特開 2016-162845 磁性体装置及び高周波デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-162845(P2016-162845A)

(43)【公開日】2016年9月5日

(54)【発明の名称】磁性体装置及び高周波デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20160808BHJP

   H01F 1/34 20060101ALI20160808BHJP

   H03B 15/00 20060101ALI20160808BHJP

   H03K 3/45 20060101ALI20160808BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

   H01F1/34 Z

   H03B15/00

   H03K3/45

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-39016(P2015-39016)

(22)【出願日】2015年2月27日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度〜平成２８年度、科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（さきがけ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】505127721

【氏名又は名称】公立大学法人大阪府立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100065248

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100159385

【弁理士】

【氏名又は名称】甲斐 伸二

(74)【代理人】

【識別番号】100163407

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 裕輔

(74)【代理人】

【識別番号】100166936

【弁理士】

【氏名又は名称】稲本 潔

(72)【発明者】

【氏名】戸川 欣彦

(72)【発明者】

【氏名】松本 悠

(72)【発明者】

【氏名】岸根 順一郎

【テーマコード（参考）】

5E041

5F092

【Ｆターム（参考）】

5E041AB20

5E041CA08

5F092AC04

5F092BB44

(57)【要約】

【課題】本発明は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体の特性を利用した磁性体装置を提供する。
【解決手段】本発明の磁性体装置は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む磁性体部と、キラルらせん磁気秩序のソリトンの伝播を制限する複数の制限手段とを備え、前記磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の第１領域を有し、複数の第１領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む磁性体部と、キラルらせん磁気秩序のソリトンの伝播を制限する複数の制限手段とを備え、
前記磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の第１領域を有し、
複数の第１領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであることを特徴とする磁性体装置。

【請求項2】

前記磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の第２領域を有し、
複数の第２領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであり、
第１領域と第２領域は、閉じ込められたソリトンの数が異なる請求項１に記載の磁性体装置。

【請求項3】

前記制限手段は、前記磁性体部に局所的な磁場を印加する第１磁場印加部である請求項１又は２に記載の磁性体装置。

【請求項4】

前記制限手段は、結晶欠陥、結晶粒界、溝又は接続部である請求項１又は２に記載の磁性体装置。

【請求項5】

複数の制限手段は、５０以下のソリトンを第１領域に閉じ込めるように設けられた請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁性体装置。

【請求項6】

前記磁性体部に全体的な磁場を印加する第２磁場印加部をさらに備える請求項１〜５の何れか１つに記載の磁性体装置。

【請求項7】

請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁性体装置を備え、
第１領域に閉じ込められたソリトンの共鳴を利用する高周波デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性体装置及び高周波デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の電子デバイスでは、数百ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの電磁波を発振・増幅させることは困難であり、「ＴＨｚギャップ」と呼ばれる未開拓な電磁場領域がある。テラヘルツ領域の超高周波デバイスは、超高密度通信、生体情報、セキュリティ応用などへの利用が期待されている。
また、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体CrNb₃S₆が知られており、この磁性体に磁場を印加すると、磁性体のらせん磁気秩序のソリトンの周期構造が変化することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。磁場中では磁気モーメントが揃っている領域（強制強磁性領域）と磁気モーメントがねじれた領域であるソリトンとが交互に並んで格子を組んだ状態となっており、印加磁場に応じて磁気モーメントのソリトン格子構造の周期を変化させることが知られている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Phys. Rev. Lett. 108, 107202 (2012)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

「ＴＨｚギャップ」と呼ばれる電磁場領域をカバーするために、新しい材料や原理に基づいたデバイスが求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体の特性を利用した磁性体装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む磁性体部と、キラルらせん磁気秩序のソリトンの伝播を制限する複数の制限手段とを備え、前記磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の第１領域を有し、複数の第１領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであることを特徴とする磁性体装置を提供する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、磁性体部はキラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含むため、らせん磁気秩序のソリトンが伝播することができる。
本発明によれば、キラルらせん磁気秩序のソリトンの伝播を制限する制限手段が設けられるため、ソリトンが伝播しない領域又は箇所を磁性体部に形成することができる。また、複数の制限手段を設けることにより、隣接する２つの制限手段の間のキラルらせん磁気秩序にソリトンを閉じ込めることができ、第１ソリトン閉じ込め領域を磁性体部に複数形成することができる。また、この第１ソリトン閉じ込め領域にあるキラルらせん磁気秩序内のソリトンは位相コヒーレンスを有しており集団的に共振するため、特定の周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、電磁波を発振・受信・伝送することが可能となる。
制限手段の位置により第１ソリトン閉じ込め領域の幅を変えることができ、第１ソリトン閉じ込め領域で磁気共鳴が生じる周波数を変えることができる。また、磁性体部に外部磁場を印加することによりソリトンの状態を変化させることができ、第１ソリトン閉じ込め領域で磁気共鳴が生じる周波数を変えることができる。このため、サブＧＨｚから数ＴＨｚまでの電磁波を発振・受信・伝送することが可能である。

【0007】

本発明によれば、各第１ソリトン閉じ込め領域に閉じ込められたキラルらせん磁気秩序のソリトンの数は実質的に同じであるため、複数の第１ソリトン閉じ込め領域において同じ周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、発振する電磁波を巨大化することができ、また、電磁波を高効率で受信することができる。さらに、共鳴に伴い巨大なスピン起電力やコヒーレントスピン流を誘起できるため、本発明の磁性体装置は、電磁場・電力発生器として機能することができる。
本発明によれば、各第１ソリトン閉じ込め領域のキラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数は実質的に同じであるため、磁性体部に外部磁場を印加することにより各第１ソリトン閉じ込め領域において同じようにソリトンの数を変化させることができる。このことにより、第１ソリトン閉じ込め領域の数ずつソリトンの数を変化させることができ、ソリトン数を階段状に変化させることができる。従って、階段状に磁性体部の電気抵抗や光学応答を変化させることができ、この電気抵抗や光学応答の階段状の変化を利用することにより磁気デバイス（メモリ・センサ・論理素子）の多値化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図2】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図3】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図4】（ａ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の結晶構造を示す図であり、（ｂ）〜（ｇ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆のキラルらせん磁気秩序を示す図である。

【図5】（ａ）は、本発明の一実施形態の磁性体装置の概略部分断面図であり、（ｂ）は、キラルらせん磁気秩序の説明図である。

【図6】（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施形態の磁性体装置の概略部分断面図であり、（ｃ）は、キラルらせん磁気秩序の説明図である。

【図7】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図8】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図9】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図10】キラルらせん磁気秩序の説明図である。

【図11】キラルらせん磁気秩序の説明図である。

【図12】本発明の一実施形態の磁性体装置の概略断面図である。

【図13】（ａ）は作製した磁性体デバイスのＳＩＭ像であり、（ｂ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図14】（ａ）は磁性体のＳＩＭ像であり、（ｂ）は磁場の強さとソリトン数との関係を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の磁性体装置は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む磁性体部と、キラルらせん磁気秩序のソリトンの伝播を制限する複数の制限手段とを備え、前記磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の領域を有し、複数の領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであることを特徴とする。
磁性体装置とは、磁性体の特性を利用した装置であり、高周波デバイスであってもよく、電子デバイスであってもよい。高周波デバイスは、例えば発振装置、受信装置、導波路、電力発生装置などである。電子デバイスは、例えば磁気メモリ、磁気センサ、論理素子などである。

【0010】

本発明の磁性体装置において、磁性体部は、２つの前記制限手段によりキラルらせん磁気秩序にソリトンが閉じ込められた複数の第２領域を有し、複数の第２領域は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が実質的に同じであり、第１領域と第２領域は、閉じ込められたソリトンの数が異なることが好ましい。
このような構成によれば、第１ソリトン閉じ込め領域と第２ソリトン閉じ込め領域とで異なる周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、異なる２つの周波数で電磁波を発振・受信・伝送することが可能となる。また、本発明の磁性体装置において、磁性体部は、閉じ込められたソリトンの数が異なる第１、第２、第３、第４・・・第ｎソリトン閉じ込め領域を有することもできる。また、これらの領域は、閉じ込められたソリトンの数が分布するように設けることができる。このことにより、第１、第２、第３、第４・・・第ｎソリトン閉じ込め領域において異なる周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、共鳴周波数を広範囲にわたって分布させることができ、広範囲にわたる電磁波を発振・受信することができるため、本発明の磁性体装置は、広帯域の電磁場・電力の受信機や検出器として機能することができる。
本発明の磁性体装置において、制限手段は、磁性体部に局所的な磁場を印加する第１磁場印加部であることが好ましい。
このような構成によれば、第１磁場印加部により生じる磁場によりソリトンの伝播を制限することができ、ソリトン閉じ込め領域を形成することができる。
本発明の磁性体装置において、前記制限手段は、結晶欠陥、結晶粒界、溝又は接続部であるすることが好ましい。
このような構成によれば、ソリトンの伝播を制限することができ、ソリトン閉じ込め領域を形成することができる。

【0011】

本発明の磁性体装置において、複数の制限手段は、５０以下のソリトンをソリトン閉じ込め領域に閉じ込めるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、ソリトンが伝播できる範囲を狭くすることができ、高い周波数を含む幅広い周波数領域で磁気共鳴を生じさせることができる。
本発明の磁性体装置において、磁性体部に全体的な磁場を印加する第２磁場印加部をさらに備えることが好ましい。
このような構成によれば、磁性体部に全体的な磁場を印加することができ、ソリトン閉じ込め領域に閉じ込められたソリトンの数を変化させることができる。
また、本発明は、本発明の磁性体装置を備え、ソリトン閉じ込め領域に閉じ込められたソリトンの共鳴を利用する高周波デバイスも提供する。
本発明の高周波デバイスによれば、サブＧＨｚから数ＴＨｚまでの電磁波を発振・受信・伝送することが可能である。

【0012】

以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

【0013】

磁性体装置
図１〜３は、本実施形態の磁性体装置２０の概略断面図である。
本実施形態の磁性体装置２０は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む磁性体部１と、キラルらせん磁気秩序のソリトン８の伝播を制限する複数の制限手段３とを備え、磁性体部１は、２つの制限手段３によりキラルらせん磁気秩序にソリトン８が閉じ込められた複数の領域９を有し、複数の領域９は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じであることを特徴とする。
また、磁性体装置２０は、磁性体部１に全体的な磁場を印加する第２磁場印加部１４、磁性体部１に接続した電極対１２、磁性体部１に光又は電磁波を照射する光源１６を有してもよい。
以下、本実施形態の磁性体装置２０について説明する。

【0014】

磁性体部１は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体を含む部分である。磁性体部１は、単結晶体から切り出したチップであってもよく、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などにより成膜された膜であってもよい。また、磁性体部１は、複数の磁性体が組み合わされた部分であってもよい。
磁性体部１の材料は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体であれば特に限定されないが、例えばＣｒＮｂ₃Ｓ₆である（非特許文献１参照）。キラルらせん磁気秩序とは、磁気モーメントがらせん状に並んだ磁気秩序である。なお、磁気モーメントは、磁性体の結晶軸をらせん軸としてらせん状に並ぶ。また、磁性体のらせん磁気秩序を、磁気モーメントの波であるソリトン８が伝播することができる。磁性体部１では、複数の線状のキラルらせん磁気秩序が束状に形成される。
磁性体部１は、２つの制限手段３によりキラルらせん磁気秩序にソリトン８が閉じ込められたソリトン閉じ込め領域９を複数有する。

【0015】

ＣｒＮｂ₃Ｓ₆を用いてキラルらせん磁気秩序を示す磁性体について説明する。
図４（ａ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の結晶構造を示す図であり、（ｂ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆のキラルらせん磁気秩序を示す図である。図４（ｂ）のらせん状に並んだ矢印は、磁気モーメントを示すベクトルであり、これらのらせん状に並んだ磁気モーメントは、波のように回転おり、キラルらせん磁気秩序状態となっている。なお、この磁気モーメントがねじれた領域の一つずつをソリトン８といい、ソリトン８が周期的に並んだ状態をソリトン格子という。また、このキラルらせん磁気秩序では、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆のｃ軸方向をらせん軸として磁気モーメントがらせん状に並ぶ。
図４（ｃ）〜（ｇ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆に磁場を印加した場合のキラルらせん磁気秩序を示す図である。図４（ｃ）から（ｇ）に向かうにつれ印加磁場の強さは大きくなる。ＣｒＮｂ₃Ｓ₆に磁場を印加すると、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の磁気モーメントが磁場の方向に向かう磁気分極が生じるため、印加磁場の強さを徐々に大きくしていくと磁気分極が進みソリトン８の数は徐々に少なくなる。そして、印加磁場の強さが十分に大きくなると図４（ｇ）のようにＣｒＮｂ₃Ｓ₆の磁気モーメントが印加磁場の方向に並び強磁性状態となる。なお、印加磁場により磁気分極が進みソリトンの数が変化すると、磁性体部１の電気伝導特性や光学特性は変化する。
このように、磁性体部１に磁場を印加することによりキラルらせん磁気秩序内のソリトン８の数を変化させることやソリトン８の伝播性を変化させることができる。

【0016】

制限手段３は、ソリトン８の伝播を制限する手段である。制限手段３は、磁性体部１に局所的な磁場を印加する第１磁場印加部４であってもよく、磁性体の結晶欠陥であってもよく、磁性体の結晶粒界であってもよく、磁性体部１に設けられた溝６であってもよく、磁性体部１に設けられた接続部７であってもよい。また、制限手段３は複数設けられる。また、制限手段３は線状に設けることができる。
複数の制限手段３は、隣接する２つの制限手段３の間のキラルらせん磁気秩序にソリトン８が閉じ込められたソリトン閉じ込め領域９が形成されるように設けられる。また、複数の制限手段は、磁性体部１に複数のソリトン閉じ込め領域９が形成されるように設けられる。ソリトン閉じ込め領域９では、領域９内のキラルらせん磁気秩序にソリトン８が閉じ込められる。
また、線状の制限手段３は、キラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に延びるように設けることができる。このことにより、領域９に含まれるキラルらせん磁気秩序のらせん軸方向の長さを同じにすることができる。

【0017】

複数の制限手段３は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトンの数が複数のソリトン閉じ込め領域９で実質的に同じとなるように設けられる。
閉じ込められたソリトン８の数は、例えば、外部磁場を印加していない状態において、１００以下であってもよく、５０以下であってもよく、３０以下であってもよく、２０以下であってもよい。なお、通常、ソリトン８は、らせん１回り（３６０°回転）を１つとして数え、らせん０．５回り（１８０°回転）を０．５個と数える。
また、隣接する２つの制限手段３の間隔は、例えば、３μｍ以上１５μｍ以下とすることができる。また、２つの制限手段３の間隔を変えることによりソリトン閉じ込め領域９の幅を変えることができ、ソリトン８が伝播することができるキラルらせん磁気秩序の長さを変えることができる。

【0018】

制限手段３として第１磁場印加部４を設ける場合について説明する。図５（ａ）は、２つの磁石４（第１磁場印加部４）の間に生じる磁場を磁性体部１に印加する磁性体装置２０の概略部分断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応する磁性体部１のキラルらせん磁気秩序を示した模式図である。
この磁性体装置２０では、磁性体部１を挟んで設けられた線状の磁石４ａ、４ｂと、磁性体部１を挟んで設けられた線状の磁石４ｃ、４ｄとを間隔をおいて設けている。線状の磁石４ａ〜４ｄは、キラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に延びるように設けられる。また、磁石４ａ〜４ｄは、磁化方向が磁性体部１の主要面に対して垂直方向となるように設けられる。

【0019】

このように磁石４ａ〜４ｄを設けた場合、磁石４ｂのＮ極から磁石４ａのＳ極に向かう磁場を磁性体部１に印加し制限領域１１ａを形成することができ、磁石４ｄのＮ極から磁石４ｃのＳ極に向かう磁場を磁性体部１に印加し制限領域１１ｂを形成することができる。また、制限領域１１ａと制限領域１１ｂとの間にソリトン閉じ込め領域９ｂを形成することができる。
制限領域１１ａ、１１ｂでは、図５（ｂ）のように、キラルらせん磁気秩序の磁気モーメントが磁場の方向に向かう磁気分極が生じるため磁気モーメントの方向が固定され磁気秩序をソリトン８が伝播できなくなる。従って、ソリトン閉じ込め領域９ｂ内の磁気秩序のソリトン８は、領域９ｂ内に閉じ込められ、領域９ｂの磁気秩序の範囲内で伝播することになる。また、領域９ｂ内のキラルらせん磁気秩序のらせん軸方向の長さは同じになり、ソリトン８が伝播できる範囲も同じになる。Ｎ極からＳ極への向きは磁石４ｂから磁石４ａと磁石４ｄから磁石４ｃで同じであってもよく、反対であってもよい。閉じ込められるソリトンの個数が変わり、例えば、Ｎ極からＳ極への向きが同じ場合は整数個のソリトンが閉じ込められ、Ｎ極からＳ極への向きが反対の場合は半整数個のソリトンが閉じ込められる。
なお、磁石４ａ〜４ｄはリソグラフィー技術を用いて微細磁性体を形成することにより設けることができる。また、磁石４ａ〜４ｄは、永久磁石であってもよい。
図１〜３に示した磁性体装置２０のようにこのような制限手段４を設けることができる。このことにより、磁性体部１に複数のソリトン閉じ込め領域９を形成することができる。

【0020】

図６（ａ）は、線状の磁石４（第１磁場印加部４）により生じる磁場を磁性体部１に印加する磁性体装置２０の概略部分断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の破線Ａ−Ａにおける磁性体装置２０の概略部分断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に対応する磁性体部１のキラルらせん磁気秩序を示した模式図である。この磁性体装置２０では、線状の磁石４ａ、４ｂが間隔をおいて設けられ、磁石４ａ、４ｂはキラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に延びるように設けられている。また、線状の磁石４ａ、４ｂは、磁化方向が線状の磁石が延びる方向と同じ方向となるように形成されている。このような場合、磁石４ａ、４ｂにより図６（ａ）（ｂ）の矢印のような磁性体部１の面内方向と平行で、キラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に磁場が生じ、制限領域１１ａ、１１ｂを形成することができる。また、制限領域１１ａと制限領域１１ｂとの間にソリトン閉じ込め領域９ｂを形成することができる。磁石４ａ、４ｂのＮ極からＳ極への向きは平行であってもよく、反平行であってもよい。閉じ込められるソリトンの個数が変わり、例えば、Ｎ極からＳ極への向きが平行の場合は整数個のソリトンが閉じ込められ、Ｎ極からＳ極への向きが反平行の場合は半整数個のソリトンが閉じ込められる。
図６（ｃ）のように、制限領域１１ａ、１１ｂでは、磁気モーメントが磁場の方向に向かう磁気分極が生じるため磁気モーメントの方向が固定され磁気秩序をソリトン８が伝播できなくなる。従って、ソリトン閉じ込め領域９ｂ内の磁気秩序のソリトン８は、領域９ｂ内に閉じ込められ、領域９ｂの磁気秩序の範囲内で伝播することになる。
このような制限手段４を複数設けることにより、磁性体部１に複数のソリトン閉じ込め領域９を形成することができる。

【0021】

制限手段３は、磁性体部１に形成された結晶欠陥５又は結晶粒界５であってもよい。図７は、制限手段３として結晶欠陥５又は結晶粒界５を設けた磁性体装置２０の概略断面図である。結晶欠陥５又は結晶粒界５は、例えば、磁性体を結晶成長させる際に形成することができる。また、結晶欠陥５又は結晶粒界５は、キラルらせん磁気秩序の右巻き・左巻きを変換するように設けられてもよい。結晶欠陥５又は結晶粒界５を設けると、キラルらせん磁気秩序の連続性が途切れるため、結晶欠陥５又は結晶粒界５をソリトンは伝播できない。
結晶欠陥５又は結晶粒界５は、例えば、図７に示した磁性体装置２０のように間隔をおいて設けることができる。また、結晶欠陥５又は結晶粒界５は、磁性体のキラルらせん磁気秩序のらせん軸に垂直な面となるように設けることができる。このように結晶欠陥５又は結晶粒界５を設けることにより、隣接する２つの結晶欠陥５又は結晶粒界５の間にソリトン８が閉じ込められたソリトン閉じ込め領域９を形成することができる。

【0022】

制限手段３は、磁性体部１に形成された溝６であってもよい。溝６は細長い形状を有することができる。図８は、制限手段３として溝６を設けた磁性体装置２０の概略断面図である。溝６は、例えば、磁性体部１をレーザー加工技術やリソグラフィー技術で加工することにより形成することができる。溝６の内部に充填物を設けてもよく設けなくてもよい。なお、充填物は、導電体であってもよく、半導体であってもよく、絶縁体であってもよい。
溝６は、例えば、図８に示した磁性体装置２０のように間隔をおいて設けることができる。また、溝６はキラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に延びるように設けることができる。このように溝６を設けることにより、隣接する２つの溝６の間の磁性体部１に細長い凸部（ソリトン閉じ込め領域９）を複数形成することができる。この凸部では、キラルらせん磁気秩序は溝６で途切れているため、凸部の磁気秩序のソリトン８は、凸部に閉じ込められる。

【0023】

制限手段３は、磁性体部１に設けられた接続部７であってもよい。接続部７は、細長い形状を有することができる。接続部７は、複数の細長い磁性体部１を接続するように設けられてもよく、磁性体部１の細長い孔を充填するように設けられてもよい。図９は、制限手段３として接続部７を設けた磁性体装置２０の概略断面図である。接続部７は、例えば、レーザー加工技術やリソグラフィー技術により磁性体部１に細長い溝又は細長い孔を形成し、溝又は孔に充填物を充填することにより形成することができる。また、磁性体部１をリソグラフィー技術などにより分割し、分割された磁性体部１間に充填物を充填することにより形成することもできる。なお、接続部７は、導電体であってもよく、半導体であってもよく、絶縁体であってもよい。

【0024】

接続部７は、例えば、図９に示した磁性体装置２０のように間隔をおいて設けることができる。また、接続部７はキラルらせん磁気秩序のらせん軸に対して９０度の方向に延びるように設けることができる。このように接続部７を設けることにより、隣接する２つの接続部７の間の磁性体部１に細長い部分（ソリトン閉じ込め領域９）を複数形成することができる。この細長い部分では、キラルらせん磁気秩序は接続部７で途切れているため、細長い部分の磁気秩序のソリトン８は、細長い部分に閉じ込められる。

【0025】

ソリトン閉じ込め領域９のソリトン８は、制限手段３により制限された磁気秩序内を伝播するため、図１０のように、特定の周波数の交流電場、交流磁場、レーザー光などで位相コヒーレンスによりソリトン閉じ込め領域９に共鳴を生じさせることができる。このため、磁性体部１から電磁波を発振することが可能である。共鳴周波数は、次の数１のように表すことができる。ここで、Ｑ₀、ａ₀、ε₀は、磁性体部１の物質パラメータであり、Ｎは、ソリトン閉じ込め領域９内のソリトン８の数であり、Ｋは閉じ込めの異方性エネルギーである。

【0026】

【数1】

【0027】

例えば、図１に示した磁性体装置２０のように磁性体部１に接続した電極１２ａ、１２ｂを設けることや、図２に示した磁性体装置２０のように磁性体部１に全体的に磁場を印加する第２磁場印加部１４を設けることや、磁性体装置２０にレーザー光を照射する光源１６を設けることなどにより、特定の周波数の交流電場、交流磁場、レーザー光などでソリトン閉じ込め領域９に共鳴を生じさせることができる。また、電極１２により電場を印加した状態で、交流磁場を印加してもよく、レーザー光を照射してもよい。また、第２磁場印加部１４により磁場を印加した状態で、交流電場を印加してもよく、レーザー光を照射してもよい。
なお、共鳴周波数は数１に示した式のように変化するため、２つの制限手段３の間隔を変えソリトン閉じ込め領域９の幅を変えることによりソリトン閉じ込め領域９内のソリトン８の数を変化させることができ、共鳴周波数を変えることができる。このため、サブＧＨｚから数ＴＨｚまでの周波数で共鳴させ発振することが可能である。

【0028】

ソリトン閉じ込め領域９のソリトン８は、制限手段３により制限された磁気秩序内で共振するため、特定の周波数の電磁波でソリトン閉じ込め領域９に共鳴を生じさせることができる。図１１のように、この共鳴によりソリトン８にスピン起電力を発生させることができ、この起電力を検出することにより特定の周波数の電力を発生させたり、特定の周波数の電磁波を受信することが可能である。スピン起電力は、例えば、磁性体部１に接続した電極１２ａ、１２ｂを用いて検出することができる。また、２つの制限手段３の間隔を変えることにより、サブＧＨｚから数ＴＨｚまでの周波数で共鳴させ電力を発生させたり電磁場を受信することが可能である。

【0029】

また、第２磁場印加部１４により磁性体部１に全体的に直流の外部磁場を印加することによりソリトン閉じ込め領域９内のソリトン８の数を変化させることができる。例えば、図４（ｃ）〜（ｆ）のように、外部磁場の強さを変化させることにより、ソリトン８の数を変化させることができる。従って、外部磁場の強さを変化させることによりソリトン８の数を変化させることができ、数１で表される共鳴周波数を変えることができる。このため、サブＧＨｚから数ＴＨｚまでの電磁波を発振・受信・伝送することが可能である。また、外部磁場を変化させることにより、発振周波数又は受信周波数を変えることが可能である。

【0030】

磁性体部１の複数のソリトン閉じ込め領域９は、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じとなるように形成される。制限手段３の間隔を同じにして複数のソリトン閉じ込め領域９を形成することにより、閉じ込められたソリトン８の数を実質的に同じにすることができる。なお、磁性体部１に含まれる少なくとも２つのソリトン閉じ込め領域９が、キラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じとなるように形成されればよく、磁性体部１に含まれるすべてのソリトン閉じ込め領域９がキラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じでなくてもよい。また、磁性体部１に含まれるすべてのソリトン閉じ込め領域９がキラルらせん磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じであってもよい。
例えば、図１〜３、７〜９に示した磁性体装置２０のように、磁性体部１にソリトン閉じ込め領域９ａ〜９ｆを形成した場合、各ソリトン閉じ込め領域９の磁気秩序に閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じになるように同じ間隔で制限手段３が設けられる。

【0031】

閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じであるソリトン閉じ込め領域９を磁性体部１に複数形成すると、複数のソリトン閉じ込め領域９を位相コヒーレンスにより同じ周波数で共鳴させることができる。従って、磁性体部１から電磁波を発振する場合、複数のソリトン閉じ込め領域９から同じ周波数の電磁波を発振させることができ、発振する信号を巨大化することができる。
また、磁性体部１により電磁波を受信する場合、複数のソリトン閉じ込め領域９からスピン起電力を生じさせることができ、信号を高効率に受信することができる。また、共鳴に伴い巨大なスピン起電力やコヒーレントスピン流を誘起できる。

【0032】

また、閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じである複数のソリトン閉じ込め領域９が形成された磁性体部１に、第２磁場印加部１４により全体的に磁場を印加し磁場の強さを変化させると、磁性体部１のソリトン８の数を階段状に変化させることができ、磁性体部１の電気抵抗や光学応答を階段状に変化させることができる。この電気抵抗や光学応答の階段状の変化を利用することにより磁気デバイス（メモリ・センサ・論理素子）の多値化が可能である。
例えば、閉じ込められたソリトン８の数が１０であるソリトン閉じ込め領域９が磁性体部１に１０個形成されている場合、磁性体部１に外部磁場を印加し磁場の強さを徐々に強くしていくと、各領域９に閉じ込められたソリトンの数は、１０→９→８→７・・・と変化し磁性体部１全体のソリトンの数は、１００→９０→８０→７０・・・と変化する。従って、磁性体部１の電気抵抗や光学応答を階段状に変化させることができる。

【0033】

閉じ込められたソリトン８の数が実質的に同じである複数のソリトン閉じ込め領域９からなる組が磁性体部１に複数設けられ、各組において閉じ込められたソリトン８の数が異なってもよい。例えば、図１２に示した磁性体装置２０のように、ソリトン閉じ込め領域９ａ、９ｂからなる第１組２１と、ソリトン閉じ込め領域９ｃ、９ｄからなる第２組２２と、ソリトン閉じ込め領域９ｅ、９ｆとからなる第３組２３とを設けることができる。各組のソリトン閉じ込め領域９は、制限手段４の間隔が異なるために、閉じ込められたソリトン８の数が異なる。
このことにより、各組のソリトン閉じ込め領域９において異なる周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、複数の周波数で電磁波を発振・受信・伝送することが可能となる。

【0034】

また、各組のソリトン閉じ込め領域９は、閉じ込められたソリトンの数が分布するように設けることができる。このことにより、各組のソリトン閉じ込め領域９において異なる周波数で磁気共鳴を生じさせることができる。このため、共鳴周波数を広範囲にわたって分布させることができ、広範囲にわたる電磁波を発振・受信することができるため、本実施形態の磁性体装置２０は、広帯域の電磁場・電力の受信機や検出器として機能することができる。
このような閉じ込められたソリトンの数が異なるソリトン閉じ込め領域９は、制限手段３の間隔を変えることや印加する外部磁場の大きさを局所的に変化させることにより形成することができる。

【0035】

電気抵抗測定１
磁気デバイスを作製し、磁性体部１の電気抵抗測定を行った。磁性体部１は、単結晶ＣｒＮｂ₃Ｓ₆磁性体を用いて形成した。また、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆磁性体の磁気秩序のらせん軸方向に電流が流れるように電極対１２ａ、１２ｂを設けた。
図１３（ａ）は作製した磁気デバイスのＳＩＭ像である。
外部磁場を印加する磁場発生装置（第２磁場印加部１４）中に作製した磁気デバイスを設置し、外部磁場の強さを徐々に増加させ3500Ｏｅまで強くした後、外部磁場の強さを徐々に減少させ、この間の磁性体部１の電気抵抗を測定した。なお、測定電流は１ｍＡとした。

【0036】

図１３（ｂ）は、電気抵抗測定の結果を示すグラフである。外部磁場を印加していない状態における磁性体部１の電気抵抗は約711ｍΩであり、外部磁場の強さを徐々に強くしていくと、電気抵抗は徐々に低下した。これは、外部磁場により磁性体部１のソリトン８の数が徐々に少なくなっていくためと考えられる。そして外部磁場の強さが2900Ｏｅ以上になると磁性体部１の電気抵抗は約707.5ｍΩで安定した。これは、外部磁場により磁性体部１が強磁性状態になったためと考えられる。また、外部磁場の強さを徐々に減少させていくと、外部磁場の大きさが2900Ｏｅ以下となっても電気抵抗は約707.5ｍΩで安定しており、磁性体部１は過飽和状態となった。これは強磁性状態が維持されるためと考えられる。そして、外部磁場の大きさが約2000Ｏｅ（臨界磁場Ｈ_c）になると、電気抵抗は、約709.5ｍΩとなりΔＲ＝２ｍΩだけ急激に増加した。外部磁場が臨界磁場Ｈ_cに達すると、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子に速く変化するためと考えられる。そして、外部磁場の大きさをさらに小さくしていくと、電気抵抗は徐々に上昇し、電気抵抗は約711ｍΩに戻った。このように、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体では、外部磁場の変化に対する電気伝導特性の変化が履歴応答を示すことがわかった。
また、外部磁場の強さを増加させると、磁性体部１の電気抵抗は細かな階段状の変化がみられるもののほぼ滑らかに低下した。これは、磁性体部１のキラルらせん磁気秩序のソリトン８の数が多いためと考えられる。

【0037】

図１４（ａ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆磁性体に制限手段３である結晶粒界５を形成しソリトン閉じ込め領域９に２０つソリトン８を閉じ込めた磁性体のＳＩＭ像である。なお、結晶粒界５では、キラルらせん磁気秩序が右巻きから左巻きに変化する、又は左巻きから右巻きに変化する。
図１４（ｂ）は、外部磁場の強さを徐々に増加させ2300Ｏｅまで強くした後、外部磁場の強さを徐々に減少させた際の領域９に閉じ込められたソリトン８の数を示したグラフである。このようにソリトン閉じ込め領域９に２０つのソリトン８を閉じ込めると、ソリトンの数は外部磁場の変化に伴い階段的に変化する。また、領域９の電気抵抗や光学応答も外部磁場の変化に伴い階段的に変化すると考えられる。

【符号の説明】

【0038】

１：磁性体部 ３：制限手段 ４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：第１磁場印加部、磁石 ５：結晶欠陥又は結晶粒界 ６：溝 ７：接続部 ８：ソリトン ９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ：ソリトン閉じ込め領域 １０：基板 １１：制限領域 １２、１２ａ、１２ｂ：電極、電極対 １４、１４ａ、１４ｂ：第２磁場印加部 １６：光源 ２０：磁性体装置 ２１：ソリトン閉じ込め領域の第１組 ２２：ソリトン閉じ込め領域の第２組 ２３：ソリトン閉じ込め領域の第３組

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】