(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子であって、
圧電性強誘電体からなるマトリックスと、
前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、
前記第１端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極と、を備えていることを特徴とする複合素子。
【請求項２】
請求項１記載の複合素子において、
前記第１端部が、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第１サブマトリックスにより構成されていることを特徴とする複合素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の複合素子において、
前記第２端部が、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第２サブマトリックスにより構成されていることを特徴とする複合素子。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の複合素子において、
前記第２端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第２内因電極をさらに備えていることを特徴とする複合素子。
【請求項５】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子を用いる情報処理装置であって、
前記複合素子が、
圧電性強誘電体からなるマトリックスと、
前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、
前記複合素子の前記第１端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極と、を備え、
前記情報処理装置が、
前記複合素子の前記第１端部の端面に対して局所的に当接または近接可能な第１外因電極と、
前記第１外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第１駆動装置と、
前記複合素子の前記第２端部における前記チャネルの磁化状態の変化を磁気光学的に検出する磁気光学効果検出装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の指定箇所の端面とを当接または近接させるように前記第１駆動装置の動作を制御した上で、前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に交流電圧をその周波数を制御しながら印加することにより、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みの振動モードおよび前記複数のチャネルのうち前記指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態を調節するように構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【請求項６】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子を用いる情報処理装置であって、
前記複合素子が、
圧電性強誘電体からなるマトリックスと、
前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、
前記複合素子の前記第１端部および前記第２端部のそれぞれの側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極および第２内因電極と、を備え、
前記情報処理装置が、
前記複合素子の前記第１端部の端面に対して局所的に当接または近接可能な第１外因電極と、
前記第１外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第１駆動装置と、
前記複合素子の前記第２端部の端面に対して全体的に当接または近接可能な第２外因電極と、
前記第２外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第２駆動装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の指定箇所の端面とを当接または近接させるように前記第１駆動装置の動作を制御した上で、前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に交流電圧をその周波数を制御しながら印加することにより、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みの振動モードおよび前記複数のチャネルのうち前記指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態を調節するように構成され、かつ、
前記第２外因電極と前記複合素子の前記第２端部の端面とを当接または近接させるように前記第２駆動装置の動作を制御し、前記第２外因電極および前記第２内因電極の間の電圧を検出するよう構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【請求項７】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子を用いる情報処理装置であって、
前記複合素子が、
圧電性強誘電体からなるマトリックスと、
前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、
前記複合素子の前記第１端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極と、を備え、
前記複合素子の前記第１端部および前記第２端部のそれぞれが、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第１サブマトリックスおよび第２サブマトリックスのそれぞれにより構成され、
前記情報処理装置が、
前記複合素子の前記第１端部の端面に対して局所的に当接または近接可能な第１外因電極と、
前記第１外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第１駆動装置と、
前記複合素子の前記第２端部における前記チャネルの磁化状態の変化を磁気光学的に検出する磁気光学効果検出装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の指定箇所の端面とを当接または近接させるように前記第１駆動装置の動作を制御した上で、前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に直流電圧をその極性を制御しながら印加することにより、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みの振動モードおよび前記複数のチャネルのうち前記指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態を調節するように構成され、かつ、
前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所の端面とが当接または近接している状態で、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みが解除されるように前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に振幅が徐々に減衰する交流電圧を印加するよう構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【請求項８】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子を用いる情報処理装置であって、
前記複合素子が、
圧電性強誘電体からなるマトリックスと、
前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、
前記複合素子の前記第１端部および前記第２端部のそれぞれの側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極および第２内因電極と、を備え、
前記複合素子の前記第１端部および前記第２端部のそれぞれが、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第１サブマトリックスおよび第２サブマトリックスのそれぞれにより構成され、
前記情報処理装置が、
前記複合素子の前記第１端部の端面に対して局所的に当接または近接可能な第１外因電極と、
前記第１外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第１駆動装置と、
前記複合素子の前記第２端部の端面に対して全体的に当接または近接可能な第２外因電極と、
前記第２外因電極および前記複合素子を相対的に変位させるように構成されている第２駆動装置と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の指定箇所の端面とを当接または近接させるように前記第１駆動装置の動作を制御した上で、前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に直流電圧をその極性を制御しながら印加することにより、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みの振動モードおよび前記複数のチャネルのうち前記指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態を調節するように構成され、
前記第１外因電極と前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所の端面とが当接または近接している状態で、前記複合素子の前記第１端部の前記指定箇所における前記マトリックスの局所的な圧電歪みが解除されるように前記第１外因電極および前記第１内因電極の間に振幅が徐々に減衰する交流電圧を印加するよう構成され、かつ、
前記第２外因電極と前記複合素子の前記第２端部の端面とを当接または近接させるように前記第２駆動装置の動作を制御し、前記第２外因電極および前記第２内因電極の間の電圧を検出するよう構成されていることを特徴とする情報処理装置。
【請求項９】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子の製造方法であって、
基板上に外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体を一次元成長させることにより相互に離間している複数のチャネルを形成する工程と、
前記基板上に、前記チャネルの間隙を埋めるように圧電性強誘電体を成長させることにより前記チャネルの少なくとも側面全周に接合されているマトリックスを形成する工程と、
前記マトリックスの側面にフォトレジスタを塗布した上で、電子線描画装置によって前記マトリックスの両端部のうち少なくとも一方の側面に沿って連続的または断続的に延在する所定幅のラインを描画した後、蒸着により当該ラインに沿って金属を前記マトリックスの表面に蒸着することにより第１内因電極および第２内因電極のうち少なくとも一方を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１０】
誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子の製造方法であって、
基板上に外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体を一次元成長させることにより相互に離間している複数のチャネルを形成する工程と、
前記基板上に、前記チャネルの間隙を埋めるように圧電性強誘電体を成長させることにより前記チャネルの少なくとも側面全周に接合されているマトリックスを形成する工程と、
前記複数のチャネルの各端面が露出している前記マトリックスの各端面上に当該マトリックスとは異なる圧電性強誘電体を成長させることにより、前記複合素子の各端部を構成し、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの各端面に接合する一対のサブマトリックスを形成する工程と、
前記マトリックスの側面にフォトレジスタを塗布した上で、電子線描画装置によって前記マトリックスの両端部のうち少なくとも一方の側面に沿って連続的または断続的に延在する所定幅のラインを描画した後、蒸着により当該ラインに沿って金属を前記マトリックスまたは前記サブマトリックスの表面に蒸着することにより第１内因電極および第２内因電極のうち少なくとも一方を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチフェロイック物質は、強磁性および強誘電性を併せもつ物質であり、磁気エネルギーおよび電気エネルギーの変換ができる。すなわち、磁場による電気分極反転が可能であり、反対に、電場による磁化反転が可能である。
【０００３】
強磁性体の微粒子を微細化すると超常磁性転移するため、磁気記録媒体としては、記憶機能は消滅するが、外力などの外場を加えることで、強磁性転移させることができる（非特許文献１参照）。
【０００４】
強誘電体メモリでは、強誘電体表面と探針状の外因電極間に電場を印加することで、数nm四方の微細領域の誘電分域の電気分極を反転できる。このため、強誘電体は、高記録密度、省電力性能を有する記憶素子としても機能する（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. H. Liu,1,2 J. Ding,1,* Z. L. Dong,3 C. B. Boothroyd,4 J. H. Yin,1 and J. B. Yi1, Microstructural evolution and its influence on the magnetic properties of CoFe2O4 powders during mechanical milling, PHYSICAL REVIEW B 74, 184427 2006
【非特許文献２】Y. Cho, S. Kazuta, K. Matsuura, Scanning nonlinear dielectric microscopy with nanometer resolution, Appl. Phys. Lett., 75, 2833-2835, 1999）または  http://ci.nii.ac.jp/naid/110003205540
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、磁気記録媒体では記録密度を向上させるため、通常、非磁性マトリックスによって分散された磁性微粒子を微細化するが、これにより磁性粒子はもはや強磁性を示さなくなり、熱攪乱により超常磁性化してしまう。
【０００７】
一方、強誘電体メモリは、走査型非線形誘電率顕微鏡を用いた記憶方式により、半径数ｎｍという非常に微小な分極反転ドメインを生成することによる記憶素子である。しかしながら、誘電体メモリでは、情報を高密度に記憶できるが、スピンの交換力による磁化伝搬のような指向性を有する情報の伝搬機能の付与が困難である。概して、媒体の記録密度に追従できる書き込み・読み取りの分解能が問題とされている。
【０００８】
そこで、本発明は、情報伝送機能または情報記憶機能を有し、かつ、伝送密度または記録密度を向上するための書き込みおよび読み取りの分解能の向上を図りうる新種の素子等を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の複合素子は、誘電体および磁性体が組み合わせられることで構成されている複合素子であって、圧電性強誘電体からなるマトリックスと、前記複合素子の第１端部および第２端部の間で相互に独立して延在するように前記マトリックスに埋設されている、外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体からなる複数のチャネルと、前記第１端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第１内因電極と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
当該構成の複合素子によれば、圧電性強誘電体からなるマトリックスに局所的な逆圧電効果による圧電歪みが生じると、超常磁性体からなる一部のチャネルとマトリックスとの接合界面において応力が生じる。この結果、当該チャネルの端部が局所的に超常磁性状態から強磁性状態に転移し、局所磁区（電子スピンの方向がそろっている領域）が生成する。そして、局所磁区を磁気的な交換力によって当該チャネルに沿って第１端部から第２端部まで伝搬させることができる。第２端部まで伝送された局所磁区の磁化情報は後述する磁気光学的手法等により検知されうる。
【００１１】
複合素子が情報伝搬素子として機能する場合の局所磁区の磁化状態としては、超常磁性状態と、縦振動効果に応じた第１磁化状態および横振動効果に応じた第２磁化状態の３つの状態が存在するため、各チャネルが３進演算に対応する。
【００１２】
チャネルに沿って局所磁区が伝搬する際、マトリックスは局所磁区に接する箇所において局所的にチャネルから応力を受けて一時的にひずむものの、この局所磁区が通過した後でこの応力の反力がマトリックスからチャネルに対して作用させることができる。このため、チャネルにおける磁気的な交換力によるエネルギー損失が低減または防止され、エネルギー損失が著しく少ない情報伝搬素子が実現されうる。
【００１３】
前記複合素子において、前記第１端部が、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第１サブマトリックスにより構成されていることが好ましい。
【００１４】
当該構成の複合素子によれば、第１端部の指定箇所の端面に対して第１外因電極を局所的に当接または近接させた状態で、当該第１外因電極および第１内因電極の間に交流電圧が印加される。これにより、第１端部（第１サブマトリックス）の指定箇所に局所的に圧電歪みを生じさせ、マトリックスに界面応力を作用させることができる。その結果、前記のように、当該指定箇所に包含されているまたは隣接する指定チャネルとマトリックスとの接合界面において応力が生じ、当該指定チャネルの端部に局所磁区が生成し、各チャネルに情報が書き込まれた磁化状態が伝搬する。
【００１５】
マトリックスが、圧電振動する強誘電性素材からなる一方、第１および第２サブマトリックスが、圧電歪が不揮発的な強誘電性素材からなっていてもよい。「圧電歪が不揮発」とは、圧電体に電場を印加して、その電場を解除した場合に、履歴特性により歪が残留し、この歪が電場の極性によって制御できるという性質を意味する。この性質のため、サブマトリックスの歪（ある方向に伸びるか縮むか）によって２ビットの不揮発的な情報が書き込まれかつ伝搬される。当該圧電体は、概して、抗電界（抗電場）以上の電圧が印加された場合、歪の残留成分はゼロであり、抗電界以下である値以上の電圧が印加された場合のみ、歪−電場曲線に履歴が生じ、印加電場の極性が正または負に区別された場合に、伸び縮みが区別されて歪が残留する。ただし、ある値以下の電圧では、歪の履歴特性がなくなり、歪−電場曲線は線形（ほぼ直線）となり、歪の残留線分はなくなるので、当該圧電体はこのような使い方（電場の印加法）をする必要がある。
【００１６】
この際、交流電圧の周波数が制御されることにより、第１サブマトリックスの局所的な圧電歪みのモード（または方向）、マトリックスにおける第１サブマトリックスとの界面応力のモードおよびチャネルの局所磁区の磁化状態が選択されるので、各チャネルに伝搬される情報（磁化状態）の量の増大が図られる。
【００１７】
複合素子が情報記憶素子として機能する場合の局所磁区の磁化状態としては、超常磁性状態と、局所磁区が電圧印加方向に伸びる縦効果に応じた第１磁化状態および局所磁区が電圧印加方向に縮む横効果に応じた第２磁化状態の３つの状態が存在するため、各チャネルが３進演算に対応する。第１磁化状態および第２磁化状態を用いて２進とし、超常磁性状態が初期状態と定義されれば、各チャネルの磁化情報と、全体の磁化情報とが選択的に初期化されうる。
【００１８】
第１端部（第１サブマトリックス）の指定箇所における局所的な圧電歪みが解除されるように第１外因電極および第１内因電極の間に振幅が徐々に減衰するような交流電圧が印加されることにより、それまで第１端部との接合界面付近に拘束またはトラップされていた局所磁区を磁気的な交換力によって指定チャネルに沿って第２端部に向かって伝搬させることができる。
【００１９】
前記複合素子において、前記第２端部が、前記マトリックスとは異なる圧電性強誘電体からなり、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの端面に対して接合している第２サブマトリックスにより構成されていることが好ましい。
【００２０】
当該構成の複合素子によれば、チャネルに沿って伝搬してきた局所磁区が第２端部に至ると、マトリックスの局所的な圧電歪みに応じて第２サブマトリックスに局所的な界面応力が作用し、第２サブマトリックスに局所的な歪みが残留する。これにより、第２端部との接合界面付近において当該局所磁区が拘束またはトラップされる。磁気光学的方法にしたがって第２端部における複数のチャネルの全体的な磁化状態（指定チャネルを通じた局所磁区の伝搬前後における磁化状態の変化）が検出される。
【００２１】
第１端部（第１サブマトリックス）の圧電歪み解除時の第１外因電極の位置情報があれば、複数のチャネルの全体的な磁化状態の変化から、当該位置情報に応じた指定チャネルに記憶保持されている磁化情報が読み出される。
【００２２】
前記複合素子において、前記第２端部の側面に沿って連続的または断続的に延在する第２内因電極をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
当該構成の複合素子によれば、局所磁区が第２端部に至ると、マトリックスに圧電歪みが生じるので、第２外因電極および第２内因電極の間の電圧変化が検知される。
【００２４】
第１端部（第１サブマトリックス）の圧電歪み解除時の第１外因電極の位置情報に加えて、第１外因電極および第１内因電極の間の電圧に関する情報があれば、当該検知電圧の変化から、当該位置情報に応じた指定チャネルに記憶保持されている磁化情報が読み出される。
【００２５】
第２端部（第２サブマトリックス）の指定箇所における局所的な圧電歪みが解除されるように第２外因電極および第２内因電極の間に振幅が徐々に減衰するような交流電圧が印加される。これに応じて、それまで第２端部との接合界面付近に拘束またはトラップされていた局所磁区が磁気的な交換力によって指定チャネルに沿って第１端部に向かって伝搬していく。そして、局所磁区が第１端部に至ると、マトリックスの局所的な圧電歪みに応じて第１サブマトリックスに局所的な界面応力が作用し、第１サブマトリックスに局所的な歪みが残留する。これにより、第２端部との接合界面付近において当該局所磁区が拘束またはトラップされる。すなわち、複合素子の指定チャネルに磁化情報を書き込んだときと同じ状態が再現される。
【００２６】
本発明の複合素子の製造方法は、基板上に外力によって磁歪性強磁性体となる超常磁性体を一次元成長させることにより相互に離間している複数のチャネルを形成する工程と、前記基板上に、前記チャネルの間隙を埋めるように圧電性強誘電体を成長させることにより前記チャネルの少なくとも側面全周に接合されているマトリックスを形成する工程と、を含んでいることを特徴とする。
【００２７】
前記方法は、前記複数のチャネルの各端面が露出している前記マトリックスの各端面上に当該マトリックスとは異なる圧電性強誘電体を成長させることにより、前記複合素子の各端部を構成し、前記マトリックスおよび前記複数のチャネルのそれぞれの各端面に接合する一対のサブマトリックスを形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【００２８】
前記方法は、前記マトリックスの側面にフォトレジスタを塗布した上で、電子線描画装置によって前記マトリックスの両端部のうち少なくとも一方の側面に沿って連続的または断続的に延在する所定幅のラインを描画した後、蒸着により当該ラインに沿って金属を前記マトリックスの表面に蒸着することにより第１内因電極および第２内因電極のうち少なくとも一方を形成する工程を更に含んでいてもよい。
【００２９】
原理的には、円板型圧電体の縦モードおよび横モードが区別可能であり、界面の応力が磁性相に印加されればよいので、チャネルおよびマトリックスをエピタキシャル成長させる必要はない。しかし、応力を厳密に制御し、応力の印加を確実にするためにはヘテロ界面が要求されるので、チャネルおよびマトリックスをエピタキシャル成長させることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
マトリックスに局所的な圧電歪みを残留またはこれを解除させるように電圧が少なくとも一時的に（たとえばパルス電圧が）印加されるだけで情報記憶機能または情報伝搬機能を発揮しうるので、その分だけ電力消費量の低減が図られる。磁気光学的手法を用いることで、チャネルのサイズ（情報の空間分解能）の制約を受けることなく情報（局所的な磁化状態）の読み取りが可能となるので、情報の伝送密度または記録密度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態としての複合素子の構成説明図。
【図２】本発明の第１実施形態としての情報処理装置の構成説明図。
【図３】本発明の第１実施形態としての複合素子の機能に関する説明図。
【図４】本発明の複合素子の伝搬情報の区別に関する説明図。
【図５】本発明の複合素子の情報伝搬機能に関する模式的説明図。
【図６】本発明の第２実施形態としての複合素子の構成説明図。
【図７】本発明の第２実施形態としての情報処理装置の構成説明図。
【図８】本発明の第２実施形態としての複合素子の機能に関する説明図。
【図９】本発明の第３実施形態としての複合素子の構成説明図。
【図１０】本発明の第３実施形態としての複合素子の機能に関する説明図。
【図１１】本発明の複合素子の情報書き込みに関する説明図。
【図１２】本発明の複合素子の情報伝搬開始に関する模式的説明図。
【図１３】本発明の第４実施形態としての複合素子の構成説明図。
【図１４】本発明の第４実施形態としての複合素子の機能に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（第１実施形態）
（複合素子の構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての複合素子１は、圧電性強誘電体からなるマトリックス１１と、マトリックス１１に埋設された超常磁性体からなる複数のチャネル１２とを備えている。各チャネル１２は、複合素子１の第１端部Ｐ１および第２端部Ｐ２の間で相互に独立して直線状に延在している。複合素子１の第１端部Ｐ１の側面に沿って連続的にまたは環状に延在する金属細線からなる第１内因電極２１が形成されている。第１内因電極２１は連続的な環状ではなく、断続的な環状に形成されていてもよい。
【００３３】
マトリックス１１を構成する圧電性強誘電体としては、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ3）、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、（（Ｐｂ，Ｓｍ）ＴｉＯ３）、（（Ｐｂ，Ｃａ）ＴｉＯ３）、ＬｉＴａＯ３系物質、ＬｉＮｂＯ３系物質、ＫＮＯ3、ＮａＮＯ2、（ＮＨ4）2ＳＯ4系物質，Ｓｒ2ＧｅＳ4系物質、水晶、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥなどの圧電性ポリマーなどが用いられる。マトリックス１１は、各チャネル１２の周囲を覆い、かつ、複数のチャネル１２同士の隙間を埋めるという条件下でその形状および寸法は適当に設計されうる。
【００３４】
チャネル１２を構成する超常磁性体としてはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｔｂ、（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｂ化合物、Ｔｂ−Ｆｅ化合物、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ化合物、Ｓｍ−Ｃｏ化合物、Ｓｍ−Ｆｅ化合物、ＹＩＧ、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｏＦｅ2Ｏ4、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４などの強磁性またはフェリ磁性材料が用いられる。チャネル１２は、略直線柱状であり、その最大幅は強磁性粒子の超常磁性限界に相当するおおよそ２０〜３０［ｎｍ］（たとえば２５［ｎｍ］）に設計され、高さは形状磁気異方性がスピンの熱振動のエネルギーに上回らない程度に設計されている。チャネル１２の延在態様は略直線状のほか螺旋状など曲線状であってもよい。
【００３５】
チャネル１２の断面サイズが超常磁性限界を超えたナノメートル程度のサイズに設計されることで、チャネル１２全体が強磁性状態から超常磁性状態に遷移している。「強磁性状態」とは、多数原子の磁気モーメントの交換相互作用によりすべての電子スピンが同一方向に配列するような磁区（スピン集団）を形成し、これにより物質が自発的な磁化を有する状態を意味する。「超常磁性状態」とは、強磁性原子の電子スピン間の交換相互作用よりも、個々の電子スピンが熱擾乱するエネルギーの方が大きいため、個々の電子スピンは強磁性状態と同じ大きさの磁気モーメントを維持するが、見かけ上の磁化はベクトル的に相殺して０になるような状態を意味する。
【００３６】
複数のチャネル１２は、マトリックス１１に対して細密充填することで、記憶密度の最大化、複合素子１のコンパクト化が共存するが、最近接するチャネル１２の中心軸線同士の間隔は、双方が磁気的な交換相互作用を及ぼさない程度、おおよそチャネル径の倍程度に設計されている。
【００３７】
（製造方法）
本発明の第１実施形態としての複合素子１は、次のような手順で作製される。パルスレーザー蒸着法により基板上に超常磁性材料を径２０〜３０［ｎｍ］の柱状に自己組織化成長させ、かつ、圧電性強誘電材料を当該超常磁性柱状体の側面を覆うように成長させる。基板として、たとえばＳｒＲｕＯ3（ＳＲＯ）が裏面に蒸着された基板（００１）ＳｒＴｉＯ3（ＳＴＯ）が用いられる。超常磁性材料として、たとえばＣｏＦｅ2Ｏ4が用いられ、圧電性強誘電材料として、たとえばＢａＴｉＯ3が用いられる。レーザーとして、たとえばＫｒＦエキシマ−レーザー（λ＝２４８［ｎｍ］）が用いられる。
【００３８】
たとえば、基板温度が９３０〜９７０［℃］（９５０［℃］）に制御され、チャンバ圧力が９０〜１１０［ｍＴｏｒｒ］（１００［ｍＴｏｒｒ］）に制御され、かつ、レーザーのエネルギー密度が１．０〜１．４［Ｊ／ｃｍ2］（１．２［Ｊ／ｃｍ2］）に制御される。
【００３９】
これにより、マトリックス１１、および、当該マトリックス１１に埋設されて直線状に延在するチャネル１２が形成される（図１参照）。チャネル１２は、形状異方性のために面垂線方向には強磁性相である一方、面内方向には超常磁性である。
【００４０】
複合素子１の側面全体にフォトレジスト（たとえば厚さ１．２〜１．８［μｍ］（１．５［μｍ］））が塗布された上で、電子線描画装置によって所定幅（たとえば４〜１０［ｎｍ］（６［ｎｍ］））の微細ラインが描画される。その後、蒸着により当該微細ライン部分に沿って金属（たとえばＰｔ）が蒸着される。これにより、複合素子１の側面に環状に延在する金属からなる第１内因電極２１が形成される（図１参照）。第１内因電極２１は、半環状または部分的に途切れた環状など、環状とは異なる態様で延在してもよい。
【００４１】
（情報処理装置の構成）
図２に示されている本発明の一実施形態としての情報処理装置４は、制御装置４００と、第１外因電極４１と、第１駆動装置４１１と、第１電源４１２と、磁気光学効果検出装置５と、を備えている。
【００４２】
制御装置４００は、コンピュータ（ＣＰＵ（演算処理装置）およびメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭなど）などにより構成されている。）により構成され、後述する第１駆動装置４１１の動作および第１電源４１２の動作を制御する等、情報処理装置４の機能を制御するように構成または設計されている。
【００４３】
第１外因電極４１は、複合素子１の第１端部Ｐ１側の端面（第１端面）に対して局所的に当接または近接可能な探針状金属（たとえばＰｔ）により構成されている。第１外因電極４１の径は、各チャネル１２の径と同程度に設計されている。第１駆動装置４１１は、第１外因電極４１および複合素子１を相対的に変位させるように、電動機および動力伝達機構などにより構成されている。第１電源４１２は、第１外因電極４１および第１内因電極２１の間に電圧を印加するように構成されている。
【００４４】
磁気光学効果検出装置５（マイケルソン干渉光学系）は、光照射装置（レーザー）５１と、ハーフミラー５２と、ミラー５３と、検出装置（ＣＣＤカメラ）５４と、を備えている。光照射装置５１から放出されたコヒーレント光は、ハーフミラー５２を透過して複合素子１の第２端部Ｐ２側の端面に照射されている。第２端面における各チャネル１２の磁化状態は未知であってもよい。複合素子１により反射されたコヒーレント光と、ハーフミラー５２およびミラー５３により反射されたコヒーレント光との干渉縞が検出装置５４により撮像される。
【００４５】
（機能（情報伝搬機能））
まず、第１駆動装置４１１の動作が制御されることにより、第１外因電極４１と複合素子１の第１端面とが指定箇所において当接または近接する（図３（ａ）参照）。その上で、第１電源４１２の動作が制御されることにより、第１外因電極４１および第１内因電極２１の間に交流電圧が印加される。これにより、交流電場（図３（ａ）に矢印で電気力線が模式的に示されている。）が複合素子１の第１端部Ｐ１の指定箇所に局所的に形成される。そして、複合素子の第１端部Ｐ１の指定箇所において局所的に逆圧電効果（圧電歪み）が生じる。
【００４６】
これに応じて、第１端部Ｐ１においてマトリックス１１に局所的な界面応力が作用してマトリックス１１が局所的にひずむ。ひずんだマトリックス１１と当該指定箇所に相当する指定チャネル１２との接合界面に応力が局所的に生じ、当該指定チャネル１２が局所的に超常磁性状態から強磁性状態に遷移して局所磁区Ｍ（強磁性領域）が形成される（図３（ｂ）斜線箇所参照）。
【００４７】
交流電圧（交流電場）の周波数の調節により、複合素子１の第１端部Ｐ１の指定箇所における局所的な圧電歪みの振動モードおよび複数のチャネル１２のうち当該指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態が調節される。
【００４８】
具体的には、交流電場の周波数が０．３〜３０Ｋ［ＫＨｚ］に制御されることにより複合素子１の第１端部Ｐ１でマトリックス１１において縦効果振動（交流電場方向に対して平行な方向の振動モード）が局所的に生じる。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が交流電場方向に対して平行な方向に制御される（図４（ａ）矢印参照）。
【００４９】
電場がＤＣ（直流）〜数Ｈｚに制御されることにより複合素子１の第１端部Ｐ１でマトリックス１１において横効果振動（交流電場方向に対して垂直な方向の振動モード）が局所的に生じる。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が交流電場方向に対して垂直な方向に制御される（図４（ｂ）矢印参照）。
【００５０】
ＢａＴｉＯ3の標準的な物理定数を用いて、ＢａＴｉＯ3よりなるマトリックス１１が構成される円板状の複合素子１（径Ｄ、厚さｔ（≦Ｄ／１５））の横振動共鳴周波数ｆ→および縦振動共鳴周波数ｆ↑が計算された。その結果、横振動共鳴周波数ｆ→は６×１０３／ｎＤ［Ｈz］（ｎはサイズ効果に応じた係数≒２）と表わせ、たとえばＤ＝１０［ｎｍ］の場合は直流電圧である。縦振動の共鳴周波数ｆ↑は３×１０6／ｔ［Ｈｚ］と表わされ、ｔ＝１０［ｎｍ］の場合３００［Ｈｚ］と評価される。
【００５１】
同様にＢａＴｉＯ3の標準的な物理定数を用いて、ＢａＴｉＯ3よりなるマトリックス１１が構成される円柱状の複合素子１（径Ｄ、長さｌ）の横振動共鳴周波数ｆ→および縦振動共鳴周波数ｆ↑が計算された。その結果、横振動共鳴周波数ｆ→は３×１０3／ｎ２Ｄ［Ｈｚ］（ｎはサイズ効果に応じた既出の係数）と表わされ、たとえばＤ＝１０［ｎｍ］の場合は直流電圧と評価される。縦振動の共鳴周波数ｆ↑は２×１０3／ｌ［Ｈｚ］と表わされ、ｌ＝１００［ｎｍ］の場合は２０［ＧＨｚ］と評価される。
【００５２】
局所磁区Ｍは、隣接する超常磁性状態の領域に対して逐次的に磁気的な交換力を及ぼすことによりチャネル１２に沿って複合素子１の第２端部Ｐ２に向かって移動する（図３（ｃ）参照）。図５（ａ）および図５（ｂ）には、電子スピンによる磁気モーメントの向きがそろっている局所磁区Ｍが、磁気モーメントの向きがばらばらの超常磁性領域と磁気的な交換力（黒矢印参照）によりチャネル１２に沿って伝搬していく様子が模式的に示されている。
【００５３】
なお、チャネル１２において磁歪効果による超常磁性−強磁性転移により強磁性化した相に磁気異方性が発現する場合、これが磁気的な交換力の駆動力として有効であるため、磁化を伝搬させるためには、磁気異方性は０ではなく、あった方がよいと考えられる。たとえば、チャネル１２を構成する強磁性材料Ｎｉ1-xＣｏxＦｅ2Ｏ4のｘの値（ＮｉおよびＣｏの含有比率）が調節されることで、磁気異方性が制御されうる。
【００５４】
局所磁区Ｍ２が複合素子１の第２端部Ｐ２に到達した際（図３（ｄ）参照）、それまで超常磁性状態であった少なくとも一部のチャネル１２が複合素子１の第２端部Ｐ２において局所的に強磁性状態になったこと、および当該局所磁区Ｍ（強磁性領域）の磁化方向が磁気光学効果検出装置５（マイケルソン干渉光学系）を用いて測定される。
【００５５】
光照射装置５１から放出されたコヒーレント光が、ハーフミラー５２を透過して複合素子１の第２端部Ｐ２側の端面に照射される。複合素子１の第２端部Ｐ２における各チャネル１２の磁化状態は未知であってもよい。複合素子１により反射されたコヒーレント光と、ハーフミラー５２およびミラー５３により反射されたコヒーレント光との干渉縞が検出装置５４により撮像される。
【００５６】
磁化領域Ｍがチャネル１２に沿って複合素子１の第２端部Ｐ２に到達する前後で、当該チャネル１２の領域における誘電率の非対角成分が変化する。あるいは、磁化領域Ｍがチャネル１２に沿って複合素子１の第２端部Ｐ２に到達する前後で、磁性相および誘電相の界面において磁歪効果により圧電歪みが生じ、この圧電歪みに応じて誘電相の誘電率の対角成分が変化する。これらの誘電率の変化が、干渉光学系での干渉縞として検出される。
【００５７】
誘電率が光強度または旋光角として検出されるよりも、位相差として検出される方がはるかに感度が高い。磁化が伝搬前後の干渉画像の差分によって、誘電率の変化の有無が定性的に検出されうる。この方法は、前述のように、磁化領域Ｍの生成時の探針状の第１外因電極４１の位置が特定できているので（図３（ａ）参照）、光学検出に際して高い空間分解能は必要ではない。干渉縞の検出方法として、偏光に依存する検出方法と偏光に依存しない検出方法があるが、結合光路に検光子が挿入されることで、磁気カー効果（旋光角変化）に応じた信号が増幅可能である。
【００５８】
局所磁区Ｍが複合素子１の第２端部Ｐ２に到達した際、それまで超常磁性状態であった当該第２端部Ｐ２が（局所的に）強磁性状態になったこと、および当該局所磁区Ｍ（強磁性領域）の磁化方向が磁気光学的手法によって検知されうる。チャネル１２の端部の磁性状態は、磁気光学カー効果の利用により磁気光学的に検知される。通常、超高密度の磁気記録の読み出し（微細領域の磁化を測定）する場合当該微細領域のサイズに応じた高い空間分解能が必要になる。しかるに、本発明の複合素子１のように、磁化領域Ｍ１をチャネル１２に沿って伝搬させる方式によれば、微細領域に記録した磁化を検出するのに記録された磁化の微細領域を特定する必要がなくなるため、検知感度さえ確保されれば、高い空間分解能を必要としない。
【００５９】
伝搬されてきた磁化の配列方向によって、３種類の磁気カー効果が存在し、それぞれ、極効果、横効果、縦効果であり、順に、旋光角（カー回転）、強度、旋光角が変化するという現象である。いずれの物理量も、試料から反射した光路側に検光子またはアナライザを挿入しておけば、光強度の変化として読み出しは可能である。光を第２端面に対して斜めに入射させた場合、３種の磁気カー効果の大きさは異なるため区別可能である。１本のチャネル１２に沿って伝搬した磁化領域Ｍは、複合素子１のうち限局的な部分であるため、磁化が伝搬してくる前後で、磁気光学効果の大きさ変化が微小である可能性がある。例えば、近接場磁気光学効果の検出方法が採用されることで、検知感度の増大が可能である。
【００６０】
前記のように複合素子１の第１端部Ｐ１においてマトリックス１１に対して印加される交流電圧の周波数の調節によって、チャネル１２に沿って伝搬する第１局所磁区Ｍ１における磁化方向が選択されうる。したがって、各チャネル１２の第２端部Ｐ２において検知されるその局所的な磁化状態は、（１）マトリックス１１の縦効果振動に応じてチャネル１２の端面に垂直な方向に磁化している強磁性状態（図４（ａ）参照）、（２）マトリックス１１の横効果振動に応じてチャネル１２の端面に平行な方向に磁化している強磁性状態（図４（ｂ）参照）および（３）超常磁性状態の３つの状態である。すなわち、複合素子１はチャネル１２ごとに３ビットの情報伝搬機能を有する。
【００６１】
（第２実施形態）
（複合素子の構成）
図６に示されている本発明の第２実施形態としての複合素子１においては、その第２端部Ｐ２の側面に沿って連続的にまたは環状に延在する金属細線からなる第２内因電極２２が形成されている。これ以外の構成は、本発明の第１実施形態としての複合素子１（図１参照）と同様の構成であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００６２】
（製造方法）
本発明の第２実施形態としての複合素子１は、第１内因電極と２１と同様の方法によってその第２端部側面に環状に延在する金属からなる第２内因電極２２が形成されるほかは、本発明の第１実施形態としての複合素子１（図１参照）と同様の方法にしたがって製造されるので、これ以上の説明を省略する。
【００６３】
（情報処理装置の構成）
図７に示されている本発明の第２実施形態としての情報処理装置４は、制御装置４００と、第１外因電極４１と、第１駆動装置４１１と、第１電源４１２と、第２外因電極４２と、第２駆動装置４２１と、第２電圧計４２４と、を備えている。第１外因電極４１、第１駆動装置４１１、第１電源４１２ならびに制御装置４００の構成は、本発明の第１実施形態としての情報処理装置４（図２参照）とほぼ同様の構成であるので説明を省略する。
【００６４】
第２外因電極４２は、複合素子１の第２端面（第２端部Ｐ２側の端面）に対して全体的に当接または近接可能な平板状金属により構成されている。第２外因電極４２の径または幅は、複合素子１の径または幅と同程度に設計されている。第２駆動装置４２１は、第２外因電極４２および複合素子１を相対的に変位させるように、電動機および動力伝達機構などにより構成されている。第２電圧計４２４は、第２外因電極４２および第２内因電極２２の間の電圧を計測するように構成されている。なお、第２外因電極４２は、複合素子１の構成要素としてその第２端面に対して接合され、第２駆動装置４２１が省略されてもよい。
【００６５】
（機能）
本発明の第２実施形態としての複合素子１の情報伝搬機能は、本発明の第１実施形態としての複合素子１のそれと同様なので説明を省略する（図８（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）参照）。
【００６６】
第２駆動装置４２１の動作が制御されることにより、第２外因電極４２と第２端面とが当接または近接し、第２電圧計４２４を通じて第２外因電極４２および第２内因電極２２の間の電圧が検出されている（図８（ｃ）参照）。局所磁区Ｍが複合素子１の第２端部Ｐ２に到達すると、マトリックス１１の圧電歪みに応じて電圧変化が生じ、第２電圧計４２４を通じて検出される第２外因電極４２および第２内因電極２２の間の電圧変化が検出される。
【００６７】
本発明の第２実施形態では、第１実施形態と同様に磁化領域Ｍの生成のための探針状の第１外因電極４１の位置が特定できているので、高い空間分解能は必要ではない。
【００６８】
（第３実施形態）
（複合素子の構成）
図９に示されている本発明の第３実施形態としての複合素子１においては、複合素子１の「第１端部」および「第２端部」のそれぞれは、マトリックス１１とは異なる圧電性強誘電体からなる第１サブマトリックスＰ１および第２サブマトリックスＰ２のそれぞれにより構成されている。各チャネル１２は、第１サブマトリックスＰ１および第２サブマトリックスＰ２の間で相互に独立して直線状に延在している。これ以外の構成は、本発明の第１実施形態としての複合素子１（図１参照）と同様の構成であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００６９】
第１サブマトリックスＰ１および第２サブマトリックスＰ２のそれぞれは、厚さ５０〜１００［ｎｍ］の略円盤状または平板状に形成されている。第１サブマトリックスＰ１および第２サブマトリックスＰ２のそれぞれを構成する圧電性強誘電体としては、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ＬｉＴａＯ３系物質、ＬｉＮｂＯ３系物質などが用いられる。
【００７０】
チャネル１２の上端面および下端面のそれぞれは、マトリックス１１の上端面および下端面のそれぞれとともに、第１サブマトリックスＰ１および第２サブマトリックスＰ２のそれぞれの端面に対して接合されている。チャネル１２の延在態様は略直線状のほか螺旋状など曲線状であってもよい。
【００７１】
（製造方法）
本発明の第３実施形態としての複合素子１は、本発明の第１実施形態としての複合素子１と同様に、マトリックス１１および当該マトリックス１１に埋設されて直線状に延在するチャネル１２が形成される（図１および図９参照）。複数のチャネル１２の各端面が露出しているマトリックス１１の各端面上に当該マトリックス１１とは異なる圧電性強誘電体が接合または形成される。たとえば、圧電性強誘電体の前駆体溶液がマトリックス１１の端面に塗布された上で熱分解処理されるという工程が繰り返されることにより圧電性強誘電体の薄膜が積み重ねられる。さらに、当該積層薄膜がアニール処理されることにより、当該圧電性強誘電体からなるサブマトリックスＰ１およびＰ２のそれぞれがマトリックス１１の各端面に形成される。そして、複合素子１の側面に環状に延在する金属からなる第１内因電極２１が形成される（図１および図９参照）。
【００７２】
ＰＺＴからなるサブマトリックスＰ１およびＰ２が形成される場合、ＰＺＴ前駆体溶液が、酢酸鉛（ＩＩ）（Ｐｂ［ＯＡｃ］2・３Ｈ2Ｏ）、チタニウムイソプロポキシド（Ｔｉ［ｉ−Ｏｐｒ］4）およびジルコニウム−ｎ−プロポキシド（Ｚｒ［ｉ−ＯＰｒ］4）が２−メソキシエタノール溶液に溶解されることにより調整される。続いて、このＰＺＴ前駆体溶液が、４０００〜５０００［ｒｐｍ］で２０〜３０［ｓ］にわたりマトリックス１１の端面に対してスピンコートされた上で、４００〜４５０［℃］で８〜１０［ｍｉｎ］にわたり熱分解処理される。これによりＰＺＴ薄膜が形成されるが、スピンコートおよび熱分解処理が繰り返されることによりＰＺＴ薄膜が積層し、当該積層体の厚みが増していく。ＰＺＴ薄膜積層体が６５０〜７００［℃］で５０〜６０［ｍｉｎ］でアニール処理されることで、圧電性強誘電相が実現された２０〜１００［ｎｍ］の厚さのサブマトリックスＰ１およびＰ２が形成される。
【００７３】
（機能）
（情報書き込み機能）
本発明の第３実施形態としての複合素子１に対して、本発明の第１実施形態としての複合素子１と同様に、図２に示されている情報処理装置４が用いられる。まず、第１駆動装置４１１の動作が制御されることにより、第１外因電極４１と第１端面（第１サブマトリックスＰ１の端面）の指定箇所とが当接または近接する（図１０（ａ）参照）。その上で、第１電源４１２の動作が制御されることにより、第１外因電極４１および第１内因電極２１の間に直流電圧が瞬間的に印加される。印加電圧は第１サブマトリックスＰ１の抗電界Ｅｃ以下に制御される。これにより、直流電場またはパルス電場（図３（ａ）に矢印で電気力線が模式的に示されている。）が第１サブマトリックスＰ１の指定箇所に局所的に形成される。そして、第１サブマトリックスＰ１の指定箇所において局所的に逆圧電効果（圧電歪み）が生じる。
【００７４】
これに応じて、第１サブマトリックスＰ１との接合界面においてマトリックス１１に局所的な界面応力が作用してマトリックス１１が局所的にひずむ。ひずんだマトリックス１１と当該指定箇所に相当する指定チャネル１２との接合界面に応力が局所的に生じ、当該指定チャネル１２が局所的に超常磁性状態から強磁性状態に遷移して局所磁区Ｍ１およびＭ２（強磁性領域）が形成される（図１０（ｂ）斜線箇所参照）。局所磁区Ｍ１およびＭ２は、第１サブマトリックスＰ１の局所的な圧電歪みおよびこれに応じたマトリックス１１の局所的な歪みの残留により、複合素子１の第１端部（該当チャネル１２と第１サブマトリックスＰ１との接合界面付近）に拘束される。
【００７５】
直流電場（パルス電場を数〜数十ナノ秒印加）の極性または正負の調節により、第１サブマトリックスＰ１の指定箇所における局所的な圧電歪みのモード（方向）、マトリックス１１の指定箇所における局所的な歪みのモードおよび複数のチャネル１２のうち当該指定箇所に相当する指定チャネルの端部の磁化状態が調節される。
【００７６】
第１サブマトリックスＰ１およびマトリックス１１が材料の長さ方向と平行な磁界中で、材料が長さ方向に伸びるという正磁歪特性を有する場合について考える。ＣｏＦｅ2Ｏ4は［１１１］には正磁歪特性を示す。この場合、直流電場が正方向（第１外因電極４１が第１内因電極２１よりも高電位になるような電場）に制御されることにより第１サブマトリックスＰ１およびこれに接合されているマトリックス１１が局所的に伸びる。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が電場方向に対して平行な方向に制御される（図１１（ａ）矢印参照）。
【００７７】
その一方、直流電場が負方向（第１外因電極４１が第１内因電極２１よりも低電位になるような電場）に制御されることにより第１サブマトリックスＰ１およびこれに接合されているマトリックス１１が局所的に縮む。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が電場方向に対して垂直な方向に制御される（図１１（ｂ）矢印参照）。
【００７８】
なお、第１サブマトリックスＰ１およびマトリックス１１が材料の長さ方向と平行な磁界中で、材料が長さ方向に縮むという負磁歪特性を有する場合、直流電場の印加方向と局所磁区Ｍの磁化方向との対応関係が逆になる。ＣｏＦｅ2Ｏ4は［１００］にはまたは多結晶の場合には負磁歪特性を示す。すなわち、直流電場が正方向に制御されることにより第１サブマトリックスＰ１およびこれに接合されているマトリックス１１が局所的に縮む。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が電場方向に対して垂直な方向に制御される（図１１（ｂ）矢印参照）。
【００７９】
その一方、直流電場が負方向に制御されることにより第１サブマトリックスＰ１およびこれに接合されているマトリックス１１が局所的に伸びる。これに応じて、第１外因電極４１の位置制御によって指定されたチャネル１２の局所磁区Ｍの磁化方向が電場方向に対して平行な方向に制御される（図１１（ａ）矢印参照）。
【００８０】
（情報伝搬機能）
第１外因電極４１と第１サブマトリックスＰ１の端面とが当接または近接している状態で、第１サブマトリックスＰ１の指定箇所における局所的な圧電歪みが解除されるように第１外因電極４１および第１内因電極２１の間の印加電圧が制御される（図１０（ｃ）参照）。たとえば、図１２に示されているように振幅が徐々に減衰する交流電圧により圧電歪みが解除される。これにより、第１外因電極４１の位置に応じたマトリックス１１の歪みが解除され、チャネル１２の局所磁区（図１０（ｃ）では局所磁区Ｍ２）の拘束が解除される。この局所磁区Ｍ２は、隣接する超常磁性状態の領域に対して逐次的に磁気的な交換力を及ぼすことによりチャネル１２に沿って第２サブマトリックスＰ２に向かって移動する（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。
【００８１】
（情報読み取り機能）
局所磁区Ｍ２が複合素子１の第２端部（該当チャネル１２と第２サブマトリックスＰ２との接合界面付近）に到達すると、マトリックス１１の圧電歪みに応じて第２サブマトリックスに対して界面応力が作用する。チャネル１２を通じて伝搬してきた局所磁区Ｍ２は、第２サブマトリックス１２の局所的な歪みの残留により、複合素子１の第２端部に拘束される（図１０（ｄ）参照）。
【００８２】
局所磁区Ｍ２が複合素子１の第２端部に到達した際、それまで超常磁性状態であった少なくとも一部のチャネル１２が複合素子１の第２端部において局所的に強磁性状態になったこと、および当該局所磁区Ｍ２（強磁性領域）の磁化方向が磁気光学効果検出装置５（マイケルソン干渉光学系）を用いて測定される（図１０（ｅ）参照）。
【００８３】
前記のように複合素子１の第１サブマトリックスＰ１においてマトリックス１１に対して印加される直流電場の極性または方向の調節によって、チャネル１２に沿って伝搬する局所磁区Ｍ２における磁化方向が選択されうる。したがって、各チャネル１２の第２サブマトリックスＰ２において検知されるその局所的な磁化状態は、（１）マトリックス１１の伸び（縦効果）に応じて端面に垂直な方向に磁化している強磁性状態（図１１（ａ）参照）、（２）マトリックス１１の縮み（横効果）に応じて端面に平行な方向に磁化している強磁性状態（図１１（ｂ）参照）および（３）超常磁性状態の３つの状態である。すなわち、複合素子１はチャネル１２の第１サブマトリックスＰ１との接合界面付近（情報書き込み領域）および第２サブマトリックスＰ２との接合界面付近（情報読み取り領域）の組み合わせごとに３ビットの記憶能を有する。
【００８４】
（第４実施形態）
（複合素子の構成）
図１３に示されている本発明の第４実施形態としての複合素子１においては、その第２端部の側面に沿って連続的にまたは環状に延在する金属細線からなる第２内因電極２２が形成されている。これ以外の構成は、本発明の第３実施形態としての複合素子１（図９参照）と同様の構成であるので、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
【００８５】
（製造方法）
本発明の第４実施形態としての複合素子１は、第１内因電極と２１と同様の方法によってその第２端部側面に環状に延在する金属からなる第２内因電極２２が形成されるほかは、本発明の第３実施形態としての複合素子１（図９参照）と同様の方法にしたがって製造されるので、これ以上の説明を省略する。
【００８６】
（機能）
本発明の第４実施形態としての複合素子１に対して、本発明の第２実施形態としての複合素子１と同様に、図７に示されている情報処理装置４が用いられる。本発明の第４実施形態としての複合素子１の情報書き込み機能および情報伝搬機能は、本発明の第３実施形態としての複合素子１のそれと同様なので説明を省略する（図１４（ａ）〜（ｃ）および図１０（ａ）〜（ｃ）参照）。
【００８７】
図１４（ｃ）では、第１外因電極４１の位置に応じたチャネル１２の局所磁区Ｍ１の拘束が解除され、局所磁区Ｍ１が隣接する超常磁性状態の領域に対して逐次的に磁気的な交換力（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）を及ぼすことによりチャネル１２に沿って複合素子１の第２端部に向かって移動する。
【００８８】
（情報読み取り機能）
第２駆動装置４２１の動作が制御されることにより、第２外因電極４２と複合素子１の第２端面（第２サブマトリックスＰ２の端面）とが当接または近接し、第２電圧計４２４を通じて第２外因電極４２および第２内因電極２２の間の電圧が検出されている（図１４（ｃ）参照）。局所磁区Ｍ１が複合素子１の第２端部（該当チャネル１２と第２サブマトリックスＰ２との接合界面付近）に到達すると、マトリックス１１の圧電歪みに応じて第２サブマトリックスに対して界面応力が作用する。チャネル１２を通じて伝搬してきた局所磁区Ｍ１は、第２サブマトリックス１２の局所的な歪みの残留により、複合素子１の第２端部に拘束される（図１４（ｄ）参照）。
【００８９】
チャネル１２の第２サブマトリックスＰ２との接合界面付近が局所的に強磁性状態になることで局所的に磁歪を生じ、第２サブマトリックスＰ２においてマトリックス１１と当該チャネル１２との接合界面に応力が生じる。これにより第２サブマトリックスＰ２に電圧変化が生じ、第２電圧計４２４を通じて検出される第２外因電極４２および第２内因電極２２の間の電圧変化が検出される。
【００９０】
本発明の第４実施形態では、第３実施形態と同様に磁化領域Ｍ１の伝搬のトリガ機能である探針状の第１外因電極４１の位置が特定できているので、高い空間分解能は必要ではない。ただし、第２サブマトリックスＰ２との接合界面付近における該当チャネル１２の磁化状態の判定のためには磁化領域Ｍ１の拘束解除時期に関する情報が必要である。
【００９１】
例として、第１サブマトリックスＰ１の圧電歪みの解除のために第１外因電極４１および第１内因電極２１の間の印加電圧として、図１２に示されているように振幅が徐々に減衰する交流電圧が採用された場合を考える。（１）印加電圧が正側（＋側）で極大値または最大値を示す時刻ｔ＋またはその直後に第２電圧計４２４による検出電圧が変化した場合、磁化領域Ｍ１の磁化状態（第１外因電極４１の位置により指定されるチャネル１２に書き込まれた情報）は第１サブマトリックスＰ１の縦効果に応じた強磁性状態であると判断される（図１１（ａ）参照）。（２）印加電圧が負側（−側）で極小値または最小値を示す時刻ｔ−またはその直後に第２電圧計４２４による検出電圧が変化した場合、磁化領域Ｍ１の磁化状態は第１サブマトリックスＰ１の横効果に応じた強磁性状態であると判断される（図１１（ｂ）参照）。（３）上記時刻以外の時刻に第２電圧計４２４による検出電圧が変化した場合、磁化領域Ｍ１の磁化状態は超常磁性状態であると判断される。
【００９２】
（本発明の他の実施形態）
本発明の第４実施形態としての複合素子１において、第１端部における磁化領域Ｍ２の拘束解除と同様に探針状の外因電極が用いられることにより、複合素子１の第２端部における磁化領域Ｍの拘束が解除されてもよい（図１４（ｃ）参照）。これにより、複合素子１の第２端部における拘束が解除された磁化領域Ｍ２が該当チャネル１２に沿って伝搬し、複合素子１の第１端部において再び拘束される。すなわち、複合素子１に対して磁化情報が書き込まれた状態が再現されうる（図１４（ｂ）参照）。
【００９３】
（本発明の意義）
本発明の複合素子１によれば、情報記憶に加えて情報伝送の２つの機能が実現される。磁性相と誘電相とのヘテロ界面の構造を制御することで、従来のマルチフェロイック物質が有する機能性を網羅する。すなわち、本発明の複合素子１は、（１）強磁性および強誘電性を併せ持ち、（２）電場による磁化反転および磁場による分極反転が可能であり、（３）情報の書き込み／読み出し素子としての応用性を有し、（４）半導体メモリに匹敵するアクセス速度を有し、（５）磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）よりも省電力化が図られ、かつ、（６）トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）と異なり、省電力な磁化反転が可能である。
【００９４】
（１）強誘電体によりマトリックス１１が構成されることにより、磁化の反転速度は圧電体（誘電体）の分極反転の速度に律速され、歪み状態が長時間にわたり残留するので不揮発性の情報記憶素子が実現される。（２）超常磁性体によりチャネル１２が構成されることにより、情報をスピン交換力（磁気的な交換力）により当該チャネル１２に沿って高速に伝送可能な素子が実現される。（３）通常のスピン波やスピン流を用いた（情報）伝送回路では、エネルギー損失があるが、逆磁歪現象のエネルギー損失分を歪エネルギー（誘電体の歪が自発的に解消するエネルギー）によって補填されるため、エネルギー損失を低減する回路を構成する素子が実現される。
【符号の説明】
【００９５】
１‥複合素子、１１‥マトリックス（強誘電体）、１２‥チャネル（超常磁性体）、２１‥第１内因電極、２２‥第２内因電極、４‥情報処理装置、４１‥第１外因電極、４２‥第２外因電極、４００‥制御装置、Ｍ、Ｍ１、Ｍ２‥局所磁区、Ｐ１‥第１端部（第１サブマトリックス）、Ｐ２‥第２端部（第２サブマトリックス）。
【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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