(57)【要約】【課題】  高密度で、高保磁力の記録媒体に対して、金属探針を用いた電界、かつ印加磁界により書き込みを安定に行う手法、およびそれを用いた情報記憶装置を提供する。【解決手段】  基板上に、第１の強磁性層と、第１の強磁性層上に形成された非磁性層と、非磁性層上に形成された第２の強磁性層とを有し、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２が第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも大きい磁気記録媒体に、磁極により磁界Ｈを印加して、第１の強磁性層の磁化方向を印加磁場方向に変化させ、金属探針と磁気記録媒体との間に正又は負の何れか一方の電圧Ｖを印加して、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間の量子井戸準位のエネルギーを変化させて交換磁場ＨＥを誘起し、交換磁場ＨＥと磁界Ｈとにより、第２の強磁性層の磁化方向を変化させる。【選択図】  図１
2008077720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２の強磁性層とを有し、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２が第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも大きい磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体に磁界Ｈを印加する磁極と、
金属探針と前記磁気記録媒体との間に、正又は負の何れか一方の電圧Ｖを印加する手段とを備え、
前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に形成された非磁性層中には、量子井戸準位が形成されており、
前記磁界Ｈにより、第１の強磁性層の磁化方向が印加磁場方向に変化し、
前記正又は負の何れか一方の電圧Ｖが印加されることにより、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間の量子井戸準位のエネルギーが変化して、交換磁場ＨＥが誘起され、
前記磁界Ｈと交換磁場ＨＥとにより、前記第２の強磁性層の磁化方向が変化することを特徴とする記録再生装置。
【請求項２】
前記第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２、及び磁界Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係を有し、
前記交換磁場ＨＥとは、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥの関係を有することを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項３】
前記交換磁場ＨＥとは、さらにＨ−ＨＥ＜Ｈｃ１の関係を有することを特徴とする請求項２記載の記録再生装置。
【請求項４】
前記第１の強磁性層は反強磁性層の上に形成されており、前記第１の強磁性層の磁化は固定されていることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項５】
前記第１の強磁性層及び第２の強磁性層の磁化方向は、面内方向であることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項６】
前記第１の強磁性層及び第２の強磁性層の磁化方向は、膜面に垂直方向であることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項７】
前記第１の強磁性層と基板との間に、非磁性層を介して形成された第３の強磁性層と、前記基板と第３の強磁性層との間に形成された反強磁性層とを有することを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項８】
電圧Ｖの非印加時において、第１の強磁性層と第２の強磁性層と間に働く磁気的交換相互作用は、ほぼ０であることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項９】
金属探針と磁化領域表面との間に電圧を印加し、トンネル電流値の変化により、強磁性層の磁化方向を読み取ることを特徴とする請求項１記載の記録再生装置。
【請求項１０】
基板上に、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２の強磁性層とを有し、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２が第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも大きい磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体に磁界Ｈを印加する磁極と、
金属探針と前記磁気記録媒体との間に電圧Ｖを印加する電極とを備え、
前記磁界Ｈにより、第１の強磁性層の磁化方向を印加磁場方向に変化させ、
正又は負の何れか一方の電圧Ｖを印加して前記第２の強磁性層の磁化方向を変化させて、磁化情報を第２の強磁性層に記録することを特徴とする記録再生装置。
【請求項１１】
前記電圧Ｖを印加することにより交換磁場ＨＥが誘起され、
前記交換磁場ＨＥと磁界Ｈとにより、第２の強磁性層の磁化方向を変化させることを特徴とする請求項１１記載の記録再生装置。
【請求項１２】
前記第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２、及び磁界Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係を有し、
前記交換磁場ＨＥとは、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥの関係を有することを特徴とする請求項１０記載の記録再生装置。
【請求項１３】
前記交換磁場ＨＥとは、さらにＨ−ＨＥ＜Ｈｃ１の関係を有することを特徴とする請求項１２記載の記録再生装置。
【請求項１４】
基板上に、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性層と、前記非磁性層上に形成された第２の強磁性層とを有し、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２が第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１よりも大きい磁気記録媒体に、磁極により磁界Ｈを印加して、第１の強磁性層の磁化方向を印加磁場方向に変化させ、
金属探針と前記磁気記録媒体との間に正又は負の何れか一方の電圧Ｖを印加して、前記第１の強磁性層と第２の強磁性層との間の量子井戸準位のエネルギーを変化させて交換磁場ＨＥを誘起し、
前記交換磁場ＨＥと前記磁界Ｈとにより、前記第２の強磁性層の磁化方向を変化させることを特徴とする電界印加磁気記録方式。
【請求項１５】
前記第１の強磁性層の保磁力Ｈｃ１、第２の強磁性層の保磁力Ｈｃ２、及び磁界Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係を有し、
前記交換磁場ＨＥとは、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥの関係を有することを特徴とする請求項１４記載の電界印加磁気記録方式。
【請求項１６】
前記交換磁場ＨＥとは、さらにＨ−ＨＥ＜Ｈｃ１の関係を有することを特徴とする請求項１４記載の電界印加磁気記録方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化情報の書き込みおよび読み取りを行う方法、およびその記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のハードディスクドライブ装置（HDD）における磁化情報の書き込みには、コイルから発生する磁界を用いた磁気ヘッドによる書き込み手法が用いられている。
【０００３】
HDDはさらなる高密度記録を求められており、高密度化による記録ドメインの微細化に対応して、磁気ヘッド先端部も微細化されていかなければならない。しかし、磁気ヘッド先端部に生じる反磁界成分の影響により、ヘッド先端部の微細化とともに、ヘッドからの発生可能磁界強度が減少していくことが予想されている。
【０００４】
一方、記録ドメインの磁化が安定に保持されるためには、KuV/kBT＞50程度は必要とされている。ここでKuは磁気異方性定数、Vは磁化の体積、kBはボルツマン定数、Tは温度である。高密度化とともにVが微小になると、書き込まれた磁化方向の熱的不安定性を克服するために、Kuが大きい保磁力の高い材料が必要となる。この保磁力の高い材料に磁化を書き込むためには、従来より大きな書き込み磁場が必要となる。
【０００５】
従って、高密度記録における磁化書き込み手法において、従来の磁気ヘッドだけを用いた書き込み手法には限界が予想され、それにかわる新しい書き込み手法が求められている。
【０００６】
例えば、1Tb/inch2を越える高密度になると、10KOeを越える保磁力が記録媒体には必要と考えられている。
【０００７】
そこで、いわゆる熱アシスト方式による書き込み手法が提案されている。これは、レーザー光により記録媒体を局所的に加熱することにより、書き込みたい領域の保磁力のみを下げ、磁気ヘッドからの発生可能磁界により書き込めるようにする手法である。これは、書き込み磁界を低減できるため高密度記録における磁化書き込み手法として有望な技術であるが、レーザー光が絞れる領域が加熱領域となるため、その微少化が課題である。
【０００８】
磁界を全く用いない書き込み手法として、例えば非特許文献１により、スピン注入磁化反転を用いた書き込み手法が提案されている。これはスピン偏極電子を磁性体に注入することにより磁化反転を行ない書き込みを行なう手法であるが、書き込み電流しきい値が106A/cm2程度と大きく、媒体に接触しなければ十分な電流を流せないため配線が必要となり、HDDのような無配線の超高密度記録用の媒体の書き込み手法としてはあまり適していない。
【０００９】
さらに別の書き込み手法として、電界を用いた磁化制御手法が提案されている。例えば、非特許文献２には、強磁性体金属／半導体／強磁性体金属の積層構造において、半導体層中のキャリア濃度を電界により制御することにより、強磁性体間に生じる交換相互作用を制御しようとするものである。
【００１０】
また、例えば非特許文献３は、強磁性体金属／非磁性金属／絶縁体層／強磁性体金属のように強磁性体金属／非磁性金属／強磁性体金属の三層構造の内部に、絶縁体層を設け、強磁性金属層間に電圧を印加することにより強磁性体間に生じる交換相互作用を制御しようとするものである。
【００１１】
また、例えば、特許文献１には、強磁性体金属／非磁性金属／強磁性体金属の三層構造の外部に半導体層を設け、強磁性金属層と半導体界面に生じるショットキー障壁の幅や高さを電界で制御することにより強磁性体間に生じる交換相互作用を制御しようとするものである。
【００１２】
また、特許文献２には、強磁性体金属／非磁性金属／強磁性体金属の三層構造からなる記録媒体に金属探針により局所電界を印加し、磁化を制御する方法および装置が開示されている
また、特許文献３には、強磁性体金属／非磁性金属／強磁性体金属の三層構造からなる記録媒体に金属探針により局所電界を印加し、且つアシスト磁場を用いて磁化を制御する方法および装置が開示されている。引用文献３では、金属探針に印加する電圧を、正Ｖ0から負-Ｖ、又は負-Ｖから正Ｖ0に変化させ、かつ書き込み磁化方向にアシスト磁場を印加することで磁化反転を行っている。すなわち、電圧も磁場も反転させている。
【００１３】
これらの電界による磁化制御技術は、高密度化が可能であり、かつ消費電力の低い技術として有望である。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１９６６６１号公報
【特許文献２】特開２００４−３４２１８３号公報
【特許文献３】特開２００６−６５９２７号公報
【非特許文献１】J. Slonczewski, J. Mag. Mag. Mater. 159, L1(1996)
【非特許文献２】Mattsonet et al, Phys. Rev. Lett. 71, 185 (1993)
【非特許文献３】Chun-Yoel Youi et al., J. Appl. Phys., 87, 5215 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、引用文献３に開示される方法では、磁場のみならず電圧も反転させているので、反転表面の仕事関数の変動や、探針浮上量の変化により制御が不安定になるという虞がある。
【００１６】
また、強磁性層／非磁性層／強磁性層の三層構造の内部に半導体層もしくは絶縁層をもうけ、電圧による磁化制御が可能であるためには、その厚さが２nm程度以下と極めて薄くなければならないこと、また、三層構造の外部に半導体層を設ける場合でも、原子層レベルで急峻な磁性層／半導体界面が形成されることが必要であり、これらを作製することは極めて困難である。
【００１７】
また、媒体としてMRAMのようなHDDに比べて低密度な配線型のメモリが想定されており、HDDのような無配線の超高密度記録媒体において電圧を印加するのは困難である。強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層の三層構造に金属探針により電界を印加する方法は上記の困難を回避しているが、媒体表面の状態や、媒体表面と金属探針との距離の変動により、磁化反転に必要な印加電界の大きさに正負を含めたばらつきが不可避である。
【００１８】
本発明は、これら従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、例えば1Tb/inch2を越える程に高密度で、例えば10KOeを越える保磁力が必要とされる記録媒体に対して、金属探針を用いた電界、かつ印加磁界により書き込みを安定に行う手法、およびそれを用いた情報記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために本発明では、まず高保磁力の強磁性層／非磁性層／低保磁力の強磁性層の少なくとも３層薄膜構造を形成する。この３層薄膜構造の外側に保護膜があってもよい。
【００２０】
高保磁力の強磁性層および低保磁力の強磁性層はそれぞれＨｃ２、Ｈｃ１の保磁力を持つものとし、外部印加磁場Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係があるものとする。印加磁界Ｈのみでは、低保磁力の強磁性層の磁化は書き換えられ、高保磁力の強磁性層の磁化は書き換えられない。
【００２１】
そこで、この３層薄膜構造もしくは保護膜を含めた多層膜に、金属探針を近付ける。金属探針をこの多層膜に１〜５nmオーダに近付け、さらに正又は負の何れか一方の電界を印加すると、多層膜表面のイメージポテンシャルを変調することが可能である。このイメージポテンシャルは、電子を多層膜中に閉じ込めており、このポテンシャルが変調されると、電子の閉じ込め条件が変化する。その結果、多層膜中に形成されている量子準位のエネルギーが変化するため、強磁性層間に働く磁気的交換相互作用が変化する。
【００２２】
この金属探針による印加電界により二つの強磁性層間に誘起された交換磁場の大きさをＨＥとする。ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０とする。
【００２３】
Ｈｃ１＜Ｈ−ＨＥ、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす３層薄膜構造を有する記録媒体に対し、外部磁場Ｈおよび金属探針による電界ＨＥを印加することで、高保磁力の強磁性層に磁化を書きこむことが可能である。
【００２４】
高保磁力の強磁性層の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電界を印加することにより可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、正又は負の何れか一方の電圧を印加すればよく、印加電界の正負を変化させる必要がない（印加電圧−Ｖ0の正負を変化させる必要はない）ので、記録媒体表面の状態や、金属探針と表面との距離に依存する電界が変動しても、誘起交換磁場ＨＥの変動幅は小さいため、安定に磁化を書き換えることが可能となる。
【実施例１】
【００２６】
実施例１を図１から図３を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１を示し、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５および磁極１０の構成を示す概念図である。磁気記録媒体７０は基板１００上に順次積層して形成された第１の強磁性層（低保磁力の強磁性層１）、非磁性層２、第２の強磁性層（高保磁力の強磁性層３）、保護膜４よりなる多層膜４１より構成されている。
【００２７】
ここで、高保磁力の強磁性層および低保磁力の強磁性層はそれぞれＨｃ２、Ｈｃ１の保磁力を持つものとし、磁極１０から発生する外部印加磁場Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係があるものとする。
【００２８】
この多層膜４１の保護膜４の面に対向して、１ｎｍオーダーの極めて近い距離に金属探針５が配置される。金属探針５は、ハードディスク装置におけるスライダ機構と同様に保持される。
【００２９】
保護膜４と金属探針５との距離を制御するために、別途トンネル電流をフィードバック信号として用いても良く、また、原子間力顕微鏡における光てこ方式を用いてフィードバック信号を生成してもよい。また、距離制御用の探針を以下に述べる電界制御用金属探針５とは別に設けても良い。
【００３０】
多層膜４１を構成する高保磁力の強磁性層３としては、例えば３〜２０nm程度の直径を持つ柱状結晶からなるＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｄ、ＴｂＦｅＣｏなどの合金膜が使用できる。
【００３１】
低保磁力の強磁性層１としては、例えばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，等の強磁性単体金属またはＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉなどの合金膜、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｄなどの連続膜が使用できる。
【００３２】
なお、強磁性層に同じ材料を用いた場合であっても、例えば高保磁力の場合は３〜２０nm程度の直径を持つ柱状結晶とし、低保磁力の場合は連続膜とし、このように構造が異なると、保磁力も異なる。
【００３３】
また、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３とは、軟磁性体と硬磁性体とであってもよく、ともにいわゆる軟磁性体、もしくはともに硬磁性体であってもよい。
【００３４】
非磁性層２としては、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｕ等の金属が使用できる。保護膜４は例えばＡｕのような非磁性貴金属や導電性Ｃを用いる。ちなみに本実施例では高保磁力の強磁性層３として垂直磁化膜であるＦｅＰｔ、非磁性層２としてＡｕ、低保磁力の強磁性層１としてＦｅ、保護膜４としてＡｕを用いた。
【００３５】
金属探針５の近傍に設置されている磁極１０から書き込みたい方向の磁場Ｈを印加する。高保磁力の強磁性層３の保磁力Ｈｃ２と、低保磁力の強磁性層１の保磁力Ｈｃ１と、磁極１０から発生する印加磁場Ｈとは、Ｈｃ１＜Ｈ＜Ｈｃ２の関係がある。このため、印加磁場Ｈのみ印加された場合、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうが、高保磁力の強磁性層３の磁化方向を書き換えるには至らない。
【００３６】
ここで、低保磁力の強磁性層１としてＦｅを用いているため、磁場が印加されていない時、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場と直交する薄膜面内方向を向いている。
【００３７】
なお、高保磁力磁性層の磁化成分と、磁界が印加されていない時の低保磁力の強磁性層の磁化方向とは、互いに直交する磁化成分を持ってもよい。このように直交していると、磁化垂直成分の読み取り時に高保磁力記録層からの寄与のみとなり、低保磁力強磁性層からのノイズを低減することができる。
【００３８】
また、高保磁力磁性層の磁化成分と、磁界非印加時の低保磁力の強磁性層の磁化方向とが、互いに平行もしくは反平行な磁化成分を持ってもよい。このように平行もしくは反平行の場合、磁化構造が異なり、読み取り時のノイズ等も異なる。
【００３９】
次に、図１に示す垂直な印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化は、磁場が印加されている領域８において、印加磁場方向に向く。
【００４０】
多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められており、図２に示すように、量子井戸状態１４〜１７を形成する。強磁性層１および３の磁化の方向が平行な場合は、その磁化と反平行な電子スピンを持つ電子の状態は１６のように非磁性層２中にほぼ閉じ込められるのに対し、磁化と平行な電子スピンを持つ電子の状態は１７のように多層膜４１中の全体に閉じ込められる。
【００４１】
一方、強磁性層１および３の磁化の方向が反平行な場合は、電子の状態はそのスピンの向きに依存して１４ないしは１５のようにお互いに異なる膜中に閉じ込められる。
【００４２】
これらの量子井戸を形成する電子の状態は、強磁性層１および３の磁化の方向に依存するだけでなく、保護膜４の表面の状態に敏感に依存する。保護膜４の表面に金属探針５を近付けると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【００４３】
一方、図１に示すように、保護膜４の表面と金属探針５との距離を所定値に維持した状態で、多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加できるようにしている。すなわち、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４の表面における閉じ込めポテンシャルが変化する。
【００４４】
その結果、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギー（磁気的相互作用）が変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、図３で後述するように、交換磁場９（ＨＥ）が誘起される。ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定する。
【００４５】
高保磁力の強磁性層３に磁化情報を書きこむステップを、具体的に説明する。まず、多層膜４１に対し、磁極１０から磁場Ｈを印加する。このとき、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は、印加磁場Ｈにより、印加磁場方向にそろう。これは、低保磁力の強磁性層１の保磁力Ｈｃ１が、印加磁場Ｈより小さいからである。一方、高保磁力の強磁性層３の磁化方向は、印加磁場Ｈのみでは、印加磁場方向にそろわない。これは、高保磁力の強磁性層３の保磁力Ｈｃ２が、印加磁場Ｈより大きいからである。
【００４６】
次に、スイッチ１２をオンすることにより、正又は負の何れか一方の電圧を印加する。ここでは、電圧−Ｖ0を印加する。このとき、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように、交換磁場９（ＨＥ）が誘起される。その結果、高保磁力の強磁性層３に、高保磁力の強磁性層３の保磁力Ｈｃ２よりも大きな磁場Ｈ＋ＨＥが印加されるので、高保磁力の強磁性層３の磁化方向が書き換えられる。
【００４７】
つまり、高保磁力の強磁性層３の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。
【００４８】
このようにして、外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層３の磁化を書きこむことが可能である。
【００４９】
なお、高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場１０を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【００５０】
また、磁化情報を読み出すステップを具体的に説明する。まず、多層膜４１に書き込まれた磁化情報は、スイッチ１１をオンにし、電圧Ｖ（│Ｖ│≪│Ｖ0│）を印加し、かつ磁場Ｈを印加しながら、金属探針５と多層膜４１との間に流れるトンネル電流１３を用いて読み出すことができる。
【００５１】
これは、強磁性層１および３の磁化が平行か反平行かで、多層膜４１中に形成される量子井戸電子のエネルギー準位が変化するため、一定電圧Ｖのもとで測定されるトンネル電流が、磁化方向に依存して変化するからである。
【００５２】
ここで磁場を印加するのは、低保磁力の強磁性層１の磁化方向を面に垂直で同じ方向にそろえるためであり、書き込み時の印加磁場Ｈよりも小さくてもよい。
【００５３】
図３は、高保磁力の強磁性層３としてFePt 13 ML(:monolayer単原子層)、非磁性層２としてAu 5 ML、低保磁力の強磁性層１として30 MLの Fe層、保護膜４として6 MLのAuとした場合の、多層膜表面におけるポテンシャル障壁の高さＶＰ（横軸）を金属探針により変化させた時の、強磁性層１と３との間に働く磁気的交換相互作用エネルギーJの大きさ（縦軸）を計算したものである。
【００５４】
ここで、ＶＰは、金属探針電界により変調された表面の仕事関数（ＷＦ）に相当する。探針電圧をＶとして、ＶＰ〜ＷＦ-Ｖと近似的には考えてよい。探針電圧が負の時にＶＰは大きくなり、探針電圧が正の時にＶＰは小さくなる。とはいえ、ＶＰの大きさは、探針と表面との間の距離すなわち電界にも、依存する。
【００５５】
Jが正の場合は、強磁性層１および３の相対的な磁化の方向は反平行状態が安定であり、Jが負の場合は、平行状態が安定である。金属探針により保護膜４の表面におけるポテンシャルを変形させることにより、強磁性層１と３との間に働く磁気的交換相互作用Jを正にも負にもすることが可能である。これは、金属探針により強磁性層１および３の相対的な磁化の方向を書き換えることができることを示している。
【００５６】
ここで、電界により誘起される交換磁場ＨＥと磁気的交換相互作用J との間には、tをFePtの膜厚、MsをFePtの飽和磁化として、ＨＥ=- J/（ t・Ms）の関係がある。例えばJ=-2mJ/m2, t=3nm, Ms=1000emu/cm3の時、ＨＥ=6.7KOeとなる。
【００５７】
図３のAu6ML/FePt 13ML/Au5ML/Feにおいてポテンシャル障壁高さが4.6eV付近で、強磁性層１と３との間に働く磁気的交換相互作用エネルギーJがほぼ０となっている。
【００５８】
この系の場合、Auの仕事関数は〜5.5eVであるので、最表面にCsやBaなどのアルカリ金属、アルカリ土類金属を塗布し仕事関数を下げ、ポテンシャル障壁高さを4.6eVに設定することにより、Jの大きさが0となるようにすることができる。Jの大きさが0であるこの状態では、強磁性層１と３との間には磁気的な相互作用は生じない。
【００５９】
この時、金属探針５を多層膜表面に近づけ、さらに金属探針５と多層膜４１との間に電圧−Ｖ0＜０を印加すると、ポテンシャル障壁の高さを大きくさせることができるため、強磁性層１と３との間に働く磁気的交換相互作用Jを負に、すなわち強磁性層１および３の相対的な磁化の方向を平行状態が安定になるように変えることができる。すなわち、金属探針に電圧−Ｖ0を印加することにより、強磁性層１および３の相対的な磁化が平行になるように、誘起交換磁場ＨＥを印加することができる。
【００６０】
さて、金属探針による電界非印加時のポテンシャル障壁高さＶＰは、多層膜表面の仕事関数であるが、表面の吸着物や形状などによりこの値は若干変動する。また、金属探針の印加電圧−Ｖ0は一定でも、探針と表面の距離が変動すると探針―表面間の電界が変動し、ＶＰも変動する。
【００６１】
本実施例の構成とすれば、金属探針に負の電圧−Ｖ0を印加した場合、図３からわかるように、JはＶＰの広い領域（ＶＰ＞4.6eV）で負とすることができる。すなわち、表面の状態や探針―表面距離が多少変動しても、十分大きな印加電圧│Ｖ0│を印加することにより、所定のJすなわちＨＥを誘起することが可能となる。
【００６２】
本実施例の構成によれば、印加電圧−Ｖ0の正負を変化させる必要はなく、また記録媒体表面の状態や、金属探針と表面との距離に依存する電界が変動しても、誘起交換磁場ＨＥの変動幅は小さいため、安定に磁化を書き換えることが可能となる。
【００６３】
なお、前述したように、磁化反転には磁極１０からの印可磁場６を反転させることにより行うため、印加電圧は一定でよい。3＜ＶＰ＜4.6 eVの領域でも、正の電圧Ｖ0を印加することで、磁化方向を書き換えることは可能である。本発明は常に負の電圧-Ｖ0を印加するだけで、印加磁場方向を逆にすることで磁化方向を書き換えられる。
【００６４】
図３によれば、正の電圧を金属探針に印加することによりＶＰを小さくし、3＜ＶＰ＜4.6 eVの領域で、強磁性層１および３の相対的な磁化の方向を反平行状態が安定になるように書き込むことが可能である。しかし、表面の状態（WF）や探針―表面距離によりＶＰが変動するため、書き込み時に常に3＜ＶＰ＜4.6 eVとなるように安定に制御することは難しい。
【００６５】
なお、磁化記録領域は、複数の空間的に分割された領域を有していてもよい。即ち、いわゆる連続膜からなる磁気記録媒体ではなく、パターン化されたパターン媒体であってもよい。
【００６６】
また、磁化情報の読み取りであるが、強磁性金属探針と磁化領域との間に働く磁気的反発力により強磁性層の磁化方向を読み取る方式を用いてもよい。探針が磁化していると、媒体の磁化方向により、磁気的な力が働く（NとNなら反発する等）。これにより媒体の磁化方向のイメージングが可能となる。
【００６７】
また、金属探針がもしくは金属電極がスライダ中にうめこまれていてもよい。スライダ中に埋め込まれていると、金属探針の浮上制御が容易になる。
【実施例２】
【００６８】
図４に示すように、基板１００上に、軟磁性層１８、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されており、金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【００６９】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性貴金属である。ここで、実施例１の低保磁力の強磁性層１の磁化方向が、磁場非印加時に膜面に平行だったのに対し、ここでは膜面に垂直になっている。例えば、低保磁力の強磁性層１として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｄなど連続膜の場合は、磁化方向が膜面に垂直方向である低保磁力の強磁性層となる。
【００７０】
実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められており、量子井戸状態１４〜１７を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付けると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【００７１】
この時、磁極１０、コイル１９により書き込み磁化方向に印加磁場６（Ｈ）を印加し、さらに、電圧−Ｖ0により多層膜４１と金属探針５との間に電圧を印加する。この時、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場９（ＨＥ）が誘起され、高保磁力の強磁性層３には実効的にＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、印加磁場Ｈだけでは書き込みができない高保磁力の強磁性層３の磁化方向を書き換えることができる。
【００７２】
図５は、書き込み用の金属探針５とは別に、トンネル電流による読み取り用の金属探針２０をスライダ３０に具備した例を示す。この場合、金属探針５は書き込みだけを行えばよく、トンネル電流検出用の電位Ｖは金属探針２０に印加し、実施例１で述べたようにそのトンネル電流変化から磁化方向を読み取ることができる。
【実施例３】
【００７３】
図６に示すように、磁気記録媒体７０には、基板１００上に、反強磁性層２５、強磁性層２６、非磁性層２７、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されている。金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【００７４】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。反強磁性層２５により、強磁性層２６の磁化方向は一方向に固定されている。また、強磁性層２６と低保磁力の強磁性層１との間には交換相互作用が働き、低保磁力の強磁性層１の磁化は、強磁性層２６の磁化と平行もしくは反平行の一方向に固定されている。次に、保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加する。
【００７５】
ここで、印加磁場６は、強磁性層２６と低保磁力の強磁性層１との間の交換相互作用より十分大きく、磁場６を印加することにより、低保磁力の強磁性層１の磁化は、膜面に垂直で磁場方向に向く。
【００７６】
この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【００７７】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場９（ＨＥ）が誘起される。
【００７８】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。
【００７９】
外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層の磁化を書きこむことが可能である。
【００８０】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【００８１】
高保磁力の強磁性層の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【００８２】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場９が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【００８３】
図７は、トンネル電流による検出手法に代わり、GMRないしはTMR等による磁気抵抗変化を用いた素子３１を磁化検出素子としてスライダ３０に具備した例を示す。この場合も、金属探針５は書き込みだけを行えばよく、磁化方向は磁気抵抗素子３１の抵抗変化から読み出される。
【００８４】
図８は、磁性探針３２を磁化読み取り手段としてスライダ３０に具備した例である。磁性探針３２はカンチレバー３３の先端に具備されている。磁気力顕微鏡（MFM：Magnetic Force Microscopy）としてよく知られているように、媒体の磁化方向に応じて磁性探針に働く力が異なるため、カンチレバー３３の先端の磁性探針３２の変位が媒体の磁化方向に応じて変化する。
【００８５】
磁性探針３２の変位を光てこ方式により、半導体レーザー３４から出射し、カンチレバー３３背面で反射したレーザー光３５を光検出器３６により読み取ることで、その検出強度変化から媒体の磁化方向を読み取ることが可能である。
【００８６】
本実施例では、強磁性固定層２６を備えているので、磁極１０からの磁場６が印加されていないときにおいて、低保磁力の強磁性層１の磁化が強磁性層２６の磁化と平行もしくは反平行の一方向にしっかりと固定されている。それゆえ、高保磁力の強磁性層３の磁化を読み取るときに、低保磁力の強磁性層１の磁化の影響による読み取りノイズを低減することが可能である。
【実施例４】
【００８７】
図９に示すように、磁気記録媒体７０は、基板１００上に、反強磁性層５０、強磁性層５１、非磁性層５２、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されている。また、金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【００８８】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。反強磁性層５０により、強磁性層５１の磁化方向は膜面垂直方向の一方向に固定されている。
【００８９】
また、強磁性層５１と低保磁力の強磁性層１との間には交換相互作用が働き、低保磁力の強磁性層１の磁化は、強磁性層５１の磁化と平行もしくは反平行の面垂直方向に固定されている。
【００９０】
ここで、強磁性層５１、非磁性層５２を省き、低保磁力の強磁性層１に直接接して反強磁性層５０を設け、交換相互作用により低保磁力の強磁性層１の磁化方向を一方向に固定してもよい。
【００９１】
次に、保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加する。
【００９２】
ここで、印加磁場６は、交換相互作用よる低保磁力の強磁性層１の保磁力よりも十分大きく、磁場６の印加により低保磁力の強磁性層１の磁化は膜面に垂直で磁場方向に向く。
【００９３】
この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【００９４】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場（ＨＥ）が誘起される。
【００９５】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層３の磁化を書きこむことが可能である。
【００９６】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【００９７】
高保磁力の強磁性層の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【００９８】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【００９９】
本実施例では、強磁性固定層５１を備えているので、磁極１０からの磁場６が印加されていないときにおいても、低保磁力の強磁性層１の磁化は、強磁性層５１の磁化と平行もしくは反平行の一方向にしっかりと固定されている。それゆえ、高保磁力の強磁性層３の磁化を読み取るときに、低保磁力の強磁性層１の磁化の影響による読み取りノイズを低減することが可能である。
【実施例５】
【０１００】
図１０に示すように、磁気記録媒体７０は、基板１００上に、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されている。強磁性層１及び３の磁化方向は、膜面面内方向に平行なものである。そして、金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【０１０１】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。ここで、低保磁力の強磁性層１、および高保磁力の強磁性層３の磁化方向は膜面内方向を向いている。次に、保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加する。
【０１０２】
この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【０１０３】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場（ＨＥ）が誘起される。
【０１０４】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層の磁化を書きこむことが可能である。
【０１０５】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【０１０６】
高保磁力の強磁性層の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【０１０７】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【実施例６】
【０１０８】
図１１に示すように、磁気記録媒体７０は、基板１００上に、反強磁性層５０、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されている。（強磁性層１及び３の磁化方向は、膜面面内方向に平行なものである。そして、金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【０１０９】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。反強磁性層５０と低保磁力の強磁性層１との間の交換相互作用により、低保磁力の強磁性層１の磁化は、面内方向に固定されている。
【０１１０】
ここで、実施例４と同様に、反強磁性層５０と低保磁力の強磁性層１との間にさらに強磁性層、非磁性層を設け、交換相互作用により低保磁力の強磁性層１の磁化方向を一方向に固定してもよい。
【０１１１】
次に、保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および電圧−Ｖ0により多層膜４１と金属探針５との間に電圧を印加する。
【０１１２】
ここで、印加磁場６は、交換相互作用よる低保磁力の強磁性層１の保磁力よりも十分大きく、磁場６の印加により低保磁力の強磁性層１の磁化は膜面内で磁場方向に向く。
【０１１３】
この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【０１１４】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場（ＨＥ）が誘起される。
【０１１５】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層の磁化を書きこむことが可能である。
【０１１６】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【０１１７】
高保磁力の強磁性層の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【０１１８】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【０１１９】
本実施例では、反強磁性層５０を備えているので、磁極１０からの磁場６が印加されていないときにおいても、低保磁力の強磁性層１の磁化は、膜面内の一方向にしっかりと固定されている。それゆえ、高保磁力の強磁性層３の磁化を読み取る場合に、低保磁力の強磁性層１の磁化の影響による読み取りノイズを低減することが可能である。
【実施例７】
【０１２０】
図１２に示すように、磁気記録媒体７０は、基板１００上に、軟磁性層１８、反強磁性層５０、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されている。金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。
【０１２１】
ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。反強磁性層５０により、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は一方向に固定されているが、実施例４と同様に、反強磁性層５０と低保磁力の強磁性層１との間にさらに強磁性層、非磁性層を設け、交換相互作用により低保磁力の強磁性層１の磁化方向を一方向に固定してもよい。
【０１２２】
また、磁場非印加時の低保磁力の強磁性層１の磁化方向は面内方向を向いていてもよい。レジストパターニング、イオンミリング、レジスト除去によるリソグラフィーにより、図１２に示すように、保護膜４、高保磁力の強磁性層３、非磁性層２はドット状にパターニングされており、柱状のナノピラー６０、６１が形成されている。
【０１２３】
ここで、反強磁性層５０の層までパターニングしてもよいが、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、反強磁性層５０は必ずしもパターニングされていなくても良い。また、ナノピラーはさらに複数個あってもよく、各ピラーが情報の記憶単位となっている。図１３にこのナノピラー媒体の一部の鳥瞰図を示す。
【０１２４】
また図１４に、他のナノピラーの形成例を示す。各ピラー間は、アルミナ等の絶縁体もしくはSi等の半導体により間隙が埋められていても良い。
【０１２５】
次に、例えばナノピラー６１の保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加する。ここで、印加磁場６は、交換相互作用よる低保磁力の強磁性層１の保磁力よりも十分大きく、磁場６の印加により低保磁力の強磁性層１の磁化は磁場方向に向く。
【０１２６】
この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、ナノピラー６１の多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【０１２７】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場（ＨＥ）が誘起される。
【０１２８】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層３の磁化を書きこむことが可能である。
【０１２９】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【０１３０】
高保磁力の強磁性層３の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【０１３１】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【０１３２】
本実施例では、反強磁性層５０を備えるので、磁極１０からの磁場６が印加されていないときにおいても、低保磁力の強磁性層１の磁化は、膜面内の一方向にしっかりと固定されている。それゆえ、高保磁力の強磁性層３の磁化を読み取る場合に、低保磁力の強磁性層１の磁化の影響による読み取りノイズを低減することが可能である。
【実施例８】
【０１３３】
図１５に示すように、基板１００上に、反強磁性層５０、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、保護膜４が形成されており、金属探針５と多層膜４１との間は電圧−Ｖ0を印加できるようになっている。ここで保護膜４は例えばAuのような非磁性物質である。反強磁性層５０により、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は一方向に固定されている。
【０１３４】
実施例４と同様に、反強磁性層５０と低保磁力の強磁性層１との間にさらに強磁性層、非磁性層を設け、交換相互作用により低保磁力の強磁性層１の磁化方向を一方向に固定してもよい。なお、実施例７と異なり、高保磁力の強磁性層３の磁化方向は、膜面内方向を向いている。
【０１３５】
レジストパターニング、イオンミリング、レジスト除去によるリソグラフィーにより、図１５に示すように、保護膜４、高保磁力の強磁性層３、非磁性層２はドット状にパターニングされており、柱状のナノピラー６０、６１が形成されている。
【０１３６】
ここで、反強磁性層５０の層までパターニングしてもよいが、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３、反強磁性層５０は必ずしもパターニングされていなくても良い。また、ナノピラーはさらに複数個あってもよく、実施例７と同様に、各ピラーが情報の記憶単位となっている。
【０１３７】
図１６に、他のナノピラーの形成例を示す。各ピラー間は、アルミナ等の絶縁体もしくはSi等の半導体により間隙が埋められていても良い。
【０１３８】
次に、例えばナノピラー６１の保護膜４の表面に金属探針５を近付け、磁極１０から印加磁場６、および多層膜４１と金属探針５との間に電圧−Ｖ0を印加する。
【０１３９】
ここで、印加磁場６は、交換相互作用よる低保磁力の強磁性層１の保磁力よりも十分大きく、磁場６の印加により低保磁力の強磁性層１の磁化は磁場方向に向く。この時、実施例１と同様に、多層膜４１中のフェルミ準位近傍の電子は、ナノピラー６１の多層膜中に閉じ込められ、量子井戸状態を形成する。保護膜４の表面に金属探針５を近付け、スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、保護膜４と金属探針５のイメージポテンシャルが重なりあい、量子井戸電子を閉じ込めている実効的なポテンシャルが変形する。
【０１４０】
保護膜４の表面におけるとじ込めポテンシャルが変化すると、量子井戸電子を閉じ込める境界条件が変化するため、量子井戸電子のエネルギー準位が変化する。この量子井戸準位のエネルギーが変化することにより、高保磁力の強磁性層３および低保磁力の強磁性層１との間の磁気的交換相互作用が変化し、交換磁場（ＨＥ）が誘起される。
【０１４１】
ただし、電界非印加時の強磁性層間に働く磁気的交換相互作用はほぼ０となるように非磁性層２の膜厚を設定している。外部磁場Ｈおよび金属探針による電圧−Ｖ0を印加することにより、Ｈｃ２＜Ｈ＋ＨＥを満たす高保磁力の強磁性層３に対し、外部磁場Ｈのみでは書き込めない高保磁力の強磁性層の磁化を書きこむことが可能である。
【０１４２】
高保磁力の強磁性層３には磁気異方性による保磁力があるため、金属探針５や外部磁場６を除いても、書き込まれた磁化方向は保持される。
【０１４３】
高保磁力の強磁性層３の磁化の書き換えすなわち磁化反転をするためには、外部磁場の印加方向を逆にし、同極の電圧−Ｖ0を印加することにより可能となる。印加磁場Ｈにより、低保磁力の強磁性層１の磁化方向は印加磁場方向にそろうものの、高保磁力の強磁性層３の磁化方向をさせるには至らない。
【０１４４】
スイッチ１２をオンすることにより電圧−Ｖ0を印加すると、低保磁力の強磁性層１と高保磁力の強磁性層３の磁化が平行になるように交換磁場が誘起され、高保磁力の強磁性層３にはＨ＋ＨＥの磁場が印加されるため、磁化方向を書き換えることができる。
【０１４５】
本実施例では、反強磁性層５０を備えるので、磁極１０からの磁場６が印加されていないときにおいても、低保磁力の強磁性層１の磁化は、膜面内の一方向にしっかりと固定されている。それゆえ、高保磁力の強磁性層３の磁化を読み取る場合に、低保磁力の強磁性層１の磁化の影響による読み取りノイズを低減することが可能である。
【実施例９】
【０１４６】
図１７に、本発明の実施例９に相当する磁気記録装置の構成概要を示す。前述の各実施例で説明した多層膜４１、例えば、反強磁性層５０、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３および保護膜４から成る多層膜４１を、円板状の記録媒体４２として形成する。
【０１４７】
多層膜４１に対向して設けられる金属探針５はアーム４３の先端部に設けられたスライダー４５の下部に取り付けられる。図１８に示すように、スライダ４５中に埋め込まれていてもよい。
【０１４８】
ここで、図１９は図１８のスライダ４５の断面２００−２０１における金属探針５および磁極１０を示している。ここで、金属探針５は、多層膜４１に対向する方向が先鋭化する金属薄膜となっており、これがスライダ４５中の絶縁部２０２中に埋め込まれているものである。
【０１４９】
図１７において、４４はアーム４３の回転支持軸であり、アーム４３はアーム制御用モータ１６３により位置制御される。円板状の記録媒体４２を、スピンドルモータ１６１により回転軸１６０を中心に回転させると、通常の磁気ディスク装置と同様、スライダー４４は所定の距離だけ浮上する。したがって、金属探針５は多層膜４１に対向して、ほぼ一定の距離をもって多層膜４１に対向配置される。
【０１５０】
円板状記録媒体４２の基板表面と、金属探針５との間にアーム４３を介して電圧および磁場を印加することにより、実施例１から８で説明したと同様に、多層膜４１に磁化方向のドメインとして情報を記録させることができる。
【０１５１】
ここで、多層膜４１、回転軸１６０、および絶縁支持台１６２上に支持されているスピンドルモータ１６１は導電性がありかつ電気的に接続されており、スピンドルモータ１６１もしくは回転軸１６０と接続された信号電流線１７０により電圧印加、トンネル電流検出を行うことができる。
【０１５２】
回転軸１６０部分から信号電流線１７０をとる場合は、スピンドルモータ１６１と回転軸１６０とは電気的に絶縁されていてもよい。
【０１５３】
書き込みデータはデータ信号処理装置１６７から書き込み制御信号１７５として電圧印加装置１６４に出され、電圧印加装置１６４は探針電圧１７４を探針５と多層膜４１との間に印加する。磁化情報の読み出しは、金属探針５と円板状記録媒体４２との間に流れるトンネル電流の大小によって読み取ることが可能である。
【０１５４】
これは、実施例２で述べたように、二つの強磁性層の相対的な磁化方向が平行か、反平行かによって、生じる量子井戸状態が異なるため、その量子準位のエネルギーすなわち記録領域の状態密度が磁化方向の平行、反平行で異なるためである。この状態密度の違いを金属探針５と円板状記録媒体４２との間に流れるトンネル電流の変化により読み取ることで、磁化方向を検出することが可能である。
【０１５５】
トンネル電流を流すための手段およびこれを検出する手段については、例えば、探針５と多層膜４１との間に電圧を印加し、これに応じて流れる電流を検出するものとすれば良い。なお、磁化情報の検出には、実施例３で述べたように、GMR素子やTMR素子等による磁気抵抗変化、磁性探針の変位を利用しても良い。
【０１５６】
信号電流１７０は、電流増幅検出装置/サーボ信号生成装置１６５により読み取られる。読み取りデータ信号１７６は、データ信号処理装置１６７で信号処理され、必要に応じて入出力される。
【０１５７】
また、電流増幅検出装置/サーボ信号生成装置１６５は検出されたサーボパターンからサーボ信号１７１を生成し、アーム４３のトラック位置を制御をすることが可能である。
【０１５８】
以上述べたように、多層膜４１に対して金属探針５の電位を記録すべき信号に対応して制御し、トンネル電流等により書き込まれた磁化方向を検出すれば、一般の磁気ディスク装置と同様の磁気記録装置が実現できる。
【実施例１０】
【０１５９】
図２０に、本発明の実施例１０に相当する磁気記録装置の構成概要を斜視図で示す。図２０に示す円板状記録媒体４２は、図１４、１６に示した記録媒体と同様に、反強磁性層１８、低保磁力の強磁性層１、非磁性層２、高保磁力の強磁性層３および保護膜４から成る多数のナノピラー６０、６１で構成され、これらナノピラーが記録媒体の記憶単位を構成し、その他の構成要素は実施例９と同じである。
【０１６０】
図２０中は、円板状記録媒体４２の一部領域４６を拡大した領域４７にナノピラー４８が回転中心４９の周りに同心円上に配置されている状態を模式的に示す。
【０１６１】
アーム４３の先端に取り付けられたスライダー４５による揚力で金属探針５は円板状記録媒体４２と一定の間隔を維持するものであり、金属探針５は所望の位置のナノピラー４８に磁化を書き込むことが可能である。
【０１６２】
一方、金属探針５によりナノピラー４８に書き込んだ磁化は、実施例９と同様に、トンネル電流の変化や磁気抵抗素子により読み取ることが可能である。
【０１６３】
また、図２１は、トラック位置１５３に対してわずかずつずれたサーボ用ナノピラーパターン１５２におけるサーボ信号強度のトラック位置依存性を示している。
【０１６４】
サーボ信号は金属探針５とナノピラー１５２との間に流れるトンネル電流や磁気抵抗素子による抵抗変化を用いることができる。このようなサーボ信号強度のトラック位置依存性を用いて、トラック位置制御をすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】実施例１の磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図２】実施例１の、多層膜４１中の量子井戸状態を示す図。
【図３】実施例１の、表面ポテンシャル障壁高さの関数としての磁気的交換相互作用エネルギーの計算例を示す図。
【図４】実施例２の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図５】実施例２の、スライダ３０の構成を示す図。
【図６】実施例３の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す概念図。
【図７】実施例３の、スライダ３０の構成を示す図。
【図８】実施例３の、スライダ３０の構成を示す図。
【図９】実施例４の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図１０】実施例５の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図１１】実施例６の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図１２】実施例７の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図１３】実施例７の、磁気記録媒体７０をドット状にパターニングした例を示す図。
【図１４】実施例７の、磁気記録媒体７０をドット状にパターニングした例を示す図。
【図１５】実施例８の、磁気記録媒体７０とこれに対面して設けられる金属探針５、磁極１０の構成を示す図。
【図１６】実施例８の、磁気記録媒体７０をドット状にパターニングした例を示す図。
【図１７】実施例９の、回転記録媒体の構成を示す図。
【図１８】実施例９の、スライダの構成を示す図。
【図１９】実施例９の、スライダの構成を示す図。
【図２０】実施例１０の、回転記録媒体の構成を示す図。
【図２１】実施例１０の、回転記録媒体のサーボパターンを示す図。
【符号の説明】
【０１６６】
１…低保磁力の強磁性層、２…非磁性層、３…高保磁力の強磁性層、４…保護膜、５…金属探針、６…印加磁場、７…書き込み領域、８…磁場印加領域、９…誘起交換磁場、１０…磁極、１１…スイッチ、１２…スイッチ、１３…電流計，１４…量子井戸状態、１５…量子井戸状態、１６…量子井戸状態、１７…量子井戸状態、１８…軟磁性層、１９…コイル、２０…検出用金属探針、針、２５…反強磁性層、２６…強磁性層、２７…非磁性層、３０…スライダー、３１…GMR/TMR素子、３２…磁性探針、３３…カンチレバー、３４…半導体レーザー、３５…レーザー光、３６…光検出素子、４１…多層膜、４２…円板状記録媒体、４３…アーム、４４…アーム回転軸、４５…スライダー、４６…記憶媒体の一部、４７…記憶媒体４６の拡大部、４８…ナノピラー、４９…媒体回転軸、５０…反強磁性層、５１…強磁性層、５２…非磁性層、６０、６１…ナノピラー、７０…磁気記録媒体、１００…基板、１５２…サーボ用ナノピラー、１５３…トラック位置、１６０…回転軸、１６１…スピンドルモータ、１６２…絶縁支持台、１６３…アーム制御用モータ、１６４…電圧印加装置、１６５…電流増幅検出/サーボ信号生成装置、１６７…データ信号処理装置、１７０…信号電流、１７１…サーボ信号、１７４…探針電圧、１７５…書き込み制御信号、１７６…読み取りデータ信号、２００，２０１…スライダ断面、２０２…絶縁部。
【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】
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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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