(57)【要約】【課題】直線状の線路の中を磁気ソリトンが伝搬するのに必要な磁界は比較的に小さいのに、方向の変化、接合および論理ゲートは隣接するソリトンの間に弱い結合を生ずる。その結果生ずるエネルギの不連続は高い伝搬磁界を必要とし、伝搬磁界と核生成磁界との間の分離を小さくし、新しいソリトンを誤って核生成するという問題が生じる。【解決手段】磁気ソリトンを保持および伝搬することができる少なくとも１つのコンジットによって形成された論理デバイスのための磁気論理素子が開示される。このコンジットは、ソリトンの伝搬エネルギの中に不連続を生ずるノードおよび／または方向の変化の供給に対して適応され、結果として論理機能が処理される。相互接続体およびゲートのような磁気論理デバイスおよびこのようなデバイスや適切な演算磁界を組み込んだ磁気論理回路がまた開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ソリトンを保持および伝搬することができる少なくとも１つのコンジットを有する論理デバイスのための磁気論理素子であって、論理機能が処理される結果としてソリトンの伝搬エネルギの中に不連続を生ずるノードおよび／または方向の変化を備えることによって前記コンジットがさらに適合される磁気論理素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気論理素子において、ソリトンの核生成磁界がソリトンの伝搬磁界の少なくとも２倍であるように前記コンジットが構成される磁気論理素子。
【請求項３】
請求項２記載の磁気論理素子において、前記ソリトンの核生成磁界が前記ソリトンの伝搬磁界の少なくとも３倍である磁気論理素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記ソリトンの核生成磁界が前記ソリトンの伝搬磁界の10倍を越えない磁気論理素子。
【請求項５】
請求項４記載の磁気論理素子において、前記ソリトンの核生成磁界が前記ソリトンの伝搬磁界の４倍と３倍との間にある磁気論理素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記磁気コンジットが磁性材料の連続したトラックとして作成される磁気論理素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記磁気コンジットが磁性材料の離散した領域を有し、前記離散した領域が隣接する領域の間の磁気的結合が確実に得られるように十分に小さな間隔距離を有してアレイに配置される磁気論理素子。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記トラックの幅が 200ｎｍ以下である磁気論理素子。
【請求項９】
請求項８記載の磁気論理素子において、前記トラックの幅が 100ｎｍ以下である磁気論理素子。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記トラックの厚さが５ｎｍと20ｎｍとの間にある磁気論理素子。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気論理素子において、前記トラックの厚さが５ｎｍと10ｎｍとの間にある磁気論理素子。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の磁気論理素子において、パーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）またはＣｏＦｅから選定された軟磁性材料で作成される磁気論理素子。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記コンジットが非磁性体の基板の上に作成された磁性材料を有する磁気論理素子。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記コンジットがそれに沿っての方向の変化またはノードにおいて伝搬エネルギが少なくとも１つの不連続を有し、伝搬方向における前記不連続の前に遷移領域が備えられ、ここで前記遷移領域の中の磁気的性質が前記不連続に対して伝搬エネルギの徐々の遷移を得るのに適合している磁気論理素子。
【請求項１５】
請求項１４記載の磁気論理素子において、前記遷移領域が前記コンジットの磁性材料体の厚さの変化および前記コンジットの幅の変化および前記コンジットが離散した磁気領域を有している場合には前記離散した磁気領域の間隔距離または寸法の変化を別々にまたは組み合わせて用いる磁気論理素子。
【請求項１６】
請求項１４または請求項１５に記載の磁気論理素子において、前記コンジットの隣接する領域の間のソリトンの伝搬エネルギの変化が前記遷移領域の中で５％ないし20％の程度であるように前記コンジットが構成される磁気論理素子。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の磁気論理素子において、前記伝搬の面の中で等方的な磁気的性質を備えた１つまたは多数の離散した磁気領域を有する磁気論理素子。
【請求項１８】
請求項１ないし請求項１７のいずれかによる少なくとも１つの磁気論理素子を有する磁気論理回路のための磁気論理相互接続体。
【請求項１９】
請求項１ないし請求項１７のいずれかによる少なくとも１つの磁気論理素子を有する磁気論理回路のための磁気論理ゲート。
【請求項２０】
請求項１８による複数個の磁気論理相互接続体および請求項１９による磁気論理ゲートを有する磁気論理回路。
【請求項２１】
請求項２０記載の磁気論理回路において、制御された駆動磁界を提供するための装置をさらに有する磁気論理回路。
【請求項２２】
請求項２１記載の磁気論理デバイスにおいて、前記制御された駆動磁界が時計回り方向または反時計回り方向のクロック磁界として予め定められたシーケンスで動作する２つの直角方向の磁界を有する磁気論理デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気量子セルラ・オートマタ（ＭＱＣＡ(magnetic quantum cellular automata)）の性質を用いた論理デバイスおよび論理回路のための論理素子を提供することに関する。さらに詳細に言えば、本発明はこのような論理素子および論理デバイスの設計およびこのような素子を用いた論理回路の設計と動作のためのアーキテクチャに関する。
【０００２】
マイクロチップの中のトランジスタの数は、過去30年にわたって18ケ月ごとに２倍になっている。この現象は「モーア(Moore) の法則」として知られている。この指数関数的な増大は、小さな粒子に関連する基本的な物理現象のためにいつまでも保持することは困難である。半導体メモリの産業界で既に考えられている１つの選択は、マイクロ電子デバイスの中にナノメートルの寸法の磁気粒子（「ナノ磁石」）を組み込むことである。けれども、コンピュータ・システムはメモリを必要とするだけではなく、また情報を処理する能力をも必要とする。通常は、この情報を処理する能力は電子論理デバイスによって達成される。
【０００３】
論理機能を磁気によって実行するために用いることができるナノ磁石で構成された新しいデバイスのアーキテクチャが提案されている（カウバーン(Cowburn) およびウエランド(Welland）、サイエンス(Science) 、第287巻、1466頁−1468頁）。これらのいわゆる磁気量子セルラ・オートマタ（ＭＱＣＡ）デバイスは、従来のマイクロ電子装置よりも集積度が潜在的には40,000倍も高く、しかし一方において、電力の消費は数分の１である。
【０００４】
前記文献に開示されている磁気論理システムは、磁気ナノドットのアレイを記述し、そして情報を伝送するのに磁気ソリトンを用いている。磁気ソリトンは、単に、１つの方向からまた別の方向に半ば急激な遷移でありかつ移動可能な遷移である。このような磁気論理システムの中の任意の部品には２つの重要なパラメータが関係している。すなわち、そのソリトンの伝搬磁界とそのソリトンの核生成磁界である。ソリトンの伝搬磁界は、論理部品の中を通ってソリトンが自由に移動するために加えなければならない磁界の強度である。それは、ソリトンが移動する時に受ける抵抗の大きさの目安であり、そして力学的なシステムにおける（静的な）摩擦に類似している。ソリトンの核生成磁界は、論理部品の中に１対のソリトンを自発的に生成するために加えなければならない磁界の強度である。このようなソリトンの自発的な生成は好ましくない。それは、誤った論理状態が生成されることにつながるからである。ソリトンの核生成は、電子システムにおける電気的なブレーク・ダウンに類似している。
【０００５】
理想的な磁気論理デバイスでは、伝搬磁界がゼロに非常に近く（ソリトンは完全に自由に伝搬し、その移動に対してなんの抵抗も受けない）そして核生成磁界は非常に高い（エラーが生成することは非常に困難である）であろう。現実のすべての磁気論理部品の良さの指数は、ソリトンの伝搬磁界と核生成磁界との間の磁界の分離である。すなわち、新しいソリトンを誤って核生成することなく、現存するソリトンを伝送するのに十分に強い磁界を加えることが可能でなければならない。伝搬磁界と核生成磁界との間の分離が大きければ大きい程、デバイスが許容することができる製造上の許容度の配分がますます大きくなる。
【０００６】
実際的な論理デバイスを得るために、デバイスを作成するために要求される相互接続体および論理ゲートに対する実際的なアーキテクチャを開発することが必要である。カウバーンおよびウエランドの前記文献では、ソリトンは磁気ナノドットによって構成される隣接する離散した磁気領域の間の結合によって、デバイスの中のトラックに沿って伝搬する。直線状の線路の中をソリトンが伝搬するのに必要な磁界は比較的に小さいのに、方向の変化、接合および論理ゲートは隣接するソリトンの間に弱い結合を生ずるであろう。その結果生ずるエネルギの不連続は高い伝搬磁界を必要とし、伝搬磁界と核生成磁界との間の分離を小さくし、そして前記で説明した問題点を生ずる。これらの不連続は、前記文献のＭＱＣＡの不連続な構造体では悪化する。
【０００７】
本発明は、前記の問題点を軽減するために、伝搬磁界と核生成磁界の間の分離を最大限にする論理デバイスの磁気論理素子のためのアーキテクチャを得ることを探求する。
【０００８】
本発明により、磁気ソリトンを保持および伝搬することができる少なくとも１つのコンジット（経路：conduit）を有する論理デバイスの磁気論理素子が得られる。ここで、ノードおよび／または方向の変化を備えることによってコンジットがさらに適合化され、その結果として論理機能を処理することができる。
【０００９】
本発明により、磁気ソリトンはコンジットに沿って伝搬する。コンジット構造体の中に組み込まれたノードおよび／またはコーナは伝搬エネルギの中に不連続を生ずるであろう。そしてソリトンが伝搬する時、要求された論理機能を生ずるためにこれらの不連続を活用することができる。
【００１０】
このことが可能であるために、磁気コンジットはソリトンを保持することと伝搬できることとの両方を可能にしなければならない。コンジットの磁気的性質はこのようでなければならなく、したがって、コンジットはこのことが起きることが可能なように構成されなければならない。したがって、効果的に機能するためには、ソリトンの伝搬磁界はソリトンのどのような自発核生成磁界よりも大幅に小さいことが必要である。特に、産業界で存立できるデバイスを製造するためには、ソリトンの核生成磁界はソリトンの伝搬磁界の少なくとも２倍でなければならなく、そしてさらに好ましくは少なくとも３倍でなければならない。
【００１１】
ソリトンの伝搬の考察だけではこの比に関して上限を設定することはないが、大きな磁界を加えることによって、ゲートのような一定の論理デバイスをリセットすることが望ましい場合が存在することが下記の例から分かるであろう。この機能のために、リセットする磁界がソリトンの核生成磁界を越えることが必要である。したがって、このようなデバイスに対して、ソリトンの核生成磁界はソリトンの伝搬磁界の10倍を越えないことが好ましい。その好ましい範囲は４倍ないし６倍であるであろう。
【００１２】
ノードまたはコーナの形式のエネルギの不連続をコンジットそれ自身の中に組み込むことは、論理機能がコンジットの構造体と一体化することを意味し、そして例えば従来のシステムの中で用いられるであろうコンジットの銅とデバイスの半導体材料との間の区別をすることを必要としないで、磁気論理素子それ自身が例えばゲートまたは相互接続体を有することを意味する。
【００１３】
コンジットは実効的にデバイスを形成する。そこでは、ノードおよび分枝で生ずる伝搬エネルギの変化だけにより、コンジットがデバイスになるのである。このことは、カウバーンおよびウエランドによって提案された構造体を大幅に越えた１つの進歩を表す。カウバーンおよびウエランドの前記文献では、コンジットは磁気ソリトンの伝搬に関してある程度の機能性を有していた。本発明により、方向の変化およびノードは、コンジットの構造体と一体化した特定の論理機能の形式の中でまた別の機能性を与える。さらに、前記文献とは異なって、本発明はまた、ソリトンを生成および保持するためのコンジットを形成するために、材料の離散した磁気領域（ナノドット）を生成する必要がないという驚くべきそして重要なことを実現する。
【００１４】
本発明により、磁気コンジットは磁気ソリトンを保持および伝搬することができるアーキテクチャを有することだけが必要である。このようなアーキテクチャは、離散した磁気領域または半連続な磁気領域または磁性材料の連続したトラックを有することができる。
【００１５】
したがって、磁気コンジットは磁性材料の離散した領域のアレイの形式を取ることができる。ここで、これらの離散した領域がアレイの中で配置する間隔距離は十分に小さく、それにより隣接する領域の間の磁気的結合を確実に得ることができる。例えば、カウバーンおよびウエランドの前記文献に説明されているように、アレイのおのおのは磁性材料の離散したドットのチェーンを有することができる。これらのドットは、円形の形状や楕円形の形状またはそれらを組み合わせた形状を有することができる。したがって、この場合のソリトンは２つの隣接する領域の間の磁化の不連続によって形成される。このような領域は、ソリトンの伝搬を容易にするために静磁気的結合を利用する。
【００１６】
またはそれとは異なって、磁気コンジットは隣接する磁気領域と境を接した磁気領域を有することができる。この隣接する磁気領域と境を接する磁気領域の形状は、六角形などのような幾何学的形状であることができる。またはそれとは異なって、磁気コンジットは、例えば磁区（ドメイン）構造を制御することによって伝搬領域を実効的に形成することにより、磁性材料の連続したトラックとして作成することができる。これらの２つの場合には、（材料的にではなく）機能的に離散した領域の間の磁気交換結合が伝搬を容易にする。ソリトンが磁性材料のトラックに沿って伝搬する時、ソリトンは実効的に磁壁（ドメイン・ウォール）である。前記で説明した場合を組み合わせたものを用いることもできる。
【００１７】
多くの応用に対して、連続したトラックは特に好ましい。実際、もし本発明によるソリトンの保持および伝搬に対して連続したトラックのアーキテクチャを適切に作成することができるならば、製造の容易さの点は別として、それは好ましいであろう。
【００１８】
このようなトラックの幅は 200ｎｍ以下であることが好ましく、 150ｎｍ以下であることがさらに好ましく、そして最も好ましいのは 100ｎｍ以下である。任意に与えられた論理素子の中のトラックの幅は、例えば磁気論理素子の中の伝搬およびエネルギの不連続を生ずるまたは軽減するために、一定であることができる、または急激にまたは徐々に変わることができる。
【００１９】
トラックの全体の厚さは５ｎｍと20ｎｍの間であることが好ましく、５ｎｍと10ｎｍの間であればさらに好ましい。５ｎｍ以下である場合には、材料の不整合や製造上の困難が大きくなるであろう。そして10ｎｍ以上の場合には、パワーの要求が大きくなるであろう。再び、厚さは与えられた任意の磁気論理素子または磁気論理デバイスの中のトラックの長さにわたって一定であることができる、またはトラックに沿っての伝搬エネルギの不連続を導入または軽減するために、厚さが急激にまたは徐々に変化することができる。
【００２０】
それとは異なって、コンジットは磁性材料のドットのアレイを有することができる。これらのドットのおのおのの幅は 200ナノメートルまたはそれ以下であり、そして 100ナノメートルまたはそれ以下であることが好ましい。
【００２１】
これらの磁気素子は、パーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）またはＣｏＦｅのような軟磁性材料で作成されることが好ましい。
【００２２】
コンジットの磁性材料は基板、例えばシリコンのような材料の基板の上に作成することができる。
【００２３】
ここで論理デバイスの素子または論理デバイスまたは論理回路の素子は、効果的な論理に基づくシステムを作成するのに必要であるとして当業者に周知であるすべての回路素子またはデバイスに拡張できる、特に直線状の相互接続体、コーナ、分岐した相互接続体および接合、およびＡＮＤゲートやＯＲゲートおよびＮＯＴゲートのような論理ゲートを含む相互接続体を有する群から選定されたデバイスまたは回路素子に拡張できると解釈されるべきである。これらから製造される論理回路は、前記のデバイスまたは素子のいくつかまたは全部から選定された複数個の素子を通常の方式で適切に配置して有することができる。
【００２４】
ここで、伝搬エネルギは、前記で説明した磁気コンジットを通してソリトンを伝搬するのに必要であるエネルギである。一定の構成および一定の厚さの連続したトラックの中で、または同じ材料、同じ寸法、同じ間隔距離および同じ厚さの磁気ナノドットの線形のアレイのような同等な性質の磁気領域の線形のアレイの中で、隣接する領域の間に有効な磁気的結合を生ずるために必要なエネルギである伝搬エネルギは通常は一定であるであろう。有効な相互接続体およびゲートを生成するために、厳密な線形性からの偏差が、ノード、接合およびコンジットの方向の変化を備えることを通して必要であるであろう。このことは、トラックに沿った効果的な結合またはこの場合のようにナノドットの間の効果的な結合を小さくする傾向があり、そしてソリトンを伝搬するのに要求されるエネルギを増大する傾向があるであろう。ここで、伝搬エネルギの不連続は、論理相互接続体およびゲートおよびこれらの同等のものにおいて本発明に従って用いられるこのような非線形性から必然的に生ずる不連続である。
【００２５】
このような不連続は、ソリトンがこのような不連続を横切って伝搬することに対して結果として大きなエネルギ障壁を生ずると期待されるであろう。伝搬エネルギは必然的に大幅に増大し、その結果伝搬エネルギと核生成エネルギとの間の分離が小さくなるであろう。極端な場合には、核生成が迷走する現象を起す傾向があるかも知れなく、したがってこの論理デバイスを磁気的にブレークダウンさせる傾向がある可能性もある。
【００２６】
もし必要ならば、遷移領域が備えられる本発明の１つの実施例においてこのことを処理することができる。この実施例では、コンジットは方向の変化またはノードにおいて、それに沿っての伝搬エネルギに少なくとも１つの不連続点を含み、そして伝搬方向の不連続点の前に遷移領域が備えられる。ここでこの遷移領域の磁気的性質は、不連続点に対して伝搬エネルギが徐々に遷移することが得られるように適合している。
【００２７】
この実施例では、少なくとも要求された伝搬方向において、不連続点の前に遷移領域を備えることによってこの不連続点の効果が非常に小さくなる。このことにより、複数のこのような領域にわたってエネルギの不整合を拡散させることにより、２つの隣接する磁気領域の間のエネルギの不整合の勾配が小さくなる。このことは、任意の２つの隣接する領域の間のエネルギ障壁を越えてコンジットに沿ってソリトンが伝搬するのに満足なエネルギを与えるのに十分であるまでに、動作するデバイスの中の伝搬エネルギを高くするだけでよいということが実現されることを利用する。遷移領域の使用は、不連続点に接近する任意の与えられた点におけるエネルギの最大の不整合値を小さくし、したがって伝搬エネルギが減少し、そして伝搬エネルギと核生成エネルギとの間の効果的な大きな分離を保持し、そして好ましくない核生成のような現象が起こるのを最小限にする。
【００２８】
当業者には、効果的な結合が減少しそしてその結果として伝搬エネルギの増大が起こるであろうという、これらの非線形の筋書きは容易に理解されるであろう。これらは、相互接続体および接合および論理ゲートにおける他の機能領域の中の方向の変化、交差およびファン・アウトを含むであろう。もしこれらの点における不連続がソリトンの伝搬エネルギとソリトンの核生成エネルギとの間の差に比べて非常に大きいならば、誤った核生成の現象に導くことがあり、その場合には遷移領域を備えることは好ましいかも知れない。実際には、離散した磁気ナノドットのアレイを有するコンジットに関して、特にこのことが起こることが分かった。けれども、大部分の場合には、特に連続したトラックが用いられる場合には、もし伝搬エネルギと核生成エネルギとの間の差が十分に大きく保持されているならば、ノードまたはコーナによって形成される伝搬エネルギの不連続点の前に遷移領域は必要ではないであろうということが分かった。それは、伝搬エネルギそれ自身が、核生成が迷走することにより起こる危険が作動することはなく、ソリトンが不連続点を横切って十分に伝搬するであろうからである。
【００２９】
もし遷移領域が備えられるならば、基礎をなす磁性材料の性質を変更することにより、またはコンジットに沿っての磁性材料の間の形状および構成の特性を変更することにより、エネルギの除々の遷移を得るように適合させることができる。簡単さの点では、この後者の実施例が非常に好ましい。
【００３０】
不連続点の前のこのような遷移領域において、伝搬エネルギの徐々の変化を生ずるために多数のまた別の実施例を別々にまたは組み合わせて用いることができる。ナノドットのような離散した磁気領域の場合には、伝搬の面に垂直な方向の間隔距離や寸法および厚さの変化を用いることができる。遷移領域の中の隣接する磁気領域が、伝搬の面に垂直な方向の厚さが徐々に変化する方法により、不連続点の前にエネルギが徐々に遷移することを得ることが好ましい。厚さが増大すると、ソリトンのエネルギが増大する。部分的に重なり合った磁気領域が用いられる場合には、前記のいずれかの変化または重なりの程度の変化を考えることができる。連続した磁気トラックが用いられる場合には、伝搬の面に垂直な方向にトラックの厚さを変えることができる、またはトラックの幅を変えることができる。この場合には、トラックの幅を徐々に変えることによってエネルギの徐々の遷移を得るために、遷移領域の中の隣接する領域を適合させることが好ましい。トラックの幅が大きければ大きい程、ますます高いエネルギを伝えるであろう。
【００３１】
遷移領域の広がりは、デバイスの密度を最大にするために遷移領域の長さを小さく保ちたいという要求と、伝搬磁界の過剰な不連続を避けたいという要求との兼ね合いで決まる。隣接する領域の間のエネルギの変化は５％ないし20％の程度であることが好ましく、実質的に10％の付近で変化することが好ましい。伝搬の面に垂直な方向の磁性材料の厚さを変えることによってこの変化が達成される場合には、隣接する領域の厚さは５％と20％との間で変化することが好ましく、実質的に10％の付近で変化することがさらに好ましい。同様に、連続したトラックの幅を変えることによってこの変化が達成される場合には、隣接する磁気領域に適用できる幅は５％と20％との間で変化することが好ましく、実質的に10％であることがさらに好ましい。
【００３２】
一定の実施例では、磁気論理素子は伝搬の面の中で異方的な磁気的性質を有する１つまたは多数の離散した磁気領域を備えている。下記の詳細な説明から分かるように、隣接する領域の間の結合を増強するために、このことは多くの環境の中で好ましいであろう。この異方性は、着目している磁気領域における形状および構成を制御することによって導入されることが好ましい。磁気領域のアレイがドットのチェーンを有している実施例では、前記の異方的な性質はドットが楕円形であることによって達成される。大部分の目的に対しては、50エルステッドないし 200エルステッドの程度の異方的磁界が適切であるであろう。
【００３３】
本発明のさらに別の特徴により、磁気論理回路のための磁気論理相互接続体は、前記で説明したような少なくとも１つの素子を有する。本発明のさらに別の特徴により、磁気論理回路のための磁気論理ゲートは少なくとも１つの素子を有する。本発明のさらに別の特徴により、磁気論理回路は前記で説明したような複数個の適切に設計された磁気論理相互接続体および磁気論理ゲートを有する。
【００３４】
本発明のさらに別の特徴により、磁気論理デバイスは前記で説明したような磁気論理素子を有し、そしてさらに磁界を制御して駆動するための装置を有する。適切な任意の磁界を構想することができる。この装置は、予め定められたシーケンスで好ましくは交流である２つの直交する磁界から成り、そしてさらに好ましくは時計回りの方向または反対時計回りの方向のクロッキング磁界を形成する、制御された磁界を提供する。このようなデバイスでは、本発明の第１の特徴による磁気論理素子を配置することによって、ＯＲゲート、ＡＮＤゲート、ＮＯＴゲート、それらの適切な任意の組合わせ、またはその他の周知の任意の論理ゲートを適切な相互接続体と共に得ることができる。
【００３５】
このデバイスは、磁気論理デバイスをさらに大型の回路に用いることを可能にするために、適切な電気入力および／または電気出力をさらに有することができる。
【００３６】
次に、本発明の原理による磁気論理デバイス論理デバイスの動作の１つの例を説明する。この例を用いて、本発明の原理による図２ないし図１５に示された相互接続体おとび論理ゲートのようなデバイスの素子に対する例示されたアーキテクチャを示す。これらの図面のおのおのの場合において、ナノドットのアーキテクチャと連続したトラックのアーキテクチャとの両方（図面ではそれぞれａおよびｂの添字が付けられて示されている）に対して実施例が与えられている。
【００３７】
（発明を実施するための最良の形態）
添付されている図１から図１６までの例示の目的のための図面を参照する。
【００３８】
１つの例示される動作モードがまず説明される。次に、本発明による実際的な論理デバイスの例示されるアーキテクチャを開発するためにこの動作モードが用いられる。
【００３９】
（ｉ）  クロッキング
後で例示されるアーキテクチャを開発するために用いらた動作の例示されるモードにより、電源およびクロックの両方として作用する論理デバイスに磁界が加えられる。クロックは１つの周期当たりに６つの異なるフェーズを有する。図１は、これらのフェーズの概要を示した図である。
【００４０】
図１は、１つのクロックの周期の期間中におけるクロック磁界ベクトルの軌跡を極座標で示した図である。この磁界ベクトルは、フェーズ１において右を指し示す周期を開始する。その後、フェーズ２、フェーズ３およびフェーズ４を通って反時計回りに回転して進み、そしてフェーズ５で開始時の位置に戻る。これらの５つのフェーズはすべて一定の大きさを有する。フェーズ６では、大きく左を指し示す位置にジャンプし、そしてフェーズ１に戻る。
【００４１】
これらのフェーズは磁界の連続な回転として加えられることもできるし、または１つの方向から次の方向に不連続なジャンプとして加えられることもできる。最初の４つのフェーズは加えられた磁界を 360度回転させ、そして論理ネットワークのまわりでソリトンを伝搬させる役割を果たす。第５のフェーズおよび第６のフェーズは大きな磁界パルスを導入する。この大きな磁界パルスは、論理ゲートをそれらのデフォルト条件にクリアするために用いられる。図１から分かるように、クロックは定められた回転の向きを有している。図１に示された方向の順序の場合、この回転の向きは反時計回りである。時計回りの磁界の向きを有する論理システムであってもまた同じように動作することができる。次の（ｉｉ）節に示されるように、信号の経路選択ブロックおよび論理ゲートの設計の際には、このクロックの回転の向きは非常に重要である。
【００４２】
（ｉｉ）  アーキテクチャの設計工程
例示されている実施例では、本発明はカウバーンおよびウエランドの前記文献に開示されている形式の離散したナノドットを有する離散した磁気領域および連続したトラックに応用されるが、しかし前述のように離散的なドットであってもまたは部分的に重なったドットであってもまたは離散した領域が機能的に別の方法で備えられた連続したトラックであっても、本発明は例えば磁区の制御によって伝搬するソリトンを保持することができるコンジットを備えたすべての装置に応用することができる。ここで、磁壁が実効的にソリトンである。このことに関しては、図１６および図１７を参照されたい。ドットのおのおのに対して、アーキテクチャのブロックの設計の際に変えることができる３つのパラメータがある。すなわち、ドットの位置、ドットの厚さおよびドットの（一軸的な）異方度である。連続したトラックの場合には、トラックの幅の変化は厚さの変化に等価な効果を有し、そしてこのトラックの幅の変化は好ましいであろう。
【００４３】
離散した磁気ナノドットを有する現実のデバイスでは、正規には円形であるドットに対してわずかの楕円度を導入することによって異方度を変えることができる。すなわち、この楕円の主軸の方向は異方度の容易軸（この明細書では両端に矢印が付されて示されている）の方向を与え、そして副軸の長さに対する主軸の長さの比は異方度の強さ（この明細書では異方磁界Ｈuとして表されている）を与える。 100エルステッドの範囲の異方磁界を生ずるためには、10％の程度の楕円比で十分であるであろう。
【００４４】
次の２つの節において説明されるアーキテクチャのブロックのナノドットの例のおのおのにおいて、室温でソリトンの伝搬および核生成をシュミレートするために、数値的なモンテ・カルロ計算が実行された。その後、これらの計算を用いて、伝搬磁界を最小にしそして核生成磁界を最大にするように、ブロックのおのおのに対して示されたドットの位置、厚さおよび異方度が半最適化された。ドットがパーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）で作成されていると仮定して、付録１は、（ｉｖ）節および（ｖ）節に示されるアーキテクチャのブロックのおのおのに対する伝搬磁界および核生成磁界の計算結果を要約したものである。Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉのような他の磁性材料もまた用いることができる。大部分のブロックでは伝搬磁界は20エルステッド以下であり、そして核生成磁界は80エルステッド以上であることが注目されるであろう。したがって、クロック磁界の大きさを設定することができるこれらの２つの限界の間には、広い窓があるであろう。
【００４５】
下記で説明されるデバイス素子の特定の例では、ドットの公称の寸法は直径が 100ｎｍそして厚さが10ｎｍでピッチ 135ｎｍのメッシュの上に配置されていると仮定して、アーキテクチャのブロックのおのおのに対して異方度と厚さの値とが示される。本発明の特定の実施例は、異なる公称の厚さ、直径および間隔距離を用いることができる。この場合には、次の２つの節で与えられる異方度および厚さの値は再計算されることが必要であろう。
【００４６】
（ｉｉｉ）  論理基盤
「１」および「０」に基づく標準的なブール論理を用いて、この応用の中で示される実施例のアーキテクチャを説明する。与えられたドットの磁化方向と論理基盤との間に、２つの可能なマッピングが存在する。第１のマッピングは「絶対的な方向のマッピング」と呼ばれ、そして第２のマッピングは「相対的な流れのマッピング」と呼ばれる。
【００４７】
図２に示されている絶対的な方向のマッピングでは、それは論理状態を決定する磁化の絶対的な方向である。右方向に磁化した水平なチェーンまたはトラック部分は常に論理値「１」であり、そして左方向に磁化した水平なチェーンまたはトラック部分は常に論理値「０」である。同様に、この頁の上方向に磁化した垂直なチェーンまたはトラック部分は常に論理値「１」であり、そして頁の下方向に磁化した垂直なチェーンまたはトラック部分は常に論理値「０」である。このシステムの利点は、与えられたスピン方向をブール論理状態の用語で解釈することが非常に簡単であることである。このシステムの欠点は、４つの可能な相互接続コーナの中の２つが信号を反転する（図２を見よ）ことである。
【００４８】
相対的な流れのマッピング（図３）では、論理状態を決定するのは磁化の方向と信号の流れの方向との間の関係である。もし磁化が信号の流れの方向と整合しているならば、その時にはブール値「１」が結果として得られる。もし磁化が信号の流れの方向と反対ならば、その場合にはブール値「０」が結果として得られる。このシステムの利点は、（もしＮＯＴ機能がコーナにおいて明示して要求されないならば、−下記を見よ）コーナを回る時に論理状態が常に保存されることである。したがって、異なる論理ブロックを相互に接続することが非常に簡単である。相対的な流れのマッピングの欠点は、与えられたスピン方向をブール論理状態の用語で解釈するために少し推理力を働かせなければならないことである。また、信号の流れの方向を考慮に入れなければならない。
【００４９】
下記で説明される実施例に対して開発されたアーキテクチャは、相対的な流れのマッピングを仮定している。絶対的な方向のマッピングに変更することは論理システムの物理的な振舞いを変えるのではなく、論理素子を記述するのに用いられる名称を単に変えるだけである。
【００５０】
（ｉｖ）  信号のルーティング
（ａ）  直線的相互接続
信号のルーティングの最も簡単な形式は、図４に示されているように、直線状のコンジットを通してである。チェーンまたはトラックの性質が対称的であることは、ソリトンが左から右に伝搬するのと右から左に伝搬するのとの両方が同等によく起こることを意味する。
【００５１】
（ｂ）  単方向性相互接続
もしワイヤードＯＲ論理(wired-OR logic)が実施されるのでないならば、与えられた長さの相互接続体はそれを通して１つの方向にだけ流れる信号を有しなければならない。ソリトンが１つの方向にだけ流れることを許容するアーキテクチャの相互接続ブロックは、信号の正しい経路選択を確実に得るために有用である。図５は、本発明による磁気論理装置における信号の単方向的経路選択の基本原理を示した図である。
【００５２】
図５ａでは、ナノドットに基づくアーキテクチャについて厚さの勾配が与えられる。この厚さの勾配は、典型的には、ドット当たり１ｎｍの割合である。次に、厚さが急激に緩和して公称の厚さに戻る。ドットの厚さが増大する時、ソリトンのエネルギも増大する。図５ｂでは、連続したトラックに基づくアーキテクチャについて幅の勾配が与えられる。このトラックは一定の厚さを有するが、しかし幅は距離と共に変化し等価な効果を生ずる。次に、急激に減少して通常の幅に戻る。幅が増大する時、ソリトンのエネルギも増大する。
【００５３】
図５の中央に示されているように、このことは結果として増大した伝搬磁界を生ずる。しかし伝搬磁界は力に類似しており、そしてエネルギの勾配によって変化する。左から右への伝搬に対する伝搬磁界はなお比較的に低いレベルである。それは、勾配が緩やかであるためである。けれども、右から左への伝搬に対する伝搬磁界は高いレベルである。それは、厚さが急激に遷移することに伴って急峻な勾配が存在するためである。したがって、この相互接続体はダイオードのように振舞う。単方向性相互接続体のさらに有用な特徴は、伝搬磁界の大幅な増大を導入することなく、ソリトンのポテンシャル・エネルギを増大するのに用いることができることである。このことは、ファン・アウト（下記）のようなアーキテクチャのブロックの中で必要であり、またはクロス・ロード（下記）のようなブロックの中で必要である。ここで、ファン・アウトでは第２のソリトンを形成するためにエネルギをシステムの中に注入しなければならなく、そしてクロス・ロードではこのブロックの中のいくつかの点における弱い結合が厚いドットまたはさらに大きな厚さ／幅がさらに大きいトラックによって補償されなければならない。ソリトンの反射を防止するために単方向性が利用される場所での非対称コーナ（下記）で、厚さまたは幅の勾配がまた用いられる。
【００５４】
（ｃ）  終端された線路
コンジットが終端する時、終端の近傍の領域は異なる磁気的結合の環境を経験する。ドットのチェーンの場合には、端のドットは１つの最隣接のドットのみを有し、したがって他のドットのドット間結合の半分だけを経験する。このことはソリトン核生成に対する感受率を高くし、このことはチェーン全体の核生成の磁界を低下させる。したがって、ドットのチェーンの遊離端を正しく終端することが重要である。そのことを実行する最も簡単な方法は、図６ａに示されているように、本発明により、端のドットに対して異方性を導入することである。連続した線路の場合には、異なるアーキテクチャが可能であり、そして図６ｂに示されているように終端において針の先端にまで線路にテーパがつけられる。
【００５５】
（ｄ）  対称コーナ
図７は、信号がコーナを回ることができる最も単純な方法を示した図である。ソリトンが水平なチェ−ンまたはトラックに左から入り、そしてクロックのフェーズ１またはフェーズ３のいずれかの期間中にコーナに伝送され、そしてそれから次のクロック・フェーズで垂直なアームに直ちに伝送される。コーナ・ドットまたはコーナのトラック部分の構成に関する１軸的な異方性は、コーナの付近において磁束の伝送を助ける。
【００５６】
ドットの厚さまたはトラックの幅はコーナの中心に関して対称であり、したがって信号はいずれの方向にも同じようによく流れる。もしソリトンがコーナを進む向き（すなわち、時計回りの向きまたは反時計回りの向き）がクロック磁界の回転の向きと異なるならば、このことが原因で１つの問題点が生ずるであろう。もしこの２つの向きが同じであるならば、その場合には問題は起こらなく、そして信号はコーナのまわりをさっと通ることができる。けれども、もしこれらの向きが異なるならば、その場合にはソリトンはコーナで反射され、そして伝搬することができないであろう。与えられた磁気論理システムはクロック磁界の回転が単一の向きを有するのが普通であるであろう。このことは実際的には、クロックの向きと同じ向きであるこれらのコーナに対して、対称コーナのみを用いることができることを意味する。コーナを反対の向きに回ることが要求される時、非対称コーナ（下記）を用いなければならない。
【００５７】
（ｅ）  非対称コーナ
図８は非対称コーナを示した図である。この非対称コーナは、クロック磁界の回転の向きと反対の向きにソリトンが流れなければならない時に用いられる。ソリトンは水平なコンジットに左から入り、そしてクロックのフェーズ１またはフェーズ３のいずれかの期間中にコーナに伝送される。次に５つのフェーズを待機し、そして次のクロック周期の期間中に垂直なアームを下方に伝送される。ドットの厚さ（図８ａ）またはトラックの幅（図８ｂ）はコーナに近づくと変化する。入射アームの厚さの勾配または幅の勾配は、ソリトンがその５フェーズ待機の期間中反射されるのを防止する。コーナ・ドットについての１軸的な異方性はコーナの周りの磁束の伝搬を助ける。信号は、クロックの向きと反対の向きに、非対称コーナの周りを流れる。
【００５８】
（ｆ）  ２フェーズ・ファン・アウト
１つの信号を２つの同等な信号に分割する「ファン・アウト」と呼ばれる処理工程が必要とされることがよくある。磁気論理装置では、このことは、前にはただ１つのソリトンだけが存在していた場所に２つのソリトンを生成することを意味する。このことを実行するための２つの方法を説明する。第１の方法は２フェーズ・ファン・アウトの方法であって、図９に示されている。単一のソリトンが水平なアームに沿って右向きに入ってくる。次のクロック・フェーズでは、ソリトンは垂直なアームを上向きに通過する。（クロックの回転の向きが反時計回りである場合である。もしクロックの回転の向きが時計回りである場合には、ソリトンは垂直なアームを下向きに通過する。）第３のフェーズの期間中にはなにも起こらなく、そして第４のフェーズに際には、第２のソリトンは他の垂直なアームを通って通過する。図９ａでは、ファン・アウトの前の入射アームに厚さの勾配が備えられる。図９ｂでは、同等な理由でファン・アウトの後の出力アームのおのおのに幅の勾配が備えられる。
【００５９】
（ｇ）  １フェーズ・ファン・アウト
もしオリジナルのソリトンと同じ方向に伝搬する２つのファン・アウトされたソリトンを有することが要求されるならば、その場合には１フェーズ・ファン・アウト（図１０）を用いなければならない。入射するソリトンは２つのチヤンネルに直ちに分割され、そして同じクロック・フェーズの期間中に伝搬を継続する。図１０ａでは、ファン・アウトの前の入射アームに関して厚さの勾配が備えられる。図１０ｂでは、同等の理由でファン・アウトを越えた後の出力アームのおのおのについて幅の勾配が備えられる。
【００６０】
（ｈ）  クロス・ロード
従来のマイクロ電子装置よりも優れている磁気論理装置の主要な利点の１つは、信号線路が同じ面内で相互に交差することができることである。このことは、デバイスの設計と製造を大幅に簡単にする。図１１は、このことを実行するために必要であるドットの厚さ（図１１ａ）またはトラックの幅（図１１ｂ）を示した図である。デバイスを単方向的にするために、４つのアームの中の２つのアームの中に厚さの勾配および特定のトラックの幅の変化が選択される。
【００６１】
（ｖ）  論理ゲート
本発明により、これらの実施例に示されているように２つの基本的な論理ゲートが存在する。第１の論理ゲートはＡＮＤ／ＯＲゲートであり、そして第２の論理ゲートはＮＯＴゲートである。
【００６２】
（ａ）  ＡＮＤ／ＯＲゲート
図１２は基本的なＡＮＤ／ＯＲゲートを示した図である。このゲートは２つの入力と１つの出力とを有する。２つの入力アームと１つの出力アームとの間の結合は、もしこれらの２つの入力に同じ論理状態が入ってくるならば、その場合にはその状態が出力に伝送されるように結合が行われる。けれども、もしこれらの入力が異なる論理状態を有するならば、その場合には出力にはなにも伝送されなく、そしてそれはその以前の状態を保持する。これだけでは有用な論理機能は構成されない。クロックのフェーズ５およびフェーズ６の期間中における強いパルスの目的は、もし２つの入力が異なる時そしてその時にだけ、すべての論理ゲートの出力を同じ既知の状態に設定することである。この場合、ゲートは有用な論理機能を実行する。図１に示されたクロック・シーケンスの場合、両方の入力が１に等しい場合を除くすべての入力の状態に対して、図１２に示されたゲートの出力は論理値０である。これはＡＮＤ機能である。またはそれとは異なって、もし強いクロック・パルスが右を向いたならば、その場合には両方の入力が０に等しい場合を除くすべての入力の状態に対して、ゲートの出力は論理値１であるであろう。これはＯＲ機能である。
【００６３】
磁気論理チップの全体が同じフェーズ５／６のパルスを経験するかも知れないことが予想される。それは一見すると、チップにわたって１つの種類のゲートだけが可能であることを示唆する。けれども、それは正しくない。図１３に示されているように、もし１つがＡＮＤ／ＯＲゲートの方向を反転するならば、その場合には、それは反対の論理機能を実行する。その理由は、出力アームの論理基礎が（論理状態の相対的な流れのマッピングを仮定して−０節を見よ）反転されるが、しかしフェーズ６のパルスの方向は反転されないためにである。２つの入力が異なる曖昧な場合は（磁化はなお左を向いているけれども）論理値１にリセットされる。これはＯＲ機能を生成する。したがって、図１のクロック・シーケンスに対して、図１３はＯＲゲートを示す。
【００６４】
（ｂ）  ＮＯＴゲート
図１４は基本的な反転ゲートを示した図である。ゲートの頂点における比較的に小さな角度は、頂点のドットの中の１軸的な異方性と組み合わされて、磁化がループを回って流れることを防止するが、しかしむしろ発散を生ずる。図１４の下側の部分に示されているように、このことは反転機能の原因である。
【００６５】
もし本発明を実行するのと同時にコーナを回ることが要求されるならば、図１５は第２のコーナのない同じデバイスを示している。ゲートの反転の性質のために、信号はクロック磁界の回転の向きとは反対の向きにコーナのまわりを自由に流れる。
【００６６】
（ｖｉ）  交換結合論理装置
この応用の中の１つの実施例として提案されそしてカウバーンおよびウエランドの前記文献で前記で説明されたナノドットに基づく磁気論理システムは、磁気ドットの間の静磁気的結合を仮定している。けれども、本発明はそのようには限定されていなく、それに代わるものとして、ナノ磁気素子の間の交換結合を用いるまた別の磁気論理方式を利用する。
【００６７】
個々の素子が相互に物理的にいったん接触すると、交換結合が支配的になる。図１６は、素子が結合することができるいくつかの方法を示した図である。図１６（ａ）では、全体的に円形の接触しているドットのチェーンが示されている。図１６（ｂ）は六角形のドットが連結されているのを示している。図１６（ｃ）は、個々のナノ磁石が平坦化されて磁性材料の連続したストリップを形成している場合を示している。この場合には、情報を伝送するソリトンは実際には磁壁である。本発明により、本明細書で説明された多くのアーキテクチャのブロックは静磁気結合論理システムまたは交換結合論理システムのいずれかにおいて用いることができる。
【００６８】
静磁気結合論理よりも交換結合論理を用いる主要な利点は３つある。第１の利点は、交換結合エネルギ密度は厚さには無関係であり、一方、静磁気結合エネルギ密度は厚さに比例して変化することである。このことは、交換結合の場合に、結合強度を小さくすることなくしたがって核生成磁界を小さくすることなく、（高い伝搬磁界の原因である）ソリトンのピンニングのような偽の静磁気効果を最小にするために、厚さを小さくすることができることを意味する。したがって、伝搬磁界と核生成磁界との間のさらに大きな磁界の分離を得ることが可能でなければならない。第２の利点は、交換結合デバイスを製造するのに小さなギャップも存在しないことであり、それにより製造工程が簡単になりそして安価に製造できることである。第３の利点は、交換結合デバイスは変更することができる厚さ、位置および異方性に加えて第４のパラメータ、すなわち幅を有することである。このことは、厚さの勾配の代わりに（図示された種々の可能な実施例に示されているように）幅のテーパによってソリトンのエネルギを徐々に増大することができることを意味する。厚さを変化させるよりも横方向の幅を変化させることは製造の際にははるかに容易であり、このことはまた製造の際の複雑さを小さくし、そしてコストを安くするであろう。
【００６９】
【表１】
2008072727.tif 000003
表の値は、ドットの公称直径 100ｎｍ、厚さ10ｎｍ、中心間の距離 135ｎｍとして計算された。温度は 300Ｋであると仮定され、そしてパーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）に対する適切な値として飽和磁化 800ｅｍｕｃｍ-3が仮定された。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明によりデバイスを動作させるのに適切であるクロッキング磁界の１つのクロック周期の期間中の磁気クロック磁界ベクトルの軌跡を極座標で示した図。
【図２】絶対方向のマッピングの原理によりコンジットの異なるセクションに対するブール論理状態を示した図。
【図３】ブール論理状態がコンジットの中のすべての点において一定である相対的な流れのマッピング原理に従うコンジットを示した図。
【図４】直線状の線路の中でソリトンを伝送するのに用いられるコンジットを示した図。
【図５】ソリトンのエネルギが相互接続体を通る時のソリトンのエネルギの概略のグラフ（中央）と共に単方向相互接続体（上側および下側）を示した図。
【図６】正しく終端されたコンジットを示した図。
【図７】対称コーナを示した図。
【図８】非対称コーナを示した図。
【図９】１つの信号を反対のフェーズの２つの信号に分割することができる２フェーズ・ファン・アウトを示した図。
【図１０】１つの信号を同じフェーズの２つの信号に分割することができる１フェーズ・ファン・アウトを示した図。
【図１１】２つの信号を同じ面内で相互に交差させることができるクロス・ロードを示した図。
【図１２】クロック磁界のシーケンスが図１に示された通りである時、ゲートがＡＮＤ機能を実行するように配列されたＡＮＤ／ＯＲゲートのアーキテクチャを示した図。
【図１３】クロック磁界のシーケンスが図１に示された通りである時、ゲートがＯＲ機能を実行するように逆方向に配列された図１２のＡＮＤ／ＯＲゲートを示した図。
【図１４】ＮＯＴゲートのアーキテクチャ（上側）と反転した論理状態に導く磁化方向の概要を示した図。
【図１５】またコーナを回るＮＯＴゲートを示した図。
【図１６】ナノドット以外の交換結合磁気論理素子のいくつかの例を示した図。
【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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