはＴＭＲ素子や磁気抵抗素子など各種のセンサからなる。センサ７２は、対向する閉経路形状磁性体１０の領域のスキルミオンを検出する。例えばセンサ７２は、スキルミオンの有無で抵抗値が変化する。磁気センサの抵抗値の変化は磁気センサに流れる電流量を変化させる。測定部７０は、センサ７２の電流量を測定する。これにより、センサ７２および測定部７０は、スキルミオン４０がセンサ７２と対向する領域を通過したか否かを検出することができる。閉経路形状の磁性体上のスキルミオンを検知する磁気センサはすくなくとも１個でよい。この結果、読み込み用信号線は格段に少なくできる。
【００６６】  次に、図２において説明したスキルミオン数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。
【００６７】  図４は、閉経路形状磁性体１０を用いたスキルミオンメモリサーキット３０を示す。図４は、横転送配置でのスキルミオン４０の運動を示すシミュレーション結果である。図４では、閉経路形状磁性体１０、外周電極１２、内周電極１４、およびスキルミオン４０を示している。ただし、電子流、センサ７２、第２の電流経路１６−２などを、理解しやすいようにシミュレーション結果に加え示した図である。また、外周電極１２の外側には絶縁体１６１が配置されている。
【００６８】  スキルミオン４０は内周電極１４から外周電極１２に流れる電子流のマグナス力により電子流とは略垂直方向（大きな矢印）に転送する。閉経路形状磁性体１０が閉経路形状を有するので、スキルミオン４０は閉経路形状磁性体１０を周回転送する。また、スキルミオン４０を転送するための電子流の電流密度は小さくてもよく、下限値は存在しない。スキルミオン４０の横転送速度は、縦配置のスキルミオンの転送速度より１００〜１０００倍程度速い高速転送が可能である。これに対して、上述した縦配置のスキルミオンの転送には大きな電流密度が必要である。
【００６９】  図３に示した磁場発生部２０から発生する第１の磁場（紙面の裏面から表面への向き）は閉経路形状磁性体１０を強磁性相にする。一度生成したスキルミオン４０は、強磁性相においても安定して存在するので、スキルミオン４０を情報記憶媒体に使うことができる。
【００７０】  図３および図４に示すように、閉経路形状磁性体１０の内周部を−電位の電極、外周部を＋電位の電極とし、所定の電流を流せば、以下に詳細に述べるようにマグナス力により、スキルミオン４０は電流の方向とは略垂直方向に高速で右回り（時計回り）に周回する。このスキルミオン４０の磁気モーメントは閉経路形状磁性体１０の表面から裏面まで図１で示したような渦構造を有していて、安定に存在する。磁性体端部の凹凸や、磁性体中の磁性不純物に対してその形状を保持しながら安定して移動する。
【００７１】  閉経路形状磁性体１０の表面に局所磁場を発生するコイル（第１の電流経路１６−１）を設置し、コイル内に形成した磁場強度を制御することにより複数のスキルミオン４０を生成もしくは消去可能である。
【００７２】  また外周電極１２および内周電極１４の間の電流を、スキルミオン４０の周回時に比べて増加させれば、閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット３０上の複数のスキルミオン４０を一挙に消去でき、メモリ情報の一括消去をすることも可能であり、消去時間の短縮化が可能である。
【００７３】  さらにスキルミオン４０を加減速できるコイル（第２の電流経路１６−２）を備えることも可能である。周回しているスキルミオン４０の位置をセンサ７２で読み取り、必要なら第２の電流経路１６−２に電流を流すことで位置を補正できる。
【００７４】  スキルミオン４０を生成できるスキルミオンメモリサーキット３０は、閉経路形状磁性体１０を用いる。閉経路形状磁性体１０は、例えばカイラル磁性体であり、ＦｅＧｅやＭｎＳｉ等よりなる。閉経路形状磁性体１０は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）やスパッター等を用いて形成した磁性体薄膜に露光装置、エッチング装置、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。外周電極１２及び内周電極１４は、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性の非磁性金属よりなる。
【００７５】  上述したように、閉経路形状磁性体１０に対してプラスｚ方向の向きに磁場を印加した状態で、外周電極１２から内周電極１４の方向に閉経路形状磁性体１０に電流を流すと、閉経路形状磁性体１０の中のスキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０の外周電極１２に隣接した縁部に沿って矢印の向き（スキルミオン流の向き）に移動する。
【００７６】  こうしたスキルミオン４０の運動は、以下の理論を用いて説明することができる。  Ｒ＝（Ｘ，Ｙ）は磁気構造体（本例ではスキルミオン４０）の中心位置を示す。ＶｄはＲの時間微分で磁気構造体の速度を示す。この磁気構造体の振る舞いは下記の［数３］で示す運動方程式に従う。【数３】
2016002806.tif 000005
上記［数３］中、×は外積を示す。Ｖｓ＝−ξｊであり、伝導電子の速度を示している。また、ξ＝２ｅＭ／（ｐａ３）であり、aは格子定数、Ｍは磁気モーメントの大きさ、ｐは伝導電子のスピン偏極である。第３項Ｆは電極（本例では外周電極１２および内周電極１４）と磁性体との境界、不純物、磁場等から磁気構造体に働く力である。
【００７７】  磁気構造体の運動を特徴づけるマグナスベクトルＧはｚ方向に沿った単位ｅｚであらわせ、Ｇ＝ｇｅｚである。ｇはスキルミオン数を用いて、ｇ＝４πＮｓｋと表せる。Ｎｓｋはスキルミオン数である。
【００７８】  磁気構造体がスキルミオンの場合、スキルミオン数Ｎｓｋ＝±１である。スキルミオンの縦転送配置の場合、［数３］の第２項の散逸過程を無視することができる。αはギルバート減衰定数で、βは非断熱定数である。αおよびβは物質固有の定数である。そしてβ〜αである。Ｄのテンソル成分ＤｉｊはＤｘｘ＝Ｄｙｙ〜４πでその他は０である。Ｎｓｋ＝±１のスキルミオンの場合、［数３］の第２項を無視することができ、Ｆが十分小さいとき、第１項のみ残り、Ｖｄ＝Ｖｓとなる。この時のＶｄは縦転送配置でのスキルミオンの転送速度であるのでＶｄ（縦転送配置）＝Ｖｓとなる。
【００７９】  一方、磁気構造体が、例えば特許文献１に開示されたドメイン磁壁の場合、スキルミオン数Ｎｓｋ＝０であり、ｇ＝０となり第１項はゼロとなる。そして、Ｆが十分小さいとき［数３］は第２項のみ残り、Ｖｄ＝（β/α）Ｖｓとなる。β〜αなので、Ｖｄ〜Ｖｓとなる。ドメイン磁壁の速度は縦転送配置におけるスキルミオンの速度と同程度であることが判る。
【００８０】  本発明の横転送配置ではスキルミオン４０の移動速度が縦転送配置や磁壁の速度より大きくできることを以下に説明する。
【００８１】  図３および図４において、電子の流れの向きをｙ軸、スキルミオンの流れの向きをｘ軸とする。このような横転送配置の場合、以下に示すような巨大なスピントランスファートルク効果が発生する。
【００８２】  Ｖｄ（横転送配置）＝（Ｖｄｘ、０、０）、Ｖｓ＝（０、Ｖｓｙ、０）、Ｆ＝（０、Ｆｙ、０）、Ｇ＝（０、０、ｇ）とすると、［数３］から［数４］が得られる。Ｖｄｘはスキルミオンのｘ方向の速度、Ｖｓｙは電子流のｙ方向の速度である。【数４】
2016002806.tif 000006
【００８３】  この［数４］から［数５］が得られる。【数５】
2016002806.tif 000007
ｇ＝−４π、Ｄ〜４πであるから、以下の［数６］を得ることができる。
【数６】
2016002806.tif 000008
【００８４】  すなわち横転送配置でのスキルミオンの速度ＶｄｘはVsｙ/αである。縦転送配置でのスキルミオンの転送速度は、Vsｙである。αは０．０１から０．００１程度であるから、Ｖｄｘ〜１０２Vsｙである。ｘ方向のスキルミオン転送速度Ｖｄｘは縦転送配置でのスキルミオンの転送速度Ｖｓｙの１０２〜１０３倍となる。これは、横電流配置の場合、スキルミオン４０の速度は縦電流配置のスキルミオンの速度の１００から１０００倍にできることを示している。
【００８５】  この結果は、必要なスキルミオン転送速度を固定した場合、横転送配置の電流密度は縦転送配置の電流密度の１０-２〜１０-３に低減化できることを示している。縦転送配置での転送速度を秒速１５ｍのスキルミオン転送速度の場合、２×１０１１Am-2の電流密度となることを先に述べた（非特許文献２）。横転送配置でのスキルミオン転送速度が同程度の場合、２×１０８〜２×１０９Am-2程度になる。これは、縦転送配置における電流密度に比べて２桁程度小さい電流密度である。これは現時点でのLSI製造での配線の電流密度限界以下で十分低い電流密度で、所望の転送速度を得られることを示している。これはスキルミオンメモリデバイスが低消費電力デバイスとなりうるデバイスであることを示している。
【００８６】  [数３]を用いることにより不純物などによるピンニング効果についても議論できる。すなわちＦｐｉｎを［数３］に加えればスキルミオンの運動に対するピンニング効果は磁壁の場合に比べてβ倍程度と著しく軽減できることが判る。
【００８７】  すなわち、ピンニング効果がスキルミオン速度に与える影響は小さく、散乱効果からの影響も小さい。この特徴も、メモリにスキルミオン転送方法を応用する際の大きなメリットとなる。
【００８８】  以上から、スキルミオン４０の移動速度は、横電流配置の場合、縦電流配置のスキルミオンの移動速度の１００倍から１０００倍となることが分かる。磁気ドメインの移動速度は縦電流配置の転送速度と同程度であることから、横電流配置でのスキルミオン移動速度は同様に磁気ドメイン壁の移動速度の１００倍から１０００倍となる。以上の結果、スキルミオン４０をメモリ素子に応用する上の解決すべき課題であるスキルミオン転送速度の高速化、転送に必要な電流密度の低減化が実現できる。
【００８９】  なお、磁性体が螺旋磁性を示すカイラル磁性体ではなく、ダイポール磁性体、フラストレート磁性体や磁性体と非磁性体を積層した構造であっても、上述した結論を適用することができる。ダイポール磁性体とは、磁気双極子相互作用が重要な磁性体である。
【００９０】  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。上述した構成からなる本発明では、磁性体中で生成、転送する１又は複数のスキルミオンを消去することができる磁気素子としても具体化される。
【００９１】  また、外周電極１２から内周電極１４への方向に、閉経路形状磁性体１０に流れる電流を、スキルミオン４０の転送時よりも大きくすることで、閉経路形状磁性体１０に存在する１又は複数のスキルミオン４０をすべて消去することもできる。スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０に流れる電流とは逆方向に（電子の流れの方向に）、当該電流に応じた大きさの力を受ける。このため、当該電流を十分大きくすると、転送してきた全てのスキルミオン４０が外周電極１２と閉経路形状磁性体１０との境界におけるポテンシャル障壁を越えて消滅する。したがって、電源５２は、スキルミオン４０の転送時においては、スキルミオン４０が当該ポテンシャル障壁を越えない程度の電流を閉経路形状磁性体１０に流し、スキルミオン４０の一括消去時においては、スキルミオン４０が当該ポテンシャル障壁を越える程度の電流を閉経路形状磁性体１０に流す。
【００９２】  また、図４に示したスキルミオンメモリサーキット３０には、第１の電流経路１６−１および第２の電流経路１６−２が設けられる。第１の電流経路１６−１は、スキルミオン４０の発生および消去に用いられる。第２の電流経路１６−２は、周回するスキルミオン４０の加減速に用いられる。
【００９３】  第１の電流経路１６−１は、閉経路形状磁性体１０の外周電極１２側の端部を囲むように設けられる。上述したように、磁場発生部２０は閉経路形状磁性体１０を強磁性相にする。このため、閉経路形状磁性体１０における磁気モーメントは、第１の磁場と同一の方向を向く。ただし、閉経路形状磁性体１０の端部における磁気モーメントは、第１の磁場と同一の方向を向かず、第１の磁場に対して傾きを有している。このため、閉経路形状磁性体１０の端部は他の領域に比べてスキルミオン４０が生じやすい。閉経路形状磁性体１０の端部を含む領域を囲むように、第１の電流経路１６−１を設けることで、スキルミオン４０を容易に生じさせることができる。
【００９４】  なお、本例の電流経路１６は、ｘｙ平面において、閉経路形状磁性体１０の端部を、外周電極１２側から閉経路形状磁性体１０側に少なくとも１回横切り、且つ、閉経路形状磁性体１０側から外周電極１２側に少なくとも１回横切る連続した導電路を有する。これにより電流経路１６は、閉経路形状磁性体１０の端部を含む領域を囲む。電流経路１６は、ｘｙ平面において閉じた領域を形成しなくてよい。電流経路１６および端部の組み合わせが、閉経路形状磁性体１０の表面において閉じた領域を形成すればよい。このように形成した第１の電流経路１６−１に図４に示した矢印の方向に電流を印加する。この結果電流経路内には第１の磁場方向とは逆向きの磁場が発生し、電流経路内のｚ方向の磁場強度を弱める。この結果、電流経路内にスキルミオンを生成できる。
【００９５】  一度発生したスキルミオン４０は、強磁性相においても安定して存在するので、スキルミオン４０を情報記憶媒体に使うことができる。発生したスキルミオン４０は、外周電極１２および内周電極１４の間に流れる電流により、閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット３０を周回転送する。また、周回転送したスキルミオン４０が第１の電流経路１６−１に到達したときに、第１の電流経路１６−１に電流を流すことで、当該スキルミオン４０を消去することができる。
【００９６】  この消去方法はスキルミオンメモリサーキット３０の外周電極１２と内周電極１４の間に流す電流によるスキルミオンメモリサーキット３０上の複数の多数個スキルミオンを一括消去する方法とは異なる。第１の電流経路１６−１に単発パルス電流を流すことで、特定のタイミングで第１の電流経路１６−１が囲む端部領域に近づいた単一のスキルミオン４０を消去する。つまり、当該消去方法はビット単位の消去法を提供する。
【００９７】  スキルミオン４０を個別に消去する場合、スキルミオン４０が第１の電流経路１６−１に近づいたタイミングで、第１の電流経路１６−１にスキルミオン生成時より小さい電流を流す。その結果、第１の電流経路１６−１に囲まれた端部領域の磁場は弱くなり周回してきたスキルミオン４０の電流経路内への引力が発生する。この引力は渦構造をもつスキルミオン４０に端部マグナス力を誘因し、その運動方向を曲げる。
【００９８】  その結果、スキルミオン４０は、外周電極１２に向かう方向に移動する。マグナス力が十分大きければ、スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０と外周電極１２との境界におけるポテンシャル障壁を乗り越えて消滅する。以下、スキルミオン４０の生成、転送、消去方法について実施例を通じて説明をする。
【００９９】  [実施例１]  実施例１においてスキルミオンの生成、転送のシミュレーション実験結果を示す。スキルミオンの磁気モーメントの運動は[数８]の運動方程式で記述できる。以下、断熱、非断熱スピントランスファートルク項をもつ下記の方程式を数値的に解く。
【０１００】  [数８]  ｄＭｒ／ｄｔ＝−Ｍｒ×Ｂｒｅｆｆ＋α／Ｍ・Ｍｒ×ｄＭｒ／ｄｔ              ＋ｐａ３／２ｅＭ（ｊ（ｒ）・▽）Ｍｒ −（ｐａ３β／（２ｅＭ２）［Ｍｒ×（ｊ（ｒ）・▽）Ｍｒ］  [数９]  Ｈ＝―ＪΣＭｒ・（Ｍｒ＋ｅｘ＋Ｍｒ＋ｅｙ）    −ＤｍΣ（Ｍｒ×Ｍｒ＋ｅｘ・ｅｘ＋Ｍｒ×Ｍｒ＋ｅｙ・ｅｙ）−Ｂ・ΣＭｒ
【０１０１】  ここで、Ｂｒｅｆｆ=−(１/（ｈγ）)（∂Ｈ/∂Ｍｒ）により、[数８]と[数９]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＝Ｍ・ｎ（ｒ）であり、Ｍｒは磁気モーメントを示す。ｎ（ｒ）は［数２］に示した、位置ｒにおけるスキルミオン４０の磁気モーメントの向きを示す単位ベクトルである。上記［数８］，[数９］中、Ｘは外積を示す。また、ｅｘ、ｅｙは、ｘ、ｙ方向の単位ベクトルである。Mｒ＋ｅｘ、Ｍｒ＋ｅｙはMｒに対して、ｘ、ｙ方向に単位ベクトル分異なる位置にある磁気モーメントを示す。
【０１０２】  ここで、[数９]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である。ダイポール磁性体やフラストレート磁性体、および磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる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。
【０１０３】  図５は、閉経路形状磁性体１０に用いたカイラル磁性体磁性相の磁場依存性を示した相図である。本実施例では、図５に示すＨｓｋおよびＨｆの条件でシミュレーション実験を行った。カイラル磁性体は磁場強度Ｈｓｋによりらせん磁性相からスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）になり、さらに強い磁場強度Ｈｆでスキルミオン結晶相（ＳｋＸ）から強磁性相になる磁性体である。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が最密構造に整列してｘｙ平面内に発生する。
【０１０４】  次に、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。この場合、低磁場で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から磁場強度Ｈｓｋ＝０．００７５Ｊで、スキルミオン結晶相になる。スキルミオン４０の直径λは、λ＝２π√２・Ｊ×ａ／Ｄｍで示せる。ここで、ａは閉経路形状磁性体１０の格子定数であり、Ｄm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は先行技術文献１に見るようにたとえばＦｅＧｅでは７０ｎｍ、ＭｎＳｉでは１８ｎｍである。
【０１０５】  本実施例で用いられている閉経路形状磁性体１０は、カイラル磁性体で、Ｊは磁気交換相互作用の大きさで１meVである。ジャロシンスキー・守谷相互作用の大きさはＤm＝０．１８Ｊ、磁気モーメントＭ＝１、ギルバート減衰係数α＝０．０４である。例ではＤm＝０．１８Ｊであるから、λ＝５０ａとなる。閉経路形状磁性体１０の格子定数ａ＝０．５ｎｍの場合、λ＝２５ｎｍのサイズである。さらに、本実施例で用いられているカイラル磁性体では、磁場強度Ｈｆ＝０．０２５２Ｊでスキルミオン結晶相から強磁性相になる。
【０１０６】  スキルミオン４０の移動の向きと、外周電極１２および内周電極１４から流れる電流の向きとの方位関係は重要である。スキルミオン４０の転送の向きと電流の向きは略垂直の向きに配置している横転送配置である。
【０１０７】  スキルミオン４０の生成、転送のシミュレーション実験では図４に示したように電子流は内周電極１４から外周電極１２に流す。本例では、その電流密度は０．００１ξｊである。ξは電流密度を無次元化する定数であり、ｊは無次元化した電流密度である。初期状態ではスキルミオン４０はスキルミオンメモリサーキット上に存在していない。
【０１０８】  閉経路形状磁性体１０には、裏面に置かれた磁場発生部２０（例えば強磁性体薄膜）からの第１の磁場Ｈが裏面から表面（プラスｚ方向）に印加されている。この第１の磁場はスキルミオン結晶相と強磁性相との境界であるＨ＝０．０２５２Ｊよりすこし大きいＨ=０．０３Ｊである。したがって、スキルミオンメモリサーキットを形成する閉経路形状磁性体１０は強磁性相で、その磁気モーメントはプラスｚ方向に向いた状態である。
【０１０９】  図４で示したように、閉経路形状磁性体１０上には、電流経路１６が設けられる。電流経路１６の形状は、コイルのように多層回巻いたコイル状でもよい。第１の電流経路１６−１は、閉経路形状磁性体１０の外周部側端部を含むように配置する。第１の電流経路１６−１に囲まれた領域を端部領域Ａとする。端部領域Ａでの磁場強度をＨａとする。第１の電流経路１６−１は、閉経路形状磁性体１０と電気的に絶縁していてもよい。図４に示した方向に第１の電流経路１６−１にコイル電流を流す。このコイル電流は端部領域にマイナスｚ方向に第２の磁場を発生させる。このコイル電流が誘起した第２の磁場は、磁場発生部２０からの一様の第１の磁場の方向とは逆方向であるので、端部領域のプラスｚ方向の磁場Ｈａを弱くする。この結果、端部領域Ａにスキルミオン４０を生成することが可能となる。電流経路１６−１が端部領域Ａを含まない場合はスキルミオンを生成できない。
【０１１０】  シミュレーション実験での端部領域での磁場強度の時間変化を図６に示した。閉経路形状磁性体１０に印加した第１の磁場ＨがＨｆより大きく、閉経路形状磁性体１０が強磁性相になっている状態から開始する。本例では、磁場発生部２０からの第１の磁場はプラスｚ方向で、磁場強度Ｈ=０．０３Jである。この場合、閉経路形状磁性体１０は全体が強磁性相なのでスキルミオンは発生しない。端部領域の磁場も同様に０．０３Jである。
【０１１１】  次に、第１の電流経路１６−１に電流を流し始める。端部領域の磁場Ｈａは、コイル電流によって発生した第２の磁場により減少する。ｔ＝１０００（１／Ｊ）で、端部領域の磁場は、Ｈａ=０．０１Ｊになる。その後ｔ＝２０００（１／Ｊ）まで、Ｈａ＝０．０１Ｊを保持する。コイル電流を減少させ、ｔ＝３０００（１／Ｊ）で、コイル電流をOFFにする。この場合、端部領域の磁場は、Ｈａ=０．０３Ｊとなる。この状態でｔ＝１００００（１／Ｊ）まで保持する。ｔ＝１００００（１／Ｊ）で再びコイル電流を流す。このコイル電流パルスの印加を４回繰り返す。なお、ｔ＝５００００（１／Ｊ）以降に存在する２つのコイル電流パルスは、スキルミオン４０の消去用の電流パルスである。
【０１１２】  上述したコイル電流パルスの印加を４回繰り返した場合のスキルミオン４０の生成に関するシミュレーション実験の実施例を７から図１２に示す。また、以下の図において互いに交差するｎｘ、ｎｙの軸で表現した濃淡は、ｎｘ、ｎｙの軸上で表現した磁気モーメントの向きを示している。また、図７から図１２の例において、第１の電流経路１６−１で囲まれた端部領域のサイズは、閉経路形状磁性体１０の幅方向および長さ方向と同一方向における幅Ｗ１、長さＬ１が、スキルミオン４０の直径λに対してＷ１＝０．７５・λ、Ｌ１＝０．５・λである。なお、当該端部領域の長さは、閉経路形状磁性体１０の端部と平行な長さである。
【０１１３】  図７は、スキルミオンメモリサーキット３０を周回転送するスキルミオン運動の時刻１３００/Jでのミュレーション結果を示す図である。強磁性相の閉経路形状磁性体１０からなるスキルミオンメモリサーキット上において、スキルミオン４０が生成しつつある。図７に示すように、閉経路形状磁性体１０は全体的に強磁性相なので、濃淡を白で表示している。ただし、閉経路形状磁性体１０の端部は、強磁性相においても磁気モーメントの向きが傾くので、濃淡が生じている。
【０１１４】  図８はｔ＝１８５０（１／Ｊ）の状態を示す。閉経路形状磁性体１０に、ほぼ完全にスキルミオン４０が形成されている。すなわち、スキルミオン４０の生成には、１０００（１／Ｊ）程度の時間でよいことがわかる。本例において１０００（１／Ｊ）は、０．３ナノ秒程度であり、スキルミオン４０の生成を、超短パルスで実現できることを示している。
【０１１５】  図９はｔ＝６５５０（１／Ｊ）で、コイル電流がゼロの状態を示す。コイル電流が十分小さくなると、外周電極１２および内周電極１４の間の定常電流密度０．００１ξｊの電子流により、電子流とは略垂直に時計回りにスキルミオン４０を転送する。
【０１１６】  図１０はｔ＝９２００（１／Ｊ）の状態を示す。スキルミオン４０をさらに下流に転送している。
【０１１７】  図１１はｔ＝１１４５０（１／Ｊ）で、第１の電流経路１６−１に２回目のコイル電流パルスを印加した状態を示す。図７と同様に、２個目のスキルミオン４０が形成しつつある。
【０１１８】  図１２はｔ＝３１４５０（１／Ｊ）の状態を示す。４回目の電流パルスを印加して、４個目のスキルミオン４０の形成が終了した直後である。図４に示したように、閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット３０がカーブしている箇所では、電子流の向きもカーブに沿って外周側端部接線に略垂直の方向となり、スキルミオン４０の転送方向は電子流と常に略垂直の方向に進むので、スキルミオン４０はカーブする。この結果スキルミオン４０は閉経路形状磁性体１０の外周端部から飛び出すことなく周回転送する。
【０１１９】  以上のように、端部領域を囲む第１の電流回路１６−１に電流パルスを与え、端部領域Ａの磁場強度を小さくすることで、スキルミオン４０を形成できる。シミュレーション実験から、本条件においてスキルミオン４０を生成するための条件は下記である。（条件１）  スキルミオンを生成するための条件として、端部領域Ａのサイズは、幅Ｗ１はスキルミオンの直径λに対して下記の範囲が最適である。    ０．７５λ≧Ｗ１＞０．２λ（条件２）  スキルミオンを生成するための条件として、端部領域Ａのサイズは、閉経路形状の磁性体の端部と平行な長さであるＬ１が、スキルミオンの直径λに対して端部領域の高さＬ１は下記の範囲が最適である。    ０．５λ≧Ｌ１＞０．１λ（条件３）  スキルミオンを生成するための条件は、端部領域Ａの磁場強度Ｈａは下記範囲が最適である。    Ｈａ≦０．０１Ｊ  なお、Ｈａ＞０．０１Jの場合、スキルミオン４０は生成しない。
【０１２０】  この条件を満たす電流パルスを、第１の電流経路１６−１に順次与えれば、所望の時間にスキルミオン４０を形成できる。第１の電流経路１６−１に電流パルスを流す方向（第１の方向）は、当該電流によって生じる磁場の方向が、磁場発生部２０が発生する磁場とは逆向きになる方向である。図７から図１４のシミュレーションでは、スキルミオンを４個生成する実施例を示した。生成したスキルミオンの運動は十分早く定常速度に達する。閉経路形状磁性体１０の電子流の密度はほぼ一定なので、スキルミオン４０は等速運動し、スキルミオン４０の間隔が一定に保持できる。この転送速度は電極間の電流密度で決定される。スキルミオンメモリデバイス１００が保存する情報の「１」「０」は、スキルミオン４０の有り無しに対応させればよい。閉経路形状磁性体１０における所定の間隔の場所にスキルミオン４０が無い場合も、当該間隔を保持する。
【０１２１】  周回転送する複数のスキルミオン４０の間隔ｄは、スキルミオンの直径をλとしたとき、                                ｄ≧０．５・λ  であってよい。これよりも間隔ｄが小さいと、スキルミオン４０を分離して検出することが困難であり、また、スキルミオン４０の間の反発力によりスキルミオン４０が移動する場合もある。なおスキルミオン４０の間隔とは、スキルミオン４０の端部間の最短距離を指す。
【０１２２】  周回転送するスキルミオン４０の間隔ｄは、                                ｄ≧２・λ  であることが好ましい。このような間隔ｄでスキルミオン４０を配置することで、複数のスキルミオン４０は間隔ｄを維持しつつ周回転送できる。
【０１２３】  [実施例２]  次に、閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット上に形成したスキルミオン消去のシミュレーション結果を、図１３から図１７に示す。また、実施例１と同様に、図１３から図１７の例において、第１の電流経路１６−１で囲まれた端部領域のサイズは、幅Ｗ１は０．７５λ、長さＬ１は０．５λとする。実施例２は、図６の時刻ｔ＝５００００（１／Ｊ）以降に相当する。
【０１２４】  図１３は、ｔ＝５８１００（１／Ｊ）の状態を示す。図１２において生成した４個のスキルミオンが安定して周回している。
【０１２５】  図１４は、ｔ＝８３１５０（１／Ｊ）の状態を示す。１つのスキルミオン４０が第１の電流経路１６−１に到達している。第１の電流経路用電源５０は、ｔ＝８３１５０（１／Ｊ）で、消去用のコイル電流を流し始める。本例において、消去用のコイル電流の向きは、スキルミオン４０の生成用のコイル電流の向きと同一である。また、消去用のコイル電流のピーク値は、生成用のコイル電流のピーク値より小さい。消去用のコイル電流のピーク値は、当該電流により新たなスキルミオン４０が生成しない程度の大きさである。本例において、消去用のコイル電流のピーク値は、生成用のコイル電流のピーク値の半分程度である。
【０１２６】  端部領域の磁場Ｈａは、コイル電流によって発生した第２の磁場により減少する。このときの端部領域の磁場Ｈａは、０．０３Ｊから０．０２Ｊに変動する。上述したように、当該磁場によりスキルミオン４０は外周電極１２の方向に移動して、消去される。消去時に第１の電流経路１６−１に流す電流は、周回転送してくるスキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０の境界のポテンシャル障壁を乗り越えることができる程度の大きさを有する。この消去方法は[数３]により次のように理解できる。周回転送してくるスキルミオン４０は端部領域に近接する。この時、端部領域の磁場Ｈａは０．０３Ｊから０．０２Ｊに減少することから、スキルミオン４０を端部領域に引き寄せるように引力が働く。するとマグナス力の為に、スキルミオン４０は閉経路形状磁性体１０の端部方向へ速度を増加させて運動する。この運動により端部ポテンシャルを飛び越えスキルミオン４０は消去される。
【０１２７】  図１５は、ｔ＝８６７００（１／Ｊ）の状態を示す。スキルミオン４０が３個転送している。
【０１２８】  図１６は、ｔ＝１０４３００（１／Ｊ）の状態を示す。周回していた１つのスキルミオンが、第１の電流経路１６−１に到達している。この状態で、第１の電流経路１６−１に消去用のコイル電流パルスを印加することで、当該スキルミオン４０を消去する。
【０１２９】  図１７は、ｔ＝１１６８００（１／Ｊ）の状態を示す。周回していた１つのスキルミオン４０がコイルに到達するが、第１の電流経路１６−１にコイル電流パルスを印加しないので、そのまま、消去することなく通過する。その後は残った２個のスキルミオン４０の周回がそのまま継続する。
【０１３０】  以上、転送してくるスキルミオン４０が、第１の電流経路１６−１に到達したタイミングで消去できることをシミュレーション結果でしめした。このときの端部領域の磁場はＨａ=０．０２Ｊである。スキルミオン消去用の電流パルス時間は、生成時間とおなじ０．３ナノ秒である。
【０１３１】  また、本例において、消去時における端部領域の磁場Ｈａの適切な範囲は、０．０２４Ｊ≧Ｈａ＞０．０１Ｊである。Ｈａ＞０．０２４Jの場合、スキルミオンは消去されずに通過してしまう。０．０１J以下になると新たなスキルミオン４０が生成してしまう。
【０１３２】  以上のシミュレーション実験から、本条件において転送してくるスキルミオン４０を消去するための条件は下記である。（条件４）  周回転送してくるスキルミオンを消去するための条件は、端部領域の閉経路形状磁性体１０の端部と平行な長さであるＬ１は下記の範囲が最適である。  ０．５λ≧L１＞０．１λ（条件５）  周回転送してくるスキルミオンを消去するための条件は、閉経路形状磁性体１０の幅方向と同一方向の、端部領域の幅Ｗ１は下記の範囲が最適である。  ０．７５λ≧W１＞０．２λ（条件６）  周回転送してくるスキルミオンを消去するための条件は、端部領域の磁場強度Ｈａは下記範囲が最適である。  ０．０２４Ｊ≧Ｈａ＞０．０１Ｊ
【０１３３】  この条件を満たす電流パルスを、第１の電流経路１６−１に所定のタイミングで与えれば、スキルミオン４０を消去できる。本例において第１の電流経路１６−１に電流パルスを流す方向（第２の方向）は、当該電流によって生じる磁場の方向が、磁場発生部２０が発生する磁場とは逆向きになる方向である。本例において、スキルミオン４０を生成するときに電流パルスを流す方向と、スキルミオン４０を消去するときに電流パルスを流す方向とは同一である。
【０１３４】  端部領域の閉経路形状磁性体１０の端部と平行な長さであるＬ１が、実施例２の０．５λより小さい（例えばＷ１＝０．３λ）場合、第１の電流経路１６−１に流すコイル電流を、実施例２よりも大きくすれば、スキルミオン４０を消去できる。また、閉経路形状磁性体１０の幅方向と同一方向における端部領域の長さである幅Ｗ１が０．７５λより大きい場合、スキルミオン４０を消去できない。端部領域の幅Ｗ１が、実施例２の０．７５λより小さい（例えばｈ＝０．４λ）場合、磁場Ｈａを０．０１Jに近い値にすれば消去できる。Ｗ１＝０．２λの場合は磁場Ｈａを０．０１Jとしても消去できない。
【０１３５】  [実施例３]  閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット上の複数のスキルミオン４０を、横転送配置での外周電極１２と内周電極１４との間の電流により一括消去が可能であることを、図１８および図１９のシミュレーション結果で示す。図１８は、外周電極１２から内周電極１４の方向に、閉経路形状磁性体１０を流れる電流の電流密度の一例を示す図である。本例では、スキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット３０を周回する周回転送のための電流密度を０．００１ξｊとしている。スキルミオン４０を一括消去する場合、閉経路形状磁性体１０に流す電流の電流密度を、横転送配置において転送に必要な電流密度０．００１ξｊから０．００２ξｊにさらに上げる。電流密度を０．００２ξｊまで上げるのにかかる時間は１０００（１／Ｊ）である。その後、ｔ＝６０００（１／Ｊ）まで、電流密度を０．００２ξｊに維持する。ｔ＝６０００（１／Ｊ）からｔ＝７０００（１／Ｊ）にかけて、電流密度を０．００２ξｊから定常電流密度の０．００１ξｊに戻す。
【０１３６】  図１９は、２個のスキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０に存在するシミュレーション結果を示す。なお図１９では、閉経路形状磁性体１０のスキルミオンメモリサーキット３０の一部を抜き出している。
【０１３７】  ｔ＝０において、２個のスキルミオン４０が閉経路形状磁性体１０を転送している。図１８に示すように、閉経路形状磁性体１０に流れる電流の電流密度を上昇させる。これにより、横転送配置で転送してきたスキルミオン４０は、外周電極１２の方向に力をうける。ｔ＝７０００（１／Ｊ）において電流密度が定常電流密度になった後も、スキルミオン４０は定常電流密度により移動する。ｔ＝８０００（１／Ｊ）で、２個のスキルミオン４０は、外周電極１２に近接する。ｔ＝１１０００（１／Ｊ）では、２個のスキルミオン４０は、既に外周電極１２に吸い込まれて消去されている。電流密度の増加開始から、スキルミオン４０の消去完了まで、約３ナノ秒である。短時間で閉経路形状磁性体１０上のスキルミオンをすべて消去できる。
【０１３８】  以上のように、横転送配置において、外周電極１２から内周電極１４の方向に電流を流し、スキルミオンメモリサーキット３０上のすべてのスキルミオン４０を一括消去できる。シミュレーション実験から、本条件においてスキルミオンメモリサーキット３０上のすべてのスキルミオン４０を消去するための条件は下記である。  （条件７）該当するスキルミオンメモリサーキット３０上のすべてのキルミオンを消去するための条件は、スキルミオンメモリサーキット３０を形成する外周電極１２から内周電極１４に流す電流密度Ｊｃを、スキルミオン４０を周回転送する電流密度をＪｄとすると、ＪｃはＪｄの２倍以上の電流密度である。また、印加時間は６０００（１/J）（＝２ナノ秒）以上であることが好ましい。すなわち、下記の条件である。                  Ｊｃ≧２・Ｊｄ  かつ  ｔ≧６０００（１/Ｊ）  この一括消去法はスキルミオンメモリデバイス１００を用いる場合、大変重要な性能を提供する。個々のスキルミオン４０を選択してスキルミオン４０を消去する機能のみでは消去時間が長くなる。上述した一括消去法は、長い消去時間を一挙に解決する。特定のスキルミオンメモリサーキット３０の複数のスキルミオン４０を一括消去できる。また、複数のスキルミオンメモリサーキット３０からなるブロックにおいても、各ブロックのスキルミオン４０を一括消去できる。
【０１３９】  [実施例４]  図２０に、第２の電流経路１６−２を用いたスキルミオン４０の転送速度の調整例を示す。第２の電流経路１６−２を用いることで、周回しているスキルミオン４０の間隔などを調整することができる。なお図２０では、スキルミオンメモリサーキット３０における閉経路形状磁性体１０の一部を抜き出している。図２０に示す閉経路形状磁性体１０の２つの長辺は、外周電極１２および内周電極１４に接続する。ただし図２０においては、第２の電流経路１６−２の周辺の閉経路形状磁性体１０の上下を図４とは反転させている。つまり、図２０に示す閉経路形状磁性体１０の上側に外周電極１２が接続し、下側に内周電極１４が接続する。
【０１４０】  閉経路形状磁性体１０の外周電極１２側の端部に、当該端部の延展方向に長い端部領域を囲む、第２の電流経路１６−２を設置する。コイル電流により、当該端部領域内の磁場強度を制御することにより、転送してくるスキルミオン４０を加減速することができる。
【０１４１】  図３および図４に示すように、スキルミオンメモリサーキット３０の閉経路形状磁性体１０にセンサ７２を設置する。センサ７２は、磁気抵抗センサであってもよいしトンネル磁気抵抗素子であってもよい。第２の電流経路用電源５０は、センサ７２からの信号をモニターして、第２の電流経路１６−２に印加するコイル電流を制御する。
【０１４２】  図２０は、第２の電流経路１６−２に流すコイル電流が０の場合、コイル電流が＋αの場合およびコイル電流が−αの場合の３通りのスキルミオン４０の動作を示している。なお、コイル電流が＋αの場合、当該電流によって端部領域Ａに印加する第２の磁場は、磁場発生部２０が印加する第１の磁場と同一の向きである。また、コイル電流が−αの場合、当該電流によって端部領域Ａに印加する第２の磁場は、磁場発生部２０が印加する第１の磁場とは逆向きである。
【０１４３】  本例では、コイル電流が０の場合、第２の電流経路１６−２に囲まれた端部領域の磁場は、磁場発生部２０が生成したＨａ=０．０３Ｊである。コイル電流が＋αの場合、当該電流による第２の磁場が加算されてＨａ=０．０４Ｊとなる。コイル電流が−αの場合、当該電流による第２の磁場と磁場発生部２０による第１の磁場とが相殺されてＨａ＝０．０２Ｊとなる。
【０１４４】  図２０には、上記の３ケースについて、ｔ＝０およびｔ＝６０００の２つの状態を示している。それぞれのケースにおいて、ｔ＝０の状態でスキルミオン４０は同一の位置に存在している。これに対して、ｔ＝６０００の状態（スキルミオン４０が第２の電流経路１６−２の近傍を通過した状態）においては、それぞれのスキルミオン４０の位置が異なっている。上記の３ケースでは、コイル電流がゼロのスキルミオン４０に対して、コイル電流が＋αの場合にはスキルミオン４０が加速しており、コイル電流が−αの場合にはスキルミオン４０が減速している。つまり、第２の電流経路１６−２に囲まれる端部領域の磁場を強くすると近傍を通過するスキルミオン４０を加速でき、弱くすると減速できることを示している。本例では、閉経路形状磁性体１０の幅方向と同一方向における第２の電流経路１６−２の長さである幅Ｗ２と、閉経路形状磁性体１０の端部と平行な方向における第２の電流経路１６−２の長さであるＬ２を、スキルミオン４０の直径λに対してＬ２＝２λ、Ｗ２＝０．２λとした。なお、スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０に流れる電子流により、電子流とは略垂直の方向に外周電極１２側に寄って、閉経路形状磁性体１０を周回する。このため、第２の電流経路１６−２は、外周電極１２側の閉経路形状磁性体１０の端部に設けられることが好ましい。
【０１４５】  以上のように、第２の電流経路１６−２を用いてスキルミオン４０の転送速度を調整できる。シミュレーション実験から、本条件において第２の電流経路１６−２を用いて当該端部領域内の磁場強度を制御することにより、スキルミオン４０を加減速するための条件は下記である。  （条件８）スキルミオンメモリサーキット３０上の該当するスキルミオン４０の転送を加速するためには、該当するスキルミオン４０がコイル（本例では第２の電流経路１６−２）に達した時点で、端部領域においてコイルによる磁場を磁場発生部２０と同じ方向に印加するようにコイル電流を印加すればよい。コイル電流の大きさにより加速強度を制御できる。  （条件９）スキルミオンメモリサーキット３０上の該当するスキルミオン４０の転送を減速するためには、該当するスキルミオン４０がコイル（本例では第２の電流経路１６−２）に達した時点で、端部領域においてコイルによる磁場を磁場発生部２０と逆方向に印加するようにコイル電流を印加すればよい。コイル電流の大きさにより減速強度を制御できる。  （条件１０）  第２の電流経路１６−２の幅Ｗ２と長さＬ２は以下であることが好ましい。                      ０．２・λ≧Ｗ２、且つ、Ｌ２≧λ  これにより、スキルミオン４０を適切に加減速できる。
【０１４６】  以上、実施例１〜４において、スキルミオンメモリデバイス１００での磁場および電流印加によるスキルミオン４０の生成、周回転送、消去、一括消去および加減速のシミュレーション実験を示した。また、スキルミオン生成、消去、一括消去のための設計デザインルールを、（条件１）から（条件１０）で明らかにした。このルールはスキルミオンメモリデバイス１００を設計するためのルールを定めたもので有用である。
【０１４７】  また、以上の機構は閉経路形状磁性体１０の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Ｊとスキルミオンサイズλの二つの量で規格化した量として表現している。λはλ＝２π√２・Ｊ×ａ／Ｄｍでジャロシンスキー・守谷相互作用Ｄｍと関係づけられる。したがって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。
【０１４８】  図２１ＡからＣに、第１の電流経路１６−１の形状例を示す。図２１Ａは、図３等に示した例と同一である。図２１Ｂに示すように、第１の電流経路１６−１は、楕円、円または長円の一部である端部領域を囲んでよい。図２１Ｃに示すように、第１の電流経路１６−１は、円、四角形、その他の図形を組み合わせた形状の端部領域を囲んでよい。
【０１４９】  図２２は、第１の電流経路１６−１が多層巻コイルの場合を示す。スキルミオン消去時の磁場強度増大用に多層巻コイル構造は有効である。この例以外にも類似の電流経路形状が考えられ、この例に限定するものではない。
【０１５０】  図２３は、複数個のスキルミオンメモリサーキット３０を有するスキルミオンメモリデバイス１００を示す模式図である。図２３から図２５においては、スキルミオンメモリサーキット３０におけるセンサ７２および電流経路１６の表示を省略している。スキルミオンメモリサーキットＮの閉経路形状磁性体１０には多数のスキルミオン４０が矢印の方向に等速で周回している。１チップのメモリデバイスには、図２３に示したスキルミオンメモリサーキットをＮ個形成してよい（Ｎは１以上の整数）。例えば当該メモリデバイスには、図３に示したスキルミオンメモリデバイス１００をＮ個形成してよい。Ｎ個のスキルミオンメモリサーキットにおいて、それぞれのスキルミオンメモリサーキット３０は同一の基板に設けられてよく、独立した基板に設けられてもよい。また、Ｎ個のスキルミオンメモリサーキットに対して、磁場発生部２０は共通に設けられてもよい。Ｎ個のスキルミオンメモリサーキットを、メモリデバイスにおいてｘｙ平面に平行な同一層に形成してよく、ｚ軸方向に積層した複数の層に形成してもよい。
【０１５１】  図２４は、一つのスキルミオンメモリーキット３０がジグザグに折り返すジグザグパターンを有する例を示す模式図である。本例のスキルミオンメモリーキット３０は、図２３に示した複数のスキルミオンメモリーキット３０のように平行に設けられた複数の直線部分と、各直線部分の端部を接続する円弧状の接続部分を有する。隣接する直線部分の上端および下端を交互に接続することで、ジグザグパターンを形成する。本例のスキルミオンメモリーキット３０における閉経路形状磁性体１０は、ジグザグパターンを形成する直線部分および接続部分のそれぞれにおいて、スキルミオン４０の移動方向が反対の経路を形成する。また、ジグザグパターンの両端において、当該２つの経路を接続して１つのループを形成する。本例のようなパターンを用いれば容易に長いスキルミオンメモリサーキットを形成できる。長いスキルミオンメモリサーキット３０を形成することで、１つのスキルミオンメモリサーキット３０に多数のスキルミオン４０を形成することが可能になり、より多くの情報を保存することができる。
【０１５２】  図２５は、コイル状のスキルミオンメモリサーキット３０を示す模式図である。本例のスキルミオンメモリサーキット３０は、ｚ軸方向に螺旋が延びる。本例のスキルミオンメモリサーキット３０における閉経路形状磁性体１０は、図２４の例と同様に、コイルを形成するそれぞれの部分において、スキルミオン４０の移動方向が反対の経路を形成する。また、コイル形状の両端において、当該２つの経路を接続して１つのループを形成する。この場合、３次元的に上方に周回スキルミオンメモリサーキット３０が伸びていくことから、集積度を飛躍的に増加させることができる。
【０１５３】  以上のようにスキルミオンメモリサーキットの形状は各種考えられる。このスキルミオンメモリサーキット形状は、上記の例に限定されないことは明らかである。
【０１５４】  なお、カイラル磁性体での実施例の効果は、定性的にはダイポール系磁性体であっても、またフラストレート磁性体であっても、或いは磁性材料と非磁性材料との積層構造からなる磁性体であっても同様に奏するものである。
【０１５５】  このように、スキルミオンメモリデバイス１００の構造およびシミュレーション結果は、スキルミオン４０の生成、周回転送、消去、加減速および一括消去方法の最適の設計指針を与える。その設計ルールは閉経路形状磁性体１０の磁性を特徴づける磁気交換相互作用Jとスキルミオンサイズλの二つの量で記述できた。各種の磁性材でも共通の設計指針を与えことができたことは、スキルミオン４０を用いたスキルミオンメモリサーキット３０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。
【０１５６】  図２６は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、図１から図２５において説明したスキルミオンメモリデバイス１００を含む。スキルミオンメモリデバイス１１０は、強磁性体層である磁場発生部２０及び磁場発生部２０の上方に形成したスキルミオンメモリサーキット３０を備える。
【０１５７】  本例のスキルミオンメモリサーキット３０は、図３等に示したスキルミオンメモリサーキット３０に対応する。ただし、図２６以降の図においては、電流経路１６およびセンサ７２を省略する場合がある。なお、電流経路１６およびセンサ７２の少なくとも一部分は、図２６等に示す積層構造内に形成してよい。本例のスキルミオンメモリサーキット３０は、磁性体層１６０、磁性体保護層１６５、第１配線層１７０及び第２配線層１７５の順に積層した積層構造を有する。
【０１５８】  磁性体層１６０は、閉経路形状磁性体１０、絶縁体１６１、外周電極１２及び内周電極１４を有する。閉経路形状磁性体１０において、スキルミオン４０を生成及び消去する。絶縁体１６１は、閉経路形状磁性体１０、外周電極１２及び内周電極１４を囲む。閉経路形状磁性体１０、外周電極１２及び内周電極１４は、スキルミオン磁気媒体の基本構造である非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌ）、磁性体（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）及び非磁性体金属（Ｎｏｎｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｅｔａｌ）を連結した構造を有する。当該構造を、略してＮＭＮ構造と称する。磁性体層１６０は、同一層内に複数のＮＭＮ構造を備えてよい。
【０１５９】  磁性体保護層１６５は、磁性体保護膜１６６及び第１ビア１６７を有する。磁性体保護膜１６６は、磁性体層１６０を保護する。第１ビア１６７は、外周電極１２及び内周電極１４に、動作用の電流を供給する。
【０１６０】  第１配線層１７０は、第１配線１７１、第１配線保護膜１７２及び第２ビア１７３を有する。スキルミオンメモリサーキット３０の電極等を、スキルミオンメモリサーキット３０の外部と電気的に接続する。また、第１配線１７１の一部は、電流経路１６として機能してもよい。第１配線保護膜１７２は、第１配線１７１及び第２ビア１７３を形成するための層間絶縁膜として機能する。電流経路用の配線と、非磁性金属に接続する配線の２種類の配線を同一層内で、互いが交差せずに引き回すのは困難である。そのため、第１配線層１７０上に第２配線層１７５を形成してもよい。
【０１６１】  第２配線層１７５は、第２配線１７６及び第２配線保護膜１７７を有する。第２配線１７６を第２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。例えば、第２ビア１７３は、電流経路用の配線と、非磁性金属に接続する配線の２種類の配線のうち少なくとも一方に接続する。
【０１６２】  閉経路形状磁性体１０中に、ドットつき四角形でスキルミオン４０を図示した。第１配線１７１等により形成する電流経路１６に電流を流すことで、閉経路形状磁性体１０中にスキルミオン４０を生成できる。
【０１６３】  図２７は、スキルミオンメモリデバイス１１０の断面構造の他の例を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリデバイス１００及びＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）９０を備える。ＦＥＴ９０が存在しないシリコン基板上にスキルミオンメモリデバイス１００を形成する。
【０１６４】  ＦＥＴ９０は、一般的なシリコンプロセスにより形成する一般的なＦＥＴである。本例のＦＥＴ９０は、２層のＣｕ配線層を有する。また、ＦＥＴ９０は、Ｐ型基板上に形成したＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１及びＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を含むＣＭＯＳ回路を備える。ＦＥＴ９０はスキルミオンメモリサーキット３０の配線をスイッチするために必要である。またＣＭＯＳ回路は磁気センサからの電流を電圧に変換し、電圧増幅回路としても設けてよい。
【０１６５】  図２８は、スキルミオンメモリサーキット３０をｎ層積層したスキルミオンメモリデバイス１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、ｎ＝１２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サーキット３０は、スキルミオンメモリサーキット３０−１からスキルミオンメモリサーキット３０−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サーキット３０は、合計１５０００Åの膜厚を有する。
【０１６６】  図２９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１１０を示す。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリサーキット３０−１からスキルミオンメモリサーキット３０−８までの合計８層のスキルミオンメモリサーキット３０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、磁場発生部２０−１上に、４層のスキルミオンメモリサーキット３０を有する。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリサーキット３０−４とスキルミオンメモリサーキット３０−５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サーキット３０は、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。磁場発生部２０は、スキルミオンメモリサーキット３０の材料等に応じて適当な間隔で配置してよい。
【０１６７】  図３０は、スキルミオンメモリデバイス１００をＣＭＯＳ−ＦＥＴ９０の上層に搭載したスキルミオンメモリデバイス１１０の断面図を示す。スキルミオンメモリデバイス１１０は、スキルミオンメモリデバイス１００及びＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０を備える。ＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０上にスキルミオンメモリデバイス１００を形成する。本例のＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０は、Ｐ型基板上に形成したＰＭＯＳ−ＦＥＴ９１及びＮＭＯＳ−ＦＥＴ９２を有する。
【０１６８】  図３１は、スキルミオンメモリデバイス１１０の一例であるメモリ回路１２０を示す図である。本例のスキルミオンメモリデバイス１１０は、図３に示したスキルミオンメモリサーキット３０を、マトリックス状に複数備える。図３１では、マトリックスの複数の列および行のうち、第ｎ−１列、第ｎ列、第ｍ−１行および第ｍ行のみを示している。
【０１６９】  メモリ回路１２０は、各列に設けた書込み線９３、第１選択線９４およびワード線９５、ならびに、各行に設けた第２選択線９６を備える。また、メモリ回路１２０は、各線毎に設けたスイッチ（８３、８４、８５、８６）を備える。本例において各スイッチはＦＥＴである。
【０１７０】  各列の第１選択線９４は、当該列のスキルミオンメモリサーキット３０のそれぞれの外周電極１２に接続する。それぞれのスキルミオンメモリサーキット３０における外周電極１２は、複数の位置で第１選択線９４と電気的に接続してよい。スイッチ８４は、オン状態になった場合に、対応する列のそれぞれの外周電極１２に所定の電圧を印加する。
【０１７１】  各行の第２選択線９６は、当該行のスキルミオンメモリサーキット３０のそれぞれの内周電極１４に接続する。それぞれのスキルミオンメモリサーキット３０における内周電極１４は、複数の位置で第２選択線９６と電気的に接続してよい。スイッチ８６は、オン状態になった場合に、対応する行のそれぞれの内周電極１４に所定の電圧を印加する。
【０１７２】  スイッチ８４およびスイッチ８６により、任意のスキルミオンメモリサーキット３０を選択することができる。スイッチ８４およびスイッチ８６により選択したスキルミオンメモリサーキット３０の外周電極１２および内周電極１４の間には所定の電流が流れる。これにより、閉経路形状磁性体１０に存在する多数のスキルミオン４０は、一定の間隔を維持しつつ、一定の速度で閉経路形状磁性体１０を周回する。これにより、任意のスキルミオンメモリサーキット３０を選択して、スキルミオン４０を転送できる。
【０１７３】  書込み線９３は、それぞれの列のスキルミオンメモリサーキット３０の第１の電流経路１６−１を直列に接続する。つまり、一つのスキルミオンメモリサーキット３０に配線した書込み線９３は、他のスキルミオンメモリサーキット３０に配線した書込み線９３と共通の線である。スイッチ８３は、オン状態になった場合に、対応する列の書込み線９３に所定の書込み電流パルスを流す。つまり、直列に接続されたそれぞれの第１の電流経路１６−１に、書込み電流パルスが流れる。
【０１７４】  これにより、当該列のそれぞれのスキルミオンメモリサーキット３０には、スキルミオン４０が発生する。まず、書き込みに必要な複数のスキルミオンメモリサーキット３０の列の第１の電流経路１６−１に電流を印可する。選択された複数のスキルミオンメモリサーキット３０の列に１個のスキルミオン４０が発生する。このスキルミオン４０はデータの先頭を示すヘッダパターンである。このヘッダパターンは複数のスキルミオン４０であってもよい。
【０１７５】  次に、データを書き込みたいスキルミオンメモリサーキット３０を、スイッチ８４およびスイッチ８６を用いて選択する。スキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０を周回し始める。ヘッダパターンを示すスキルミオンが第１の電流経路１６−１を通過した後、データパターンに応じたタイミングで書込み電流パルスを流す。ヘッダパターンを先頭に付加して、データパターンに応じたスキルミオン４０のパターンを、閉経路形状磁性体１０に発生させることができる。
【０１７６】  これにより、データを書き込みたいスキルミオンメモリサーキット３０における全てのスキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０を周回する。データパターンに応じたタイミングで書込み電流パルスを流すことで、データパターンに応じたスキルミオン４０のパターンを、閉経路形状磁性体１０に発生させることができる。
【０１７７】  なお、データを書き込まないスキルミオンメモリサーキット３０の外周電極１２および内周電極１４の間には電流を流さない。このため、当該スキルミオンメモリサーキット３０のヘッダパターンのスキルミオン４０は、閉経路形状磁性体１０上を移動しない。この状態で、データパターンに応じて順次電流パルスが印加されても、当該スキルミオンメモリサーキット３０にはスキルミオン４０が発生しない。このため、データを書き込まないスキルミオンメモリサーキット３０には、データパターンに応じたスキルミオン４０は発生しない。
【０１７８】  なお、ヘッダパターンを消去してもよい。データを書き込むために選択した列のヘッダパターンの先頭のスキルミオン４０を第１の電流経路１６−１に位置するようにスイッチ８４およびスイッチ８６を用いて選択し電流を印可する。ヘッダパターンであるスキルミオン４０を第１の電流経路１６−１に小さい電流パルスで消去できる。複数のヘッダパターンを示す複数のスキルミオンであってもよい。
【０１７９】  このような構成により、任意のスキルミオンメモリサーキット３０に、任意のデータパターンを書き込むことができる。なお、メモリ回路１２０は、ＮＡＮＤフラッシュメモリと同様に、１つの書込み線９３および１つのスイッチ８３を用いて、スキルミオンメモリサーキット３０の多数のビット位置にデータを書き込むことができる。更に、１つの書込み線９３および１つのスイッチ８３を用いて、多数のスキルミオンメモリサーキット３０にデータを書き込むことができる。
【０１８０】  ワード線９５は、それぞれの列のスキルミオンメモリサーキット３０のセンサ７２を直列に接続する。つまり、一つのスキルミオンメモリサーキット３０に配線したワード線９５は、他のスキルミオンメモリサーキット３０に配線したワード書線９５と共通の線である。本例のセンサ７２は、ＴＭＲ素子を有する。本例では、各段のスキルミオンメモリサーキット３０における外周電極１２が、次段のＴＭＲ素子に接続することで、それぞれのセンサ７２が直列に接続する。また、ワード線９５は、読出回路９８に接続する。スイッチ８５は、オン状態になった場合に、対応する列のワード線９５に所定の電圧を印加する。読出回路９８は、ワード線９５に流れる電流を測定する。
【０１８１】  センサ７２に対応する位置にスキルミオン４０が存在する場合、ＴＭＲ素子の抵抗値が大きくなり、読出回路９８が検出する電流が小さくなる。本例では、複数のＴＭＲ素子が直列に接続されるので、読出回路９８が検出した電流に対応する抵抗値は、複数のＴＭＲ素子の抵抗値の和になる。
【０１８２】  本例では、データを読み出すスキルミオンメモリサーキット３０をスイッチ８４およびスイッチ８６により選択する。これにより、データを読み出すスキルミオンメモリサーキット３０の全てのスキルミオン４０が、閉経路形状磁性体１０を周回する。一方で、データを読み出さないスキルミオンメモリサーキット３０の外周電極１２および内周電極１４の間には電流を流さない。このため、当該スキルミオンメモリサーキット３０におけるスキルミオン４０は移動しない。
【０１８３】  このような状態で、読出回路９８により、ワード線９５に流れる電流の時間変化を検出する。当該時間変化が、選択したスキルミオンメモリサーキット３０におけるスキルミオン４０の配列パターンに対応する。なお、選択していないスキルミオンメモリサーキット３０のスキルミオン４０は移動しない。このため、データを読み出す場合、選択していないスキルミオンメモリサーキット３０のスキルミオン４０の配列パターンは、電流変化に影響を与えない。従って、選択したスキルミオンメモリサーキット３０のデータを読み出すことができる。
【０１８４】  このような構成により、任意のスキルミオンメモリサーキット３０からデータパターンを読み出すことができる。１つのワード線９５および１つのスイッチ８５を用いて、スキルミオンメモリサーキット３０の多数のビット位置からデータを読み出すことができる。更に、１つのワード線９５および１つのスイッチ８５を用いて、多数のスキルミオンメモリサーキット３０からデータを読み出すことができる。スキルミオンメモリサーキット３０は、シフトレジスタ機能をもつメモリとして用いてもよい。
【０１８５】  また、各スキルミオンメモリサーキット３０におけるスキルミオン４０を消去する場合、第１選択線９４および第２選択線９６の間に所定の電流密度の一括消去用の電流を印加する。これにより、スイッチ８４およびスイッチ８６により選択したスキルミオンメモリサーキット３０の全てのスキルミオン４０を一括消去する。メモリ回路１２０は、スキルミオン消去用に配線を追加する必要がない。これも、フラッシュメモリの仕様と同じである。なお、複数のスキルミオンメモリサーキット３０を同時に選択して、スキルミオン４０を一括消去してもよい。一括消去の時間は１ナノ秒程度で高速である。
【０１８６】  なお、図３１の例では、第１選択線９４が外周電極１２に接続し、第２選択線９６が内周電極１４に接続している。これに対して、第１選択線９４が内周電極１４に接続し、第２選択線９６が外周電極１２に接続してもよい。
【０１８７】  以上のように、メモリ回路１２０は、メモリ機能を実現するのに必要な配線数を大幅に低減できる。例えば、１個のスキルミオンメモリサーキット３０に対して、４本の配線数（書込み線９３、第１選択線９４、ワード線９５および第２選択線９６）を設ければよい。また、配線用スイッチも、１個のスキルミオンメモリサーキット３０に対して４個でよい。また、スキルミオンメモリサーキット３０をマトリクス状に配置する場合、各列に対して書込み線９３、第１選択線９４およびワード線９５を設ければよく、各行に対して第２選択線９６を設ければよい。
【０１８８】  １個のスキルミオンメモリサーキット３０が記憶する情報は数Ｋビット程度であってよい。すなわち、４本の配線数と４個のＦＥＴ数で、数Ｋビットの情報を記憶するメモリ機能を実現できる。スキルミオンメモリサーキット３０を用いたメモリ回路を、ＮＡＮＤ型ＦＥＴメモリと比較する。現在、ＮＡＮＤ型ＦＥＴメモリは、実用に供しているメモリである。
【０１８９】  ＮＡＮＤ型ＦＥＴメモリはソース、ドレインをもつ変形ゲートＦＥＴ構造をもつメモリである。変形ゲート構造のＦＥＴの所定の特定の１列の書き込み、読み出し用の配線はビット線１本でよい。しかし、ＮＡＮＤ型メモリは変形ゲートＦＥＴを選択するワード線は各変形ゲートＦＥＴに１本必要である。いま、１ＫビットメモリをＮＡＮＤ型メモリで実現する場合、ＮＡＮＤ型メモリを３２×３２でマトリックス配列する。
【０１９０】  セル選択用の配線数は縦列（ビット線）と横列（ワード線）にそれぞれ必要であるから６２本となる。１本のビット線でデータ書込み、読み込みができることがＮＡＮＤ回路の優れた特徴である。これに対して１Ｋビットメモリを１個のスキルミオンメモリサーキット３０で実現する場合、書き込み線１本、読み込み線１本、選択線２本の計４本でよい。スイッチするＦＥＴ個数も４個でよい。
【０１９１】  したがって、スキルミオンメモリサーキット３０はＮＡＮＤ型ＦＥＴメモリに対して２５０分の１に削減できる。集積度を格段に向上させることができる。１Ｋビットメモリを複数個のスキルミオンメモリサーキット３０で構成してもよい。この場合でも配線数においてＮＡＮＤ型メモリより大きな優位性を確保できる。さらに、前述したようにスキルミオンメモリサーキット３０のデータの書き込み、読み込み線は複数のスキルミオンメモリサーキット３０と共用できる。このことからさらに、スキルミオンメモリデバイスはＮＡＮＤ型メモリよりさらに配線数、ＦＥＴ数を大幅に削減でき、高集積化に大きく寄与できる。
【０１９２】  スキルミオンメモリデバイス１００は、書込み時間は１ナノ秒以下である。データ消去において、１ナノ秒程度である。また複数のスキルミオンサーキットを一括消去に要する時間は１ナノ秒程度である。現在、実用に供しているＮＡＮＤ型フラッシュメモリと同じ一括消去機能も有する。しかし、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの書込み、消去に要する時間はマイクロ秒程度の時間を要する。スキルミオンメモリデバイス１００は書込み、消去の時間の３桁以上高速化が可能となる。また、読み込み速度がＴＭＲ素子の場合、数ナノ秒程度であり、高速読み込みも可能である。
【０１９３】  一方、１つのスキルミオン４０を保持するスキルミオンメモリセルを用いる場合は、各スキルミオンメモリセルに１ビットの情報を記憶する。各スキルミオンメモリセルにおけるスキルミオン４０の有無が１ビットの情報となる。
【０１９４】  １ＫビットＲＡＭを実現する場合、１ビットのスキルミオンメモリセルを３２×３２でマトリックス配列すると、セル選択用の配線数は縦列と横列にそれぞれ必要であるから６２本となる。また、センサ用の配線も、行および列のどちらかに少なくとも１本必要であるから、合計９４本の配線数となる。
【０１９５】  これらの配線のオンオフを制御するＦＥＴスイッチも９４個必要となる。１Ｋビットの情報を記憶できるスキルミオンメモリサーキット３０は、４本の配線および４個のスイッチで回路を構成できる。つまり、１ビットのスキルミオンメモリセルを用いると、１Ｋビットのスキルミオンメモリサーキット３０に比べて配線およびスイッチが２３倍程度必要である。この配線数とＦＥＴ数の差異は、スキルミオンメモリサーキット３０に発生可能なスキルミオン数を増大させると、さらに広がる。
【０１９６】  つまり、スキルミオンメモリサーキット３０を用いると、メモリ回路１２０の集積度を大幅に向上することができる。なお、スキルミオンメモリサーキット３０は、ＲＡＭのようにランダムにアドレスを選んでビット情報を読む場合、該当箇所のスキルミオン４０をセンサ７２の位置まで周回転送しなければならないが、例えばシフトレジスタ等のように、連続してデータを読み出す場合、周回転送の時間を省略できる。このため、スキルミオンメモリサーキット３０は、シフトレジスタ用のメモリとして特に有用である。
【０１９７】  なお、メモリ回路１２０は、多ビットを並列に処理する場合に特に有効である。たとえば、８ビットの情報の各ビットを同時に処理する場合、８本の第１選択線９４を同時に選択する。また、いずれかの第２選択線９６を選択する。これにより、８個のスキルミオンメモリサーキット３０を選択できる。そして、８本の書込み線９３に対して８ビットの情報を入力することで、８ビットの情報の各ビットを並列に書き込むことができる。また、さらに８ビットの情報を書き込む場合、次の第２選択線９６を選択してもよいし、第２選択線９６を変更せずに、スキルミオン４０を周回させてもよい。
【０１９８】  また、スキルミオンメモリサーキット３０は、スキルミオン４０の生成および消去を何度実施しても劣化しない。スキルミオン４０の生成および消去において、電子などの移動をまったく伴わないことからである。このため、スキルミオンメモリサーキット３０は、情報の書き込みおよび消去回数の制限がない。すなわち、エンデユランス（耐久性）無限大である。
【０１９９】  また、スキルミオンメモリサーキット３０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。局所的な強力磁場を印加しない限り、一度発生したスキルミオン４０は消えることなく安定して存在する。一般に磁性体をナノサイズ程度に微小化すると磁性体の磁気モーメントは熱擾乱を受ける。１０年以上のメモリ保持を要求されるＬＳＩにおいてはこの磁気モーメントの熱擾乱耐性は極めて重要な解決すべき課題となる。スキルミオンメモリサーキット３０は、閉経路形状磁性体１０の下部に外部印加磁化膜（磁場発生部２０）を設ける。磁場発生部２０における垂直磁化膜の磁気モーメントは、２次元面で数μ２から数ｍｍ２の大きな面積で敷設する。磁場発生部２０の磁化膜の磁気モーメントが熱擾乱を受けて磁気モーメントが反転することはない。
【０２００】  したがって磁場発生部２０の磁気モーメントから発生する磁界は熱揺らぎの影響を受けることはないので、生成したスキルミオン４０はこの磁界ポテンシャルに守られその磁気モーメントを保持できる。この二つの特徴は、たとえば、高電圧印加による電子注入や抜き取りに伴う酸化膜の劣化による、フラッシュメモリ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。ＭＲＡＭにおけるナノサイズ磁性体の磁気モーメントの熱擾乱耐性の劣化に対しても有効である。特許文献１におけるレイストラックも実装上においては、上記の深刻な問題が発生する。
【０２０１】  図３２は、スキルミオンメモリデバイス搭載固体電子デバイス２００の構成例を示す模式図である。スキルミオンメモリデバイス搭載固体電子デバイス２００は、スキルミオンメモリデバイス１００と、固体電子デバイス２１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１００に代えてスキルミオンメモリデバイス１１０を備えてもよい。固体電子デバイス２１０は、例えば中央演算処理デバイスとして機能する。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリデバイス１００と同一チップ内に形成されてよい。スキルミオンメモリデバイス１００および１１０は、図１から図３１において説明したスキルミオンメモリデバイス１００および１１０である。固体電子デバイス２１０は、例えばＣＭＯＳ―ＦＥＴデバイスである。固体電子デバイス２１０は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０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１００または１１０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。
【０２０２】  図３３は、データ記録装置３００の構成例を示す模式図である。データ記録装置３００は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０と、入出力装置３１０とを備える。データ記録装置３００は、例えばハードディスク置き換えのメモリデバイス、または、ＵＳＢメモリ等のメモリデバイスである。入出力装置３１０は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０への外部から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１００または１１０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。
【０２０３】  スキルミオン４０によるビット情報は、磁気モーメントを誘起可能な閉経路形状磁性体１０を記憶媒体としつつ、電流で誘起された磁場により直接書き込み、消去可能である。本明細書で示したスキルミオンメモリデバイス１００または１１０の記録方法は、大容量磁気メモリであるハードディスク等の電子機器のモーター駆動の負荷をなくすことができるばかりでなく、超高速の書き込みや消去が可能となる。このため、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０は、将来的には、現在のハードディスク等の大規模データ記録装置に置き換わる可能性が大きい。また、電気的な情報の書き込みや消去を行うことができるフラッシュメモリにおいて、特に近年における大容量の記録容量が求められつつある中、スキルミオン４０を適用したスキルミオンメモリサーキット３０は多くの優位性を発揮することが可能となる。
【０２０４】  プロセッサ４１０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４１０は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０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１００または１１０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。
【０２０５】  図３４は、データ処理装置４００の構成例を示す模式図である。データ処理装置４００は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０と、プロセッサ４１０とを備える。スキルミオンメモリデバイス１００または１１０は、ＣＰＵ機能を構成するＣＭＯＳ‐ＦＥＴ９０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デバイス１００または１１０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。
【０２０６】  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デバイス１００または１１０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４０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。
【０２０７】  スキルミオン４０は、これに割り当てるべきビット情報を電気的に書き込み、消去可能である。そして、このスキルミオン４０に係るビット情報の書き込み時間や消去時間も、ナノ秒程度で実現することができる。このようなスキルミオン４０による高速大規模不揮発性メモリが実現は、現在において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。
【０２０８】  特にスキルミオン４０を適用したスキルミオンメモリサーキット３０は、磁気モーメントを記録手段として用いるものであるから、記録を消去して書き込みを行う、いわゆる書き換えが何度でも可能となる。また、磁気モーメントを記録手段として用いるものであるから、記録保持状態を長く安定した状態で保持することができる。スキルミオン４０を適用したスキルミオンメモリサーキット３０は、書き込みや消去の動作時間を極力短縮化することができ、その時間はサブナノ秒まで短縮化することができる。その結果、現在のＤＲＡＭ以上の書き込みや消去の高速動作を実現させることが可能となる。また、このようなスキルミオンメモリデバイス１００または１１０をＰＣなどの電子機器に適用することで、その使用環境を格段に向上させることが可能となる。
【０２０９】  具体的には、電子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、応答速度の向上を実現することができ、快適な使用環境をユーザに提供することが可能となる。このスキルミオンメモリデバイス１００または１１０を適用した電子機器における電力の省力化も実現できることから、搭載電池の長寿命化が実現できる。これはスキルミオンメモリデバイス１００または１１０を適用するモバイル電子機器において、さらに画期的な仕様をユーザ側に提供することが可能となる。ちなみに電子機器としては、パーソナルコンピュータ、画像記録装置等を始め、いかなるものであってもよい。
【０２１０】  図３５は、通信装置５００の構成例を示す模式図である。通信装置５００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５００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５００は、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０と、通信部５１０とを備える。
【０２１１】  通信部５１０は、通信装置５００の外部との通信機能を有する。通信部５１０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５１０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１００または１１０に書き込む機能、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０から読み出したデータを外部に送信する機能、および、スキルミオンメモリデバイス１００または１１０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。
【０２１２】  またスキルミオンメモリデバイス１００または１１０をデジタルカメラ等の電子機器に適用することで、動画を大容量に亘り記録することが可能となる。またスキルミオンメモリデバイス１００または１１０を４Ｋテレビジョン受像機等の電子機器に適用することで、その画像記録の大容量化を実現することが可能となる。その結果、テレビジョン受像機において外付けハードディスクの接続の必要性を無くすことが可能となる。またスキルミオンメモリデバイス１００または１１０は、ハードディスクをはじめとしたデータ記録装置に適用される場合に加え、データ記録媒体として具体化されるものであってもよい。
【０２１３】  また自動車用のナビゲーションシステム等の電子機器に対してもこのスキルミオンメモリデバイス１００または１１０を適用することでさらに高機能化を実現することが可能となり、大量の地図情報も簡単に記憶可能となる。
【０２１４】  またスキルミオンメモリデバイス１００または１１０は、自走装置、飛行装置、宇宙空間飛行装置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。即ち、飛行装置の複雑な制御処理、天候情報処理、高精細の画質からなる映像の提供による乗客用のサービスの充実、さらには宇宙飛行装置の制御や観察した画像情報の膨大な記録情報を記録し、人類に多くの知見をもたらす。
【０２１５】  このスキルミオンメモリデバイス１００または１１０は高速大規模不揮発性メモリとして、我々の生活環境に多大の貢献を担うメモリとして、その可能性をもつメモリである。
【０２１６】  本発明で開示した、多数のスキルミオンを使ったスキルミオンメモリであるスキルミオンメモリサーキットは、ナノスケールの磁気構造のスキルミオンが閉経路形状の磁性体中を周回転送するためスキルミオン生成部の個数やセンサの個数が大幅に省略できる特徴を有する。さらに、スキルミオンメモリサーキットは情報を担うスキルミオンを順次転送するマグネチックシフトレジスタとしての特徴を有する。したがって、大容量情報記憶媒体としての応用が期待され、エレクトロニクスデバイスのメモリデバイスとして重要である。
【符号の説明】
【０２１７】１・・・マグネチックシフトレジスタ、２・・・磁気センサ、１０・・・閉経路形状磁性体、１２・・・外周電極、１４・・・内周電極、１６・・・電流経路、２０・・・磁場発生部、３０・・・スキルミオンメモリサーキット、４０・・・スキルミオン、５０・・・電流経路用電源、５２・・・電源、７０・・・測定部、７２・・・センサ、８３、８４、８５、８６・・・スイッチ、９０・・・ＦＥＴ、９１・・・ＦＥＴ、９２・・・ＦＥＴ、９３・・・書込み線、９４・・・第１選択線、９５・・・ワード線、９６・・・第２選択線、９８・・・読出回路、１００・・・スキルミオンメモリデバイス、１１０・・・スキルミオンメモリデバイス、１２０・・・メモリ回路、１６０・・・磁性体層、１６１・・・絶縁体、１６５・・・磁性体保護層、１６６・・・磁性体保護膜、１６７・・・第１ビア、１７０・・・第１配線層、１７１・・・第１配線、１７２・・・第１配線保護膜、１７３・・・第２ビア、１７５・・・第２配線層、１７６・・・第２配線、１７７・・・第２配線保護膜、２００・・・スキルミオンメモリデバイス搭載固体電子デバイス、２１０・・・固体電子デバイス、３００・・・データ記録装置、３１０・・・入出力装置、４００・・・データ処理装置、４１０・・・プロセッサ、５００・・・通信装置、５１０・・・通信部
【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】
2016002806.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
2016002806.tif 000022
【図１５】
2016002806.tif 000023
【図１６】
2016002806.tif 000024
【図１７】
2016002806.tif 000025
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2016002806.tif 000028
【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
2016002806.tif 000030
【図２１Ｃ】
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【図２２】
2016002806.tif 000032
【図２３】
2016002806.tif 000033
【図２４】
2016002806.tif 000034
【図２５】
2016002806.tif 000035
【図２６】
2016002806.tif 000036
【図２７】
2016002806.tif 000037
【図２８】
2016002806.tif 000038
【図２９】
2016002806.tif 000039
【図３０】
2016002806.tif 000040
【図３１】
2016002806.tif 000041
【図３２】
2016002806.tif 000042
【図３３】
2016002806.tif 000043
【図３４】
2016002806.tif 000044
【図３５】
2016002806.tif 000045
【図３６】
2016002806.tif 000046
【国際調査報告】
2016002806.tif 000047
2016002806.tif 000048
2016002806.tif 000049
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