(57)【要約】【課題】磁性体の磁化状態を制御することのできる技術を提供する。【解決手段】微小磁性体と超伝導体とを近接して配置することによって、微小磁性体から生じる磁場を超伝導体に渦糸として侵入させる。そして、超伝導体に電流を流すことによって、渦糸を移動させ微小磁性体の磁化状態を制御する。微小磁性体の形状としては細線形状、リング形状、ディスク形状などを採用することができる。微小磁性体が細線形状およびリング形状であり多磁区構造を取る場合は、電流供給により磁壁の位置を制御する。微小磁性体がディスク形状であり単一磁区構造の場合は、電流供給により磁化の向きを制御する。【選択図】図３
2008021882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体と、
前記磁性体から生じる磁場が渦糸として内部に侵入するように前記磁性体に近接して配置された超伝導体と、
前記超伝導体に電流を流すことによって、前記渦糸を移動させ前記磁性体の磁化状態を制御する、磁化状態制御手段と、
を有する磁化状態制御装置。
【請求項２】
前記磁性体は、細線形状であり、磁化の向きが変化する磁壁を有しており、
前記磁化状態制御手段は、前記超伝導体に電流を流すことによって、前記磁性体における前記磁壁の位置を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁化状態制御装置。
【請求項３】
前記磁性体は、円環形状であり、磁化の向きが変化する磁壁を２つ有しており、
前記磁化状態制御手段は、前記超伝導体に電流を流すことによって、前記磁性体における前記２つの磁壁の位置を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁化状態制御装置。
【請求項４】
前記磁性体は、円盤形状であり、単一の磁区からなり、
前記磁化状態制御手段は、前記超伝導体に電流を流すことによって、前記磁性体の磁化の向きを変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁化状態制御装置。
【請求項５】
磁性体と超伝導体とを、前記磁性体から生じる磁場が前記超伝導体に渦糸として侵入するように配置し、
前記超伝導体に電流を流すことによって、前記渦糸を移動させ前記磁性体の磁化状態を制御する、
ことを特徴とする磁化状態制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁化状態を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクやＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）は微小磁性体を用いたメモリであり、個々の微小磁性体の磁化状態（スピンの向き）によって情報を記憶している。このような記憶装置では、微小磁性体の近くに配置した導線に電流を流して磁場を生じさせ、この磁場によって微小磁性体の磁化を反転させている。
【０００３】
また、近年では、低消費電力化を目的として、スピン偏極した電流を微小磁性体に直接流し込むことによって微小磁性体の磁化を反転させるスピン注入磁化反転法も研究されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】J. A. Katine, F. J. Albert, R. A. Buhrman, E. B. Myers, D. C. Ralph著, "Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations in Co/Cu/Co Pillars", Physical Review Letter Vol.84 No.14, The American Physical Society, pp. 3149-3152, 2000年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
素子の微細化および処理速度の高速化に伴って従来とは異なる磁化状態の制御手法が必要となってくる。そこで、本発明は、磁性体の磁化状態を制御することのできる新規な技術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】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明では、以下の手段または処理によって磁性体の磁化状態を制御する。本発明に係る磁化状態制御装置は、磁性体と超伝導体と磁化状態制御手段とを有する。
【０００６】
本発明における磁性体は、サブミクロンスケールに微小化された磁性体であり、その形状に応じた特徴的な磁化状態をとる。例えば、磁性体の形状や大きさによっては、単一の磁区から構成され磁化の向きが一定の単一磁区構造をとることができ、また、２つの磁区から構成され磁区の境目で磁化の向きが変化している磁壁を有する磁化状態をとることもできる。このような磁化状態をとる磁性体から磁場が生じる。
【０００７】
超伝導体は、磁性体に近接して配置され、磁性体から生じる磁場が渦糸（ボルテックス）として内部に侵入した状態をとる。すなわち、本発明における超伝導体は、第２種超伝導体であり、超伝導相と常伝導相が混在した混合状態をとる。
【０００８】
磁化状態制御手段は、超伝導体に電流を供給する。超伝導体に電流を流すことで、渦糸に対してローレンツ力が働き、渦糸が移動する。ここで、磁性体の磁化状態と超伝導体中の渦糸とは、磁気的に結合しているため、渦糸の移動に伴い磁性体の磁化状態が変化する。すなわち、磁化状態制御手段は、超伝導体に電流を供給することで、磁性体の磁化状態を制御することができる。ここで、磁化状態の制御とは、磁性体における磁壁の位置を変化させることや、磁性体の磁化の向きを変化させることをいう。なお、供給する電流の向きや大きさ、あるいは電流を供給する時間などにより、磁性体の磁化状態を所望の状態に制御することができる。
【０００９】
磁性体は、種々の形状を取ることができる。例えば、磁性体を細線形状とすることができる。細線形状の磁性体では、磁化の向きは細線方向となるのが安定である。この細線形状の磁性体の一部に屈曲部を設けることなどで磁化の向きが変化する磁壁を設けることができる。この場合、磁壁から漏れ磁場が生じており、漏れ磁場が超伝導体を渦糸として貫く。また、磁性体をリング形状とすることもできる。この場合、磁性体には磁壁が２つ存在し互いに逆向きの漏れ磁場が生じて、漏れ磁場が超伝導体を渦糸として貫く。これらの場合、磁化状態制御手段が、超伝導体に電流を供給することによって、ローレンツ力によって渦糸が移動し、渦糸と磁気的に結合している磁壁が移動する。このようにして、磁性体の磁化状態を制御することができる。
【００１０】
また、磁性体をディスク形状とすることもできる。ディスク形状の磁性体は大きさが十分小さい場合には単一磁区構造をとり、磁性体から生じた磁場が超伝導体を渦糸として貫く。そして、磁化状態制御手段が、超伝導体に電流を供給することによって、ローレンツ力によって渦糸が移動し、渦糸と磁気的に結合した磁性体の磁化の向きが変化する。このようにして、磁性体の磁化状態を制御することができる。
【００１１】
このように、磁性体に近接して配置され、磁性体から生じる磁場が渦糸として内部に侵入した超伝導体に電流を供給することで、磁性体の磁化状態を制御することが可能となる。また、超伝導体を用いているため、従来の手法に比べて、より少ない電流で磁化状態を制御できる。したがって、消費電力を低減することが可能となる。
【００１２】
なお、上記で説明した磁性体の形状（細線形状、リング形状、ディスク形状）およびその磁化の状態は例示であって、本発明に係る磁化状態制御装置は任意の形状の磁性体の磁化状態を制御することができる。例えば、本発明に係る磁化状態制御装置は、上記以外の形状の磁性体の磁化状態を制御しても良いし、単一磁区構造を有する細線形状の磁性体や渦構造を有するディスク形状の磁性体の磁化状態を制御しても良い。
【００１３】
なお、本発明は上記処理を含む磁化状態制御方法として捉えることもできる。すなわち、本発明の一態様としての磁化状態制御方法は、磁性体と超伝導体とを、磁性体から生じる磁場が超伝導体に渦糸として侵入するように配置し、超伝導体に電流を流すことによって、渦糸を移動させ磁性体の磁化状態を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、磁性体の磁化状態を制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
以下、図１〜図３を用いて第１の実施形態について説明する。
【００１７】
＜構成＞
図１は本実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図であり、図２は図１におけるＡＡ断面図である。図に示すように、本実施形態に係る磁化状態制御装置では、超伝導体２の上に、絶縁体３および微小磁性体１が配置されている。また、超伝導体２には、パルスジェネレータ４から、パルス電流を流すことができる。
【００１８】
［微小磁性体］
磁性体をサブミクロンスケールに微小化すると、その形状に応じた特徴的な磁化状態を取る。本実施形態では微小磁性体１の形状として細線形状を採用する。細線形状を有する
微小磁性体１では、形状磁気異方性により細線方向に沿った向きに磁化は向きやすくなる。
【００１９】
細線形状の微小磁性体の細線方向に磁場を印加した後にその磁場をゼロにすると、細線方向に磁化の向きがそろった単一磁区構造を取ることが一般的であるが、本実施形態における微小磁性体１は、細線の一部を曲げた構造にすることで磁壁が導入されている。本実施形態における微小磁性体１は、図１，２に示すように磁壁１ａにおいて磁化の向きが向かい合っているため、磁壁１ａから漏れ磁場が生じる。そして、微小磁性体１を超伝導体２の上に設置しているので、図２に示すように、微小磁性体１の磁壁１ａから漏れる漏れ磁場は、下向きに超伝導体２を貫く。
【００２０】
なお、微小磁性体１の材料としては任意の磁性体を用いることができるが、結晶磁気異方性を無視できるソフトな磁性体を用いることが好ましい。微小磁性体１に用いる材料の具体例としてはＮｉＦｅ合金を挙げることができる。なお、微小磁性体１のサイズは、線幅が１００ｎｍ程度、厚さが数１０ｎｍ程度である。
【００２１】
［超伝導体］
超伝導体２は、第２種超伝導体である。第２種超伝導体である超伝導体２が微小磁性体１に近接して配置されることで、微小磁性体１の磁壁１ａから漏れる漏れ磁場の磁束が超伝導体２中に量子化磁束として侵入する。量子化磁束の回りには、超伝導電流が環流するため侵入した磁束のことをボルテックス（渦糸）ともいう。
【００２２】
超伝導体２は、このように内部にボルテックスが存在している第２種超伝導体であり、具体的な材料としてはＮｂや、Ｎｂ−Ｔｉ、Ｎｂ3Ｓｎ、ＮｂＮなどのＮｂ合金を用いることができる。超伝導体２の形状はどのような形状であっても良い。また、超伝導体２の厚さは数１０ｎｍ程度である。なお、微小磁性体１と超伝導体２の近接効果によって超伝導状態が壊れるのを防ぐために、微小磁性体１と超伝導体２の間に約１０ｎｍ〜数１０ｎｍ程度の絶縁体３を挟んでいる。
【００２３】
［パルスジェネレータ］
パルスジェネレータ４は、超伝導体２に直流電流を流す。パルスジェネレータ４は、供給する電流の大きさやパルス幅などを制御することが可能である。また、パルスジェネレータ４は、超伝導体２に供給する電流の向き（図１においてI→IIまたはII→I）も制御することができる。
【００２４】
＜磁化状態制御の原理＞
上述したように、微小磁性体１と超伝導体２を近接して配置することで、微小磁性体１の磁壁１ａから漏れる磁束がボルテックスとして下向きに超伝導体２を貫いている。この状態で、パルスジェネレータ４によって超伝導体２に直流電流を供給すると、ボルテックスに対してローレンツ力が働く。
【００２５】
図３（ａ）のように、Ｉ→IIの方向に電流を流した場合には、超伝導体２を下向きに貫くボルテックスに対して左向きのローレンツ力が働く。逆に図３（ｂ）のように、II→Iの方向に電流を流した場合には、ボルテックスに対して右向きのローレンツ力が働く。そして、このローレンツ力によってボルテックスが移動する。
【００２６】
微小磁性体１中の磁壁１ａと、超伝導体２中のボルテックスとは、磁気的に結合しているため、ボルテックスの運動に呼応して磁壁１ａも左右に移動する。そして、電流の供給を停止した後でも、磁壁１ａは移動後の位置を維持する。
【００２７】
このように、図３（ａ）（ｂ）に示すように超伝導体２に供給する電流の向きによって、磁壁１ａの移動する向きを制御することができる。また、供給する電流の大きさや、電流を供給する時間（パルス幅）を制御することによって、磁壁１ａの移動量も制御することができる。
【００２８】
＜実施形態の効果＞
上述したように、微小磁性体１の磁壁１ａから生じる磁場がボルテックスとして内部に侵入した超伝導体２に電流を流すことで、ローレンツ力によってボルテックスが移動し、ボルテックスの移動に伴い磁壁１ａも移動する。すなわち、本実施形態に係る磁化状態制御装置によれば、微小磁性体の磁壁の位置を制御することが可能となる。
【００２９】
この際、超伝導体２に電流を供給しているため、外部磁場やスピン電流の供給により磁化状態を変化する従来の手法と比べて、少ない消費電力で微小磁性体１の磁化状態を制御することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
以下、図４〜図７を用いて第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態は基本的に第１の実施形態と同様であるため、主に異なる部分についてのみ説明する。
【００３１】
図４は本実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図であり、図５は図４におけるＢＢ断面図である。図に示すように、本実施形態においては、微小磁性体２１として、リング形状の微小磁性体を用いる。また、超伝導体２２は十字形状をしており、パルスジェネレータ２４によって縦横いずれの方向にもパルス電流を供給できる構造となっている。
【００３２】
微小磁性体２１は、リング形状をしており、線幅が１００ｎｍ程度であり、厚さは数１０ｎｍ程度である。このようにリング形状をした微小磁性体２１では、図４に示すような、ＨＨ磁壁２１ａとＴＴ磁壁２１ｂの２つの磁壁を持つオニオン状態と呼ばれる磁化状態が安定な磁化状態である。なお、ＨＨ磁壁とは磁化の矢印の頭同士が向き合っている磁壁（Head to Head Domain Wall）のことをいい、ＴＴ磁壁とは磁化の矢印の尾同士が向き合っている磁壁（Tail to Tail Domain Wall）のことをいう。図５に示すように、ＨＨ磁壁２１ａでは下向きの磁場が生じ、ＴＴ磁壁２１ｂでは上向きの磁場が生じる。したがって、微小磁性体２１に近接して配置された超伝導体２２には、ＨＨ磁壁２１ａでは量子化磁束が下向きに貫き、ＴＴ磁壁２１ｂでは量子化磁束が上向きに貫く。
【００３３】
次に、パルスジェネレータ２４から超伝導体２２に電流を供給して微小磁性体２１の磁化状態を制御する方法について説明する。ここでは、図４においてI→II方向（上向き）に電流を流す場合を例にとって、微小磁性体２１の磁化状態制御について説明する。
【００３４】
図６は、超伝導体２２にI→II方向に電流を供給したときに磁壁に作用する力を説明する図である。ＨＨ磁壁２１ａでは、ボルテックスが超伝導体２２を下向きに貫くため、I→II方向の電流によってボルテックスには図中左向きのローレンツ力が働き、ボルテックスは左に移動する。そして、このボルテックスと磁気的に結合しているＨＨ磁壁２１ａもこれに伴って左に移動する。また、ＴＴ磁壁２１ｂでは、ボルテックスが超伝導体２２を上向きに貫くため、電流供給に伴うローレンツ力は右向きに作用し、ボルテックスは右に移動する。そして、このボルテックスと磁気的に結合しているＴＴ磁壁２１ｂも右向きに移動する。すなわち、I→II方向の電流の供給によって、ＨＨ磁壁２１ａとＴＴ磁壁２１ｂからなる磁壁対は反時計回転することになる。
【００３５】
なお、リング形状の微小磁性体２１では、超伝導体２２に供給する電流の向きによって、４通りの磁化状態を遷移させることができる。図７は、超伝導体２２への電流の供給方
向と、微小磁性体２１の磁化状態を説明する図である。
【００３６】
図７に示すように、ＨＨ磁壁２１ａが１２時の方向にあるときに、上向き（I→II）の電流を供給することで、磁壁対が反時計回りに回転し、ＨＨ磁壁２１ａは９時の方向に位置する。逆にＨＨ磁壁２１ａが１２時の方向にあるときに、下向き（II→I）に電流を供給することで、磁壁対が時計回りに回転し、ＨＨ磁壁２１ａは３時の方向に位置する。
【００３７】
また、ＨＨ磁壁２１ａが３時の方向に位置するとき、右向き（III→IV）に電流を供給すると、磁壁対が反時計回りに回転しＨＨ磁壁２１ａは１２時の方向に位置する。逆に、左向き（IV→III）に電流を供給すると、磁壁対が時計回りに回転し、ＨＨ磁壁２１ａは６時の方向に位置する。
【００３８】
また、ＨＨ磁壁２１ａが６時の方向に位置するとき、下向き（II→I）に電流を供給すると、磁壁対が反時計回りに回転しＨＨ磁壁２１ａは３時の方向に位置する。逆に、上向き（I→II）に電流を供給すると、磁壁対が時計回りに回転し、ＨＨ磁壁２１ａは９時の方向に位置する。
【００３９】
また、ＨＨ磁壁２１ａが９時の方向に位置するとき、左向き（IV→III）に電流を供給すると、磁壁対が反時計回りに回転しＨＨ磁壁２１ａは６時の方向に位置する。逆に、右向き（III→IV）に電流を供給すると、磁壁対が時計回りに回転し、ＨＨ磁壁２１ａは１２時の方向に位置する。
【００４０】
このように、超伝導体２２に供給する電流の向きを変えることで、微小磁性体２１の磁化状態を４通りに制御することが可能となる。
【００４１】
（第３の実施形態）
以下、図８〜図１０を用いて第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は基本的に第２の実施形態において微小磁性体の形状のみを変更している。
【００４２】
図８は本実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図であり、図９は図８におけるＣＣ断面図である。図に示すように、本実施形態においては、微小磁性体３１として、ディスク形状の微小磁性体を用いる。微小磁性体３１としてパーマロイを用い、その直径は１００ｎｍ程度であり、厚さは数１０ｎｍ程度である。このように十分に小さなディスク形状をした微小磁性体３１では、図８に示すように１つの磁区からなる単一磁区構造をとる。そして、図９に示すように、微小磁性体から漏れる磁場により、上向きおよび下向きの磁束対が超伝導体２２を貫く。
【００４３】
パルスジェネレータ２４から超伝導体２２に電流を供給してディスク形状の微小磁性体３１の磁化の向きを制御する方法について説明する。図１０に示すように、超伝導体２２に対して磁化の向きと同じ方向に電流を供給すると、超伝導体を下向きに貫くボルテックスと上向きに貫くボルテックスに対して、それぞれ反対方向にローレンツ力が働き、これらのボルテックスが移動する。ボルテックスの移動に伴い、ボルテックスと磁気的に結合している微小磁性体３１の磁化の向きが変化する。図１０の例では、磁化の向きは反時計回りに移動する。
【００４４】
本実施形態においても第２の実施形態と同様に、磁化の向きと電流の供給方向に応じて、４通りの磁化状態を遷移させることができる。図１１は、超伝導体２２への電流の供給方向と、微小磁性体３１の磁化状態を説明する図である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１の実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁化状態制御装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態における磁化状態制御の原理を説明する図である。
【図４】第２の実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図である。
【図５】第２の実施形態に係る磁化状態制御装置の断面図である。
【図６】第２の実施形態における磁化状態制御の原理を説明する図である。
【図７】第２の実施形態における電流の供給方向と磁化状態の遷移の関係を示す図である。
【図８】第３の実施形態に係る磁化状態制御装置の概略平面図である。
【図９】第３の実施形態に係る磁化状態制御装置の断面図である。
【図１０】第３の実施形態における磁化状態制御の原理を説明する図である。
【図１１】第３の実施形態における電流の供給方向と磁化状態の遷移の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，２１，３１  微小磁性体
２，２２        超伝導体
３              絶縁体
４，２４        パルスジェネレータ
【図１】
2008021882.tif 000003
【図２】
2008021882.tif 000004
【図３】
2008021882.tif 000005
【図４】
2008021882.tif 000006
【図５】
2008021882.tif 000007
【図６】
2008021882.tif 000008
【図７】
2008021882.tif 000009
【図８】
2008021882.tif 000010
【図９】
2008021882.tif 000011
【図１０】
2008021882.tif 000012
【図１１】
2008021882.tif 000013