特許 5649198 スピン流制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5649198

(24)【登録日】2014年11月21日

(45)【発行日】2015年1月7日

(54)【発明の名称】スピン流制御装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20141211BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-236151(P2013-236151)

(22)【出願日】2013年11月14日

【審査請求日】2013年12月10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２４年度、独立行政法人科学技術振興機構、数値シミュレーションによる新材料・新機能の開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】505374783

【氏名又は名称】独立行政法人日本原子力研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100105463

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 三男

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(72)【発明者】

【氏名】市村 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】家田 淳一

(72)【発明者】

【氏名】前川 禎通

【審査官】 鈴木 和樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１６８４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００４／１１４４１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１５１３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 市村雅彦、外３名，スピン起電力による非局所スピンバルブ構造におけるスピン流変調，２０１３年 第６０回応用物理学会春季学術講演会「講演予稿集」［ＣＤＲＯＭ］，日本，公益社団法人 応用物理学会，２０１３年 ３月１１日，ｐ．１０−０５５

【文献】 市村雅彦、外３名，スピン起電力を用いた非局所スピンバルブ構造におけるスピン流増幅，２０１２年秋季 第７３回応用物理学会学術講演会「講演予稿集」［ＣＤＲＯＭ］，日本，公益社団法人 応用物理学会，２０１２年 ８月２７日，ｐ．１０−０４７

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非磁性導電体と、
第１の強磁性体と第１の電流源を備え前記非磁性導電体にスピン注入するスピン注入部と、
磁壁が挿入された第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体に制御電流を流すための第２の電流源と、前記制御電流をオン・オフするスイッチを有し、前記制御電流によって前記第２の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、前記スピン注入部から注入され前記非磁性導電体中を拡散するスピン流に前記磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによって前記スピン流を遮断する機能を有するスピン流制御部と、
入力信号によって前記スピン流制御部の前記スイッチをオン・オフ制御する入力部と、
第３の強磁性体と、前記第３の強磁性体と前記非磁性導電体の間に発生する電圧を検出する電圧計とを備え、前記スピン注入部からみて前記スピン流制御部より下流側に設けられた出力部と、を有し、
前記入力信号に対して前記電圧計の電圧を出力信号とするＮＯＴ回路として機能することを特徴とするスピン流制御装置。

【請求項2】

請求項１記載のスピン流制御装置において、
前記スピン流制御部は、前記スイッチがオンのとき、前記非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生することを特徴とするスピン流制御装置。

【請求項3】

請求項１記載のスピン流制御装置において、
前記第２の強磁性体は両端部に磁化が互いに逆方向を向いた磁化固定膜が積層されていることを特徴とするスピン流制御装置。

【請求項4】

第１の非磁性導電体と、
第１の強磁性体と第１の電流源を備え前記第１の非磁性導電体にスピン注入する第１のスピン注入部と、
磁壁が挿入された第２の強磁性体と、前記第２の強磁性体に制御電流を流すための第２の電流源と、前記制御電流をオン・オフする第１のスイッチを有し、前記制御電流によって前記第２の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、前記第１のスピン注入部から注入され前記第１の非磁性導電体中を拡散するスピン流に前記磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによって前記スピン流を遮断する機能を有する第１のスピン流制御部と、
第１の入力信号によって前記第１のスピン流制御部の前記第１のスイッチをオン・オフ制御する入力部と、
第２の非磁性導電体と、
第３の強磁性体と第３の電流源を備え前記第２の非磁性導電体にスピン注入する第２のスピン注入部と、
磁壁が挿入された第４の強磁性体と、前記第４の強磁性体に制御電流を流すための第４の電流源と、前記制御電流をオン・オフする第２のスイッチを有し、前記制御電流によって前記第４の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、前記第２のスピン注入部から注入され前記第２の非磁性導電体中を拡散するスピン流に前記磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによって前記スピン流を遮断する機能を有する第２のスピン流制御部と、
第２の入力信号によって前記第２のスピン流制御部の前記第２のスイッチをオン・オフ制御する入力部と、
前記第１の非磁性導電体の前記第１のスピン流制御部あるいはそれより下流側の領域と、前記第２の非磁性導電体の前記第２のスピン流制御部あるいはそれより下流側の領域とを接続する第５の強磁性体と、
前記第５の強磁性体と前記第１の非磁性導電体及び前記第２の非磁性導電体との間の電圧を測定する電圧計を備える出力部、とを有し、
前記第１の入力信号及び第２の入力信号に対して前記電圧計の電圧を出力信号とするＮＡＮＤ回路として機能することを特徴とするスピン流制御装置。

【請求項5】

請求項４記載のスピン流制御装置において、
前記第１のスピン流制御部は、前記第１のスイッチがオンのとき、前記第１の非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生し、
前記第２のスピン流制御部は、前記第２のスイッチがオンのとき、前記第２の非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生することを特徴とするスピン流制御装置。

【請求項6】

請求項４記載のスピン流制御装置において、
前記第２の強磁性体及び第４の強磁性体は各々両端部に磁化が互いに逆方向を向いた磁化固定膜が積層されていることを特徴とするスピン流制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スピン流をオン・オフ制御することのできるスピン流制御装置及びスピン流のオン・オフ制御を応用した装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電子は、電気伝導を担う電荷に加え、磁性を担うスピンを有する。近年、電子の電荷を活用したエレクトロニクスに加えて、スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス素子の開発に注目が集まっている。例えば、スピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている（特許文献１）。また、強磁性体中に挿入された磁壁を移動させると、その磁壁部分に起電力が発生することが知られている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−１８６２７４号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Physical Review B 82, 054410 (2010)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電子スピンの情報は、非磁性体において、空間的には、距離Ｌとスピン拡散長λの比に依存し、exp（−Ｌ／λ）に従って指数関数的に減衰する。これまではスピン流を制御する手段がなかったため、その利用が限られていた。

【0006】

本発明は、スピン流を制御する機構を提供し、更に、そのスピン流制御機構を用いてスピン流をオン・オフ制御する回路あるいはスピン流を用いた論理回路を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明では、純粋スピン流が生じる非磁性導電体に磁壁の挿入された強磁性体を接合し、接合部分に磁壁を位置させる。そして、強磁性体に通電して磁壁を移動させ、磁壁移動に伴って発生する実効電場により、スピン流を構成する上向きスピンと下向きスピンに個別にエネルギー付与を行い、スピン流のオン・オフ制御を行う。

【0008】

本発明によるスピン流制御装置は、非磁性導電体と、第１の強磁性体と第１の電流源を備え非磁性導電体にスピン注入するスピン注入部と、スピン注入部から注入され非磁性導電体中を拡散するスピン流を制御するスピン流制御部とを有し、スピン流制御部は、磁壁が挿入された第２の強磁性体と、第２の強磁性体に制御電流を流して磁壁を移動させる第２の電流源とを有し、非磁性導電体中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによってスピン流を遮断するものである。

【0009】

ここで、スピン流制御部は、多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生する。

【0010】

また、本発明によるスピン流制御装置は、非磁性導電体と、第１の強磁性体と第１の電流源を備え非磁性導電体にスピン注入するスピン注入部と、磁壁が挿入された第２の強磁性体と、第２の強磁性体に制御電流を流すための第２の電流源と、制御電流をオン・オフするスイッチを有し、制御電流によって第２の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、スピン注入部から注入され非磁性導電体中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによってスピン流を遮断する機能を有するスピン流制御部と、入力信号によってスピン流制御部のスイッチをオン・オフ制御する入力部と、第３の強磁性体と、第３の強磁性体と非磁性導電体の間に発生する電圧を検出する電圧計とを備えスピン注入部からみてスピン流制御部より下流側に設けられた出力部と、を有し、入力信号に対して電圧計の電圧を出力信号とするＮＯＴ回路として機能するものである。

【0011】

スピン流制御部は、スイッチがオンのとき、非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生する。

【0012】

また、本発明によるスピン流制御装置は、第１の非磁性導電体と、第１の強磁性体と第１の電流源を備え第１の非磁性導電体にスピン注入する第１のスピン注入部と、磁壁が挿入された第２の強磁性体と、第２の強磁性体に制御電流を流すための第２の電流源と、制御電流をオン・オフする第１のスイッチを有し、制御電流によって第２の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、第１のスピン注入部から注入され第１の非磁性導電体中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによってスピン流を遮断する機能を有する第１のスピン流制御部と、第１の入力信号によって第１のスピン流制御部の第１のスイッチをオン・オフ制御する入力部と、第２の非磁性導電体と、第３の強磁性体と第３の電流源を備え第２の非磁性導電体にスピン注入する第２のスピン注入部と、磁壁が挿入された第４の強磁性体と、第４の強磁性体に制御電流を流すための第４の電流源と、制御電流をオン・オフする第２のスイッチを有し、制御電流によって第４の強磁性体に挿入された磁壁を移動させ、第２のスピン注入部から注入され第２の非磁性導電体中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによってスピン流を遮断する機能を有する第２のスピン流制御部と、第２の入力信号によって第２のスピン流制御部の第２のスイッチをオン・オフ制御する入力部と、第１の非磁性導電体の第１のスピン流制御部あるいはそれより下流側の領域と、第２の非磁性導電体の第２のスピン流制御部あるいはそれより下流側の領域とを接続する第５の強磁性体と、第５の強磁性体と第１の非磁性導電体及び第２の非磁性導電体との間の電圧を測定する電圧計を備える出力部、とを有し、第１の入力信号及び第２の入力信号に対して電圧計の電圧を出力信号とするＮＡＮＤ回路として機能するものである。

【0013】

ここで、第１のスピン流制御部は、第１のスイッチがオンのとき、第１の非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生し、第２のスピン流制御部は、第２のスイッチがオンのとき、第２の非磁性導電体に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きの電場を発生する。

【発明の効果】

【0014】

本発明によると、外部入力信号によりスピン流をオン・オフ制御することが可能になる。また、外部入力信号の論理演算結果をスピン流の有無として出力する論理回路を得ることができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】スピン流制御装置の構造例を示す模式図。

【図2】非磁性導電体中を拡散するスピン流の様子を示す模式図。

【図3】磁壁を挟んだｚ方向の各位置での磁化の様子を示した摸式図。

【図4】スピン制御部に設ける磁性体の実施例を示す模式図。

【図5】ＮＯＴ回路として機能するスピン流制御装置の概念図。

【図6】ＮＯＴ回路として機能するスピン流制御装置の構成例を示す模式図。

【図7】ＮＡＮＤ回路として機能するスピン流制御装置の概念図。

【図8】ＮＡＮＤ回路として機能するスピン流制御装置の構成例を示す模式図。

【図9】非磁性導電体中を拡散するスピン流の様子を示す模式図。

【図10】非磁性導電体中を拡散するスピン流の様子を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるスピン流制御装置の構造例を示す模式図である。

【0017】

本実施例のスピン流制御装置は、非磁性導電体１０、非磁性導電体１０の一端に絶縁層２１を介して積層された第１の強磁性体２２、及び非磁性導電体１０の長手方向に第１の強磁性体と異なる位置に配置された第２の強磁性体３１を備える。第１の強磁性体２２は一定の方向を向いた磁化２３を有する。また、第２の強磁性体３１には磁壁３２が挿入されており、矢印３３，３４で示すように、第２の強磁性体３１の磁化の向きは磁壁３２を挟んで変化している。磁壁３２は電場伝達部１１を挟んで非磁性導電体１０の上に配置されている。非磁性導電体１０と第１の強磁性体２２の間には第１の電流源２４が接続されている。また、第２の強磁性体３１の両端にはスイッチ３６を介して第２の電流源３５が接続され、磁壁３２は第２の強磁性体３１中を流れる制御電流によって移動するように構成されている。

【0018】

非磁性導電体１０に絶縁層２１を介して第１の強磁性体２２が積層されたトンネル接合部とそこに電流を流す第１の電流源２４とは、非磁性導電体１０にスピンを注入するスピン注入部として機能する。また、磁壁３２が挿入された第２の強磁性体３１、第２の強磁性体３１に制御電流を流すための第２の電流源３５及びスイッチ３６はスピン流制御部として機能する。スピン注入部とスピン流制御部の距離は、非磁性導電体１０のスピン拡散長より短く設定されている。

【0019】

非磁性導電体１０としては、例えば、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇなどを用いることができる。非磁性導電体１０の大きさは、例えば６μｍ×２５０ｎｍ×５０ｎｍである。スピン注入部を構成する第１の強磁性体２２としては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＦｅＰｔなどを用いることができる。第１の強磁性体２２の大きさは、例えば１μｍ×４００ｎｍ×５０ｎｍである。また、絶縁層２１としては、ＡｌＯｘ，ＭｇＯなどを用いることができる。絶縁層２１の膜厚は１ｎｍ〜２ｎｍ程度が好ましいが、絶縁層はなくてもよい。第１の強磁性体２２の磁化方向を固定するために、第１の強磁性体２２に接してＭｎＩｒ，ＮｉＯなどの反強磁性層を形成してもよい。第２の強磁性体３１としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、パーマロイ（ＮｉＦｅ合金）などを用いることができる。電場伝達部１１は、非磁性導電体１０を流れるスピン流が第２の強磁性体３１に分流する効果を低減させるためのものである。第２の強磁性体３１として例えばパーマロイを用いた場合には、非磁性導電体１０を流れるスピン流が第２の強磁性体３１に分流する効果が無視できず、制御対象である非磁性導電体１０を流れるスピン流が減少してしまう。このとき電場伝達部１１は、膜厚１ｎｍ〜２ｎｍ程度のＡｌＯｘ，ＭｇＯなどが望ましい。なお、非磁性導電体１０を流れるスピン流は強磁性体３１に分流する寄与が無視できる場合、電場伝達部１１を設けず、非磁性導電体１０の上に直接第２の強磁性体３１を形成してもよい。

【0020】

スピン流は、上向きスピンと下向きスピンからなり、非磁性導電体１０の中を拡散によって伝達する。この時のスピン流は電流を伴わず、純粋スピン流と呼ばれる。図１に示した配置では、第１の電流源２４に接続された第１の強磁性体２２から非磁性導電体１０の方向にトンネル電流が流れ、多数派スピン（上向きスピン）は絶縁層２１から電場伝達部１１への向きで非磁性導電体１０中を流れ、少数派スピン（下向きスピン）はその逆向きで非磁性導電体１０中を流れる。

【0021】

図２は、非磁性導電体中を拡散するスピン流の様子を示す模式図である。スイッチ３６が開かれて第２の強磁性体３１に制御電流が流されていないとき、非磁性導電体１０中における多数派スピンの電気化学ポテンシャルμ_majと少数派スピンの電気化学ポテンシャルμ_minは、図２の上段に破線で図示するように、スピン流注入部から拡散方向に向かって単調に減少する空間分布を示す。

【0022】

次に、スピン流制御部によってスピン流の制御を行う機構について説明する。スピン流制御部のスイッチ３６を閉じて第２の強磁性体３１に第２の電流源３５から制御電流を流し、第２の強磁性体３１に挿入された磁壁３２を移動させると、移動磁壁の部分に次式で示される実効電場が発生する（非特許文献１参照）。

【0023】

［式１］

【0024】

ここで、ｘは第２の強磁性体３１の長手方向に沿う座標である。またθは、スピン注入部における第１の強磁性体２２の磁化方向をｚ軸にとり、ｚ軸からの極角、φは磁化の方位角で、歳差運動の角度である。なお、方位角はｘ座標に依存しないので、その空間微分はゼロ、すなわち右辺第２項からの寄与はない。また、外部磁場がなくとも、磁壁が定義される程度の大きさの一軸異方性磁場があるため、方位角の時間微分は有限となる。

【0025】

図３は、第２の強磁性体３１の磁壁３２を挟んだｘ方向の各位置での磁化の様子を示した摸式図である。図１に示した電流方向、磁壁を挟んだ磁化の状態の条件では、磁壁は図の左方向、すなわちｘ軸のマイナス方向に移動し、次式が成立する。

【0026】

［式２］

【0027】

このとき、式(1)の右辺の第１項は負になり、磁壁３２の移動する領域にはｘ軸のマイナス方向に向いた実効電場が発生する。この第２の強磁性体３１の磁壁３２部分に発生したｘ軸のマイナス方向に向いた実効電場は、非磁性導電体１０において連続性を満たすよう誘起される。この実効電場のｘ方向（接線成分）の連続性は、ガウスの法則から要請される。非磁性導電体１０における実効電場の接線成分は、図２の下段に実線で示すように、多数派スピンの電気化学ポテンシャルを減少させるように作用する。一方、実効電場がスピンに依存しているため、少数派スピンに対しては電気化学ポテンシャルを増加（絶対値を取ると減少）させるように作用し、結果的にμ_maj−μ_minを減少させる。その結果、実効電場の向きと大きさが適切な場合、ｘ方向に向かって減衰してきたスピン流をスピン流制御部で遮断し、消滅させることができる。なお、図２の網掛け部分は、第２の強磁性体３１の磁壁移動に伴う実効電場が作用している領域を示している。

【0028】

このように本実施例のスピン流制御装置は、スピン流制御部のスイッチ３６を開放すると、スピン注入部から注入されたスピン流を非磁性導電体１０の長手方向にそのまま拡散させて伝達させる。一方、スピン流制御部のスイッチ３６を閉じると、スピン注入部から非磁性導電体１０に注入され拡散してきたスピン流をスピン流制御部の電場伝達部１１の個所で消滅させ、それより下流側には伝達させない。こうしてスピン流のスイッチングを行うことができる。

【0029】

図４は、スピン流制御部に設けた第２の強磁性体３１の実施例を示す図である。第２の強磁性体３１は、挿入された磁壁３２が非磁性導電体１０の長手方向に移動できればどのような形状であっても構わない。従って、第２の強磁性体３１の最も基本的な形状は、長手方向に１つの磁壁が挿入された直方体の形状である。

【0030】

一方、本実施例の第２の強磁性体３１は、中央部に断面積の小さなくびれ部３７が設けられた形状をしている。強磁性体中に設けられた断面積の小さなくびれ部は、磁壁を安定に保持する磁壁保持部として機能する。従って、第２の強磁性体３１に制御電流が流されていないとき、すなわち磁壁移動が生じていないとき、第２の強磁性体３１に挿入された磁壁３２は自律的に磁壁保持部であるくびれ部３７に移動し、そこに保持される。こうして、第２の強磁性体３１にくびれ部３７を設けることにより、第２の強磁性体３７に磁壁３２の初期位置を設定することができる。くびれ部を設けたことにより、スイッチ３６を開放すると、磁壁はくびれ部に戻される。つまり、スイッチ３６を閉じることにより、ｘ軸のマイナス方向に移動した磁壁は、ｘ軸のプラス方向に移動することになる。このときも電場が発生するが、その極性は逆である。つまり、非磁性導電体１０に注入され拡散してきたスピン流を増大させる。後述する図５のように、電圧でスピン流を検出する場合、あるしきい値電圧を設け、しきい値電圧以上の電圧値を「オン」、しきい値電圧未満の電圧値を「オフ」と設定することにより、遮断されたスピン流のみを「オフ」に割り当てることが可能である。こうすれば、遮断されないスピン流と増大されたスピン流の二通りが「オン」に割り当てられ、くびれ部に戻される磁壁が発する電場は、スイッチング機能に悪影響を及ぼさない。

【0031】

また、本実施例の第２の強磁性体３１は、その両端部に磁化が互いに逆方向を向いた磁化固定膜３８，３９を積層した。磁化固定膜３８，３９と接する第２の強磁性体３１の領域の磁化は、磁化固定膜３８，３９との強磁性結合により磁化固定膜３８，３９の磁化と同じ向きに揃う。そのため第２の強磁性体３１の磁化は両端部で逆向きに固定され、両端部の間に１つの磁壁が確実に挿入されることになる。磁化固定膜３８，３９の材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，ＦｅＰｔなどを用いることができる。

【0032】

なお、図１に図示した各強磁性体の磁化の向きや電源の極性は一例であり、この配置に限られない。例えば、第１の強磁性体２２の磁化２３を図示と逆向きに設定し、第１の電源２４の極性を逆向きにしても同様の効果が得られる。あるいは、第１の電流源２４の極性だけを図示と逆向きにした場合、第２の強磁性体の磁化３３，３４を逆にする、あるいは第２の電流源３５の極性を逆にすることで同様の効果が得られる。要は、スピン注入部から注入されて非磁性導電体１０中を拡散してきたスピン流に対してスピン流制御部に設けた磁性体の磁壁移動によって発生する実効電場の向きが、多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を縮小する向きになるように、各強磁性体の磁化の向きや電流の向きが設定されていればよい。

【0033】

図５は、ＮＯＴ回路として機能する本発明のスピン流制御装置の概念図である。
このスピン流制御装置は、スピン流を伝達させる非磁性導電体１０、非磁性導電体１０の一端側に設けられたスピン注入部５１、非磁性導電体１０の中央部に設けられたスピン流制御部５２、スピン流制御部５２に入力信号を入力する入力部５３、及び非磁性導電体１０の他端側に設けられた出力部５４を備える。スピン注入部５１は、第１の強磁性体２２と第１の電流源２４を備え、非磁性導電体１０にスピンを注入する。スピン流制御部５２は、磁壁３２が挿入された第２の強磁性体３１、第２の強磁性体３１に制御電流を流すための第２の電流源３５、制御電流をオン・オフするスイッチ３６を有する。スイッチ３６が閉じて第２の強磁性体３１に制御電流が流されると、制御電流によって第２の強磁性体３１に挿入された磁壁３２が移動し、スピン注入部５１から注入され非磁性導電体１０中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場が作用してスピン流の遮断が生じる。スピン流を遮断するのに必要な制御電流の大きさについては後述する。

【0034】

入力部５３は、入力信号Ｉｎによってスピン流制御部５２のスイッチ３６をオン・オフ制御する。出力部５４は、スピン注入部５１からみてスピン流制御部５２より下流側に設けられ、第３の強磁性体４２と電圧計４３を備える。電圧計４３は、第３の強磁性体４２と非磁性導電体１０の間に発生する電圧を検出する。

【0035】

図６は、ＮＯＴ回路として機能する本発明のスピン流制御装置の構成例を示す模式図である。本実施例のスピン流制御装置は、図５に示したスピン流制御装置の概念を具現化したものである。

【0036】

図６に示した実施例では、より実際的な構成例として、スピン注入部には第１の強磁性体２２と非磁性導電体１０の間に絶縁層２１を備え、出力部には第３の強磁性体４２と非磁性導電体１０の間に絶縁層４１を備える。また、スピン流注入部に配置された第２の強磁性体３１は両端部に磁化が互いに逆向きの磁化固定膜３８，３９が積層され、第２の強磁性体３１と非磁性導電体１０の間には電場伝達部１１が配置されている。ＮＯＴ回路としての必須事項は、第１の強磁性体２２の磁化の向きと第１の電流源２４の極性の組合せにより非磁性導電体１０において電場伝達部１１（電場伝達部１１を設けない場合磁壁３２）直下を流れるスピン流の極性を設定することと、スイッチ３６を閉じることで駆動される磁壁３２が誘起する電場が整合的にスピン流を遮断することである。

【0037】

本実施例では、非磁性導電体１０として６μｍ×５０ｎｍ×２５ｎｍのＡｌを用いた。電場伝達部１１は、５０ｎｍ×５０ｎｍ×２．５ｎｍのＡｌＯｘによって構成した。第１の強磁性体２２としてはＦｅＰｔを、第３の強磁性体４２としてはＦｅＰｔを用いた。第２の強磁性体３１には２００ｎｍ×２０ｎｍ×２ｎｍのＣｏ／Ｎｉ多層膜を用いた。磁化固定膜３８，３９にはＦｅＰｔを用いた。また、絶縁層２１，４１には膜厚２．５ｎｍのＡｌＯｘを用いた。

【0038】

次に、図６に示したスピン流制御装置のＮＯＴ回路としての機能について説明する。
入力部５３に入力される入力信号Ｉｎによってスピン流制御部のスイッチ３６をオン・オフ制御する。入力信号Ｉｎがオフ（０）でスイッチ３６が開いているときには、図２の上段に示したように、スピン注入部から注入されたスピン流が減衰しながら出力部に達し、出力部の電圧計４３に出力が生じる。

【0039】

一方、入力信号Ｉｎをオン（１）にしてスイッチ３６が閉じられると、第２の強磁性体３１に第２の電流源３５から制御電流が流され、第２の強磁性体３１に挿入された磁壁３２が移動する。そして、磁壁移動に伴って発生する電場が、電場伝達部１１を介して非磁性導電体１０中を伝達するスピン流に作用する。このとき発生される電場は、非磁性導電体１０に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きに設定されている。また、電場の大きさは、磁壁移動による電場印加領域でちょうどスピン流を遮断することのできる大きさとする。このとき、図２の下段に示すようにスピン流制御部よりも下流側にはスピン流が伝達しないため、出力部の電圧計４３には出力が生じない。

【0040】

本実施例の場合、幅２０ｎｍ、厚さ２ｎｍのＣｏ／Ｎｉ多層膜を用い、くびれ部の幅を４ｎｍとしたので、磁気異方性定数Ｋｕ= ４×１０⁵Ｊ／ｍ³、交換スティフネスＡ=１×１０^-11Ｊ／ｍから、くびれ部は相対的に３．２×１０^-20Ｊのエネルギーだけ安定である。これから、磁壁移動のために通電する電流パルスの見積もりは、電流値が１００μＡ、パルス幅が１ｎｓとなる。

【0041】

表１は、図６に示したスピン流制御装置の入力信号Ｉｎと出力信号の関係をまとめたものである。表１から、本実施例のスピン流制御装置は、入力信号に対して電圧計の電圧を出力信号とするＮＯＴ回路として機能していることが分かる。

【0042】

【表1】

【0043】

図７は、ＮＡＮＤ回路として機能する本発明のスピン流制御装置の概念図である。
このスピン流制御装置は、スピン流を伝達させる非磁性導電体として、第１の非磁性体１１０と第２の非磁性体２１０の２つの非磁性導電体を備える。第１の非磁性体１１０は、一端に第１のスピン注入部６１が設けられ、中央部に第１のスピン流制御部６２が設けられ、他端が接地されている。また、第１のスピン流制御部６２に入力信号Ｉｎ１を入力する第１の入力部１５３が設けられている。同様に、第２の非磁性体２１０は、一端に第２のスピン注入部７１が設けられ、中央部に第２のスピン流制御部７２が設けられ、他端が接地されている。第２の入力部２５３は、第２のスピン流制御部７２に入力信号Ｉｎ２を入力する。更に、第１の非磁性導電体１１０の第１のスピン流制御部６２あるいはそれより下流側の領域と、第２の非磁性導電体２１０の第２のスピン流制御部７２あるいはそれより下流側の領域とが第５の強磁性体３００によって互いに接続されており、第５の強磁性体３００と接地間に電圧計８１が接続され出力部８０を構成している。

【0044】

第１のスピン流制御部６２は、入力信号Ｉｎ１がオンのとき、第１の非磁性導電体１１０中を拡散するスピン流に強磁性体の磁壁移動に伴って発生する電場を作用させてスピン流を遮断するように作用する。同様に、第２のスピン流制御部７２は、入力信号Ｉｎ２がオンのとき、第２の非磁性導電体２１０中を拡散するスピン流に強磁性体の磁壁移動に伴って発生する電場を作用させてスピン流を遮断するように作用する。

【0045】

図８は、ＮＡＮＤ回路として機能する本発明のスピン流制御装置の構成例を示す模式図である。本実施例のスピン流制御装置は、図７に示したスピン流制御装置の概念を具現化したものである。

【0046】

第１の非磁性導電体１１０の一端に設けられた第１のスピン注入部６１は、絶縁層１２１を介して積層された第１の強磁性体１２２と第１の電流源１２４を備え、第１の非磁性導電体１１０にスピン注入する。第１のスピン流制御部６２は、磁壁１３２が挿入された第２の強磁性体１３１、第２の強磁性体１３１に制御電流を流すための第２の電流源１３５、制御電流をオン・オフするスイッチ１３６を有する。スイッチ１３６が閉じられて第２の強磁性体１３１に制御電流が流されると、制御電流によって第２の強磁性体１３１に挿入された磁壁１３２の移動が起こり、スピン注入部６１から注入され非磁性導電体１１０中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場が作用してスピン流が遮断される。また、第２の強磁性体１３１は両端部に磁化が互いに逆向きの磁化固定膜１３８，１３９が積層され、第２の強磁性体１３１と非磁性導電体１１０の間には電場伝達部１１１が配置されている。入力部１５３は、入力信号Ｉｎ１によってスピン流制御部６２のスイッチ１３６をオン・オフ制御する。

【0047】

第２の非磁性導電体２１０の一端に設けられた第２のスピン注入部７１は、絶縁層２２１を介して積層された第３の強磁性体２２２と第３の電流源２２４を備え、第２の非磁性導電体２１０にスピン注入する。第２のスピン流制御部７２は、磁壁２３２が挿入された第４の強磁性体２３１、第４の強磁性体２３１に制御電流を流すための第４の電流源２３５、制御電流をオン・オフするスイッチ２３６を有する。スイッチ２３６が閉じられて第４の強磁性体２３１に制御電流が流されると、制御電流によって第４の強磁性体２３１に挿入された磁壁２３２の移動が起こり、スピン注入部７１から注入され非磁性導電体２１０中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場が作用してスピン流が遮断される。また、第４の強磁性体２３１は両端部に磁化が互いに逆向きの磁化固定膜２３８，２３９が積層され、第４の強磁性体２３１と非磁性導電体２１０の間には電場伝達部２１１が配置されている。入力部２５３は、入力信号Ｉｎ２によってスピン流制御部７２のスイッチ２３６をオン・オフ制御する。

【0048】

また、第１の非磁性導電体１１０の第１のスピン流制御部６２あるいはそれより下流側の領域と、第２の非磁性導電体２１０の第２のスピン流制御部７２あるいはそれより下流側の領域とは、それぞれ絶縁層１４１，２４１を介して第５の強磁性体３００によって接続されている。出力部を構成する電圧計８１は、第５の強磁性体３００と第１の非磁性導電体１１０及び第２の非磁性導電体２１０の間の電圧を測定する。

【0049】

本実施例では、非磁性導電体１１０，２１０として６μｍ×５０ｎｍ×２５ｎｍのＡｌを用いた。電場伝達部１１１，２１１は、５０ｎｍ×５０ｎｍ×２．５ｎｍのＡｌＯｘによって構成した。第１の強磁性体１２２及び第３の強磁性体２２２としてはＦｅＰｔを用いた。第２の強磁性体１３１及び第４の強磁性体２３１には２００ｎｍ×２０ｎｍ×２ｎｍのＣｏ／Ｎｉ多層膜を用いた。第５の強磁性体３００にはＦｅＰｔを用いた。磁化固定膜１３８，１３９，２３８，２３９にはＦｅＰｔを用いた。また、絶縁層１２１，２２１、１４１，２４１には膜厚２．５ｎｍのＡｌＯｘを用いた。

【0050】

なお、図７及び図８に示した実施例では、第１の非磁性導電体１１０と第２の非磁性導電体２１０とで、スピン流注入部６１，７１を設ける端部を反対側の端部としたが、必ずしもこの配置に限られない。例えば、第２の非磁性導電体２１０に対し、第１の非磁性導電体１１０と同じように、左端部にスピン注入部を配置して右端部を接地し、スピン流制御部７２あるいはそれより右側の領域に第５の強磁性体３００を接続してもよい。

【0051】

次に、図８に示したスピン流制御装置のＮＡＮＤ回路としての機能について説明する。
第１の入力信号Ｉｎ１によって第１のスピン流制御部６２のスイッチ１３６をオン・オフ制御する。入力信号Ｉｎ１がオフ（０）でスイッチ１３６が開いているときには、スピン注入部６１から第１の非磁性導電体１１０に注入されたスピン流は減衰しながら第１のスピン流制御部６２を越えて伝達する。

【0052】

一方、第１の入力信号Ｉｎ１がオン（１）でスイッチ１３６が閉じられると第２の強磁性体１３１に制御電流が流れ、第２の強磁性体１３１に挿入された磁壁１３２が移動する。そして、磁壁移動に伴って発生する電場が、電場伝達部１１１を介して第１の非磁性導電体１１０中を伝達するスピン流に作用する。このとき発生される電場は、第１の非磁性導電体１１０に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きに設定されている。また、電場の大きさは、磁壁移動による電場印加領域でちょうどスピン流を遮断することのできる大きさに設定されている。このとき第１の非磁性導電体１１０中を拡散するスピン流は、図９の模式図に示すようにスピン流制御部で遮断され、その下流側には伝達しない。

【0053】

本実施例の場合、幅２０ｎｍ、厚さ２ｎｍのＣｏ／Ｎｉ多層膜を用い、くびれ部の幅を４ｎｍとしたので、磁気異方性定数Ｋｕ= ４×１０^５Ｊ／ｍ^３、交換スティフネスＡ=１×１０^−１１Ｊ／ｍから、くびれ部は相対的に３．２×１０^−２０Ｊのエネルギーだけ安定である。これから、磁壁移動のために通電する電流パルスの見積もりは、電流値が１００μＡ、パルス幅が１ｎｓとなる。

【0054】

同様に、第２のスピン流制御部７２のスイッチ２３６をオン・オフ制御する第２の入力信号Ｉｎ２がオフ（０）でスイッチ２３６が開いているときは、スピン注入部７１から第２の非磁性導電体２１０に注入されたスピン流は減衰しながら第２のスピン流制御部７２を越えて伝達する。

【0055】

一方、第２の入力信号Ｉｎ２がオン（１）でスイッチ２３６が閉じられると、第４の強磁性体２３１に制御電流が流れ、第２の強磁性体２３１に挿入された磁壁２３２が移動する。そして、磁壁移動に伴って発生する電場が、電場伝達部２１１を介して第２の非磁性導電体２１０中を伝達するスピン流に作用する。このとき発生される電場は、第２の非磁性導電体２１０に注入された多数派スピンの電気化学ポテンシャルと少数派スピンの電気化学ポテンシャルの差を小さくする向きに設定されている。また、電場の大きさは、磁壁移動による電場印加領域でちょうどスピン流を遮断することのできる大きさに設定されている。このとき第２の非磁性導電体２１０中を拡散するスピン流は、図１０の模式図に示すようにスピン流制御部で遮断され、その下流側には伝達しない。

【0056】

表２は、図８に示したスピン流制御装置の入力信号Ｉｎ１，Ｉｎ２と出力信号の関係をまとめたものである。表２から、本実施例のスピン制御装置は、入力信号に対して電圧計の電圧を出力信号とするＮＡＮＤ回路として機能していることが分かる。

【0057】

【表2】

【0058】

以上説明したように、本発明によるとスピン流のスイッチングが可能となり、それを組み合わせることにより論理回路を構成することができる。

【0059】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0060】

１０ 非磁性導電体
２２ 第１の強磁性体
３１ 第２の強磁性体
３２ 磁壁
３７ くびれ部
３８ 磁化固定膜
３９ 磁化固定膜
４２ 第３の強磁性体
５１ スピン注入部
５２ スピン流制御部
５３ 入力部
５４ 出力部
６１ 第１のスピン注入部
６２ 第１のスピン流制御部
７１ 第２のスピン注入部
７２ 第２のスピン流制御部
８０ 出力部
１１０ 第１の非磁性導電体
２１０ 第２の非磁性導電体
３００ 第５の強磁性体

【要約】

【課題】スピン流を制御する機構を提供し、更に、そのスピン流制御機構を用いてスピン流をオン・オフ制御する回路あるいはスピン流を用いた論理回路を提供する。
【解決手段】非磁性導電体１０にスピン注入するスピン注入部と、スピン注入部から注入され非磁性導電体中を拡散するスピン流を制御するスピン流制御部とを有する。スピン流制御部は、磁壁３２が挿入された強磁性体３１と、強磁性体３１に制御電流を流して磁壁を移動させる電流源３５とを有し、非磁性導電体中を拡散するスピン流に磁壁移動に伴って発生する電場を作用させることによってスピン流を遮断する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】