特許 6754135 論理演算デバイスおよび論理演算方法

(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】6754135

(24)【登録日】2020年8月25日

(45)【発行日】2020年9月9日

(54)【発明の名称】論理演算デバイスおよび論理演算方法

(51)【国際特許分類】

   G06F 7/38 20060101AFI20200831BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20200831BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20200831BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20200831BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20200831BHJP

【ＦＩ】

   G06F7/38 630

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-209081(P2016-209081)

(22)【出願日】2016年10月25日

(65)【公開番号】特開2018-72962(P2018-72962A)

(43)【公開日】2018年5月10日

【審査請求日】2019年8月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】永長 直人

(72)【発明者】

【氏名】小椎八重 航

【審査官】 松浦 かおり

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／０６７７４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１２４１７６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ ５／０１

Ｇ０６Ｆ ７／３８−７／５３７

Ｇ０６Ｆ ７／５７−７／５７５

Ｇ０６Ｆ ７／７４−７／７８

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２７／２２

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／００−４３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スキルミオンを用いた論理演算デバイスであって、
磁性体と、
前記磁性体に前記スキルミオンを生成するための複数のスキルミオン生成部と、
生成された前記スキルミオンをトラップするための複数のトラップ部を有するトラップ群と、
前記トラップ部における前記スキルミオンのトラップ結果に応じた演算結果を検出する検出部と
を備え、
前記スキルミオンの移動方向と垂直な方向の前記磁性体の幅は、前記スキルミオンの直径の２倍以上である
論理演算デバイス。

【請求項2】

前記磁性体の一端に接続された第１転送電極と、
前記磁性体の前記一端と異なる他端に接続された第２転送電極と
を更に備え、
前記トラップ部は、前記第１転送電極から前記第２転送電極に電流を流した場合に前記スキルミオンが転送される方向において、前記複数のスキルミオン生成部よりも下流側に設けられている
請求項１に記載の論理演算デバイス。

【請求項3】

前記トラップ群に対応して設けられ、前記複数のトラップ部における前記スキルミオンのそれぞれのトラップ結果に応じた演算結果を検出する複数の検出部を備える
請求項１又は２に記載の論理演算デバイス。

【請求項4】

前記トラップ群は、第１トラップ部と第２トラップ部とを有し、
前記第１トラップ部と前記第２トラップ部との間の距離は、前記スキルミオンの直径以上である
請求項１から３のいずれか一項に記載の論理演算デバイス。

【請求項5】

前記トラップ群の下流側にトラップ群を更に備える
請求項１から４のいずれか一項に記載の論理演算デバイス。

【請求項6】

前記トラップ部の形状は、一辺のサイズが、前記スキルミオンの直径の１／３以上、４／３以下の多角形である
請求項１から５のいずれか一項に記載の論理演算デバイス。

【請求項7】

前記複数のスキルミオン生成部は、第１スキルミオン生成部と第２スキルミオン生成部とを有し、
前記第１スキルミオン生成部と前記第２スキルミオン生成部との間の距離は、前記スキルミオンの直径の０．５倍以上、１．５倍以下である
請求項１から６のいずれか一項に記載の論理演算デバイス。

【請求項8】

前記磁性体に予め定められた強度の磁場を与える磁場発生部を更に備え、
前記磁場発生部は、前記複数のスキルミオン生成部よりも小さい磁場を、前記トラップ部に与える
請求項１から７のいずれか一項に記載の論理演算デバイス。

【請求項9】

磁性体にスキルミオンを生成する段階と、
生成された前記スキルミオンを複数のトラップ部にトラップする段階と、
前記スキルミオンのトラップ結果に応じて演算結果を検出する段階と
を備え、
前記スキルミオンの移動方向と垂直な方向の前記磁性体の幅は、前記スキルミオンの直径の２倍以上である
論理演算方法。

【請求項10】

前記検出する段階は、前記複数のトラップ部における前記スキルミオンのそれぞれのトラップ結果に応じた演算結果を検出する段階を含む、
請求項９に記載の論理演算方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、論理演算デバイスおよび論理演算方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、スキルミオンを用いて情報を記憶するためのスキルミオンデバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 国際公開第２０１６−０６７７４４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、スキルミオンを用いた論理演算の手法に関して明らかにされていない。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、スキルミオンを用いた論理演算デバイスであって、磁性体と、磁性体にスキルミオンを生成するための複数のスキルミオン生成部と、生成されたスキルミオンをトラップするためのトラップ部と、トラップ部におけるスキルミオンのトラップ結果に応じた演算結果を検出する検出部とを備える論理演算デバイスを提供する。

【0005】

本発明の第２の態様においては、磁性体にスキルミオンを生成する段階と、生成されたスキルミオンをトラップする段階と、スキルミオンのトラップ結果に応じて演算結果を検出する段階とを備える論理演算方法を提供する。

【0006】

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】スキルミオン４０の一例を示す模式図である。

【図2】実施例１に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。

【図3】論理演算方法の一例を示すフローチャートである。

【図4】スキルミオン４０の動作の一例を示す。

【図5】スキルミオン４０同士に働くマグナス力を示す。

【図6】論理演算デバイス１００の動作の一例を示す。

【図7A】論理演算デバイス１００を用いた論理演算の一例を示す。

【図7B】論理演算デバイス１００を用いた論理演算の一例を示す。

【図8】論理演算デバイス１００の構造の一例を示す。

【図9】実施例２に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。

【図10】実施例３に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0009】

図１は、スキルミオン４０の一例を示す模式図である。図１において、各矢印は、スキルミオン４０における磁気モーメントの向きを示す。ｘ軸およびｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸はｘｙ平面に直交する軸である。

【0010】

磁性体１０は、ｘｙ平面に平行な平面を有する。磁性体１０中に配置したあらゆる向きを向く磁気モーメントは、スキルミオン４０を構成する。本例では、磁性体１０に印加する磁場の向きは＋ｚ軸方向である。この場合に、本例のスキルミオン４０の最外周の磁気モーメントは、＋ｚ軸方向に向く。

【0011】

磁気モーメントは、スキルミオン４０において、最外周から内側へ向けて渦巻状に回転していくように配置される。磁気モーメントの向きは、当該渦巻き状の回転に伴い渦の中心に向かって徐々に＋ｚ軸方向から−ｚ軸方向へ向きを変える。

【0012】

スキルミオン４０は、中心から最外周の間において、磁気モーメントの向きが連続的にねじれた構造を有する。このように、スキルミオン４０は、磁気モーメントの渦巻き構造を有するナノスケール磁気構造体である。スキルミオン４０が存在する磁性体１０が薄い板状固体材料の場合、スキルミオン４０を構成する磁気モーメントをその厚さ方向は同じ向きの磁気モーメントで構成している。即ち、磁性体１０の深さ方向（ｚ方向）には表面から裏面まで同じ向きの磁気モーメントを有する。本例において最外周とは、図１に示した外部磁場と同一の方向を向く磁気モーメントの円周を指す。本明細書において、スキルミオン４０の直径λとは、スキルミオン４０の最外周の直径を指す。

【0013】

［実施例１］
図２は、実施例１に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。論理演算デバイス１００は、磁性体１０、検出部１５、磁場発生部２０、測定部３４、第１転送電極５０、第２転送電極５５および転送用電源６０を備える。本例の磁性体１０には、スキルミオン生成部１１およびトラップ部１２が形成されている。

【0014】

磁性体１０は、薄層形状を有しており、全ての面が非磁性体に囲まれる。磁性体１０は、印加磁場に応じて、少なくともスキルミオン結晶相および強磁性相が発現する。スキルミオン結晶相は、スキルミオン４０が磁性体１０に発生可能な状態を指す。例えば磁性体１０は、カイラル磁性体である。スキルミオン４０が安定して存在できるように、磁性体１０は薄層状である。磁性体１０は、例えばスキルミオン４０の直径λの１０倍以下程度の厚みを有してよい。

【0015】

スキルミオン生成部１１は、磁性体１０にスキルミオン４０を生成する。スキルミオン生成部１１は、論理演算デバイス１００の入力部として機能する。スキルミオン生成部１１は、２つのスキルミオン生成部１１ａ，１１ｂを有する。本例のスキルミオン生成部１１は、２つの入力部を有するが任意のＮ個の入力部を有してよい。一例において、スキルミオン生成部１１は、磁性体１０の端部にパルス磁場を与えることによりスキルミオン４０を生成する。但し、スキルミオン生成部１１は、熱、電磁場、電流等によりスキルミオン４０を生成してもよい。なお、スキルミオン生成部１１ａは、第１スキルミオン生成部の一例であり、スキルミオン生成部１１ｂは、第２スキルミオン生成部の一例である。

【0016】

トラップ部１２は、スキルミオン４０をトラップする。トラップ部１２は、２つのトラップ部１２ａ，１２ｂを有する。トラップ部１２ａは第１トラップ部の一例であり、トラップ部１２ｂは第２トラップ部の一例である。トラップ部１２は、磁性体１０の他の領域よりも、スキルミオン４０が安定して存在可能な領域である。トラップ部１２は、例えば電流等によって外部からスキルミオン４０に力を与えなければ、スキルミオン４０がその場所にとどまる領域である。このような領域を形成するためには、後述するように磁場発生部２０から発生する磁場強度を、トラップ部１２周辺の磁場強度より弱い磁場強度とすれば実現できる。それぞれのトラップ部１２は、ｘｙ平面と平行な磁性体１０の表面において、予め定められた範囲を占める。

【0017】

磁場発生部２０は、磁性体１０に予め定められた磁場Ｈを印加する。本例では、磁場発生部２０を磁性体１０に対向して設ける。磁場発生部２０は、磁性体１０の裏面と対向して設けてよい。本例の磁場発生部２０は、磁性体１０を強磁性相にする磁場Ｈを発生する。また、磁場発生部２０は、薄膜状の磁性体１０の表面に略垂直な磁場Ｈを、磁性体１０に印加する。本例において磁性体１０は、ｘｙ平面と平行な表面（一面）を有しており、磁場発生部２０は、磁場発生部２０中の矢印で示すようにプラスｚ方向の磁場Ｈを発生する。

【0018】

また、磁場発生部２０は、スキルミオン生成部１１よりも小さい磁場を、トラップ部１２に与える。本例の磁場発生部２０は、磁性体１０のトラップ部１２に印加する磁場が、磁性体１０の他の領域に印加する磁場強度Ｈより小さい磁場Ｈａとなるような構造を有する。磁場発生部２０は、トラップ部１２に対向する領域の磁気モーメントの大きさが、他の領域と比べて小さくなるような構造を有してよい。磁場発生部２０は、トラップ部１２に対向する領域と、他の領域とで異なる材料により形成されてよい。また、磁場発生部２０は、トラップ部１２に対向する領域と、他の領域とで異なる厚みで形成されてよい。これにより、トラップ部１２に印加する磁場を他の領域よりも小さくして、スキルミオン４０をトラップ部１２に安定して存在させることができる。磁場発生部２０は、磁性体１０と離間していてよく、接触していてもよい。磁場発生部２０が金属の場合、磁場発生部２０は磁性体１０と離間していることが好ましい。

【0019】

第１転送電極５０は、磁性体１０の一端に接続される。第１転送電極５０は、非磁性材料で形成された導電体である。第１転送電極５０は、磁性体１０の延展方向に接続する。本例において磁性体１０の延展方向とは、ｘｙ平面に平行な方向を指す。第１転送電極５０は薄層形状を有してよい。また、第１転送電極５０は、磁性体１０と同一の厚みを有してよい。

【0020】

第２転送電極５５は、第１転送電極５０が設けられた磁性体１０の一端と異なる他端に接続される。第２転送電極５５は、非磁性材料で形成された導電体である。第２転送電極５５は、磁性体１０の延展方向に接続する。第１転送電極５０および第２転送電極５５は、電圧を印加した場合にｘｙ平面とほぼ平行な方向の転送用電流を磁性体１０に流すように配置する。本例の論理演算デバイス１００は、第１転送電極５０から第２転送電極５５に対して電流を流す。即ち、第２転送電極５５から第１転送電極５０に電子流が流れる。

【0021】

第１転送電極５０および第２転送電極５５は、磁性体１０においてスキルミオン４０を転送または消去する電流を流すのに用いられる。また、第１転送電極５０および第２転送電極５５は、磁性体１０にスキルミオン４０を生成するために用いられてよい。なお、本例における第１転送電極５０および第２転送電極５５の少なくとも一方は、スキルミオン４０の位置を検出する検出部１５に電流を流す電極としても機能してよい。本例の論理演算デバイス１００は、横電流駆動によりスキルミオン４０をｘ軸方向の正側へ運動させている。即ち、トラップ部１２は、第１転送電極５０から第２転送電極５５に電流を流した場合に、スキルミオン４０が移動する方向において、スキルミオン生成部１１よりも下流側に設けられている。なお、スキルミオン４０は、電流駆動以外にも、温度勾配、磁場勾配、さらには秩序した磁気モーメントがつくる波であるスピン波等により駆動できる。

【0022】

検出部１５は、トラップ部１２におけるスキルミオン４０のトラップ結果に応じた演算結果を検出する。より具体的には、検出部１５は、トラップ部におけるスキルミオン４０の有無を検出する。本例の検出部１５は、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を備える。検出部１５は、トラップ部１２に対応して設けられる。本例の検出部１５は、非磁性体薄膜１５１と、磁性体金属１５２との積層構造を有する。非磁性体薄膜１５１は、トラップ部１２に接して設けられる。磁性体金属１５２は、非磁性体薄膜１５１に積層して設けられる。磁性体金属１５２は、磁場発生部２０からの磁場によりｚ方向の磁気モーメントを有する。

【0023】

測定部３４は、測定用電源３１および電流計３２を備える。測定部３４は、検出部１５を介してトラップ部１２に電流を流す。測定部３４は、スキルミオン４０の有無に応じた抵抗の変化を測定することにより、トラップ部１２におけるスキルミオン４０の有無を検知する。測定用電源３１は、磁性体金属１５２と電流計３２との間に接続される。本例の電流計３２は、第１転送電極５０に接続されている。但し、電流計３２は、第２転送電極５５に接続されてもよい。

【0024】

例えば、検出部１５は、トラップ部１２にスキルミオン４０が存在する場合、非磁性体薄膜１５１の抵抗値は最大値を示し、スキルミオン４０が存在しない場合、非磁性体薄膜１５１の抵抗値は最小値を示す。検出部１５の高抵抗（Ｈ）状態と低抵抗（Ｌ）状態は、スキルミオン４０の有無に対応する。即ち、検出部１５は、スキルミオン４０の有無に応じた演算結果を検出できる。

【0025】

図３は、論理演算方法の一例を示すフローチャートである。本例ではステップＳ１００〜Ｓ１０４により論理演算を行う。

【0026】

ステップＳ１００において、論理演算デバイス１００は、磁性体１０にスキルミオン４０を生成する。スキルミオン４０の生成とは、磁性体１０にスキルミオン４０がない状態からスキルミオン４０を生成することに加えて、スキルミオンメモリデバイスに保存されたスキルミオン４０を転送することによりスキルミオン４０が入力される場合を含む。

【0027】

ステップＳ１０２において、論理演算デバイス１００は、生成されたスキルミオン４０をトラップする。スキルミオン４０をトラップする段階は、複数のスキルミオン４０が生成された場合に、全てのスキルミオン４０を一度にトラップしてもよいし、複数のスキルミオン４０を徐々に転送することにより、トラップしてもよい。

【0028】

ステップＳ１０４において、論理演算デバイス１００は、スキルミオン４０のトラップ結果に応じた演算結果を検出する。検出された演算結果は、スキルミオンメモリデバイスに記憶されてもよいし、他の論理演算デバイス１００の入力として用いられてもよい。

【0029】

本明細書に係る論理演算方法は、入力および出力としてスキルミオン４０を用いるので、スキルミオンメモリデバイスとの親和性が高い。スキルミオン４０を用いた論理演算方法が実現されることにより、データの演算から記録までをスキルミオン４０のみで一貫して実行できる。

【0030】

図４は、スキルミオン４０の動作の一例を示す。本例では、スキルミオン４０が不純物９０を超えて＋ｘ軸方向に移動する場合の動作を説明する。

【0031】

スキルミオン４０の濃淡は、磁気モーメントの向きを示す。スキルミオン４０は、図１で示したように渦状の磁気モーメントを有する。スキルミオン４０が存在しない磁性体１０の領域は、磁気モーメントが＋ｚ軸方向を向いている。スキルミオン４０に加えた矢印は、スキルミオン４０の中心から所定の距離だけ離れた磁気モーメントを示している。スキルミオン４０の中心のように、濃淡が最も濃い領域は、−ｚ軸方向の磁気モーメントを示している。スキルミオン４０は、一度生成すると安定して存在し、外部磁場を印加した磁性体１０中で情報伝達を担うキャリアとして働く。

【0032】

スキルミオン４０は、横電流駆動により＋ｘ軸方向に移動している。スキルミオン４０が不純物９０に近づくとスキルミオン４０には、不純物９０との間に斥力が生じる。斥力に応じて、スキルミオン４０には−ｙ軸方向にマグナス力が生じる。この場合、スキルミオン４０は、マグナス力により−ｙ軸方向に移動する。マグナス力は、力に対して垂直な向きに運動しようとする力である。これにより、スキルミオン４０は、−ｙ軸方向に不純物９０を避けて移動する。

【0033】

また、スキルミオン４０が不純物９０を超えても、スキルミオン４０には、不純物９０との間の斥力が生じる。そして、斥力に応じてスキルミオン４０には、＋ｙ軸方向のマグナス力が生じる。この場合、スキルミオン４０は、マグナス力により＋ｙ軸方向に移動する。その後、スキルミオン４０は、横電流駆動により＋ｘ軸方向に移動する。

【0034】

このように、スキルミオン４０は、＋ｘ軸方向への移動中に何らかの不純物９０に当たると、不純物９０を超えて移動する。不純物９０がスキルミオンである場合も、スキルミオン４０は、スキルミオンを追い越して移動する。

【0035】

図５は、スキルミオン４０同士に働くマグナス力を示す。本例ではスキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂの２つのスキルミオンの間の相互作用について考える。

【0036】

スキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂの間には斥力が働く。スキルミオン４０ａは、スキルミオン４０ｂよりも−ｘ軸方向側に位置している。スキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂが接近すると、スキルミオン４０ａには−ｙ軸方向のマグナス力が働き、スキルミオン４０ｂには＋ｙ軸方向のマグナス力が働く。スキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂは、マグナス力のため、ワルツを踊るように回転運動を行う。

【0037】

このようなスキルミオン４０同士の相互作用は、論理演算デバイスの設計を困難にしていた。しかしながら、本明細書に係る論理演算デバイス１００は、スキルミオン４０間の相互作用を逆手に取り、スキルミオン４０を用いて演算する。これにより、演算装置から記録装置に至るまで、スキルミオン４０を用いたデバイスのみで構成できる。次に、論理演算デバイス１００のより具体的な動作について説明する。

【0038】

図６は、論理演算デバイス１００の具体的な動作の一例を示す。本例の論理演算デバイス１００の動作は、論理積を与える場合の一例である。同図は、図６の（ａ）〜（ｆ）まで時系列で論理演算デバイス１００の動作を示す。論理演算デバイス１００の動作は、数値シミュレーション法による。本例の論理演算デバイス１００は、実施例１に係る論理演算デバイス１００と同様に、２つの入力部と２つの出力部を有する。なお、本例では、第１転送電極５０および第２転送電極５５を省略している。

【0039】

図６の（ａ）において、スキルミオン生成部１１ａにスキルミオン４０ａが生成され、スキルミオン生成部１１ｂにスキルミオン４０ｂが生成される。なお、磁性体１０は、磁気モーメントの向きが＋ｚ軸向きでない領域を端部に有する。このように、スキルミオン４０は、磁性体１０の端部における磁気モーメントが傾いた領域で生成される。

【0040】

図６の（ｂ）において、スキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂは、磁性体１０に流れる電流により、＋ｘ軸方向に移動する。

【0041】

図６の（ｃ）において、スキルミオン４０ｂがトラップ部１２ａにトラップされる。一方、スキルミオン４０ａは、スキルミオン４０ｂを追いかけるように＋ｘ軸方向に移動している。

【0042】

図６の（ｄ）において、スキルミオン４０ａがスキルミオン４０ｂに近づくと、スキルミオン４０同士に生じる斥力により、スキルミオン４０ａに−ｙ軸方向のマグナス力が生じる。これにより、スキルミオン４０ａは、−ｙ軸方向にも移動し始める。一方、スキルミオン４０ｂは、トラップ部１２ａによりトラップされているので、スキルミオン４０ｂに生じるマグナス力によって移動されない。即ち、トラップ部１２は、スキルミオン４０同士の斥力によりスキルミオン４０が移動しない程度に、スキルミオン４０を安定させる必要がある。

【0043】

図６の（ｅ）において、スキルミオン４０ａは、スキルミオン４０ｂを追い越す。また、スキルミオン４０ａは、スキルミオン４０ｂとの斥力により生じた＋ｙ軸方向のマグナス力により、＋ｙ軸方向にも移動する。

【0044】

図６の（ｆ）において、スキルミオン４０ａは、トラップ部１２ｂにトラップされる。これにより、トラップ部１２ａおよびトラップ部１２ｂには、スキルミオン４０ｂおよびスキルミオン４０ａがそれぞれトラップされる。

【0045】

ここで、スキルミオン生成部１１ａへの入力を"Ａ"とし、スキルミオン生成部１１ｂへの入力を"Ｂ"とする。また、トラップ部１２ａの出力を"Ａ'"とし、トラップ部１２ｂの出力を"Ｂ'"とする。また、スキルミオン４０が存在する場合を"１"として、スキルミオン４０が存在しない場合を"０"とする。

【0046】

例えば、Ａ＝１，Ｂ＝１の場合、Ｂ'＝１となる。それ以外の場合は、Ｂ'＝０となる。即ち、トラップ部１２ｂにスキルミオン４０がトラップされるのは、スキルミオン生成部１１ａおよびスキルミオン生成部１１ｂの両方にスキルミオン４０が生成された場合である。つまり、出力Ｂ'に着目すると、論理演算デバイス１００がＢ'＝Ａ・Ｂの論理演算を与えていることが分かる。したがって、論理演算デバイス１００は、論理積を演算するデバイスとして機能する。

【0047】

図７Ａおよび図７Ｂは、論理演算デバイス１００を用いた論理演算の一例を示す。本例の論理演算デバイス１００の動作は、論理和を与える場合の一例である。本例の論理演算デバイス１００は、実施例１に係る論理演算デバイス１００と同様に、２つの入力部と２つの出力部を有する。なお、本例では、第１転送電極５０および第２転送電極５５を省略している。

【0048】

図７Ａでは、スキルミオン生成部１１ａにのみ入力がある場合の一例である。即ち、スキルミオン生成部１１ａにスキルミオン４０ａを生成し、スキルミオン生成部１１ｂにはスキルミオン４０ｂを生成しない。スキルミオン生成部１１ａのみでスキルミオン４０ａを生成した場合、トラップ部１２ａがスキルミオン４０ａをトラップする。トラップ部１２ａに着目すると、Ａ＝１，Ｂ＝０の場合にＡ'＝１を出力している。

【0049】

図７Ｂは、スキルミオン生成部１１ｂにのみ入力がある場合の一例である。即ち、スキルミオン生成部１１ａにはスキルミオン４０ａを生成せず、スキルミオン生成部１１ｂにスキルミオン４０ｂを生成する。スキルミオン生成部１１ｂのみでスキルミオン４０ｂを生成した場合、トラップ部１２ａがスキルミオン４０ｂをトラップする。トラップ部１２ａに着目すると、Ａ＝０，Ｂ＝１の場合にＡ'＝１を出力している。

【0050】

以上の通り、スキルミオン生成部１１ａおよびスキルミオン生成部１１ｂのいずれかでスキルミオン４０を生成した場合、いずれの場合もトラップ部１２ａにのみスキルミオン４０がトラップされるのでトラップ結果に変わりはない。つまり、論理演算デバイス１００の出力に変わりはない。

【0051】

また、Ａ＝１，Ｂ＝０の場合、Ａ＝０，Ｂ＝１の場合、およびＡ＝１，Ｂ＝１の場合、Ａ'＝１となり、Ａ＝０，Ｂ＝０の場合、Ａ'＝０となる。つまり、入力ＡおよびＢのいずれかに入力があれば出力は"１"となる。したがって、論理演算デバイス１００は、論理和を演算するデバイスとして機能する。

【0052】

以上の通り、論理演算デバイス１００は、論理積として、Ｂ'＝Ａ・Ｂの論理演算を与える。また、論理演算デバイス１００は、論理和として、Ａ'＝Ａ＋Ｂの論理演算を与える。即ち、論理演算デバイス１００は、実施例１に記載の構造を有することにより、論理積および論理和の両方の結果を一度に与えることができる。

【0053】

図８は、論理演算デバイス１００の構造の一例を示す。本例の論理演算デバイス１００は、２つのスキルミオン生成部１１ａ，１１ｂおよび２つのトラップ部１２ａ，１２ｂを備える。

【0054】

磁性体１０のｙ軸方向の幅Ｗ１は、スキルミオン４０がトラップされたスキルミオン４０を追い越せるのに十分な幅を有する。例えば、幅Ｗ１は、スキルミオン４０の直径λの２倍以上である。幅Ｗ１は、スキルミオン４０の移動方向と垂直な方向における磁性体１０の幅である。

【0055】

スキルミオン生成部１１は、磁性体１０の端部を含む領域に対応して設けられる。スキルミオン生成部１１ａとスキルミオン生成部１１ｂとの間の距離Ｄ１は、スキルミオン生成部１１ａおよびスキルミオン生成部１１ｂで生成されたスキルミオン４０ａおよびスキルミオン４０ｂが互いに干渉しない距離であることが好ましい。干渉する場合とは、一方で生成されたスキルミオン４０により他方で生成されたスキルミオン４０の生成を邪魔する場合等である。例えば、本例のスキルミオン生成部１１ａとスキルミオン生成部１１ｂとの間の距離は、スキルミオン４０の直径λの０．５倍以上、１．５倍以下である。本例の距離Ｄ１はスキルミオン４０の直径λと同一の大きさである。

【0056】

トラップ部１２は、スキルミオン４０をトラップできるものであればどのような形状であってもよい。一例において、トラップ部１２は、多角形、円形等の形状を有する。本例のトラップ部１２は、一辺がＷ２およびＤ２の四角形である。本例のトラップ部１２は、一辺のサイズが、スキルミオン４０の直径λの１／３以上、４／３以下の四角形である。つまり、幅Ｗ２は、スキルミオン４０の直径λの１／３以上、４／３以下であってよい。また、距離Ｄ２も、スキルミオン４０の直径λの１／３以上、４／３以下であってよい。

【0057】

トラップ部１２ａとトラップ部１２ｂとの間の距離Ｄ３は、トラップ部１２ａにトラップされたスキルミオンスキルミオン４０ｂがトラップ部１２ｂにトラップされるスキルミオン４０ａに干渉しない距離を少なくとも有する。距離Ｄ３が近すぎると、トラップ部１２ａにトラップされたスキルミオン４０ｂが、スキルミオン４０ｂを追い抜かそうとするスキルミオン４０ａに影響することによりスキルミオン４０ａがトラップ部１２ｂにトラップされない場合がある。即ち、干渉しない距離とは、トラップされたスキルミオン４０ｂを超えてスキルミオン４０ａがトラップ部１２ｂにトラップ可能な距離であればよい。例えば、距離Ｄ３は、スキルミオン４０の直径λ以上である。なお、距離Ｄ３の上限に制限はないが、演算速度の観点から短い方が好ましい。

【0058】

［実施例２］
図９は、実施例２に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。本例の論理演算デバイス１００は、Ｎ個のスキルミオン生成部１１およびＮ個のトラップ部１２をそれぞれ備える。

【0059】

論理演算デバイス１００は、Ｎ個のトラップ部１２は、トラップ群１３を構成する。この場合、入力｛Ｘ_ｉ｝_{ｉ＝１〜Ｎ}に対して、出力｛Ｙ_ｉ｝_{ｉ＝１〜Ｎ}は、次式で示される。

【数1】

ここで、Λ_ｎ，ｌは、添え字ｉ＝１〜Ｎから選び出したｎ個の組み合わせの列を指す。

【0060】

本例の論理演算デバイス１００は、Ｎ個の入力に対してＮ個の出力を与える。このように、論理演算デバイス１００は、スキルミオン生成部１１およびトラップ部１２の個数を調整するだけで入力および出力の個数を任意に設定できる。そのため、論理演算の自由度が高い。

【0061】

［実施例３］
図１０は、実施例３に係る論理演算デバイス１００の構成の一例を示す。本例の論理演算デバイス１００は、磁性体１０においてスキルミオン生成部１１および２つのトラップ群１３ａ，１３ｂを備える。

【0062】

トラップ群１３ｂは、トラップ群１３ａの下流側に設けられる。トラップ群１３ｂは、Ｎ個のトラップ部１２を有する。Ｎ個のトラップ部１２は、Ｙ'_１〜Ｙ'_Ｎを出力する。本例のトラップ群１３ｂは、トラップ群１３ａと同一の形状およびサイズのトラップ部１２を有する。但し、トラップ群１３ｂは、トラップ群１３ａと異なる形状およびサイズのトラップ部１２を有していてもよい。また、トラップ群１３ｂが有するトラップ部１２の個数は、トラップ群１３ａが有するトラップ部１２の個数と同一であっても、異なっていてもよい。

【0063】

ここで、トラップ群１３ａにスキルミオン生成部１１に応じたスキルミオン４０がトラップされている場合について考える。この場合、トラップ群１３ａが有するトラップ部１２に印加される磁場を磁性体１０の他の領域と同じ大きさにすれば、トラップされていたスキルミオン４０が下流側に転送される。これにより、トラップ群１３ａにトラップされていたスキルミオン４０がトラップ群１３ｂに転送される。このように、論理演算デバイス１００は、転送方向の下流側に他のトラップ群１３ｂを設けることにより、演算結果を引き継ぐことができる。一方、トラップ群１３ａは、スキルミオン４０が転送されるのでリフレッシュされる。

【0064】

本例の論理演算デバイス１００は、複数のトラップ群を備えることにより、多段の論理演算を実現できる。本例の論理演算デバイス１００は、２段のトラップ群を有する場合について説明したが、３段以上のトラップ群を有する場合も同様に機能する。また、論理演算デバイス１００は、後段にスキルミオンメモリ等のスキルミオンデバイスを有してよい。この場合も、論理演算デバイス１００は、演算結果を下流側のスキルミオンデバイスに引き継ぐことができる。

【0065】

なお、トラップ群１３ｂは、トラップ群１３ａで検出したトラップ結果を記憶する記憶部としても動作してよい。この場合、論理演算デバイス１００は、トラップ群１３ａでトラップしたスキルミオン４０をトラップ群１３ｂに転送する。論理演算デバイス１００は、トラップ群１３ａでトラップしたスキルミオン４０の一部をトラップ群１３ｂにトラップさせてもよい。これにより、データ量を低減できる。また、論理演算デバイス１００は、トラップ群１３ｂにスキルミオン４０をトラップさせて、トラップ結果を記憶させておく一方で、スキルミオン生成部１１においてスキルミオン４０を新たに生成して、トラップ群１３ａで検出させてよい。

【0066】

以上の通り、本明細書に係る論理演算デバイス１００は、スキルミオン４０を用いた基本論理演算を確立する。論理演算デバイス１００は、スキルミオン４０の相互作用を制御して論理演算を可能とする。論理演算デバイス１００は、スキルミオン４０を用いたスキルミオンメモリデバイスと親和性の高い論理デバイスを実現できる。これにより、データの演算から記録までをスキルミオン４０のみで一貫して実行できる。

【0067】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0068】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0069】

１０・・・磁性体、１１・・・スキルミオン生成部、１２・・・トラップ部、１３・・・トラップ群、１５・・・検出部、２０・・・磁場発生部、３１・・・測定用電源、３２・・・電流計、３４・・・測定部、４０・・・スキルミオン、５０・・・第１転送電極、５５・・・第２転送電極、６０・・・転送用電源、９０・・・不純物、１００・・・論理演算デバイス、１５１・・・非磁性体薄膜、１５２・・・磁性体金属

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】