(57)【要約】【課題】　室温においても強磁性を示す非磁性材料を用いた磁性体、それを用いた磁性デバイス、及び磁性体の製造方法を提供する。【解決手段】　少なくとも一つの電子が閉じ込められて局在スピンを形成する複数の局在電子領域と、前記局在電子領域の電子のフェルミエネルギよりも高いエネルギを有し、前記各局在電子領域に電子を閉じ込める障壁ポテンシャル領域と、前記障壁ポテンシャル領域よりも低いエネルギを有する伝導電子系から成る伝導電子領域とを備えた非磁性材料において、前記各局在電子領域は、前記障壁ポテンシャル領域および伝導電子領域を介してお互いに離間して配置される。【選択図】　　　図１
2004111934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性材料から成る磁性体であって、
　少なくとも一つの電子が閉じ込められて局在スピンを形成する複数の局在電子領域と、
　前記局在電子領域の電子のフェルミエネルギよりも高いエネルギを有し、前記各局在電子領域に電子を閉じ込める障壁ポテンシャル領域と、
　前記障壁ポテンシャル領域のエネルギよりも低いエネルギを有する伝導電子系から成る伝導電子領域と
　を備え、
　前記各局在電子領域は、前記障壁ポテンシャル領域および伝導電子領域を介してお互いに離間して配置されることにより、前記伝導電子領域を介した局在スピン間相互作用に基づき強磁性を発現することを特徴とする磁性体。
【請求項２】
前記各局在電子領域は量子ドットによって構成されることを特徴とする請求項１記載の磁性体。
【請求項３】
前記各量子ドットは、最近接量子ドットとの間の中心距離が量子ドットの閉じ込め方向のサイズよりも大きく前記伝導電子領域の伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下を満たす範囲において、ばらつきを許容して空間的に配置されることを特徴とする請求項２記載の磁性体。
【請求項４】
前記各量子ドットは、前記伝導電子のフェルミ波長が５０ｎｍ程度以下となるように、３次元的に配置されることを特徴とする請求項３記載の磁性体。
【請求項５】
前記各量子ドットは、前記伝導電子のフェルミ波長が３００ｎｍ程度以下となるように、２次元的に配置されることを特徴とする請求項３記載の磁性体。
【請求項６】
前記各量子ドットの閉じ込め方向のサイズは前記伝導電子のフェルミ波長の１／π倍よりも小さい範囲においてばらつきを許容することを特徴とする請求項３記載の磁性体。
【請求項７】
前記障壁ポテンシャル領域は、最近接量子ドット間の中心距離から量子ドットの閉じ込め方向のサイズを差し引いた長さの半分よりも小さい厚さを有することを特徴とする請求項３記載の磁性体。
【請求項８】
前記各局在電子領域および障壁ポテンシャル領域は、半導体と絶縁層の界面中の二次元電子によって形成される前記伝導電子領域に、前記絶縁層を挟んで外部から所定の電圧を印可するときに生じる静電ポテンシャルによって形成されることを特徴とする請求項１乃至７記載の磁性体。
【請求項９】
前記各局在電子領域は、量子細線構造中に電子を閉じ込めることによって形成されることを特徴とする請求項１乃至７記載の磁性体。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載の磁性体と、
　絶縁層と、
　前記絶縁層を介して前記磁性体の伝導電子領域の近傍に配置されるゲート電極とを備え、
　前記ゲート電極に電圧を印加することによって前記磁性体の強磁性状態をオンオフ制御することを特徴とする磁性デバイス。
【請求項１１】
伝導電子領域の上に、障壁ポテンシャル領域を介して最近接量子ドット島間の中心距離が伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下となるように半導体材料を自己組織的に成長させることを特徴とする請求項２記載の磁性体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、磁性体、これを用いた磁性デバイス、及びこの磁性体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　従来、磁性体を構成する磁性材料としては、磁鉄鉱（Ｆｅ3Ｏ4 ）のような天然磁石、クロム鋼や高コバルト鋼などの合金鋼磁石、アルニコ、フェライト、希土類を含む磁石などがある。このような磁性材料を用いて、磁気記憶媒体や磁気センサが作製されてきた。
【０００３】
　しかしながら、これらの磁性材料はいずれも磁性金属物質を含んでいるため、シリコンやガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体を用いたＬＳＩ（Large Scale Integration）基板上に磁性デバイスを作製することには、物質同士の融合性がよくない等、さまざまな製造プロセス上の問題点が存在していた。
【０００４】
　このため、トランジスタのようなＬＳＩ基板上の電子部品とは別の部品として回路を構成する必要があり、電子回路の小型化・高集積化・工程数低減化を図る上で大きな障害となっていた。
【０００５】
　一方、非磁性材料から化学合成された半導体クラスタ、炭素クラスタ、金属クラスタ等は磁性を示さず、単にこれらを集積させるだけでは磁性材料を構成することはできなかった。
【０００６】
　このような課題を解決すべく、フラットバンド構造を用いて磁性体を作製しようとする試みがなされている。フラットバンド構造とは、電子のエネルギ分散が波数依存性を持たないバンド構造のことである。フラットバンド構造を有する物質を用いると、強磁性状態が発現することがLiebやMeilkeによって理論的に示されている。この理論によれば、フラットバンドのような分散のない（つまり縮退の強い）系に電子を詰める場合、スピンをできるだけ平行に揃えようとする効果が働くことが示される。
【０００７】
　一般に、縮退したエネルギ準位に電子を詰める場合には、交換エネルギを得するためにスピンをできるだけ平行に揃えようとする効果が働く。この効果の典型的な例は、原子の核模型におけるHundの第一法則である。上述したLiebやMeilkeによる理論は、フラットバンド構造を有する物質にも同様の効果が生じることを示したものである。
【０００８】
　このLiebやMeilkeによる理論に基づいて、グラファイト、ガリウム（Ｇａ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子のような非金属物質を用いて磁性体を作る提案が特許文献１においてなされている。
【０００９】
　この技術は、LiebやMeilkeの理論で用いられる特別な格子点上に、周囲にエネルギポテンシャルの高い領域が形成されて電子が閉じこめられた量子ドットを複数配置した量子ドット列を構成し、隣接した量子ドット間を電子が直接移動できるようにしてフラットバンド構造を実現することにより強磁性状態を発現させようとするものである。
【００１０】
　量子ドット列とは、一つの量子ドットを人工原子と見なし、その量子ドットを構成要素として人工的な結晶（人工結晶）を構成したものである。近年の加工技術の進歩により、このような人工結晶を作製することが可能になってきつつあり、２つの量子ドットを結合させたいわゆる人工分子においては、スピンの向きが揃う強磁性状態が既に実験的に実現されている。
【００１１】
　しかしながら、より多数の量子ドットを結合させて人工結晶における強磁性を実現させるためには、ある特定の格子構造に同じ大きさの量子ドットを周期的に配列しなければならならず、高度の加工、合成、および配列技術が必要となるといった課題があった。
【００１２】
　また、実デバイスとして利用可能にするために、強磁性転移温度を室温まで引き上げることが必要となる。そのためには、量子ドットの大きさを１０ｎｍ程度以下にしなければならないが、このように小さい量子ドットを周期的に配列することも、現状では技術的な課題であった。
【特許文献１】特開２００１−２５７３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、障壁層によって囲まれた量子ドット系を伝導電子領域を介して接合させることにより、室温においても強磁性を示し、容易に作製可能な非磁性体材料から成る磁性体を提供することにある。更には、この磁性体を用いた磁性デバイス及びこの磁性体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
　上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、少なくとも一つの電子が閉じ込められて局在スピンを形成する複数の局在電子領域と、前記局在電子領域の電子のフェルミエネルギよりも高いポテンシャルエネルギを有し、前記局在電子領域に電子を閉じ込める障壁ポテンシャル領域と、前記障壁ポテンシャル領域よりも低いエネルギを有する伝導電子系から成る伝導電子領域とを備えた非磁性材料から成る磁性体であって、前記各局在電子領域は、前記障壁ポテンシャル領域および伝導電子領域を介してお互いに離間して配置されることにより、前記伝導電子領域を介した局在スピン間相互作用に基づき強磁性を発現することを要旨とする。
【００１５】
　請求項１記載の本発明によれば、少なくとも一つの電子が閉じ込められて局在スピンを形成する複数の局在電子領域と、前記局在電子領域の電子のフェルミエネルギよりも高いポテンシャルエネルギを有し、前記局在電子領域に電子を閉じ込める障壁ポテンシャル領域と、障壁ポテンシャル領域よりも低いエネルギを有する伝導電子系から成る伝導電子領域とを備え、前記各局在電子領域は、前記障壁ポテンシャル領域および伝導電子領域を介してお互いに離間して配置されることにより、伝導電子領域を介した局在スピン相互作用に基づき強磁性を示す非磁性材料から成る磁性体を提供することができる。
【００１６】
　ここで、各局在電子領域と伝導電子領域のエネルギの大小は任意で構わない。
【００１７】
　請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記各局在電子領域は量子ドットによって構成されることを要旨とする。
【００１８】
　請求項２記載の本発明においては、各局在電子領域を量子ドットによって構成したことにより、通常量子ドットが作成される材料である半導体材料（非磁性材料）を用いて磁性体を作成することができる。ここで、「量子ドット」とは、電子の運動の自由度が０次元になるように障壁ポテンシャルによってナノスケールの領域に電子を閉じ込めたものを意味する。本発明に係る量子ドットとしては、電子の閉じ込め方向のサイズが数ｎｍ乃至１００ｎｍ程度であれば好ましい。更には、強磁性転移温度を室温に上げるためには、数ｎｍ乃至１０ｎｍ程度以下であることがより好ましい。なお、ここで量子ドットのサイズとは電子の閉じ込め方向の長さのことを意味する。
【００１９】
　請求項３乃至７記載の発明は、請求項１または２記載の磁性体が強磁性を発現するための条件を具体的に与えるものである。
【００２０】
　請求項３記載の本発明は、請求項２記載の発明において、前記各量子ドットは、最近接量子ドットとの間の中心距離が量子ドットの閉じ込め方向のサイズより大きく前記伝導電子領域の伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下を満たす範囲において、ばらつきを許容して空間的に配置されることを要旨とする。
【００２１】
　請求項３記載の本発明においては、各量子ドットが、最近接量子ドットとの間の中心距離が量子ドットの閉じ込め方向のサイズより大きく前記伝導電子領域の伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下となるように伝導電子領域を介在して空間的に配置されることによって、非磁性材料に強磁性を発現させることができる。更に、最近接量子ドット間の中心距離が上記範囲においてばらつきを許容するように配置されることによって、製造プロセスにおける厳密な制御を必要としないで非磁性材料から成る磁性体を製造することができる。
【００２２】
　請求項４記載の本発明は、請求項３記載の発明において、前記各量子ドットは、前記伝導電子のフェルミ波長が５０ｎｍ程度以下となるように、３次元的に配置されることを要旨とする。
【００２３】
　請求項４記載の本発明においては、各量子ドットが、最近接量子ドットとの間の中心距離が２０ｎｍ程度（すなわち、５０／π≒２０ｎｍ）以下となるように各量子ドットの間に伝導電子領域を介在させて３次元的に配置されることによって、３次元の実デバイスとして利用される伝導電子領域のほぼすべての範囲において非磁性体材料に強磁性を発現させることができる。
【００２４】
　なお、上記磁性体が室温においても強磁性を発現するためには、最近接量子ドット間の中心距離を４ｎｍ程度以下にすることがより好ましい。
【００２５】
　請求項５記載の本発明は、請求項３記載の発明において、前記各量子ドットは、前記伝導電子のフェルミ波長が３００ｎｍ程度以下となるように、２次元的に配置されることを要旨とする。
【００２６】
　請求項５記載の本発明においては、各量子ドットが、最近接量子ドットとの間の中心距離が１００ｎｍ程度（すなわち、３００／π≒１００ｎｍ）以下となるように各量子ドットの間に電子伝導領域を介在させて２次元的に配置されることによって、２次元の実デバイスとして利用される伝導電子領域のほぼすべての範囲において非磁性材料に強磁性を発現させることができる。
【００２７】
　なお、上記磁性体が室温においても強磁性を発現するためには、最近接量子ドット間の中心距離を１０ｎｍ程度以下にすることがより好ましい。
【００２８】
　請求項６記載の本発明は、請求項３記載の発明において、前記各量子ドットの閉じ込め方向のサイズが前記伝導電子領域の伝導電子のフェルミ波長の１／π倍よりも小さい範囲においてばらつきを許容することを要旨とする。
【００２９】
　請求項６記載の本発明にあっては、各量子ドットの電子の閉じ込め方向のサイズを前記伝導電子のフェルミ波長の１／π倍よりも小さくすることによって、強磁性転移温度を高くすることが可能となるので、上記効果を一層確実なものとすることができる。更に、各量子ドットの閉じ込め方向のサイズが上記範囲においてばらつきを許容することによって、製造プロセスにおける厳密な制御を必要としないで非磁性材料から成る磁性体を製造することができる。
【００３０】
　なお、上記磁性体が室温においても強磁性を発現するためには、最近接量子ドット間の中心距離を、３次元の場合には４ｎｍ程度、また２次元の場合には１０ｎｍ程度よりも小さくすることが好ましい。
【００３１】
　請求項７記載の本発明は、請求項３記載の発明において、前記障壁ポテンシャル領域は、最近接量子ドット間の中心距離から量子ドットの閉じ込め方向のサイズを差し引いた長さの半分よりも小さい厚さを有することを要旨とする。
【００３２】
　請求項７記載の本発明にあっては、障壁ポテンシャル領域の厚さを、最近接量子ドット間の中心距離から量子ドットの閉じ込め方向のサイズを差し引いた長さの半分よりも小さい厚さにすることによって、量子ドットがお互いに離間して配置されることになるので、上記効果を一層確実なものとすることができる。
【００３３】
　請求項８および９記載の発明は、請求項１乃至７記載の磁性体を構成する各領域の形成法を具体的に与えるものである。
【００３４】
　請求項８記載の本発明は、請求項１乃至７記載の発明において、前記局在電子領域および障壁ポテンシャル領域は、半導体と絶縁層の界面中の二次元電子によって形成される前記伝導電子領域に、前記絶縁層を挟んで外部から所定の電圧を印可するときに生じる静電ポテンシャルによって形成されることを要旨とする。
【００３５】
　請求項８記載の本発明にあっては、半導体と絶縁層の界面に形成される二次元伝導電子ガスに対して、絶縁層を挟んで設けられた金属ゲートから所定の負の電圧を印加するときに生じる静電ポテンシャルの影響によって界面上の電子の分布が変化し、一部に電子が局在した各局在電子領域が形成されるとともに、この各局在電子領域と伝導電子領域の間に障壁層となる障壁ポテンシャル領域が形成される。
【００３６】
　請求項９記載の本発明は、請求項１乃至７記載の発明において、前記各局在電子領域は、量子細線構造中に電子を閉じ込めることによって形成されることを要旨とする。
【００３７】
　請求項９記載の本発明にあっては、微小な領域に電子を局在させるために細線井戸構造を用いる。
【００３８】
　請求項１０記載の発明は、本発明の磁性体を用いた実デバイスを与えるものである。
【００３９】
　請求項１０記載の本発明は、請求項１乃至９記載の磁性体と、絶縁層と、前記絶縁層を介して前記磁性体の伝導電子領域の近傍に配置されるゲート電極とを備え、前記ゲート電極に電圧を印加することによって前記磁性体の強磁性状態をオンオフ制御することを要旨とする。
【００４０】
　請求項１０記載の発明にあっては、局在スピン間相互作用に基づき強磁性を発現する非磁性体から成る磁性体の伝導電子領域に、絶縁層を介して備えたゲート電極に電圧を印可することによって上記磁性体の強磁性状態を自在にオンオフ制御することができる。
【００４１】
　請求項１１記載の発明は、本発明の磁性体を作成する方法を与えるものである。
【００４２】
　請求項１１記載の本発明は、伝導電子領域の上に、障壁ポテンシャル領域を介して前記最近接量子ドット島間の中心距離が伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下となるように非磁性材料を自己組織的に成長させることを要旨とする。
【００４３】
　請求項１１記載の本発明にあっては、伝導電子領域の上に、障壁ポテンシャル領域を介して最近量子ドット間の中心距離を伝導電子のフェルミ波長の１／π倍以下となるように非磁性材料を自己組織的に成長させることによって、高度な制御を必要とせずに、非磁性材料から磁性体を製造することができる。
【発明の効果】
【００４４】
　本発明によれば、障壁層によって囲まれた量子ドットを伝導電子領域を介して接合させることにより、室温において強磁性を示し、容易に製造可能な非磁性体材料から成る磁性体を提供することができる。更に、室温において強磁性の発現を自在にオンオフ制御することを可能とする磁性デバイスを提供することができる。更には、高度な制御を必要としないで非磁性材料から成る磁性体を製造する製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
　次に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４６】
（理論的背景）
　最初に、本発明の実施の形態に係る磁性体を製造する上での根拠となる理論的な背景について説明する。以下では、本発明の理論モデルとして、少なくとも一つの電子を閉じ込められて成る複数の局在電子領域（量子ドット）と、上記局在電子領域中の電子のフェルミエネルギよりも高いポテンシャルエネルギを有する障壁ポテンシャル領域（ポテンシャル障壁）と、この障壁ポテンシャル領域のポテンシャルエネルギより低いエネルギを有する伝導電子領域（伝導電子系）とから成る非磁性材料を想定する。
【００４７】
　まず、一つの量子ドットが３次元および２次元の伝導電子系と結合している状況を考える。量子ドット内には奇数個、すなわち２ｎ＋１個（ｎは０または正の整数）の電子が閉じ込められているものとする。
【００４８】
　電子は、スピンと呼ばれる上向き（Ｓ＝１／２）または下向き（Ｓ＝−１／２）の量子力学に特有の角運動量を持っており、量子ドット内の２ｎ＋１個の電子のスピン角運動量は、個々のスピンを合成することによって与えられる。この合成スピンは伝導電子系と相互作用（交換相互作用）を行うことによって結合する。量子ドット内のエネルギレベルが縮退していない場合には、ｎ個の上向きスピン（ｎ／２）とｎ個の下向きスピン（−ｎ／２）とが互いに打ち消し合って、余った一つの電子スピン（１／２）だけが生き残る。
【００４９】
　以後の説明において、伝導電子系は、体積νを有する格子点がＮ個並んだ格子列であるとし、この格子列の体積ＮνをＶと表す。原点に中心座標をもつ量子ドットを考えると、その中で生き残ったスピン（局在スピン）と伝導電子系との相互作用を表す交換相互作用ハミルトニアンＨexch は、一般に次式のように表される。
【数１】
2004111934.tif 000003
　ここで交換エネルギＪは、交換相互作用ハミルトニアンＨｅｘｃｈに基づく二次摂動の範囲内において次式のように評価される。　
【数２】
2004111934.tif 000004
　今、座標軸のｚ方向を量子ドット内スピンの向きに取ると、式（１）は
【数３】
2004111934.tif 000005
で表される外部磁場を受けた場合のゼーマン分裂[エネルギ]効果の超微細構造ハミルトニアンと等価になる。ここで、μB はボーア磁子である。
【数４】
2004111934.tif 000006
　式（３）および（４）の和の連続極限においてその積分を実行すると、伝導電子系が３次元（３Ｄ）および２次元（２Ｄ）の場合の伝導電子の磁気モーメント密度σ3D およびσ2D は、それぞれ次式に帰着する。
【数５】
2004111934.tif 000007
であり、Ｎe は全伝導電子数、χPauli ＝３Ｎe（ｇμB ）2 ／８ＥF はパウリ常磁性帯磁率、ｋF およびＥF は、それぞれ[自由]伝導電子のフェルミ波数およびフェルミエネルギ、Ｊn およびＮn（ｎ＝０，１）は、それぞれ第１種および第２種のｎ次ベッセル関数である。
【００５０】
　ここまでは一つの量子ドットと伝導電子系との相互作用のみを考えたが、以下では量子ドットが一般にＮ個（Ｎは正の整数）ある場合を考える。
【数６】
2004111934.tif 000008
　このような伝導電子系を介した局在スピン間の相互作用は、一般にRuderman-Kittel-Kasuya-Yosida（ＲＫＫＹ）相互作用と呼ばれている。このＲＫＫＹ相互作用のハミルトニアンは、（１）の２次の摂動として計算され、３次元（３Ｄ）と２次元（２Ｄ）の場合にそれぞれ次式で与えられる。
【数７】
2004111934.tif 000009
また、式（６ａ）および（６ｂ）でも座標軸のｚ方向を量子ドット内のスピンの向きとしている（Ｓlz およびＳmz は、各量子ドットのｚ方向の合成スピン角運動量である）。
【００５１】
　以下で述べるＲＫＫＹ相互作用から導かれる物性的な特徴は、式（６ａ）および（６ｂ）の和の各項、すなわちｌ番目の量子ドットとｍ番目の量子ドットの相互作用項、のみを考慮すれば事足りる．更には、ｌ番目の量子ドットとｍ番目の量子ドットとして特に、最近接する２つの量子ドットを考慮すればよいので、以下では次式で表される最近接量子ドット間の相互作用のみを考えることにする。
【数８】
2004111934.tif 000010
　次に、式（７ａ）および（７ｂ）の交換エネルギを評価して強磁性転移温度を求める。式（７ａ）および（７ｂ）のＪに式（２）および（５ａ），（５ｂ）を代入すると、３次元と２次元の場合の交換エネルギはそれぞれ次のように評価される。
【数９】
2004111934.tif 000011
　今、量子ドット内に余剰電子が１個あるとして、フェルミエネルギ（ＥＦ ＝０）に関して、Ｅd＋ＵとＥdとが対称になっている場合、すなわち、Ｅd＝−Ｕ／２の場合、式（８ａ）および（８ｂ）は、それぞれ
【数１０】
2004111934.tif 000012
となり、交換エネルギは最小値を与える。なお、式（９ａ）および（９ｂ）の導出にあたってＥd＝−Ｕ／２を仮定したが、一般には量子ドットのサイズ等のばらつきによって、量子ドットごとに見るとＥd＝−Ｕ／２からずれている。その場合、交換エネルギは式（９ａ）および（９ｂ）で与えられるものよりも大きくなる。しかしながら、このことにより、以下の議論の一般性が失われることはない。
【００５２】
　弾性結合エネルギΓは伝導電子系と量子ドットとの結合の強さを表すので、伝導電子系と量子ドットとの距離や両者の間にあるポテンシャル障壁の高さなどのデバイス形状に大きく依存する。弾性結合エネルギをあまり小さくしすぎると交換エネルギは小さくなってしまうので、この意味ではできるだけ大きくなるようにした方がよい。しかしながら一方で、伝導電子系と量子ドットとの結合をあまり大きくしすぎると、量子ドット中に電子が閉じ込められなくなり、式（２）を導いた二次摂動の仮定が成立しなくなる。
【００５３】
　これに関して、奇数個の電子から成る量子ドットは、あたかも磁性不純物のように振舞うことが知られており、このような単一の量子ドットを伝導電子系と結合させた際に見られる近藤効果の研究によれば、Γ／πＵの値の最適値は０．１程度であることが知られている。クーロンエネルギＵは量子ドットのサイズに反比例してある値に決まってしまうが、弾性結合エネルギΓは障壁バリアを低くしたり薄くしたりすることによって自在に大きくすることができる。このように障壁バリアの厚さを制御することによって、Γ／πＵが最適値０．１を取るようにデバイス構造を調節できることは既に実証されている。（非特許文献１：van der Wiel et al., “The Kondo Effect in the Unitary Limit”, Sicence Vol. 289, pp. 2105-2108 (2000).を参照。）。具体的には、障壁層を作製する際の結晶成長時間を短くしたり、障壁層が薄くなるように微細加工して、障壁層の厚さを調節する。
【００５４】
　そこで、Γ／πＵの値として最適値０．１を用いると、式（９ａ）および（９ｂ）は、それぞれ
【数１１】
2004111934.tif 000013
となる。
【００５５】
　図１１は、３次元ＲＫＫＹ相互作用の強さを局在スピン間の中心距離（最近接量子ドット間の中心距離）Ｒの関数としてプロットしたものを示す説明図である。同図によれば、局在スピン間の中心距離Ｒがフェルミ波長λＦの１／π倍（ここで、λＦ＝２π／ｋＦ、図１１で２ｋFＲの値が４程度に相当）程度以下のときは、交換エネルギ（式（９ａ）を参照）の値が正、すなわち負の相互作用（つまり局在スピンを揃えようとする力）が働く一方で、局在スピン間の中心距離Ｒがフェルミ波長λＦの１／π倍程度よりも大きくなると、正負に振動しながら減衰することが分かる。なお、２次元ＲＫＫＹ相互作用も同様の振動構造を示す。
【００５６】
　したがって、本発明の非磁性体材料が強磁性を発現するための条件の一つは、最近接量子ドット間の中心距離Ｒが量子ドットのサイズＬ（０ ＜ Ｌ）よりも大きく伝導電子領域の電子のフェルミ波長λＦの１／π倍以下（Ｒ ≦ λＦ／π）となることである。つまり、最近接量子ドット間の中心距離Ｒは、０ ＜ Ｌ ＜ Ｒ ≦ λＦ／πを満たすことが必要となる。言い換えると、本発明の非磁性体材料が強磁性を発現するためには、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの下限（Ｒｌｌ）が量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬよりも大きく、その上限（Ｒｕｌ）が伝導電子のフェルミ波長λＦの１／π倍程度である必要があるということになる。
【００５７】
　更に、最近接量子ドット間の中心距離Ｒおよび各量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬはこの不等式を満たす範囲においてばらつきを許容することができる。なお、ここで量子ドットのサイズＬとは、電子の閉じ込め方向の長さことを意味する。
【００５８】
　図１２および図１３は、それぞれ３次元および２次元の場合における伝導電子領域の伝導電子に対するフェルミ波長λＦと伝導電子領域の伝導電子濃度ｎとの関係を示したものである。ここで、実線で示した関数形は具体的には、３次元の場合（図１２を参照）は、λＦ ＝ ２π／（３π２ｎ）１／３であり、２次元の場合（図１３を参照）は、λＦ ＝（２π／ｎ）１／２である。図１２および１３において横軸は実デバイスにおける実用的な伝導電子濃度の範囲の一部を示したものである。すなわち、図１２では、１×１０１７ｃｍ−３程度から１×１０１８ｃｍ−３程度の範囲であり（図１４においても同様）、図１３では、１×１０１０ｃｍ−２程度から１×１０１１ｃｍ−２程度の範囲である（図１５においても同様）。図１２において、上記伝導電子濃度の範囲に対応するフェルミ波長λＦは、２０ｎｍ程度から５０ｎｍ程度の範囲であり、図１３において、上記伝導電子濃度の範囲に対応するフェルミ波長λＦは、１００ｎｍから３００ｎｍ程度の範囲であることがわかる。
【００５９】
　上述したように、このフェルミ波長λＦは量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌを決めている。したがって、本発明の非磁性材料が強磁性を発現するためには、３次元の場合、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限（Ｒｕｌ）が、伝導電子領域の伝導電子濃度ｎに応じて７ｎｍ程度（すなわち、２０／π≒７ｎｍ）から２０ｎｍ程度（すなわち、５０／π≒２０ｎｍ）の範囲である必要があることがわかる。同様に、２次元の場合、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限（Ｒｕｌ）が、伝導電子領域の伝導電子濃度ｎに応じて３０ｎｍ程度（すなわち、１００／π≒３０ｎｍ）から１００ｎｍ程度（すなわち、３００／π≒１００ｎｍ）程度の範囲である必要があることがわかる。
【００６０】
　なお、上記の説明においては、図１２および図１３を参照して実用的な伝導電子濃度の領域を１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３の範囲としたが、この範囲は実用電子濃度の一部であることに注意するべきである。実際にはこの上限値（１×１０１８ｃｍ−３）はより大きい範囲まで達成可能であり、それに対応して、上記最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限値Ｒｕｌの下限（上記７ｎｍおよび３０ｎｎｍ）もより小さい範囲まで達成可能である。
【００６１】
　また、上述したように、量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬは最近接量子ドット間の中心距離Ｒよりも小さい（Ｌ＜Ｒ）という要請から、３次元であれば、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが７ｎｍ程度であれば７ｎｍよりも小さいサイズであることが好ましい。また、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが２０ｎｍ程度であれば２０ｎｍよりも小さいサイズであることが好ましい。同様に、２次元であれば、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが３０ｎｍ程度であれば３０ｎｍよりも小さいサイズであることが好ましい。同様に、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが１００ｎｍ程度であれば１００ｎｍよりも小さいサイズであることが好ましい。この条件を満たす範囲において、各量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬはばらつきを許容することができる。
【００６２】
　このようなドット間隔を有する量子ドット系は現在の技術で十分に作製可能である（非特許文献２：Ueno et al., “Fabrication of GaAs Quantum Dots on a Bilayer-GaSe Terminated Si (111) Substrate”, Japan Journal of Applied Physics, Vol. 40, pp.1888-1891 (2001).および非特許文献３：Oda et al., “Nanocrystalline silicon quantum dots prepared by VHF plasma-enhanced chemical vapor deposition”, Japan Journal of Applied Physics”, Journal of Physics IV France, Vol. 11, pp.1065-1071 (2001).を参照。）。）。なお、図１２および１３に示した関数形は、伝導電子領域を構成する非磁性材料（例えば、後述するIII-V族材料やII-VI族材料など）に依らず同じである。
【００６３】
　このとき強磁性転移温度は、次式
【数１２】
2004111934.tif 000014
で与えられる。ここで、Ｊは式（９ａ）及び（９ｂ）の交換エネルギを表し、ｚは最近接量子ドット数を表し、記号「〜」は、具体的なｚの値（例えば、立方格子の場合にはｚ＝６）とＳ＝１／２を代入したとき、Ｔc がＪのオーダー（Ｊの数倍程度の値）になるということを意味している。
【００６４】
　図１４および図１５は、伝導電子領域がＧａＡｓの場合に、伝導電子領域の伝導電子濃度ｎおよび最近接量子ドット間の中心距離Ｒの関数として３次元および２次元の場合の強磁性転移温度をそれぞれ示した説明図である。これらの図から、上記横軸に示した実デバイスにおける実用的な電子濃度のほぼすべての範囲において、３次元では最近接量子ドット間の中心距離Ｒが４ｎｍ程度以下（つまり、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが４ｎｍ程度）、２次元では１０ｎｍ程度以下（つまり、最近接量子ドット間の中心距離Ｒの上限Ｒｕｌが１０ｎｍ程度）で３００Ｋ（室温）以上の強磁性転移温度を持ちうることが分かる。このことより、ＲＫＫＹ相互作用に基づく本モデルにおいて、室温において強磁性を発現するためには、最近接量子ドット間の中心距離Ｒをフェルミ波長λＦの１／π倍程度よりも更に小さくする必要があることがわかる。具体的には、図１４に示したように、３次元においては、最近接量子ドット間の中心距離Ｒをフェルミ波長λＦの１／５倍程度にする必要がある。同様に、図１５に示したように、２次元においては、最近接量子ドット間の中心距離Ｒをフェルミ波長λＦの１／１０倍程度にする必要がある。なお、ここではＧａＡｓのみを一例として挙げたが、他の物質（後述するIII-V族材料やII-VI族材料）に関しても、上記と同じ条件が必要となることに変わりはない。
【００６５】
　同様に、上記磁性体が常温において強磁性を発現するためには、量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬは、３次元では４ｎｍ、２次元では１０ｎｍよりも小さいことが好ましい。
【００６６】
　ＲＫＫＹ相互作用は、銅やアルミなどの非磁性金属に鉄（Ｆｅ）やマンガン（Ｍｎ）などの磁性不純物を加えたときに磁性不純物間に働く相互作用として知られている。しかしながら、これらの金属合金においては、磁性不純物は母体金属の格子点をランダムに占めているために、一つの磁性不純物のスピンに作用する他のスピンからの内部磁場の方向は、周囲の磁性不純物の分布によって異なる。このような磁性不純物の位置を制御することはできないので、金属合金のスピン配置を制御することは工学的に極めて難しい。
【００６７】
　また、金属のフェルミ波長は０．１ｎｍ乃至１ｎｍ程度と極めて小さいので、現状において制御可能なデバイスのサイズにおいてＲＫＫＹ相互作用はスピン間距離の増加に伴って正負に振動しながら急速に減衰してゆき、個々の磁性不純物に働く内部磁場の大きさもまちまちになる。このような磁性不純物に働く内部磁場の大きさを制御することはできないので、金属合金のスピン配置を制御することは工学的に極めて難しい。
【００６８】
　これに対し、非磁性材料から成る量子ドット中の局在スピン同士を伝導電子系を介してＲＫＫＹ相互作用させると、以下に述べるような数多くの工学的な長所を生じる。
【００６９】
　（１）量子ドットは加工技術や自己成長技術を用いて比較的制御性良く配置することができるので、局在スピンの位置や量子ドットの大きさを制御しやすい。
【００７０】
　（２）フェルミ波長が長い材料を用いれば、ある程度の大きさを持った量子ドットでも間隔を開けて並べて配置することができる。例えば、ＧａＡｓやシリコン（Ｓｉ）などの半導体材料のフェルミ波長は数十ｎｍ程度である。この大きさを持った量子ドットは既に容易に作成されている。量子ドットの閉じ込め方向のサイズＬを小さくすれば（隣接量子ドット間の中心距離Ｒを小さくすることにも対応）、強磁性転移温度は高くなるので、できるだけこれよりも小さいドットを作ることが望ましい。微細加工技術では１０ｎｍ以下のサイズの量子ドットは既に作成されているし、ＧａＡｓやＳｉの自己成長量子ドットでも１０ｎｍ以下のサイズが既に実現されている。（上記非特許文献２、３を参照。）。したがって、上記半導体材料を用いれば、現在の技術でも充分に量子ドットを上述した間隔に並べることができる。これによってＲＫＫＹ相互作用が常に負になるようにすることができ、量子ドット中の局在スピン間に強磁性を発現させる交換相互作用を働かせることができる。
【００７１】
　（３）伝導電子系として非磁性材料である半導体材料を用いた場合、ゲート電極にゲート電圧をかけて伝導電子濃度を調節すると、フェルミ波長の長さを量子ドット間隔に比して適宜調節できるようになるので、強磁性の自在なスイッチオン・オフ制御が可能である。
【００７２】
　（４）磁性金属物質を含む必要がないので、非磁性材料だけを用いた磁性材料を実現できる。このために、例えば既存のシリコンＬＳＩプロセスを使ってシリコン集積回路上に磁性デバイスをモノリシックに作り込むことが可能となる。
【００７３】
　（５）フラットバンド強磁性体のように、量子ドット列を均一に周期的に並べる必要がない。最近接する量子ドット同士がフェルミ波長以下に接近していれば、量子ドット間の中心距離や量子ドットの大きさにある程度のばらつきがあっても許容される。つまり、フラットバンド強磁性体モデルの場合は、電子は周期的に配列された量子ドット間を直接飛び移り、電子のエネルギがフラットバンド構造を持つ必要があるが、本発明の理論的基盤であるＲＫＫＹ相互作用モデルにおいては、電子は伝導電子系を介して量子ドット間を間接的に飛び移ればよく、必ずしも量子ドット列が周期的に配列される必要がないのである。つまり、両者における強磁性の発現のメカニズムは異なり、本発明において、量子ドットの大きさや量子ドット間の中心距離のある程度のばらつきが許容可能なのは、ＲＫＫＹ相互作用の効果に基づくからである。
【００７４】
　（６）以上の議論では奇数個の電子から成る量子ドットについて説明したが、上記（５）の理由により量子ドットの大きさにはばらつきを持たせることができるため、実際には一部に偶数個の電子から成る量子ドットが生じることもある。しかし、そのような偶数個の電子から成る量子ドットはスピンがゼロの「非磁性不純物」にすぎず、全体の磁性に影響を与えることはない。したがって、本発明の理論的基盤であるＲＫＫＹ相互作用モデルにおいては、量子ドットのサイズＬをフェルミ波長λＦの１／π倍（より好ましくは、３次元の場合はλＦの１／５倍程度、２次元の場合はλＦの１／１０倍程度）程度よりも小さくさえあれば、それ以上厳密に制御する必要がないという利点がある。
【００７５】
　（７）強磁性転移温度は伝導電子領域の伝導電子のフェルミエネルギで決まる（式（１０）および（９ａ）、（９ｂ）を参照。）ので、室温まで強磁性を保つことが可能である。
【００７６】
　以上の長所は、従来の金属磁性体には見られないものであり、この意味で非磁性材料から成る量子ドットを用いて構成される磁性体は、まったく新しい工学的応用の可能性を開くものであると期待される。
【００７７】
　次に、以上の理論的背景に基づいて構成される本発明の実施の形態を説明する。
【００７８】
（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁性体の構成を示す説明図である。また、図２は、図１のドット部１００の構成を示す説明図である。これらの図に示すように、磁性体１は、少なくとも一つの電子が閉じこめられた局在スピンを有する局在電子領域である複数の量子ドット１１が、これらの量子ドット１１を構成する電子の持つフェルミエネルギよりも高いポテンシャルエネルギを有し、各量子ドット１１に電子を閉じ込める障壁層（障壁ポテンシャル領域）１２に囲まれて成るドット部１００を挟んで、この障壁層１２よりも低いエネルギを有する伝導電子系から成る伝導電子領域１３に埋め込まれた構成を有している。
【００７９】
　なお、局在電子領域の量子ドット１１と伝導電子領域１３のエネルギの大小は任意で構わない。
【００８０】
　また、量子ドット１１、障壁層１２、伝導電子領域１３の間のエネルギの関係については、後述する他の実施形態においても同様である。
【００８１】
　本実施形態においては、量子ドット１１のサイズＬが数ｎｍ乃至１００ｎｍ程度の微小領域に電子を閉じ込めた構造を成すものであれば好ましい。詳細には、理論的背景において説明したように、３次元の場合には、図１２に示したように、量子ドットのサイズＬが２０ｎｍ程度以下であることがより好ましい。更に、図１４に示したように、常温においても強磁性を発現するためには、量子ドットのサイズＬが４ｎｍ程度以下であることがより好ましい。２次元の場合には、図１３に示したように、量子ドットのサイズＬが１００ｎｍ程度以下であることがより好ましい。更に、図１５に示したように、常温においても強磁性を発現するためには、量子ドットのサイズＬが１０ｎｍ程度以下であることがより好ましい。
【００８２】
　量子ドット１１の材料としては、例えばガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），インジウム（Ｉｎ）等のIII族元素と窒素（Ｎ），リン（Ｐ），ヒ素（Ａｓ），アンチモン（Ｓｂ）等のV族元素を組み合わせて成るIII-V族材料（例えば、ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の非磁性材料）や、亜鉛（Ｚｎ），カドミウム（Ｃｄ），水銀（Ｈｇ）等のII族元素と硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ），テルル（Ｔｅ）等のVI族元素を組み合わせて成るII-VI族材料（ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＨｅＴｅ等の非磁性材料）が考えられる。
【００８３】
　量子ドット１１は、例えば、イオンや電子ビームなどを用いた加工技術や選択成長技術を用いて微細な半導体領域を作製することによって形成することができる。また、半導体量子井戸構造中に電子を閉じ込めることによって量子ドット１１を形成することも可能である。さらに、自己成長モードとして、Volmer-Weber モード、Stranski-Krastanov モード、Frank-van der Merve モード、および格子定数の差から生じる応力によって誘起された成長モードなどを用いた半導体結晶成長法によって微細な量子ドット島（多数の量子ドットの集合）を自己集合的、自己組織的に自然に成長させ、障壁層１２を介してそれらの量子ドット島を伝導電子系１３に結合させる方法も考えられる。
【００８４】
　以上のように構成される磁性体１において、量子ドット１１は障壁層１２を介して伝導電子領域１３と接合しているため、量子ドット１１中に閉じ込められた電子は、障壁層１２をトンネル効果により通り抜けて、伝導電子領域１３との間を行き来することができる。障壁層１２の厚さｌは、厚すぎると電子が移動できなくなってしまう一方で、薄すぎると量子ドットの閉じ込め効果が弱くなり、いずれの場合にも強磁性転移温度が低くなってしまう。そこで、量子ドット１１を形成するときの成長、合成、または加工の条件を適宜調節することによって、障壁層１２を最適な厚さにする必要がある。なお、ここで言う最適な厚さとは、Γ／πＵが０．１程度に相当する厚さのことであり、最大で１程度である。Γ／πＵが１を越えると、量子ドット１１に電子が閉じ込められなくなる。
【００８５】
　Γ／πＵを最適値０．１にするような障壁層の厚さｌは、量子ドットのサイズＬに比べると非常に小さい。例えば、障壁層のポテンシャルを矩形で近似した場合、量子ドット中の電子の波動関数は指数関数的に障壁層の外側にしみ出す。このしみ出しの長さｄは量子力学で計算すると、
【数１３】
2004111934.tif 000015
　このしみ出しの長さｄが障壁層の厚さｌと同程度のときに、電子が閉じ込められ、かつ伝導電子系と結合できるような、最適な厚さと見なすことができる。障壁層として用いられる半導体材料（例えばＡｌＧａＡｓやＳｉＯ２）を考えると、障壁ポテンシャルの高さはＶ＝１ｅＶ（エレクトロンボルト）程度である。ｍ＝０．１ｍ０（ｍ０は電子の質量）を用いると、障壁層の厚さはｄ（ｌ）＝０．３ｎｍとなる。したがって、障壁層の厚さが０．３ｎｍ程度になるように結晶成長や加工の条件を適宜調節すれば、Γ／πＵを最適値とすることができる。また、例えばＡｌＧａＡｓ中のＡｌの組成を適宜減らすことによって、障壁ポテンシャルの高さＶを低くする（または障壁層の厚さを厚くする）ことによっても、Γ／πＵを最適値に調整することができる。
【００８６】
　理論的背景において説明したように、最近接量子ドット１１間の中心距離Ｒをフェルミ波長の１／π程度以下（より好ましくは、３次元の場合はλＦの１／５倍程度、２次元の場合はλＦの１／１０倍程度）となるように設計すると、量子ドット１１中の局在スピン間に強磁性的な交換相互作用が働き、伝導電子領域１３にスピン偏極が誘起される。
【００８７】
　なお、図１においてはドット部１００が不規則に並んでいる（例えばＬ＜Ｒ１≠Ｒ２≦Ｒｕｌ）が、これは現在の加工技術に精度上の限界があることを反映したものである。しかしながら、本発明によれば、上述したように、ドット部１００の間隔にばらつきを持たせることができるため、このような加工精度上の制約の下でも十分に強磁性を発現する磁性体を作成することが可能であることは強調されるべき特徴であると言える。
【００８８】
　実際、理論的背景において説明したように、本実施形態に係る磁性体を構成する際には、最近接量子ドット１１間の中心距離Ｒ（Ｒ１やＲ２）が量子ドットのサイズＬより大きくフェルミ波長の１／π倍程度以下となるように設計することが最も重要である。更に、常温においても強磁性を発現するためには、最近接量子ドット１１間の中心距離Ｒが量子ドットのサイズＬよりも大きくフェルミ波長の１／５倍（３次元の場合）又は１／１０（２次元の場合）倍程度以下となるように設計することが好ましい。
【００８９】
この条件の下で、本発明においては、最近接量子ドット間の中心距離Ｒおよび各量子ドット１１のサイズＬは、それぞれ理論的背景で詳述した範囲を満たす範囲において、ばらつきを許容することが可能である。このことは、各量子ドット１１が特別な格子配列を構成しなくても非磁性材料である半導体から磁性体１を製造することができることを意味する。したがって、本発明の磁性体１を製造するにあたっては、特別高度な制御を必要とせずに非磁性体である半導体から磁性体１を製造することができるという利点がある。
【００９０】
　また、図１（および図２）のドット部１００はすべて同じ形状を有しているが、これは図面記載上の便宜的な措置によるものに過ぎず、実際には各ドット部１００がさまざま形状を有して形成されるのは勿論である。
【００９１】
　さらに、磁性体１の形状も、図１に示す直方体形状に限定されるものではない。図１では、磁性体１要部の構成を説明することが主眼であるために、その全体の形状が単純な直方体形状を有するものとして記載してあるが、実際には磁性体１としてさまざまな形状に加工することが可能である。この点については、後述する磁性体の構成を示す図面においても同様のことがいえる。
【００９２】
　本実施形態においては、磁性体１と同様の効果を奏するさまざまな磁性体を構成することが可能である。以下、そのような磁性体の構成例を説明する。なお、以下の構成例において各磁性体を構成する量子ドットの大きさは、量子ドット１１の大きさＬと同程度である。
【００９３】
　図３は、外側を障壁層で囲まれた量子ドットからなるドット部１００を伝導電子領域２３の上部に接するように載せて形成される磁性体２の構成を示す説明図である。同図に示す各ドット部１００（量子ドットと障壁層から成る）は、図２のように構成される。
【００９４】
　図４は、伝導電子領域３３の上に障壁層３２を形成し、さらに障壁層３２上部に量子ドット３１が載るように形成される磁性体３の構成を示す説明図である。同図において、伝導電子領域３３の下層には、絶縁層３４が設けられている。
【００９５】
　図５は、量子ドット４１を埋め込んだ障壁層４２を挟むように上下に伝導電子領域４３ａおよび４３ｂを配置した構成を有する磁性体４を示す説明図である。同図に示す磁性体４は、伝導電子領域４３ａおよび４３ｂがそれぞれソース電極およびドレイン電極の役割を担っており、埋め込まれた量子ドットを介してソース、ドレイン電極間に電流を流すことができる。
【００９６】
　以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、電子が閉じこめられた局在電子領域（量子ドット）と、この局在電子領域に接しかつ当該局在電子領域よりもポテンシャルエネルギが高い障壁ポテンシャル領域（障壁層）と、この障壁ポテンシャル領域よりも低いエネルギを有し、前記障壁ポテンシャル領域を介して前記局在電子領域との間を電子が移動可能である伝導電子領域とを備えることにより、室温で強磁性を示す非磁性材料を用いた磁性体を提供することができる。
【００９７】
　一般に、多数の量子ドット列から成る物質が室温でも強磁性を示すことは自明ではない。本実施形態によれば、ＲＫＫＹ相互作用の理論に基づいて構成される量子ドット列を用いることにより、室温でも強磁性を示す磁性体を提供することが可能になる。
【００９８】
　また、本実施形態に係る磁性体は、現状の加工技術、成長技術、および合成技術を利用して形成することができるので、トランジスタなどの従来デバイスと同一基板状に作成できる利点を有する。このような半導体ドット磁性体を用いることによって、今後進展が期待されるＬＳＩチップの小型化、高集積化に大いに貢献するものと考えられる。
【００９９】
　さらに、本実施形態によれば、半導体はゲート電極に電圧を印可することにより伝導電子濃度を自由に変化させることができるので、強磁性のスイッチオン・オフ制御が容易であり、磁気スイッチングデバイスや磁気センサとして利用することが可能になる。
【０１００】
　加えて、半導体は電子の移動度や量子ドット形状を変えることが容易かつ高精度でできるため、極めて制御性よくドット超伝導体が作製できると考えられる。このことは生産性の点で品質や歩留まりの向上につながる。
【０１０１】
　また、ＲＫＫＹ相互作用に基づく本発明によれば、半導体量子ドットに限らず、現状の加工技術、成長技術、合成技術等を用いて形成された非磁性の半導体クラスタ、炭素クラスタ、金属クラスタにおいても室温で強磁性を示すので、従来の磁性材料から成る磁性体と比較して全く新しい磁性材料が実現される。
【０１０２】
（第２の実施の形態）
　図６は、本発明の第２の実施形態に係る磁性体の構成を示す説明図である。同図に示す磁性体５は、例えばＧａＡｓとアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）から成る化合物半導体のヘテロ接合界面や、シリコンと二酸化シリコンから成るシリコンＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタの反転層等の二次元電子系界面５６に形成される二次元伝導電子ガスを利用するものである。
【０１０３】
　図６では、二次元電子系界面５６が半導体５４と半導体５５の境界に形成される状況を表しているが、この二次元電子系界面５６が前述した化合物半導体のヘテロ接合界面の場合には、半導体５４がＧａＡｓ，半導体５５（絶縁層）がＡｌＧａＡｓとなる。この場合にはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを逆にすることもできる。また、二次元電子系界面５６がシリコンＭＯＳトランジスタの反転層の場合には、半導体５４がシリコン、半導体５５（絶縁層）が二酸化シリコンとなる。
【０１０４】
　なお、二次元電子系界面の形成法および物質構成に関しては、これ以外にも様々な方法があり、図６に示したものはあくまでも一例に過ぎない。
【０１０５】
　このような二次元電子系（伝導電子領域）の直上に、半導体５５を挟んで特定の構造に加工した外部金属電極ゲート（金属ゲート）５７を装着し、この金属ゲート５７に負の電圧を加えると、金属ゲート５７の真下では静電ポテンシャルが高くなるため、この付近に存在する二次元電子系界面５６上の電子が排除される（図７の網掛け部分に相当）。この結果、電子が二次元電子系界面５６内で局在し、その二次元電子系界面５６には、伝導電子系領域５３に加えて量子ドット領域５１と障壁層領域５２が形成される。
【０１０６】
　図７は、金属ゲート５７に負の電圧を印加することによって量子ドット領域５１および障壁層領域５２が形成されたときの二次元電子系界面５６を模式的に示す説明図である。上述したように、図７に示す量子ドット領域５１の間隔、大きさ、および配列は、金属ゲート５７の形状に応じて形成されるものであり、同図に示すものがあくまでも一例に過ぎないことはいうまでもない。
【０１０７】
　なお、本実施形態において想定される量子ドット領域５１のサイズＬは、上記第１の実施形態における量子ドット１１のサイズと同程度である。
【０１０８】
　また、上記第１の実施形態と同様に、最近接量子ドット間の中心距離Ｒおよび量子ドット１１のサイズＬにはばらつきがあってもよい。
【０１０９】
　以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１０】
（第３の実施の形態）
　図８は、本発明の第３の実施形態に係る磁性体の構成を示す説明図である。同図に示す磁性体６は、半導体にエッチング加工法や選択成長法を適用して作製される。より具体的には、半導体の一部をエッチング加工法等によって切り取って図８に示すような形状に加工すると、この形状に応じて電子が移動し、同図においてその断面が略菱型で表される量子細線領域に電子がたまり、量子ドット６１が形成される。なお、量子ドット６１の大きさは、上記第１および第２の実施形態における量子ドットの大きさと同程度である。また、図８では形成された全ての量子ドット６１断面を同じ略菱形で記載してあるが、実際に電子が移動して形成される量子ドット６１は、各々が異なる形状を有するのは勿論である。
【０１１１】
　このように、磁性体６の伝導電子領域６３は、幅広く立体的な構造を有する半導体領域中に実現され、量子ドット６１はエッチング技術や選択成長法によって作製した量子細線構造中に実現される。また、障壁層領域６２は、量子ドット６１の領域と伝導電子領域６３との間の通り道を細く作製および／または加工することにより実現できる。
【０１１２】
　なお、本実施形態に係る磁性体６は、シリコンを酸化する際に、細い細線領域と幅広い伝導電子領域とのつなぎ目部分が他の部分よりも良く酸化され、そのつなぎ目部分に自然に障壁層が形成されるパターン依存酸化法（ＰＡＤＯＸ法：Pattern-Dependent Oxidation）を用いて形成することも勿論可能である。
【０１１３】
　また、図８に示した形状はあくまでも一例であって、この形状に限定されるわけではない。本実施形態に係る磁性体を構成する上では、半導体を加工する際に、量子ドット領域と障壁層領域が適宜構成されうるような形状のものであればどのようなものでも一向に構わない。
【０１１４】
　以上説明した本発明の第３の実施形態が、上記二つの実施形態と同様の効果を奏するのはいうまでもない。
【０１１５】
（第４の実施の形態）
　図９は、本発明の第４の実施形態に係る磁性体の構成例を示す説明図である。磁性体７は、量子ドット７１を埋め込んだ障壁層７２を挟むように上下に伝導電子領域７３ａおよび７３ｂを配置した構成を有する。同図に示す磁性体７は、伝導電子領域７３ａおよび７３ｂがそれぞれソース電極およびドレイン電極の役割を担っており、埋め込まれた量子ドットを介してソース、ドレイン電極間に電流を流すことができる。これに加えて、本実施形態においては、絶縁層７４と、絶縁層７４を介して伝導電子領域７３ａおよび７３ｂに電圧を印加する外部ゲート電極７５を伝導電子領域７３ａ及び７３ｂの外側近傍に備えた構成を成す（三端子素子）。この磁性体７において、外部ゲート電極７５に電圧を印加することによって、伝導電子領域７３ａ及び７３ｂの伝導電子濃度を変化させることができ、伝導電子系のフェルミエネルギを外部ゲート電極で調整することが可能となる。これによって、磁性体７は、量子ドット列７１部分の強磁性体状態を自在にスイッチオン・オフできる三端子素子としての役割を果たすことが可能となる。
【０１１６】
　図１０は、上記第４の実施形態にかかる磁性体の第２の構成例を示す説明図である。磁性体８は、周囲よりもエネルギが低く複数の電子が閉じこめられた第１の領域である複数の量子ドット、これら量子ドットを構成する電子の持つフェルミエネルギよりも高いポテンシャルエネルギを有する第２の領域である障壁層とから成るドット部８１を挟んで、この障壁層よりも低いエネルギを有する第３の領域である伝導電子領域８２に埋め込まれた構成を有している。更にその下部には絶縁層８３、更にその下部には外部ゲート電極８４が接合するように構成されている。この磁性体８に、外部ゲート電極８４において、外部ゲート電圧８４に電圧を印加することによって、伝導電子領域８２の伝導電子濃度を変化させることができ、伝導電子系をフェルミエネルギを外部ゲート電極８４で調整することが可能となる。これによって、磁性体８は、ドット部８１部分の強磁性体状態を自在にスイッチオン・オフすることが可能となる。
【０１１７】
　一般に、量子ドットとそれと接する絶縁層との格子定数が不整合であったり、量子ドットの結晶構造に異方性があると、応力やバンド構造の非等方性によって量子ドットに構造的異方性が生じ、量子ドット中のスピンに磁気的異方性が生じる。また、量子ドットとしてスピン軌道相互作用が強い材料（ＩｎＡｓなど）を使った場合でも同様に磁気的異方性が生じる。このため、量子ドット列全体で強磁性となったとき、ある方向へ磁化容易軸を持つことができる。すなわち、半導体材料のみを用いながら、磁性体としては通常の金属磁性体と同じ特性を持つことができる。このため、半導体材料のみを用いたＧＭＲ磁気ヘッドや磁気センサ、不揮発メモリ（ＭＲＡＭを含む）などへの幅広い応用が考えられる。そればかりではなく、金属磁性体にはあり得なかった特性も兼ね備えている。すなわち、伝導電子系のフェルミエネルギは外部電極などで容易に調整可能であるから、量子ドット列部分の強磁性体状態をスイッチオン・オフできる。これを利用すれば、スピントランジスタなどのスピントロニクスデバイスの材料としても利用できる。また、磁気光学材料として用いれば、外部電圧によって光の偏光回転を自在にオン・オフすることが可能となるなど、新たなデバイス材料として利用可能である。本実施形態は、このような新たなデバイスの典型的な構成例を示したものである。
【０１１８】
　以上説明した本発明の第３の実施形態が、上記三つの実施形態と同様の効果を奏するのはいうまでもない。
【０１１９】
　なお、本発明は、上記第１乃至第４の実施形態と同様の効果を奏する他のさまざまな実施の形態等を含み得るものである。
【０１２０】
　なお、厳密には量子ドット−量子ドット間の直接の飛び移りないとは言えないが、それが起こるためには、量子ドット−量子ドット間の結合エネルギが伝導電子系−量子ドット間の結合エネルギΓよりも小さいことが前提となる。この点、例えば図７に示したように、伝導電子系−量子ドット間のバリアの厚さｌ１よりも量子ドット−量子ドット間のバリアの厚さｌ２の方が必ず厚くなる構造としているので（ｌ１＞ｌ２）、量子ドット−量子ドット間の直接の飛び移りによる強磁性転移温度の低下は起こらない。このことは上記全実施形態において同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁性体の構成例を示す説明図である。
【図２】図１のドット部の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁性体の第二の構成例を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁性体の第三の構成例を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁性体の第四の構成例を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る磁性体の構成例を示す説明図である。
【図７】図６の二次元電子系界面の構成を示す説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る磁性体の構成例を示す説明図である。
【図９】本発明に係る磁性体を用いた磁性デバイスの構成例を示す説明図である。
【図１０】本発明に係る磁性体を用いた磁性デバイスの第２の構成例を示す説明図である。
【図１１】ＲＫＫＹ相互作用の強さ（交換エネルギ）を最近接局在スピン間の中心距離の関数として示した説明図である。
【図１２】三次元の場合における伝導電子のフェルミ波長と伝導電子濃度との関係を示した説明図である。
【図１３】二次元の場合における伝導電子のフェルミ波長と伝導電子濃度との関係を示した説明図である。
【図１４】三次元の場合における強磁性転移温度を最近接量子ドット間の中心距離及び伝導電子濃度の関数として示した説明図である。
【図１５】二次元の場合における強磁性転移温度を最近接量子ドット間の中心距離及び伝導電子濃度の関数として示した説明図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１、２、３、４、５、６、７、８　 磁性体
１１、３１、４１、６１、７１、８１　量子ドット（局在電子領域）
１２、３２、６２、７２　障壁層（障壁ポテンシャル領域）
１３、２３、３３、４３ａ、４３ｂ、５３、６３、７３ａ、７３ｂ、８２　伝導電子系（伝導電子領域）
３４、７４、８３　絶縁層
４２、５２　障壁層領域（障壁ポテンシャル領域）
５１　量子ドット領域（局在電子領域）
５４、５５　半導体
５６　二次元電子系界面
５７　金属ゲート
１００　ドット部
７４、８４　外部ゲート電極
【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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