特許 6473346 磁気デバイス及び論理回路装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6473346

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】磁気デバイス及び論理回路装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20190207BHJP

   H03K 19/18 20060101ALI20190207BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/82 Z

   H03K19/18

【請求項の数】6

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2015-39011(P2015-39011)

(22)【出願日】2015年2月27日

(65)【公開番号】特開2016-162843(P2016-162843A)

(43)【公開日】2016年9月5日

【審査請求日】2018年2月7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

(73)【特許権者】

【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】十河 忠幸

(72)【発明者】

【氏名】米村 潤一朗

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０８６４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０６７７４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／０１７８７４６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０３２１４６６３（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１７５４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Y.TOGAWA, et al.，Chiral Magnetic Soliton Lattice on a Chiral Helimagnet，PHYSICAL REVIEW LETTERS，米国，２０１２年 ３月 ９日，Vol.108,No.10，p.107202-1-107202-5

【文献】 Y.TOGAWA et al.，Chiral Soliton Lattice in Chiral Magnetic Crystal CrNb3S6，J.Jpn.Soc.Powder Powder Metallurgy，日本，２０１４年，Vol.61,No.S1，p.S34-S36

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０３Ｋ １９／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気モーメントがらせん状に並んだキラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる磁性体部と、
磁場を印加することにより前記磁気モーメントが印加磁場方向に並んだ強磁性状態から前記磁気モーメントがねじれた領域であるソリトンが周期的に並んだソリトン格子状態に又は前記ソリトン格子状態から前記強磁性状態に変化させ、前記磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させる磁場印加部と、
前記電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力する出力部とを備えることを特徴とする磁気デバイス。

【請求項2】

前記磁場印加部は、前記磁性体部に全体的に磁場を印加する第１磁場印加部と、前記磁性体部に局所的に磁場を印加する第２磁場印加部とを含み、
第２磁場印加部は、入力信号に対応した強さの磁場を前記磁性体部に印加する請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項3】

第２磁場印加部は、直線状の信号線を含み、前記信号線に電流を流すことにより生じる磁場を前記磁性体部へ印加するように設けられ、
前記入力信号の閾値は、前記信号線に流す電流の向きにより異なる請求項２に記載の磁気デバイス。

【請求項4】

第２磁場印加部は、前記直線状の信号線を複数含み、
各直線状の信号線は、前記入力信号の閾値が異なる請求項３に記載の磁気デバイス。

【請求項5】

前記出力部は、前記磁性体部に接続した電極対を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気デバイス。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気デバイスを含む論理回路装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気デバイス及び論理回路装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の電子デバイスではCMOSなどの回路を用いた論理LSIが活用されている。論理LSIは、複雑な電子回路を１枚の半導体基板にまとめて作り込むことにより作製され、原理的に再構成が不可能な電子デバイスである。再構成可能な電子デバイスとしてニューロンMOSトランジスタ（νMOS）が提案されている（例えば、特許文献１参照）が、実用には至っていない。
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、磁気モーメントの超格子構造の周期を変化させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＷＯ２００４／０８６６２５Ａ１

【非特許文献】

【0004】

【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】

【0005】

LSIなどの従来論理回路は一旦製造するとその機能を変更することは不可能なハードウェアである。これらの限界を打破するため、新しい材料や構造を用いたデバイスの構築や微細化とは異なる手法による高集積化高機能新規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気デバイスを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる磁性体部と、磁場を印加することにより前記磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させる磁場印加部と、前記電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力する出力部とを備えることを特徴とする磁気デバイスを提供する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、磁場印加部を備えるため、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる磁性体部に磁場を印加することができ、磁性体部のらせん状に並んだ磁気モーメントのソリトン格子の周期長さを変化させることや磁性体を強制的に強磁性状態にすることができる。また、磁性体部の磁気モーメントのソリトン格子の周期長さを変化させると、その周期長さに応じて磁性体部の電気伝導特性又は光学特性も変化するため、磁場印加部により印加する磁場の大きさを変化させることにより、磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させることができる。また、磁場印加部により、磁性体部に局所的に磁場を加えることや印加磁場の強さを少し変化させることなどが可能である。

【0008】

また、本発明者らが行った実験により、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体では、磁場印加部により磁性体を強制的に強磁性状態とした後、印加磁場の強さをある程度小さくしても強磁性状態が維持されることが明らかになった（この強磁性状態が維持されている状態を過飽和状態という）。そして、過飽和状態で、印加磁場の強さを臨界磁場まで小さくすると、過飽和状態から磁気モーメントのソリトンが並んだ状態に急峻に変化することが明らかになった（この磁気モーメントのソリトンが並んだ状態をソリトン格子状態という）。また、過飽和状態で印加磁場の強さを臨界磁場よりも少し強い状態（この状態を待機状態という）とした後、磁性体部に局所的な磁場を印加することなどにより、磁性体部を過飽和状態からソリトン格子状態に急峻に変化させることができることが明らかになった（この待機状態の後に印加する磁場を信号磁場といい、信号磁場を変化させる信号を入力信号という）。また、この変化に伴い磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を急峻に大きく変化させることができる。なお、信号磁場は、印加磁場の変化であってもよい。
また、磁性体部が過飽和状態からソリトン格子状態に変化する信号磁場の大きさ又はこれに対応する電流の大きさなどを閾値とすることができる。このことにより、閾値よりも小さな信号磁場が磁性体部に印加された場合には過飽和状態を維持することができ、閾値よりも大きな信号磁場が磁性体部に印加された場合には、ソリトン格子状態に変化させることができる。従って、信号磁場を発生させる入力信号を、磁性体の電気伝導特性又は光学特性に変換することができる。

【0009】

本発明によれば、出力部を備えるため、入力信号により発生させた信号磁場により変化した磁性体部の電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力することができる。従って、本発明の磁気デバイスは、メモリセルやスイッチ動作させる素子などとして利用することができる。
本発明によれば、磁性体を、過飽和状態からソリトン格子状態に急峻に変化させることが可能であるため、入力信号の閾値範囲を狭くすることができ、ノイズの発生を抑制することができる。
本発明によれば、磁場印加部による磁場の印加方法により、入力信号の閾値を変化させることや出力信号が変化しないようにすることができるため、再構成可能な可変論理デバイスや、多値演算も対応可能な論理デバイスや論理素子を実現することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略上面図である。

【図2】図１の破線Ａ−Ａにおける磁気デバイスの概略断面図である。

【図3】本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略上面図である。

【図4】図３の破線Ｂ−Ｂにおける磁気デバイスの概略断面図である。

【図5】本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略上面図である。

【図6】図５の破線Ｃ−Ｃにおける磁気デバイスの概略断面図である。

【図7】（ａ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の結晶構造を示す図であり、（ｂ）〜（ｇ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の磁気モーメントを示す図である。

【図8】作製した磁気デバイスのＳＩＭ像である。

【図9】電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図10】（ａ）〜（ｃ）は、電気抵抗測定の測定条件の説明図であり、（ｄ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図11】電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図12】（ａ）（ｂ）は、電気抵抗測定の測定条件の説明図であり、（ｃ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図13】作製した磁気デバイスのＳＩＭ像である。

【図14】電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図15】（ａ）は、電気抵抗測定の測定条件の説明図であり、（ｂ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図16】作製した磁気デバイスのＳＩＭ像である。

【図17】（ａ）は、電気抵抗測定の測定条件の説明図であり、（ｂ）〜（ｆ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図18】（ａ）〜（ｅ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフである。

【図19】（ａ）はＮＯＴ回路の概略回路図であり、（ｂ）は電気抵抗測定の結果を示すグラフであり、（ｃ）はＮＯＴ回路の動作表であり、（ｄ）はＮＯＴ回路のタイミングチャートである。

【図20】本発明の一実施形態の磁気デバイスの多機能化についての説明図である。

【図21】（ａ）（ｂ）はＮＯＲ回路の概略回路図であり、（ｃ）はＮＯＲ回路の動作表であり、（ｄ）はＮＯＲ回路のタイミングチャートである。

【図22】（ａ）は３入力のＮＯＲ回路の概略回路図であり、（ｂ）は３入力のＮＯＲ回路の動作表である。

【図23】（ａ）は多入力のＮＯＲ回路の概略回路図であり、（ｂ）は多入力のＮＯＲ回路の動作表である。

【図24】（ａ）はＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）はＮＯＲ回路の動作表であり、（ｃ）はＮＡＮＤ回路の動作表であり、（ｄ）はＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路のタイミングチャートである。

【図25】ＮＯＴ回路の概略回路図である。

【図26】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略図である。

【図27】ＮＯＲ回路の概略回路図である。

【図28】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略図である。

【図29】（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略図である。

【図30】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態の磁気デバイスの概略図である。

【図31】（ａ）はＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）はＡＮＤ回路の動作表である。

【図32】（ａ）は３入力のＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）は３入力のＡＮＤ回路の動作表である。

【図33】（ａ）は多入力のＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）は多入力のＡＮＤ回路の動作表である。

【図34】（ａ）はＯＲ回路の概略回路図であり、（ｂ）はＯＲ回路の動作表である。

【図35】（ａ）はＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）はＮＡＮＤ回路の動作表である。

【図36】（ａ）は３入力のＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）は３入力のＮＡＮＤ回路の動作表である。

【図37】（ａ）は多入力のＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、（ｂ）は多入力のＮＡＮＤ回路の動作表である。

【図38】本発明の一実施形態の磁気デバイスを用いて形成した論理回路を集積した電子回路の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の磁気デバイスは、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる磁性体部と、磁場を印加することにより前記磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させる磁場印加部と、前記電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力する出力部とを備えることを特徴とする。

【0012】

本発明の磁気デバイスにおいて、磁場印加部は、磁性体部に全体的に磁場を印加する第１磁場印加部と、磁性体部に局所的に磁場を印加する第２磁場印加部とを含み、第２磁場印加部は、入力信号に対応した強さの磁場を磁性体部に印加することが好ましい。
このような構成によれば、第１磁場印加部により磁性体部を待機状態とすることができ、第２磁場印加部による局所印加磁場により磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させることができる。このことにより、第２磁場印加部に入力した入力信号に応じて磁性体部の電気伝導特性又は光学特性を変化させることができ、入力信号を出力信号に変換することができる。
本発明の磁気デバイスにおいて、第２磁場印加部は、直線状の信号線を含み、信号線に電流を流すことにより生じる磁場を磁性体部へ印加するように設けられ、入力信号の閾値は、信号線に流す電流の向きにより異なることが好ましい。
このような構成によれば、入力信号電流の向きにより入力信号の閾値を変えることができ、磁気デバイスを多機能化することが可能である。また、１つの磁気デバイスに複数の閾値を埋め込むことが可能になる。

【0013】

本発明の磁気デバイスにおいて、第２磁場印加部は、前記直線状の信号線を複数含み、各直線状の信号線は、入力信号の閾値が異なることが好ましい。
このような構成によれば、入力信号電流を流す信号線を選択することより、入力信号の閾値を変えることができ、磁気デバイスを多機能化することが可能である。また、１つの磁気デバイスに複数の閾値を埋め込むことが可能になる。さらに、入力信号の大きさ、入力方法、外部磁場の印加方法などを変更することにより論理演算機能を切り替えることが可能である。
本発明の磁気デバイスにおいて、出力部は、磁性体部に接続した電極対を有することが好ましい。
このような構成によれば、電極対間の電位差の変動、電極対間の電流の変動、磁性体部の電気抵抗などとして出力信号を出力することが可能になる。
本発明の磁気デバイスにおいて、出力部は、磁気光学効果による検出を行うために光源と光検出器を備えるものでもよい。
このような構成によれば、磁気光学応答などとして出力信号を出力することが可能になる。
本発明は、本発明の磁気デバイスを含む論理回路装置も提供する。
本発明によれば、ＮＯＴ回路、ＮＯＲ回路、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路などを提供することができる。また、これらの論理回路のうち複数の機能を切り替え可能に有する論理回路装置を提供することができる。また、同一素子内において論理機能を再構成することが可能となる。また、入力閾値の分布を利用することで多値演算も対応可能であり、論理演算機能の再構成と多値化を同時に実現しうる。

【0014】

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。

【0015】

磁気デバイス
図１、３、５はそれぞれ本実施形態の磁気デバイスの概略上面図である。なお、これらの図では上側の第１磁場印加部４は省略している。また、図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける磁気デバイスの概略断面図である。図４は、図３の破線Ｂ−Ｂにおける磁気デバイスの概略断面図である。図６は、図５の破線Ｃ−Ｃにおける磁気デバイスの概略断面図である。
本実施形態の磁気デバイス２０は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる磁性体部１と、磁場を印加することにより磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性を変化させる磁場印加部３と、前記電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力する出力部７とを備えることを特徴とする。本実施形態の磁気デバイス２０は、例えば、メモリセルであってもよく、スイッチング動作を行う電子素子であってもよい。
また、磁場印加部３は、第１磁場印加部４と第２磁場印加部５を含むことができる。
以下、本実施形態の磁気デバイス２０について説明する。

【0016】

磁性体部１は、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体からなる部分である。磁性体部１は、インゴット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。
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。ここでは、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。

【0017】

図７（ａ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の結晶構造を示す図であり、（ｂ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆の磁気モーメントを示す図である。図７（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、波のように回転しており、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といい、ソリトンが周期的に並んだ状態をソリトン格子状態という。図７（ｃ）〜（ｇ）は、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆に磁場を印加した場合の磁気モーメントを示す図である。図７（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。そのため、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、磁気モーメントが揃った領域が徐々に長くなる。そして、印加磁場の強さが十分に大きくなると図７（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らせん磁気秩序の構造が変化すると、磁性体部１の電気伝導特性や光学特性は変化する。

【0018】

本発明者らが行った測定により、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体では、図７（ｇ）のように磁場印加部３により磁性体を強制的に強磁性状態とした後、印加磁場の強さをある程度小さくしても強磁性状態が維持されることが明らかになった（この強磁性状態が維持されている状態を過飽和状態という）。そして、過飽和状態で、印加磁場の強さを臨界磁場Ｈ_cまで小さくすると、磁性体部１を強磁性状態からソリトン格子状態に急峻に変化させることができることが明らかになった。このとき、磁性体部１の全体がソリトン格子状態に変化していることがわかっている。また、過飽和状態で印加磁場の強さを臨界磁場Ｈ_cよりも少し強い状態（この状態を待機状態という）とした後、磁場印加部３により磁性体部１に局所的な磁場を印加することなどにより、磁性体部１を過飽和状態からソリトン格子状態に急峻に変化させることができることが明らかになった（この待機状態の後に印加する磁場を信号磁場といい、信号磁場を変化させる信号を入力信号という）。また、この変化に伴い磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性を急峻に大きく変化させることができる。

【0019】

磁場印加部３は、磁性体部１に磁場を印加する部分である。磁場印加部３による印加磁場により磁性体部１の磁気分極を生じさせることができ、磁性体部１の電気伝導特性や光学特性を変化させることができる。
磁場印加部３は、電流により同心円状の磁場を発生させる信号線であってもよく、導線を巻いたコイルであってもよく、永久磁石であってもよい。

【0020】

磁場印加部３は、磁性体部１に全体的に磁場を印加する第１磁場印加部４と、磁性体部１に局所的に磁場を印加する第２磁場印加部５とを含むことができる。なお、第１磁場印加部４により印加される磁場を外部磁場Ｈ_exといい、第２磁場印加部５により印加される磁場を局所磁場Ｈ_localという。第１磁場印加部４を設けることにより、外部磁場Ｈ_exにより磁性体部１の磁気モーメントを全体的に変化させることができる。このため、外部磁場Ｈ_exを制御することにより磁性体部１を上述の待機状態とすることができる。

【0021】

第１磁場印加部４は、例えば、図２のように、磁性体部１の上側と下側に設けたコイルとすることができる。このことにより、コイルに電流を流すことにより磁性体部１に全体的に外部磁場Ｈ_exを印加することができる。また、コイルに流す電流量を変化させることにより磁性体部１に印加する外部磁場Ｈ_exの強さを変化させることができる。また、コイルに流す電流の向きを反転させることにより、外部磁場の向きを反転させることができる。なお、第１磁場印加部４は、永久磁石であってもよい。なお、第１磁場印加部４は、複数の磁性体部１に外部磁場を同時に印加するように設けることができる。
第１磁場印加部４は、磁性体部１を構成する磁性体の磁気秩序のらせん軸と３０°〜１５０°で交わる方向に磁場を印加するように設けることができる。このことにより、第１磁場印加部４による外部磁場Ｈ_exにより磁性体部１の磁気モーメントを効率よく変化させることができる。
なお、角度を大きくするにつれて臨界磁場Ｈ_cが徐々に大きくなることがわかっている。０°〜１８０°の範囲でこの傾向は確認できており、磁性体部１を構成する磁性体の磁気秩序のらせん軸がこの範囲まで角度がついても同じ効果が期待できる。つまり、その試料配置に応じた適当な磁場範囲を選ぶことで、外部磁場Ｈ_exを制御することにより磁性体部１を上述の待機状態とすることができる。
また、外部磁場Ｈ_exの大きさを微小に変化させるための副コイルを全体、もしくは、各磁気デバイスに設けてよい。これは後述するゲーティング操作や本実施形態の磁気デバイスを集積した際に有用となる。

【0022】

第２磁場印加部５は、例えば、図２のように、磁性体部１に近接して設けられた信号線５とすることができる。第２磁場印加部５は、直線状の信号線であってもよく、曲線状の信号線であってもよいが、直線状の信号線であることが好ましい。なお、入力信号の閾値の可変性や空間分布を用いずにある特定の一つの閾値のみを使うのであれば、第２磁場印加部５は、例えば、曲線状やループ状の信号線でもよい。
また、第２磁場印加部５は位置の異なる信号線を複数含んでもよい。この信号線５に電流を流すことにより信号線の周りに同心円状の磁場を発生させることができ、この磁場（局所磁場Ｈ_local）を磁性体部１に局所的に印加することができる。また、この信号線５に流す電流は、パルス状の入力信号電流（入力信号）とすることができる。従って、入力信号電流の大きさにより局所磁場Ｈ_localの大きさを変化させることができる。

【0023】

また、第１磁場印加部４により磁性体部１に外部磁場Ｈ_exを印加した状態で第２磁場印加部５により局所磁場Ｈ_localを印加することにより、外部磁場Ｈ_exと局所磁場Ｈ_localとを重畳させることができ、磁性体部１に印加する磁場を変化させることができる。また、外部磁場Ｈ_exにより磁性体部１を待機状態し、入力信号に基づき第２磁場印加部５により局所磁場Ｈ_localを磁性体部１に印加することにより、待機状態からソリトン格子状態に変化させることができ、磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性を急峻に大きく変化させることができる。従って、磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性が大きく変化するときの入力信号の大きさを閾値とすることができ、第２磁場印加部５に入力する入力信号が閾値よりも大きい場合磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性を急峻に大きく変化させることができ、入力信号が閾値よりも小さい場合磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性を変化させないことができる。このことにより、入力信号を磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性に変換することが可能になる。
なお、ここでは入力信号を第２磁場印加部５に入力するが、入力信号により第１磁場印加部４の出力を変動させてもよい。このことによっても、入力信号を磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性に変換することが可能である。

【0024】

本発明者らが行った測定により、第２磁場印加部５である信号線５を設ける位置や、信号線５に入力信号電流を流す向き、入力信号電流の流し方、外部磁場の大きさ・向きなどにより、入力信号の閾値を変化させることができることが明らかになった。外部磁場の大きさ・向きなどにより、入力信号の閾値を変化させることができる特性は、デバイスのゲーティング機能として用いることが可能である。位置の異なる信号線５を複数設けることにより、複数の閾値が埋め込まれた磁気デバイス２０を形成することができる。また、外部磁場の大きさや向きを変えることにより、磁気デバイス２０の有効化・無効化を切り替えることが可能になる。また、複数の信号線５を設けた場合、各信号線５の有効化・無効化も切り替えることが可能である。

【0025】

出力部７は、磁性体部１の電気伝導特性又は光学特性に基づき出力信号を出力する部分である。
出力部７が磁性体部１の電気伝導特性に基づき出力信号を出力する場合、出力部７は、磁性体部１に接続した電極対を有することができる。例えば、電極対は、図１、２に示した出力用電極９のように設けてよく、図３、４に示した出力用電極９のように設けてもよい。このことにより、出力部は、電極対間の電位差の変動、電極対間の電流の変動、磁性体部１の電気抵抗などとして出力信号を出力することが可能になる。
出力部７が磁性体部１の光学特性に基づき出力信号を出力する場合、出力部７は、磁性体部１の光学特性を検出する光検出部１７を有することができる。また、光検出部１７は、さまざまな磁気光学効果（例えば、光磁気カー効果や磁気キラル光学効果）を利用して磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に変化したことを検出することができる。例えば、図６のように、磁性体部１に光を照射する光源１６と、磁性体部１の反射光を検出する光検出部１７とを有することができる。このことにより、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に変化したことを光検出部１７により検出することができ、この検出信号を出力することが可能になる。
金属のキラル磁性体の場合電気伝導特性や光学特性に基づき出力信号を出力し、絶縁体のキラル磁性体の場合光学特性に基づき出力信号を出力することができるが、それぞれ出力方法を限定するものではない。

【0026】

電気抵抗測定１
図１、２に示したような磁気デバイス２０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通電用電極８を設けた。また、磁性体部１の電気抵抗を測定する出力用電極９を設けた。さらに、磁性体部１の下側に直線状の信号線５からなる第２磁場印加部５を設けた。
図８は作製した磁気デバイス２０のＳＩＭ像である。
外部磁場Ｈ_exを印加する磁場発生装置（第１磁場印加部４）中に作製した磁気デバイス２０を設置し、外部磁場Ｈ_exの強さを徐々に増加させ4000Ｏｅ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。

【0027】

図９は、電気抵抗測定の結果を示すグラフである。図９の黒丸は外部磁場の強さを増加させたときの電気抵抗であり、白丸は外部磁場の強さを減少させたときの電気抵抗である。外部磁場を印加していない状態（キラルらせん磁気秩序）における磁性体部１の電気抵抗は約0.221Ω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のソリトン格子状態の周期が徐々に長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3000Ｏｅ以上になると磁性体部１の電気抵抗は約0.2195Ω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3000Ｏｅ以下となっても電気抵抗は約0.2195Ω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2050Ｏｅ（臨界磁場Ｈ_c）になると、電気抵抗は、約0.2204ΩとなりΔＲ＝0.0009Ω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状態に急峻に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0.221Ω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不可逆なヒステリシス（履歴）応答を示すことがわかった。過飽和状態からソリトン格子状態への変化は相転移現象であり、試料全体にわたりこの相転移が起きると考えられる。
従って、外部磁場が臨界磁場に達すると、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に急峻に変化し、この変化を磁性体部１の電気抵抗として検出することができることがわかった。また、この変化は、磁性体部１の光学特性の変化や電気伝導性の変化としても検出できると考えられる。

【0028】

次に、外部磁場により磁性体部１を強磁性状態にした後、外部磁場の大きさを臨界磁場Ｈ_cよりもΔＨだけ大きい強さになるように外部磁場を変化させ待機状態（過飽和状態、外部磁場は一定）とした。この待機状態において、図１０（ａ）〜（ｃ）のように第２磁場印加部５に＋ｘ方向の単発パルス波電流を流し第２磁場印加部５の同心円状に局所磁場Ｈ_localを発生させ、磁性体部１にＨ_exに加えてＨ_localを重畳した。この単発パルス波電流のパルス幅を500ｎｓ〜500μｓとして、様々な大きさの単発パルス電流を流した後の磁性体部１の電気抵抗を測定した。なお、1ｎｓ〜100ｍｓのパルス幅に対して同様の結果が得られることがわかっている。Ｈ_localの大きさは磁性体部１の内部において空間分布しているが、Ｈ_localを磁性体部１の直下位置での磁場の大きさとして定義し、印加した電流値から計算される値を示している。

【0029】

図１０（ｄ）は、待機状態のΔＨを3Ｏｅとしたときの電気抵抗測定の結果を示すグラフである。Ｈ_localが50Ｏｅ以下の場合、電気抵抗は約0.2195Ωであり、待機状態から変化しなかった。また、Ｈ_localが約55Ｏｅ以上になると電気抵抗は約0.2204となり、ΔＲ＝0.0009Ωだけ急激に増加した。これは、Ｈ_localが55Ｏｅ以上になると、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に変化したためと考えられる。なお、Ｈ_localが強磁性状態からソリトン格子状態への変化を起こしたときの第２磁場印加部５に流した電流を臨界電流Ｉ_cという。

【0030】

これらの結果から、Ｈ_exを一定とし第２磁場印加部５に入力信号電流を流すと、Ｈ_localが50Ｏｅ以下の場合には、磁性体部１の電気抵抗が変化せず、Ｈ_localが55Ｏｅ以上になると磁性体部１の電気抵抗が大きく変化することが分かった。従って、Ｈ_localが50Ｏｅ〜55Ｏｅとなる臨界電流Ｉ_cを閾値Ｉ_thとする入力信号電流を第２磁場印加部５に流すと、入力信号を磁性体部１の電気抵抗に変換し出力信号を出力することができることがわかった。なお、ここでは、入力信号を磁性体部１の電気抵抗に変換しているが、磁性体部１の両側の電位差としても出力信号を出力することができる。また、閾値の電流Ｉ_thを第２磁場印加部５に流したときに、第２磁場印加部５により磁性体部１に印加される磁場の強さをＨ_thと表記する。
また、図１１は、待機状態のΔＨを3Ｏｅ又は5Ｏｅとしたときの電気抵抗測定の結果を示すグラフである。ΔＨが3ＯｅとするとＨ_localが25〜35Ｏｅで磁性体部１の電気抵抗が大きく変化し、ΔＨが5ＯｅとするとＨ_localが45〜55Ｏｅで磁性体部１の電気抵抗が大きく変化することがわかった。従って、待機状態のΔＨを変えることにより臨界電流Ｉ_cを変えることができることがわかった。
このことを利用した論理回路装置については後述する。

【0031】

次に、外部磁場により待機状態にした後、図１２（ａ）（ｂ）のように第２磁場印加部５に‐ｘ方向の単発パルス波電流を流し第２磁場印加部５の同心円状に局所磁場Ｈ_localを発生させ、磁性体部１にＨ_exに加えてＨ_localを重畳した。この単発パルス波電流のパルス幅を500ｎｓ〜500μｓとして、様々な大きさの単発パルス電流を流した際の磁性体部１の電気抵抗を測定した。

【0032】

図１２（ｃ）は、電気抵抗測定の結果を示すグラフである。この測定では、局部磁場を250Ｏｅまで大きくしても磁性体部１の電気抵抗は変化しなかった。これは、磁性体部１の強磁性状態が維持されたためと考えられる。従って、第２磁場印加部５に流す電流の向きにより強磁性状態からソリトン格子状態への変化を起こすＨ_localの大きさが変わることがわかった。よって、第２磁場印加部５に流す電流の向きにより、Ｈ_localを与える閾値Ｈ_thを変化させることができると考えられ、閾値Ｈ_thは電流の流れる方向に依存すると考えられる。このように、キラルらせん磁気秩序を示す磁性体では、電流を流す方向に対して電気伝導特性の変化が非対称応答を示すことがわかった。
この結果から第２磁場印加部５に入力信号電流を流す場合、電流を流す方向により閾値を変えることができることが考えられる。また、第２磁場印加部５に交流の入力信号電流を流した場合、小さいほうの閾値で磁性体部１の電気抵抗を変化させることが可能である。

【0033】

電気抵抗測定２
次に、ＣｒＮｂ₃Ｓ₆磁性体の磁気秩序のらせん軸方向を変えた磁気デバイス２０を作製し、磁性体部１の電気抵抗測定を行った。作製した磁気デバイス２０は、磁性体部１の磁気秩序のらせん軸を横切る方向に電流が流れるように通電用電極８を設けたこと以外は電気抵抗測定１と同じである。図１３は作製した磁気デバイス２０のＳＩＭ像である。また、測定方法も電気抵抗測定１と同じである。

【0034】

図１４は、外部磁場Ｈ_exの強さを徐々に増加させた後、外部磁場の強さを徐々に減少させ印加磁場を変化させた際の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（ソリトン格子状態）における磁性体部１の電気抵抗は約0.398Ω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。そして外部磁場の強さが3500Ｏｅ以上になると磁性体部１の電気抵抗は約0.382Ωで安定した。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3500Ｏｅ以下となっても電気抵抗は約0.382Ωで安定しており、磁性体部１は過飽和状態となった。そして、外部磁場の大きさが約2050Ｏｅ（臨界磁場Ｈ_c）になると、電気抵抗は、約0.392ΩとなりΔＲ＝0.01Ωだけ急激に増加した。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0.398Ωに戻った。

【0035】

この結果から、磁性体のらせん磁気秩序のらせん軸の方向を変えても、磁性体部１の強磁性状態からソリトン格子状態への急な変化は生じることが確かめられた。また、磁性体部１の磁気秩序のらせん軸を横切る方向に電流を流すと、臨界磁場における電気抵抗の変化ΔＲを大きくすることができることがわかった。

【0036】

次に、外部磁場により待機状態にした後、図１５（ａ）のように第２磁場印加部５に＋ｘ方向の単発パルス波電流を流し第２磁場印加部５の同心円状に局所磁場Ｈ_localを発生させ、磁性体部１にＨ_exに加えてＨ_localを重畳した。この単発パルス波電流のパルス幅を5μｓとして、様々な大きさの単発パルス電流を流した際の磁性体部１の電気抵抗を測定した。
図１５（ｂ）は、電気抵抗測定の結果を示すグラフである。Ｈ_localが75Ｏｅ以下の場合、電気抵抗は約0.383Ωであり、待機状態から変化しなかった。また、Ｈ_localが約75Ｏｅより大きくなると電気抵抗は約0.393Ωとなり、ΔＲ＝0.01Ωだけ急激に増加した。これは、Ｈ_localが75Ｏｅより大きくなると、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に変化したためと考えられる。
次に、外部磁場により待機状態にした後、第２磁場印加部５に‐ｘ方向の単発パルス波電流を流し第２磁場印加部５の同心円状に局所磁場Ｈ_localを発生させ、磁性体部１にＨ_exに加えてＨ_localを重畳した。この単発パルス波電流のパルス幅を5μｓとして、様々な大きさの単発パルス電流を流した際の磁性体部１の電気抵抗を測定した。この場合、磁性体部１が強磁性状態からソリトン格子状態に変化させるＨ_localの大きさはほぼ75Ｏｅであり、＋ｘ方向に単発パルス電流を流した場合とほとんど同じであった。
この結果から、磁性体のらせん磁気秩序のらせん軸の方向を変えた場合、Ｈ_localが約75Ｏｅとなる電流を閾値とする入力信号電流を第２磁場印加部５に流すと、入力信号を磁性体部１の電気抵抗に変換し出力信号を出力することができることがわかった。また、磁性体のらせん磁気秩序のらせん軸の方向を変えた場合は、Ｈ_localを与える閾値Ｈ_thは第２磁場印加部５に流れる電流の方向にほとんど依存しないことがわかった。

【0037】

電気抵抗測定３
図３、４に示したような磁気デバイス２０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出力用電極９を設けた。また、磁性体部１の下側に直線状の５本の信号線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ（第２磁場印加部５）を設けた。
図１６は作製した磁気デバイス２０のＳＩＭ像である。外部磁場Ｈ_exを印加する磁場発生装置（第１磁場印加部４）中に作製した磁気デバイス２０を設置し、電気抵抗測定を行った。なお、図１７（ａ）は、作製した磁気デバイス２０の概略上面図である。

【0038】

まず、外部磁場Ｈ_exを印加し磁性体部１を強磁性状態にした後、外部磁場の大きさを臨界磁場Ｈ_cよりもΔＨ＝3Ｏｅだけ大きい強さになるように外部磁場を変化させ待機状態とした。この待機状態において、（１）信号線５ａにＨ１からＨ６に向かう様々な大きさの単発パルス波電流Ｉ_local（パルス幅：5μｓ）を流した際の磁性体部１の電気抵抗を測定した。また、同様の実験を、（２）信号線５ｂにＨ２からＨ７に向かう電流を流した場合、（３）信号線５ｃにＨ３からＨ８に向かう電流を流した場合、（４）信号線５ｄにＨ４からＨ９に向かう電流を流した場合、（５）信号線５ｅにＨ５からＨ１０に向かう電流を流した場合、（６）信号線５ａにＨ６からＨ１に向かう電流を流した場合、（７）信号線５ｂにＨ７からＨ２に向かう電流を流した場合、（８）信号線５ｃにＨ８からＨ３に向かう電流を流した場合、（９）信号線５ｄにＨ９からＨ４に向かう電流を流した場合、（１０）信号線５ｅにＨ１０からＨ５に向かう電流を流した場合について行った。

【0039】

これらの結果を図１７（ｂ）〜（ｆ）、図１８（ａ）〜（ｅ）に示す。（２）〜（５）の電流を流した場合、電気抵抗の急な変化は測定されなかったが、（１）Ｈ１→Ｈ６では、６４．８mA以上のＩ_localを流した際に電気抵抗の変化が測定され臨界電流Ｉ_cは、６４．８mAであった。また、（６）Ｈ６→Ｈ１では、Ｉ_cは５３．４mAであり、（７）Ｈ７→Ｈ２では、Ｉ_cは２９．２mAであり、（８）Ｈ８→Ｈ３では、Ｉ_cは１８．８mAであり、（９）Ｈ９→Ｈ４では、Ｉ_cは１０．１mAであり、（１０）Ｈ１０→Ｈ５では、Ｉ_cは５．６mAであった。これらの結果から、臨界電流Ｉ_cは、（１０）→（９）→（８）→（７）→（６）→（１）と電流を流す場所又は向きを変えることにより徐々に大きくなることがわかった。これは、電流を流す場所又は向きにより局所磁場が発生する場所又は局所磁場の向きが変わるためと考えられる。また、（２）〜（５）についても、局所磁場の強さをさらに大きくすると、電気抵抗の変化は生じ順々に大きくなると推測される。
これらの結果から、電流を流す場所又は向きにより臨界電流Ｉ_cを変えることができることがわかった。従って、局所磁場を発生させる信号線５を複数設け、入力信号電流を流す場所や流す向きを変えることにより、同一素子内に複数の入力閾値が埋め込まれた磁気デバイス２０を形成することができる。また、この閾値分布を利用した論理回路装置については後述する。

【0040】

次に、外部磁場の印加方向を逆向きにして、（１）〜（１０）のように信号線５に単発パルス波電流Ｉ_localを流し、同様の電気抵抗測定を行った。（７）〜（１０）の電流を流した場合、電気抵抗の急な変化は測定されなかったが、（１）Ｈ１→Ｈ６では、４８．８mA以上のＩ_localを流した際に電気抵抗の変化が測定され臨界電流Ｉ_cは、４８．８mAであった。また、（２）Ｈ２→Ｈ７では、Ｉ_cは２９．０mAであり、（３）Ｈ３→Ｈ８では、Ｉ_cは１８．６mAであり、（４）Ｈ４→Ｈ９では、Ｉ_cは１１．８mAであり、（５）Ｈ５→Ｈ１０では、Ｉ_cは４．６４mAであり、（６）Ｈ６→Ｈ１では、Ｉ_cは６４．８mAであった。これらの結果から、臨界電流Ｉ_cは、（５）→（４）→（３）→（２）→（１）→（６）と電流を流す場所又は向きを変えることにより徐々に大きくなることがわかった。このことから、外部磁場の印加方向を反転させると、臨界電流Ｉ_cは、逆の順番で大きくなることがわかった。また、外部磁場の印加方向を反転させることにより、信号線５に流す入力信号電流の閾値を変化させることができることがわかった。
また、（７）〜（１０）についても、局所磁場の強さをさらに大きくすると、電気抵抗の変化は生じ順々に大きくなると推測される。

【0041】

磁気デバイスを用いた論理回路装置
本実施形態の磁気デバイス２０を用いた論理回路装置及びその動作方法について説明する。なお、ここでの説明は、論理回路装置の動作方法の一例であり、他にも様々な動作方法がある。
磁気デバイス２０を用いて形成したＮＯＴ回路について説明する。図１９（ａ）はＮＯＴ回路の概略回路図であり、図１９（ｂ）は信号線５に流す単発パルス波電流Ｉ_localの大きさを変化させた際の磁性体部１の電気抵抗Ｒの測定結果を示すグラフであり、図１９（ｃ）はＮＯＴ回路の動作表であり、図１９（ｄ）はＮＯＴ回路のタイミングチャートである。
図１９（ｂ）に示したように、ソリトン格子状態に変わった後の磁性体部１の電気抵抗を出力信号０とし、待機状態（強磁性状態）の磁性体部１の電気抵抗を出力信号１とする。なお、出力信号は、電圧信号として出力するが、ここでは、磁性体部１の電気抵抗で説明する。また、入力信号の閾値Ｈ_thは、臨界電流Ｉ_c（閾値Ｉ_th）を流したときに磁性体部に印加される磁場の強さとすることができる。

【0042】

図１９（ｄ）に示したタイムチャートのように、第１磁場印加部４により磁性体部１への外部磁場を印加し、信号線５に入力信号電流を流すことにより、ＮＯＴ回路を動作させる。
まず、磁性体部１へ外部磁場を印加し、磁性体部１を強磁性状態にする。その後、外部磁場の強さを減少させ磁性体部１を待機状態にする。この状態では磁性体部１の電気抵抗Ｒは小さく、出力信号は１の状態である。このように外部磁場を印加する動作を初期化という。
その後、信号線５に閾値Ｈ_thとなる入力信号電流の１つのビットを流す。このビットが閾値Ｈ_thよりも小さいレベルの信号（入力信号が０）の場合、磁性体部１は過飽和状態（強磁性状態）のままであり電気抵抗は変わらないため、出力信号は１となる。入力信号電流のビットが閾値Ｈ_thよりも大きいレベルの信号（入力信号が１）の場合、磁性体部１はソリトン格子状態に変化し電気抵抗は大きくなり、出力信号は０となる。このように信号線５に入力信号のビットを流す動作を入力という。
このような初期化と入力を繰り返すことにより、図１９（ｃ）に示した動作表のように、入力信号が０になったとき出力信号を１にすることができ、入力信号が１になったとき出力信号を０にすることができる。
従って、本実施形態の磁気デバイス２０を用いてＮＯＴ回路（論理回路装置）を形成することができる。

【0043】

次に、本実施形態の磁気デバイス２０の多機能化について説明する。図２０の左上の図のように磁性体部１に近接して３本の信号線５ａ、５ｂ、５ｃを設ける。この場合、図１７、図１８に示した測定結果と同様に、臨界電流Ｉ_c（閾値Ｉ_th）が入力信号電流を流す信号線５の位置及び電流の向きにより異なるため、入力信号電流の流し方により６通りの閾値の異なる入力信号を処理することが可能になる。図２０の左上の図では、閾値Ｈ_thを例えば、５、１０、１５、２０、２５、３０として入力信号を処理することが可能である。
図１１に示した測定結果のように待機状態のΔＨを大きくすると閾値Ｈ_thを大きくすることができるため、図２０の右上の図のように、ΔＨを大きくすることにより閾値Ｈ_thを例えば、１０、１５、２０、２５、３０、３５として入力信号を処理することが可能である。従って、初期化の動作を変更しΔＨを変えることにより、閾値Ｈ_thを変えることが可能である。

【0044】

図２０の左下の図のように、信号線５の数を増やすことができる。この磁気デバイスでは、入力信号電流の流し方により１０通りの閾値の異なる入力信号を処理することが可能になる。従って、信号線５の数を増やすことにより、処理可能な入力信号を増やすことができる。

【0045】

電気抵抗測定３の測定結果のように外部磁場の印加方向を反転させると閾値Ｈ_thの順番を変えることができるため、図２０の右下の図のように外部磁場Ｅ_exの印加方向を反転させることにより、閾値Ｈ_thを例えば、３０、２５、２０、１５、１０、５に変えることができる。従って、外部磁場Ｅ_exの印加方向を反転させることにより、閾値Ｈ_thを変えることが可能である。外部磁場の大きさ・向きなどにより閾値Ｈ_thを変化させることができる特性はゲーティング機能として用いることが可能である。

【0046】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＮＯＲ回路について説明する。図２１（ａ）は、２本の信号線５ａ、５ｂを設けた磁気デバイス２０を用いたＮＯＲ回路の概略回路図であり、図２１（ｂ）は、２つの磁気デバイス２０ａ、２０ｂを組み合わせたＮＯＲ回路の概略回路図であり、図２１（ｃ）はＮＯＲ回路の動作表であり、図２１（ｄ）はＮＯＲ回路のタイミングチャートである。図２１（ａ）のＮＯＲ回路では、入力Ａは信号線５ａで閾値Ｈ_th（Ａ）が５であり、入力Ｂは信号線５ｂで閾値Ｈ_th（Ｂ）が１５である。図２１（ｂ）のＮＯＲ回路では、入力Ａは磁気デバイス２０ａの信号線５ａで閾値Ｈ_th（Ａ）が５であり、入力Ｂは磁気デバイス２０ｂの信号線５ａで閾値Ｈ_th（Ｂ）が５である。

【0047】

図２１（ｄ）に示したタイムチャートのように、まず、外部磁場を変化させることにより磁性体部１を待機状態とし初期化を行う。この状態では磁性体部１の電気抵抗Ｒは小さく、出力信号は１の状態である。その後、入力Ａに閾値Ｈ_th（Ａ）となる入力信号電流のビットを流し、入力Ｂに閾値Ｈ_th（Ｂ）とする入力信号電流のビットを流す。入力Ａ、Ｂが閾値Ｈ_thよりも小さいレベルの信号（入力信号が０）の場合、磁性体部１は過飽和状態（強磁性状態）のままであり電気抵抗は変わらないため、出力信号は１となる。入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも小さいレベルの信号（入力信号が０）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）である場合、図２１（ａ）では磁性体部１がソリトン格子状態に変化し電気抵抗は大きくなり出力信号は０となり、図２１（ｂ）では、磁気デバイス２０ｂの磁性体部１がソリトン格子状態に変化し電気抵抗は大きくなり出力信号は０となる。また、入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも小さいレベルの信号（入力信号が０）である場合、及び入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）である場合も出力信号は０となる。従って、図２１（ｃ）に示した動作表のように、ＮＯＲ回路を動作させることができる。

【0048】

図２２（ａ）は、３入力のＮＯＲ回路の概略回路図であり、図２２（ｂ）は３入力のＮＯＲ回路の動作表である。また、図２３（ａ）は、ｍ入力（多入力）のＮＯＲ回路の概略回路図であり、図２３（ｂ）はｍ入力のＮＯＲ回路の動作表である。これらのＮＯＲ回路のように複数の信号線５を設けることにより、多入力のＮＯＲ回路を形成することができる。また、１ケの磁気デバイス２０を用いて３入力及びｍ入力のＮＯＲ回路を形成することができる。ＣＭＯＳでｍ入力のＮＯＲ回路を形成する場合、２ｍケのＣＭＯＳが必要であることが知られている。従って、多値演算に対して本方式はスケールメリットがあるといえる。

【0049】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路の変換可能な回路について説明する。図２４（ａ）は、２つの磁気デバイス２０ａ、２０ｂを組み合わせたＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、図２４（ｂ）はＮＯＲ回路の動作表であり、図２４（ｃ）はＮＡＮＤ回路の動作表であり、図２４（ｄ）はＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路のタイミングチャートである。図２４（ａ）のＮＯＲ回路／ＮＡＮＤ回路では、入力Ａは磁気デバイス２０ａの信号線５ａで閾値Ｈ_th（Ａ）が５であり、入力Ｂは磁気デバイス２０ｂの信号線５ａで閾値Ｈ_th（Ｂ）が５である。

【0050】

図２４（ｄ）に示したタイムチャートのように、まず、外部磁場を変化させることにより磁性体部１を待機状態とし初期化を行う。この状態では磁性体部１の電気抵抗Ｒは小さく、出力信号は１の状態である。その後、入力Ａに閾値Ｈ_th（Ａ）の入力信号電流のビットを流し、入力Ｂに閾値Ｈ_th（Ｂ）の入力信号電流のビットを流す。
入力Ａ、Ｂが閾値Ｈ_thよりも小さいレベルの信号（入力信号が０）の場合、磁性体部１は過飽和状態（強磁性状態）のままであり電気抵抗は変わらないため、出力信号は１となる。

【0051】

入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも小さいレベルの信号（入力信号が０）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）である場合、磁気デバイス２０ｂの磁性体部１がソリトン格子状態に変化し電気抵抗は大きくなる。このとき図２４（ｄ）のように出力は中間値となり、この中間値が出力の閾値を超えている場合出力信号は１になり、閾値を超えていない場合には出力信号は０になる。また、入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも小さいレベルの信号（入力信号が０）である場合も中間値が出力の閾値を超えている場合出力信号は１になり、閾値を超えていない場合には出力信号は０になる。
また、入力Ａが閾値Ｈ_th（Ａ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）であり、入力Ｂが閾値Ｈ_th（Ｂ）よりも大きいレベルの信号（入力信号が１）である場合、磁気デバイス２０ａ、２０ｂの磁性体部１がソリトン格子状態に変化し電気抵抗は大きくなり、出力信号は０になる。
従って、出力の閾値を図２４（ｄ）のOutput Xのように設定した場合には、図２４（ｂ）のようにＮＯＲ回路として動作させることができ、出力の閾値を図２４（ｄ）のOutput Yのように設定した場合には、図２４（ｃ）のようにＮＡＮＤ回路として動作させることができる。

【0052】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＮＯＴ回路の有効化及び無効化を切り替えることができることを説明する。図２５はＮＯＴ回路の概略回路図である。図２５の左図では、下向きの入力信号電流を流したときの閾値Ｈ_thが５となり、上向きの入力信号電流を流したときの閾値Ｈ_thが３０となるように信号線５ａを設けている。そして、信号線５ａに閾値Ｈ_thが５の入力信号電流を流すことにより、ＮＯＴ回路を動作させることができる。
このＮＯＴ回路を無効化する場合、図２５の右図のように外部磁場の向きを反転させる。このことにより、信号線５ａの閾値を３０に変換することができ、閾値５の入力信号に対して出力信号が応答しないようにＮＯＴ回路を無効化することができる。さらに、信号線５ａに閾値Ｈ_thが３０の入力信号電流を流すことにより、再度、ＮＯＴ回路を動作させることができる。
よって、外部磁場の向きを反転させることにより、ＮＯＴ回路の無効化と有効化を制御することができる。ＮＯＴ回路を無効化している場合には、ＮＯＴ回路は単なるワイヤーとみなすことができる。また、入力信号電流を増減することにより、ＮＯＴ回路の無効化と有効化を制御することができる。
従って、磁気デバイス２０を用いて形成した論理回路装置の論理機能を変化させることが可能である。

【0053】

次に、複数の信号線５を設けた磁気デバイス２０を用いて形成したＮＯＴ回路の有効化及び無効化を切り替えることができることを説明する。図２６（ａ）〜（ｃ）は、３本の信号線５ａ、５ｂ、５ｃを設けた磁気デバイス２０の概略図である。この磁気デバイス２０では、入力信号電流を流す信号線５の選択及び電流の向きにより、閾値Ｈ_thを５、１０、１５、２０、２５及び３０のうちから選択することができる。図２６（ａ）では、局所磁場の最大値が７の入力信号電流を信号線５ａ、５ｂに下向きに流す。この場合、入力信号の閾値に５を用いることができ、信号線５ａに下向きに流した電流により磁性体部１の電気抵抗は変化する。また、信号線５ｂに流した電流では磁性体部１の電気抵抗は変化しないが、信号線５ａへの信号入力のため磁性体部１の電気抵抗は変化している。このため、磁気デバイス２０はＮＯＴ回路として動作する。図２６（ｂ）では、局所磁場の最大値が７の入力信号電流を信号線５ａ、５ｃに下向きに流す。この場合も入力信号の閾値に５を用いることができ信号線５ａに下向きに流した電流により磁性体部１の電気抵抗は変化するため、磁気デバイス２０はＮＯＴ回路として動作する。図２６（ｃ）では、局所磁場の最大値が７の入力信号電流を信号線５ｂ、５ｃに下向きに流す。この場合、入力信号電流が閾値１０及び１５に達しないため磁性体部１の抵抗値は変化せず、ＮＯＴ回路として動作しない。
従って、入力信号電流を流す信号線の選択及び電流の向きの選択により、ＮＯＴ回路の有効化及び無効化を切り替えることができる。

【0054】

次に、２本の信号線５ａ、５ｂを設けた磁気デバイス２０を用いて形成した回路の機能を切り替えることができることを説明する。図２７はＮＯＴ回路／ＮＯＲ回路の概略回路図である。図２７の左図では、閾値を５、１５、２０、３０から選択できるように、信号線５ａ、５ｂが設けられている。また、入力信号電流は、信号線５ａ、５ｂを下向きに流れる。従って、閾値Ｈ_thは５と１５になる。
入力信号電流により生じる局所磁場が５より小さい場合、磁性体部１の電気抵抗は変化せず磁気デバイス２０はワイヤーとみなすことができる。
入力信号電流により生じる局所磁場の最大値が５以上で１５より小さい場合、入力信号の閾値を５とすることができ、信号線５ａを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができる。なお、信号線５ｂでは入力信号の閾値が１５であるため、信号線５ｂを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることはできないが、信号線５ａへの信号入力のため磁性体部１の電気抵抗は変化している。従って、磁気デバイス２０をＮＯＴ回路として機能させることができる。
入力信号電流により生じる局所磁場の最大値が１５以上場合、信号線５ａ及び信号線５ｂでの入力信号の閾値を５、１５とすることができ、信号線５ａ及び信号線５ｂを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができる。従って、磁気デバイス２０をＮＯＲ回路として機能させることができる。

【0055】

また、図２７の右図のように磁場の向きを反転させると、信号線５ａ、５ｂの閾値Ｈ_thは３０と２０になる。
入力信号電流により生じる局所磁場が２０より小さい場合、磁性体部１の電気抵抗は変化せず磁気デバイス２０はワイヤーとみなすことができる。
入力信号電流により生じる局所磁場の最大値が２０以上で３０より小さい場合、入力信号の閾値を２０とすることができ、信号線５ｂを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができる。なお、信号線５ａでは入力信号の閾値が３０であるため、信号線５ａを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることはできないが、信号線５ｂへの信号入力のため磁性体部１の電気抵抗は変化している。従って、磁気デバイス２０をＮＯＴ回路として機能させることができる。
入力信号電流により生じる局所磁場の最大値が３０以上場合、信号線５ｂ及び信号線５ａでの入力信号の閾値を２０、３０とすることができ、信号線５ａ及び信号線５ｂを流れる電流により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができる。従って、磁気デバイス２０をＮＯＲ回路として機能させることができる。
従って、入力信号電流の大きさを変えることや、外部磁場の向きを変えることにより回路の機能を、ワイヤー、ＮＯＴ回路、ＮＯＲ回路のいずれかに変換することができる。

【0056】

次に、複数の信号線５を設けた磁気デバイス２０を用いて形成した回路の機能を切り替えることができることを説明する。図２８（ａ）（ｂ）、図２９（ａ）〜（ｄ）、図３０（ａ）（ｂ）は、３本の信号線５ａ、５ｂ、５ｃを設けた磁気デバイス２０の概略図である。これらの磁気デバイス２０では、入力信号電流を流す信号線５の選択及び電流の向きにより、閾値Ｈ_thを５、１０、１５、２０、２５及び３０のうちから選択することができる。また、３本の信号線のうちいずれか２本に入力信号電流を流す。
図２８（ａ）（ｂ）のように、信号線５ａ、５ｂに局所磁場の最大値が３の下向きの入力信号電流を流した場合や、信号線５ｂ、５ｃに局所磁場の最大値が７の下向きの入力信号電流を流した場合では、磁性体部１の電気抵抗は変化しないため、磁気デバイス２０はワイヤーとみなすことができる。
図２９（ａ）〜（ｄ）のように、入力信号電流の最大値が信号線５の一方の閾値よりも大きい場合、一方の信号線により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができるため、磁気デバイス２０は、ＮＯＴ回路として動作することができる。
図３０（ａ）（ｂ）のように、入力信号電流の最大値が信号線５の両方の閾値よりも大きい場合、両方の信号線により磁性体部１の電気抵抗を変化させることができるため、磁気デバイス２０は、ＮＯＲ回路として動作することができる。
従って、入力信号電流の大きさや選択する信号線に応じて回路の機能を、ワイヤー、ＮＯＴ回路、ＮＯＲ回路のいずれかに変換することができる。

【0057】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＡＮＤ回路について説明する。図３１（ａ）は、ＮＯＴ回路として機能する２つの磁気デバイス２０ａ、２０ｂと、ＮＯＲ回路として機能する１つの磁気デバイス２０ｃとを組み合わせたＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３１（ｂ）は、ＡＮＤ回路の動作表である。
このＡＮＤ回路は、磁気デバイス２０ａの信号線５ａに入力信号Ａが入力し、磁気デバイス２０ｂの信号線５ｂに入力信号Ｂが入力し、磁気デバイス２０ａの出力が磁気デバイス２０ｃの信号線５ａに入力し、磁気デバイス２０ｂの出力が磁気デバイス２０ｃの信号線５ｂに入力し、磁気デバイス２０ｃから出力信号が出力されるように設けられている。なお、各デバイス間には必要に応じてアンプを導入することができる。
このように磁気デバイス２０を組み合わせることにより、図３１（ｂ）の動作表のように動作するＡＮＤ回路を形成することができる。

【0058】

図３２（ａ）は、３入力のＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３２（ｂ）は３入力のＡＮＤ回路の動作表である。また、図３３（ａ）は、ｍ入力（多入力）のＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３３（ｂ）はｍ入力のＡＮＤ回路の動作表である。これらのＡＮＤ回路のように、ＮＯＲ回路の信号線５の数を増やしそれぞれの信号線５にＮＯＴ回路を接続することにより、多入力のＡＮＤ回路を形成することができる。また、４ケの磁気デバイス２０を用いて３入力のＡＮＤ回路を形成することができ、ｍ＋１ケの磁気デバイス２０を用いてｍ入力のＡＮＤ回路を形成することができる。

【0059】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＯＲ回路について説明する。図３４（ａ）は、ＮＯＲ回路として機能する磁気デバイス２０ａと、ＮＯＴ回路として機能する磁気デバイス２０ｂとを組み合わせたＯＲ回路の概略回路図であり、図３４（ｂ）はＯＲ回路の動作表である。
このＯＲ回路は、磁気デバイス２０ａの信号線５ａに入力信号Ａが入力し信号線５ｂに入力信号Ｂが入力し、磁気デバイス２０ａの出力が磁気デバイス２０ｂの信号線５ａに入力し、磁気デバイス２０ｂから出力信号が出力されるように設けられている。なお、各デバイス間には必要に応じてアンプを導入することができる。
このように磁気デバイス２０を組み合わせることにより、図３４（ｂ）の動作表のように動作するＯＲ回路を形成することができる。

【0060】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成したＮＡＮＤ回路について説明する。図３５（ａ）は、ＮＯＴ回路として機能する磁気デバイス２０ａ、２０ｂ、２０ｄと、ＮＯＲ回路として機能する磁気デバイス２０ｃとを組み合わせたＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３５（ｂ）はＮＡＮＤ回路の動作表である。
このＮＡＮＤ回路は、磁気デバイス２０ａの信号線５ａに入力信号Ａが入力し、磁気デバイス２０ｂの信号線５ａに入力信号Ｂが入力し、磁気デバイス２０ａの出力が磁気デバイス２０ｃの信号線５ａに入力し、磁気デバイス２０ｂの出力が磁気デバイス２０ｃの信号線５ｂに入力し、磁気デバイス２０ｃの出力が磁気デバイス２０ｄの信号線５ａに入力し、磁気デバイス２０ｄから出力信号が出力されるように設けられている。なお、各デバイス間には必要に応じてアンプを導入することができる。
このように磁気デバイス２０を組み合わせることにより、図３５（ｂ）の動作表のように動作するＮＡＮＤ回路を形成することができる。なお、ＮＡＮＤ回路は最小万能演算系の一つである。

【0061】

図３６（ａ）は、３入力のＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３６（ｂ）は３入力のＮＡＮＤ回路の動作表である。また、図３７（ａ）は、ｍ入力（多入力）のＮＡＮＤ回路の概略回路図であり、図３７（ｂ）はｍ入力のＮＡＮＤ回路の動作表である。これらのＮＡＮＤ回路のように、ＮＯＲ回路の信号線５の数を増やしそれぞれの信号線５にＮＯＴ回路を接続し、さらにＮＯＲ回路の出力をＮＯＴ回路の入力に接続することにより、多入力のＮＡＮＤ回路を形成することができる。また、５ケの磁気デバイス２０を用いて３入力のＮＡＮＤ回路を形成することができ、ｍ＋２ケの磁気デバイス２０を用いてｍ入力のＮＡＮＤ回路を形成することができる。ＣＭＯＳでｍ入力のＮＡＮＤ回路を形成する場合、２ｍケのＣＭＯＳが必要であることが知られている。従って、多値演算に対して本方式はスケールメリットがあるといえる。

【0062】

次に、磁気デバイス２０を用いて形成した論理回路を集積した電子回路について説明する。集積した電子回路は、図３８の左図のように４つの磁気デバイス２０を組み合わせることにより構成要素２２を形成し、図３８の右図に示したようにこの構成要素２２を複数組み合わせることにより形成することができる。
構成要素２２を構成する４つの磁気デバイス２０は、閾値の変更、ΔＨの変更、外部磁場の向きの変更、入力信号電流の大きさの変更、入力信号の入力方法などによりＮＯＲ回路、ＮＯＴ回路、ワイヤーなどに変換することができる。このため、構成要素２２は、ＮＯＴ回路、ＮＯＲ回路、ＡＮＤ回路、ＯＲ回路、ＮＡＮＤ回路などの各種の論理演算機能を切り替えることができ、同じ構成で異なる論理演算が可能になる。このような構成要素２２をアレイ状に集積して電子回路を形成することにより、論理演算を自由に構成することが可能になり、論理演算の再構成、多値化をすることが可能になり、また冗長性を予め備えることができる。

【符号の説明】

【0063】

１：磁性体部 ３：磁場印加部 ４：第１磁場印加部 ５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ：第２磁場印加部（信号線） ７：出力部 ８：通電用電極 ９：出力用電極 １１：基板 １３：絶縁部 １５：固定部材 １６：光源 １７：光検出部 ２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ：磁気デバイス ２２：構成要素

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】