特許 7064744 モノポール流の生成装置、検出装置、およびモノポール流を用いるメモリー素子

(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】

(24)【登録日】2022-04-27

(45)【発行日】2022-05-11

(54)【発明の名称】モノポール流の生成装置、検出装置、およびモノポール流を用いるメモリー素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8239 20060101AFI20220428BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20220428BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20220428BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20220428BHJP

【ＦＩ】

H01L27/105 447

H01L43/08 M

H01L43/08 Z

H01L43/10

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2018000344

(22)【出願日】2018-01-05

(65)【公開番号】P2019121681

(43)【公開日】2019-07-22

【審査請求日】2020-11-24

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （公開１：研究集会における発表） 集会名： ＬＴ２８（２８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ）ＬＴ２８（第２８回低温物理国際会議） 開催日： ２０１７年 ８月 ９日～ ８月１６日 発表日時：２０１７年 ８月１１日 １４：５０～１５：２０ 開催場所：スウェーデン・ヨーテボリ・エキジビションセンター／ゴーシアタワーズ 予稿発行：２０１７年 ８月 ９日 （公開２：研究集会における発表） 集会名： 公開１に同じ 開催日： 公開１に同じ 発表日時：２０１７年 ８月１４日 １６：３０～１８：３０ 開催場所：公開１に同じ 予稿発行：公開１に同じ （公開３：研究集会における発表） 集会名： 金森順次郎記念国際シンポジウム－磁性研究の新たな地平線－ 開催日： ２０１７年 ９月２７日～ ９月２９日 発表日時：２０１７年 ９月２８日 １０：００～１０：３０ 開催場所：東京大学小柴ホール（東京都文京区本郷７丁目３－１） 予稿発行：２０１７年 ９月２５日 （公開４：研究集会における発表） 集会名： 公開３に同じ 開催日： 公開３に同じ 発表日時：２０１７年 ９月２８日 １５：００～１７：３０ 開催場所：公開３に同じ 予稿発行：公開３に同じ （公開５：研究集会における発表） 集会名： 第三回 理研－産総研 量子技術イノベーションコア Ｗｏｒｋｓｈｏｐ 開催日： ２０１７年１１月１３日 発表日時：２０１７年１１月１３日 １３：３０～１５：００ 開催場所：秋葉原ＵＤＸ（東京都千代田区外神田４－１４－１）

(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】100130960

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 正之

(72)【発明者】

【氏名】小野田 繁樹

(72)【発明者】

【氏名】中河西 翔

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２９５０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０２２２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】K. Kimura et al.，"Quantum fluctuations in spin-ice-like Pr2Zr2O7"，Nature Communications，2013年，p. 1 - 6

【文献】G. Chen，"Magnetic monopole" condensation of the pyrochlore ice U(1) quantum spin liquid: Application to Pr2Ir2O7 and Yb2Ti2O7"，Physical Review B，2016年，Vol. 94, No. 20，205107-1 - 205107-14

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１強磁性量子スピンアイス層と、
前記第１強磁性量子スピンアイス層に接しており、量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、
前記バッファー層の面内方位のいずれかの方向に沿って離されて前記バッファー層に接して配置される電極対と
を備え、前記電極対に印加する電圧により、前記第１強磁性量子スピンアイス層とは逆の側で前記バッファー層に接している第２強磁性量子スピンアイス層と前記第１強磁性量子スピンアイス層とに流れ、前記方向の回りに回転成分を与えるモノポール流を生成しうるモノポール流生成装置。

【請求項2】

前記第１強磁性量子スピンアイス層が絶縁体であり、
前記第２強磁性量子スピンアイス層が絶縁体である、
請求項１に記載のモノポール流生成装置。

【請求項3】

前記第１強磁性量子スピンアイス層の材質がＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７であり、
前記バッファー層の材質がＰｒ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、Ｐｒ_２Ｓｎ_２Ｏ_７、またはＰｒ_２Ｈｆ_２Ｏ_７である、
請求項１に記載のモノポール流生成装置。

【請求項4】

第１強磁性量子スピンアイス層と、
前記第１強磁性量子スピンアイス層に接しており、量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、
前記バッファー層の面内方位のいずれかの方向に沿って離されて前記バッファー層に接して配置される電極対と
を備え、前記第１強磁性量子スピンアイス層とは逆の側で前記バッファー層に接している第２強磁性量子スピンアイス層と前記第１強磁性量子スピンアイス層とに流れ、前記方向の回りに回転成分をもつ向きのモノポール流を検出するためのモノポール流の検出装置。

【請求項5】

前記第１強磁性量子スピンアイス層が絶縁体であり、
前記第２強磁性量子スピンアイス層が絶縁体である、
請求項４に記載のモノポール流の検出装置。

【請求項6】

前記第１強磁性量子スピンアイス層の材質がＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７であり、
前記バッファー層の材質がＰｒ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、Ｐｒ_２Ｓｎ_２Ｏ_７、またはＰｒ_２Ｈｆ_２Ｏ_７である、
請求項４に記載のモノポール流の検出装置。

【請求項7】

第１強磁性量子スピンアイス層と、
量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、
第２強磁性量子スピンアイス層と
をこの順に備え、
前記バッファー層において面内方位に成分を持つ電気分極を生成できるよう前記バッファー層に接して配置された電極対
をさらに備え、
前記第１強磁性量子スピンアイス層および前記第２強磁性量子スピンアイス層のうちの少なくともいずれかにおける磁化の方向および値の少なくともいずれかを少なくとも一時的に保持するメモリー素子。

【請求項8】

前記第１強磁性量子スピンアイス層が絶縁体であり、
前記第２強磁性量子スピンアイス層が絶縁体である、
請求項７に記載のメモリー素子。

【請求項9】

前記第１強磁性量子スピンアイス層の磁化と前記第２強磁性量子スピンアイス層の磁化とがともに反転可能であり、これら磁化が互いに反平行に向いており、
前記電極対は、前記第１強磁性量子スピンアイス層の磁化と前記第２強磁性量子スピンアイス層の磁化との両方を反転させる電気分極を前記バッファー層に誘起する電圧を前記バッファー層に印加しうるものである
請求項７に記載のメモリー素子。

【請求項10】

前記第１強磁性量子スピンアイス層および前記第２強磁性量子スピンアイス層の少なくともいずれかにおける磁化の方向および値の少なくともいずれかが読み取り可能になっている
請求項７に記載のメモリー素子。

【請求項11】

前記第１強磁性量子スピンアイス層および前記第２強磁性量子スピンアイス層の少なくともいずれかの材質がＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７であり、
前記バッファー層の材質がＰｒ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、Ｐｒ_２Ｓｎ_２Ｏ_７、またはＰｒ_２Ｈｆ_２Ｏ_７である
請求項７に記載のメモリー素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はモノポール流の生成装置、検出装置、および、モノポール流を用いるメモリー素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、揮発性メモリーとしてＳＲＡＭ（Static Random-Access Memory）やＤＲＡＭ（Dynamic Random-Access Memory）が集積回路として実用化されている。これら記憶の保持にエネルギーを要する揮発性メモリーに対し、近年ではフラッシュメモリーなどの不揮発性メモリーも注目されている。フラッシュメモリーは高速動作が可能であるが、寿命が長くても数年程度であり、永続的に使用可能な高性能不揮発メモリーの開発が求められている。その例が、強誘電体の残留電気分極の向きを状態として利用するＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリー, Ferroelectric Random-Access Memory）や、強磁性体の残留磁化の向きを状態として利用するＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random-Access Memory）である。特に、ＭＲＡＭは不揮発性に加え安定した高速動作が期待され、スピントロニクス分野において研究開発が進められている。ＭＲＡＭの書き換え原理のためにとりわけ有望視されているのが、磁性体中の磁気モーメントを担う電子スピンの流れ（スピン流）を利用するスピン注入磁化反転と呼ばれる現象を採用するものである。これにより書き換えのための強磁場を生成しなくともよくなり、低消費電力化と高密度な集積化も視野に入る。

【0003】

他方、電荷を担う電子などの荷電粒子に対比される磁気的な対応物といえる粒子、つまり磁場の発散（湧き出しまたは吸い込み）である「磁荷」を担うような粒子が探索されている。このような粒子は未発見であるものの、物質中の磁化の場であれば、ある位置に非ゼロの発散の値をもつようなものを形成することが可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】Lieh-Jeng Chang, Shigeki Onoda, Yixi Su, Ying-Jer Kao, Ku-Ding Tsuei, Yukio Yasui, Kazuhisa Kakurai, and Martin Richard Lees, "Higgs transition from a magnetic Coulomb liquid to a ferromagnet in Yb2Ti2O7", Nature Communications 3:992 (2012).

【文献】K. Kimura, S. Nakatsuji, J-J. Wen, C. Broholm, M. B. Stone, E. Nishibori, and H. Sawa, "Quantum fluctuations in spin-ice-like Pr2Zr2O7", Nature Communications 4:1934 (2013).

【文献】Shigeki Onoda and Fumiyuki Ishii, "First-principles design of the spinel iridate Ir2O4 for high-temperature quantum spin ice", https://arxiv.org/abs/1612.00553v1 (submitted December 2, 2016)

【文献】Yasuyuki Kato and Shigeki Onoda, "Numerical evidence of quantum melting of spin ice: quantum-to-classical crossover", Physical Review Letters 115, 077202 (2015).

【文献】P. G. Bjornsson, B. W. Gardner, J. R. Kirtley, and K. A. Moler, "Scanning superconducting quantum interference device microscope in a dilution refrigerator", Review of Scientific Instruments 72, 4153 (2001).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＦｅＲＡＭは揮発性メモリーに比肩される高速動作が可能とはなるもののリーク電流が伴い安定な動作に課題を残す。ＭＲＡＭは残留磁化の反転動作のために強磁性金属中に閾値以上の電流を流す原理から、スピン注入磁化反転を採用するものであっても消費電力を抑えるために当該閾値の低減が課題となる。また、スピン自体が保存量ではない事情から、ＭＲＡＭではスピン流の概念に基づいた動作を精密に予測することは必ずしも容易ではない。

【0006】

本発明は上記問題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。本発明はモノポール流の生成装置と検出装置を提供することにより、モノポール流を採用する機器の発達に貢献するものである。併せて、本発明は新規な動作機構に基づく不揮発性メモリー素子を提供することにより、大量の電子情報を扱う情報機器の高度化に貢献するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者は、磁性体中に電流を流すことも強磁場を発生することもなく、二つの強磁性絶縁体量子スピンアイス層界面の磁化を反転する新しい機構が実現可能であることを見出した。すなわち、強磁性量子スピンアイス層をスピン液体状態となりうるバッファー層に接するよう配置した構造を採用する。その強磁性量子スピンアイス層とは逆の側においてバッファー層に接するように、別の強磁性量子スピンアイス層を配置しバッファー層に取り付けた電極対を用いれば、当該別の強磁性量子スピンアイス層においてモノポール流を生成したり、当該別の強磁性量子スピンアイス層におけるモノポール流を検出したりすることが可能になる。

【0008】

すなわち、本発明のある態様においては、強磁性量子スピンアイス層と、前記強磁性量子スピンアイス層に接しており、量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、前記バッファー層の面内方位のいずれかの方向に沿って離されて前記バッファー層に接して配置される電極対とを備え、前記電極対に印加する電圧により、当該強磁性量子スピンアイス層とは逆の側で前記バッファー層に接している別の強磁性量子スピンアイス層と当該強磁性量子スピンアイス層とに流れ、前記方向の回りに回転成分を与えるモノポール流を生成しうるモノポール流生成装置が提供される。

【0009】

さらに、本発明のある態様においては、強磁性量子スピンアイス層と、前記強磁性量子スピンアイス層に接しており、量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、前記バッファー層の面内方位のいずれかの方向に沿って離されて前記バッファー層に接して配置される電極対とを備え、当該強磁性量子スピンアイス層とは逆の側で前記バッファー層に接している別の強磁性量子スピンアイス層と当該強磁性量子スピンアイス層とに流れ、前記方向の回りに回転成分もつ向きのモノポール流を検出するためのモノポール流の検出装置も提供される。

【0010】

本発明者は、強磁性相とスピン液体相の界面で強磁性磁化を反転し、また、当該強磁性磁化の変化を検出することができれば、ＭＲＡＭに見られる上記課題を克服できる点で有用であることにも気づき、新規なメモリー素子を作製することを着想した。すなわち、本発明のある態様においては、第１強磁性量子スピンアイス層と、量子スピン液体状態を示しうる材質からなるバッファー層と、第２強磁性量子スピンアイス層とをこの順に備え、前記バッファー層において面内方位に成分を持つ電気分極を生成できるよう前記バッファー層に接して配置された電極対をさらに備えるメモリー素子も提供される。

【0011】

物質中において磁化の場が非ゼロの発散をもつ位置では、あたかもそこに磁荷を担う粒子である磁気単極子（本出願書面にて単にモノポールと記す）が存在しているとみなすことができる。磁化Ｍの場に生じるその発散の値は、その周囲の磁化がフラストレーションをもつことから容易に弱まったり消滅したりすることはなく、保存量とみることができる。こうして、モノポールは磁化のＮ極またはＳ極という符号と量子化された磁荷量とをもつ粒子として顕在化する。モノポールが生成される物質は適当なスピンアイスルール（spin ice rule）が満たされて量子スピンアイス系となる物質群であり、具体例では磁気的希土類イオンを含んだ絶縁体パイロクロア（Pyrochlore）酸化物(非特許文献１、２)、絶縁体スピネル型イリジウム酸化物Ｉｒ_２Ｏ_４（非特許文献３）などを含む。磁化のモノポール構造を局所的に作り出すことは通常の磁性体ではたとえ励起状態としても困難であるが、量子スピンアイス系の物質群ではこれが可能になるのである。

【0012】

モノポールは、仮想量子電磁気学に従って運動することができる。これにより、粒子としての性質を持ちつつ磁荷を担う流れであるモノポール流を作ることができる。物質中の磁化の場は、その物質を構成する原子や原子結合に属しその物質の局所的な磁化を担う電子のスピンに起源をもつ。このため、電子スピンの磁化がＮ極とＳ極の極性をもつモノポールに二分されると、近接するスピンを交換する相互作用によりモノポールも対応して物質中を移動することができる。この流れは、電流が電荷の流れであるのと同様にＮ極またはＳ極の符号と値をもつ磁荷の流れといえる。本発明者は、モノポール流を駆動することができる新規な手法を見出し、さらにモノポール流が強磁性中の磁化の反転を伴うことを見出し本発明の上記態様を創出した。モノポールは量子力学の波動関数によって記述され、さらにそのモノポールがボーズ＝アインシュタイン凝縮しうる量子スピンアイス物質で強磁性を示す物質（強磁性量子スピンアイス物質）も報告されている（非特許文献１）。量子スピンアイス物質では、電子のクーパー対のボーズ＝アインシュタイン凝縮により説明されるＢＣＳ理論に支配された超伝導に見出される種々の現象において、電荷を磁荷に置換した対応物となるような現象も実現しうることが理論的に予想される。

【0013】

量子スピン液体とは、スピンや磁化が秩序を持たない古典物理でのスピン液体において量子論的性質が表れているものである。このような量子スピン液体は、スピンアイス状態となる物質を絶対零度近くにまで冷却した場合に、凍結しかけたスピンが、むしろ量子力学的ゼロ点振動の結果融解して液体状態となることによっても実現しうる（非特許文献４）。なお、このような量子スピン液体では、絶対零度近くの低温において、明確なギャップを伴う励起子としてモノポールを生じうる。この事情から、典型的にはモノポール流が生じるのは、強磁性量子スピンアイス層だけであり、量子スピン液体のバッファー層にはモノポールは生成されない。

【0014】

メモリー素子として実施される本態様において、モノポール流は、生成される媒体が強磁性体である場合すなわちモノポール流が強磁性量子スピンアイス状態である場合、強磁性相にある磁化を増減しまたは反転する作用を果たす。メモリー素子の記憶は、強磁性量子スピンアイス状態中の磁化の状態（例えば向き）により保持される。この磁化の状態は例えば磁気光学カー（Magnetoptical Kerr）効果によって読み取ることが可能であり、この場合には磁気光学メモリー素子としての読み出し機能を実現することができる。また、従来の磁気ヘッドや走査超伝導量子干渉装置（Scanning Superconducting Quantum Interference Device、走査ＳＱＵＩＤ、非特許文献５）を端部に対向させて設置すれば、現実に移動した磁荷量、したがって、モノポールの数を測定することも可能となり、ひいては高集積化した磁気メモリー素子の構築が可能である。

【0015】

本発明の上記各態様において強磁性量子スピンアイス層とは、スピンアイスルールを保持しつつ、強磁性を示す物質による薄膜を意味する。以下の説明において「量子」と明示して強磁性量子スピンアイス層と説明することもある。これは、モノポール流が特に量子力学的に振る舞うことを反映したものである。これらの用語を含め、本出願においては、不明確にならない限り本発明の属する技術分野の慣用に従う用語法を採用することがある。

【発明の効果】

【0016】

本発明のある態様では新規な原理に基づくモノポール流の生成装置、およびモノポール流の検出装置が提供される。本発明の別の態様では磁化制御のためのモノポール流の生成装置を備えた磁気メモリー素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は本発明の実施形態においてモノポール流の生成装置および検出装置の原理的構造を例示する斜視図である。

【図2】図２は本発明の実施形態においてモノポール流生成装置を備えた磁気メモリー素子として機能しうる原理的構造を例示する斜視図であり、図２Ａは基板の一方の表面に積層する構成のもの、図２Ｂは、基板の一方の表面に並べる構成のものを示している。

【図3】図３は本発明の実施形態において理論計算のために採用した配置を示す説明図であり、接合をもつ被験層を対象にするモノポール流生成検出装置を示している。

【図4】図４は本発明の実施形態においてモノポール超流動流密度の計算例を示す説明図であり、図４Ａは被験層の結晶構造を示し、図４Ｂは、図４Ａの各位置に対応させてモノポール超流動流密度の分率と位相を計算したもの、図４Ｃは、位相ミスマッチに対するモノポール超流動流密度である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下図面を参照し、本発明に係るモノポール流の生成装置および検出装置、ならびにメモリー素子の実施形態を説明する。全図を通じ当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

【0019】

１．モノポール流の生成装置および検出装置
図１は、本実施形態においてモノポール流の生成装置および検出装置の原理的構造を例示する斜視図である。本実施形態のモノポール流生成装置および検出装置１００（以下「モノポール流生成検出装置１００」と記す）は強磁性量子スピンアイス層（ＦＭ層）１１０およびバッファー層１２０を含んでいる。バッファー層１２０は量子スピン液体となりうる材質により構成され、さらに電極対１４２、１４４が形成されている。典型的な配置は、図１に示すように、ＦＭ層１１０、バッファー層１２０がそれぞれの厚み方向（ｚ方向）に積層され、電極対１４２、１４４がｙ方向に離してバッファー層１２０に形成されたものである。

【0020】

モノポール流生成検出装置１００をモノポール流の検出装置として動作させる場合には、電極対１４２、１４４には検出回路１６０が電気的に接続されている。検出回路１６０は、静電容量が極めて大きなキャパシタ１６２、抵抗１６４、および電圧計１６６を含んでいる。移動電荷量はキャパシタ１６２に蓄積された電荷量として電位差と静電容量の積から求められる。

【0021】

モノポール流生成検出装置１００をモノポールの生成装置として動作させる場合には、電極対１４２、１４４には駆動回路となる電圧印加手段１５０が接続されている。電圧印加手段１５０はバッファー層１２０に電位差を生じさせる駆動回路系となっている。

【0022】

モノポール流生成検出装置１００は、図２に関し後述するメモリー素子２００Ａおよび２００Ｂの第２ＦＭ層２３０に当たる層をその一部としては含まない。その位置にモノポール流生成検出装置１００のモノポール流の生成対象物質または測定対象物質となる被験層３０が配置される。この点を明瞭にするため、図１では、モノポール流生成検出装置１００に対し被験層３０を取り付ける位置を鎖線矢印により明示している。この被験層３０は、ＦＭ層１１０とは区別される別の強磁性量子スピンアイス層である。図１に示すように被験層３０とＦＭ層１１０とはバッファー層１２０に接してバッファー層１２０を挟むように試料作製される。

【0023】

モノポール流生成検出装置１００を用いたモノポール流の生成原理は次のとおりである。電圧印加手段１５０により電圧を印加することによりバッファー層１２０内には面内方位（図にてｙ方位）に成分をもつ電気分極Ｐが発生する。電圧印加手段１５０は一般には電圧の値およびその向きを変更できるようになっており、例えば、可変電圧源１５２とそこからの電圧の出力を反転させるスイッチ１５４Ａ、１５４Ｂを備えている。これにより、バッファー層１２０に形成する電気分極Ｐの大きさおよび方向を調整することができる。ＦＭ層１１０および被験層３０の内部には、電極対１４２、１４４を通じてバッファー層１２０に生成した電気分極Ｐのために、仮想量子電磁気学に従って、当該電気分極Ｐに沿う回転成分（curlまたはrotation）をもつような互いに反平行のモノポール流が生成される。つまり、電気分極Ｐをバッファー層１２０に生成すると典型的なモノポール流Ｊ^ｍは図１に示すように流れる。モノポール流Ｊ^ｍの位置は、ＦＭ層１１０および被験層３０の内部でバッファー層１２０側の界面付近であり、その向きは、バッファー層１２０の内部電界（ｙ方向）に垂直で互いに逆向き、つまりｘ方向および－ｘ方向となる。被験層３０はバッファー層１２０に接しているものの、ｚ方向に沿う向きでみるとＦＭ層１１０と被験層３０は互いにバッファー層１２０の厚み分だけ離れている。このため、モノポール流Ｊ^ｍのもつ回転成分はバッファー層１２０においてｙ方向となる。こうして被験層３０内にモノポール流を生成することができる。

【0024】

他方、モノポール流生成検出装置１００を用いた検出原理は次のとおりである。バッファー層１２０には、ＦＭ層１１０および被験層３０の内部に生じた互いに反平行に流れるモノポール流に応じた電気分極Ｐが誘導される。この誘導された電気分極によって生じる電流は、キャパシタ１６２に蓄積される。キャパシタ１６２の電位差を電圧計１６６で検出することにより、キャパシタ１６２の静電容量と電位差の変動から、バッファー層１２０に生じた電気分極が決定される。この電気分極の測定値と、漏れ磁界の測定に関連して後述するモノポール流の測定値との関係を、モノポール流生成検出装置１００について予め作成しておくことで、電気分極の測定値から被験層３０内に生じたモノポール流の向きおよびその強さを決定することができる。

【0025】

モノポール流生成検出装置１００の各層の材料は、ＦＭ層２１０は典型的にはＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７の結晶であり、そのｚ方向の厚みは概ね１ｎｍ程度であり、典型的には単位胞程度の厚み１ｎｍまたはそれを越す程度に作製される。バッファー層２２０は典型的にはＰｒ_２Ｍ_２Ｏ_７である（ＭはＺｎ，Ｓｎ，Ｈｆなど）。後述するメモリー素子２００Ａ、２００Ｂについて示す他の物質もモノポール流生成検出装置１００の対応する層のために同様に採用することができる。

【0026】

２．メモリー素子
図２は本実施形態におけるモノポール流の電気的生成装置を含むメモリー素子として機能しうる原理的構造を例示する斜視図であり、図２Ａは基板の一方の表面に積層する構成のもの、図２Ｂは、基板の一方の表面に並べる構成のものを示している。これらにおいて、電気分極の表示は省略している。

【0027】

２－１．構造
メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂの構造は、第１強磁性量子スピンアイス層（第１ＦＭ層）２１０、量子スピン液体となりうる材質のバッファー層２２０、第２強磁性量子スピンアイス層（第２ＦＭ層）２３０を含む。図２Ａに示すメモリー素子２００Ａでは、第１ＦＭ層２１０にはバッファー層２２０および第２ＦＭ層２３０が、基板２０２Ａの一方の面にこの順に順次成長させて積層構造とされる。他方、図２Ｂに示すメモリー素子２００Ｂでは、第１ＦＭ層２１０、バッファー層２２０、および第２ＦＭ層２３０は、基板２０２Ｂのｙｚ平面に平行な面に並べるようにして成長させることにより、第１ＦＭ層２１０、バッファー層２２０、および第２ＦＭ層２３０が積層構造とされる。バッファー層２２０は量子スピン液体を示しうる量子スピンアイス物質の層である。第１および第２ＦＭ層２１０および２３０は強磁性量子スピンアイス物質の薄膜である。すなわち、メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂでは、いずれにおいても、強磁性量子スピンアイス物質の第１および第２ＦＭ層２１０および２３０が、量子スピンアイス物質のバッファー層２２０を挟んでいる。バッファー層２２０には電極対２４２、２４４が取り付けられている。これらの配置は、モノポール流生成検出装置１００（図１）における電極対１４２、１４４と同様である。電極対２４２、２４４には、図１に示した電圧印加手段１５０が適切な配線を通じて接続される。また、図１に示したモノポール流生成検出装置１００との対比から明らかであるように、メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂは被験層３０に代えて第２ＦＭ層２３０を配置した構成をもつ。

【0028】

２－２．書き換え動作および保持動作の原理
モノポール流を利用すれば、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０におけるモノポール磁荷の分布、したがって、これらの層内の磁化Ｍを、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０の間で互いに反平行の関係を保たせたまま反転（フリップ）することができる。ここで、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０におけるモノポール流Ｊ^ｍの向き(正負)とこれがもたらす強磁性磁化Ｍの向き（正負）は、印加する電気分極の向き（正負）によって定まる。磁化を反転することができる電圧の向きは磁化の向きに応じて定まる。その反転動作に伴う磁化の変化量には、モノポール流の時間積分値が直接反映される。したがって、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０の磁化の反転動作は、メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂにとってメモリー内容のビット反転、つまり、書き換え動作に対応する。

【0029】

モノポール流Ｊ^ｍにより変化した後の第１および第２ＦＭ層２１０および２３０における磁化Ｍは、強磁性の性質を反映し保持される。この磁化Ｍは特段の書き換え動作をしない限りは保持されるため、第１ＦＭ層２１０および第２ＦＭ層２３０における磁化がメモリー素子２００Ａおよび２００Ｂの記憶機構を担う。

【0030】

２－３．書き換え動作および保持動作の性能
上述したモノポール流による反転は高速に動作可能なものである。理論的予測に基づけば、この磁化反転のための時間スケールは量子スピンアイス物質における相互作用定数により決定される。具体的に周波数で示せば、例えばＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７などの第１および第２ＦＭ層２１０および２３０の候補となる典型的な既存の物質において、１０ＧＨｚ程度の高速動作が可能となる。このため書き換え動作の速度について原理面からの制約は問題とはならない。

【0031】

また、磁化を反転する際に必要となる電力消費量は極めて小さい。当該電力消費量は、量子スピン液体となっているバッファー層２２０に電気分極を作る程度となる。バッファー層２２０は絶縁性が高い誘電体であるため、電極対２４２、２４４によるキャパシタの充電動作となって、必要な消費電力は過渡電流の電力分となる。

【0032】

２－４．メモリー状態の読み取り動作
メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂのメモリー状態の読み取りは、例えば第２ＦＭ層２３０における磁化の向きや、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０が作る漏れ磁界の向きを読み取れる任意の手法により行うことができる。

【0033】

メモリー素子２００Ａにおいて好ましい一例が従来の磁気光学効果である磁気光学カー効果である。磁気光学カー効果では、第２ＦＭ層２３０の端部となる面２０４に偏光を照射することにより反射光の偏光面が正負どちらに回転するかを測定することができる。図２Ａに読み取りのための光線配置を鎖線で示している。磁気光学効果を採用する場合には、強磁性薄膜のサイズはある下限よりも大きくすることが好ましい。図２Ａに示したメモリー素子２００Ａでは、例えば第２ＦＭ層２３０の磁化の向きと大きさが上面から光磁気カー効果によって読み取られるため、第２ＦＭ層２３０のｘｙ面方向の長さを読み取るレーザー光の波長（例えば２５０ｎｍ）よりも長くとる必要がある。

【0034】

メモリー素子２００Ｂにおいて、磁気光学カー効果とは別のメモリー状態の読み取り手法の好ましい例が、面２０６に近接して漏れ磁界を測定するものである。例えば、必要に応じて機械的に走査される磁気ヘッドや走査ＳＱＵＩＤ素子（非特許文献５）などの磁気検出素子２５０を用いればその向きや強さによって、第２ＦＭ層２３０における磁化の向きや強さを読取ることができる。ここに説明したように、メモリー内容の読み込み（ビットの読み込み）動作には任意の手法を採用することができる。

【0035】

２－５．例示の材質および構造
基板２０２Ａ、２０２Ｂは、典型的にはパイロクロア構造をもつＹ_２Ｔｉ_２Ｏ_７あるいはＥｕ_２Ｔｉ_２Ｏ_７の結晶である。第１および第２ＦＭ層２１０および２３０は、典型的にはパイロクロア構造をもつＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７の結晶である。また、第１および第２ＦＭ層２１０および２３０の図のｚ方向の厚みは、典型的には、概ね１ｎｍ程度であり、典型的には単位胞程度の厚み１ｎｍまたはそれを越す程度にされる。バッファー層２２０は、典型的にはパイロクロア構造をもつＰｒ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、Ｐｒ_２Ｓｎ_２Ｏ_７、あるいはＰｒ_２Ｈｆ_２Ｏ_７結晶である。他には、Ｔｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７も組成を微調整することによってバッファー層２２０に用いることができる可能性がある。バッファー層２２０のｚ方向の厚みは、典型的には数ｎｍ程度以上の範囲から適宜に選択される。当業者には明らかであるように、これらの薄膜は任意の結晶性薄膜の形成手法により形成することができる。例えばＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法は有力な手法の一つである。

【0036】

第２ＦＭ層２３０の磁化が光磁気カー効果によって読み取られる場合には、読み取り波長は目的にあわせ選択される。メモリー素子２００Ａをアレイ状に配列して集積する場合には、そのサイズ下限が読み取り波長により決まる場合がある。典型的には、その波長のための現実的な仮定としてＡｌ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ固体紫外レーザー（波長２５０ｎｍ）を採用すると、メモリー素子２００Ａ一つの面積は、０．０６μｍ^２程度とすることが視野に入る。

【0037】

一方、従来の磁気ヘッドで磁化が周囲に生成する磁場の変化を読み取る場合には、メモリー素子の側面である面２０６に磁気ヘッドを近づけることが有効である。その場合に面２０６の長さスケールとして検出のために必要となる下限は１０～２０ｎｍ程度であるため、メモリー素子２００Ｂは基板２０２Ｂの延びる向きに沿って例えば図２のｙｚ平面に並べることでの高集積化に対応できるものといえる。

【0038】

本出願の時点において、パイロクロア物質でバッファー層２２０のための量子スピン液体状態を確実に得るためには、典型的には０．２Ｋ以下に冷却する必要がある。しかし、他の候補物質として、イリジウムスピネルＬｉＩｒ_２Ｏ_４からＬｉがデインターカレートした薄膜物質Ｉｒ_２Ｏ_４を採用することが有望である。薄膜物質Ｉｒ_２Ｏ_４では温度スケールを室温まで高めうるからである（非特許文献３）。このため、本実施形態の動作は、より高温への適用が期待することができる。なお、Ｉｒ_２Ｏ_４は、Ｉｒを他の元素（例えばＲｈ）で置換して格子定数を調整することまで含めた場合、強磁性量子スピンアイス層のためにも、また量子スピン液体となってバッファー層のためにも採用することができる。

【0039】

３．原理の確認
次に、本発明者は、上述した原理を確認するため、モノポール流の生成の様子を理論計算により確めた。モノポール流の生成は理論に基づく数値シミュレーションにより示される。その手順は、まず量子スピンアイス物質のために、パイロクロア構造の結晶格子においてスピン量子数が１／２の擬スピンが強磁性相互作用をするハミルトニアンを記述する。次にその際生じるエマージェントＵ（１）ゲージ場を対象に平均場理論の解析を行う。モノポール波動関数は、適切な境界条件を課して自己無撞着法により決定される。

【0040】

図３には、ここでの理論計算のために採用した、強磁性量子スピンアイス部（左）３２、ギャップ部３４、および強磁性量子スピンアイス部（右）３６が形成している接合（ジャンクション）をもつ被験層３０の構造を示しており、モノポール流、磁化、電気分極の記載は省略している。この接合は、超伝導体においてジョセフソン接合になぞらえることができるものである。左右の強磁性量子スピンアイス部３２および３６それぞれにおいて波動関数の位相である量子力学的位相を有するモノポール流の互いの位相ミスマッチに応じた量のモノポール超流動流（monopole supercurrent）が接合を通るように生成される。このモノポール超流動流はモノポールがボーズ＝アインシュタイン凝縮して生じた超流動性を示すモノポール流である。本実施形態のモノポール流生成検出装置１００はこのモノポール超流動流を電気的に検出することができる。なお、ここでの理論計算におけるモノポール超流動流は、モノポール流Ｊ^ｍを生成しうる電気分極Ｐ（図１）の替わりに、同様のモノポール流を生成しうる別の例示のためのみの目的で説明される。留意すべきは、図３で示した接合を持つ被験層３０がモノポール流を生成する手法の一例に過ぎず、図１に示したモノポール流生成検出装置１００でモノポール流を検出可能な被験層３０はここに例示したものに限定されないことである。モノポール流生成検出装置１００は、超流動性を示さないモノポール流も検出することができ、また接合ではない被験層３０におけるモノポール流も検出できる。

【0041】

強磁性量子スピンアイス部（左、右）３２および３６の材質は、モノポール流を生成できるような任意の物質であり、典型的にはＹｂ_２Ｔｉ_２Ｏ_７の結晶である。ギャップ部３４のサイズや材質は、強磁性量子スピンアイス部３２および３６においてモノポール流がトンネル伝導しうる程度の距離だけ強磁性量子スピンアイス部（左、右）３２および３６を離すサイズであり、その間に、ギャップ部３４のために量子スピン液体となる材質を配置して接合構造を完成させる。また、ギャップ部３４は、単なる空隙としても本実施形態の動作検証は可能である。

【0042】

図４は、モノポール超流動流のモノポール流密度ｊ^ｍを計算した本発明者による計算例を示す説明図である。このうち図４Ａは図２において紙面の左右となるｘ方向におけるギャップ部３４付近の被験層３０の結晶構造を示している。図には主な電子のスピンも示している。なおこの計算例では、モノポール超流動のコヒーレンス長と同程度になるようにギャップ部３４のｘ方向を１単位胞ａとしており、その実際のサイズは結晶格子定数に応じて決定される。上述のパイロクロア物質では１ｎｍ程度である。強磁性量子スピンアイス部３２および３６の領域は、ギャップ部３４の両側に影により示している。また、グラフのｘ方向も単位胞ａによりスケールして示している。図４Ｂは、強磁性量子スピンアイス部（左）３２と強磁性量子スピンアイス部（右）３６の巨視的磁化（それぞれＭ^Ｌ、Ｍ^Ｒ）が互いに平行でｘ方向を向くとき、図４Ａの各位置に対応させてモノポール超流動流密度の分率ｎを計算したものである。計算は、強磁性量子スピンアイス部３２および３６の間でモノポール流の波動関数における５つの位相ミスマッチ（右端記載）について行った。また、時計に模した円は、その紙面上下の位置がログプロットした分率ｎの計算値を示しており、円内の矢印によってモノポールの位相も示している。さらに、図４Ｃは、強磁性量子スピンアイス部（左）３２と強磁性量子スピンアイス部（右）３６との間の位相ミスマッチ（図４Ｂ右端に示した値）に対して、モノポール超流動流密度ｊ^ｍをプロットしている。モノポール超流動流が０でない値をとることは、強磁性量子スピンアイス部（左、右）３２および３６の間の位相ミスマッチに起因してモノポール超流動流が生じることを意味している。そして図４Ｃの縦軸に対応する値は、モノポール流生成検出装置１００を利用すれば、バッファー層２２０に電気分極Ｐを誘導し、電極対２４２、２４４に現われる電位差として検出される。あるいは、前述の通り、磁気ヘッドや走査ＳＱＵＩＤによっても検出可能である。このように、図１に示したモノポール流生成検出装置１００を用いれば、位相ミスマッチに起因して流れるモノポール超流動流を検出することができる。

【0043】

４．変形例
上述した本実施形態のモノポール流生成検出装置１００およびメモリー素子２００Ａおよび２００Ｂは、種々の変形を伴って実施することもできる。例えばメモリー素子２００Ａおよび２００Ｂに関連して説明したように、基板の配置は、モノポール流生成検出装置１００においても任意である。また、回路技術の工夫により、モノポール流生成検出装置１００において電圧印加手段１５０と検出回路１６０を同時に電極対１４２、１４４１４４に接続することもできる。メモリー素子２００Ａおよび２００Ｂについても、例えば、集積化を容易化するために、バッファー層２２０に接続する電極対２４２、２４４の配置は、図示したもの以外とすることができる。

【0044】

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の実施形態、変形例および実施例は、本出願において開示される発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

【産業上の利用可能性】

【0045】

本発明は、モノポール流を利用する任意の機器または記憶装置を利用する任意の機器のために使用可能である。

【符号の説明】

【0046】

１００ モノポール流の生成および検出装置（モノポール流生成検出装置）
１１０ 強磁性量子スピンアイス層（ＦＭ層）
１２０、２２０ バッファー層
１４２、１４４、２４２、２４４ 電極対
１５０ 電圧印加手段
１５２ 可変電圧源
１５４Ａ、１５４Ｂ スイッチ
１６０ 検出回路
１６２ キャパシタ
１６４ 抵抗
１６６ 電圧計
２００Ａ、２００Ｂ メモリー素子
２０２Ａ、２０２Ｂ 基板
２０４、２０６ 面
２１０ 第１強磁性量子スピンアイス層（第１ＦＭ層）
２３０ 第２強磁性量子スピンアイス層（第２ＦＭ層）
２５０ 磁気検出素子
３０ 被験層（別の強磁性量子スピンアイス層）
３２、３６ 強磁性量子スピンアイス部（左、右）
３４ ギャップ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】