知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2024-12-18
(45)【発行日】2024-12-26
(54)【発明の名称】磁壁移動素子、磁気記憶素子、空間光変調器および磁気メモリ
(51)【国際特許分類】
H10B 61/00 20230101AFI20241219BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20241219BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20241219BHJP
G02F 1/09 20060101ALI20241219BHJP
【ＦＩ】
H10B61/00
H10N50/10 Z
H01L29/82 Z
G02F1/09 503
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020195579
(22)【出願日】2020-11-25
(65)【公開番号】P2022083931
(43)【公開日】2022-06-06
【審査請求日】2023-10-03
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ２０２０年１月２３日にＡｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓによってオンライン発行されたＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓのウェブサイト：ｈｔｔｐｓ：／／ａｉｐ．ｓｃｉｔａｔｉｏｎ．ｏｒｇ／ｄｏｉ／ｆｕｌｌ／１０．１０６３／１．５１３０４８８において発表
(73)【特許権者】
【識別番号】000004352
【氏名又は名称】日本放送協会
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】青島 賢一
(72)【発明者】
【氏名】船橋 信彦
(72)【発明者】
【氏名】東田 諒
(72)【発明者】
【氏名】町田 賢司
【審査官】加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１４３３０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１３４７５４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｂ ６１／００
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
Ｇ０２Ｆ １／０９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、細線方向における前記電流の供給方向に対応した方向に移動する磁壁移動素子であって、前記磁性細線の下側に配置された面内磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材をさらに備え、
前記磁性細線は、前記磁界印加部材に対して、細線方向の一方または両方の外側に延設され、
前記磁界印加部材は、磁化方向が前記磁性細線の細線方向における所定の一方向に固定され、発する磁界が前記磁性細線に印加され、
前記磁性層が、磁壁の移動範囲の細線方向の前記一方側または両側の領域において、前記磁界により磁化方向を上向きまたは下向きに固定されている磁壁移動素子。
【請求項2】
垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、細線方向における前記電流の供給方向に対応した方向に移動する磁壁移動素子であって、
前記磁性細線の下側に配置された面内磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材および副磁界印加部材をさらに備え、
前記磁界印加部材に対して前記磁性細線の細線方向の一方または両方の外側に、前記副磁界印加部材が配置され、かつ前記磁性細線が延設され、
前記磁界印加部材と前記副磁界印加部材とは、磁化方向が前記磁性細線の細線方向における互いに逆方向に固定され、
前記磁界印加部材が発する磁界、および前記磁界印加部材と前記副磁界印加部材とがそれぞれ発する磁界が合成された磁界が、前記磁性細線に印加されることを特徴とする磁壁移動素子。
【請求項3】
前記副磁界印加部材は、前記磁界印加部材の両側に設けられ、前記磁性細線に接続し、前記副磁界印加部材を経由して、前記磁性細線に電流を供給されることを特徴とする請求項２に記載の磁壁移動素子。
【請求項4】
前記磁性層の垂直磁気異方性材料が磁気光学材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
【請求項5】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を備える磁気記憶素子であって、前記磁性細線は、前記チャネル層が前記磁性層の下に積層され、
前記磁性層の磁壁の移動範囲内における上面に、非磁性金属膜または絶縁膜を挟んで、垂直磁気異方性材料からなる参照層を積層して備えることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項6】
請求項４に記載の磁壁移動素子を画素に備え、光を上方から入射して反射させる空間光変調器。
【請求項7】
請求項５に記載の磁気記憶素子をメモリセルに備える磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁壁移動素子、ならびに、磁壁移動素子を備える磁気記憶素子、磁気メモリおよび空間光変調器に関する。
【背景技術】
【0002】
メモリセルにおける磁気抵抗効果素子の抵抗の高低を２値のデータとする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive Random Access Memory：ＭＲＡＭ）においては、書込み、すなわち磁気抵抗効果素子の一部の磁性膜（自由層）の磁化反転方式として、初期の磁界印加方式に対して、高速化およびセルの微細化のために、電流を膜面垂直に供給する方式のＳＴＴ（Spin Transfer Torque：スピン注入トルク）－ＭＲＡＭが開発されている。そしてさらなる高速化のために、磁壁移動方式のＭＲＡＭ（例えば、特許文献１、非特許文献１）や、ＳＯＴ（Spin Orbit Torque：スピン軌道トルク）－ＭＲＡＭ（例えば、特許文献２，３）が開発されている。
【0003】
磁壁移動方式は、磁気抵抗効果素子の自由層を両側に延伸した細線状に形成して、その長手方向に電流を供給することにより、長手方向の所定の２点間における磁化方向を変化させる。詳しくは、幅が数ｎｍ～数百ｎｍの細線状に形成された磁性体（以下、磁性細線）は、その長手方向に２以上の磁区が生成し易く、さらに当該長手方向（細線方向）に電流を所定の電流密度以上で供給されると、磁区同士を区切るように生成している磁壁がＳＴＴ効果によって電流の逆方向に（正極側へ）移動する。また、このような磁性細線の所定領域における磁化反転を利用して、磁性細線を磁気光学材料で形成して光変調素子とした磁気光学式の空間光変調器が開発されている（例えば、特許文献４，５）。また、磁性細線に、電流の供給方向と同じ方向に磁界を印加することにより、磁壁の移動を高速化した磁気メモリが開発されている（例えば、特許文献６）。
【0004】
ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の自由層に、Ｔａ（タンタル）等のスピンホール効果（Spin Hall Effect：ＳＨＥ）を有するスピンホール層を積層して備える。スピンホール層は、膜面（ｘｙ面）内における一方向（ｘ方向）に電流を供給されると、ｙ方向の互いに逆向きのスピンを有する電子が上下の各表層に分かれて蓄積し、自由層との界面近傍の電子が自由層の磁化方向を反転させる。ＳＯＴ効果は、磁性細線における磁壁移動にも作用することが知られ（例えば、非特許文献２～６）、さらに非特許文献４では、磁壁の磁気構造によって磁壁を移動させるスピンの向きが異なることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第５５９８６９７号公報
【文献】国際公開第２０１７／０９０７３０号
【文献】国際公開第２０１９／０５４４８４号
【文献】特許第４９３９４８９号公報
【文献】特開２０１８－０７３８７１号公報
【文献】特開２０１９－０２９５９５号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】S. Fukami, T. Suzuki, K. Nagahara, N. Ohshima, Y. Ozaki, S. Saito, R. Nebashi, N. Sakimura, H. Honjo, K. Mori, C. Igarashi, S. Miura, N. Ishiwata, T. Sugibayashi, "Low-Current Perpendicular Domain Wall Motion Cell for Scalable High-Speed MRAM", 2009 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, 12A-2
【文献】Luqiao Liu, O. J. Lee, T. J. Gudmundsen, D. C. Ralph, R. A. Buhrman, "Current-Induced Switching of Perpendicularly Magnetized Magnetic Layers Using Spin Torque from the Spin Hall Effect", Physical Review Letters, Volume 109, 096602, 2012
【文献】Soo-Man Seo, Kyoung-Whan Kim, Jisu Ryu, Hyun-Woo Lee, Kyung-Jin Lee, "Current-induced motion of a transverse magnetic domain wall in the presence of spin Hall effect", Applied Physics Letters, Volume 101, 022405 (2012)
【文献】A. V. Khvalkovskiy, V. Cros, D. Apalkov, V. Nikitin, M. Krounbi, K. A. Zvezdin, A. Anane, J. Grollier, A. Fert, "Matching domain-wall configuration and spin-orbit torques for efficient domain-wall motion", Physical Review B87, 020402(R), 2013
【文献】Kab-Jin Kim, et al., "Fast domain wall motion in the vicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets", Nature Materials volume 16, pp. 1187-1192, 2017
【文献】黒川雄一郎，粟野博之，“Pt/[Tb/Co]n多層配線の電流誘起磁壁移動におけるPt層の効果”，第40回 日本磁気学会学術講演概要集，5pE-3，２０１６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
磁性細線において磁壁を移動させるために電流密度の高い電流の供給を繰り返され続けると、磁性細線が劣化してＭＲＡＭ等の寿命が短くなる虞がある。また、省電力化の観点からもより低い電流密度での動作が、特にある程度の幅および厚さの磁性細線を光変調素子に用いる空間光変調器においては望ましい。また、ＳＯＴ効果による磁化反転や磁壁移動は、磁性膜が厚くなると効果が低下する傾向があり、記憶素子としては磁化の熱擾乱耐性が不十分であり、光変調素子としては磁気光学効果が小さい。特許文献６に記載されたような磁界アシストによる磁壁移動は、電流の供給方向と逆方向に磁界が印加されると移動が阻害されるので、磁壁を往復移動可能とするためには磁界の印加のＯＮ／ＯＦＦの切替または磁界の向きの反転の可能な磁界印加手段を備える必要があり、改良の余地がある。
【0008】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、供給する電流の電流密度を高くすることなく、高速な書込みを可能とする磁気メモリおよび空間光変調器、ならびにその磁気記憶素子および磁壁移動素子を提供することが課題である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、ＳＯＴ効果による磁性細線における磁壁移動が磁壁の磁気構造によって異なることから、外部磁界によって磁壁の磁気構造を安定させる構成に想到した。
【0010】
すなわち、本発明に係る磁壁移動素子は、垂直磁気異方性材料からなる磁性層とスピンホール効果を有するチャネル層とを積層して細線状に形成してなる磁性細線を備え、前記磁性細線に電流を細線方向に供給されると、前記磁性層に生成している磁壁が、細線方向における前記電流の供給方向に対応した方向に移動する磁壁移動素子である。磁壁移動素子は、前記磁性細線の下側に配置された面内磁気異方性の硬磁性材料からなる磁界印加部材をさらに備え、前記磁性細線は、前記磁界印加部材に対して、細線方向の一方または両方の外側に延設され、前記磁界印加部材は、磁化方向が前記磁性細線の細線方向における所定の一方向に固定され、発する磁界が前記磁性細線に印加され、前記磁性層が、磁壁の移動範囲の細線方向の前記一方側または両側の領域において、前記磁界により磁化方向を上向きまたは下向きに固定されている。かかる構成により、磁壁移動素子は、供給する電流の電流密度に対して高速で、磁壁の移動範囲内における磁化を反転させることができる。
【0011】
本発明に係る磁気記憶素子は、前記磁壁移動素子の前記磁性細線において、前記チャネル層が前記磁性層の下に積層され、前記磁性層の磁壁の移動範囲内における上面に、非磁性金属膜または絶縁膜を挟んで、垂直磁気異方性材料からなる参照層を積層して備える。かかる構成により、磁気記憶素子は、供給する電流の電流密度に対して高速で書込みをすることができる。
【0012】
本発明に係る空間光変調器は、前記磁壁移動素子を画素に備え、光を上方から入射して反射させる。また、本発明に係る磁気メモリは、前記磁気記憶素子をメモリセルに備える。かかる構成により、空間光変調器および磁気メモリは、供給する電流の電流密度に対して高速で書込みをすることができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る磁壁移動素子および磁気記憶素子によれば、供給する電流の電流密度が低く抑えられて磁性細線が劣化し難い。本発明に係る空間光変調器および磁気メモリによれば、高速の書込みが可能で、かつ、長寿命化および省電力化される。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子の構造を模式的に説明する断面図である。
【図3A】磁性細線における右旋回のネール型磁壁の磁気構造、およびスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。
【図3B】磁性細線における右旋回のネール型磁壁の磁気構造、およびスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。
【図4A】磁性細線における左旋回のネール型磁壁の磁気構造、およびスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。
【図4B】磁性細線における左旋回のネール型磁壁の磁気構造、およびスピン軌道トルク効果による磁壁の移動を説明する概念図である。
【図5】本発明の実施形態に係る空間光変調器の等価回路図である。
【図6】本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子を備える磁気記憶素子の構造を模式的に説明する断面図である。
【図8】本発明の実施形態に係る磁気メモリの等価回路図である。
【図10】磁気メモリにおける、本発明の第２実施形態の変形例に係る磁壁移動素子を備える磁気記憶素子の構造を模式的に説明する断面図である。
【図11】磁気メモリにおける、本発明の第２実施形態の変形例に係る磁壁移動素子を備える磁気記憶素子の構造を模式的に説明する断面図である。
【図12A】本発明の第３実施形態に係る磁壁移動素子を備える磁気記憶素子の磁化方向および印加磁界を説明する模式図である。
【図12B】本発明の第３実施形態に係る磁壁移動素子を備える磁気記憶素子の磁化方向および印加磁界を説明する模式図である。
【図13】本発明の第４実施形態に係る磁壁移動素子の構造を模式的に説明する断面図である。
【図14】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルの顕微鏡写真である。
【図15A】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルの磁性細線の、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線である。
【図15B】従来の磁壁移動素子を模擬した比較例のサンプルの磁性細線の、カー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線である。
【図16A】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルにおける、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁の移動速度の電流密度依存性のグラフである。
【図16B】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルにおける、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁の移動速度の電流密度依存性のグラフである。
【図17A】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルにおける、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁の移動速度の磁界依存性のグラフである。
【図17B】本発明に係る磁壁移動素子を模擬した実施例のサンプルにおける、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁の移動速度の磁界依存性のグラフである。
【図18】従来の磁壁移動素子を模擬した比較例のサンプルの磁壁移動速度の電流密度依存性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明に係る磁壁移動素子、ならびに、磁気記憶素子、磁気メモリおよび空間光変調器を実現するための形態について、図面を参照して説明する。図面に示す磁壁移動素子、磁気記憶素子、磁気メモリ、および空間光変調器、ならびにそれらの要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。
【0016】
〔第１実施形態〕
（光変調素子）
本発明の第１実施形態に係る光変調素子（磁壁移動素子）１０は、図１に示すように、垂直磁気異方性材料からなる磁性層１１とスピンホール効果を有するチャネル層１２とを上から順に積層して細線状に形成してなる磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、を備え、さらに、磁性細線１の両端のそれぞれにおける下面（チャネル層１２）に接続する電極６１，６２を備える。また、光変調素子１０においては、磁性細線１の周囲等の空白部に絶縁体が設けられる。本明細書では適宜、磁性細線１の細線方向をｘ方向、細線幅方向をｙ方向、厚さ方向をｚ方向と称する。光変調素子１０は、空間光変調器の画素に使用され、上方から入射した光を反射して偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射する（例えば、特許文献４，５参照）。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
（光変調素子）
本発明の第１実施形態に係る光変調素子（磁壁移動素子）１０は、図１に示すように、垂直磁気異方性材料からなる磁性層１１とスピンホール効果を有するチャネル層１２とを上から順に積層して細線状に形成してなる磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、を備え、さらに、磁性細線１の両端のそれぞれにおける下面（チャネル層１２）に接続する電極６１，６２を備える。また、光変調素子１０においては、磁性細線１の周囲等の空白部に絶縁体が設けられる。本明細書では適宜、磁性細線１の細線方向をｘ方向、細線幅方向をｙ方向、厚さ方向をｚ方向と称する。光変調素子１０は、空間光変調器の画素に使用され、上方から入射した光を反射して偏光方向を２値の角度に変化させた光を出射する（例えば、特許文献４，５参照）。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。
【0017】
磁性層１１は、光変調素子１０の主要部材であり、一部の領域の磁化方向が上向きまたは下向きの所望の方向を示して、カー効果により、入射した光を反射する際に偏光方向を２値の角度（＋θk／－θk）に変化させる。磁性層１１は、細線状に形成された垂直磁気異方性材料からなり、図２Ａや図２Ｂに示すように、磁壁ＤＷによって細線方向に区切られ、異なる磁化方向（図中、ハッチングを付した矢印で表す）の２つの磁区、すなわち下向きの磁区と上向きの磁区とに分割されている。磁性層１１は、後記するように、この磁壁ＤＷが電気的手段によって細線方向に移動させられ、磁壁ＤＷの移動の始点－終点間における磁化方向が移動の前後で変化する。磁性層１１における磁壁ＤＷの移動の始点－終点間の領域を、磁化反転可能領域１SWと称し、画素の開口部とすることができる。光変調素子１０は、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWで反射した光を所望の偏光方向に変化させる。そのために、磁性層１１は、垂直磁気異方性材料の、保磁力が比較的大きくないものを適用されることが好ましく、さらに磁気光学効果の高いものが好ましく、ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子等に適用されるＣＰＰ－ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子の磁化自由層に用いられる公知の磁性材料を適用することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比１：２～４程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜、Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏ，Ｇｄ－Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ－ＴＭ合金）、Ｌ１0系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ，ＣｒＰｔ3等が挙げられる。本実施形態においては、保磁力が小さく、磁気光学効果の高いＧｄ－Ｆｅ合金が特に好適である。
【0018】
磁性細線１を構成する磁性層１１およびチャネル層１２のそれぞれは、厚さと幅が一様な直線状であることが好ましい。磁性層１１は、厚さおよび幅に対して十分に長い細線状に形成される。さらに、磁性層１１は、厚さと幅の積である断面積が小さいほど、磁性細線１に供給する電流を小さくすることができる。一方、磁性層１１は、磁化の保持のためにある程度の厚さおよび幅を有することが好ましく、また、厚さが大きいほど光変調度が高く（カー回転角θkが大きく）なり、具体的には、厚さが５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましい。ただし、磁性層１１は、材料にもよるが、厚さが２０ｎｍ程度を超えると光変調度の上昇が鈍化し、さらに厚膜化すると垂直磁気異方性が保持され難い場合がある。また、磁性層１１が厚いと磁壁ＤＷが移動し難くなる。したがって、磁性層１１は、厚さが３０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以下であることがより好ましい。また、画素の開口部である磁性層１１の磁化反転可能領域１SWが広いことが好ましく、入射光の波長にもよるが、幅、および磁化反転可能領域１SWの細線方向長が、２００～３００ｎｍ程度以上であることが好ましい。また、磁性層１１は、磁化反転可能領域１SWの細線方向両外側に隣接した領域を、磁化方向が固定された領域（磁化固定領域）１FX1，１FX2とし、それぞれ細線方向長が細線幅の１／２以上であることが好ましい。また、磁性層１１（磁性細線１）は、磁化固定領域１FX1，１FX2の細線方向両外側に、電極６１，６２が接続されるためにさらに延伸して形成される。電極６１，６２との接続領域における磁性層１１の磁化方向は、特に規定されない。図２Ａおよび図２Ｂにおいては、電極６２上に下向きの磁区が形成され、磁化固定領域１FX2との境界に磁壁ＤＷ´が生成している。
【0019】
チャネル層１２は、電流を流すパスであり、磁性層１１の片面、ここでは下面に積層され、磁性層１１と同じ平面視形状に形成される。チャネル層１２は、電流が流れるとスピンホール効果（ＳＨＥ）によってスピン流を発生させる薄膜であり、例えば、常磁性の遷移金属の中でも高比重のＴａ，Ｐｔ，Ｗが適用される。また、チャネル層１２は、ＢｉＳｂ，ＢｉＳｅ等のトポロジカル絶縁体を適用することもできる。チャネル層１２は、厚さが１ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【0020】
ナノ磁石５１は、ｘ方向長がｙ方向長および厚さよりも長い、磁性細線１の細線方向に沿った極小の棒磁石であり、ここでは＋ｘ側をＮ極とする。なお、別途記載のない限り、各図面において、ナノ磁石５１および後記のナノ磁石５２，５３は、極性「Ｎ」、「Ｓ」を付し、さらに、Ｎ極側にハッチングを付して表す。また、図１に、ナノ磁石５１からの磁力線を破線で表す。ナノ磁石５１は、面内磁気異方性を有する硬磁性体からなり、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比２～４：１程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｔ多層膜等の多層膜が適用される。ナノ磁石５１は、漏れ磁界が磁性層１１に到達し、磁化反転可能領域１SWに、当該ナノ磁石５１の極性と逆向きの－ｘ方向に磁界Ｈassを印加する。磁界Ｈassは、後記するように、磁性細線１に所定の大きさの電流Ｉwを供給されると、磁性層１１の磁壁ＤＷが移動することのできる大きさであり、磁性層１１の電流Ｉwを供給されたときの保磁力（一時保磁力）Ｈcf´（Ｈcf´≦Ｈcf、Ｈcf：磁性層１１の電流を供給されていないときの保磁力）未満（Ｈass＜Ｈcf´）において大きいことが好ましい。ナノ磁石５１はさらに、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2にそれぞれ、－ｚ方向、＋ｚ方向に磁界－Ｈpin，＋Ｈpinを印加する。磁界－Ｈpin，＋Ｈpinは、磁性層１１の一時保磁力Ｈcf´よりも大きいこと（Ｈpin＞Ｈcf´）が好ましく、磁性層１１の保磁力Ｈcfよりも大きいことが理想的である。そのために、ナノ磁石５１は、両端（両極）がそれぞれ、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の直下に配置されることが好ましい。したがって、ナノ磁石５１は、細線方向長が磁性細線１よりも短くかつ磁化反転可能領域１SW以上で、また、幅が磁性細線１と同程度以上に形成される。また、ナノ磁石５１は、磁性層１１に磁界Ｈass，－Ｈpin，＋Ｈpinを十分な強さで印加するために、磁性層１１のより近くに配置されることが好ましい。ここで、ナノ磁石５１は、磁性細線１（磁性層１１またはチャネル層１２）に接触していてもよいが、磁性細線１に供給される電流の一部が流れることになるので電流を大きくする必要が生じる。したがって、ナノ磁石５１は、磁性細線１およびこれに電気的に接続する電極６１，６２に対して、絶縁膜で隔てられて、具体的には３ｎｍ以上空けて配置されることが好ましい。
【0021】
電極６１および電極６２は、磁性細線１に、外部から電流を細線方向（＋ｘ方向、－ｘ方向）に供給するための端子である。そのために、電極６１，６２は、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWの両外側で、磁性層１１またはチャネル層１２に接続する。電極６１，６２は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で、磁性細線１に供給する電流の大きさに対応した厚さや幅に形成される。本実施形態においては、電極６１，６２は、磁性細線１の下側のチャネル層１２に接続して設けられる。そのため、ナノ磁石５１の両端近傍で磁性層１１に印加される磁界－Ｈpin，＋Ｈpinを遮蔽しないように、電極６１，６２は、ナノ磁石５１の両端から十分に間隙を設けた、平面視で磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の外側に配置されることが好ましい。
【0022】
光変調素子１０において、磁性細線１とナノ磁石５１との間等の空白部に設けられる絶縁体は、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，Ａｌ2Ｏ3等の半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料が適用され、部位によって異なる材料を設けてもよい。特に、磁性層１１がＲＥ－ＴＭ合金等の酸化し易い材料からなる場合には、磁性層１１と接触する部位に、ＳｉＮ等の非酸化物やＭｇＯを適用することが好ましい。また、光変調素子１０（空間光変調器９０）の製造時においては、このような絶縁材料を厚さ１～１０ｎｍ程度の保護膜として、チャネル層１２、磁性層１１をそれぞれ形成する材料と連続して成膜することが好ましい。
【0023】
（磁性細線における磁壁移動）
本実施形態に係る光変調素子の、電流供給による磁性細線における磁壁移動について、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂを参照して説明する。これらの図面では、磁性細線１の、磁性層１１の磁化反転可能領域１SW（図２Ａ、図２Ｂ参照）の磁壁ＤＷを含む部分を特に細線方向（ｘ方向）に拡大して表す。まず、磁壁の磁気構造について説明する。強磁性体である磁性層１１は、磁化方向が下向きの磁区Ｄ１と上向きの磁区Ｄ２との境界では、磁化方向が下向きから上向きに急激に切り換わらず、隣り合う磁気モーメントｍ，ｍを同じ向きに揃えようとする交換相互作用が働くので、磁壁ＤＷに配列した磁気モーメントｍが磁区Ｄ１側から磁区Ｄ２側へ少しずつ傾斜している。なお、これらの図面の磁壁ＤＷのように、－ｘ側が下向き、＋ｘ側が上向きの磁化方向となる磁壁を、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁と称する。反対に、－ｘ側が上向き、＋ｘ側が下向きの磁化方向となる磁壁を、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁と称する。ここで、垂直磁気異方性材料からなる磁性体の磁壁には２種類の磁気構造がある。一つは、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂに示すように、磁壁ＤＷにおける磁気モーメントｍが、磁壁面（ｙｚ面）に垂直な細線方向（ｘ方向）に向けて傾斜して、ｘｚ面内で１８０°回転するネール（Neel）型磁壁である。もう一つは、磁気モーメントｍが、細線幅方向（ｙ方向）に向けて傾斜して、磁壁面（ｙｚ面）内で１８０°回転するブロッホ（Bloch）型磁壁である（図示省略）。さらにそれぞれの磁壁において、磁気モーメントの回転方向が、右旋回（right-handed chirality）と左旋回（left-handed chirality）とを示し得る。図３Ａおよび図３Ｂに示す磁壁ＤＷは右旋回のネール型の磁気構造であり、図４Ａおよび図４Ｂに示す磁壁ＤＷは左旋回のネール型の磁気構造である。
本実施形態に係る光変調素子の、電流供給による磁性細線における磁壁移動について、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂを参照して説明する。これらの図面では、磁性細線１の、磁性層１１の磁化反転可能領域１SW（図２Ａ、図２Ｂ参照）の磁壁ＤＷを含む部分を特に細線方向（ｘ方向）に拡大して表す。まず、磁壁の磁気構造について説明する。強磁性体である磁性層１１は、磁化方向が下向きの磁区Ｄ１と上向きの磁区Ｄ２との境界では、磁化方向が下向きから上向きに急激に切り換わらず、隣り合う磁気モーメントｍ，ｍを同じ向きに揃えようとする交換相互作用が働くので、磁壁ＤＷに配列した磁気モーメントｍが磁区Ｄ１側から磁区Ｄ２側へ少しずつ傾斜している。なお、これらの図面の磁壁ＤＷのように、－ｘ側が下向き、＋ｘ側が上向きの磁化方向となる磁壁を、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁と称する。反対に、－ｘ側が上向き、＋ｘ側が下向きの磁化方向となる磁壁を、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁と称する。ここで、垂直磁気異方性材料からなる磁性体の磁壁には２種類の磁気構造がある。一つは、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂに示すように、磁壁ＤＷにおける磁気モーメントｍが、磁壁面（ｙｚ面）に垂直な細線方向（ｘ方向）に向けて傾斜して、ｘｚ面内で１８０°回転するネール（Neel）型磁壁である。もう一つは、磁気モーメントｍが、細線幅方向（ｙ方向）に向けて傾斜して、磁壁面（ｙｚ面）内で１８０°回転するブロッホ（Bloch）型磁壁である（図示省略）。さらにそれぞれの磁壁において、磁気モーメントの回転方向が、右旋回（right-handed chirality）と左旋回（left-handed chirality）とを示し得る。図３Ａおよび図３Ｂに示す磁壁ＤＷは右旋回のネール型の磁気構造であり、図４Ａおよび図４Ｂに示す磁壁ＤＷは左旋回のネール型の磁気構造である。
【0024】
通常、細線状に形成された垂直磁気異方性の磁性体において、磁壁は、磁気構造がこれら４通りに交互に変化しながら移動する。ただし、細線幅が十分に細い場合には、ネール型磁壁になり易く、右旋回と左旋回の２通りに変化する。しかし、本実施形態に係る光変調素子（磁壁移動素子）１０においては、ナノ磁石５１によって、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、常時、細線方向における所定の一方向（－ｘ方向）の磁界Ｈassが磁性層１１に印加されているので、磁壁ＤＷは、細線幅にかかわらず、右旋回のネール型の磁気構造で安定する。なお、ナノ磁石５１が磁性層１１の上側に配置されている場合には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、＋ｘ方向の磁界Ｈassが磁性層１１に印加されているので左旋回のネール型の磁壁ＤＷになる。
【0025】
このような磁性細線１に、電極６１，６２を介して電流Ｉwを細線方向の一方向（＋ｘ方向）に供給しているとき、図３Ａに示すように、チャネル層１２にｙｚ面の単位面積当たりの電流Ｊが＋ｘ方向に流れる。すると、チャネル層１２においては、スピンホール効果によってスピン流が誘起されて、細線幅方向の互いに逆向き（－ｙ方向、＋ｙ方向）のスピンを有する電子ｅ-が、上下の各表層に分かれて蓄積される。したがって、上側の磁性層１１との界面近傍に、－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-が偏在する。－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-は、磁性層１１の磁壁ＤＷの磁気モーメントｍをｘｚ面内で反時計回りに回転させる。なお、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂにおいて、磁壁ＤＷの磁気モーメントｍに回転方向を表す矢印を付す。また、同時に、磁性層１１にも、チャネル層１２との抵抗差に応じた電流密度の電流が流れる。この電流密度が十分に高いと、磁性層１１は、ジュール熱が発生して温度が上昇することによって保磁力がＨcfからＨcf´に低下して磁気異方性が低下し、磁気モーメントｍが弱くなって回転し易くなる。その結果、右旋回のネール型の磁壁ＤＷが、見かけ上、電流Ｉwと同じ＋ｘ方向に移動して、後側の磁区Ｄ１が伸長し、前側の磁区Ｄ２が短縮する。反対に、図３Ｂに示すように、磁性細線１に電流Ｉwを－ｘ方向に供給しているときには、チャネル層１２における磁性層１１との界面近傍に＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-が偏在する。＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-は、磁性層１１の磁壁ＤＷの磁気モーメントｍをｘｚ面内で時計回りに回転させるので、見かけ上、磁壁ＤＷが－ｘ方向に移動する。すなわち、磁壁が電流の供給方向に移動する。
【0026】
図４Ａに示す磁性細線１においても、図３Ａと同様に、電流Ｉwを＋ｘ方向に供給しているとき、積層したチャネル層１２の界面近傍に、－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-が偏在する。－ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-は、磁壁ＤＷの磁気モーメントｍを反時計回りに回転させるので、左旋回のネール型の磁壁ＤＷは、見かけ上、電流Ｉwと逆の－ｘ方向に移動する。そして、図４Ｂに示すように、図３Ｂと同様に、電流Ｉwを－ｘ方向に供給されていると、＋ｙ方向のスピンを有する電子ｅ-が、磁気モーメントｍを時計回りに回転させるので、見かけ上、磁壁ＤＷが＋ｘ方向に移動する。すなわち、左旋回のネール型の磁壁は、電流の供給方向と逆方向に移動する。
【0027】
このように、本実施形態に係る光変調素子１０においては、磁壁ＤＷの磁気モーメントの旋回方向によって、電流Ｉwの供給方向と磁壁ＤＷの移動方向との関係が逆になる。また、ナノ磁石５１から印加される磁界Ｈassは、磁性細線１の積層構造（チャネル層１２／磁性層１１／絶縁体）に依拠するジャロシンスキー－守谷相互作用（Dzyaloshinskii - Moriya Interaction：ＤＭＩ）による有効磁界と同じ向きである方が、磁壁が移動し易く、高速になる。有効磁界は、＋ｘ方向に磁化方向が上向きから下向きに変化する磁壁（ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁）においては＋ｘ方向、下向きから上向きに変化する磁壁（ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁）においては－ｘ方向であり、すなわち、磁壁ＤＷが右旋回のネール型の磁気構造である方が好ましい。
【0028】
本実施形態に係る光変調素子１０においては、磁性細線１の下側に配置されたナノ磁石５１によって、磁壁ＤＷが、右旋回のネール型の磁気構造で安定しているので、常に電流Ｉwの供給方向に移動する。したがって、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWにおける磁化方向を、図２Ａに示す下向きの状態から図２Ｂに示す上向きの状態に磁化反転させるときには、磁壁ＤＷを－ｘ方向に移動させるために、電極６１を電流源の－極に、電極６２を＋極に接続して電流Ｉwを－ｘ方向に供給する。反対に、磁化反転可能領域１SWの磁化方向を図２Ｂに示す上向きから図２Ａに示す下向きに磁化反転させるときには、電極６１を＋極に、電極６２を－極に接続して電流Ｉwを＋ｘ方向に供給する。図２Ａおよび図２Ｂにおいて、電流Ｉwの供給方向を表す矢印を、チャネル層１２に付す。
【0029】
そして、前記したように、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWで反射した光は、磁化方向によって、偏光方向が入射光に対して角度＋θk／－θk回転（旋光）した２値の光のいずれかとなる。したがって、２値の光の一方を明（白）に、他方を暗（黒）に設定することにより、光変調素子１０は反射型の空間光変調器の画素に使用することができる。
【0030】
磁界Ｈassが大きいほど、磁壁ＤＷの磁気構造が右旋回のネール型で安定するので、磁壁移動が高速になる。また、電流Ｉwの電流密度が高いほど、ｙ方向における一方向のスピンを有する電子ｅ-がチャネル層１２の磁性層１１との界面に多く蓄積するので、そして、磁性層１１の一時保磁力Ｈcf´が小さくなるので、磁壁移動が高速になる。ただし、電流Ｉwの電流密度が高いと、磁性細線１が劣化し易くなる。磁壁移動速度は、電流Ｉwの電流密度や磁性層１１に印加されている磁界Ｈassの大きさ等に依存するので、これらに応じて、磁壁ＤＷの移動距離が磁化反転可能領域１SWの細線方向長以上になるように、電流Ｉwの供給時間を設定する。磁化反転可能領域１SWの細線方向長が１μｍ程度であれば、磁壁移動速度によるが、電流Ｉwの供給時間は１０ｎｓ程度である。このような極めて短時間の直流電流を供給するために、供給時間をピーク期間に設定した直流パルス電流として電流Ｉwを供給することが好ましい。
【0031】
磁性層１１の磁化反転可能領域１SWの外側においては、－ｘ方向の磁界Ｈassが小さいまたは印加されないので、磁壁ＤＷが磁化反転可能領域１SWの終端を通過すると、磁壁ＤＷの磁気構造が不安定となり、電流Ｉwの供給が継続されていても磁壁ＤＷが移動不可能となる。また、図２Ａや図２Ｂに示すように、磁化固定領域１FX2の細線方向外側の端の磁壁ＤＷ´が生成していても、同様の理由により、電流Ｉwが流れていてもこの磁壁ＤＷ´は移動しない。このように、磁界Ｈassが印加されていない領域では磁壁ＤＷが移動しないように、電流Ｉwの大きさを設定することが好ましい。あるいは、磁界Ｈassが印加されていなくても磁壁ＤＷが低速で移動可能であるとしても、ナノ磁石５１の端近傍から印加されるｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが磁化固定領域１FX1，１FX2を下向き、上向きの磁区に固定しているので、磁化固定領域１FX1，１FX2内までは磁壁ＤＷが移動しない。そのためには、磁性層１１の一時保磁力Ｈcf´がＨpinよりも小さくなる（Ｈcf´＜Ｈpin）ように、電流Ｉwの大きさを設定することが好ましい。
【0032】
なお、磁性層１１は、厚さが大きくなると、チャネル層１２との界面当たりにおいて、体積が増大して磁気モーメントｍが強くなり、一方、チャネル層１２の界面近傍の電子ｅ-が有する角運動量は一定であるので、ＳＯＴ効果により磁壁ＤＷを移動させるためには、一般的には、電流Ｉwの電流密度を高くする必要がある。さらには、磁性層１１の断面積の拡大と相まって、電流Ｉwを大きくすることになる。しかし、本実施形態では、ナノ磁石５１によって、磁性層１１の磁壁ＤＷが右旋回のネール型の磁気構造に揃えられて安定していることにより、磁性層１１がある程度厚くても低い電流密度で磁気モーメントを回転させることができると考えられる。
【0033】
（空間光変調器）
光変調素子１０は、一例として、図５に示す空間光変調器９０に配列された画素９の光変調素子として搭載される。なお、図５においては、簡潔に説明するために、光変調素子１０について、磁性細線１（抵抗器の図記号で表す）および電極６１，６２（線で表す）のみを示し、また、４列×４行の１６個の画素９を示す。画素９は、光変調素子１０と共に、光変調素子１０の電極６１に接続するトランジスタ７１をさらに備える。空間光変調器９０は、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似し、列方向に延設したワード線８４および行方向に延設したビット線８１を備える。ビット線８１はトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力する。また、電極６２は、すべての画素９の共通電位に接続する。
光変調素子１０は、一例として、図５に示す空間光変調器９０に配列された画素９の光変調素子として搭載される。なお、図５においては、簡潔に説明するために、光変調素子１０について、磁性細線１（抵抗器の図記号で表す）および電極６１，６２（線で表す）のみを示し、また、４列×４行の１６個の画素９を示す。画素９は、光変調素子１０と共に、光変調素子１０の電極６１に接続するトランジスタ７１をさらに備える。空間光変調器９０は、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似し、列方向に延設したワード線８４および行方向に延設したビット線８１を備える。ビット線８１はトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力する。また、電極６２は、すべての画素９の共通電位に接続する。
【0034】
トランジスタ７１は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、Ｓｉ基板の表層に形成される。したがって、Ｓｉ基板を土台として、画素９を配列することができる。ビット線８１およびワード線８４は、電極６１，６２と同様に金属電極材料で形成される。また、これらの配線間や隣り合う画素９，９のそれぞれの磁性細線１同士等の間隙には、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の、半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料が充填される。
【0035】
空間光変調器９０において、画素９の配列方向と光変調素子１０の磁性細線１の細線方向（ｘ方向）とは合わせなくてよい。例えば、画素の開口率を高くするために、磁性細線１の細線方向長が長くなるように、配列の対角線方向を細線方向に設計することができる。ただし、細線方向がすべての画素９で揃うように光変調素子１０が配列される。これは、後記の初期設定処理で、細線方向に外部磁界を印加してナノ磁石５１の極性を揃えて着磁するためである。また、隣の画素９の磁性細線１やナノ磁石５１と互いに磁気的な影響を受けることのないように、間隔を空けて画素９のレイアウトを設計する。また、画素９における磁化反転可能領域１SWの配置がすべての画素９で揃うようにレイアウトを設計されていることが好ましい。
【0036】
（初期設定処理）
空間光変調器の初期設定処理について説明する。初期設定処理は、光変調素子１０のナノ磁石５１の極性を所定の方向に着磁し、また、磁性細線１の磁性層１１について、細線方向にのみ磁区が分割されて、磁化固定領域１FX1側を下向き、磁化固定領域１FX2側を上向きの磁化方向として、これら２つの磁区の境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷを生成する。初期設定処理は、空間光変調器９０の製造時または使用前に行うことができる。まず、第１工程として、光変調素子１０の磁性材料のうち保磁力が最も大きいナノ磁石５１を、＋ｘ側がＮ極、－ｘ側がＳ極の棒磁石とする。そのために、外部から、ナノ磁石５１の保磁力よりも大きい磁界を＋ｘ方向に印加する。
空間光変調器の初期設定処理について説明する。初期設定処理は、光変調素子１０のナノ磁石５１の極性を所定の方向に着磁し、また、磁性細線１の磁性層１１について、細線方向にのみ磁区が分割されて、磁化固定領域１FX1側を下向き、磁化固定領域１FX2側を上向きの磁化方向として、これら２つの磁区の境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷを生成する。初期設定処理は、空間光変調器９０の製造時または使用前に行うことができる。まず、第１工程として、光変調素子１０の磁性材料のうち保磁力が最も大きいナノ磁石５１を、＋ｘ側がＮ極、－ｘ側がＳ極の棒磁石とする。そのために、外部から、ナノ磁石５１の保磁力よりも大きい磁界を＋ｘ方向に印加する。
【0037】
＋ｘ方向の磁界の印加を停止した後、第２工程として、磁性層１１に、磁壁ＤＷを挟んだ２つの磁区を生成する。そのために、外部から下向き（－ｚ方向）に、ナノ磁石５１の保磁力よりも小さい磁界Ｈinitを印加しながら、磁性細線１に電極６１，６２を介して電流を供給する。磁性層１１に流れる電流でジュール熱を発生させて温度上昇により磁性層１１の保磁力を一時的にＨinit未満かつＨpin未満に低下させることにより、磁性層１１の全体を下向きの磁化方向の単磁区としてから、磁界Ｈinitの印加を停止し、その後に電流の供給を停止する。外部磁界のない状態では、磁性層１１は、その下側に配置されたナノ磁石５１によって、Ｎ極（＋ｘ側の端）近傍上において＋ｚ方向の磁界＋Ｈpinが、Ｓ極（－ｘ側の端）近傍上において－ｚ方向の磁界－Ｈpinが、それぞれ印加されている。したがって、磁界Ｈinitの印加停止後も電流の供給を継続していることにより、磁性層１１におけるナノ磁石５１のＮ極側近傍の、少なくとも磁化固定領域１FX2を含む領域が磁化反転して、磁化方向が＋ｚ方向の磁区になる。図２Ａに示すように、磁化固定領域１FX2が磁化反転すると、磁性層１１は、磁化反転可能領域１SWおよびそのＳ極側が、磁化方向が－ｚ方向の磁区になり、磁化反転可能領域１SWと磁化固定領域１FX2との境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷが生成する。さらに、電流の供給方向によって、すべての画素９の光変調素子１０の磁性細線１において、磁化反転可能領域１SWと磁化固定領域１FX1，１FX2のいずれか一方との境界に磁壁ＤＷの位置が揃えられる。磁性細線１への電流の供給は、後記の書込方法と同様に行うことができる。
【0038】
ナノ磁石５１から印加されるｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが磁性層１１の保磁力Ｈcfよりも大きい場合には、第２工程において、磁界Ｈinit（＞Ｈcf）を印加し、電流供給はなくてもよい。なお、光変調素子１０においては、磁性細線１が、電極６１，６２との接続領域として、ナノ磁石５１よりもある程度長く形成されているので、Ｎ極側の電極６２上すなわち磁化固定領域１FX2の細線方向外側に、－ｚ方向の磁区が残存する場合があるが、前記したように光変調素子１０の動作に影響はない。また、初期設定処理の第２工程において、上向き（＋ｚ方向）に磁界を印加してもよい。この場合、磁性層１１は、図２Ｂに示すように、磁化反転可能領域１SWおよびそのＮ極側の磁化固定領域１FX2が＋ｚ方向の磁区となり、磁化固定領域１FX1が－ｚ方向の磁区となって、磁化反転可能領域１SWと磁化固定領域１FX1との境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷが生成する。
【0039】
（書込方法）
空間光変調器９０の書込み、すなわち、所望の明暗のパターンに応じて、画素９毎に磁性層１１の磁化反転可能領域１SWにおける磁化方向を上向きまたは下向きにする方法の一例は、以下の通りである。磁性細線１に電流Ｉwを供給するためのビット線８１（トランジスタ７１のソース）と電極６２との電位差をＶwとすると、パルス電流源の一方の端子を電位＋Ｖwに接続し、この端子にすべての画素９の電極６２を接続する。そして、磁化反転可能領域１SWを下向きの磁化方向にする（図２Ａ参照）ためには、電流Ｉwを＋ｘ方向に供給するように、パルス電流源の他方の端子を電位＋２Ｖwと選択した行のビット線８１とに接続し、書き込む対象の画素９の列のワード線８４をゲート電源に接続する。反対に、磁化反転可能領域１SWを上向きの磁化方向にする（図２Ｂ参照）ためには、電流Ｉwを－ｘ方向に供給するように、パルス電流源の他方の端子を０Ｖに接続する。
空間光変調器９０の書込み、すなわち、所望の明暗のパターンに応じて、画素９毎に磁性層１１の磁化反転可能領域１SWにおける磁化方向を上向きまたは下向きにする方法の一例は、以下の通りである。磁性細線１に電流Ｉwを供給するためのビット線８１（トランジスタ７１のソース）と電極６２との電位差をＶwとすると、パルス電流源の一方の端子を電位＋Ｖwに接続し、この端子にすべての画素９の電極６２を接続する。そして、磁化反転可能領域１SWを下向きの磁化方向にする（図２Ａ参照）ためには、電流Ｉwを＋ｘ方向に供給するように、パルス電流源の他方の端子を電位＋２Ｖwと選択した行のビット線８１とに接続し、書き込む対象の画素９の列のワード線８４をゲート電源に接続する。反対に、磁化反転可能領域１SWを上向きの磁化方向にする（図２Ｂ参照）ためには、電流Ｉwを－ｘ方向に供給するように、パルス電流源の他方の端子を０Ｖに接続する。
【0040】
（変形例）
光変調素子１０は、チャネル層１２が磁性層１１の上面に積層されていてもよい。この場合、チャネル層１２は、磁性層１１に入出射する光を十分に透過するように、光の透過率が比較的高い材料を選択したり、厚さを抑えることが好ましい。このような光変調素子１０は、電流Ｉwの供給方向と磁壁ＤＷの移動方向との関係が逆になる。また、空間光変調器９０は、すべての画素９のトランジスタ７１のソースを共通電位に接続し、電極６２をビット線８１に接続してもよい。また、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWに入出射する光を妨げない配置であれば、電極６２を磁性細線１の上面に接続して、これに接続する配線を光変調素子１０（磁性細線１）の上側に配置してもよい。あるいは、空間光変調器９０の全面にわたる一体の透明電極を光変調素子１０の上側に設けて、これに電極６２を接続する構成とすることもできる。透明電極は、ＩＴＯ，ＩＺＯ等の公知の透明電極材料で形成することができる。電極６２が磁性細線１の上面に接続する、すなわちナノ磁石５１の磁性細線１を挟んだ反対側に配置されることで、磁性層１１の磁化固定領域１FX2の直上に配置されてもナノ磁石５１のＮ極から磁性層１１へ印加される磁界＋Ｈpinを遮蔽しない。したがって、磁性細線１が、磁化固定領域１FX2の外側へ延伸していなくてよく、細線長を短縮することができる。なお、電極６２は、磁性層１１の磁化固定領域１FX2における磁化反転可能領域１SWとの境界よりも外側に接続する。また、磁性層１１が上に積層された磁性細線１の上面に電極６２を接続する場合、磁性層１１の保護膜として、Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｕ等の非磁性金属材料で厚さ１～１０ｎｍ程度の膜を備えてもよい。
光変調素子１０は、チャネル層１２が磁性層１１の上面に積層されていてもよい。この場合、チャネル層１２は、磁性層１１に入出射する光を十分に透過するように、光の透過率が比較的高い材料を選択したり、厚さを抑えることが好ましい。このような光変調素子１０は、電流Ｉwの供給方向と磁壁ＤＷの移動方向との関係が逆になる。また、空間光変調器９０は、すべての画素９のトランジスタ７１のソースを共通電位に接続し、電極６２をビット線８１に接続してもよい。また、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWに入出射する光を妨げない配置であれば、電極６２を磁性細線１の上面に接続して、これに接続する配線を光変調素子１０（磁性細線１）の上側に配置してもよい。あるいは、空間光変調器９０の全面にわたる一体の透明電極を光変調素子１０の上側に設けて、これに電極６２を接続する構成とすることもできる。透明電極は、ＩＴＯ，ＩＺＯ等の公知の透明電極材料で形成することができる。電極６２が磁性細線１の上面に接続する、すなわちナノ磁石５１の磁性細線１を挟んだ反対側に配置されることで、磁性層１１の磁化固定領域１FX2の直上に配置されてもナノ磁石５１のＮ極から磁性層１１へ印加される磁界＋Ｈpinを遮蔽しない。したがって、磁性細線１が、磁化固定領域１FX2の外側へ延伸していなくてよく、細線長を短縮することができる。なお、電極６２は、磁性層１１の磁化固定領域１FX2における磁化反転可能領域１SWとの境界よりも外側に接続する。また、磁性層１１が上に積層された磁性細線１の上面に電極６２を接続する場合、磁性層１１の保護膜として、Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｕ等の非磁性金属材料で厚さ１～１０ｎｍ程度の膜を備えてもよい。
【0041】
光変調素子１０は、ナノ磁石５１のｚ方向の漏れ磁界が、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の一方にのみ印加されるように構成してもよい。例えば、ナノ磁石５１のＳ極側を電極６１に短絡しない程度に近接して配置することにより、－ｚ方向の磁界が磁性層１１にほとんど到達しない。しかし、＋ｚ方向の磁界＋Ｈpinが磁化固定領域１FX2に印加されるので、初期設定処理の第２工程で下向きの磁界Ｈinitの印加の停止後に、磁性層１１の磁化固定領域１FX2を上向きに磁化反転させて磁壁ＤＷを生成することができる。一方、磁化固定領域１FX1については、－ｘ方向の磁界Ｈassが印加されなければよい。
【0042】
（磁気抵抗効果素子）
本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層の磁化反転可能領域上に絶縁膜および垂直磁気異方性の磁性膜を積層することで、磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）を構成することができる。磁気抵抗効果素子の構成については、後記の第２実施形態で説明する。
本発明の第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層の磁化反転可能領域上に絶縁膜および垂直磁気異方性の磁性膜を積層することで、磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）を構成することができる。磁気抵抗効果素子の構成については、後記の第２実施形態で説明する。
【0043】
〔第２実施形態〕
第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層に細線方向の磁界を印加するための１個の磁界印加部材で、両端近傍上の磁性層の磁化固定領域における磁化方向の固定もしているが、磁界印加部材（副磁界印加部材）を追加して、合成磁界を生成することにより垂直方向の磁界を強くすることもできる。以下、本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子について、図６、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。第１実施形態（図１～５参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
第１実施形態に係る磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層に細線方向の磁界を印加するための１個の磁界印加部材で、両端近傍上の磁性層の磁化固定領域における磁化方向の固定もしているが、磁界印加部材（副磁界印加部材）を追加して、合成磁界を生成することにより垂直方向の磁界を強くすることもできる。以下、本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子について、図６、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。第１実施形態（図１～５参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【0044】
（磁気抵抗効果素子）
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）１０Ａは、図６に示すように、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、ナノ磁石５１の細線方向両側に離間して配置されて磁性細線１の下面に接続する、磁化方向がナノ磁石５１と逆向きの２個のナノ磁石（副磁界印加部材）５２，５２と、磁性層１１の細線方向中央における上面に積層された障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３と、を備え、さらに、ナノ磁石５２，５２のそれぞれの下面に接続する電極６１，６２、および磁化固定層４３の上面に接続する電極６３を備える。したがって、磁気抵抗効果素子１０Ａは、第１実施形態に係る光変調素子１０に対して、磁性細線１と電極６１，６２のそれぞれとの間にナノ磁石５２を挿入し、さらに、磁性細線１の磁性層１１上に障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を順に積層した構成である。磁気抵抗効果素子１０Ａは、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子とすることができる。
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）１０Ａは、図６に示すように、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、ナノ磁石５１の細線方向両側に離間して配置されて磁性細線１の下面に接続する、磁化方向がナノ磁石５１と逆向きの２個のナノ磁石（副磁界印加部材）５２，５２と、磁性層１１の細線方向中央における上面に積層された障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３と、を備え、さらに、ナノ磁石５２，５２のそれぞれの下面に接続する電極６１，６２、および磁化固定層４３の上面に接続する電極６３を備える。したがって、磁気抵抗効果素子１０Ａは、第１実施形態に係る光変調素子１０に対して、磁性細線１と電極６１，６２のそれぞれとの間にナノ磁石５２を挿入し、さらに、磁性細線１の磁性層１１上に障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を順に積層した構成である。磁気抵抗効果素子１０Ａは、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子とすることができる。
【0045】
磁性細線１の構成は、第１実施形態で説明した通りである。ただし、磁気抵抗効果素子１０Ａにおいては、磁性層１１の上に障壁層３および磁化固定層４３が積層されるために、チャネル層１２は磁性層１１の下に積層される必要がある。また、磁性層１１は、磁気光学効果が不要であり、一方、ある程度の大きさの保磁力を有していることが好ましい。また、磁性層１１は、厚さおよび幅が、磁化の保持や熱擾乱耐性のために必要な大きさであればよく、具体的には、厚さが５ｎｍ以上、幅が１０ｎｍ以上であることが好ましい。同様に、磁化反転可能領域１SWおよびその両側の磁化固定領域１FX1，１FX2（図７Ａ、図７Ｂ参照）の各細線方向長は、１０ｎｍ以上かつ細線幅の１／２以上であることが好ましい。また、磁性層１１は、幅が３００ｎｍ以下であることが、磁区が幅方向に分割され難く好ましい。
【0046】
障壁層３および磁化固定層４３は、磁性層１１と合わせた３層の積層構造からなるＴＭＲ素子を構成して、磁気抵抗効果素子１０Ａの読出しとして、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWにおける磁化方向を検出するために設けられる。すなわち、磁性層１１の、磁化固定層４３の直下における領域が、前記ＴＭＲ素子の磁化自由層となり、したがって、この領域が磁化反転可能領域１SWに内包されるように磁化固定層４３が配置される。そのために、磁化固定層４３は、細線方向（ｘ方向）において、磁化反転可能領域１SW内に配置され、細線方向長が磁化反転可能領域１SWよりも短い。障壁層３および磁化固定層４３は、その直下の磁性層１１と合わせて、ＴＭＲ素子として好適な材料および形状であればよい。なお、磁化固定層４３は、細線幅方向（ｙ方向）においては、磁性細線１以下の長さ（幅）でもよいし、磁性細線１の外側へ張り出して大きく形成されていてもよい。磁化固定層４３は、磁化方向が上向きまたは下向きに固定され、ここでは上向きとする。したがって、磁化固定層４３は、保磁力が磁性層１１の保磁力Ｈcf以上であり、保磁力Ｈcfよりも大きいことが好ましい。また、磁化固定層４３は、当該磁化固定層４３が発する磁界がナノ磁石５１からの磁界Ｈassを相殺して弱めないように、磁力がナノ磁石５１よりも十分に弱い構成とする。そのために、磁化固定層４３は、磁性層１１と同様に公知の垂直磁気異方性材料を適用することができ、特に、ＣＰＰ－ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子の磁化固定層（参照層）に用いられる材料が好適である。また、磁化固定層４３は、厚さが磁性層１１の厚さ以上であることが好ましい。障壁層３は、公知のＴＭＲ素子の障壁層の絶縁膜であり、ＭｇＯを適用することが好ましく、厚さ３ｎｍ未満であることが好ましい。障壁層３は、少なくとも磁性層１１と磁化固定層４３との間に設けられ、保護膜を兼ねて磁性層１１の上面全体に設けられていてもよい。電極６３は、電極６１，６２と同様に金属電極材料で形成される。
【0047】
ナノ磁石５２は、ナノ磁石５１と同様に磁性細線１の細線方向に沿った極小の棒磁石であり、極性がナノ磁石５１と逆向きで、－ｘ側をＮ極とする。ナノ磁石５２は、ナノ磁石５１との合成磁界を－ｚ方向、＋ｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinとして、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2にそれぞれ印加する。なお、図６に、ナノ磁石５１，５２からの磁力線を破線で表す。そのために、ナノ磁石５２は、ナノ磁石５１のｘ方向両外側それぞれに離間かつ近接して配置され、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の直下でＳ極同士、Ｎ極同士が対向する。ただし、ナノ磁石５２は、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に接続して設けられ、ナノ磁石５２の下面に電極６１，６２が接続する。したがって、ナノ磁石５２は、電極６１，６２と共に、磁性細線１への電流Ｉwの供給経路を構成する。そのために、ナノ磁石５２は、ナノ磁石５１と磁性細線１との間隙の分、ナノ磁石５１よりも上にずれて配置されるが、ナノ磁石５１とナノ磁石５２とが、少なくともナノ磁石５１，５２の一方の厚さの１／２以上で対向するように配置されることが好ましい。ナノ磁石５２は、面内磁気異方性を有する硬磁性体からなり、ナノ磁石５１と同じ材料を選択することができる。ナノ磁石５２は、磁力がナノ磁石５１と同程度であることが好ましいが、ｘ方向の漏れ磁界を磁性細線１に印加する必要がないので、ナノ磁石５１よりも弱くてもよい。一方で、ナノ磁石５１とナノ磁石５２とは、極性を互いに逆向きに着磁することができるように、保磁力が異なる。そのために、ナノ磁石５１とナノ磁石５２は、例えば、それぞれを構成するＣｏ／Ｐｔ多層膜の、Ｃｏ，Ｐｔの膜厚比を異なるものとしたり、幅（ｙ方向長）を同じかつｘ方向長を異なるものとすることにより平面視形状のアスペクト比を異なるものとしたりする。なお、２つのナノ磁石５２，５２は、ｘ方向長等の形状や保磁力が同一でなくてもよく、保磁力が共にナノ磁石５１よりも大きいまたは小さければよい。
【0048】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ａの、電流供給による磁性細線における磁壁移動は、図３Ａおよび図３Ｂに示す前記実施形態と同様である。そして、磁気抵抗効果素子１０Ａは、磁化固定層４３とその直下の領域における磁性層１１とで磁化方向が平行であるときよりも反平行であるときの方が、磁化固定層４３－磁性層１１間の膜面垂直方向の抵抗が高い。すなわち、磁気抵抗効果素子１０Ａは、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWにおける磁化方向が下向きのとき（図７Ａ参照）には、電極６１－６３間や電極６２－６３間の抵抗が高く、磁化反転可能領域１SWの磁化方向が上向きのとき（図７Ｂ参照）には抵抗が低い。したがって、磁気抵抗効果素子１０Ａは、例えば、低抵抗の状態をデータ“０”、高抵抗の状態をデータ“１”と設定して、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子に使用することができる。
【0049】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ａは、このような構成により、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2に印加されるｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが強いので、保磁力Ｈcfの大きい磁性材料を磁性層１１に適用することができる。また、ナノ磁石５２が磁性細線１に接続し、電極６１，６２がナノ磁石５２の下に配置されることにより、ナノ磁石５１，５２から磁性層１１へ印加される合成磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが、電極６１，６２によって遮蔽されない。
【0050】
（磁気メモリ）
磁気抵抗効果素子１０Ａは、一例として、図８に示す磁気メモリ９０Ａに配列されたメモリセル９Ａの磁気抵抗効果素子として搭載される。なお、図８においては、簡潔に説明するために、４列×４行の１６個のメモリセル９Ａを示し、また、磁気抵抗効果素子１０Ａについて、磁性細線１、障壁層３、および磁化固定層４３（符号１Ａを付す）を抵抗器と可変抵抗器の図記号を組み合わせて表し、電極６１，６２，６３を線で表す。メモリセル９Ａは、磁気抵抗効果素子１０Ａと共に、磁気抵抗効果素子１０Ａの電極６１に接続するトランジスタ７１、および電極６３にアノードが接続するダイオード７２を備える。磁気メモリ９０Ａは、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似して、列方向に延設したビット線８２およびワード線８４、ならびに行方向に延設したソース線８１Ａを備え、さらに、ビット線８２に直交して行方向に延設した読出ワード線８３を備える。ビット線８２は電極６２に接続し、ソース線８１Ａはトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力し、読出ワード線８３はダイオード７２を経由して電極６３に接続する。
磁気抵抗効果素子１０Ａは、一例として、図８に示す磁気メモリ９０Ａに配列されたメモリセル９Ａの磁気抵抗効果素子として搭載される。なお、図８においては、簡潔に説明するために、４列×４行の１６個のメモリセル９Ａを示し、また、磁気抵抗効果素子１０Ａについて、磁性細線１、障壁層３、および磁化固定層４３（符号１Ａを付す）を抵抗器と可変抵抗器の図記号を組み合わせて表し、電極６１，６２，６３を線で表す。メモリセル９Ａは、磁気抵抗効果素子１０Ａと共に、磁気抵抗効果素子１０Ａの電極６１に接続するトランジスタ７１、および電極６３にアノードが接続するダイオード７２を備える。磁気メモリ９０Ａは、１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のＭＲＡＭの回路構成に類似して、列方向に延設したビット線８２およびワード線８４、ならびに行方向に延設したソース線８１Ａを備え、さらに、ビット線８２に直交して行方向に延設した読出ワード線８３を備える。ビット線８２は電極６２に接続し、ソース線８１Ａはトランジスタ７１を経由して電極６１に接続し、ワード線８４はトランジスタ７１のゲートに入力し、読出ワード線８３はダイオード７２を経由して電極６３に接続する。
【0051】
空間光変調器９０と同様に、トランジスタ７１はＳｉ基板の表層に形成されて、このＳｉ基板を土台として、メモリセル９Ａを配列することができる。一方、ダイオード７２は、磁性細線１や磁化固定層４３の上側に設けられるために、これらの材料にもよるが、１５０℃程度の低温で成膜可能な多結晶シリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）で形成されることが好ましい。
【0052】
空間光変調器９０と同様、磁気メモリ９０Ａにおいて、メモリセル９Ａの配列方向と磁気抵抗効果素子１０Ａの磁性細線１の細線方向（ｘ方向）とは合わせなくてよいが、細線方向がすべてのメモリセル９Ａで揃うように磁気抵抗効果素子１０Ａが配列される。また、磁気メモリ９０Ａは、すべてのメモリセル９Ａで、ナノ磁石５１の極性に対する電極６１，６２の配置が揃っていなくてもよい。例えば、隣り合う２つのメモリセル９Ａのそれぞれの磁気抵抗効果素子１０Ａにおいて、一方の磁気抵抗効果素子１０Ａの磁性細線１は、図７Ａおよび図７Ｂに示すように磁性細線１の磁化固定領域１FX2側が電極６２に接続し、他方の磁気抵抗効果素子１０Ａの磁性細線１は、磁化固定領域１FX1側が電極６２に接続していてもよい。ここでは、一例として、図９に示すように、磁気抵抗効果素子１０Ａにおけるｘ方向を磁気メモリ９０Ａにおける列方向としてメモリセル９Ａが配列されている。このような配列により、ｘ方向に隣り合う２つのメモリセル９Ａ，９Ａのそれぞれの磁気抵抗効果素子１０Ａは、電極６２が共通のビット線８２に接続されるので、対向する側に電極６２を配置して、電極６２およびこれに接続するナノ磁石５２を共有して一体とすることができる。なお、図９においては、電極６３、磁化固定層４３、および障壁層３を省略し、ナノ磁石５１，５２の極性を白抜き矢印で表し、また、磁性層１１に上向きおよび下方向の磁化方向を付す。
【0053】
（初期設定処理）
本実施形態に係る磁気メモリ９０Ａの初期設定処理は、空間光変調器９０と同様に、その製造時または使用前に行うことができる。本実施形態では、第１工程で、磁気抵抗効果素子１０Ａのナノ磁石５１とナノ磁石５２を互いに逆向きの極性に着磁する。ここでは、ナノ磁石５２の方がナノ磁石５１よりも保磁力が大きいものとする。まず、外部から、ナノ磁石５２の保磁力よりも大きい磁界を－ｘ方向に印加して、ナノ磁石５１，５２を－ｘ方向の磁化方向として印加を停止する。次に、ナノ磁石５１の保磁力よりも大きくかつナノ磁石５２の保磁力よりも小さい磁界を＋ｘ方向に印加して、ナノ磁石５１のみを＋ｘ方向に磁化反転させて印加を停止する。第２工程は、磁性細線１の磁性層１１に磁壁ＤＷを生成すると共に、磁化固定層４３の磁化方向を上向きに固定する。そのために、磁化固定層４３の保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを上向き（＋ｚ方向）に印加して、磁化固定層４３および磁性層１１の磁化方向を上向きとする。このとき、ナノ磁石５１，５２の合成磁界Ｈpinが磁性層１１の保磁力Ｈcf以下（Ｈpin≦Ｈcf）の場合には、前記実施形態と同様に、磁界Ｈinitを印加すると共に磁性細線１に電流を供給して、磁性層１１の保磁力をＨpin未満かつＨinit未満に低下させる。磁界Ｈinitの印加停止後、ナノ磁石５１，５２からの磁界－Ｈpinによって、図７Ｂに示すように、磁性層１１の磁化固定領域１FX1が下向きに磁化反転して、磁化反転可能領域１SWとの境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷが生成する。
本実施形態に係る磁気メモリ９０Ａの初期設定処理は、空間光変調器９０と同様に、その製造時または使用前に行うことができる。本実施形態では、第１工程で、磁気抵抗効果素子１０Ａのナノ磁石５１とナノ磁石５２を互いに逆向きの極性に着磁する。ここでは、ナノ磁石５２の方がナノ磁石５１よりも保磁力が大きいものとする。まず、外部から、ナノ磁石５２の保磁力よりも大きい磁界を－ｘ方向に印加して、ナノ磁石５１，５２を－ｘ方向の磁化方向として印加を停止する。次に、ナノ磁石５１の保磁力よりも大きくかつナノ磁石５２の保磁力よりも小さい磁界を＋ｘ方向に印加して、ナノ磁石５１のみを＋ｘ方向に磁化反転させて印加を停止する。第２工程は、磁性細線１の磁性層１１に磁壁ＤＷを生成すると共に、磁化固定層４３の磁化方向を上向きに固定する。そのために、磁化固定層４３の保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを上向き（＋ｚ方向）に印加して、磁化固定層４３および磁性層１１の磁化方向を上向きとする。このとき、ナノ磁石５１，５２の合成磁界Ｈpinが磁性層１１の保磁力Ｈcf以下（Ｈpin≦Ｈcf）の場合には、前記実施形態と同様に、磁界Ｈinitを印加すると共に磁性細線１に電流を供給して、磁性層１１の保磁力をＨpin未満かつＨinit未満に低下させる。磁界Ｈinitの印加停止後、ナノ磁石５１，５２からの磁界－Ｈpinによって、図７Ｂに示すように、磁性層１１の磁化固定領域１FX1が下向きに磁化反転して、磁化反転可能領域１SWとの境界にｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷが生成する。
【0054】
磁気メモリ９０Ａの書込みは、第１実施形態に係る光変調素子１０を備える空間光変調器９０の書込みと同様に行うことができる。選択した（書き込む対象の）行のソース線８１Ａをパルス電流源の＋（電位＋Ｖw）の端子に接続し、選択したメモリセル９Ａの列のビット線８２をパルス電流源の－（電位０Ｖ）の端子に接続すると共に、同列のワード線８４をゲート電源に接続する。図７Ａに示すように、磁性細線１の磁化固定領域１FX1側に電極６１が接続した磁気抵抗効果素子１０Ａを備えるメモリセル９Ａ（奇数列とする）においては、データ“１”が書き込まれる。一方、このメモリセル９Ａのｘ方向に隣り合うメモリセル９Ａ（偶数列とする）においては、データ“０”が書き込まれる。データ“１”、“０”を入れ替えて書き込む場合には、パルス電流源の＋／－の端子を入れ替えて接続する。また、書込みにおいては、磁気抵抗効果素子１０Ａの磁化固定層４３に電流が流れないように、すべての読出ワード線８３を電位＋Ｖw以上に接続することが好ましい。
【0055】
磁気メモリ９０Ａの読出しは、すべてのワード線８４を０Ｖに接続して、すべてのメモリセル９Ａのトランジスタ７１をＯＦＦにする。そして、選択したメモリセル９Ａのビット線８２に定電流源の＋極を、読出ワード線８３に－極を、それぞれ接続して、定電流Ｉrを供給しながら、定電流源と並列に接続した電圧計により、抵抗値を測定する。なお、定電流Ｉrは、磁気抵抗効果素子１０Ａの磁性層１１の磁壁ＤＷが移動しない程度の大きさに設定する。また、読出しにおいては、非選択の列のビット線８２を定電流源の－極以下の電位に接続し、非選択の行の読出ワード線８３を＋極以上の電位に接続することが好ましい。
【0056】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ａは、障壁層３に代えて、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌのような非磁性金属からなる厚さ１～１０ｎｍの中間層を備えてもよい。この中間層および磁化固定層４３ならびに磁性層１１を合わせた３層の積層構造からなるＣＰＰ－ＧＭＲ素子を構成することができる。
【0057】
（光変調素子）
第２実施形態に係る磁壁移動素子は、第１実施形態と同様に、光変調素子に適用することができる。言い換えると、第１実施形態に係る光変調素子１０は、ナノ磁石５２を設けることができる。すなわち、第２実施形態に係る光変調素子は、磁気抵抗効果素子１０Ａから、障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を除去した構成とする。また、第２実施形態に係る光変調素子においては、第１実施形態と同様、チャネル層１２が磁性層１１の上に積層されてもよい。
第２実施形態に係る磁壁移動素子は、第１実施形態と同様に、光変調素子に適用することができる。言い換えると、第１実施形態に係る光変調素子１０は、ナノ磁石５２を設けることができる。すなわち、第２実施形態に係る光変調素子は、磁気抵抗効果素子１０Ａから、障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を除去した構成とする。また、第２実施形態に係る光変調素子においては、第１実施形態と同様、チャネル層１２が磁性層１１の上に積層されてもよい。
【0058】
（変形例）
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）は、電極が磁性細線の上面に直接に接続した構造とすることができる。すなわち、図１０に示すように、本発明の第２実施形態の変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｂは、電極６１，６２が、ナノ磁石５１，５２の磁性細線１を挟んだ反対側に配置される。なお、電極６１，６２は、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2における磁化反転可能領域１SWとの境界（図７Ａ、図７Ｂ参照）よりも外側に接続する。このような磁気抵抗効果素子１０Ｂにおいては、ナノ磁石５２は、磁性細線１に接続している必要がないのでナノ磁石５１と同じ高さに形成することができ、したがって、磁気メモリ９０Ａの製造において、ナノ磁石５１とナノ磁石５２とを同時に形成することができる。この場合、ナノ磁石５１とナノ磁石５２は平面視形状のアスペクト比によって保磁力を互いに異なるものとしたり、一方にのみイオンを注入して保磁力を小さくしたりする。さらに、ナノ磁石５２が電極６１，６２と電気的に非接続であるので、磁気メモリ９０Ａの回路構成にかかわらず、ｘ方向に隣り合う磁気抵抗効果素子１０Ｂ同士でナノ磁石５２を共有することができる。したがって、本変形例においては、メモリセル９Ａがｘ方向に配列されていなくてもよく、例えば、メモリセル９Ａの配列の対角線方向をｘ方向としてもよい。また、磁性細線１に対して、障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３と同じ側に電極６１，６２が配置されるので、ダイオード７２をトランジスタ７１と共にＳｉ基板の表層に形成することができる。すなわち、磁気メモリ９０Ａは、図１０における上側にＳｉ基板が設けられる。また、ｙ方向に隣り合う２つのメモリセル９Ａ，９Ａにおいて、磁性細線１が互いに近接するように配置して、その下のナノ磁石５１，５２をそれぞれ一体化して共有することもできる。このような構成によれば、ナノ磁石５１，５２が、幅をある程度太くして磁力を強くすることができる。
本発明の第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）は、電極が磁性細線の上面に直接に接続した構造とすることができる。すなわち、図１０に示すように、本発明の第２実施形態の変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｂは、電極６１，６２が、ナノ磁石５１，５２の磁性細線１を挟んだ反対側に配置される。なお、電極６１，６２は、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2における磁化反転可能領域１SWとの境界（図７Ａ、図７Ｂ参照）よりも外側に接続する。このような磁気抵抗効果素子１０Ｂにおいては、ナノ磁石５２は、磁性細線１に接続している必要がないのでナノ磁石５１と同じ高さに形成することができ、したがって、磁気メモリ９０Ａの製造において、ナノ磁石５１とナノ磁石５２とを同時に形成することができる。この場合、ナノ磁石５１とナノ磁石５２は平面視形状のアスペクト比によって保磁力を互いに異なるものとしたり、一方にのみイオンを注入して保磁力を小さくしたりする。さらに、ナノ磁石５２が電極６１，６２と電気的に非接続であるので、磁気メモリ９０Ａの回路構成にかかわらず、ｘ方向に隣り合う磁気抵抗効果素子１０Ｂ同士でナノ磁石５２を共有することができる。したがって、本変形例においては、メモリセル９Ａがｘ方向に配列されていなくてもよく、例えば、メモリセル９Ａの配列の対角線方向をｘ方向としてもよい。また、磁性細線１に対して、障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３と同じ側に電極６１，６２が配置されるので、ダイオード７２をトランジスタ７１と共にＳｉ基板の表層に形成することができる。すなわち、磁気メモリ９０Ａは、図１０における上側にＳｉ基板が設けられる。また、ｙ方向に隣り合う２つのメモリセル９Ａ，９Ａにおいて、磁性細線１が互いに近接するように配置して、その下のナノ磁石５１，５２をそれぞれ一体化して共有することもできる。このような構成によれば、ナノ磁石５１，５２が、幅をある程度太くして磁力を強くすることができる。
【0059】
磁気抵抗効果素子１０Ａ，１０Ｂは、ナノ磁石５２を１個のみ、すなわちナノ磁石５１の一端側にのみ備えてもよい。例えば、ナノ磁石５１のＳ極側にのみナノ磁石５２を配置することにより、－ｚ方向の強い合成磁界－Ｈpinが得られ、初期設定処理の第２工程で上向きの磁界Ｈinitの印加の停止後に、磁性層１１の磁化固定領域１FX1を下向きに磁化反転させてｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷを生成することができる。一方、磁化固定領域１FX2については、－ｘ方向の磁界Ｈassが印加されなければよい。
【0060】
本発明の第２実施形態の変形例に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）は、これを配列した磁気メモリにおいて、磁界印加部材および副磁界印加部材を構成するナノ磁石を一体とした構造とすることができる。すなわち、図１１に示すように、本発明の第２実施形態の別の変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｃは、１個のナノ磁石５１ａまたはナノ磁石５１ｂを備えると共に、磁気抵抗効果素子１０Ｃをメモリセル９Ａに備える磁気メモリ９０Ａにおいては、磁気抵抗効果素子１０Ｃが磁性細線１の細線方向に配列され、隣り合う２つの磁気抵抗効果素子１０Ｃ，１０Ｃのナノ磁石（磁界印加部材）５１ａ，５１ｂが、互いに逆向きの極性に固定されている。
【0061】
本変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｃは、これを配列した磁気メモリ９０Ａにおいて、前記変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｂ（図１０参照）と同様に、磁性細線１の細線方向（ｘ方向）に配列される。ナノ磁石５１ａおよびナノ磁石５１ｂは、第１実施形態等のナノ磁石５１と同様の構成であるが、極性が互いに逆向きであり、ナノ磁石５１ａが＋ｘ側をＮ極とし、ナノ磁石５１ｂが－ｘ側をＮ極とする。したがって、ナノ磁石５１ｂを備えた磁気抵抗効果素子１０Ｃにおいては、磁性層１１に磁界Ｈassが＋ｘ方向に印加される。これに伴い、電極６１と電極６２の配置が入れ替えられている。すなわち、ｘ方向に隣り合う磁気抵抗効果素子１０Ｃは、互いにｘ方向に反転した構成である。また、ナノ磁石５１ａとナノ磁石５１ｂは、極性を互いに逆向きに着磁することができるように、第２実施形態のナノ磁石５１とナノ磁石５２のように、保磁力が異なる。ただし、－ｘ方向と＋ｘ方向のそれぞれの磁界Ｈassが同等の強さであることが好ましく、ナノ磁石５１ａとナノ磁石５１ｂは、磁力が同程度になるように、材料や形状（幅、厚さ）を選択、設計される。
【0062】
ナノ磁石５１ａとナノ磁石５１ｂは、磁気抵抗効果素子１０Ａ，１０Ｂのナノ磁石５１とナノ磁石５２と同様に、離間かつ近接して配置されることが好ましく、Ｓ極同士、Ｎ極同士が対向する。そのために、ｘ方向に隣り合う磁気抵抗効果素子１０Ｃの磁性細線１およびその上面に接続する電極６１，６２同士が、短絡しない程度に近接して配置される。このような構成により、ナノ磁石５１ａを備える磁気抵抗効果素子１０Ｃにおいては、その両隣の磁気抵抗効果素子１０Ｃのナノ磁石５１ｂとの合成磁界が－ｚ方向、＋ｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinとして、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2にそれぞれ印加される。ナノ磁石５１ｂを備える磁気抵抗効果素子１０Ｃにおいても同様である。また、メモリセル９Ａがｘ方向に配列されている場合には、隣り合う２つの磁気抵抗効果素子１０Ｃ，１０Ｃの電極６２を共有して一体とすることができる。
【0063】
第２実施形態およびその変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、ｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが強いので、保磁力Ｈcfの大きい磁性材料を磁性層１１に適用しつつ、磁化固定領域１FX1，１FX2の磁化方向を容易に下向き、上向きに固定することができる。その結果、初期設定処理で、より確実に、磁性層１１のナノ磁石５１からの磁界Ｈassの印加領域（磁化反転可能領域１SW）内の１箇所に、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁ＤＷを生成することができる。さらに磁気抵抗効果素子１０Ｃは、これを備えるメモリセル９Ａを微細化することができる。
【0064】
〔第３実施形態〕
磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子は、磁性細線１の磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2における磁化方向の固定を、ナノ磁石５１またはナノ磁石５１，５２の漏れ磁界によらない構成とすることもできる。以下、本発明の第３実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子について、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して説明する。第１、第２実施形態およびその変形例（図１～１１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子は、磁性細線１の磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2における磁化方向の固定を、ナノ磁石５１またはナノ磁石５１，５２の漏れ磁界によらない構成とすることもできる。以下、本発明の第３実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子について、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照して説明する。第１、第２実施形態およびその変形例（図１～１１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【0065】
（磁気抵抗効果素子）
本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）１０Ｄは、第２実施形態およびその変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同様に、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、磁性層１１の細線方向中央における上面に積層された障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３と、を備え、さらに、磁性層１１の細線方向両端近傍のそれぞれにおける上面に積層された磁化固定層４１，４２、および磁化固定層４１，４２，４３のそれぞれの上面に接続する電極６１，６２，６３を備える。したがって、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、第１実施形態に係る光変調素子１０に対して、磁性細線１の磁性層１１の上面の細線方向両端において磁化固定層４１，４２をそれぞれ積層し、電極６１，６２の配置を変えて磁性細線１の上面に磁化固定層４１，４２を介して接続し、さらに、磁性層１１の上面の細線方向中央において障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を順に積層した構成である。
本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）１０Ｄは、第２実施形態およびその変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同様に、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子である。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、磁性層１１の細線方向中央における上面に積層された障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３と、を備え、さらに、磁性層１１の細線方向両端近傍のそれぞれにおける上面に積層された磁化固定層４１，４２、および磁化固定層４１，４２，４３のそれぞれの上面に接続する電極６１，６２，６３を備える。したがって、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、第１実施形態に係る光変調素子１０に対して、磁性細線１の磁性層１１の上面の細線方向両端において磁化固定層４１，４２をそれぞれ積層し、電極６１，６２の配置を変えて磁性細線１の上面に磁化固定層４１，４２を介して接続し、さらに、磁性層１１の上面の細線方向中央において障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３を順に積層した構成である。
【0066】
磁化固定層４１，４２は、一方が磁化方向を上向きに、他方が下向きに固定されていて、磁性細線１の磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2に積層されることにより、磁性層１１のこの領域に磁気的に結合して、この領域における磁化方向を当該磁化固定層４１，４２と同じ磁化方向に固定する。したがって、磁化固定層４１，４２は、磁化固定層４３と同様に垂直磁気異方性材料からなり、保磁力が、少なくとも磁性層１１の保磁力Ｈcfよりも大きい。詳しくは、磁性細線１に電流Ｉwが供給されているときに、磁化固定層４１，４２は、電極６１，６２を介して電流Ｉwが流れることにより保磁力が一時的に低下しても、磁性層１１に追随して磁化反転することがないようにする。さらに、磁化固定層４１と磁化固定層４２とは、互いに逆向きの磁化方向に固定されるために、保磁力が互いに異なることが好ましい。また、ナノ磁石５１から磁化固定領域１FX1，１FX2にｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinがそれぞれ印加されるので、これに磁化固定層４１，４２の磁化方向を一致させることが好ましい。したがって、磁化固定層４１は下向きの磁化方向、磁化固定層４２は上向きの磁化方向にそれぞれ固定される。そして、磁化固定層４１は、磁化固定層４３と逆向きの磁化方向に固定されるために磁化固定層４３と異なる保磁力とし、一方、磁化固定層４２は磁化固定層４３と同じ保磁力とすることができる。また、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁性層１１と磁化固定層４１，４２のそれぞれとの界面に、Ｒｕ，Ｔａ等の非磁性金属からなる厚さ１～１０ｎｍ程度の磁気結合膜を設けてもよい。
【0067】
（初期設定処理）
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ｄの初期設定処理は、第１、第２実施形態およびその変形例と同様に、磁気抵抗効果素子１０Ｄをメモリセル９Ａに備える磁気メモリ９０Ａに対して、その製造時または使用前に行われる。本実施形態では、第１工程で＋ｘ方向に外部磁界を印加してナノ磁石５１について極性を着磁した後、第２工程で、磁性細線１の磁性層１１に磁壁ＤＷを生成すると共に、磁化固定層４１と磁化固定層４２，４３を互いに逆向きの磁化方向に固定する。ここでは、磁化固定層４１よりも磁化固定層４２，４３の方が保磁力が大きいものとする。第１工程の後、外部から、磁化固定層４１，４２，４３および磁性層１１のすべての保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを上向き（＋ｚ方向）に印加して、これらを上向きの磁化方向として印加を停止する。次に、磁化固定層４１および磁性層１１の保磁力よりも大きくかつ磁化固定層４２，４３の保磁力よりも小さい磁界Ｈinit´を下向き（－ｚ方向）に印加して、磁化固定層４１、および磁性層１１の磁化固定領域１FX2以外の領域を下向きに磁化反転させて印加を停止する。磁性層１１の磁化固定領域１FX2は、磁化固定層４２に磁気的に結合しているため、図１２Ａに示すように、磁化方向が同じ上向きに固定されたままであり、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWと磁化固定領域１FX2との境界に磁壁ＤＷが生成する。あるいは、磁化固定層４１，４２（および磁化固定層４３）の保磁力が同等であってもよい。第２工程で、磁界Ｈinitを＋ｚ方向に印加しながら、電極６１，６２を介して、磁性細線１および磁化固定層４１，４２に電流を供給する。磁性層１１および磁化固定層４１，４２，４３を上向きの磁化方向としてから磁界Ｈinitの印加を停止し、その後に電流の供給を停止する。第１実施形態で説明したように、外部磁界のない状態では、ナノ磁石５１のＳ極（－ｘ側の端）近傍上において－ｚ方向の磁界が印加される。磁化固定層４１に印加される磁界は磁性層１１における磁界－Ｈpinよりも弱いが、電流を供給されていることにより、磁化固定層４１は、磁性層１１と同様に温度上昇に伴い保磁力が一時的に低下しているので、磁性層１１の磁化固定領域１FX1と共に下向きに磁化反転する（図１２Ｂ参照）。そのために、第２工程で供給する電流は、磁化固定層４１の保磁力を十分に低下させる大きさとし、書込み時の電流Ｉwよりも大きいことが好ましい。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ｄの初期設定処理は、第１、第２実施形態およびその変形例と同様に、磁気抵抗効果素子１０Ｄをメモリセル９Ａに備える磁気メモリ９０Ａに対して、その製造時または使用前に行われる。本実施形態では、第１工程で＋ｘ方向に外部磁界を印加してナノ磁石５１について極性を着磁した後、第２工程で、磁性細線１の磁性層１１に磁壁ＤＷを生成すると共に、磁化固定層４１と磁化固定層４２，４３を互いに逆向きの磁化方向に固定する。ここでは、磁化固定層４１よりも磁化固定層４２，４３の方が保磁力が大きいものとする。第１工程の後、外部から、磁化固定層４１，４２，４３および磁性層１１のすべての保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを上向き（＋ｚ方向）に印加して、これらを上向きの磁化方向として印加を停止する。次に、磁化固定層４１および磁性層１１の保磁力よりも大きくかつ磁化固定層４２，４３の保磁力よりも小さい磁界Ｈinit´を下向き（－ｚ方向）に印加して、磁化固定層４１、および磁性層１１の磁化固定領域１FX2以外の領域を下向きに磁化反転させて印加を停止する。磁性層１１の磁化固定領域１FX2は、磁化固定層４２に磁気的に結合しているため、図１２Ａに示すように、磁化方向が同じ上向きに固定されたままであり、磁性層１１の磁化反転可能領域１SWと磁化固定領域１FX2との境界に磁壁ＤＷが生成する。あるいは、磁化固定層４１，４２（および磁化固定層４３）の保磁力が同等であってもよい。第２工程で、磁界Ｈinitを＋ｚ方向に印加しながら、電極６１，６２を介して、磁性細線１および磁化固定層４１，４２に電流を供給する。磁性層１１および磁化固定層４１，４２，４３を上向きの磁化方向としてから磁界Ｈinitの印加を停止し、その後に電流の供給を停止する。第１実施形態で説明したように、外部磁界のない状態では、ナノ磁石５１のＳ極（－ｘ側の端）近傍上において－ｚ方向の磁界が印加される。磁化固定層４１に印加される磁界は磁性層１１における磁界－Ｈpinよりも弱いが、電流を供給されていることにより、磁化固定層４１は、磁性層１１と同様に温度上昇に伴い保磁力が一時的に低下しているので、磁性層１１の磁化固定領域１FX1と共に下向きに磁化反転する（図１２Ｂ参照）。そのために、第２工程で供給する電流は、磁化固定層４１の保磁力を十分に低下させる大きさとし、書込み時の電流Ｉwよりも大きいことが好ましい。
【0068】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ｄの、電流供給による磁性細線における磁壁移動は、図３Ａおよび図３Ｂに示す第１実施形態と同様である。また、磁気抵抗効果素子１０Ｄをメモリセル９Ａに備えた磁気メモリ９０Ａの書込みおよび読出しは、磁気抵抗効果素子１０Ａを備えたものと同様に行うことができる。磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁化固定層４１，４２によって磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の磁化方向が固定されているので、磁壁ＤＷが電流Ｉwの供給のみによって移動し得るとしても、磁化反転可能領域１SW外に移動することがない。
【0069】
第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ｄは、このような構成により、硬磁性体からなるナノ磁石５１を１個のみ備えて、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の磁化方向を容易にかつ安定して下向き、上向きに固定することができる。また、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁気抵抗効果素子１０Ｂ，１０Ｃと同様に、磁性細線１に対して、障壁層３、磁化固定層４３、および電極６３と同じ側に電極６１，６２が配置されるので、ダイオード７２をトランジスタ７１と共にＳｉ基板の表層に形成することができる。
【0070】
磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁化固定層４１，４２の保磁力を十分に大きくすることにより、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2に印加されるナノ磁石５１の漏れ磁界の向き（－ｚ方向、＋ｚ方向）にかかわらず、磁化固定層４１，４２のみによって、磁化固定領域１FX1，１FX2を所望の磁化方向に固定することができる。したがって、磁化固定層４１，４２の磁化方向を入れ替えて、磁壁ＤＷを左旋回のネール型の磁気構造とすることができる。また、磁気抵抗効果素子１０Ｄは、磁化固定層４１，４２の保磁力を十分に大きくすることにより、ナノ磁石５１のｘ方向長を、磁性細線１の細線長以上に長く形成することができる。このような形状のナノ磁石５１から磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2にまで磁界Ｈassが印加されていても、これらの領域１FX1，１FX2の磁化方向が磁化固定層４１，４２によって強く固定され、電流Ｉwの供給時に磁壁ＤＷが進入してくることがない。したがって、例えばナノ磁石５１を磁性細線１と同じ平面視形状として、磁気メモリ９０Ａの製造において、ナノ磁石５１と磁性細線１とを同時に加工することができる。あるいは、ナノ磁石５１を、磁性細線１よりも長いｘ方向長に形成することができ、さらに、ｘ方向に隣り合う２以上のメモリセル９Ａの磁気抵抗効果素子１０Ｄにおいて、１個のナノ磁石５１を共有することができる。
【0071】
〔第４実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子は、副磁界印加部材を、垂直磁気異方性の硬磁性材料からなる垂直方向の棒磁石としてもよい。以下、本発明の第４実施形態に係る磁壁移動素子について、図１３を参照して説明する。第１、第２実施形態およびその変形例（図１～１１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
本発明の第２実施形態に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子は、副磁界印加部材を、垂直磁気異方性の硬磁性材料からなる垂直方向の棒磁石としてもよい。以下、本発明の第４実施形態に係る磁壁移動素子について、図１３を参照して説明する。第１、第２実施形態およびその変形例（図１～１１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
【0072】
（光変調素子）
本発明の第４実施形態に係る光変調素子（磁壁移動素子）１０Ｅは、第１実施形態に係る光変調素子１０と同様に、空間光変調器の画素に使用される。図１３に示すように、光変調素子１０Ｅは、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、ナノ磁石５１の細線方向両側に離間して配置されて磁性細線１の下面に接続する、磁化方向が下向き、上向きのナノ磁石（副磁界印加部材）５３ａ，５３ｂと、を備え、さらに、ナノ磁石５３ａ，５３ｂのそれぞれの下面に接続する電極６１，６２を備える。したがって、光変調素子１０Ｅは、第２実施形態に係る磁壁移動素子（図６参照）のナノ磁石５２，５２をナノ磁石５３ａ，５３ｂに置き換えた構成である。
本発明の第４実施形態に係る光変調素子（磁壁移動素子）１０Ｅは、第１実施形態に係る光変調素子１０と同様に、空間光変調器の画素に使用される。図１３に示すように、光変調素子１０Ｅは、磁性層１１とチャネル層１２とを上から順に積層した磁性細線１と、磁性細線１の下側にチャネル層１２と離間して配置された、磁化方向が磁性細線１の細線方向の一方向のナノ磁石（磁界印加部材）５１と、ナノ磁石５１の細線方向両側に離間して配置されて磁性細線１の下面に接続する、磁化方向が下向き、上向きのナノ磁石（副磁界印加部材）５３ａ，５３ｂと、を備え、さらに、ナノ磁石５３ａ，５３ｂのそれぞれの下面に接続する電極６１，６２を備える。したがって、光変調素子１０Ｅは、第２実施形態に係る磁壁移動素子（図６参照）のナノ磁石５２，５２をナノ磁石５３ａ，５３ｂに置き換えた構成である。
【0073】
ナノ磁石５３ａおよびナノ磁石５３ｂは、ｚ方向に沿った極小の棒磁石であり、磁性細線１に対向する側（上側）の極性が、ナノ磁石５１の対向する側と同極、すなわち、－ｘ側のナノ磁石５３ａが上側をＳ極とし、＋ｘ側のナノ磁石５３ｂが上側をＮ極とする。ナノ磁石５３ａは、自身の漏れ磁界またはナノ磁石５１との合成磁界を、－ｚ方向の磁界－Ｈpinとして、磁性層１１の磁化固定領域１FX1に印加する。ナノ磁石５３ｂは、自身の漏れ磁界またはナノ磁石５１との合成磁界を、＋ｚ方向の磁界＋Ｈpinとして、磁性層１１の磁化固定領域１FX2に印加する。なお、図１３に、ナノ磁石５１およびナノ磁石５３ａ，５３ｂからの磁力線を破線で表す。そのために、ナノ磁石５３ａ，５３ｂは、ナノ磁石５１のｘ方向両外側それぞれに離間かつ近接して配置され、磁性層１１の磁化固定領域１FX1，１FX2の直下でナノ磁石５１と対向する。また、ナノ磁石５３ａ，５３ｂは、磁性細線１の下面（チャネル層１２）に接続して設けられ、ナノ磁石５３ａ，５３ｂの下面に電極６１，６２が接続する。したがって、ナノ磁石５３ａ，５３ｂは、電極６１，６２と共に、磁性細線１への電流Ｉwの供給経路を構成する。また、ナノ磁石５３ａ，５３ｂは、対向するナノ磁石５１と異極である下端が、ナノ磁石５１よりも下方となるように配置されることが好ましい。ナノ磁石５３ａ，５３ｂは、単独での漏れ磁界が、またはナノ磁石５１との合成磁界が、－Ｈpin，＋Ｈpinとして十分な大きさ（Ｈpin＞Ｈcf´）となるような磁力を有する。そのために、ナノ磁石５３ａおよびナノ磁石５３ｂは、垂直磁気異方性を有する硬磁性体からなり、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを膜厚比１：２～４程度に交互に繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜等の多層膜が適用される。また、ナノ磁石５３ａとナノ磁石５３ｂとは、極性を互いに逆向きに着磁することができるように、保磁力が異なり、さらに、保磁力が共にナノ磁石５１よりも小さい、または大きいことが好ましい。そのために、ナノ磁石５３ａとナノ磁石５３ｂは、例えば、平面視形状のアスペクト比を異なるものとする。
【0074】
（初期設定処理）
本実施形態に係る光変調素子１０Ｅの初期設定処理は、第１、第２実施形態およびその変形例と同様に、光変調素子１０Ｅを画素に備える空間光変調器９０に対して、その製造時または使用前に行われる。ここでは、光変調素子１０Ｅは、保磁力が、ナノ磁石５３ａの方がナノ磁石５３ｂよりも大きく、ナノ磁石５３ａ，５３ｂ共にナノ磁石５１よりも小さいものとする。そのため、第１実施形態と同様に、まず、第１工程で＋ｘ方向に外部磁界を印加してナノ磁石５１について極性を着磁する。その後、第２工程で、必要に応じて磁性細線１およびナノ磁石５３ａ，５３ｂに電流を供給しながら、外部から、ナノ磁石５３ａ，５３ｂおよび磁性層１１のすべての保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを下向き（－ｚ方向）に印加して、これらを下向きの磁化方向として磁界Ｈinitの印加を停止する。次に、ナノ磁石５３ｂおよび磁性層１１の保磁力よりも大きくかつナノ磁石５３ａの保磁力よりも小さい磁界Ｈinit´を上向き（＋ｚ方向）に印加して、ナノ磁石５３ｂおよび磁性層１１を上向きに磁化反転させて磁界Ｈinit´の印加を停止し、その後に電流の供給を停止する。外部磁界（磁界Ｈinit´）の停止後、磁界－Ｈpinにより磁性層１１の磁化固定領域１FX1が下向きに磁化反転する。
本実施形態に係る光変調素子１０Ｅの初期設定処理は、第１、第２実施形態およびその変形例と同様に、光変調素子１０Ｅを画素に備える空間光変調器９０に対して、その製造時または使用前に行われる。ここでは、光変調素子１０Ｅは、保磁力が、ナノ磁石５３ａの方がナノ磁石５３ｂよりも大きく、ナノ磁石５３ａ，５３ｂ共にナノ磁石５１よりも小さいものとする。そのため、第１実施形態と同様に、まず、第１工程で＋ｘ方向に外部磁界を印加してナノ磁石５１について極性を着磁する。その後、第２工程で、必要に応じて磁性細線１およびナノ磁石５３ａ，５３ｂに電流を供給しながら、外部から、ナノ磁石５３ａ，５３ｂおよび磁性層１１のすべての保磁力よりも大きい磁界Ｈinitを下向き（－ｚ方向）に印加して、これらを下向きの磁化方向として磁界Ｈinitの印加を停止する。次に、ナノ磁石５３ｂおよび磁性層１１の保磁力よりも大きくかつナノ磁石５３ａの保磁力よりも小さい磁界Ｈinit´を上向き（＋ｚ方向）に印加して、ナノ磁石５３ｂおよび磁性層１１を上向きに磁化反転させて磁界Ｈinit´の印加を停止し、その後に電流の供給を停止する。外部磁界（磁界Ｈinit´）の停止後、磁界－Ｈpinにより磁性層１１の磁化固定領域１FX1が下向きに磁化反転する。
【0075】
本実施形態に係る光変調素子１０Ｅの、電流供給による磁性細線における磁壁移動は、図３Ａおよび図３Ｂに示す第１実施形態と同様である。また、光変調素子１０Ｅを画素に備えた空間光変調器９０の書込みは、光変調素子１０を備えたものと同様に行うことができる。
【0076】
第４実施形態に係る光変調素子１０Ｅは、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０Ａと同様に、ｚ方向の磁界－Ｈpin，＋Ｈpinが強いので、保磁力Ｈcfの大きい磁性材料を磁性層１１に適用しつつ、磁化固定領域１FX1，１FX2の磁化方向を容易に下向き、上向きに固定することができる。なお、光変調素子１０Ｅは、ナノ磁石５３ａ，５３ｂのいずれか１個のみを備える構成でもよい。例えば、ナノ磁石５３ａのみを備える場合には、初期設定処理は、前記と同様に、－ｚ方向の磁界Ｈinitを印加した後に、磁性層１１の保磁力よりも大きくかつナノ磁石５３ａの保磁力よりも小さい磁界を＋ｚ方向に印加すればよい。
【0077】
（磁気抵抗効果素子）
本発明の第４実施形態に係る磁壁移動素子は、第２実施形態（図６参照）と同様に、磁性細線１の磁性層１１の磁化反転可能領域１SW上に障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３を積層することで、磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）を構成することができる。また、磁気抵抗効果素子においては、電極６１，６２が磁性細線１の上面に接続していてもよく、さらにこの場合には、ナノ磁石５３ａ，５３ｂが、ナノ磁石５１と同様に磁性細線１と離間していてもよい。
本発明の第４実施形態に係る磁壁移動素子は、第２実施形態（図６参照）と同様に、磁性細線１の磁性層１１の磁化反転可能領域１SW上に障壁層（絶縁膜）３および磁化固定層（参照層）４３を積層することで、磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）を構成することができる。また、磁気抵抗効果素子においては、電極６１，６２が磁性細線１の上面に接続していてもよく、さらにこの場合には、ナノ磁石５３ａ，５３ｂが、ナノ磁石５１と同様に磁性細線１と離間していてもよい。
【0078】
以上のように、本発明の実施形態およびその変形例に係る磁壁移動素子ならびにこれを備える磁気記憶素子によれば、ナノ磁石を内蔵することにより、電流を大きくせずに書込みが高速化されるので、磁性細線が劣化し難く長期の使用が可能となる。また、回路構成が複雑化しないので、画素やメモリセルが大型化しない。
【実施例】
【0079】
本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態に係る磁壁移動素子を模擬したサンプルを作製して、磁壁の移動速度を測定した。本実施例では、磁壁移動素子のナノ磁石の漏れ磁界に代えて外部から磁界を印加した。したがって、サンプルは、図１４に示すように、磁性細線およびその上面に接続した一対の電極のみとし、さらに、細線方向に区切る磁壁を生成するために、磁性細線の一端側に、膜面垂直方向のナノ磁石として、垂直磁気異方性の硬磁性体を設けた。
【0080】
（サンプル作製）
磁性細線は、下地膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）／チャネル層：Ｔａ（３ｎｍ）／磁性層：ＧｄＦｅ（１０ｎｍ）／保護膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）の積層構造で、０．５μｍ幅の直線状に形成した。ＧｄＦｅの組成は、Ｇｄ：２２．６ａｔ％、Ｆｅ：７７．４ａｔ％であった。また、硬磁性体は、Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）／[Ｃｏ（０．３ｎｍ）／Ｐｄ（０．６ｎｍ）]×２５／Ｒｕ（３ｎｍ）の合計厚さ３１．５ｎｍの積層構造で、０．５μｍ（細線方向長）×３μｍに形成した。まず、熱酸化ＳｉＯ2が表面に形成されたＳｉ基板上に、ＳｉＮ膜を成膜してトレンチを形成し、硬磁性体を構成する積層膜を成膜して埋め込んだ。その上に、磁性細線を構成する積層膜を成膜して直線状に成形し、さらに、磁性細線の周囲にＳｉＮを埋め込んだ。硬磁性体および磁性細線は、それぞれ、マグネトロンスパッタリングで成膜し、電子線描画、イオンミリング、およびリフトオフにより形成された。そして、磁性細線の表面の保護膜の一部（２箇所）を除去して、Ａｇで電極を形成した。電極間距離（細線方向長）は１７μｍである。また、＋ｘ側の電極と硬磁性体との細線方向の距離は１～２μｍである。また、比較例として、磁性細線を、下地膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）／磁性層：ＧｄＦｅ（１５ｎｍ）／保護膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）の積層構造とした、チャネル層（Ｔａ膜）がないサンプルを作成した（ＧｄＦｅの組成は、Ｇｄ：２３．５ａｔ％、Ｆｅ：７６．５ａｔ％）。
磁性細線は、下地膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）／チャネル層：Ｔａ（３ｎｍ）／磁性層：ＧｄＦｅ（１０ｎｍ）／保護膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）の積層構造で、０．５μｍ幅の直線状に形成した。ＧｄＦｅの組成は、Ｇｄ：２２．６ａｔ％、Ｆｅ：７７．４ａｔ％であった。また、硬磁性体は、Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）／[Ｃｏ（０．３ｎｍ）／Ｐｄ（０．６ｎｍ）]×２５／Ｒｕ（３ｎｍ）の合計厚さ３１．５ｎｍの積層構造で、０．５μｍ（細線方向長）×３μｍに形成した。まず、熱酸化ＳｉＯ2が表面に形成されたＳｉ基板上に、ＳｉＮ膜を成膜してトレンチを形成し、硬磁性体を構成する積層膜を成膜して埋め込んだ。その上に、磁性細線を構成する積層膜を成膜して直線状に成形し、さらに、磁性細線の周囲にＳｉＮを埋め込んだ。硬磁性体および磁性細線は、それぞれ、マグネトロンスパッタリングで成膜し、電子線描画、イオンミリング、およびリフトオフにより形成された。そして、磁性細線の表面の保護膜の一部（２箇所）を除去して、Ａｇで電極を形成した。電極間距離（細線方向長）は１７μｍである。また、＋ｘ側の電極と硬磁性体との細線方向の距離は１～２μｍである。また、比較例として、磁性細線を、下地膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）／磁性層：ＧｄＦｅ（１５ｎｍ）／保護膜：ＳｉＮ（５ｎｍ）の積層構造とした、チャネル層（Ｔａ膜）がないサンプルを作成した（ＧｄＦｅの組成は、Ｇｄ：２３．５ａｔ％、Ｆｅ：７６．５ａｔ％）。
【0081】
（保磁力の測定）
実施例および比較例の各サンプルに、下側から上向きに８００ｍＴ（＋８００ｍＴ）の磁界を印加して、磁性細線の磁性層および硬磁性体を上向きの磁化方向とした。次に、集束レーザー光（波長：６５８ｎｍ、レーザースポットサイズ：２～３μｍ）を用いてカー回転角を測定し、磁性細線の磁性層および硬磁性体の磁化反転を観察した。サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、マイクロＫｅｒｒ測定装置で測定しながら、印加磁界をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。硬磁性体の保磁力は、約４００ｍＴであった。また、実施例および比較例の各サンプルの磁性細線における、印加磁界を±２００ｍＴまで変化させたときのカー回転角のヒステリシスループを、図１５Ａおよび図１５Ｂに示す。実施例のサンプルの磁性細線の保磁力は、＋，－共に約４０ｍＴであった。一方、比較例のサンプルの磁性細線の保磁力は、約＋５０ｍＴと約－３０ｍＴであった。
実施例および比較例の各サンプルに、下側から上向きに８００ｍＴ（＋８００ｍＴ）の磁界を印加して、磁性細線の磁性層および硬磁性体を上向きの磁化方向とした。次に、集束レーザー光（波長：６５８ｎｍ、レーザースポットサイズ：２～３μｍ）を用いてカー回転角を測定し、磁性細線の磁性層および硬磁性体の磁化反転を観察した。サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、マイクロＫｅｒｒ測定装置で測定しながら、印加磁界をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。硬磁性体の保磁力は、約４００ｍＴであった。また、実施例および比較例の各サンプルの磁性細線における、印加磁界を±２００ｍＴまで変化させたときのカー回転角のヒステリシスループを、図１５Ａおよび図１５Ｂに示す。実施例のサンプルの磁性細線の保磁力は、＋，－共に約４０ｍＴであった。一方、比較例のサンプルの磁性細線の保磁力は、約＋５０ｍＴと約－３０ｍＴであった。
【0082】
（初期設定処理）
サンプルに、＋８００ｍＴの磁界を印加しながら、電極を介して磁性細線にパルス幅５０ｎｓ、２．２ｍＡの直流パルス電流を供給して、磁性細線の磁性層および硬磁性体を上向きの磁化方向とし、磁界印加停止により、磁性層の硬磁性体上近傍にｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁を生成し、さらにパルス幅１５ｎｓのパルス電流を供給して、磁壁を所定の位置まで移動させた。
サンプルに、＋８００ｍＴの磁界を印加しながら、電極を介して磁性細線にパルス幅５０ｎｓ、２．２ｍＡの直流パルス電流を供給して、磁性細線の磁性層および硬磁性体を上向きの磁化方向とし、磁界印加停止により、磁性層の硬磁性体上近傍にｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁を生成し、さらにパルス幅１５ｎｓのパルス電流を供給して、磁壁を所定の位置まで移動させた。
【0083】
（磁壁移動速度の測定）
外部から一定の大きさの磁界を細線方向に印加しながら、磁性細線にパルス幅１５ｎｓのパルス電流を供給した。電流の供給の前後に、磁性細線の磁壁の位置を観察し、ＭＯ差分像から磁壁の移動した距離および方向を計測し、電流の総供給時間（１５ｎｓ×パルス回数）から単位時間当たりの距離を移動速度として算出した。２５ｍＴの磁界を印加しながら、０．４，０．６，０．８，１．０，１．４，１．８，２．２ｍＡ（比較例のサンプルは、１．８，２．０，２．２ｍＡ）の電流を供給した。また、ナノ磁石のない比較例を模擬して、実施例のサンプルに磁界を印加せずに（０Ｔ）電流を供給した。また、実施例のサンプルについて、２．２ｍＡの電流を供給する際に、４，８，１２，２５ｍＴの磁界を印加した。これらの磁界印加および電流供給はそれぞれ、＋ｘ方向、－ｘ方向に向きを変えて行った。さらに、実施例のサンプルについて、初期設定処理で外部磁界を下向きに印加してｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁を生成し、同様の測定を行った。
外部から一定の大きさの磁界を細線方向に印加しながら、磁性細線にパルス幅１５ｎｓのパルス電流を供給した。電流の供給の前後に、磁性細線の磁壁の位置を観察し、ＭＯ差分像から磁壁の移動した距離および方向を計測し、電流の総供給時間（１５ｎｓ×パルス回数）から単位時間当たりの距離を移動速度として算出した。２５ｍＴの磁界を印加しながら、０．４，０．６，０．８，１．０，１．４，１．８，２．２ｍＡ（比較例のサンプルは、１．８，２．０，２．２ｍＡ）の電流を供給した。また、ナノ磁石のない比較例を模擬して、実施例のサンプルに磁界を印加せずに（０Ｔ）電流を供給した。また、実施例のサンプルについて、２．２ｍＡの電流を供給する際に、４，８，１２，２５ｍＴの磁界を印加した。これらの磁界印加および電流供給はそれぞれ、＋ｘ方向、－ｘ方向に向きを変えて行った。さらに、実施例のサンプルについて、初期設定処理で外部磁界を下向きに印加してｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁を生成し、同様の測定を行った。
【0084】
各測定を５回行い、平均値および標準偏差を算出した。図１６Ａおよび図１６Ｂに、実施例のサンプルによる磁壁移動速度（ν）の電流密度（Ｊ）依存性のグラフを示す。図１７Ａおよび図１７Ｂに、実施例のサンプルによる磁壁移動速度（ν）の磁界（Ｈ）依存性のグラフを示す。図１６Ａおよび図１７Ａはｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁を生成したサンプル、図１６Ｂおよび図１７Ｂはｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁を生成したサンプルである。また、これらのグラフのプロットエリア内に、磁壁における磁化方向を簡易的に表す矢印を示す。また、図１８に、比較例のサンプルと、磁界印加のない実施例のサンプルとによる、磁壁移動速度（ν）の電流密度（Ｊ）依存性のグラフを示す。なお、磁壁移動速度は、磁壁が＋ｘ方向に移動した場合には正、－ｘ方向に移動した場合には負で表す。
【0085】
チャネル層を積層した磁性細線のサンプルは、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、磁性細線への細線方向の電流供給で磁壁が移動し、さらに電流密度が高いほど移動速度が高速になる傾向が観察された。なお、磁界を印加していない状態（Ｈ＝０Ｔ）を、図１８に拡大して示す。また、電流供給と共に磁界を細線方向に印加することにより、磁壁の移動速度が高速になり、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、特に絶対値８ｍＴ以上で顕著であり、磁界が大きいほど移動速度が高速になった。図１８に示すように、磁界が印加されていなくても電流供給のみで磁壁が移動するが、最高移動速度は１０．５ｍ／ｓであり、２．１５×１０11Ａ／ｍ2の電流を供給したときがピークであった。これに対して、２５ｍＴの磁界印加では、電流密度を１．２３～２．１５×１０11Ａ／ｍ2以上供給すると移動方向が安定し、３．３８×１０11Ａ／ｍ2まで大きくしても磁壁の移動速度が電流密度に伴い増大し、磁界を印加していない場合の２０倍以上に高速となった。また、８ｍＴの磁界印加でも、約１０倍に高速となった。
【0086】
図１６Ａおよび図１７Ａのｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁は、磁界を＋ｘ方向に印加されている（図１６Ａ：●（黒丸）、図１７Ａ：プロットエリア右半分）と、右旋回のネール型の磁気構造となるので、電流の供給方向と同じ方向に移動し、磁界を－ｘ方向に印加されている（図１６Ａ：○（白丸）、図１７Ａ：プロットエリア左半分）と、左旋回のネール型の磁気構造となるので、電流の供給方向の逆方向に移動した。一方、図１６Ｂおよび図１７Ｂのｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁は、磁界を＋ｘ方向に印加されている（図１６Ｂ：●（黒丸）、図１７Ｂ：プロットエリア右半分）と、左旋回のネール型の磁気構造（図４Ａ、図４Ｂ参照）となるので電流の供給方向の逆方向に移動し、磁界を－ｘ方向に印加されている（図１６Ｂ：○（白丸）、図１７Ｂ：プロットエリア左半分）と、右旋回のネール型の磁気構造（図３Ａ、図３Ｂ参照）となるので電流の供給方向と同じ方向に移動した。また、磁界が印加されていないと、図１８に示すように、ｕｐ－ｄｏｗｎ磁壁、ｄｏｗｎ－ｕｐ磁壁共に、電流の供給方向と同じ方向に移動した。さらに、磁界が絶対値で１２ｍＴ以下では、左旋回よりも右旋回のネール型の磁気構造の磁壁の方が、移動速度が高速であった。これは、印加磁界がＤＭＩによる有効磁界と同じ向きであることによると考えられる。一方、印加磁界が２５ｍＴでは移動速度の有意差がなく、これは有効磁界に対して印加磁界が十分に強いことによると考えられる。
【0087】
図１８に示すように、チャネル層がない比較例のサンプル（Ｔａ膜無）では、磁界が印加されていなくても磁壁が電流の供給方向と逆方向に磁壁が移動したが、チャネル層が積層された実施例のサンプルよりも低速であり、磁界を印加するとさらに移動速度が低下し、ほとんど移動しなかった。
【0088】
このように、磁性細線がチャネル層を積層して備えると共に、細線方向における一方向に磁界を印加されることにより、小さな電流で磁壁を高速移動させることができる。印加磁界は８ｍＴ以上で効果が得られ、このような磁界は、画素やメモリセルに磁性細線と共に形成される、磁性細線と同程度の平面視サイズの硬磁性材料からなるナノ磁石からの漏れ磁界で十分であるといえる。さらに、厚さ１０ｎｍ、幅５００ｎｍという比較的厚くかつ幅広の磁性細線においても高い効果が得られることが確認された。
【0089】
以上、本発明に係る磁壁移動素子およびこれを備える磁気記憶素子、ならびに磁気メモリおよび空間光変調器を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの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る。
【符号の説明】
【0090】
１０，１０Ｅ 光変調素子（磁壁移動素子）
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）
１ 磁性細線
１１ 磁性層
１２ チャネル層
３ 障壁層（絶縁膜）
４１，４２ 磁化固定層
４３ 磁化固定層（参照層）
５１ ナノ磁石（磁界印加部材）
５１ａ，５１ｂ ナノ磁石（磁界印加部材）
５２ ナノ磁石（副磁界印加部材）
５３ａ，５３ｂ ナノ磁石（副磁界印加部材）
６１，６２ 電極
６３ 電極
９０ 空間光変調器
９０Ａ 磁気メモリ
９ 画素
９Ａ メモリセル
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 磁気抵抗効果素子（磁気記憶素子）
１ 磁性細線
１１ 磁性層
１２ チャネル層
３ 障壁層（絶縁膜）
４１，４２ 磁化固定層
４３ 磁化固定層（参照層）
５１ ナノ磁石（磁界印加部材）
５１ａ，５１ｂ ナノ磁石（磁界印加部材）
５２ ナノ磁石（副磁界印加部材）
５３ａ，５３ｂ ナノ磁石（副磁界印加部材）
６１，６２ 電極
６３ 電極
９０ 空間光変調器
９０Ａ 磁気メモリ
９ 画素
９Ａ メモリセル
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図18】
