(57)【要約】【課題】高速・高密度の磁気記録とその消去を可能にする磁気記録消去法及び磁気記録消去装置を提供する。【解決手段】磁気記録を担う磁性体(1)と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体(2)とを含む磁区(I)の磁化反転を行う磁気記録消去法であって、被照射体(2)に、波長が１μｍ以下の円偏光(L)を照射することによって、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて、磁区(I)の磁化反転を行うことを特徴とする磁気記録消去法とする。【選択図】図１
2008165933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去法であって、
前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射することによって、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて、前記磁区の磁化反転を行うことを特徴とする磁気記録消去法。
【請求項２】
前記磁区の磁化反転は、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて前記第２電子帯に偏ったスピン分布を誘起することで、前記磁性体のスピンを反転させることにより行う請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項３】
前記円偏光は、パルス光である請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項４】
前記パルス光は、円偏光パルスレーザー、円偏光放射光パルス及び円偏光パルス自由電子レーザーから選ばれる少なくとも１つである請求項３に記載の磁気記録消去法。
【請求項５】
前記被照射体は、フェロ強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体及び希薄磁性半導体から選ばれる少なくとも１つである請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項６】
前記第１電子帯と前記第２電子帯とのエネルギーの差に応じて、前記円偏光の波長を変更する請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項７】
前記第１電子帯の電子のうち、前記磁性体のスピンとは逆向き又は同じ向きのスピンの電子を選択的に励起する請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項８】
外部定常磁場により、前記磁性体のスピンを不安定化した上で、前記被照射体に前記円偏光を照射する請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項９】
外部パルス磁場により、前記磁性体のスピンを不安定化した上で、前記被照射体に前記円偏光を照射する請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項１０】
前記磁性体の温度を制御することにより、前記磁性体のスピンを不安定化した上で、前記被照射体に前記円偏光を照射する請求項１に記載の磁気記録消去法。
【請求項１１】
前記磁性体にパルス光を照射することにより、前記磁性体の温度を制御する請求項１０に記載の磁気記録消去法。
【請求項１２】
磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去装置であって、
前記磁区を保持する保持手段と、
前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射する照射手段とを含むことを特徴とする磁気記録消去装置。
【請求項１３】
前記保持手段は、磁場印加機構を有する請求項１２に記載の磁気記録消去装置。
【請求項１４】
前記保持手段は、前記磁性体の温度を制御する温度制御機構を有する請求項１２に記載の磁気記録消去装置。
【請求項１５】
前記磁気記録を読み出す読み出し手段を更に含む請求項１２に記載の磁気記録消去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光による磁気記録消去法及び磁気記録消去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速磁気記録消去法としてパルス磁場を用いる手法が知られている。さらに超高速性を求めて、最近、円偏光のフェムト秒レーザーパルスを用いた逆Faraday効果による
手法が見出されている（非特許文献１参照）。しかしながら１パルスの円偏光レーザーにより励起される磁化は数psの周期で振動しており、スピンの歳差運動を励起していると考えられるものの、磁化反転現象は報告されていない。一方で高速磁気記録読み出しについての基礎技術としては光電子顕微鏡（Photoelectron  Emission  Microscope：PEEM）を
用いた方法が知られている。
【非特許文献１】A.V.Kimel et al., Nature 435,655-657(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の磁気記録の実用技術では、微小な磁気ヘッドを磁気記録媒体に接近させることで磁気記録を行っている。この場合、磁気ヘッドを高速に移動させても、記録速度には限界がある。また、微小領域にパルス的に磁場を印加する手法では、磁化制御は数百psで行えるものの、その磁場を空間的な微小領域に閉じ込めることは困難で、記録密度の点で限界がある。
【０００４】
本発明は、高速・高密度の磁気記録とその消去を可能にする磁気記録消去法及び磁気記録消去装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の磁気記録消去法は、磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去法であって、
前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射することによって、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて、前記磁区の磁化反転を行うことを特徴とする。
【０００６】
なお、本発明において「磁気記録消去法」とは、磁気記録する方法又は磁気記録を消去する方法を指す。以下に述べる「磁気記録消去装置」も同様である。
【０００７】
本発明の磁気記録消去装置は、磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去装置であって、
前記磁区を保持する保持手段と、
前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射する照射手段とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の磁気記録消去法及び磁気記録消去装置によれば、高速・高密度の磁気記録とその消去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の磁気記録消去法は、磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去法であって、前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射することによって、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて、前記磁区の磁化反転を行うことを特徴とする。例えば、前記磁区の磁化反転は、前記第１電子帯から前記第２電子帯へと電子を励起させて前記第２電子帯に偏ったスピン分布を誘起することで、前記磁性体のスピンを反転させることにより行う。これにより、上記磁区を含む磁気記録媒体（例えば、Ga1-xMnxAs、Zn1-xCoxO、Gd1-xFex等）に対し、逆Faraday効果を利用して磁気記録／消去を行うことができる。本発明の磁気記録消去法では、波長が１μｍ以下の円偏光を用いるために半径１μｍ以下の領域内での集光が可能である。例えば可視光領域の円偏光を用いた場合には数百nm、紫外光領域の円偏光を用いると100nm程度、軟X線領域の円偏光では10nm、X線領域の円偏光では数nm程度の集光が可能で
ある。よって、記録密度の向上が可能となる。また、光を用いるため、記録速度の向上が可能となる。なお、波長が１μｍを超える円偏光では、電子の励起が困難となる。また、電子が完全には詰まっていない最外殻の電子準位へスピンの偏った電子励起を行う観点からは、遷移金属元素の2p内殻電子の励起が可能で、かつ希土類元素の3d内殻電子の励起が可能な波長（例えば波長0.8nm以上）の円偏光を照射することが好ましい。
【００１０】
また、本発明では光を用いるため、外部摂動下(例えば高温下、高磁場下、高電場下、
高圧力下等)にある記録媒体に対しても容易に記録又は消去できる。
【００１１】
上記円偏光が連続光の場合は、光路を光学系で制御することで短時間の励起が可能となる。一方、上記円偏光がパルス光の場合は、光学系で制御しなくてもパルス幅に応じて短時間の励起が可能となる。従って、本発明では、時間分解能をパルス光のパルス幅まで短くすることが可能となるため、上記円偏光としてパルス光を用いることが好ましい。このようなパルス光としては、円偏光パルスレーザー、円偏光放射光パルス、円偏光パルス自由電子レーザー等が例示できる。あるいは、これらのパルス光同士やこれらとパルスレーザーの２光子を用いた２光子励起で磁化反転を行うことも可能である。なお、使用できるパルス光のパルス幅としては、例えば100ps〜10fs程度である。
【００１２】
上記円偏光が10eVより低いエネルギーの場合は、透過光学系により上記被照射体に集光すればよい。一方、10eVより高いエネルギーの場合は、主に反射光学系により上記被照射体に集光すればよい。あるいは、透過型ゾーンプレートを用いた集光法を採用してもよい。上記いずれの場合も、円偏光特性を損なわない光学系を用いるのが好ましい。なお、円偏光極性の切り替えには10eVまでの光に対しては、電場印加型の位相板を用いることも可能である。
【００１３】
上記磁気記録を担う磁性体としては、Ga1-xMnxAs、Gd1-xFex、RFeO3（R：希土類元素）、Zn1-xCoxO等が例示できる。室温付近の動作で高速・高密度の磁気記録を行う観点から
は、Zn1-xCoxOが好ましい。
【００１４】
上記被照射体としては、フェロ強磁性体、フェリ磁性体、反強磁性体、希薄磁性半導体等が例示できる。高速・高密度の磁気記録を行う観点からは、フェリ磁性体や希薄磁性半導体が好ましい。なお、上記被照射体のスピン軌道相互作用のある第１電子帯としては、例えばｐ電子帯やｄ電子帯等が挙げられる。また、上記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯としては、例えばｓ電子帯やｄ電子帯、あるいはｆ電子帯等が挙げられる。
【００１５】
本発明の磁気記録消去法では、上記第１電子帯と上記第２電子帯とのエネルギーの差に応じて、上記円偏光の波長を変更することが好ましい。効率良く励起を行うことができる
からである。なお、上記第１電子帯と上記第２電子帯とのエネルギーの差は、例えば、1.5〜1600eV程度である。
【００１６】
本発明の磁気記録消去法では、上記第１電子帯の電子のうち、上記磁性体のスピンとは逆向き又は同じ向きのスピンの電子を選択的に励起することが好ましい。効率良く磁区の磁化反転を行うことができるからである。上記のように選択的に励起するには、例えばｐ価電子帯からｓ伝導帯に円偏光励起する方法や、内殻のｄ電子帯から不完全最外殻の４ｆ電子帯に円偏光励起する方法を採用すればよい。
【００１７】
本発明の磁気記録消去法では、外部定常磁場や外部パルス磁場により、上記磁性体のスピンを不安定化した上で、上記被照射体に上記円偏光を照射してもよい。効率良く磁区の磁化反転を行うことができるからである。この場合に使用する磁場印加方法としては、例えば、微小コイルに電流を流す方法や、微小穴開き１ターンコイルに電流を流す方法や、ストリップラインに電流を流す方法等が例示できる。なお、外部定常磁場の場合は、例えば0.01T〜数T程度の磁場を印加すればよく、外部パルス磁場の場合、例えば0.01T〜数T程度の磁場を100ps〜10fs程度のパルス幅で印加すればよい。
【００１８】
本発明の磁気記録消去法では、上記磁性体の温度を制御することにより、上記磁性体のスピンを不安定化した上で、上記被照射体に上記円偏光を照射してもよい。効率良く磁区の磁化反転を行うことができるからである。この場合に使用する温度制御方法としては、上記磁性体にパルス光を照射する方法や、クライオスタット等の温度制御手段を使用する方法が例示できる。特に、上記磁性体にパルス光を照射する方法は、短時間で温度制御できるため好ましい。なお、この場合のパルス光は、例えば波長が数十nm〜数百nm程度で、パルス幅が数ns〜10fs程度であればよい。
【００１９】
次に、本発明の磁気記録消去装置について説明する。なお、本発明の磁気記録消去装置は、上述した本発明の磁気記録消去法を実現するための好適な装置である。よって、上述と重複する内容については省略する。
【００２０】
本発明の磁気記録消去装置は、磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び前記第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去装置であって、前記磁区を保持する保持手段と、前記被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光を照射する照射手段とを含むことを特徴とする。本発明の磁気記録消去装置では、波長が１μｍ以下の円偏光を用いるために半径１μｍ以下の領域内での集光が可能である。例えば可視光領域の円偏光を用いた場合には数百nm、紫外光領域の円偏光を用いると100nm程度、軟X線領域の円偏光では10nm、X線領域
の円偏光では数nm程度の集光が可能である。よって、記録密度の向上が可能となる。また、光を用いるため、記録速度の向上が可能となる。
【００２１】
上記保持手段は、磁場印加機構を有していてもよい。磁場印加機構により上記磁性体のスピンを不安定化した上で、上記被照射体に上記円偏光を照射することで、効率良く磁区の磁化反転を行うことができるからである。
【００２２】
また、上記保持手段は、上記磁性体の温度を制御する温度制御機構を有していてもよい。温度制御機構により上記磁性体のスピンを不安定化した上で、上記被照射体に上記円偏光を照射することで、効率良く磁区の磁化反転を行うことができるからである。
【００２３】
本発明の磁気記録消去装置は、上記磁気記録を読み出す読み出し手段を更に含むことが好ましい。本発明の磁気記録消去装置を、磁気記録の読み出し装置としても使用することができるからである。上記読み出し手段としては、例えば、観測用の光源として円偏光光
源又は直線偏光光源と、時間分解光電子顕微鏡（時間分解PEEM）とを含む観測装置が使用できる。また、時間分解PEEMの代わりに、従来のFaraday効果による読み出し装置や、Kerr効果による読み出し装置を利用してもよい。
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、参照する図面においては、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の符号で示し、重複する説明を省略する場合がある。
【００２５】
(実施形態１)
図１Ａ，Ｂは、本発明の実施形態１に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。図１Ａ，Ｂには、それぞれ隣接する２つの磁区Ｉ及びIIが示されている。なお、図１Ａ，Ｂでは、２つの磁区のみを示しているが、その周囲に多数の磁区が存在していてもよい。後述する実施形態についても同様である。
【００２６】
磁区Ｉ及びIIは、それぞれ磁気記録を担う磁性体１と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体２（例えば、希薄磁性半導体）とを含む。そして、図１Ａに示すように、磁性体１の周りの多数の被照射体２の伝導電子が磁性体１と逆のスピンを持つように、極性を選択した円偏光Ｌ（波長１μｍ以下）を磁区Ｉの被照射体２に照射すると、被照射体２において第１電子帯から第２電子帯へ電子が励起され、第２電子帯にスピンの偏りが生じる。そして、図１Ｂに示すように、スピン交換相互作用を通して磁性体１のスピンが反転し、安定化する。即ち、円偏光Ｌによって局所的に磁場を励起することで磁性体１のスピンを反転させ、磁区Ｉの磁化を反転させる。このようにして、磁区Ｉに対する磁気記録／消去が可能となる。この際、図１Ｂに示すように、円偏光Ｌが照射されていない磁区IIの磁化はそのまま保存される。
【００２７】
(実施形態２)
図２Ａ，Ｂは、本発明の実施形態２に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。図２Ａ，Ｂには、それぞれ隣接する２つの磁区Ｉ及びIIが示されている。
【００２８】
磁区Ｉ及びIIは、それぞれ磁気記録を担う磁性体１と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体２（例えば、フェロ強磁性体）とを含む。図２Ａにおいては、磁性体１及び被照射体２は、スピンが同じ方向を向いている。そして、図２Ａに示すように、被照射体２の伝導電子が磁性体１と逆のスピンを持つように、極性を選択した円偏光Ｌ（波長１μｍ以下）を磁区Ｉの被照射体２に照射すると、被照射体２において第１電子帯から第２電子帯へ電子が励起され、第２電子帯にスピンの偏りが生じる。そして、図２Ｂに示すように、スピン交換相互作用を通して磁性体１のスピンが反転し、安定化する。即ち、円偏光Ｌによって局所的に磁場を励起することで磁性体１のスピンを反転させ、磁区Ｉの磁化を反転させる。この際、図２Ｂに示すように、円偏光Ｌが照射されていない磁区IIの磁化はそのまま保存される。なお、図２Ａ，Ｂでは、円偏光Ｌの照射前において、磁性体１及び被照射体２のそれぞれのスピンが同じ方向を向いている例について説明したが、図３Ａ，Ｂに示すように、磁性体１及び被照射体２のそれぞれのスピンが逆の方向を向いていても、同様の方法により磁区Ｉのみを磁化反転させることができる。
【００２９】
(実施形態３)
図４Ａ，Ｂは、本発明の実施形態３に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。図４Ａ，Ｂには、それぞれ隣接する２つの磁区Ｉ及びIIが示されている。
【００３０】
磁区Ｉ及びIIは、それぞれ磁気記録を担う磁性体１と、スピン軌道相互作用のある第１
電子帯及び第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体２（例えば、フェリ磁性体）とを含む。図４Ａにおいては、磁性体１及び被照射体２のそれぞれのスピンが逆の方向を向いている。そして、図４Ａに示すように、磁性体１のスピンとは逆方向の外部パルス磁場Ｍにより磁性体１のスピンを不安定化した上で、被照射体２に円偏光Ｌを照射して、図４Ｂに示すように磁区Ｉのみを磁化反転させる。なお、図４Ａ，Ｂでは、外部パルス磁場Ｍを用いて磁性体１のスピンを不安定化させたが、外部定常磁場を用いても同様の効果が得られる。
【００３１】
(実施形態４)
図５Ａ，Ｂは、本発明の実施形態４に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。図５Ａ，Ｂには、それぞれ隣接する２つの磁区Ｉ及びIIが示されている。
【００３２】
磁区Ｉ及びIIは、それぞれ磁気記録を担う磁性体１と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体２（具体例は後述する）とを含む。図５Ａにおいては、磁性体１及び被照射体２のそれぞれのスピンが逆の方向を向いている。そして、図５Ａに示すように、磁性体１及び被照射体２に昇温用レーザーパルスＰを照射して磁性体１及び被照射体２のスピンを不安定化した上で、被照射体２に円偏光Ｌを照射して、図５Ｂに示すように磁区Ｉのみを磁化反転させる。
【００３３】
上記実施形態４で適用できる磁性体１及び被照射体２の組合せとしては、例えば図６に示すような温度と磁化量との関係を示す組合せが考えられる。この場合、磁性体１及び被照射体２の磁化量が一致する温度Ｔ1まで磁区Ｉを昇温すると、容易に磁化反転を行うこ
とができる。このような磁性体１及び被照射体２の組合せとしては、例えばFe基板とこのFe基板上に成長させたGd微小結晶との組合せや、La1-xSrxMnO3などの強磁性マンガナイトとこの強磁性マンガナイト上に成長させたFeやCoや希土類元素からなる微小結晶との組合せ等が挙げられる。
【００３４】
また、上記実施形態４で適用できる他の組合せの例として、例えば図７に示すような温度と磁化量との関係を示す組合せが考えられる。この場合、磁性体１及び被照射体２の磁化量の絶対値が一致する温度Ｔ2（磁化補償温度）まで磁区Ｉを昇温すると、容易に磁化
反転を行うことができる。このような磁性体１及び被照射体２の組合せを有する磁気記録材料としては、例えばGd1-xFexやR1-xCo（R:希土類元素）等の磁化補償温度を持つフェリ磁性体等が挙げられる。
【００３５】
(実施形態５)
図８は、本発明の実施形態５に係る磁気記録消去装置の構成図である。実施形態５に係る磁気記録消去装置は、磁気記録を担う磁性体と、スピン軌道相互作用のある第１電子帯及び第１電子帯よりもエネルギー準位が高い第２電子帯を有する被照射体とを含む磁区の磁化反転を行う磁気記録消去装置であって、図８に示すように、上記磁区を有する磁気記録媒体１０を保持する保持機構１１と、磁気記録媒体１０に含まれる被照射体に、波長が１μｍ以下の円偏光Ｌを照射する照射装置１２と、上記磁気記録を読み出す観測装置１３とを含む。観測装置１３は、観測用の偏光ＰＬを発する光源１３ａと、時間分解光電子顕微鏡１３ｂとを含む。実施形態５に係る磁気記録消去装置では、波長が１μｍ以下の円偏光Ｌを用いるために半径１μｍ以下の領域内での集光が可能である。例えば円偏光ＬとしてTi-サファイアレーザーを用いると1.5eV付近、その高調波を用いると3〜6eV付近、また他のレーザー（例えばエキシマレーザー）を用いると15eVまで、自由電子レーザーを用いると20eVから20keVまで励起可能であり、軟X線放射光を用いれば200eVから2000eVまで励
起可能である。
【００３６】
保持機構１１としては、例えばコンピューター駆動ステッピングモーター付きゴニオメ
ーターを使用することができる。これに熱電対付きのクライオスタットあるいは昇温装置を付加することにより、磁気記録媒体１０に含まれる磁性体の温度を制御する温度制御機構を付与することもできる。また、これらの代わりに昇温用パルスレーザー照射装置を付加することによっても同様の効果が得られる。また、保持機構１１に、微小コイル、微小穴開き１ターンコイル、ストリップライン等の磁場印加機構を付与することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、高速・高密度の磁気記録とその消去ができる磁気記録消去法及び磁気記録消去装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】Ａ，Ｂは、本発明の実施形態１に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。
【図２】Ａ，Ｂは、本発明の実施形態２に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。
【図３】Ａ，Ｂは、本発明の実施形態２に係る磁気記録消去法の変形例を説明するための概念図である。
【図４】Ａ，Ｂは、本発明の実施形態３に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。
【図５】Ａ，Ｂは、本発明の実施形態４に係る磁気記録消去法を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る磁気記録消去法で適用できる磁性体及び被照射体の組合せの一例について、その温度と磁化量との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態４に係る磁気記録消去法で適用できる磁性体及び被照射体の組合せの別の一例について、その温度と磁化量との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態５に係る磁気記録消去装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    磁性体
２    被照射体
１０  磁気記録媒体
１１  保持機構
１２  照射装置
１３  観測装置
１３ａ  光源
１３ｂ  時間分解光電子顕微鏡
I，II  磁区
Ｌ  円偏光
Ｍ  外部パルス磁場
Ｐ  昇温用レーザーパルス
ＰＬ  偏光
【図１】
2008165933.tif 000003
【図２】
2008165933.tif 000004
【図３】
2008165933.tif 000005
【図４】
2008165933.tif 000006
【図５】
2008165933.tif 000007
【図６】
2008165933.tif 000008
【図７】
2008165933.tif 000009
【図８】
2008165933.tif 000010