(57)【要約】【課題】磁性体に形成される磁区壁を正確に移動するための制御の手法や、こうした手法を用いた各種の装置を提供する。【解決手段】複数の狭窄部位を離散的に配置してなる離散位置を有する磁性体と、上記磁性体に磁界のパルスを印加する磁界印加手段とを有し、上記磁界印加手段により上記磁性体に磁界のパルスを印加することにより、上記磁性体中の離散位置にある磁区壁が上記離散位置とは異なる他の離散位置へ移動されるようにしたものであり、上記磁性体は、山部と谷部とが連続する鋸歯形状を有し、上記谷部に離散位置を有するようにし、上記磁界印加手段が印加する磁界のパルスは、方形パルスであるようにした。【選択図】        図１
2007200445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体中の磁区壁を移動する磁区壁の移動の制御方法において、
複数の狭窄部位を離散的に配置してなる離散位置を有する磁性体に磁界のパルスを印加することによって、前記磁性体中の離散位置にある磁区壁を前記離散位置とは異なる他の離散位置へ移動させる
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁区壁の移動の制御方法において、
前記磁性体は、山部と谷部とが連続する鋸歯形状を有し、前記谷部に離散位置を有する
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の磁区壁の移動の制御方法において、
前記磁界のパルスは、方形パルスである
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法。
【請求項４】
複数の狭窄部位を離散的に配置してなる離散位置を有する磁性体と、
前記磁性体に磁界のパルスを印加する磁界印加手段と
を有し、
前記磁界印加手段により前記磁性体に磁界のパルスを印加することにより、前記磁性体中の離散位置にある磁区壁が前記離散位置とは異なる他の離散位置へ移動される
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法を用いた装置。
【請求項５】
請求項４に記載の磁区壁の移動の制御方法を用いた装置において、
前記磁性体は、山部と谷部とが連続する鋸歯形状を有し、前記谷部に離散位置を有する
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法を用いた装置。
【請求項６】
請求項４または５のいずれか１項に記載の磁区壁の移動の制御方法を用いた装置において、
前記磁界印加手段が印加する磁界のパルスは、方形パルスである
ことを特徴とする磁区壁の移動の制御方法を用いた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁区壁の移動の制御方法およびそれを用いた装置に関し、さらに詳細には、磁界を印加することにより磁区壁の移動を行う一つあるいは複数の磁区壁の移動の制御方法およびそれを用いた装置に関する。
【０００２】
なお、本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いた装置としては、例えば、従来より公知のステップモータ、シフトレジスタあるいは論理ゲートなどに相当する動作を行うものがあり、論理ゲートに相当する動作を行うものとしては、例えば、排他的論理和（ＸＯＲ）ゲートに相当する動作を行うものがある。
【背景技術】
【０００３】
従来より、磁区壁は、磁界を印加して駆動することにより移動することができることが知られている。この磁区壁の運動は、磁気記録読み取り／書き込みヘッド、トランスあるいは磁気センサーを含む種々の装置にとって重要なものである。
【０００４】
こうした磁区壁の運動については、既に各種の論文が提示されているが、それらは、磁区の運動を制御するための手法を何ら示すことなく単にその運動を説明するだけのものであったり（非特許文献１、非特許文献４参照）、狭窄部における磁区壁の構造を示すだけのものであったり（非特許文献２参照）、あるいは、静状態における差を制御する方法を示すだけのものであったりする（非特許文献３参照）。
【０００５】
また、一連の磁性粒子を利用した論理ゲートについても、従来より各種の論文が提示されている（非特許文献５参照）。
【０００６】
ところで、ほとんどの磁気記憶装置は、小さい磁性粒子や個々の磁区の磁性を上または下へ設定することで情報を磁気フィルムに記憶するようになされている。このような磁気記憶装置は、偏極電流あるいは外部電源により発生された磁界のいずれかにより駆動することができる。
【０００７】
しかしながら、今日のように情報技術が急速に成長するにつれて、情報の記憶、制御あるいは操作に関して、上記したような従来の技術とは異なる新しいアプローチによる高性能化への要求が高まってきている。
【０００８】
一方、常温で動作する非線形論理装置が、超伝導装置とは対照的に高価な極低温装置を必要としないことから近年注目を集めてきており、このような常温で動作する非線形論理装置の開発に対する要求も強まっている。
【０００９】
こうした種々の要求に関連して、上記した磁区壁の運動についての研究が進められているが、この磁区壁の運動は、多くの考えられるアプリケーションをカバーする広範囲にわたるパラメータの範囲内で、オーバーダンピングされた粒子の運動にマッピングすることができる。
【００１０】
また、近年、周期的なラチェット様電位中の極小粒子の運動が、新世代の固体装置の開発を促進している。
【００１１】
さらに、狭窄部や三角形を持つ磁石は、従来構造よりはるかに魅力的な特徴を備えることから、多くのグループにおいてこうした磁石についての研究が盛んに行われている。
【非特許文献１】エフ．ケイソル（Ｆ．Ｃａｙｓｓｏｌ），  ディー．ラベロソナ（Ｄ．Ｒａｖｅｌｏｓｏｎａ），  シー．チャッパート（Ｃ．Ｃｈａｐｐｅｒｔ），  ジェー．フェレ（Ｊ．Ｆｅｒｒｅ）  および  ジェー．ピー．ジャメット（Ｊ．Ｐ．Ｊａｍｅｔ），  フィジックス・レビュー・レター（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．）  ９２，  １０７２０２（２００４）
【非特許文献２】ピー．ブルーノ（Ｐ．Ｂｒｕｎｏ），  フィジックス・レビュー・レター（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．）  ８３，  ２４２５（１９９９）
【非特許文献３】ティー．タニヤマ他（Ｔ．Ｔａｎｉｙａｍａ  ｅｔ  ａｌ．），  アプライド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）  ７６，  ６１３−６１５（２０００）
【非特許文献４】エム．ツォイ（Ｍ．Ｔｓｏｉ），  アール．イー．フォンタナ（Ｒ．Ｅ．Ｆｏｎｔａｎａ）  および  エス．エス．ピー．パーキン（Ｓ．Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎ），  アプライド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）  ８３，  ２６１７−２６１９（２００３）
【非特許文献５】ディー．エー．アルウッド他（Ｄ．Ａ．Ａｌｌｗｏｏｄ  ｅｔ  ａｌ．），  サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）  ２９６，  ２００３（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記したような様々な背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁性体に形成される磁区壁を正確に移動するための制御の手法や、こうした手法を用いた各種の装置を提供しようとするものである。
【００１３】
より詳細には、本発明の目的とするところは、磁界を印加することによって、磁性体に形成される磁区壁を所定の距離だけ正確に移動することを可能にした磁区壁の移動の制御方法を提供しようとするものである。
【００１４】
また、本発明の目的とするところは、上記した本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いた装置を提供しようとするものであり、こうした装置としては、例えば、従来より公知のステップモータ、シフトレジスタあるいは論理ゲートなどに相当する動作を行うものがあり、論理ゲートに相当する動作を行うものとしては、例えば、ＸＯＲゲートに相当する動作を行うものがある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明による磁区壁の移動の制御方法は、周期的なパターニングを施されて形成されたスラブ状やフィルム（薄膜）状などの磁性体に対して、外部から磁界を印加することにより、当該パターニングに応じて形成される磁区壁を当該パターニングに応じて移動するようにしたものである。
【００１６】
換言すれば、本発明による磁区壁の移動の制御方法は、明確な離散位置を有する磁気構造体を形成し、当該磁気構造体に磁界のパルスを印加することによって、磁区壁を制御可能にある離散位置から他の離散位置へ移動させるという手法である。
【００１７】
例えば、周期的な離散位置を有するようにパターニングを施されて形成された磁性体に対して、外部から磁界をパルス状に印加すると、当該磁性体のパターニングに応じて離散位置に形成される磁区壁は、当該パルス状に印加される磁界によりパルス的に駆動されて、当該パターニングに従ってある離散位置から他の離散位置へ移動する。
【００１８】
ここで、磁性体としては、例えば、強磁性体を用いることができ、具体的には、強磁性スラブや磁気フィルムとして構成することができる。また、上記した周期的な離散位置を有するパターニングの形状としては、例えば、連続した菱形形状、三角形状あるいは鋸歯形状などがある。
【００１９】
また、こうした本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いて、入力したパルス信号に応じて一定距離平行移動もしくはシフトする従来より公知のステップモータのように、パルス状に入力した磁界に応じて磁区壁を一定量だけ制御しながら移動するような装置、即ち、従来より公知のステップモータに相当する装置を構成することができる。
【００２０】
なお、本明細書においては、本発明により構成される従来より公知のステップモータに相当する装置を称するにあたっては、「磁区壁ステップモータ」と適宜に称することとする。
【００２１】
さらに、こうした本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いて、送りパルスが与えられるたびに内容が同時に１桁ずつ移動する従来より公知のシフトレジスタのように、パルス状に入力した磁界に応じて磁区壁を一定量ずつ移動する装置、即ち、従来より公知のシフトレジスタに相当する装置を構成することができる。
【００２２】
なお、本明細書においては、本発明により構成される従来より公知のシフトレジスタに相当する装置を称するにあたっては、「磁区壁シフトレジスタ」と適宜に称することとする。
【００２３】
さらにまた、こうした本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いて、入力した信号に応じて排他的論理和演算を行う従来より公知のＸＯＲゲートのように、パルス状に入力した磁界に応じて排他的論理和演算を行う装置、即ち、従来より公知のＸＯＲゲートに相当する装置を構成することができる。
【００２４】
なお、本明細書においては、本発明により構成される従来より公知のＸＯＲゲートに相当する装置を称するにあたっては、「磁区壁ＸＯＲゲート」と適宜に称することとする。
【００２５】
上記した本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いて構成された各装置における磁区壁の正確で制御可能な離散運動は、磁界をパルス状に印加することで実現することができる。
【００２６】
即ち、例えば、鋸歯形状を備えた磁気フィルムにおいては、当該磁気フィルムにおいて離散的に順次に配置されている最も狭い部位たる離散位置に、磁区壁が配置される。こうした磁気フィルムに対して、パルス状の磁界（以下、「パルス状の磁界」を「磁界パルス」と適宜に称する。）を印加することにより、離散位置間において磁区壁を移動することができる。
【００２７】
また、例えば、磁気フィルムの一端にある大型磁性体に取り付けられた、鋸歯形状を備えるようにパターニングされた磁気フィルムは、ＸＯＲゲートとして動作する。
【００２８】
ここで、従来より公知のステップモータは、ある入力信号を処理した最終結果として、典型的に制御された運動を達成する装置である。本発明による磁区壁ステップモータは、例えば、パターニングされた磁性スラブ内の磁区壁の運動を制御するものである。
【００２９】
従来より公知のステップモータのように、磁区壁ステップモータは正確に制御することができ、磁区壁は所望のステップ数を移動することができる。即ち、従来より公知のステップモータにおいては、各入力電気パルスが１インクリメントまたは１ステップを生成するが、磁区壁ステップモータにおいては、それぞれ印加される磁気パルスの１つが、１つの磁区壁を１インクリメントまたは１ステップ移動する運動を生成することができる。
【００３０】
従って、鋸歯形状を備えた磁性体の鋸歯のそれぞれの歯形状部位に、局部磁界をそれぞれ独立して印加することにより、磁区壁シフトレジスタを構成することができる。
【００３１】
なお、長く強い磁気パルスを印加することにより、制御されたステップ数に影響を及ぼす磁区壁の運動を生成することができる。
【００３２】
そして、本発明のうち請求項１に記載の発明は、磁性体中の磁区壁を移動する磁区壁の移動の制御方法において、複数の狭窄部位を離散的に配置してなる離散位置を有する磁性体に磁界のパルスを印加することによって、上記磁性体中の離散位置にある磁区壁を上記離散位置とは異なる他の離散位置へ移動させるようにしたものである。
【００３３】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記磁性体は、山部と谷部とが連続する鋸歯形状（もしくは、広幅部と狭窄部とを有するような、鋸歯と同様の形状）を有し、上記谷部（＝上記狭窄部位）に離散位置を有するようにしたものである。
【００３４】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記磁界のパルスは、方形パルスであるようにしたものである。
【００３５】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、複数の狭窄部位を離散的に配置してなる離散位置を有する磁性体と、上記磁性体に磁界のパルスを印加する磁界印加手段とを有し、上記磁界印加手段により上記磁性体に磁界のパルスを印加することにより、上記磁性体中の離散位置（狭窄部としても認識されている。）にある磁区壁が上記離散位置とは異なる他の離散位置へ移動されるようにしたものである。
【００３６】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記磁性体は、山部と谷部とが連続する鋸歯形状を有し、上記谷部に離散位置を有するようにしたものである（後者は狭窄部としても認識されている。）。
【００３７】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項４または５のいずれか１項に記載の発明において、上記磁界印加手段が印加する磁界のパルスは、方形パルスであるようにしたものである。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、磁性体に形成される磁区壁を正確に移動するための制御の手法や、こうした手法を用いた各種の装置を提供することができるという優れた効果が奏される。
【００３９】
より詳細には、本発明によれば、磁界を印加することによって、磁性体に形成される磁区壁を所定の距離だけ正確に移動することを可能にした磁区壁の移動の制御方法を提供することができるという優れた効果が奏される。
【００４０】
また、本発明によれば、上記した本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いた装置を提供することができるという優れた効果が奏され、こうした装置としては、例えば、従来より公知のステップモータ、シフトレジスタあるいは論理ゲートなどに相当するものを提供することができ、さらに論理ゲートに相当するものとしては、例えば、ＸＯＲゲートに相当するもの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】
【００４１】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による磁区壁の移動の制御方法およびそれを用いた装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００４２】
まず、図１（ａ）（ｂ）を参照しながら、本発明による磁区壁の移動の制御方法およびそれを用いた装置を説明するために用いる基本的な数式について説明する。
【００４３】
こうした基本的な数式を説明するにあたり、やわらかい強磁性スラブまたは磁気フィルムなどの磁性体であって、図１（ａ）に示すように、一定の厚さｓを有する多数の略菱形形状１２が連続して形成されるようにパターニングされた磁性体１０について検討する。
【００４４】
この磁性体１０においては、図１（ａ）に示すように一定の厚さｓを有する多数の略菱形形状１２が連続して形成されるようにパターニングされることにより、それぞれの略菱形形状部位１２の上方部位たる上方に突出する略三角形状部位１２ａの連続により、山部と谷部とが交互に連続する上方側の鋸歯形状が形成されるとともに、それぞれの略菱形形状部位１２の下方部位たる下方に突出する略三角形状部位１２ｂの連続により、山部と谷部とが交互に連続する下方側の鋸歯形状が形成されることになる。
【００４５】
従って、磁性体１０は、上方側の鋸歯形状の谷部と当該谷部に対向する下方側の鋸歯形状の谷部との接合部位、即ち、ある略菱形形状部位１２における略三角形状部位１２ａと略三角形状部位１２ｂとの接合部位であるとともに、菱形形状１２と隣り合う他の略菱形形状部位１２との接合部である狭窄部位１２ｃ（図１（ａ）において一点鎖線で示す部位である。）を離散的に備えることになる。
【００４６】
ここで、上記した略三角形状部位１２ａ、１２ｂの形状は、例えば、図１（ａ）に示すような二等辺三角形状とすることができる。こうした二等辺三角形状としては、例えば、対称鋸歯形状のようなものがある。また、本発明による磁区壁の移動の制御方法は、対称鋸歯形状などの二等辺三角形状にのみ適用されるものでなく、ラチェット型非対称鋸歯形状にも容易に適用することができる。
【００４７】
図１（ａ）において、磁化容易軸（図１（ａ）におけるｚ軸）はパターニングされた磁性体１０の平面にあり、図１（ａ）におけるｘ軸に対し垂直であると想定する。また、磁性体１０の側面に沿った磁化の配列を最小限にするために、磁気異方性磁界Ｈａは小さくないと想定する。
【００４８】
また、適用された磁場が、磁性体に対してほぼ垂直であれば、つまり鋸歯形状体に対してほぼ垂直であれば、この提案の主たる考えは上記の場合に当てはまる。
【００４９】
図１（ａ）に示すように、鋸歯形状が十分に延長して形成されているならば、磁性ベクトルが磁化容易軸に沿って向き、磁区壁はこの軸に平行となる。こうした磁性ベクトルが磁化容易軸に沿って向き、磁区壁が磁化容易軸に平行となる構造体は、従来より公知の技術により製作することができる。
【００５０】
次に、外部から印加されたｚ軸方向（図１（ａ）参照）に沿った磁界Ｈｅ（ｔ）における、磁性体１０の線形エネルギー密度Ｅ（ｘ）は、以下のように表すことができる。
【数１】
2007200445.tif 000003
【００５１】
・・・式（１）
ここで、ｘは磁区壁の位置、Ｅｗは単位面積あたりの磁区壁のエネルギー、ｌ（ｘ）は変動する磁性体１０の高さ、ｓは磁性体１０の一定の厚さ、そしてＭは磁性体１０の磁化である。式（１）の右辺の第２項は、通常のゼーマンエネルギーである。なお、説明を簡明にして理解を容易にするために、漂遊磁界は無視するものとする。
【００５２】
そうすると、磁区壁のエネルギーＥｗは、以下の式（２）に示すようにして表すことができる。
【数２】
2007200445.tif 000004
【００５３】
・・・式（２）
ここで、γは１〜１０、そしてｌｅｘｃｈａｎｇｅは交換長である。ここで議論した近似法は、従来より公知のシステムにおける磁区壁の移動を説明する際にも用いられているものである。
【００５４】
鋸歯形状を形成する各歯の長さ、即ち、隣り合う狭窄部位１２ｃ間の長さｘ０が減少すると、磁区壁の厚さ
【数３】
2007200445.tif 000005
【００５５】
は、鋸歯形状の固有の規模たるｘ０に近づくことができ、δとＥｗのくりこみをもたらす。
【００５６】
しかしながら、標準的な材料やミクロンサイズの歯サイズについては、磁区壁の厚さはｘ０よりはるかに薄い、例えば、δ＜＜ｘ０である。実際には、δは３０ｎｍ、ｘ０１は１μｍと推定する。このように、数式（１）は、少なくとも定量的に本発明に適用できる。
【００５７】
外部磁界Ｈｅ（ｔ）は、通常の運動方程式である「（摩擦推力）=−ｄＥ（ｘ）／ｄｘ）」に従って、パターニングされた磁性体１０中の磁区壁を駆動する。これは、以下の通り書き換えることができる。
【数４】
2007200445.tif 000006
【００５８】
・・・式（３）
なお、
【数５】
2007200445.tif 000007
【００５９】
とする。
【００６０】
ここで、
【数６】
2007200445.tif 000008
【００６１】
である。磁区壁上に作用する単位面積あたりの摩擦推力は、下記の（ｉ）および（ｉｉ）の２つの寄与からきている。
【００６２】
（ｉ）渦電流摩擦
【数７】
2007200445.tif 000009
【００６３】
ここで、
【数８】
2007200445.tif 000010
【００６４】
とする。
【００６５】
（ｉｉ）)磁区壁“ピンニング”力
【数９】
2007200445.tif 000011
【００６６】
ここで、ρは磁性体１０の電気抵抗であり、そしてγ１は磁性体１０の形状に依存する単一性秩序の定数である。
【００６７】
数式（３）においては、慣性項を省略しているが、これは通常数１０ＧＨｚまで有効である。無次元単位においては、数式（３）を以下のとおり変形する。
【数１０】
2007200445.tif 000012
【００６８】
・・・式（４）
ここで、
【数１１】
2007200445.tif 000013
【００６９】
である。
【００７０】
また、空間規模たるｘ０は、鋸歯形状の構造体たる磁性体１０の周期であり、
【数１２】
2007200445.tif 000014
【００７１】
は固有の減衰時間である。
【００７２】
次に、図１（ａ）（ｂ）乃至図２を参照しながら、本発明による制御可能な磁区壁ステップモータについて説明する。
【００７３】
まず、図１（ａ）に示すように、一定の厚さｓを有する多数の略菱形形状部位１２が連続して形成されるようにパターニングされた磁性体１０を形成する。磁性体１０の構成の詳細は、上記において説明した通りである。
【００７４】
また、図１（ａ）（ｂ）において図示は省略しているが、本発明による制御可能な磁区壁ステップモータは、磁性体１０に対して外部から磁区壁を駆動して移動するための磁界のパルス（磁界パルス）を印加する磁界印加手段として、例えば、ソレノイド電磁石を備えている。
【００７５】
安定状態において、図１（ａ）に示す磁性体１０中の磁区壁は、パターニングされた磁性体１０の狭窄部位１２ｃ（図１（ａ）において狭窄部位１２ｃは一点鎖線で示している。）に対応したある離散位置に置くことができるのみである。これは、単位面積当たりの復元力がピンニング力に打ち勝つために、鋸歯形状が十分に急勾配であるならば発生する。即ち、
【数１３】
2007200445.tif 000015
【００７６】
であるならば、上記したことが発生する。
【００７７】
ここで、図１（ｂ）には、略三角形状部位１２ａが連続して鋸歯形状を形成するようにパターニングされた磁性体１０中における、磁区壁（図１（ｂ）において、磁区壁は二点鎖線で示されている。）の移動の状態が示されている。
【００７８】
即ち、図１（ｂ）に示すように、磁界印加手段により磁界パルスＨ（ｔ）を印加すると、磁区壁をある狭窄部位１２ｃから別の狭窄部位１２ｃへ移動することができる。印加される磁界が、図１（ｂ）に示すように方形パルスの場合に関しては、数式（４）を正確に積分することができる。
【００７９】
これにより、最小から次の最大（τ＋）と最大から次の最小（τ−）への磁区壁の遷移に関して、時間τ＋およびτ−を導くことができる。
【数１４】
2007200445.tif 000016
【００８０】
・・・式（５）
即ち、図１（ｂ）に示すように、磁区壁は、磁化の方向が異なる領域を分離する（図１（ｂ）における上方向矢印ならびに下方向矢印を参照する。）。
【００８１】
こうした磁区壁は、外部磁界パルスを印加することにより、ある狭窄部位１２ｃから別の狭窄部位１２ｃへ移動することができる。この磁区壁の移動は容易に制御可能であり、磁界パルスの小さな変化、例えば、磁界パルスの持続時間Δｔや振幅Ｈ０の起こりうる誤差などに対し強い。
【００８２】
なお、このような外部から印加される磁界パルスを生成する磁界印加手段は、上記したように、例えば、従来より公知のソレノイド電磁石を磁性体１０の外部に設けることにより実現することができる。
【００８３】
ここで、無次元パルス振幅ｈ０
【数１５】
2007200445.tif 000017
【００８４】
を説明する。
【００８５】
即ち、はじめに式（５）においては、対称形の想定を用いた。以後、
【数１６】
2007200445.tif 000018
【００８６】
は、「有効デピンニング駆動」を示すものとする。厳密に言えば、区分線形構造体（二等辺三角形）形状の想定は、この時点から必要なだけである。
【００８７】
図１に示す区分線形構造、即ち、磁性体１０について、これら遷移時間は、次のとおり明確に表すことができる。
【数１７】
2007200445.tif 000019
【００８８】
・・・式（６）
ここで、例えば、鋸歯形状の最小から次の最大への移動について、以下の数式を使う。
【数１８】
2007200445.tif 000020
【００８９】
・・・式（７）
無次元磁界パルスｈ（ｔ）が閾値より小さい振幅ｈ０ならば、磁区壁は初期の位置から移動することはできない。
【数１９】
2007200445.tif 000021
【００９０】
・・・式（８）
図２には、磁区壁を移動するための駆動パルスたる磁界パルスの時間と磁区壁の移動のステップ数との関係を示すグラフが示されているが、この図２に示すように、より強い磁界パルスでは、駆動パルスたる磁界パルスの持続時間Δｔを変化することによって、所望数Ｎのステップ数だけ磁区壁を移動することができる。
【数２０】
2007200445.tif 000022
【００９１】
・・・式（９）
即ち、磁区壁の移動は、磁区壁を移動するために印加される駆動パルスたる磁界パルスの持続時間に対する、磁区壁位置の制御可能な離散変動であり、式（６）ならびに式（９）を使い計算することができる。図２において、印加される磁界パルスの長い平らな平坦域の時間（τ＋−τ−）は、印加される磁界パルスの持続時間Δｔならびに強度ｈ０の誤差に対して、本発明による磁区壁ステップモータが強いことを示している。
【００９２】
上記したように、本発明による磁区壁ステップモータは、印加される磁界パルスの持続時間Δｔならびに強度ｈ０の誤差に対して影響を受けずに動作させることができる。つまり、たとえ磁界パルスのパルス持続時間Δｔが約（τ＋−τ−）の精度内で規定されたとしても、磁区壁の離散した平衡位置（磁性体１０においては、狭窄部位１２ｃである。）に従って、磁区壁を正確な整数ステップ数だけ移動することができる。
【００９３】
ここで、図１（ｂ）を参照しながら、二点鎖線で示されたポテンシャルエネルギーが最小の位置にある磁区壁について検討する。
【００９４】
もし印加される磁界パルスＨ（ｔ）が、符号Ａで示す最大のポテンシャルエネルギーよりも下で磁区壁を駆動するならば、磁区壁はポテンシャルエネルギーが最小の初期の位置に戻る（図１（ｂ）の（ｂ−１）参照）。
【００９５】
一方、もし印加される磁界パルスＨ（ｔ）が、符号Ａで示す最大のポテンシャルエネルギーを超えるが、次の最大のポテンシャルエネルギーである符号Ｂの前で磁区壁を駆動すると、磁区壁は次のポテンシャルエネルギーが最小の位置に到達する。即ち、磁区壁は、図１（ｂ）の（ｂ−１）に示す位置から（ｂ−２）に示す位置に移動する。これは、鋸歯形状における３つの連続した各歯たる線形セグメントのうち２つが、磁区壁を次の最小のポテンシャルエネルギーの位置へ自動的に持って行くことを意味する。
【００９６】
これにより、磁区壁ステップモータ内における次の「ステップ」へ到達するために印加される磁界パルスＨｅ（ｔ）を微調整することが必要なくなるので、磁区壁ステップモータは外乱などの影響に対して極めて強くなり、正確にステップ毎に動作することができる。
【００９７】
同質磁気材料に関して、無次元ピンニング力ｆｐが１未満であるのは明らかである。この場合において、磁界パルスの閾振幅Ｈｏｎｓｅｔは、鋸歯形状により規定される。
【００９８】
この磁区壁ステップモータの動作を検討するための概算においては、容易に取得できる標準的なパラメータ値、例えば、磁性体１０としてのパーマロイ膜については、
【数２１】
2007200445.tif 000023
【００９９】
を用いた。これらは、
【数２２】
2007200445.tif 000024
【０１００】
を与える。
【０１０１】
磁界パルスの振幅を増加させるときに、付加的な磁区壁を構造体の開放端から貫通することができる。これは、同質の材料に関しては、
【数２３】
2007200445.tif 000025
【０１０２】
に対して発生し、ここで、Ｈｃは磁区壁の核を形成するための極めて重要な磁界である。
【０１０３】
次に、図３を参照しながら、本発明による磁区壁ＸＯＲゲートについて説明する。即ち、鋸歯形状に形成された磁気フィルムなどの磁性体内における磁区壁の核生成ならびに伝搬は、論理装置の設計に使用することができる。
【０１０４】
図３には、非対称磁気構造を備えた磁性体により構成される磁区壁ＸＯＲゲートの動作が示されている。
【０１０５】
即ち、非対称磁気構造を備えた磁性体１００は、強磁性スラブや磁気フィルムなどの磁性材料により構成されており、大型部位（図３においては、大型部位は方形形状である。）１０２と、大型部位１０２の一端に取り付けられた山と谷とが交互に連続する鋸歯形状の鋸歯構造部位１０４とを有して構成されている。なお、鋸歯構造部位１０４は、磁区壁ステップモータの磁性体１０と同様な構成を備えたものである。
【０１０６】
また、図３において図示は省略しているが、本発明による磁区壁ＸＯＲゲートは、磁性体１００に対して外部から磁区壁を駆動して移動するための磁界パルスを印加する磁界印加手段として、例えば、ソレノイド電磁石を備えている。
【０１０７】
この図３に示す磁性体１００により、本発明による磁区壁ＸＯＲゲートが構成されるものであり、図３には、本発明による磁区壁ＸＯＲゲートの初期化ならびに作用が示されている。
【０１０８】
即ち、磁界印加手段により外部から印加された磁界の大きな磁界パルスが、磁性体１００全体を上方（図３における磁性体１００内に記載された上向き矢印方向）または下方（図３における磁性体１００内に記載された下向き矢印方向）に磁化する。この際に、磁性体１００全体を上方に磁化した場合を論理状態「１」とし、磁性体１００全体を下方に磁化した場合を論理状態「０」とする。
【０１０９】
次に、ゼロ平均交流磁界Ｈａｃ（ｔ）と直流バイアス磁界ＨＤＣとの両方を結合する。例えば、時間的周期Ｔ（Ｔ：Ｈａｃ（ｔ）＝Ｈａｃ（ｔ＋Ｔ））をもつ方形交流磁界パルスを考える。
【０１１０】
Ｈａｃ（ｔ）＝Ｈ０        （ｔ＜Ｔ／２  とする）  および
Ｈａｃ（ｔ）＝−Ｈ０        （ｔ＞Ｔ／２  とする）  ・・・式（１０）
他の状態、つまり上に向かうＨＤＣに「１」、そして下に向かうＨＤＣに「０」を割り当てることができる。常に交流信号を選択することができるので、Ｈ０＞｜ＨＤＣ｜およびＨ０−｜ＨＤＣ｜＜Ｈｃ＜Ｈ０＋｜ＨＤＣ｜となり、ここで、Ｈｃは、鋸歯形状構造の開放端での磁区壁核生成に関する磁界の閾値である。
【０１１１】
強力な形状磁気異方性により、大型部位１０２の磁化反転磁界Ｈｃｌは、ＨｃとＨ０＋｜ＨＤＣ｜とのいずれよりも高い。
【０１１２】
もし両方の状態（「１」＋「１」）または（「０」＋「０」）が同時に起こると、磁化反転処理は発生しない（出力は「０」）。実際には、交流磁界方向が磁性体１００の磁化方向とは逆の場合には、合計磁場Ｈ０−｜ＨＤＣ｜は、開放端での磁区壁を作り出すのには十分ではない。
【０１１３】
「「１」＋「０」」または「「０」＋「１」」の場合には、直流磁場は交流磁場（Ｈ０＋｜ＨＤＣ｜）を助けて、大型部位１０２の磁化に関して反対の磁性で磁区壁の核を生成する。
【０１１４】
従って、両方の状態が異なる場合、即ち、「「１」＋「０」」または「「０」＋「１」」の場合、核生成された磁区壁は、構造の内部を前後に移動する。これが、新しい状態「１」に帰せられる磁気反応を生成し、それを、例えば、ピックアップコイルを使用して測定することができる。
【０１１５】
出力信号の振幅は、交流磁界パルスの持続時間に依存する。このように、この磁性体１００は、論理ゲートのＸＯＲゲートとして作動する。
【０１１６】
ここで、図３を参照しながら、さらに説明すると、磁界を印加するときに、パターニングされた磁性体１００の全体を「０」または「１」の状態に設定することができる。もし交流磁界および直流磁界の両方、即ち、ＨＤＣ＋Ｈａｃ（ｔ）が印加されるならば、この磁性体１００はＸＯＲゲートとして動作することができる。
【０１１７】
磁性体１００よりなるＸＯＲゲートたる磁区壁ＸＯＲゲートの入力は、「（１）直流磁界の印加」および「（２）磁性体１００の大型部位１０２の磁化」である。
【０１１８】
そして、交流磁場を加えて、磁区壁ＸＯＲゲートの動作を開始する。出力は、「０」（磁区壁なし）か「１」（磁区壁が磁性体１００中に核生成され、そして磁区壁が振動する。）である。この磁区壁の振動は、出力状態「１」に対応し、ピックアップコイルに電圧を発生させる。
【０１１９】
このように、移動する磁区壁は、「ＨＤＣ＞０かつ状態「１」」あるいは「ＨＤＣ＜０かつ状態「０」」のいずれかで存在する。
【０１２０】
以上において説明したように、本発明によれば、パターニングされた磁気フィルムなどの磁性体内の磁区壁の運動を正確に制御することができるようになる。そして、本発明による磁性体内の磁区壁の運動の制御方法は、磁区壁を移動する制御可能な磁区壁ステップモータや磁区壁シフトレジスタの作成や、磁区壁ＸＯＲゲートなどの論理ゲートに用いることができる。
【０１２１】
また、こうした磁区壁ステップモータや磁区壁シフトレジスタあるいは磁区壁ＸＯＲゲートは、熱雑音が必要とする特性エネルギーに対して無視できる程度であるので、常温で作動することができる。
【０１２２】
なお、本発明に用いる磁性体は、従来より公知の技術を使って標準的な磁気材料で作成することができる。
【０１２３】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に示すように変形することができるものである。
【０１２４】
（１）上記した実施の形態においては、多数の略菱形形状１２を連続して形成することにより、山部と谷部とが連続するような鋸歯形状を構成したが、これに限られるものではないことは勿論であり、単に略三角形形状を連続して形成することにより、山部と谷部とが連続するような鋸歯形状を構成するようにしてもよい。
【０１２５】
要は、磁性体１０、１００としては、山部と谷部とが連続するような形状を備えるように構成すればよく、ｘ軸方向に鏡面対称であるのように構成しなくてもよい。
【０１２６】
（２）上記した実施の形態においては、略三角形状部位１２ａよりなる鋸歯形状における山部が３個連続する場合（図１（ａ）参照）、６個連続する場合（図１（ｂ）参照、）あるいは３個連続する場合（図３参照）を示したが、鋸歯形状における山部は上記した個数に限られず、設計や用途に応じて適宜の個数を形成するようにすればよい。
【０１２７】
（３）上記した実施の形態においては、磁性体１００の大型部位１０２の形状を方形形状としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、設計や用途に応じて適宜の形状を選択するようにすればよい。
【０１２８】
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、現在利用されているステップモータやシフトレジスタあるいはＸＯＲゲートなどの論理ゲートと同様な用途において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】図１（ａ）（ｂ）は、本発明による磁区壁の移動の制御方法およびそれを用いた装置たる本発明による磁区壁ステップモータの説明図である。図１（ａ）は、本発明による磁区壁の移動の制御方法を用いた本発明による磁区壁ステップモータに関して磁性体の高さｌ（ｘ）と厚さｓとを示した概略構成斜視説明図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す磁性体がｘ軸方向に鏡面対称であるので、当該磁性体の下部を省略して上部のみを概念的に示した説明図である。
【図２】図２は、磁区壁を移動するための駆動パルスたる磁界パルスの時間と磁区壁の移動のステップ数との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、非対称磁気構造を備えた磁性体により構成される本発明による磁区壁ＸＯＲゲートの動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１０      磁性体
１２      略菱形形状
１２ａ    略三角形状部位
１２ｂ    略三角形状部位
１２ｃ    狭窄部位
１００      磁性体
１０２      大型部位
１０４      鋸歯構造部位
【図１】
2007200445.tif 000026
【図２】
2007200445.tif 000027
【図３】
2007200445.tif 000028
【外国語明細書】
CONTROL METHOD OF MOVEMENT OF MAGNETIC DOMAIN WALLS AND DEVICE USING THE SAME
BACKGROUND OF THE INVENTION
Field of the Invention
The present invention relates to a control method of the movement of a magnetic domain wall and a device using the method, more particularly to a control method of the movement of one or more magnetic domain walls, which moves the magnetic domain walls by applying a magnetic field, and a device using the method.
It is to be noted that there are devices performing an operation equivalent to a conventionally widely known step motor, shift register or logic gate, for example, as the device using the control method of the movement of a magnetic domain wall by the present invention, and devices performing an operation equivalent to an exclusive OR (XOR) gate, for example, as devices performing an operation equivalent to the logic gate.
Background Art
It has been conventionally known that magnetic domain walls can be moved by driving these through applying a magnetic field.  The motion of magnetic domain walls is important for various devices including magnetic recording reading/writing head, transformer or magnetic sensor.
Although various kinds of articles have already been presented for the motion of a magnetic domain wall, some of them simply explain the motion of a magnetic domain wall without showing a method of controlling the motion (refer to nonpatent document 1 and nonpatent document 4), only show the structure of the magnetic domain wall in a constriction (refer to nonpatent document 2), or only show a method of controlling a difference in a static condition (refer to nonpatent document 3).
Further, various kinds of articles have been also presented for the logic gate utilizing a series of magnetic particles (refer to nonpatent document 5).
Incidentally, most magnetic memory devices are designed to store information in magnetic films by setting up or down the magnetization of small magnetic particles or individual domains.  Such magnetic memory devices can be driven either by polarized currents or by magnetic fields generated by external sources.
However, with today's rapid growth of information technology, requests for higher performance by novel approaches different from the above-described techniques have been increased to information storage, control and manipulation.
On the other hand, nonlinear logical devices operating at room temperature have attracted considerable interest because they do not require expensive cryogenics in contrast to superconducting devices, and requests for the development of such nonlinear logical devices operating at room temperature have been stronger.
In connection with the various kinds of requests, research of the above-described motion of a magnetic domain wall has been made, and the motion of a magnetic domain wall can be mapped to the motion of an overdamped particle within a wide range of parameters covering many possible applications.
Furthermore, the motion of tiny particles in periodic ratchet-like potentials accelerates the development of solid state devices of a new generation.
Moreover, magnets having constrictions or triangles are actively studied by many different groups because they provide very attractive features over conventional structures.
[Nonpatent document 1]
F. Cayssol, D. Ravelosona, C. Chappert, J. Ferre and J.P. Jamet, Phys. Rev. Lett. 92, 107202(2004)
[Nonpatent document 2]
P. Bruno, Phys. Rev. Lett. 83, 2425(1999)
[Nonpatent document 3]
T. Taniyama, et al., Appl. Phys. Lett. 76, 613-615(2000)
[Nonpatent document 4]
M. Tsoi, R.E. Fontana an S.S.P. Parkin, Appl. Phys. Lett. 83, 2617-2619(2003)
[Nonpatent document 5]
D.A. Allwood, et al., Science 296, 2003(2002)
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figs. 1(a) and 1(b) are exemplary views of a control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention and a magnetic domain wall step motor according to the present invention, which is a device using the method.  Fig. 1(a) is a general constitution perspective exemplary view indicating a height l(x) and a width s of a magnetic body regarding the magnetic domain wall step motor according to the present invention using the control method of the movement of a magnetic domain wall.  Fig. 1(b) is an exemplary view that conceptually shows the upper part of the magnetic body, while its lower portion is omitted because the magnetic body shown in Fig. 1(a) is mirror-symmetrical along the x-axis direction.
Fig. 2 is a graph showing the relationship between the time of magnetic field pulse being a driving pulse for moving a magnetic domain wall and a step number of the movement of the magnetic domain wall.
Fig. 3 is an exemplary view showing an operation of the magnetic domain wall XOR gate according to the present invention, which is made up of a magnetic body including a asymmetric magnetic structure.
SUMMARY OF THE INVENTION
The present invention has been created in view of the various backgrounds described above, and it is an object of the present invention to provide a control method for precisely moving a magnetic domain wall formed in a magnetic body, and various kinds of devices using the method.
More particularly, it is an object of the present invention to provide a control method of the movement of a magnetic domain wall, which is capable of precisely moving the magnetic domain wall formed in the magnetic body by a predetermined distance.
Further, it is also an object of the present invention to provide a device using the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention, and there are devices performing an operation equivalent to a conventionally widely known step motor, shift register or logic gate, for example, as such device, and there are devices performing an operation equivalent to an XOR gate, for example, as devices performing an operation equivalent to the logic gate.
To achieve the above-described objects, the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention applies a magnetic field from outside to a magnetic body such as slab state and film state (thin film), which has been formed by applying periodic patterns, and moves a magnetic domain wall formed based on the patterning in accordance with the patterning.
In other words, the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention is a method of moving the magnetic domain wall from a controllable discrete position to another discrete position by forming a magnetic structure body having a well-defined discrete position and applying the pulses of a magnetic field to the magnetic structure body.
For example, when the magnetic field is applied in a pulse state from outside to the magnetic body that has been formed by patterning so as to have a periodic discrete position, the magnetic domain wall formed at the discrete position in accordance with the patterning of the magnetic body is driven in a pulse state depending on the magnetic field applied in the pulse state, and moves from a discrete position to another discrete position based on the patterning.
Herein, a ferromagnetic body, for example, can be used as the magnetic body, and it can be constituted as ferromagnetic slabs or magnetic films, specifically.  Further, there is a consecutive rhombus shape, triangular shape or sawtooth profile as a patterning shape having the above-described periodic discrete position.
Furthermore, by using the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention, it is possible to constitute a device that moves the magnetic domain wall corresponding to the magnetic field that has been input in pulse state while controlling the wall by a certain amount such as a widely known step motor that translates or shifts by a certain distance corresponding to input pulse signals, that is, a device equivalent to conventionally widely known step motors.
It is to be noted that the device equivalent to the conventionally widely known step motor constituted by the present invention should be referred to as a "magnetic domain wall step motor" appropriately.
Furthermore, by using the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention, it is possible to constitute a device that moves the magnetic domain wall by a certain amount corresponding to the magnetic field that has been input in the pulse state such as a conventionally widely known shift register whose contents are simultaneously moved by one digit every time when a feeding pulse is given, that is, a device equivalent to the conventionally widely known shift register.
It is to be noted that the device equivalent to the conventionally widely known shift register constituted by the present invention should be referred to as a "magnetic domain wall shift register" appropriately, in this specification.
Still further, by using the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention, it is possible to constitute a device that performs logic operation EXCLUSIVE OR corresponding to the magnetic field that has been input in the pulse state such as a conventionally widely known XOR gate that performs logic operation EXCLUSIVE OR corresponding to input signals, that is, a device equivalent to the conventionally widely known XOR gate.
It is to be noted that the device equivalent to the conventionally widely known XOR gate constituted by the present invention should be referred to as a "magnetic domain wall XOR gate" appropriately, in this specification.
The precise and controllable discrete motion of the magnetic domain wall in each device, which is constituted by using the above-described control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention, can be realized by applying the magnetic field in the pulse state.
Specifically, in a magnetic film including a sawtooth profile, for example, the magnetic domain wall is arranged at a discrete position being the narrowest portion that is sequentially arranged in the magnetic film in a discrete manner.  By applying the magnetic field of the pulse state (hereinafter, the "magnetic field of the pulse state" will be referred to as a "magnetic field pulse" appropriately) to the magnetic film, the magnetic domain wall can be moved between discrete positions.
Further, a magnetic film that has been patterned so as to include the sawtooth profile, for example, which is attached to a large magnetic body at one end of the magnetic film, works as an XOR gate.
Herein, the conventionally widely known step motor is a device that achieves a typically controlled motion as a final result obtained by processing an input signal.  The magnetic domain wall step motor according to the present invention controls the motion of the magnetic domain wall in a patterned magnetic slab, for example.
Like the conventionally widely known step motor, the magnetic domain wall step motor can be precisely controlled, and the magnetic domain wall can be moved by a desired number of steps.  Specifically, each input electric pulse produces one increment or one step in the conventionally widely known step motor, and one of magnetic pulses applied can produce a motion that moves the magnetic domain wall by one increment or one step in the magnetic domain wall step motor.
Therefore, it is possible to constitute the magnetic domain wall shift register by independently applying a local magnetic field to each tooth-shaped portion of the sawtooth of the magnetic body including a sawtooth profile.
It is to be noted that the motion of the magnetic domain wall involving a controlled number of steps by applying longer or stronger applied magnetic pulses.
Then, the invention according to Claim 1 of the present invention is a control method of the movement of a magnetic domain wall for moving the magnetic domain wall in a magnetic body, in which by applying pulses of magnetic field to the magnetic body having discrete positions, where a plurality of constrictions are arranged in a discrete manner, a magnetic domain wall at a discrete position in the magnetic body is moved to another discrete position different from the above-described discrete position.
Further, the invention according to Claim 2 of the present invention is the invention according to Claim 1, in which the magnetic body has a sawtooth profile ( or similar to a sawtooth: with wide and narrow regions ) with consecutive mountain portions and valley portions, and has the discrete positions in the valley portions ( = the constrictions).
Further, the invention according to Claim 3 of the present invention is the invention according to either one of Claims 1 and 2, in which the pulses of magnetic field are rectangular pulses.
Furthermore, the invention according to Claim 4 of the present invention has the magnetic body having discrete positions, where a plurality of constrictions are arranged in a discrete manner, and magnetic field applying means for applying the pulses of magnetic field to the magnetic body, in which by applying the pulses of magnetic field to the magnetic body by the magnetic applying means, a magnetic domain wall at a discrete position ( also known as a constriction ) in the magnetic body is moved to another discrete position different from the above-described discrete position.
Further, the invention according to Claim 5 of the present invention is the invention according to Claim 4 of the present invention, in which the magnetic body has a sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions, and has the discrete positions in the valley portions ( the later ones also known as constrictions).
Still further, the invention according to Claim 6 of the present invention is the invention according to either one of Claims 4 and 5 of the present invention, in which the pulses of magnetic field, which are applied by the magnetic field applying means, are rectangular pulses.
PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
In the following, description will be made for an embodiment example of the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention and a device using the method with reference to the attached drawings.
Firstly, description will be made for basic expressions used to explain the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention and the device using the method referring to Figs. 1(a) and 1(b).
In explaining the basic expressions, consideration will be given to a magnetic body such as a soft ferromagnetic slab or magnetic film, which is a magnetic body 10 that is patterned to consecutively form a large number of approximately rhombus shapes 12 having a fixed thickness s, as shown in Fig. 1(a).
In the magnetic body 10, by patterning the body in order to form a large number of approximately rhombus shapes 12 having a fixed thickness s are consecutively formed as shown in Fig. 1(a), a series of approximately triangular portions 12a protruded upward, which are the upper portions of the approximately rhombus shapes 12, forms an upper sawtooth profile where mountain portions and valley portions are formed consecutively one after another, and a series of approximately triangular portions 12b protruded downward, which are the lower portions of the approximately rhombus shapes 12, forms a lower sawtooth profile where mountain portions and valley portions are formed consecutively one after another.
Therefore, the magnetic body 10 includes joint portions between valley portions of the upper sawtooth profile and valley portions of the lower sawtooth profile facing the upper valley portions, which are joint portions between the approximately triangular portion 12a and the approximately triangular portion 12b in a certain approximately rhombus shape 12 and also a constriction 12c (portions shown by a dashed line in Fig. 1(a)) between the rhombus shape 12 and another adjacent approximately rhombus shape 12, in a discrete manner.
Herein, the shapes of the above-described approximately triangular portions (12a, 12b) can be isosceles triangles as shown in Fig. 1(a), for example.  There is a asymmetric sawtooth profile, for example, as the isosceles triangle.  Further, the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention is not only applied for the isosceles triangle such as the symmetrical sawtooth profile, but can be easily applied for a ratchet type asymmetric sawtooth profile.
In Fig. 1(a), it is assumed that the easy axis (z-axis in Fig. 1(a)) for magnetization lies in the flat plane of the patterned magnetic body and is perpendicular to the x-axis in Fig. 1(a).  Further, it is assumed that magnetic anisotropy field Ha is not small in order to minimize the alignment of magnetization along a side of the magnetic body 10.
The main ideas of this proposal also apply to the care when the applied magnetic field is approximately perpendicular to the magnetic sample.  That is, approximately perpendicular to the "sawtooth-like" sample.
As shown in Fig. 1(a), when the sawtooth profile is sufficiently elongated, a magnetization vector is pointed along the easy axis for magnetization and the magnetic domain wall becomes parallel to the axis, and such a structure body where a magnetization vector is pointed along the easy axis for magnetization and the magnetic domain wall becomes parallel to the easy axis for magnetization can be manufactured by conventionally widely known techniques.
Next, linear energy density E(x) of the magnetic body in a externally applied magnetic field He(t) along a z-axis direction (refer to Fig. 1(a)) can be expressed as:
[Eq.1]
2007200445.tif 000029
Expression (1)
where x is the location of the magnetic domain wall, Ew is the energy of magnetic domain wall per unit area, l(x) is the changing height of the magnetic body 10, s is a fixed thickness of the magnetic body 10, and M is the magnetization of the magnetic body 10.  The second term in the right hand side of expression (1) is the normal Zeeman energy.  It is to be noted that a stray magnetic field is to be neglected for easy understanding.
Thus, the energy Ew of magnetic domain wall can be expressed as the following expression (2):
[Eq.2]
2007200445.tif 000030
Expression (2)
where γ is 1 to 10, and lexchange is an exchange length.  The approximation discussed here is also used in explaining the movement of the magnetic domain wall in conventionally widely known systems.
When the length of each tooth forming the sawtooth profile, that is, a length x0 between adjacent constrictions 12c is reduced, the thickness of the magnetic domain wall, which is
[Eq.3]
2007200445.tif 000031
approaches x0 being the characteristic scale of the sawtooth profile resulting in renormalization of δ and Ew.
However, for standard materials and micron-sized tooth sizes, the thickness of magnetic domain wall is much less than x0, i.e., δ≪x0.  Indeed, it is expected that δ is 30nm and x01 is 1μm.  Accordingly, expression (1) can be applied for the present invention at least quantitatively.
The external magnetic field He(t) drives the magnetic domain wall in the patterned magnetic body 10 according to a normal dynamic equation: “(Friction force)=-dE(x)/dx)”, which can be rewritten as:
[Eq.4]
2007200445.tif 000032
Expression (3)
Meanwhile, it is assumed that:
[Eq.5]
2007200445.tif 000033
Herein, the following holds.
[Eq.6]
2007200445.tif 000034
The friction force per unit area acting on the magnetic domain wall comes from the following two contributions (i) and (ii).
(i) Eddy current friction
[Eq.7]
2007200445.tif 000035
Herein, the following holds.
[Eq.8]
2007200445.tif 000036
(ii) Magnetic domain wall “Pinning” force
[Eq.9]
2007200445.tif 000037
where ρ is the electrical resistance of the magnetic body 10, and γ1 is a constant of the order of unity which depends on the shape of the magnetic body 10.
In expression (3), an inertia term is omitted, which is usually valid up to several tens of GHz.  In dimensionless units, expression (3) is transformed into:
[Eq.10]
2007200445.tif 000038
Expression (4)
where
[Eq.11]
2007200445.tif 000039
Further, a spatial scale x0 is the period of the magnetic body 10 being the structure body of sawtooth profile, and the following is a characteristic damping time.
[Eq.12]
2007200445.tif 000040
Next, description will be made for the controllable magnetic domain wall step motor according to the present invention with reference to Figs. 1(a), 1(b) and 2.
Firstly, as shown in Fig. 1(a), the patterned magnetic body 10 is formed such that a number of approximately rhombus shapes 12 having a fixed thickness s are consecutively formed.  The details of the constitution of the magnetic body 10 are as described above.
Further, although omitted in Figs. 1(a) and 1(b), the controllable magnetic domain wall step motor according to the present invention includes a solenoid magnet, for example, as the magnet field applying means for applying pulses of magnetic field (magnetic field pulses) to the magnetic body 10 for externally driving and moving the magnetic domain wall.
Under steady state conditions, the magnetic domain wall in the magnetic body 10 shown in Fig. 1(a) can only be located at certain discrete positions corresponding to the constrictions 12c (the constrictions 12c are shown in dashed line in Fig. 1(a)) of the patterned magnetic body 10.  This would occur if the sawtooth profile is steep enough in order for a restoring force per unit area to overcome the pinning force.  Specifically, what is described above occurs in the case of the following.
[Eq.13]
2007200445.tif 000041
Herein, Fig. 1(b) shows the movement state of the magnetic domain wall (the magnetic domain wall is shown by chain double-dashed line in Fig. 1(b)) in the magnetic body 10 patterned such that the approximately triangular portions 12a consecutively form the sawtooth profile.
In other words, as shown in Fig. 1(b), the magnetic domain wall can be moved from a certain constriction 12c to another constriction 12c when the magnetic field applying means applies magnetic field pulse H(t).  For a rectangular pulse of the applied magnetic field as shown in Fig. 1(b), expression (4) can be integrated exactly.
Thus, it is possible to derive times (τ+ and τ-) regarding the transition of the magnetic domain wall from a minimum to the following maximum (τ+) and from a maximum to the following minimum (τ-).
[Eq.14]
2007200445.tif 000042
Expression (5)
Specifically, as shown in Fig. 1(b), the magnetic domain wall separates regions having different orientations of magnetization (refer to upward arrow and downward arrow in Fig. 1(b)).
Such magnetic domain wall can be moved from a constriction 12c to another constriction 12c by applying an external magnetic field pulse.  The movement of magnetic domain wall is easily controllable and robust to small variations of magnetic field pulse, e.g., possible errors in either the duration Δt or the amplitude H0.
It is to be noted that such magnetic field applying means that generates the magnetic field pulse to be applied externally, can be achieved by providing a conventionally widely known solenoid magnet on the outside of the magnetic body 10, for example.
Herein, dimensionless pulse amplitude h0 will be explained.
[Eq.15]
2007200445.tif 000043
Specifically, the symmetric-shape assumption was used for the first time in expression (5).  Hereinafter,
[Eq.16]
2007200445.tif 000044
should denote the “effective depinning drive”.  Strictly speaking, the assumption of a piece-wise-linear structure (isosceles-triangles) profile is only needed from this point.
For the piece-wise-linear structure shown in Fig. 1, that is, for the magnetic body 10, the transition times can be explicitly expressed as follows.
[Eq.17]
2007200445.tif 000045
Expression (6)
Herein, the following expression is used regarding the movement from the minimum to the next maximum of the sawtooth profile, for example.
[Eq.18]
2007200445.tif 000046
Expression (7)
The magnetic domain wall cannot be moved from its initial position if the dimensionless magnetic field pulse h(t) has an amplitude h0 smaller than the threshold value.
[Eq.19]
2007200445.tif 000047
Expression (8)
Fig. 2 shows a graph of the relationship between the time of magnetic field pulse, which is the driving pulse for moving the magnetic domain wall, and the number of moving steps of the magnetic domain wall.  As shown in Fig. 2, the magnetic domain wall can be moved by any desired number N of steps by changing the duration Δt of magnetic field pulse, which is the driving pulse, at stronger pulses.
[Eq.20]
2007200445.tif 000048
Expression (9)
Specifically, the movement of the magnetic domain wall is the controllable discrete shift of a magnetic domain wall location versus the duration of magnetic field pulse, which is the applied driving pulse for moving the magnetic domain wall, and it can be calculated using expression (6) and expression (9).  In Fig. 2, time (τ+-τ-) of the long and flat plateau region of the applied magnetic pulse indicates that the magnetic domain wall step motor of the present invention is robust to errors in the duration Δt and the intensity h0 of applied magnetic field pulse.
As described above, it is possible to work the magnetic domain wall step motor of the present invention without being affected from errors in the duration Δt and the intensity h0 of applied magnetic field pulse.  In other words, even if the pulse duration Δt of magnetic field pulse is established within the accuracy of about (τ+-τ-), the magnetic domain wall can be moved by an accurate integer number of steps based on the discrete equilibrium positions (constriction 12c in magnetic body 10) of the magnetic domain wall.
Herein, a magnetic domain wall in which potential energy shown by chain double-dashed line is at the minimum position will be considered.
If an applied magnetic field pulse H(t) drives the magnetic domain wall below the maximum potential energy shown by reference code A, the magnetic domain wall returns to an initial position where the potential energy is the minimum (refer to (b-1) of Fig. 1(b)).
On the other hand, if the applied magnetic field pulse H(t) drives the magnetic domain wall beyond the maximum potential energy shown by reference code A but before reference code B being the next maximum potential energy, the magnetic domain wall reaches the next position where the potential energy is the minimum.  Specifically, the magnetic domain wall moves from the position shown by (b-1) of Fig. 1(b) to the position shown by (b-2).  This means that two out of three consecutive linear segments of the sawtooth profile automatically bring the magnetic domain wall to the next minimum potential energy position.
Accordingly, this makes the magnetic domain wall step motor quite robust to the affect by disturbance or the like and can work precisely by each step because there is no need to very-fine-tune the applied pulse He(t) to reach the next "step" in the magnetic domain wall step motor.
For homogeneous magnetic materials, it is obvious that the dimensionless pinning force fp is less than 1.  In this case, the threshold amplitude Honset of magnetic field pulse is defined by the sawtooth profile.
For rough estimates in considering the operation of the magnetic domain wall step motor, standard parameter values that can be easily obtained were used, e.g., the following was used for Permalloy films.
[Eq.21]
2007200445.tif 000049
These give the followings.
[Eq.22]
2007200445.tif 000050
When increasing the pulse amplitude, additional magnetic domain walls can penetrate from the open ends of the structure.  For homogeneous material, this occurs for the following.
[Eq.23]
2007200445.tif 000051
where Hc is the critical field for nucleating a magnetic domain wall.
Next, description will be made for the magnetic domain wall XOR gate of the present invention referring to Fig. 3.  Specifically, the nucleation and propagation of magnetic domain walls in a magnetic body such as a magnetic film formed in the sawtooth profile can be used for the design of logic devices.
Fig. 3 shows the operation of the magnetic domain wall XOR gate constituted by a magnetic body including the asymmetric magnetic structure.
Specifically, a magnetic body 100 including the asymmetric magnetic structure is made up of a magnetic material such as ferromagnetic slabs or magnetic films, and it is made up of a large portion (the large portion in Fig. 3 is in a rectangular shape) 102 and a sawtooth structure portion 104 where mountains and valleys are alternately formed consecutively and which is attached on one end of the large portion 102.  It is to be noted that the sawtooth structure portion 104 includes the same structure as the magnetic body 10 of the magnetic domain wall step motor.
Further, although not shown in Fig. 3, the magnetic domain wall XOR gate of the present invention includes the solenoid magnet, for example, as the magnetic field applying means for applying a magnetic pulse to the magnetic body 100 for driving and moving the magnetic domain wall from outside.
The magnetic body 100 shown in Fig. 3 constitutes the magnetic domain wall XOR gate of the present invention, and Fig. 3 shows the initialization and the operation of the magnetic domain wall XOR gate of the present invention.
Namely, the large pulse of the externally applied magnetic field by the magnetic field applying means magnetizes the whole magnetic body 100 either up (up arrow direction described in the magnetic body 100 of Fig. 3) or down (down arrow direction described in the magnetic body 100 of Fig. 3).  In this occasion, the case where the whole magnetic body 100 is magnetized in upward is a logic state "1", and the case where the whole magnetic body 100 is magnetized in downward is a logic state “0”.
Next, both a zero average ac field Hac(t) and a dc bias field HDC are combined.  For example, rectangular ac pulses having temporal period T (T: Hac(t)=Hac(t+T)) will be considered.
Hac(t)=H0 for t＜T/2 and
Hac(t)= -H0 for t＞T/2   Expression (10)
It is possible to assign another state, that is, “1” for HDC directed up and “0” for HDC directed down.  Since an ac signal can be always chosen so that H0＞｜HDC｜and H0-｜HDC｜＜Hc＜H0+｜HDC｜, where Hc is the threshold value of a magnetic field regarding magnetic domain wall nucleation at the open end of the sawtooth profile structure.
Due to the strong shape anisotropy, magnetization reversal field Hcl of the large portion 102 is higher than both Hc and H0+｜HDC｜.
If both states coincide, that is, (“1”+“1”) or (“0”+“0”), the magnetization reversal process does not occur (output is “0”).  Indeed, when the ac magnetic field direction is opposite to the magnetization direction of the magnetic body 100, the total field H0-｜HDC｜ is not enough to create a magnetic domain wall at the open end.
In the case of (“1”+“0”) or (“0”+“1”), the dc field assists the ac field (H0+｜HDC｜) to nucleate the magnetic domain wall with opposite magnetization with respect to the magnetization of the large portion 102.  Therefore, when both states are different, that is, ("1"+"0") or ("0"+"1"), the nucleated magnetic domain wall moves back and forth inside the structure.  This produces a magnetic response attributed to a new state "1" and can be measured by using a pick-up coil, for example.
The amplitude of the output signal depends on the duration of the ac field pulse.  Thus, the magnetic body 100 also operates as the XOR gate of the logic gate.
Description will be further made referring to Fig. 3, where the entire patterned magnetic body 100 can be set to either "0" or "1" state when applying a magnetic field.  The magnetic body 100 can work as the XOR gate if both ac and dc magnetic fields are applied, that is, HDC+Hac(t).
The input of the magnetic domain wall XOR gate being the XOR gate made up of the magnetic body 100 is "(1) application of dc field" and "(2) magnetization of the large portion 102 of the magnetic body 100".
Then an ac field is added to start the operation of the magnetic domain wall XOR gate.  The output is either "0" (no magnetic domain wall) or "1" (magnetic domain wall is nucleated in the magnetic body 100 and the wall oscillates).  The oscillation of the magnetic domain wall corresponds to the output state "1" and generates voltage in a pick-up coil.
Thus, the moving magnetic domain wall exists either in "HDC＞0 and “1” state” or “HDC＜0 and “0” state”.
As described above, according to the present invention, the motion of magnetic domain wall in the magnetic body such as the patterned magnetic film can be precisely controlled.  Then, the control method of the motion of magnetic domain wall in the magnetic body according to the present invention can be used for making a controllable magnetic domain wall step motor or a magnetic domain wall shift register moving in the magnetic domain wall or a logic gate such as the magnetic domain wall XOR gate.
Further, such magnetic domain wall step motor, magnetic domain wall shift register or magnetic domain wall XOR gate can operate at room temperature because thermal noise is negligible with respect to their characteristic energy involved.
It is to be noted that the magnetic body used in the present invention can be made from rather standard magnetic materials using conventional technology.
Meanwhile, the above-described embodiments can be modified as shown in (1) to (4) below.
(1) In the above-described embodiments, the sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions was constituted by consecutively forming a large number of approximately rhombus shapes 12, but it goes without saying that the invention is not limited to this.  The sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions may be constituted by simply forming approximately triangular shapes consecutively.
The point is that the magnetic body (10, 100) should include a profile with consecutive mountain portions and valley portions, and there is no need to constitute the body in a mirror-symmetrical manner along the x-axis.
(2) Although the above-described embodiments showed the case where the mountain portions in the sawtooth profile made up of approximately triangular portions 12a are formed in three consecutive pieces (refer to Fig. 1(a)), the case where they are formed in six consecutive pieces (refer to Fig. 1(b)), and the case where they are formed in three consecutive pieces (refer to Fig. 3), the mountain portions in the sawtooth profile are not limited to the above-described numbers and appropriate number of mountain portions may be formed according to design or application.
(3) In the above-described embodiments, the shapes of the large portion 102 of the magnetic body 100 was formed in the rectangular shape, but it goes without saying that the invention is not limited to this and an appropriate shape may be selected according to design or application.
(4) The above-described embodiments and the modifications shown in (1) to (3) may be combined appropriately.
The present invention can be used in the same application as step motors, shift registers, or logic gates such as XOR gates.
According to the present invention, excellent effects are exerted such that the invention can provide a control method for precisely moving the magnetic domain wall in the magnetic body and various kinds of devices using the method.
In more detail, according to the present invention, excellent effects are exerted such that the invention can provide the control method of the movement of a magnetic domain wall, which is capable of precisely moving the magnetic domain wall formed in the magnetic body by a predetermined distance by applying magnetic field.
Further, according to the present invention, excellent effects are exerted such that the invention can provide the device using the control method of the movement of a magnetic domain wall according to the present invention.  As such a device, devices equivalent to a conventionally widely known step motor, shift register or logic gate, for example, can be provided, and devices equivalent to an XOR gate, for example, can be provided as devices equivalent to the logic gate.
What Is Claimed Is:
1. A control method of the movement of a magnetic domain wall for moving the magnetic domain wall in a magnetic body, wherein
by applying pulses of magnetic field to the magnetic body having discrete positions, where a plurality of constrictions are arranged in a discrete manner, a magnetic domain wall at a discrete position in said magnetic body is moved to another discrete position different from said discrete position.
2. The control method of the movement of a magnetic domain wall according to Claim 1, wherein
said magnetic body has a sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions, and has the discrete positions in the valley portions.
3. The control method of the movement of a magnetic domain wall according to any one of Claims 1 and 2, wherein
said pulses of magnetic field are rectangular pulses.
4. A device using a control method of the movement of a magnetic domain wall, said device comprising:
a magnetic body having discrete positions, where a plurality of constrictions are arranged in a discrete manner; and
magnetic field applying means for applying the pulses of magnetic field to said magnetic body, wherein
by applying the pulses of magnetic field to said magnetic body by said magnetic field applying means, a magnetic domain wall at a discrete position in said magnetic body is moved to another discrete position different from said discrete position.
5. The device using a control method of the movement of a magnetic domain wall according Claim 4, wherein
said magnetic body has a sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions, and has the discrete positions in said valley portions.
6. The device using a control method of the movement of a magnetic domain wall according to any one of Claims 4 and 5, wherein
said pulses of magnetic field, which are applied by said magnetic field applying means, are rectangular pulses.
ABSTRACT
A control method for precisely moving magnetic domain walls formed in a magnetic body, and various devices using such method are provided.
The device has the magnetic body having discrete positions, where a plurality of constrictions are arranged in a discrete manner, and magnetic applying means for applying pulses of magnetic field to the magnetic body, and a magnetic domain wall at a discrete position in the magnetic body is moved to another discrete position different from the discrete position.  The magnetic body has a sawtooth profile with consecutive mountain portions and valley portions, the valley portions have the discrete positions, and the pulses of magnetic field applied by the magnetic applying means are rectangular pulses.
Representative Drawing
Figure 1
Figure 1
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Figure 2
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Figure 3
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