(57)【要約】  磁気センサを、(1)強磁性絶縁体と、(2)前記強磁性絶縁体の第１の領域に積層される第１の非磁性絶縁体と、前記第１の非磁性絶縁体に積層される第１の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第１の強磁性金属との間に電圧を印加する電源とを有するスピン波生成部と、(3)前記強磁性絶縁体の第２の領域に積層される第２の非磁性絶縁体と、前記第２の非磁性絶縁体に積層される第２の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第２の強磁性金属の間に発生する電圧を検出する電圧計とを有するスピン波検出部とで構成する。
2016084127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性絶縁体と、
前記強磁性絶縁体の第１の領域に積層される第１の非磁性絶縁体と、前記第１の非磁性絶縁体に積層される第１の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第１の強磁性金属との間に電圧を印加する電源とを有するスピン波生成部と、
前記強磁性絶縁体の第２の領域に積層される第２の非磁性絶縁体と、前記第２の非磁性絶縁体に積層される第２の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第２の強磁性金属の間に発生する電圧を検出する電圧計とを有するスピン波検出部と
を有する磁気センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサにおいて、前記強磁性絶縁体を流れる電流が1μA以下である、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気センサにおいて、前記スピン波生成部と前記スピン波検出部はスピン波の伝搬方向に10μm以上離れている、ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気センサにおいて、前記スピン波検出部で検出される電圧を前記スピン波生成部の前記電源にフィードバックするフィードバック線路を更に有する、ことを特徴とする磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン波を伝播する導波路を利用した磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子は、電気伝導を担う電荷に加え、磁性を担うスピンを有している。近年、電子の電荷を活用したエレクトロニクス素子に加え、スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス素子の開発に注目が集まっている。例えばスピンの注入に用いるトンネル磁気抵抗素子（スピン注入素子）が提案されている。【０００３】
非特許文献１には、スピン波導波路に用いる「強磁性金属」の上面に、絶縁体、強磁性金属を順に積層した構造のトンネル磁気抵抗素子が記載されている。また、同文献には、強磁性金属とスピン波導波路（強磁性金属）との間に電界を印加すると、強磁性体であるスピン波導波路の磁気異方性が変化することが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Yamada, K. Miura, O. Rousseou, Y. Fukuma, S. Ogawa and Y. Otani, in Digest of 58th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Denver, Colorado 4-8 November, 2013, AC-09
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したように、非特許文献１に記載のトンネル磁気抵抗素子は、電界の印加による磁性体の磁気異方性の制御によりスピン波を生成できるため、「スピン波生成部」として使用することができる。また、スピン波導波路のスピン波生成部とは異なる部位にトンネル磁気抵抗効果を検出するトンネル磁気抵抗素子を設けることで、磁気センサを形成することができる。トンネル磁気抵抗効果の検出に使用されるトンネル磁気抵抗素子の形成部位を「スピン検出部」と呼ぶ。【０００６】
ところが、このように非特許文献１に記載の積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子を用いて磁気センサを構成すると、スピン波導波路に金属が用いられているため、異方性制御のための電界の印加時やスピン波生成のためのスピン波の注入時に、スピン波導波路に電流が流れてしまう。この電流は、トンネル磁気抵抗効果に対してノイズ源となる。また、電流が流れるとジュール熱によりスピン波導波路が発熱し、一部のエネルギーの散逸が生じる。【０００７】
本発明は、異方性制御のための電界印加時やスピン波生成のためのスピン波注入時にも、ノイズと消費電力が少なく済むスピン波導波路を用いた磁気センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記解題を解決するために、代表的な発明の一つである磁気センサは、(1)強磁性絶縁体と、(2)前記強磁性絶縁体の第１の領域に積層される第１の非磁性絶縁体と、前記第１の非磁性絶縁体に積層される第１の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第１の強磁性金属との間に電圧を印加する電源とを有するスピン波生成部と、(3)前記強磁性絶縁体の第２の領域に積層される第２の非磁性絶縁体と、前記第２の非磁性絶縁体に積層される第２の強磁性金属と、前記強磁性絶縁体と前記第２の強磁性金属の間に発生する電圧を検出する電圧計とを有するスピン波検出部とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スピン波導波路に電流がほとんど流れずに済み、低ノイズかつ低消費電力の磁気センサを提供することができる。上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の磁気センサの構成例を示す模式図。
【図２】スピン波検出部で検出された信号をスピン波生成部にフィードバックする磁気センサの構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の態様は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。
【００１２】
［実施例１］
［磁気センサの構成］
図１に、実施例１に係る磁気センサの構成例を示す。本実施例の磁気センサは、強磁性絶縁体１０と、スピン波を生成させるための電流を流すスピン波発生電源２０と、情報の読み出しに用いられるスピン波検出電圧計３０とを備える。強磁性絶縁体１０は、板状、棒状、柱状などの形状を有する。強磁性絶縁体１０の表面の第１の領域には、絶縁体１１及び強磁性金属１２が下層から順に積層され、スピン波発生電源２０と共にスピン波生成部２５を構成する。
【００１３】
スピン波発生電源２０は、絶縁体１１を介して接合された強磁性金属１２に交流電圧を印加することにより、絶縁体１１との界面近傍の強磁性絶縁体１０の磁気異方性を変化させ、強磁性絶縁体１０にスピン波を生成させる。さらに、上記印加電圧により、強磁性金属１２からスピン分極した電子が強磁性絶縁体１０に注入される。強磁性金属１２から注入された電子のスピン角運動量が、強磁性絶縁体１０に受け渡されることにより、強磁性絶縁体１０のスピンにトルクが働く。このトルクが、強磁性絶縁体１０の界面近傍における磁気異方性の変化したスピンに作用することにより、スピン波が生成される。
【００１４】
以下、スピン波の導波路として、強磁性絶縁体１０を用いる効果を、同導波路に強磁性金属を用いる場合と比較して説明する。
【００１５】
スピン角運動量の受け渡しによるスピンに作用するトルクは、いわゆるスピントランスファートルクである。絶縁体１１を挟む磁性体が金属で構成される磁性トンネル接合である場合（従来例）、磁性トンネル接合に十分な大きさの電流を流すことができる（十分な大きさのスピンを注入することができる）ので、そのスピントランスファートルクにより一方の強磁性金属の磁化を反転することができる。
【００１６】
一方、強磁性絶縁体１０の場合（実施例）、マクロには電流がほぼ流れず、界面に電場を誘起する（静電誘導）のに留まる。本実施例の場合、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体１０の材料には、例えばYIG（イットリウム鉄ガーネット）を使用する。YIGの磁気異方性は、約−600J/ｍ3である。この磁気異方性の値は、Co薄膜（従来例）の約1000分の１である。従って、静電誘導によっても、強磁性絶縁体１０の磁気異方性は十分に変化させることができる。なお、YIGは、電界効果による磁気異方性の制御に必要な印加電圧の低減にも適している。
【００１７】
前述したように、強磁性絶縁体１０には、マクロには電流がほぼ流れない。しかし、抵抗は有限値であるため、スピン波発生部２５の電流経路上には僅かながら電流（1μA以下）が流れる。つまり、スピン分極した電流が、強磁性金属１２から絶縁体１１を介して強磁性絶縁体１０に流れ、スピン注入が起こる。電流値が小さくても効率的にスピン注入を行うには、例えば強磁性金属１２にCoFeBを用い、絶縁体１１にMgOを用いることが望ましい。また、スピン注入により、強磁性絶縁体１０に効率的にスピン波を発生するには、強磁性金属１２と強磁性絶縁体１０の磁化がそれぞれ直交するよう設定することが望ましい。目的が磁化反転ではなく、スピン波の誘起であれば、強磁性絶縁体１０の薄膜を流れる電流値で十分である。
【００１８】
強磁性絶縁体１０の表面の第２の領域（第１の領域とは異なる）には、絶縁体１１及び強磁性金属１２が下層から順に積層され、スピン波検出電圧計３０と共にスピン波検出部４０を構成する。スピン波検出電圧計３０は、スピン波の伝播検出用であり、磁気抵抗効果により強磁性金属１２と強磁性絶縁体１０の間で磁化の相対向きを検出する。上述したように、強磁性絶縁体１０においてもスピン波検出部４０の電流経路上には僅かな電流が流れることが可能である。センス電流を流すことで、スピン波の伝播により強磁性絶縁体１０における磁化の方向変化を磁気抵抗効果により検出することができる。
【００１９】
［まとめ］
本実施例に係る磁気センサは、アンテナが不要である。このため、スピン波生成部２５とスピン波検出部４０を微小領域内に配置した磁気センサを実現することができる。また、本実施例に係る磁気センサでは、スピン波導波路にマクロ的に電流が流れないためジュール熱の発生が無く、ノイズが少ない磁気センサを実現することができる。また、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体１０の磁気異方性は従来例に比して格段に小さく、磁気異方性の制御に必要な印加電圧が小さく済み、消費電力が小さい磁気センサを実現することができる。また、本実施例に係る磁気センサは、スピン波の減衰が小さく済むため、スピン波の到達距離を長くすることができる。
【００２０】
［実施例２］
［磁気センサの構成］
図２に、実施例２に係る磁気センサの構成例を示す。本実施例の磁気センサの基本構成は、実施例１に係る磁気センサと同じである。違いは、本実施例に係る磁気センサでは、スピン波検出部４０で検出される電圧をスピン波生成部２５にフィードバックして、一定周波数のスピン波を生成する機能を設け、フィードバック電圧の変化により外部磁場を読み出す点である。このため、本実施例に係る磁気センサには、フィードバック線路が設けられている。
【００２１】
典型的な強磁性体のスピン歳差運動の時間スケールは、交換相互作用の大きさで決まり、約１GHｚ、大きくても10GHｚ程度である。この歳差運動をベースとし、スピン波生成電源２０に交流電源を用いて強磁性共鳴を引き起こす周波数を与えると、共鳴的なスピン波が生成される。このとき、スピン波検出部４０の付近の強磁性絶縁体１０は、外部磁場に晒され、上記共鳴周波数が外部磁場により変調される。この変調は、スピン波検出電圧計３０により読み取ることができる。
【００２２】
そこで、スピン波検出電圧計３０には、常に一定周波数のスピン波を生成させるためのフィードバック機能が設けられる。具体的には、スピン波検出電圧計３０で検出された電圧をスピン波生電源２０に与えるフィードバック線路を設ける。このフィードバック機能を利用し、本実施例に係る磁気センサは、外部磁場の大きさを検出する。
【００２３】
磁気センサを構成するスピン波生成部２５とスピン波検出部４０は、スピン波導波路を構成する強磁性絶縁体１０の表面に沿って空間的に隔てられているが、その隔たりはスピン波の到達距離に応じて10μm〜100μm程度に設定すれば良い。この距離は、実施例１の磁気センサについても同様である。
【００２４】
［まとめ］
本実施例によれば、フィードバック線路の搭載により、外部磁場の大きさを検出可能な磁気センサを提供することができる。
【００２５】
［他の実施例］
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、強磁性絶縁体の材料として、ガーネット類（例えばY_3(Fe,Al)_50_12、Y_3(Fe,Ga)_50_12）、又は、スピネルフェライト（例えばAFe_20_4（A=Mn, Ni, Cu, Zn）、又は、ランタンマンガン酸化物（La_2NiMnO_6、La_2CoMnO_6）を用いても良い。
【符号の説明】
【００２６】
１０  スピン波導波路
１１  非磁性絶縁体
１２  強磁性金属
２０  スピン波発生電源
２５  スピン波生成部
３０  スピン波検出電圧計
４０  スピン波検出部
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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