(57)【要約】スピン駆動抵抗器は、外部印加電磁界の存在期間中に外部印加磁界にさらしたときに共鳴に起因してその抵抗を増大させる磁性体を備える。スピン駆動抵抗器は、非常に高速で動作し低消費電力である読み取りヘッドや検出器を含む様々なスピントロニクスデバイスに応用分野を有する。スピン駆動抵抗器は、デバイスを電磁界と磁界にさらすことでスピン値やスピントンネル接合やスピンＬＥＤやスピントランジスタデバイスの変調にも用いることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン駆動抵抗器であって、
抵抗及び共鳴周波数を有する磁性体であって、前記抵抗を電磁界の存在下で印加磁界に応答して可変させる、磁性体と、
前記磁性体に電気的に接続した２本の導線と、
前記各導線に電気的に接続されて前記磁性体に電位を授ける電圧源であって、該磁性体を外部電磁界の存在下で外部磁界にさらしたときに該磁性体を最大の抵抗値変化に至らしめる、電圧源と、
から成るスピン駆動抵抗器。
【請求項２】
前記磁性体は、金属性半導性磁石からなる群から選択した材料で構成された、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項３】
前記磁性体は、バナジウム・ジテトラシアノエチレンで構成された、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項４】
前記スピン駆動抵抗器は、一定の温度にて前記外部印加電磁界にさらされる、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項５】
前記スピン駆動抵抗器は、一定の温度にて前記外部印加磁界にさらされる、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項６】
前記外部印加磁界は、外部印加直流磁界である、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項７】
前記外部印加電磁界は、マイクロ波放射線からなる、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項８】
前記マイクロ波放射線は、約１ｍＷ乃至約２５ｍＷの範囲の電力を有する、請求項７記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項９】
前記抵抗内変化の最大値は、前記電磁界の電力の増大に合わせ増大する、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【請求項１０】
前記抵抗内変化の最大値は、温度上昇に合わせ減少する、請求項１記載のスピン駆動抵抗器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年９月１９日出願の米国仮特許出願第６０／４１１，９２３号の恩典を請求するものであり、この仮特許出願は本願明細書に参照用に取り込むものとする。本発明は、スピントロニクスデバイスに関する。具体的には、本発明はスピン駆動レジスタ及びスピン駆動ナノゲートに関する。
【背景技術】
【０００２】
用語「スピントロニクス（ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ）」は、その電荷だけでなく電子スピンもまた利用する新世代電子デバイスを指す。スピントロニクスデバイスは、それらの固有の不揮発性やＲＡＭの初期起動や素早いスイッチング速度や製造の容易さやより大量の数のキャリアや金属の良好な熱伝導性に由来する低減された消費電力に基づきそれらの半導体対応物に比較して秀逸な特性をもつであろうことが予想される。この種のデバイスは、それぞれ金属層や絶縁層が分離する強磁性フィルムからなる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造を含む。この種の基礎的ユニットの磁化方向の切り替えは、近傍の電気リード線内の電流パルスが生成する外部磁界によるものである。
【０００３】
本願明細書にて使用する如く、用語「共鳴」は二つの調和発振器間のエネルギ伝送に類似の仕方で二つの縮退状態間で波動振幅と確率を伝送する過程を意味するものとする。本願明細書にて使用する如く、用語「共鳴吸収」は静止状態間での一部遷移に対応する周波数での原子（又は分子）による放射線の吸収を意味するものとする。本願明細書に使用する如く、「共鳴周波数」は共鳴吸収が発生する周波数、すなわちプランク（Ｐｌａｎｃｋ）の定数で除算した原子エネルギレベルの幾つかの対間の差分を意味するものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一目標は、スピン駆動抵抗器とスピン駆動ナノゲートを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、スピン駆動抵抗器（ＳＤＲ；ｓｐｉｎ  ｄｒｉｖｅｎ  ｒｅｓｉｓｔｏｒ）或いはスピン駆動ナノゲート（ＳＤＮ；ｓｐｉｎ  ｄｒｉｖｅｎ  ｎａｎｏｇａｔｅ）と呼ぶ新規種の「スピントロニクス」デバイスへの新規手法を提示するものである。本発明のスピントロニクスデバイスにあっては、磁性体を２本の導線に電気的に接続してある。各導線は、磁性体に電位を授けるべく電源に接続してある。磁性体は、電磁界の存在下で磁性体を印加磁界にさらしたときに可変される抵抗を有する。磁性体の抵抗に対する抵抗変化率は、磁界が所与の電磁界について磁性体の共鳴周波数にあるときに最大化される。印加電磁界の電力を増大させることで、抵抗に対する抵抗変化率の大きさは増大する。抵抗に対する抵抗変化率の大きさは、温度上昇に合わせ減少する。
【０００６】
本発明の好適なスピントロニクスデバイスでは、磁性体は金属性の半導性磁石の群から選択される材料で構成する。磁性体をバナジウム・ジテトラシアノエチレン（Ｖ［ＴＣＮＥ］２；ｖａｎａｄｉｕｍ  ｄｉ−ｔｅｔｒａｃｙａｎｏｅｔｈａｎｉｄｅ）で構成するのが、最も好ましい。
【０００７】
本発明のスピントロニクスデバイスは、外部印加電磁界及び／又は外部印加磁界にさらす間一定温度に保つことが好ましい。外部印加電磁界をマイクロ波放射線で構成することは、さらに好ましい。マイクロ波放射線が約１ｍＷ乃至約２５ｍＷの範囲の印加電力を有することが、最も好ましい。外部印加磁界を直流（ＤＣ）磁界で構成することは、さらに好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、「スピン駆動抵抗器」（ＳＤＲ）或いは「スピン駆動ナノゲート」（ＳＤＮ）と呼ばれる新種の「スピントロニクス」デバイスを含む。これらのデバイスは、他の用途におけるのと同様、情報記憶と処理のための基礎技術として潜在能力を有する。実施形態には、磁気読み取りヘッドと検出器が含まれる。
【０００９】
本発明のスピン駆動抵抗器（ＳＤＲ）の開発では、磁性体を２本の導線に電気的に接続して配置してある。磁性体に電位を授けるべく、導線はそれぞれ電圧源に接続してある。そこで、磁性体の抵抗を例えば電圧計を用いて計測する。ＳＤＲを外部印加直流磁界にさらす際に、磁性体の抵抗を電圧計を用いて監視する。加えて、ＳＤＲ上に時変電磁界を作用させる。電磁気エネルギが吸収されるよう直流磁界を増減して生成「共鳴」値をもたらした際に、スピン駆動ナノゲートの起動に起因するスピン駆動抵抗と呼ばれる試料の抵抗変化（増減）が存在する。
【００１０】
反対のスピン極性に対し相当過剰な一方の導通キャリアスピン極性をもった金属性或いは半導性磁石が、好ましい。
【００１１】
本発明のスピン駆動抵抗器は、「半導体半体」Ｖ［ＴＣＮＥ］ｘを用いて開発したものである。図１は、大気中の室温でＣｏ５Ｓｍ（サマリウムコバルト）磁石に吸着させたガラスカバースライド上の有機Ｖ［ＴＣＮＥ］２磁石の５μｍ被覆の写真である。図２は、図１に示した有機Ｖ［ＴＣＮＥ］２磁石に関する温度の関数としての磁化（磁化率／モル）を示す。図２から分かるように、有機Ｖ［ＴＣＮＥ］２磁石は３７０Ｋにおいて整列を示す。テトラシアノエチレンの化学的構造を、図３に示す。新たに得られたＳＤＲは、室温で活性化するスピン依存量子効果である。
【００１２】
図４は、二つの非重複スピン小帯に分割したＴＣＮＥの半充填π＊帯を示すＶ［ＴＣＮＥ］２に関する概略線図である。
【００１３】
図５は、室温で磁性であるＶ［ＴＣＮＥ］ｘフィルム（低温（４０℃）化学的蒸着を介して調製）について計測した２９０Ｋ電子常磁性共鳴派生信号（ａ）を示す。図５には、試料が吸収する電力を表わす吸収曲線もまた図示してある。予想される如く、ＥＰＲ（ＥＰＲが意味するものは何か？）線形状と中心磁界は、印加磁界に対しＶ［ＴＣＮＥ］ｘフィルムの角度に依存することが判明した。
【００１４】
図６と図７は、それぞれ２ｍＷと２０ｍＷの９．５ＧＨｚマイクロ波電力の印加磁界の関数としてのＶ［ＴＣＮＥ］ｘフィルムの２９０Ｋでの百分率抵抗変化を示す。磁界が共鳴用磁界（３４９２Ｏｅ）を掃引通過すると、抵抗は劇的に増大する。図６に示す如く、１．３％のΔＲ／Ｒが２ｍＷの印加マイクロ波電力ごとに達成される。ＳＤＲは、図７に示す如く、２０ｍＷの印加マイクロ波電力ごとに１０．５％のΔＲ／Ｒに対しほぼ線形に増大する。磁界曲線に対するΔＲ／Ｒの形状は、ＥＰＲ吸収曲線のそれに倣うものとなる。
【００１５】
図８は、２０．２ｍＷのマイクロ波放射線にさらしたＶ［ＴＣＮＥ］ｘについての２７５乃至２９８Ｋの温度の関数としてのΔＲ／Ｒを表わす。この温度範囲で温度が上昇した際に、ΔＲ／Ｒは１／３に減少する。
【００１６】
スピン駆動抵抗器動作向けの提案機構は、図４を見て理解することができる。Ｖ［ＴＣＮＥ］ｘは、ＴＣＮＥ−場（１場１電子）に集中する下側ハバードエネルギ帯で満たした半導体半体とすることを提案するものである。スピンＳ＝１／２場とＳ＝３／２Ｖ２＋場との磁気交換結合が、この下側ハバード帯内の全場を同一のスピン方向とする結果を招く。ｘ＜２でもって一般的試料を作成すると、上側ハバード帯はパウリ（Ｐａｕｌｉ）の排他律に起因して下側ハバード帯内での電子とは反対のスピンをもった電子が一部占有すると考えられる。この導電率は、上側ハバード帯内の状態間でのホッピングによるものである。
【００１７】
さらに、共鳴時に印加マイクロ波磁界は局所化状態の下側ハバード帯内で一部スピンを反転させると考えられる。これらの「反転」状態はそこで上側ハバード帯内のスピン（及び関連電荷）経路を遮断し、それによって抵抗を増大させる。要するに、各ＴＣＮＥ−は「スピン駆動ナノゲート」となる。有限温度では、一部の熱的に逆転させたスピンが既に存在する。温度を低下させることで、多数派対少数派のスピン場比は減少し、図８の構成において共鳴マイクロ波磁界に起因するスピン効果の反転をより大きくする。
【００１８】
スピン駆動抵抗器の動作は、印加共鳴周波数の選択により同調可能なＳＤＲ用磁界と併せ印加磁界に際立って依存する。例えば、２０ＭＨｚまでの使用がＶ［ＴＣＮＥ］ｘを母体とするデバイスについて７Ｏｅまでの磁界印加ＳＤＲに繋がろう。
【００１９】
ＳＤＲが非常に高速で低消費電力で動作する読み取りヘッドと検出器を含む様々なスピントロニクスデバイスに最終的応用分野を有するであろうことに、留意されたい。ＳＤＲ現象は、磁性半導体や導体層を時変電磁界と直流電界にさらして共鳴状態を経ることにより、スピンバルブやスピントンネル接合やスピンＬＥＤやスピントランジスタデバイスの変調に用いることもできる。
【００２０】
本発明は現在最も実用的でかつ好適な実施形態と思われるものに関連して説明してきたが、本発明は開示された実施形態には限定されず、反対に本願明細書に参照用に組み込む添付特許請求範囲の趣旨ならびに範囲に含まれる様々な改変ならびに等価物を包含することを意図するものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】空中室温でＣｏ５Ｓｍに吸着させたガラスカバースライド上の有機Ｖ［ＴＣＮＥ］２の５μｍ被覆の写真を示す図である。
【図２】図１に示した有機磁石に関する３７０Ｋにおける整列を示す温度の関数としての磁化（磁化率／モル）を示す図である。
【図３】テトラシアノエチレンの化学的構造を示す図である。
【図４】二つの重複スピン帯に分割したＴＣＮＥ−の半濾波π＊を示すＶ［ＴＣＮＥ］２の概略レベル線図である。
【図５】２９０Ｋでの２．０２ｍＷマイクロ波出力印加時のＶ［ＴＣＮ］ｘの９．５ＧＨｚＥＰＲに関する（ａ）派生曲線と（ｂ）吸収曲線を示す図である。
【図６】２９０ＫでＶ［ＴＣＮＥ］ｘフィルムに印加する２．０２ｍＷの９．５ＧＨｚマイクロ波電力印加のための印加磁界に対するΔＲ／Ｒを示す図である。
【図７】２９０ＫでＶ［ＴＣＮＥ］ｘフィルムに印加する２０．２ｍＷの９．５ＧＨｚマイクロ波電力印加のための印加磁界に対するΔＲ／Ｒを示す図である。
【図８】２７５Ｋ乃至２９８Ｋの温度の関数として２０．２ｍＷΔＲ／Ｒを表わす図である。
【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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【国際調査報告】
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