(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】P2023106204
(43)【公開日】2023-08-01
(54)【発明の名称】磁気素子および磁気メモリ装置
(51)【国際特許分類】
H01L 29/82 20060101AFI20230725BHJP
H10N 52/85 20230101ALI20230725BHJP
H10B 61/00 20230101ALI20230725BHJP
【ＦＩ】
H01L29/82 Z
H01L43/10
H01L27/105 447
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022007392
(22)【出願日】2022-01-20
(71)【出願人】
【識別番号】399030060
【氏名又は名称】学校法人 関西大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】本多 周太
【テーマコード（参考）】
4M119
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119AA20
4M119BB20
4M119CC10
4M119DD17
4M119DD24
4M119DD25
5F092AC06
5F092AC11
5F092AC26
5F092BD04
5F092BD05
5F092BD19
5F092BD24
5F092CA02
(57)【要約】
【課題】磁気構造体が所定の移動方向から逸れることを抑制できる磁気素子を実現する。
【解決手段】磁気素子（１）は、磁性部材（１１）と、磁性部材（１１）に形成された第１重金属部材（１２）および第２重金属部材（１３）と、を備え、
磁性部材（１１）において、第１重金属部材（１２）が形成された部分と、第２重金属部材（１３）が形成された部分とにまたがって、円形状の磁気構造体が存在可能となっている。
【選択図】図１
【解決手段】磁気素子（１）は、磁性部材（１１）と、磁性部材（１１）に形成された第１重金属部材（１２）および第２重金属部材（１３）と、を備え、
磁性部材（１１）において、第１重金属部材（１２）が形成された部分と、第２重金属部材（１３）が形成された部分とにまたがって、円形状の磁気構造体が存在可能となっている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁性部材と、
前記磁性部材に形成された第１重金属部材および第２重金属部材と、を備え、
前記磁性部材において、前記第１重金属部材が形成された部分と、前記第２重金属部材が形成された部分とにまたがって、円形状または楕円形状の磁気構造体が存在可能となっている、
磁気素子。
前記磁性部材に形成された第１重金属部材および第２重金属部材と、を備え、
前記磁性部材において、前記第１重金属部材が形成された部分と、前記第２重金属部材が形成された部分とにまたがって、円形状または楕円形状の磁気構造体が存在可能となっている、
磁気素子。
【請求項2】
前記磁性部材における前記第１重金属部材と接する界面近傍の第１磁化と、前記磁性部材における前記第２重金属部材と接する界面近傍の第２磁化とのそれぞれには、界面ジャロシンスキー守谷相互作用（界面ＤＭＩ）が働き、
前記界面ＤＭＩにより前記第１磁化が傾く向きと、前記界面ＤＭＩにより前記第２磁化が傾く向きとは、互いに異なる、
請求項１に記載の磁気素子。
前記界面ＤＭＩにより前記第１磁化が傾く向きと、前記界面ＤＭＩにより前記第２磁化が傾く向きとは、互いに異なる、
請求項１に記載の磁気素子。
【請求項3】
前記磁性部材における第１面に前記第１重金属部材が設けられ、前記磁性部材における前記第１面の反対側の第２面に前記第２重金属部材が設けられている、
請求項１または２に記載の磁気素子。
請求項１または２に記載の磁気素子。
【請求項4】
前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは重金属の種類が同じである、
請求項３に記載の磁気素子。
請求項３に記載の磁気素子。
【請求項5】
前記磁性部材と、前記第１重金属部材または前記第２重金属部材とが並ぶ方向から視た場合、前記第１重金属部材の一辺と前記第２重金属部材の一辺とは略同一直線状にある、
請求項３または４に記載の磁気素子。
請求項３または４に記載の磁気素子。
【請求項6】
前記磁性部材と、前記第１重金属部材または前記第２重金属部材とが並ぶ方向から視た場合、前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは重なっている箇所が存在する、
請求項３または４に記載の磁気素子。
請求項３または４に記載の磁気素子。
【請求項7】
前記磁性部材は、段状であり、一方の段に前記第１重金属部材が形成されており、他方の段に前記第２重金属部材が形成されている、
請求項３または４に記載の磁気素子。
請求項３または４に記載の磁気素子。
【請求項8】
前記磁性部材の第１面に前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とが設けられている、
請求項１または２に記載の磁気素子。
請求項１または２に記載の磁気素子。
【請求項9】
前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは、重金属の種類が異なる、
請求項８に記載の磁気素子。
請求項８に記載の磁気素子。
【請求項10】
前記第１重金属部材の前記磁性部材に対する界面ＤＭＩの符号と、前記第２重金属部材の前記磁性部材に対する界面ＤＭＩの符号が互いに異なる、
請求項８に記載の磁気素子。
請求項８に記載の磁気素子。
【請求項11】
前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは隣接している、
請求項８に記載の磁気素子。
請求項８に記載の磁気素子。
【請求項12】
前記磁性部材は、前記第１重金属部材および前記第２重金属部材が形成される直方体の本体部を含み、
前記磁性部材は、前記本体部の側面の一部から突出する磁性突出部をさらに含み、
前記第１重金属部材または前記第２重金属部材は、前記磁性突出部と共に突出する重金属突出部をさらに含む、
請求項１から１１の何れか１項に記載の磁気素子。
前記磁性部材は、前記本体部の側面の一部から突出する磁性突出部をさらに含み、
前記第１重金属部材または前記第２重金属部材は、前記磁性突出部と共に突出する重金属突出部をさらに含む、
請求項１から１１の何れか１項に記載の磁気素子。
【請求項13】
前記磁性突出部は、前記本体部の側から外側に向かうにつれて幅が狭くなっている、
請求項１２に記載の磁気素子。
請求項１２に記載の磁気素子。
【請求項14】
前記磁性突出部は、前記本体部の前記側面に接続する第１側面および第２側面を有し、
前記磁性突出部の前記第１側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第１角度とし、前記磁性突出部の前記第２側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第２角度とした場合、第１角度は第２角度よりも大きい、
請求項１３に記載の磁気素子。
前記磁性突出部の前記第１側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第１角度とし、前記磁性突出部の前記第２側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第２角度とした場合、第１角度は第２角度よりも大きい、
請求項１３に記載の磁気素子。
【請求項15】
請求項１から１４の何れか１項に記載の磁気素子と、
前記磁気素子の前記磁性部材に磁気構造体を形成するか否かにより、情報を書き込むための書込デバイスと、
前記磁性部材に磁気構造体が存在するか否かを検出することにより、情報を読み出すための読出デバイスと、
を備える磁気メモリ装置。
前記磁気素子の前記磁性部材に磁気構造体を形成するか否かにより、情報を書き込むための書込デバイスと、
前記磁性部材に磁気構造体が存在するか否かを検出することにより、情報を読み出すための読出デバイスと、
を備える磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ナノスケールの磁気構造体が存在可能な磁気素子および磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、磁気スキルミオン（以下、「スキルミオン」と略称する。）と呼ばれる磁気構造体が磁性体中で観測され注目を集めている。スキルミオンとは、中心部の磁気モーメントと縁部の磁気モーメントとが反平行であり、上記中心部から上記縁部に向かうにつれて磁気モーメントの方向が徐々に変化するナノスケールの円形状または楕円形状の磁気構造体をいう。上記スキルミオンは、磁性体中を流れる電流由来のスピン流で駆動することができるため、上記スキルミオンを情報担体として利用した磁気メモリ装置などが、高密度かつ低消費電力の磁気デバイスとして提案されている（特許文献１・２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－０８２１２２号公報
【特許文献2】特再ＷＯ２０１６／０６７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記スキルミオンを利用した磁気デバイスでは、スキルミオンホール効果により、上記スキルミオンが電流の方向に沿って直進せず、上記電流の方向から逸れて消滅することが問題となる。
【0005】
本発明の一態様は、上記スキルミオン等の磁気構造体が所定の移動方向から逸れることを抑制できる磁気素子等を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気素子は、磁性部材と、前記磁性部材に形成された第１重金属部材および第２重金属部材と、を備え、前記磁性部材において、前記第１重金属部材が形成された部分と、前記第２重金属部材が形成された部分とにまたがって、円形状または楕円形状の磁気構造体が存在可能となっている。
【0007】
上記の構成の磁気素子の前記磁性部材において、前記第１重金属部材が形成された部分と、前記第２重金属部材が形成された部分とにまたがって形成される円状の磁気構造体のスキルミオンナンバーＱは、±１から０に近い値となる。この場合、スキルミオンホール効果の影響は少なくなる。従って、前記磁気構造体は、磁区を移動させるための電流の方向から逸れることを抑制できる。
【0008】
本態様に係る磁気素子では、前記磁性部材における前記第１重金属部材と接する界面近傍の第１磁化と、前記磁性部材における前記第２重金属部材と接する界面近傍の第２磁化とのそれぞれには、界面ジャロシンスキー守谷相互作用（界面ＤＭＩ）が働き、前記界面ＤＭＩにより前記第１磁化が傾く向きと、前記界面ＤＭＩにより前記第２磁化が傾く向きとは、互いに異なってもよい。
【0009】
この場合、前記磁性部材において前記円状の磁気構造体を形成するシミュレーションを行ったところ、当該磁気構造体は、スキルミオンナンバーＱが０に近い値となった。従って、前記磁気構造体は、スキルミオンホール効果の影響が極めて少なくなるので、磁区を移動させるための電流の方向から逸れることを防止できる。
【0010】
本態様に係る磁気素子では、前記磁性部材の第１表面に前記第１重金属部材が設けられ、前記磁性部材の前記第１表面の反対側の第２表面に前記第２重金属部材が設けられていてもよい。
【0011】
さらに、前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは、重金属の種類が同じであってもよい。この場合、前記第１重金属部材および前記第２重金属部材の生成に利用する重金属を１種類とすることができる。
【0012】
また、前記磁性部材と、前記第１重金属部材または前記第２重金属部材とが並ぶ方向から視た場合、前記第１重金属部材の一辺と前記第２重金属部材の一辺とは略同一直線状にあってもよい。また、前記磁性部材と、前記第１重金属部材または前記第２重金属部材とが並ぶ方向から視た場合、前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは重なっている箇所が存在してもよい。
【0013】
また、前記磁性部材は、段状であり、一方の段に前記第１重金属部材が形成されており、他方の段に前記第２重金属部材が形成されていてもよい。
【0014】
この場合、まず、前記磁性部材の一方の段と前記第２重金属部材とを形成し、次に、前記第１重金属部材と前記磁性部材の他方の段とを形成することにより、前記磁気素子は２層構造となる。従って、前記磁気素子は、構造が安定すると共に、高さを抑えることができる。
【0015】
本態様に係る磁気素子では、前記磁性部材の第１表面に前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とが設けられていてもよい。この場合、前記磁気素子は２層構造となる。従って、磁気素子の高さを抑えることができる。
【0016】
さらに、前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは、重金属の種類が異なってもよい。
【0017】
また、前記第１重金属部材の前記磁性部材に対する界面ＤＭＩの符号と、前記第２重金属部材の前記磁性部材に対する界面ＤＭＩの符号が互いに異なってもよい。この場合、前記界面ＤＭＩが前記第１磁化を回転させる向きと、前記界面ＤＭＩが前記第２磁化を回転させる向きと、が互いに逆になる。
【0018】
また、前記第１重金属部材と前記第２重金属部材とは隣接していてもよい。
【0019】
本態様に係る磁気素子では、前記磁性部材は、前記第１重金属部材および前記第２重金属部材が形成される直方体の本体部を含み、前記磁性部材は、前記本体部の側面の一部から突出する磁性突出部をさらに含み、前記第１重金属部材または前記第２重金属部材は、前記磁性突出部と共に突出する重金属突出部をさらに含んでもよい。
【0020】
この場合、前記磁性突出部にてスキルミオンを形成することができる。従って、レーザ光の照射、磁場の印加など、スキルミオンの形成に必要な作業を、前記本体部にて実行する必要が無くなる。
【0021】
また、前記磁性突出部は、前記本体部の側から外側に向かうにつれて幅が狭くなっていてもよい。
【0022】
この場合、前記磁性突出部では、前記本体部の側から外側に向かうにつれて、エネルギーが高くなる。これにより、前記磁性突出部にて形成されたスキルミオンを、他の力を印加すること無しに、前記本体部へ移動させることができる。
【0023】
また、前記本体部へ移動したスキルミオンの挙動についてシミュレーションを行ったところ、前記スキルミオンは、前記電流が無くても、前記本体部の側面に沿う方向に移動した。この場合、前記電流が無いので、前記電流と前記スキルミオンの移動とによる前記スキルミオンホール効果は発生しない。従って、前記スキルミオンは、前記側面に沿う方向から逸れることを防止できる。
【0024】
また、前記磁性突出部は、前記本体部の前記側面に接続する第１側面および第２側面を有し、前記磁性突出部の前記第１側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第１角度とし、前記磁性突出部の前記第２側面と前記本体部の前記側面とによって形成される前記磁性突出部側の角度を第２角度とした場合、第１角度は第２角度よりも大きくてもよい。
【0025】
この場合、前記磁性突出部にて形成されたスキルミオンを、前記本体部にスムーズに移動させることができる。
【0026】
本発明の他の態様に係る磁気メモリ装置は、上記構成の磁気素子と、前記磁気素子の前記磁性部材に磁気構造体を形成するか否かにより、情報を書き込むための書込デバイスと、前記磁性部材に磁気構造体が存在するか否かを検出することにより、情報を読み出すための読出デバイスと、を備える。
【0027】
上記の構成によると、前記磁気素子内の前記磁気構造体が所定の移動方向から逸れることを防止できるので、前記磁気メモリ装置の信頼性を向上させることができる。さらに、前記磁性突出部にてスキルミオンを形成する場合、当該スキルミオンを移動させるために前記磁気素子に電流を流す必要が無いので、前記磁気メモリ装置の消費電力を低減することができる。
【発明の効果】
【0028】
本発明の一態様によれば、磁気構造体が所定の移動方向から逸れることを防止できる。また、磁気構造体を低消費電力で駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の一実施形態に係る磁気素子の概要を示す斜視図である。
【図3】一参考例である磁気素子の概要を示す斜視図である。
【図5】上記参考例の磁気素子の強磁性薄膜にて形成されるスキルミオンの概要を示す平面図である。
【図6】他の参考例である磁気素子の概要を示す斜視図である。
【図8】上記参考例の磁気素子の強磁性薄膜にて形成されるスキルミオンの概要を示す平面図である。
【図9】上記実施形態の磁気素子において、強磁性薄膜における第１領域および第２領域の両方に広がる磁気構造体を示す平面図である。
【図10】上記実施形態の一実施例である磁気素子において、シミュレーションの結果、強磁性薄膜にて安定した磁気構造体を示す平面図である。
【図11】上記磁気構造体の移動状況を示すグラフである。
【図12】上記実施形態の別の実施例である磁気素子において、シミュレーションの結果、強磁性薄膜にて安定した磁気構造体を示す平面図である。
【図13】上記実施形態のさらに別の実施例である磁気素子において、シミュレーションの結果、強磁性薄膜にて安定した磁気構造体を示す平面図である。
【図14】上記実施形態の磁気素子の一変形例を示す断面図である。
【図15】上記実施形態の磁気素子の他の変形例を示す断面図である。
【図16】本発明の別の実施形態に係る磁気素子の概要を示す断面図である。
【図17】本発明のさらに別の実施形態に係る磁気素子の概要を示す断面図である。
【図18】本発明のさらに別の実施形態に係る磁気素子の概要を示す斜視図である。
【図19】上記磁気素子にて形成されるスキルミオンの挙動をシミュレーションした結果を示す平面図である。
【図20】本発明のさらに別の実施形態に係る磁気メモリ装置の概要を示す平面図である。
【図21】本発明の他の実施形態に係る磁気メモリ装置の概要を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。また、図面に記載のｘ、ｙ、およびｚを用いて方向を特定する。
【0031】
【0032】
（磁気素子の概要）
図１は、本実施形態に係る磁気素子の概要を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ線の矢視断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態の磁気素子１は、磁性部材１１、第１重金属部材１２、および第２重金属部材１３を備える構成である。
図１は、本実施形態に係る磁気素子の概要を示す斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ線の矢視断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態の磁気素子１は、磁性部材１１、第１重金属部材１２、および第２重金属部材１３を備える構成である。
【0033】
磁性部材１１は、磁性体である板状部材である。ここで、上記磁性体とは、強磁性体、フェリ磁性体、スペリ磁性体等を含むものである。
【0034】
また、磁性部材１１は、一軸異方性を有し、その磁化容易軸が板面に対して略垂直な方向である垂直磁化部材である。上記磁性体のキュリー温度は、周囲温度（例えば室温）より高いことが望ましく、磁気素子１に通電したときに発生するジュール熱により上昇する磁性部材１１の温度の上限値よりも高いことがさらに望ましい。また、上記垂直磁化部材は、上記磁性体の部材の格子構造を歪ませることにより容易に作成することができる。
【0035】
上記磁性体の一例としては、ＴｂＦｅＣｏ（テルビウム鉄コバルト、スペリ磁性）、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）、ＣｏＰｔ（コバルト白金）、ＣｏＣｒＰｔ（コバルトクロム白金）、ＣｏＦｅＳｉ（コバルト鉄ケイ素）、ＧｅＦｅＣｏ（ゲルマニウム鉄コバルト、フェリ磁性）、ＭｎＳｉ（シリコマンガン）などの合金が挙げられる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、上記キュリー温度を満たす種々の磁性体（強磁性体、フェリ磁性体、スペリ磁性体等）を利用することができる。
【0036】
磁性部材１１は、短手方向（ｙ方向）に互いに隣り合う長板状の第１領域２１および長板状の第２領域２２を含む。第１重金属部材１２は、第１領域２１上に設けられ、第２重金属部材１３は、第２領域２２上に設けられている。本実施形態では、第１重金属部材１２は、磁性部材１１の第１の側（＋ｚ方向）（第１面）に設けられている一方、第２重金属部材１３は、磁性部材１１の第１の側と反対側である第２の側（－ｚ方向）（第２面）に設けられている。すなわち、磁性部材１１と、第１重金属部材１２または第２重金属部材１３とが並ぶ方向（ｚ方向）から視た場合（上面視の場合）、第１重金属部材１２のｙ方向側の辺（一辺）と第２重金属部材１３の－ｙ方向側の辺（一辺）とは略同一直線状となる。
【0037】
これにより、第１重金属部材１２と接する磁性部材１１の界面近傍の磁化（第１磁化）には、界面ジャロシンスキー守谷相互作用（以下、「界面ＤＭＩ」と略称する。）が働く。同様に、第２重金属部材１３と接する磁性部材１１の界面近傍の磁化（第２磁化）にも界面ＤＭＩが働く。界面ＤＭＩは磁性部材１１の磁化を傾ける働きをする。磁性部材１１と第１重金属部材１２との界面ＤＭＩと、磁性部材１１と第２重金属部材１３との界面ＤＭＩとは、互いに磁化を傾ける向きが異なる。
【0038】
例えば、磁性部材１１と第１重金属部材１２との界面ＤＭＩにより傾く磁化の向きが外向きであれば、磁性部材１１と第２重金属部材１３との界面ＤＭＩにより傾く磁化の向きが内向きである。また、磁性部材１１と第１重金属部材１２との界面ＤＭＩにより傾く磁化の向きが時計回りであれば、磁性部材１１と第２重金属部材１３との界面ＤＭＩにより傾く磁化の向きが反時計回りである。
【0039】
第１重金属部材１２および第２重金属部材１３は、非磁性または常磁性の重金属の薄膜である。当該重金属の一例としては、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｔａ（タンタル）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、磁性部材１１、第１重金属部材１２、および第２重金属部材１３は、スパッタリング、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy）などによって形成することができる。
【0040】
本実施形態では、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３は、同じ種類の重金属から生成されている。これにより、利用する重金属を１種類に減らすことができる。
【0041】
【0042】
図３は、一参考例である磁気素子の概要を示す斜視図である。図４は、図３のＢ－Ｂ線の矢視断面図である。図３および図４に示す磁気素子１００は、板状の磁性部材１１１に板状の重金属部材１１２を積層したものである。なお、磁性部材１１１は、磁性部材１１と同様の材料によって構成されているため、その詳細を省略する。また、重金属部材１１２は、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３と同様の材料によって構成されているため、その詳細を省略する。
【0043】
図３および図４に示す磁気素子１００において、磁性部材１１１は、板面に略垂直な方向（±ｚ方向）に磁化されているとする。この場合、磁性部材１１１と重金属部材１１２との境界にて界面ＤＭＩが作用する。これにより、磁性部材１１１では、スキルミオンが安定して存在可能（形成可能）となる。
【0044】
図５は、上記構成の磁気素子１００の磁性部材１１１にて形成されるスキルミオンの概要を示す平面図である。図５の例では、磁性部材１１１は、重金属部材１１２が設けられている側とは反対側の向き（－ｚ方向）に磁化されている。また、図５には、磁性部材１１１の各磁区における磁気モーメントの向きが示されている。当該磁気モーメントは、板面（ｘｙ平面）に略垂直な方向（＋ｚ方向および－ｚ方向）が白く、板面に沿う方向の成分が増えるにつれて黒くなっている。後述するスキルミオン等の磁気構造体を示す図面も同様である。
【0045】
図５に示すスキルミオン１２０は、円形状であり、円周部の磁化（磁壁）はネール（Neel）型である。スキルミオン１２０の磁気モーメントは、中心部１２０ａにて＋ｚ方向であり、中心部１２０ａから縁部１２０ｂに向かうにつれて、＋ｚ方向の成分が徐々に減って０となる一方、縁部１２０ｂから中心部１２０ａへの方向（内向き）の成分が増えていく。その後、上記磁気モーメントは、－ｚ方向の成分が徐々に増えていく一方、上記内向きの成分が減っていき、縁部１２０ｂにて－ｚ方向となる。
【0046】
一般的には、スキルミオン１２０の磁壁は、界面ＤＭＩの強さや磁性部材１１１の磁化の向きで、外向きのネール型、内向きのネール型、左回り（反時計回り）のブロッホ型、右回り（時計回り）のブロッホ型の何れかが形成される。そして、磁性部材１１と第１重金属部材１２との界面ＤＭＩと、磁性部材１１と第２重金属部材１３との界面ＤＭＩとは、互いに磁化を傾ける向きが、例えば、内向きおよび外向きであったり、外向きおよび内向きであったり、反時計回りおよび時計回りであったり、時計回りおよび反時計回りであったりする。
【0047】
図５に示すスキルミオン１２０を形成する方法は下記の通りである。すなわち、まず、磁性部材１１１の所定領域にレーザ光を照射する。これにより、上記所定領域における原子群の温度が上昇して、上記所定領域の飽和磁化が低下する。その結果、上記所定領域以外の領域よりも小さい外部磁場で、上記所定領域の磁気モーメントを制御することができる。
【0048】
上記レーザ光の照射範囲（またはビーム径）は、磁性部材１１１に形成するスキルミオン１２０の大きさに対応する。上記レーザ光の照射パラメータ（レーザ光の波長、照射時間など）は、上記所定領域における原子群が最大でもキュリー温度（強磁性体から常磁性体への転移温度）よりもわずかに高い目標温度となるように設定される。キュリー温度が約１４０℃であるＴｂＦｅＣｏの場合、上記目標温度の最大温度は、例えば１５０℃に設定される。これにより、上記所定領域のみ磁化の向きが容易に変わるようになる。
【0049】
次に、磁性部材１１１の磁化方向（－Ｚ方向）と逆方向（＋Ｚ方向）の外部磁場を印加する。当該外部磁場の大きさは、温度が上昇している上記所定領域における磁気モーメントが反転する程度に大きく、上記所定領域以外の領域の磁気モーメントが反転しない程度に小さい。これにより、上記所定領域における磁気モーメントは上記外部磁場と同じ向き（＋Ｚ方向）に反転する一方、上記所定領域以外の領域における磁気モーメントは、上記磁化方向（－Ｚ方向）を維持する。また、上記所定領域の外側の領域における磁気モーメントは、面内成分を有するように傾斜する。その結果、図５に示すスキルミオン１２０が形成される。なお、上記外部磁場の印加を開始するタイミングは、上記レーザ光の照射を開始するタイミングより前でもよい。また、上記外部磁場の印加時間は、例えば約１０ｎｓ（ナノ秒）以下である。
【0050】
（参考例２）
図６は、他の参考例である磁気素子の概要を示す斜視図である。図７は、図６のＣ－Ｃ線の矢視断面図である。図６および図７に示す磁気素子１０１は、板状の重金属部材１１２に板状の磁性部材１１１を積層したものである。すなわち、図６および図７に示す磁気素子１０１は、図３および図４に示す磁気素子１００に比べて、積層の順番が異なるのみである。
図６は、他の参考例である磁気素子の概要を示す斜視図である。図７は、図６のＣ－Ｃ線の矢視断面図である。図６および図７に示す磁気素子１０１は、板状の重金属部材１１２に板状の磁性部材１１１を積層したものである。すなわち、図６および図７に示す磁気素子１０１は、図３および図４に示す磁気素子１００に比べて、積層の順番が異なるのみである。
【0051】
図６および図７に示す磁気素子１０１において、磁性部材１１１は、板面に略垂直な方向（±ｚ方向）に磁化されているとする。この場合、磁性部材１１１と重金属部材１１２との境界にて界面ＤＭＩが作用する。これにより、磁性部材１１１では、スキルミオンが安定して存在可能（形成可能）となる。
【0052】
【0053】
図８に示すスキルミオン１２１は、円形状であり、ネール型である。スキルミオン１２１の磁気モーメントは、中心部１２１ａにて＋ｚ方向であり、中心部１２１ａから縁部１２１ｂに向かうにつれて、＋ｚ方向の成分が徐々に減って０となる一方、中心部１２１ａから縁部１２１ｂへの方向（外向き）の成分が増えていく。その後、上記磁気モーメントは、－ｚ方向の成分が徐々に増えていく一方、上記外向きの成分が減っていき、縁部１２０ｂにて－ｚ方向となる。なお、図８に示すスキルミオン１２１を形成する方法は、参考例１と同様であるので、その説明を省略する。
【0054】
このように、スキルミオン１２０・１２１の磁化の向きは、重金属部材１１２の配置に依存する。また、磁性部材１１１における磁化の向きを逆向き（＋ｚ方向）とした場合、スキルミオン１２０・１２１の磁化の向きも逆向きとなる。
【0055】
（スキルミオンの電流駆動）
上記構成の磁気素子１００・１０１における長手方向の一方から他方への向き（例えば－ｘ方向）に電流を流すと、電子の流れる向き(電流とは逆向き)にスピンが流れることで、磁性部材１１１における磁区にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が作用して、上記電流の向きとは反対の向き（ｘ方向）に上記磁区が移動する。これにより、スキルミオン１２０・１２１がｘ方向に移動する。なお、上記磁区が移動する向きが電流と反対向きになるか同じ向きになるかは、磁性部材１１１のスピン偏極率に依存する。上記スピン偏極率が正である場合にはスキルミオン１２０・１２１が電流と反対向きに移動する。上記スピン偏極率が負である場合にはスキルミオン１２０・１２１が電流と同じ向きに移動する。
上記構成の磁気素子１００・１０１における長手方向の一方から他方への向き（例えば－ｘ方向）に電流を流すと、電子の流れる向き(電流とは逆向き)にスピンが流れることで、磁性部材１１１における磁区にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）が作用して、上記電流の向きとは反対の向き（ｘ方向）に上記磁区が移動する。これにより、スキルミオン１２０・１２１がｘ方向に移動する。なお、上記磁区が移動する向きが電流と反対向きになるか同じ向きになるかは、磁性部材１１１のスピン偏極率に依存する。上記スピン偏極率が正である場合にはスキルミオン１２０・１２１が電流と反対向きに移動する。上記スピン偏極率が負である場合にはスキルミオン１２０・１２１が電流と同じ向きに移動する。
【0056】
このとき、スキルミオンホール効果により、磁気素子１００・１０１の短手方向（ｙ方向）の力がスキルミオン１２０・１２１に働く。従って、ｘ方向に移動するスキルミオン１２０・１２１は、ｘ方向に沿って直進せず、ｙ方向に逸れることになる。その結果、スキルミオン１２０・１２１は、磁性部材１１１の短手方向（ｙ方向）の端部に到達して消滅したり、サイズが減少して消滅したりする可能性がある。
【0057】
この現象は、スキルミオンやバブル磁区などの磁気構造体の電流駆動を記述するThiele方程式によって説明することができる。上記Thiele方程式を次式（１）に示す。
【0058】
【数1】
【0059】
ここで、Ｇは磁気回転結合ベクトルであり、ベクトルＧ＝（０，０，－４πＱ）である。Ｑは、スキルミオンナンバーであり、中心部１２０ａの磁化が上向き（＋ｚ方向）である場合にＱ＝＋１となり、上記磁化が下向き（－ｚ方向）である場合にＱ＝－１となる。
【0060】
ベクトルｕはスピン流速度ベクトルであり、ベクトルｕ＝（ｕｘ，０，０）である。これは、速度の次元を有し、磁性部材１１１を流れる電流に比例する量である。ベクトルｖは磁気構造のドリフト速度ベクトルであり、ベクトルｖ＝（ｖｘ，ｖｙ，０）である。テンソルＤは散逸力テンソルであり、パラメータαおよびβは、それぞれ、ギルバート緩和および非断熱効果の強さを示す無次元の定数である。ベクトルＦは、現象論的に導入した不純物、欠陥などに由来するピン留め力、磁性部材１１のエッジから受ける力のベクトルである。
【0061】
上記式（１）に対し、ベクトルＦ＝０とすると、スキルミオン１２０の駆動速度（移動速度）の解析式として次式（２）が得られる。
【0062】
【数2】
【0063】
上記式（２）に対し、Ｄｘｘ＝Ｄｙｙ＝１とすると、次式（３）・（４）が得られる。
【0064】
Ｑ＝±１の場合、ｖｘ＝（１＋αβ）ｕｘ／（１＋α２）、ｖｙ＝±（α－β）ｕｘ／（１＋α２） ・・・（３）
Ｑ＝０の場合、ｖｘ＝βｕｘ／α、ｖｙ＝０ ・・・（４）。
Ｑ＝０の場合、ｖｘ＝βｕｘ／α、ｖｙ＝０ ・・・（４）。
【0065】
上記式（３）を参照すると、Ｑ＝±１であるスキルミオン１２０・１２１は、短手方向（ｙ方向）に逸れることが理解できる。また、Ｑ＝０である磁気構造体は、上記式（４）を参照すると、短手方向（ｙ方向）に逸れず、長手方向（ｘ方向）に直進することが理解できるが、上記式（２）を参照すると、緩和および散逸の影響を受けやすいことが理解できる。
【0066】
（磁気構造体の概要）
図９は、本実施形態の磁気素子１において、磁性部材１１における第１領域２１および第２領域２２の両方に広がる磁気構造体を示す平面図である。すなわち、上記磁気構造体３１は、磁性部材１１において、第１重金属部材１２が形成された部分と、第２重金属部材１３が形成された部分とにまたがって形成されることになる。上記磁気構造体３１は、磁性部材１１を、板面に略垂直な方向（±ｚ方向）に予め磁化しておき、図１に示すような、第１領域２１および第２領域２２の両方に広がるスポット領域ＳＡ１に、上述のようにレーザ光を照射したり、或いは、磁場または電場を印加したりすることにより形成することができる。
図９は、本実施形態の磁気素子１において、磁性部材１１における第１領域２１および第２領域２２の両方に広がる磁気構造体を示す平面図である。すなわち、上記磁気構造体３１は、磁性部材１１において、第１重金属部材１２が形成された部分と、第２重金属部材１３が形成された部分とにまたがって形成されることになる。上記磁気構造体３１は、磁性部材１１を、板面に略垂直な方向（±ｚ方向）に予め磁化しておき、図１に示すような、第１領域２１および第２領域２２の両方に広がるスポット領域ＳＡ１に、上述のようにレーザ光を照射したり、或いは、磁場または電場を印加したりすることにより形成することができる。
【0067】
図１および図２に示す第１領域２１の上方には、図３および図４と同様に、第１重金属部材１２が形成されている。また、図１および図２に示す第２領域２２の下方には、図６および図７と同様に、第２重金属部材１３が形成されている。すなわち、磁性部材１１の第１表面に第１重金属部材１２が設けられ、磁性部材１１の第１表面の反対側の第２表面に第２重金属部材１３が設けられていることになる。
【0068】
従って、磁性部材１１のスポット領域ＳＡ１には、図９に示すように、図５に示すスキルミオン１２０の半体を第１領域２１に含み、図８に示すスキルミオン１２１の半体を第２領域２２に含む円形状の磁気構造体３１が安定して存在可能（形成可能）となる。このような磁気構造体３１は、スキルミオンナンバーＱがＱ＝０となることから、上記式（４）に示すように、ｘ方向から逸れることを防止できる。
【0069】
また、このことから、磁性部材１１と第１重金属部材１２との界面ＤＭＩと、磁性部材１１と第２重金属部材１３との界面ＤＭＩとが互いに異なるようにすることにより、第１領域２１および第２領域２２の両方に広がる磁気構造体は、スキルミオンナンバーＱが±１から０に近づくと考えられる。その結果、上記磁気構造体は、ｘ方向から逸れることを低減できると考えられる。
【0070】
（実施例１）
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示すスポット領域ＳＡ１にて形成される磁気構造体を、磁性体の磁化状態のシミュレーションによく利用されるマイクロマグネティクスシミュレーションを利用して算出した。
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示すスポット領域ＳＡ１にて形成される磁気構造体を、磁性体の磁化状態のシミュレーションによく利用されるマイクロマグネティクスシミュレーションを利用して算出した。
【0071】
磁性部材１１は、長さ（ｘ方向の長さ）が５００ｎｍ、幅（ｙ方向の長さ）が５０ｎｍ、厚さ（ｚ方向の長さ）が７．５ｎｍとした。また、磁性部材１１の磁気パラメータとして、ＴｂＦｅＣｏのパラメータを利用した。第１重金属部材１２および第２重金属部材１３と磁性部材１１との界面ＤＭＩは、ＴｂＦｅＣｏとＰｔ間の界面ＤＭＩのパラメータを利用した。上記の磁性部材１１を、長さ２．５ｎｍ、幅２．５ｎｍ、厚さ２．５ｎｍの微小なセルに分割し、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）を用いて各セルの磁化の時間変化を計算した。
【0072】
図１０は、上記シミュレーションの結果、磁性部材１１にて安定した磁気構造体を示す平面図である。図１０に示す磁気構造体３２は、楕円形状であり、中心部３２ａから縁部３２ｂに向かうにつれて、斜め方向（＋ｘ方向かつ－ｙ方向）の成分を有している。この磁気構造体３２のスキルミオンナンバーは、Ｑ＝－０．０１７となり、ゼロとはならなかった。なお、散逸力テンソルＤなどの値により、上記楕円形状を円形状に近づけることができた。図１０に示す磁気構造体３２に対し、磁性部材１１の－ｘ方向に電流を流す上記シミュレーションを行ったところ、磁気構造体３２はｘ方向に駆動され、ｘ方向から逸れなかった。すなわち、ｖｙ＝０であった。
【0073】
図１１は、図１０に示す磁気構造体３２の移動状況を示すグラフである。図１１において、横軸は時間（単位：ｎｓ）であり、縦軸は距離（単位：ｎｍ）である。実線は、α＝０．０１、β＝０．０の場合であり、一点鎖線は、α＝０．１、β＝０．０の場合である。なお、スピン流速度ｕｘは５．０ｍ／ｓとした。
【0074】
図１１を参照すると、実線で示す磁気構造体３２は駆動速度がｖｘ＝４．５ｍ／ｓであり、すなわち、ｖｘ＝０．９ｕｘであった。また、一点鎖線で示す磁気構造体３２は駆動速度がｖｘ＝３．０ｍ／ｓであり、すなわち、ｖｘ＝０．６ｕｘであった。従って、本実施例の磁気構造体３２は、スキルミオンの場合と同様に、低消費電力で駆動できることが理解できる。
【0075】
ここで、上述の解析式を利用して、磁気構造体３２の駆動速度を算出する。上記式（４）において、β＝０．０の場合、ｖｘ＝０となる。従って、磁気構造体３２が駆動されることは、Ｑがゼロではないことによることが理解できる。
【0076】
また、上記式（２）において、Ｑ＝－０．０１６７、Ｄｘｘ＝０．９８９、Ｄｙｙ＝２．００４とすると、α＝０．０１、β＝０．０の場合、ｖｘ～０．６ｕｘ、ｖｙ≒－０．３４５ｕｘとなり、α＝０．１、β＝０．０の場合、ｖｘ＝０．０１３ｕｘ、ｖｙ≒－０．０８２ｕｘとなった。すなわち、図１１に示す磁気構造体３２は、上記解析式に基づく駆動速度よりもシミュレーション結果に基づく駆動速度の方が速かった。これは、解析値ではｖｙ≠０であるのに対し、シミュレーションの値ではｖｙ＝０となる結果の成分（例えば、磁性部材１１のエッジからの力ベクトルＦ）に起因する可能性が高い。
【0077】
（実施例２）
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示す第１領域２１上のスポット領域ＳＡ２にて形成される磁気構造体を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して調べた。なお、磁気素子１の各種パラメータは、実施例１と同様である。
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示す第１領域２１上のスポット領域ＳＡ２にて形成される磁気構造体を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して調べた。なお、磁気素子１の各種パラメータは、実施例１と同様である。
【0078】
図１２は、上記シミュレーションの結果、磁性部材１１にて安定した磁気構造体を示す平面図である。図１２に示す磁気構造体３３（スキルミオン）は、板面（ｘｙ平面）に沿う方向の成分が左回り（反時計回り）であるブロッホ型のスキルミオンである。このスキルミオン３３は、磁気素子１に電流を流さなくても、図面の左向き（－ｘ方向）に２０ｍ／ｓで移動し続けた。この理由は、スキルミオン３３が磁性部材１１の中央ではなく、磁性部材１１のエッジ側に位置しているために、磁性部材１１のエッジからの力ベクトルＦがスキルミオン３３に作用したためである。
【0079】
また、スキルミオン３３が磁性部材１１のエッジ側に位置した理由は次の通りである。すなわち、スキルミオン３３の－ｙ側は、界面ＤＭＩが磁化を傾ける向きと逆向きに傾いた磁気構造をしており高エネルギーな状態である一方、スキルミオン３３の＋ｙ側は、界面ＤＭＩが磁化を傾ける向きと同じ向きに傾いた磁気構造をしており低エネルギーな状態である。このため、低エネルギーの領域が大きい＋ｙ側にスキルミオン３３の中心が寄った位置が、低エネルギーな安定位置になったためである。
【0080】
磁気素子１に電流を流していないので、スキルミオンホール効果が発生せず、従って、スキルミオン３３は長手方向（ｘ方向）から逸れることなく、移動し続けた。また、上記移動速度は、磁性部材１１と第１重金属部材１２との境界における界面ＤＭＩが弱いほど遅かった。界面ＤＭＩが強いほどスキルミオン３３が磁性部材１１のエッジに近づく距離が大きく、磁性部材１１のエッジからの力ベクトルＦの作用が大きくなるためである。
【0081】
（実施例３）
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示す第２領域２２上のスポット領域ＳＡ３にて形成される磁気構造体を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して調べた。なお、磁気素子１の各種パラメータは、実施例１と同様である。
図１および図２に示す磁気素子１に関して、図１に示す第２領域２２上のスポット領域ＳＡ３にて形成される磁気構造体を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して調べた。なお、磁気素子１の各種パラメータは、実施例１と同様である。
【0082】
図１３は、上記シミュレーションの結果、磁性部材１１にて安定した磁気構造体を示す平面図である。図１３に示す磁気構造体３４（スキルミオン）は、板面（ｘｙ平面）に沿う方向の成分が右回り（時計回り）であるブロッホ型のスキルミオンである。本実施例においても、図１２に示す実施例と同様に、スキルミオン３４は、磁気素子１に電流を流さなくても、図面の右向き（ｘ方向）に２０ｍ／ｓで移動し続けた。また、磁気素子１に電流を流していないので、スキルミオンホール効果が発生せず、従って、スキルミオン３４は長手方向（ｘ方向）から逸れることなく、移動し続けた。また、上記移動速度は、磁性部材１１と第２重金属部材１３との境界における界面ＤＭＩが弱いほど遅かった。
【0083】
（変形例１）
図１４は、図１および図２に示す磁気素子１の一変形例を示す断面図である。図１４に示す磁気素子１ａは、図２に示す磁気素子１に比べて、磁性部材１１の第１領域２１の一部に第１重金属部材１２が設けられ、磁性部材１１の第２領域２２の一部に第２重金属部材１３が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。本変形例のように、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３の無い領域が磁性部材１１に存在してもよい。
図１４は、図１および図２に示す磁気素子１の一変形例を示す断面図である。図１４に示す磁気素子１ａは、図２に示す磁気素子１に比べて、磁性部材１１の第１領域２１の一部に第１重金属部材１２が設けられ、磁性部材１１の第２領域２２の一部に第２重金属部材１３が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。本変形例のように、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３の無い領域が磁性部材１１に存在してもよい。
【0084】
また、磁性部材１１において、第１重金属部材１２が設けられている領域と、第２重金属部材１３が設けられている領域とが離間していてもよい。この離間の最大幅は、例えば２０ｎｍ程度であるが、磁気パラメータに強く依存すると考えられる。
【0085】
（変形例２）
図１５は、図１および図２に示す磁気素子１の他の変形例を示す断面図である。図１５に示す磁気素子１ｂは、図２に示す磁気素子１に比べて、磁性部材１１における第１領域２１と第２領域２２の一部とに第１重金属部材１２が設けられ、磁性部材１１における第２領域２２の一部に第２重金属部材１３が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。この場合、磁性部材１１と、第１重金属部材１２または第２重金属部材１３とが並ぶ方向（ｚ方向）から視た場合（上面視の場合）、第１重金属部材１２と第２重金属部材１３とは、重なっている箇所が存在することになる。
図１５は、図１および図２に示す磁気素子１の他の変形例を示す断面図である。図１５に示す磁気素子１ｂは、図２に示す磁気素子１に比べて、磁性部材１１における第１領域２１と第２領域２２の一部とに第１重金属部材１２が設けられ、磁性部材１１における第２領域２２の一部に第２重金属部材１３が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。この場合、磁性部材１１と、第１重金属部材１２または第２重金属部材１３とが並ぶ方向（ｚ方向）から視た場合（上面視の場合）、第１重金属部材１２と第２重金属部材１３とは、重なっている箇所が存在することになる。
【0086】
本変形例のように、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３の両方が設けられている領域が磁性部材１１に存在してもよい。第１重金属部材１２、磁性部材１１および第２重金属部材１３が重なっている領域の最大幅は、例えば２０ｎｍ程度であるが、磁気パラメータに強く依存すると考えられる。
【0087】
（付記事項）
なお、図１および図２に示す磁気素子１に関して、第１領域２１において第１重金属部材１２が設けられた側とは反対側と、第２領域２２において第２重金属部材１３が設けられた側とは反対側とに、非磁性かつ電気絶縁性の薄膜を設けてもよい。この場合、磁気素子１は、３層の直方体形状となり、構造が安定する。
なお、図１および図２に示す磁気素子１に関して、第１領域２１において第１重金属部材１２が設けられた側とは反対側と、第２領域２２において第２重金属部材１３が設けられた側とは反対側とに、非磁性かつ電気絶縁性の薄膜を設けてもよい。この場合、磁気素子１は、３層の直方体形状となり、構造が安定する。
【0088】
また、磁性部材１１は、第１領域２１および第２領域２２によって、全部が構成されてもよいし、一部が構成されてもよい。また、第１領域２１および第２領域２２は、サイズが同程度であってもよい。また、図１２に示すスキルミオン３３・３４を形成する場合、第１領域２１は、第２領域２２に比べてサイズが大きくてもよい。同様に、図１３に示すスキルミオン３４を形成する場合、第２領域２２は、第１領域２１に比べてサイズが大きくてもよい。
【0089】
〔実施形態２〕
本発明の別の実施形態について、図１６を参照して説明する。
本発明の別の実施形態について、図１６を参照して説明する。
【0090】
図１６は、本実施形態の磁気素子の概要を示す断面図である。図１６に示す磁気素子２は、図１および図２に示す磁気素子１に比べて、磁性部材１１が段状となっており、下段が第１領域２１であり、上段が第２領域２２である点が異なり、その他の構成は同様である。すなわち、本実施形態では、磁性部材１１の下段（一方の段）に第１重金属部材１２が形成され、上段（他方の段）に第２重金属部材１３が形成されることになる。このような示す磁気素子２は、まず、磁性部材１１の下段と第２重金属部材１３とを形成し、次に、第１重金属部材１２と磁性部材１１の上段とを形成することにより実現できる。
【0091】
本実施形態の磁気素子２は、図１６に示すように２層の直方体形状となるので、図１および図２に示す磁気素子１に比べて安定な構造とすることができる。また、本実施形態の磁気素子２は、上記３層の直方体形状に比べて、厚さを低減することができる。
【0092】
〔実施形態３〕
本発明のさらに別の実施形態について、図１７を参照して説明する。
本発明のさらに別の実施形態について、図１７を参照して説明する。
【0093】
図１７は、本実施形態の磁気素子の概要を示す断面図である。図１７に示す磁気素子３は、図１および図２に示す磁気素子１に比べて、第１重金属部材１２に代えて、第１重金属部材１４が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。
【0094】
図１７に示すように、第１重金属部材１４は、磁性部材１１に、図１および図２に示す第１重金属部材１２が設けられている側とは反対側（－ｚ方向）に設けられている。すなわち、磁性部材１１の下面（第１表面）に第１重金属部材１４と第２重金属部材１３とが設けられることになる。また、第１重金属部材１４は、第２重金属部材１３に隣接して磁性部材１１に設けられることになる。なお、第１重金属部材１４が設けられている領域と、第２重金属部材１３が設けられている領域とが（例えば２０ｎｍ程度）離間していてもよい。
【0095】
また、第１重金属部材１４と第２重金属部材１３とは、重金属の種類が異なっている。具体的には、第１重金属部材１４は、磁性部材１１および第１重金属部材１４による界面ＤＭＩの符号が、磁性部材１１および第２重金属部材１３（第１重金属部材１２）による界面ＤＭＩの符号とは反対となるような重金属によって構成される。
【0096】
これにより、本実施形態の磁気素子３は、図９、図１０、図１２、および図１３に示すような磁気構造体を形成することができる。また、本実施形態の磁気素子３は、図１７に示すように２層の直方体形状となるので、図１および図２に示す磁気素子１に比べて安定な構造とすることができる。また、本実施形態の磁気素子２は、上記３層の直方体形状に比べて、厚さを低減することができる。
【0097】
【0098】
図１８は、本実施形態に係る磁気素子の概要を示す斜視図である。本実施形態の磁気素子４は、図１および図２に示す磁気素子１に比べて、第１領域２１に第２重金属部材１３が設けられ、第２領域２２に第１重金属部材１２が設けられている点と、供給部４１（突出部）が新たに設けられている点とが異なり、その他の構成は同様である。
【0099】
以下では、磁性部材１１において、第１領域２１および第２領域２２を含む部分を本体部２３と称する。すなわち、本体部２３は、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３が形成される板状部分（直方体）である。また、本体部２３は、第１重金属部材１２および第２重金属部材１３が並ぶ方向（ｙ方向）に位置する側面２３ａを有する。
【0100】
第１領域２１に第２重金属部材１３が設けられていることから、第１領域２１には図１３に示すスキルミオン３４が存在可能である。また、第２領域２２に第１重金属部材１２が設けられていることから、第２領域２２には図１２に示すスキルミオン３３が存在可能である。
【0101】
供給部４１は、磁気素子４の磁性部材１１にスキルミオンを供給するためのものである。図１８に示すように、供給部４１は、磁性部材１１の第１領域２１の側面２３ａの一部から側方（－ｙ方向）に突出した磁性突出部４２と、磁性突出部４２と共に突出する第２重金属突出部４３と、を備える。
【0102】
従って、磁性部材１１および磁性突出部４２を－ｚ方向に予め磁化しておき、供給部４１にてレーザ光を照射したり、或いは、磁場または電場を印加したり、スピンを注入したりすることにより、図１３に示すスキルミオン３４を磁性突出部４２にて形成することができる。従って、レーザ光の照射、磁場の印加など、スキルミオン３４の形成に必要な作業を、第１領域２１および第２領域２２を含む本体部２３にて実行する必要が無くなる。
【0103】
供給部４１は、基端部４１ａの幅が広く、先端部４１ｂの幅が狭くなっている。すなわち、磁性突出部４２は、本体部２３の側から外側に（－ｙ方向に）向かうにつれて幅が狭くなっている。この場合、スキルミオンなどの磁気構造体が先端部４１ｂよりも基端部４１ａに位置した方が、エネルギーが低くなる。その結果、磁性突出部４２にて形成されたスキルミオン３４は、供給部４１に電流を流すことなく、基端部４１ａの方へ移動し、本体部２３に移動することができる。
【0104】
また、供給部４１は、先端部４１ｂから基端部４１ａに向かうにつれて、スキルミオン３４が移動する方向（ｘ方向）に傾斜している。具体的には、磁性突出部４２は、本体部２３の側面２３ａに接続する第１側面４２ａおよび第２側面４２ｂを有する（図１８を参照）。第１側面４２ａは、第２側面４２ｂに比べて、スキルミオン３４の移動方向とは逆向き（－ｘ方向）に位置する。また、磁性突出部４２の第１側面４２ａと本体部２３の側面２３ａとによって形成される角度であって、磁性突出部４２側の角度を第１角度θ１とする。また、磁性突出部４２の第２側面４２ｂと本体部２３の側面２３ａとによって形成される角度であって、磁性突出部４２側の角度を第２角度θ２とする（図１９を参照）。この場合、本実施形態では、第１角度θ１は第２角度θ２よりも大きくなる。
【0105】
これにより、磁性突出部４２にて形成されたスキルミオン３４を第１領域２１（本体部２３）にスムーズ移動させることができる。そして、第１領域２１に移動したスキルミオン３４は、磁気素子４に電流を流すことなく、ｘ方向に移動する。
【0106】
（実施例４）
図１８に示す磁気素子４に関して、供給部４１にて形成されたスキルミオン３４の挙動を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して算出した。なお、磁性部材１１のサイズは、長さ（ｘ方向の長さ）が５００ｎｍ、幅（ｙ方向の長さ）が６０ｎｍ、厚さ（ｚ方向の長さ）が６．０ｎｍとした。第１重金属部材１２および第２重金属部材１３のサイズは長さが５００ｎｍ、幅が３０ｎｍとした。また、供給部４１の長さを８６ｎｍ，先端部の長さを６０ｎｍ，先端部から基端部までのｙ方向の長さを６０ｎｍとした。磁性部材１１および供給部４１における磁気パラメータおよび界面ＤＭＩ値として、ＴｂＦｅＣｏ／Ｐｔ多層膜のパラメータを利用した。上記の磁性部材１１と供給部４１とを、長さ２．０ｎｍ、幅２．０ｎｍ、厚さ２．０ｎｍの微小なセルに分割し、供給部４１にて形成されたスキルミオン３４の挙動を計算した。
図１８に示す磁気素子４に関して、供給部４１にて形成されたスキルミオン３４の挙動を、上記マイクロマグネティクスシミュレーションを利用して算出した。なお、磁性部材１１のサイズは、長さ（ｘ方向の長さ）が５００ｎｍ、幅（ｙ方向の長さ）が６０ｎｍ、厚さ（ｚ方向の長さ）が６．０ｎｍとした。第１重金属部材１２および第２重金属部材１３のサイズは長さが５００ｎｍ、幅が３０ｎｍとした。また、供給部４１の長さを８６ｎｍ，先端部の長さを６０ｎｍ，先端部から基端部までのｙ方向の長さを６０ｎｍとした。磁性部材１１および供給部４１における磁気パラメータおよび界面ＤＭＩ値として、ＴｂＦｅＣｏ／Ｐｔ多層膜のパラメータを利用した。上記の磁性部材１１と供給部４１とを、長さ２．０ｎｍ、幅２．０ｎｍ、厚さ２．０ｎｍの微小なセルに分割し、供給部４１にて形成されたスキルミオン３４の挙動を計算した。
【0107】
図１９は、上記シミュレーションにより算出された、スキルミオン３４の挙動を示す平面図である。図１９の参照番号１００１に示すように、供給部４１の磁性突出部４２にてスキルミオン３４を形成すると、図１９の参照番号１００２に示すように、スキルミオン３４は、ｘ成分およびｙ成分を有する方向へ、サイズを拡大しつつ移動する。スキルミオン３４が磁性部材１１に移動すると、スキルミオン３４はサイズを縮小しつつｘ方向に移動する。そして、図１９の参照番号１００３に示すように、スキルミオン３４は、適当なサイズを維持しつつ、中央から第１領域２１側に寄った位置をｘ方向に移動する。
【0108】
〔実施形態５〕
本発明のさらに別の実施形態について、図２０を参照して説明する。
本発明のさらに別の実施形態について、図２０を参照して説明する。
【0109】
図２０は、本実施形態に係る磁気メモリ装置の概要を示す平面図である。図２０に示すように、本実施形態の磁気メモリ装置５０は、図１および図２に示す磁気素子１と、電源５１、書込デバイス５２、および読出デバイス５３とを備える。磁気素子１は、複数の磁区に分割されている。
【0110】
電源５１は、磁気素子１の長手方向の両端部に接続し、当該両端部の一方から他方に、或いは他方から一方に、所定の電流を流すようになっている。これにより、磁気素子１の磁区を、電流の向きとは反対向きに移動させることができる。
【0111】
書込デバイス５２は、磁気素子１における所定の書込位置に、例えば、図９に示す磁気構造体３１を形成するようになっている。書込デバイス５２は、図１に示すスポット領域ＳＡ１にレーザ光を照射するデバイスと、外部磁場を印加するデバイスとを含むが、これに限定されるものではなく、磁気構造体３１を形成可能な任意のデバイスを利用することができる。
【0112】
読出デバイス５３は、磁気素子１における所定の読出位置にて磁気構造体３１の有無を検出するようになっている。具体的には、読出デバイス５３は、磁気素子１の磁性部材１１における所定領域の磁気モーメントを検出して電気信号に変換するものである。読出デバイス５３は、例えば、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）、ホール効果等を利用した磁気センサであってもよい。
【0113】
上記構成の磁気メモリ装置５０において、或るアドレスに１ビットデータ「１」を書き込む場合、上記アドレスに対応する磁区が上記書込位置に移動するように、電源５１が電流を流す。次に、書込デバイス５２が上記書込位置に磁気構造体３１を形成する。上記アドレスに対応する磁区に磁気構造体３１が形成される。なお、或るアドレスに１ビットデータ「０」を書き込む場合、特に何も行わない。
【0114】
また、或るアドレスの１ビットデータを読み出す場合、上記アドレスに対応する磁区が上記読出位置に移動するように、電源５１が電流を流す。次に、読出デバイス５３が上記読出位置における磁気モーメントを検出する。読出デバイス５３は、磁気構造体３１の磁気モーメントを検出した場合、１ビットデータ「１」を示す電気信号を外部に出力する。一方、磁気構造体３１の磁気モーメントを検出しなかった場合、１ビットデータ「０」を示す電気信号を外部に出力する。
【0115】
磁気メモリ装置５０に記憶された情報を消去する場合、全ての磁区が磁気素子１の両端部の一方に移動するように電源５１が電流を流す。これにより、磁気構造体３１は、磁気素子１の両端部の一方に接触して消滅する。
【0116】
従って、本実施形態の磁気メモリ装置５０では、磁気構造体３１が電流の流れる方向とは反対の向きに移動し、当該向きから逸れることを防止できる。その結果、磁気メモリ装置５０の信頼性を向上させることができる。
【0117】
（付記事項）
なお、図２０に示す磁気メモリ装置５０の磁気素子１に対し、図１８に示す供給部４１を追加してもよい。この場合、スキルミオン３４の形成に必要な作業を、電流に基づいてスキルミオン３４が移動する本体部２３にて実行する必要が無くなる。
なお、図２０に示す磁気メモリ装置５０の磁気素子１に対し、図１８に示す供給部４１を追加してもよい。この場合、スキルミオン３４の形成に必要な作業を、電流に基づいてスキルミオン３４が移動する本体部２３にて実行する必要が無くなる。
【0118】
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、図２１を参照して説明する。
本発明の他の実施形態について、図２１を参照して説明する。
【0119】
図２１は、本実施形態に係る磁気メモリ装置の概要を示す平面図である。図２１に示すように、本実施形態の磁気メモリ装置６０は、図１８に示す磁気素子４と、書込デバイス６１、読出デバイス６２および消去デバイス６３とを備える。
【0120】
本実施形態では、磁気素子４の本体部は、閉経路形状となっている。また、書込デバイス６１は、磁気素子４の供給部４１における所定の書込位置に、図１３に示すスキルミオン３４を形成するようになっている。従って、供給部４１にて形成されたスキルミオン３４は、上記閉経路に移動して左回り（反時計回り）に周回することになる。なお、書込デバイス６１は、図２０に示す書込デバイス５２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0121】
読出デバイス６２は、上記閉経路における所定の読出位置にて、スキルミオン３４の有無を検出するようになっている。なお、読出デバイス６２は、図２０に示す読出デバイス５３と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【0122】
消去デバイス６３は、上記閉経路における所定の消去位置にて、スキルミオン３４を消去するにようになっている。具体的には、消去デバイス６３は、上記消去位置にて、磁気素子４における磁性部材１１の磁化方向（－ｚ方向）に磁場を印加するものである。なお、消去デバイス６３は、上記消去位置が上記キュリー温度よりも高い温度となるように、レーザ光を照射するようになっていてもよい。
【0123】
上記構成の磁気メモリ装置６０において、或るアドレスに１ビットデータ「１」を書き込む場合、上記アドレスに対応する磁区が供給部４１と上記閉経路との合流地点に到達したときに、供給部４１から上記合流地点にスキルミオン３４が移動するように、書込デバイス６１を動作させればよい。
【0124】
一方、或るアドレスに１ビットデータ「０」を書き込む場合、或いは、或るアドレスの１ビットデータを消去する場合、上記アドレスに対応する磁区が上記消去位置に到達したときに、消去デバイス６３を動作させればよい。
【0125】
従って、本実施形態の磁気メモリ装置６０は、磁区を移動させるための電源が不要となるので、消費電力をさらに低減することができる。
【0126】
（付記事項）
なお、図２１に示す磁気素子４を、図１および図２に示す磁気素子１に変更して、当該磁気素子１の本体部を閉経路形状としてもよい。この場合、磁気構造体３１を移動させるために磁気素子１に電流を流す必要があるが、磁気構造体３１を電流の方向に沿って移動させることができる。
なお、図２１に示す磁気素子４を、図１および図２に示す磁気素子１に変更して、当該磁気素子１の本体部を閉経路形状としてもよい。この場合、磁気構造体３１を移動させるために磁気素子１に電流を流す必要があるが、磁気構造体３１を電流の方向に沿って移動させることができる。
【0127】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0128】
１、１ａ、１ｂ、２、３、４ 磁気素子
１１ 磁性部材
１２、１４ 第１重金属部材
１３ 第２重金属部材
２１ 第１領域
２２ 第２領域
２３ 本体部
２３ａ 側面
３１、３２ 磁気構造体
３３ スキルミオン（磁気構造体）
３４ スキルミオン（磁気構造体）
３２ａ 中心部
３２ｂ 縁部
４１ 供給部
４１ａ 基端部
４１ｂ 先端部
４２ 磁性突出部
４２ａ 第１側面
４２ｂ 第２側面
４３ 第２重金属突出部
５０、６０ 磁気メモリ装置
５１ 電源
５２、６１ 書込デバイス
５３、６２ 読出デバイス
６３ 消去デバイス
１１ 磁性部材
１２、１４ 第１重金属部材
１３ 第２重金属部材
２１ 第１領域
２２ 第２領域
２３ 本体部
２３ａ 側面
３１、３２ 磁気構造体
３３ スキルミオン（磁気構造体）
３４ スキルミオン（磁気構造体）
３２ａ 中心部
３２ｂ 縁部
４１ 供給部
４１ａ 基端部
４１ｂ 先端部
４２ 磁性突出部
４２ａ 第１側面
４２ｂ 第２側面
４３ 第２重金属突出部
５０、６０ 磁気メモリ装置
５１ 電源
５２、６１ 書込デバイス
５３、６２ 読出デバイス
６３ 消去デバイス
【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】