JP3985033B2 - スピン分極電子を利用してデータを記憶するための方法および装置 - Google Patents

Description

出願の背景
本出願は、トーマス・Ｄ・ハートおよびスコット・Ａ・ハルピンによる同時審査の米国出願第０８／１８８、８２８号「データ磁界の分極としてデータを記憶するためのデータ記憶媒体およびスピン分極電子を利用して該データ記憶媒体上にデータを記憶しかつ該記憶されたデータを読みだすための方法および装置」、１９９４年１月３１日出願、の一部継続出願であり、その内容は本出願の参考文献としてここに組み込まれる。
技術分野
本発明はデータ記憶および検索に関する。さらに特定すると、本発明は、データ記憶媒体およびこの記憶媒体上にデータを記憶し読みだすための方法および装置に関する。
背景技術
大量のデータを高速で記憶する装置の必要性が、年々益々増大している。アナログシステムからディジタルシステムへの変換、および現在のプロセッサ技術によってもたらされる処理スピードの向上に伴って、大量のデータに素早くアクセスする能力は、要求よりも劣ったものとなっている。このことは、消費者分野において、高品位テレビ（ＨＤＴＶ）、ＨＤＴＶビデオレコーダ、コンパクトディスク、個人用ディジタル補助機器（ＰＤＡｓ）、個人用通信補助機器（ＰＣＡｓ）、ディジタルテープデッキ、および自動車用のこれらの機器などと同様、科学分野において、コンピュータによるモデル化およびシミュレーションで特に顕著である。さらに、コンピュ−タ、マルチメディヤおよび通信が一体化した分野では、仮想現実（バーチャルリアリティ）、双方向テレビ、（音声による対話型の）音声認識システム、手書き文字認識システムおよび娯楽システムと一体化した通信システムなど、それぞれが高速で大量の静的データ記憶を必要とするものを介して、消費者にインパクトを与える。
通常のリゾグラフ技術および非常に改良された製造方法を現在のメモリ技術に適用することによって、大きな進歩が得られる結果となった。この進歩は、プロセッサにおける進歩と、プロセッサが必要な量のデータを効果的に記憶し使用する能力の進歩との間の差を、単に増大するものである。
発明の開示
したがって、本発明は、データ記憶媒体と、このデータ記憶媒体上にデータを記憶し読みだすための方法および装置を目的とし、それによって関連技術の限界および欠点に基づく問題の幾つかを取り除く事を目的とするものである。
本発明の特徴および効果は、以下に述べられており、さらにその一部は以下の記載から明らかであり、あるいは発明を実施することによって理解される。本発明の目的およびその他の効果は、添付の図面と同様、以下の記載および特許請求の範囲で指摘された方法および装置によって実現されかつ達成される。
これらおよびその他の効果を本発明の目的に従って達成するため、具体的に且つ明白に記載するように、データ記憶装置は、磁性材料を含む部材と；電子ビームを発生するための手段であって、この電子ビームは第１および第２の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得るものであり；アドレス信号に応答し前記ビームを前記部材の前記アドレス信号に相当する部分に方向付けるための手段であり、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が前記電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する手段と；さらに前記アドレス信号に応答して、前記ビームを前記部分に向けることによって、前記アドレス信号に相当する前記部材の一部分の分極を検出するための手段；を含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料を有する部材と、および第１および第２の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得る電子ビームを生成するための手段とを含むシステムを操作するための方法であって、この方法は、アドレス信号を受信し；前記ビームを前記部材のアドレス信号に相当する部分に方向付け、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する；各ステップを含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料を有する部材と、および第１および第２の方向の内の一方向に共通の磁気分極を有し、かつ前記部材の複数部分の内の一個に方向付け得る電子ビームを生成するための手段とを含むシステムを操作するための方法であって、この方法は、アドレス信号を受信し；前記ビームを前記部材のアドレス信号に相当する部分に方向付け、かつ前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御し；さらにその後前記ビームを前記部分に向けることによって、前記アドレス信号に相当する前記部材の一部分の分極を検出する；各ステップを含んでいる。
本発明のその他の特徴によれば、磁性材料中に分極方向としてデータを記憶するための方法であって：電子磁界を有するスピン分極電子を供給するステップであって、該電子磁界は第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を有し、前記電子は前記磁性材料に磁気モーメントを引き起こす不対電子に特有の波長を有し；さらに前記スピン分極電子を、非電導性の環境を介して、前記磁性材料の一部分に方向づけ、この部分に前記電子磁界の分極方向を付与する；各ステップを含む方法を提供する。
前述の一般的な記載および以下の詳細な記載は、例示的かつ説明的なものであり、また特許請求の範囲に記載した発明をさらに説明するためのものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明をさらに理解するために提供され、かつこの明細書に含まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の現時点での好ましい実施例を示し、その説明と共に、本発明の原理を説明する。図面において：
図１は、本発明の好ましい実施例であるデータ記憶および検索装置の断面図であり；
図２は、図１のデータ記憶および検索装置に使用されるスチグマトール（stigmator）素子の平面図；
図３（ａ）および（ｂ）は、図１のデータ記憶媒体の部分断面図；
図４（ａ）は、図１のデータ記憶媒体の平面図；
図４（ｂ）は、図１のデータ記憶媒体の部分断面図であって、パーキングおよびアライメント領域を示す図；
図５（ａ）および（ｂ）は、図１のデータ記憶媒体の、データ記憶操作中の部分断面図；
図６（ａ）および（ｂ）は、図１のデータ記憶媒体の、第１のデータ読み出し操作における部分断面図；
図７（ａ）および（ｂ）は、図１のデータ記憶媒体の、第２のデータ読み出し操作における部分断面図；
図８は、図１のデータ記憶および検索装置の、アライメント操作における部分断面図；
図９は、図１のデータ記憶および検索装置の、ブランキング／パーキング操作における部分断面図；
図１０は、好ましい電子放射装置の、側面切り欠き図；
図１１は、図１０に示す装置の底面切り欠き図；
図１２は、図１０に示す装置の底面図；および
図１３は、本発明の他の実施例を示す図面である。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。なおこの実施例の一例を添付の図面に示す。
図１は、本発明の一実施例のデータ記憶および検索装置を示す。このデータ記憶および検索装置は、制御ユニット１、先端２ｂを有するスピン分極電子源４０、抽出器４、コリメータ６、７および９、電子レンズ１０、１１および１２、および絶縁素子５および８を含んでいる。このデータ記憶および検索装置はさらに、ブランキング素子１３、目の荒いおよび微細な各マイクロ偏向器１４、１５、電子検出器１６、データ記憶層１７および基板１８を含んでいる。
制御ユニット１は、マイクロプロセッサまたはこの技術分野で周知の他の制御回路を含んでいる。制御ユニット１は、このデータ記憶および検索装置によって実行される種々の機能および操作を、以下に詳細に示すように、調整し順序付ける。この制御ユニット１は、さらに、アドレスイン（ＡＤＤＲＥＳＳ ＩＮ）、データイン（ＤＡＴＡ ＩＮ）、データアウト（ＤＡＴＡ ＯＵＴ）の各端子を介して、このデータ記憶および検索装置と外部装置（図示せず）、例えばコンピュ−タ、またはその他のデータ記憶および検索装置、との間のインターフェースを取る働きをする。このインターフェースによって、外部装置からの制御信号およびデータは、制御ユニット１に伝送されかつここで必要なプロトコルを用いて解読される。制御ユニット１は、制御応答およびデータを開発し、そのデータを必要なプロトコルを用いて外部装置に返送する。制御ユニット１は、例えば電気的または光学的リンクを介して、外部装置とインターフェースすることも可能である。例えば、制御ユニット１へのおよびユニットからの光学的送信は、電気的に励起されたレーザーダイオードを用いて達成される。
先端２ｂを含むスピン分極電子源４０は、スピン分極電子３を供給する。特に、スピン分極電子３はスピン分極電子源４０によって形成され、先端２ｂによって集束される。先端２ｂは、低いエネルギー電子の放射に対して変調された自己分極をもたらす鋭利な先端（modulated self-polarizing sharp tip）であって、その詳細はこの出願において後述する。
各スピン分極電子３は、電子のスピン方向によって決定される分極方向を有する電子磁界を有している。電子磁界の分極方向は、第１および第２のデータ値の一方に相当する。例えば、上向きの分極を有する電子磁界は、データ値”１”に相当し、他方下向きの分極を有する電子磁界は、データ値”０”に相当すること、またはその反対が可能である。
制御ユニット１によって、電位Ｖ₁をスピン分極電子源４０に印加する。電位Ｖ₁の大きさを制御ユニット１によって変化させて、スピン分極電子３の強度および電流を制御することができる。制御ユニット１によって、信号Ｓ₁₉をスピン分極電子源４０に印加することも可能である。信号Ｓ₁₉は、スピン分極電子３の磁界の分極方向を制御する。制御ユニット１は、電位Ｖ₁と信号Ｓ₁₉を、この装置の操作中変化させて、この装置および環境の時間経過に伴う物理的変化を補償することが、好ましい。
抽出器４、コリメータ６、７および９、静電レンズ１０−１２、ブランキング素子１３および目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器１４および１５はそれぞれ、例えば、開口を規定する環状の電導性部材から構成されている。抽出器４は、先端２ｂからスピン分極電子３を抽出し、コリメータ６、７および９はスピン分極電子３をコリメート（平行化）してスピン分極電子ビーム１９とする。静電レンズ１０−１２はスピン分極電子ビーム１９の焦点合わせを行い、目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器１４および１５はそれぞれ、スピン分極電子ビーム１９をデータ記憶層１７の方向に向ける。
スピン分極電子ビーム１９が進行する環境は、例えば真空中のような、非電導性でかつイオン化されていない環境である。しかしながら、スピン分極電子ビーム１９が電子源２からデータ記憶媒体１７まで妨害されることなくむしろ励行されるようにして通過する環境として、数多くの周知の環境があることを考慮すべきである。
図１に示すように、先端２ｂは、抽出器４の開口の中心で、抽出器４の表面が形成する面に対して垂直となるように、かつ抽出器４表面にまたはその近くに並置されている。抽出器４およびコリメータ６の開口は、その直径がそれぞれ１μと１００μのオーダーであることが好ましい。しかしながら、データ記憶および検索装置の設計およびスピン分極電子ビーム１９の望ましい特性によって、この値よりも大きなあるいは小さな直径を用いることが可能である。
例えばＳｉからなる絶縁素子５が、抽出器４とコリメータ６間に配置され、これらの電導性表面間を分離している。絶縁素子５の開口の直径は、抽出器４およびコリメータ６の開口の直径よりわずかに大きく、それによって絶縁素子５とその中に形成される静電界および抽出器４とコリメータ６の開口を通過する電子との相互作用を減少させる。
制御ユニット１によって抽出器４およびコリメータ６にそれぞれ電位Ｖ₂、Ｖ₃が印加され、各開口中に磁界が形成される。先端２ｂの、抽出器４の開口中に形成された静電界に対する位置によって、スピン分極電子３が先端２ｂから飛び出し、抽出器４の開口を通ってコリメータ６の開口へ進行する。コリメータ６は電子がデータ記憶層に向かう比較的平行な軌道を取るように、これを集束する。
抽出器４、コリメータ６および絶縁素子５と類似かあるいは同じものであるコリメータ７、９および絶縁素子８は、それぞれ、スピン分極電子３をコリメートしてスピン分極電子ビーム１９にするための補助をする光学レンズステージを構成する。コリメータ７、９および絶縁素子８は同様に、所望のビームエネルギーを得るためにスピン分極電子３を加速しまたは減速するために使用される。
電位Ｖ₂−Ｖ₅は制御ユニット１によって、所望の特性を持ったスピン分極電子３およびスピン分極電子ビーム１９を得るために、調整される。電位Ｖ₂−Ｖ₅の制御は、装置の操作の間実行され、装置および環境の物理的変化を時間に渡って補償する。
コリメータ９を通過した後、スピン分極電子ビーム１９は静電レンズ１０−１２を通過する。制御ユニット１によって、電位Ｖ₆−Ｖ₈を静電レンズ１０−１２にそれぞれ印加し、レンズ開口を通る静電界を形成する。これらの静電界は、スピン分極電子ビーム１９を所望の直径、例えば１−２５nm（ナノメータ）に集束する。静電レンズ１０−１２の開口は、直径が１０から１００μのオーダーであることが望ましいが、しかしデータ記憶および検索装置の設計およびスピン分極電子ビーム１９の所望の特性、例えば強度、ビーム形状等によって変更することができる。さらに、静電レンズ１０−１２の厚さ、それらの相対位置および電位Ｖ₆−Ｖ₈も、所望の特性のスピン分極電子ビーム１９を得るために変更することができる。電位Ｖ₆−Ｖ₈を制御ユニット１によってさらに変更して、装置およびその環境の物理的変化を時間に渡って補償することもできる。さらにこの静電レンズ１０−１２は、これより少ないまたは多くのレンズによって置き換えることができる。同様に、静電レンズ１０−１２、抽出器およびコリメータ６、７および９の代わりに、またはこれに追加して磁気レンズを用いることも可能である。
静電レンズ１２を通過した後、スピン分極電子ビーム１９はブランキング素子１３を通過する。以下にさらに詳細に説明するように、ブランキング素子１３はスピン分極電子ビーム１９の効果を無効にするための光学素子である。ブランキング素子１３の好ましい位置は、図１に示すように、目の荒いマイクロ偏向器１４の上であり、それによってスピン分極電子ビーム１９が定常状態を達成することを可能とする。
ブランキング素子１３を通過した後スピン分極電子１９は目の荒いマイクロ偏向器１４を通過し、その後微細なマイクロ偏向器１５を通過する。目の荒いマイクロ偏向器１４は、制御ユニット１によって供給される信号Ｓ₂−Ｓ₉によって個々に制御される８個の極からなることが好ましい。同様に、微細なマイクロ偏向器１４も、制御ユニット１によって供給される信号Ｓ₁₀−Ｓ₁₇によって個々に制御される８個の極からなることが好ましい。目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器１４、１５は、それぞれスピン分極電子ビーム１９をデータ記憶層１７の方向に向ける。目の荒いマイクロ偏向器１４がスピン分極電子ビーム１９の軌跡をデータ記憶層１７の広い領域に向かって曲げ、微細なマイクロ偏向器１５はスピン分極電子ビーム１９の軌跡を、データ記憶層１７の特定の領域方向に調整する。このようにして徐々にスピン分極電子ビーム１９を曲げることによって、スピン分極電子ビーム１９に導入された歪みおよび収差を減少することができる。微細なマイクロ偏向器１５によってスピン分極電子ビーム１９の位置決めを、データ記憶層１７上の原子レベルで可能とすることができることに、注目すべきである。目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器１４、１５はそれぞれ８個の極（pole）からなると記載したが、これらはそれぞれ、周知の他の形状をとっても良いことに、注目をすべきである。さらに、目の荒いおよび微細なマイクロ偏向器１４、１５のそれぞれおよびデータ記憶層１７の相対位置は、スピン分極電子ビーム１９のＸ−Ｙ軸走査範囲の関数として決定することができる。
図１に示してはいないが、データ記憶および検索装置はさらにスチグマトール素子（stigmator element）を、図２に示すように含んでいる。このスチグマトール素子は、静電レンズ１２およびブランキング素子１３間、またはブランキング素子１３および目の荒いマイクロ偏向器１４間の何れかに配置されることが望ましい。図２に示すように、このスチグマトール素子は、例えば、個々に電位Ｖ₁₂−Ｖ₁₉がバイアスされた８個のスチグマトール素子２５によって形成される開口中に静電界を発生する導電性の材料を含む。このスチグマトール素子２５は、周知のその他の構成を取ることができることに注意しなければならない。個々の電位Ｖ₁₂−Ｖ₁₉を、制御ユニット１によってスチグマトール素子２５のスチグマトール極に印加する。これらの電位は、この装置の作動中に、スピン分極電子ビーム１９を所望の形状とするような電界を発生し、データ記憶および検索装置およびその環境の物理変化を時間経過にわたって補償するものである。スチグマトール素子は一般に、スピン分極電子ビーム１９に断面が円形の形状をもたらすように使用されるが、その他の形状、例えば楕円状の断面をもたらすように使用することもできる。
電子検出器１６は、金属のような電導性の材料で形成され、データ記憶層１７からそれた電子あるいはこの層から放射された２次電子の検出を最適化するような、例えば図１に示す形状を有している。電子検出器１６は、スピン分極電子ビーム１９の経路を妨害はしないが、しかし層１７からそれたあるいは放射された電子を検出するため、データ記憶層１７に十分接近した位置に配置されることが好ましい。電子検出器１６に衝突する電子は、電子検出器１６中で信号を形成し、この信号は、信号Ｓ₁₈として制御ユニット１に供給される。
データ記憶層１７および基板１８は共にデータ記憶媒体を構成している。このデータ記憶層１７は基板１８上に、例えばスパッタリング、レーザー溶融蒸発、またはその他の周知の技術によって、堆積されることが好ましい。基板１８は、歪み層２９、信号経路層３０、および、ガラスあるいはセラミックのような非磁性かつ非電導性材料を含んでいる。この非磁性および非電導性材料は、データ記憶層１７、歪み層２９、信号経路層３０の機械的サポート材としての働きをする。
データ記憶層１７は、磁性材料の一定数の原子層を含み、この一定数の原子層は、データ記憶層１７にその表面垂直な方向、すなわちその磁気容易軸にそって、歪み層２９による原子間距離の歪みによる磁気異方性を形成する。例えば、データ記憶層１７がＦｅによって構成される場合、体心正方（ｂｃｔ）格子中に配置されたＦｅの３原子層は、例えばＩｒの様な適切な歪み層上に堆積された場合、データ記憶層にＺ軸方向の強い磁気モーメントを与える。しかしながらＦｅは、原子層の数が３より大きくなると、面心立方（ｆｃｃ）格子に遷移し始め、これによってＦｅ原子の磁気異方性はＸ−Ｙ面にシフトする。Ｆｅを特定のドーパントあるいは合金化元素、例えばＣｏまたはＮｉ、と結合することによって、またはその層の数を変化することによって、同様な結果を得ることができる。
データ記憶層１７の垂直方向の磁気異方性によって、データ記憶層１７中の原子の各格子は、その容易軸に沿って、すなわちデータ記憶層１７の表面に垂直に伸びる分極を持ったデータ磁界を形成する。これらのデータ磁界は図３に、データ磁界２３として示されている。スピン分極電子３によって形成される磁界と同様に、データ記憶層１７中に形成された各データ磁界は第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を有している。例えば、上方に分極したデータ磁界はデータ値”１”に相当し、一方下方に分極したデータ磁界はデータ値”０”に相当するものとすることができ、またはその反対も可能である。この構成によって、データ記憶層１７の複数の部分は、２個の状態、すなわち第１および第２の磁気分極方向の一方としてデータを記憶する。データ記憶層１７のこのような部分は、非常に小さく、１原子幅×３原子厚さの大きさを有することが可能であることに注目すべきである。
図４（ａ）および４（ｂ）に示すように、データ記憶層１７は、複数のアライメント（整合）領域２２とパーキング領域２１を有している。各アライメント領域２２とパーキング領域２１は電導材料２７を含み、この材料２７は絶縁体２８によってデータ記憶層１７から電気的に絶縁されている。アライメント領域２２とパーキング領域２１はアライメント、パーキング、およびブランキング操作のために使用され、これらの詳細については、以下に述べる。パーキング領域２１の電位Ｖ₁₀およびアライメント領域２２の電位Ｖ₁₁は、図１に示すように制御ユニット１によって検出される。
データ記憶層１７は、平坦面を有していることが望ましい。データ記憶媒体は、データ記憶層上の全ての点が微細な開口の中心からほぼ等価であり、その結果電子の走行時間が減少し、データ記憶層の表面を横切って均一な焦点ビーム深度を提供するような、数多くの面形状、３次元曲面が可能であることに、注目すべきである。
図１のデータ記憶および検索装置中へのデータの記憶は、以下の様にして実行される。制御器１はアドレス信号とデータイン信号を受信する。スピン分極電子源４０は、スピン分極電子３にデータイン信号に従って、第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器４は先端２ｂからスピン分極電子３を抽出し、コリメータ６、７、９はこのスピン分極電子３をスピン分極電子ビーム１９にコリメートし、さらに静電レンズ１０−１２はスピン分極電子ビーム１９を集束する。図５（ａ）に示すように、スピン分極電子ビーム１９は、マイクロ偏向器１４、１５によって、データ記憶層１７のデータが記憶されるべき位置に形成されたデータ磁界方向に向けられる。制御器１は、データを記憶すべき部分を決定するためにアドレス信号を用いる。図５（ｂ）に示すように、データ磁界を正しい波長で叩くことによって、スピン分極電子ビーム１９はデータ記憶層１７の表面に衝突し、データ磁界を形成する磁化容易軸に沿って、継続する磁界逆転効果を生じる。その結果、スピン分極電子ビーム１９中の電子の分極方向が、データ磁界に与えられる。
所望の継続磁界反転効果を達成するため、スピン分極電子ビーム１９中の電子の波長は、データ記憶層１７を形成するために用いられた材料に従って、設定される。特に、スピン分極電子ビーム１９の波長は、データ記憶層１７を形成する材料原子の外側のｄ副殻原子の、ド・ブロイ波長にほぼ等しくすべきである。言い換えると、ビームエネルギーは、データ記憶層１７を形成する材料原子の外側のｄ副殻原子の運動エネルギーにほぼ等しくなければならない。
上述したように、データ記憶層１７の、１原子大きさの幅しか有さない部分によって、一個のデータ値を表示することができることに注意すべきである。しかしながら、図３（ｂ）に概念的に示すように、データ記憶層１７の、複数個の原子の大きさの幅を有する部分によって、単一のデータ値を表示することも可能であることに注意すべきである。データ記憶層１７中の原子がこのように、グループ化されている場合、スピン分極電子ビーム１９の直径は、より大きなデータ記憶領域をカバーするために、十分大きく形成されねばならない。
データ記憶層１７からのデータの読み出しは、１または２の技術を用いて達成される。第１のデータ読取技術では、制御器１がアドレス信号を受信する。スピン分極電子源４０はスピン分極電子３に、第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器４が先端２ｂからスピン分極電子３を抽出し、コリメータ６、７、９によってこのスピン分極電子３をスピン分極電子ビームにコリメートし、静電レンズ１０−１２によってこのスピン分極電子ビーム１９を集束する。スピン分極電子ビーム１９はその後、マイクロ偏向器１４、１５によって、データを読みだすべきデータ記憶層１７上の一部分の方向に向けられる。制御器１は、データを読みだすべき部分を決定するために、アドレス信号を利用する。
図６（ａ）に示すように、読みだすべき部分のデータ磁界の分極方向が、スピン分極電子ビーム１９の電子の分極の方向と同じ場合、スピン分極電子ビーム１９中の電子はこのデータ磁界に引きつけられ、データ記憶層１７によって吸収される。データ記憶層１７による電子の吸収によって、信号Ｓ₂₀が生成される。
図６（ｂ）に示すように、データ磁界の分極方向が、スピン分極電子ビーム１９中の電子の分極方向と反対の場合、スピン分極電子ビーム１９中の電子はデータ磁界によって偏向され、電子検出器１６上に衝突する。上記で説明したように、電子検出器１６への電子の衝突によって、信号Ｓ₁₈が生成される。
データ磁界がスピン分極電子ビーム１９中の電子を引きつけることは、制御ユニット１によって第１のデータ値、すなわちデータ値”０”として検出され、一方データ磁界がスピン分極電子ビーム１９中の電子を偏向することは、制御ユニット１によって第２のデータ値、すなわちデータ値”１”として検出される。特に、制御ユニット１は、信号Ｓ₁₈、信号Ｓ₂₀、あるいは信号Ｓ₁₈、Ｓ₂₀の両者を、スピン分極電子３の生成に関するある時間において、したがってスピン分極電子ビーム１９のデータ記憶層１７への衝突に関するある時間において、検出し解釈する。スピン分極電子３の発生後のある特定の時間において、信号Ｓ₁₈が検出されない場合、および／または電圧Ｖ₂₀が制御ユニット１によって検出される場合、制御ユニット１は、スピン分極電子ビーム１９中の電子がデータ磁界によって引きつけられ、データ記憶層１７によって吸収されたものと決定する。一方、スピン分極電子３の生成後のある特定の時間において、制御ユニット１によって信号Ｓ₁₈が検出された場合および／または信号Ｓ₂₀が検出されない場合、制御ユニット１は、スピン分極電子ビーム１９がデータ磁界によって偏向され電子検出器１６によって検出されたものと決定する。データ記憶層１７中の過剰電子は、例えば、信号Ｓ₂₀を形成する電極で排出されることが好ましく、一方電子検出器１６中の過剰電子は信号Ｓ₁₈を生成する電極で排出されることが望ましい。
データを記憶する場合と同様、データ記憶層１７から第１の技術を用いてデータを読みだす場合、スピン分極電子ビーム１９のエネルギーレベルは、データ記憶層１７の材料に従って設定されねばならない。しかしながら、第１の技術を用いてデータを読みだす場合、スピン分極電子ビーム１９のエネルギーレベルは、データ記憶層１７中に形成されるデータ磁界に磁性的な変化をもたらさないように、十分低くなければならない。
第２のデータ読み出し技術では、スピン分極電子源４０は、スピン分極電子３に、第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を与える。次ぎに、抽出器４が先端２ｂからスピン分極電子３を抽出し、コリメータ６、７、９がスピン分極電子３をスピン分極電子ビーム１９にコリメートし、さらに静電レンズ１０−１２がスピン分極電子ビーム１９を集束する。スピン分極電子ビーム１９はその後、マイクロ偏向器１４、１５によって、データ記憶層１７のデータを読みだすべき一部分の方向に向けられる。
この第２の技術において、スピン分極電子ビーム１９のエネルギーは、データ記憶操作に要するよりも大きい値であり、かつスピン分極電子ビーム１９がデータ記憶層１７の前記一部分に進入し、２次電子を形成するに十分な大きさを有する。スピン分極電子ビーム１９のエネルギーは、データ記憶層１７の格子中に原子の熱移動を生じない程度の大きさであることが好ましい。
データ記憶層１７によって形成された２次電子は、特定のエネルギーおよびスピンを有する。この特定のエネルギーおよびスピンは、データ記憶層１７の一部分によって生成されたデータ磁界の分極方向とスピン分極電子ビーム１９中の電子の分極方向の間の関係によって特徴付けられる。これらの２次電子特性は、第１および第２のデータ値の一方として検出される。
例えば、図７（ａ）に示すように、データ磁界の分極方向がスピン分極電子ビーム１９中の電子の分極方向と同じである場合、データ記憶層１７は、第１のデータ値、すなわちデータ値”１”に相当する、第１のエネルギーと第１のスピン特性を有する２次電子２４を生成する。同様に、図７（ｂ）に示すように、データ磁界の分極方向がスピン分極電子ビーム１９中の電子の分極方向と反対である場合、データ記憶層１７は、第２のデータ値、すなわちデータ値”０”に相当する、第２のエネルギーと第２のスピン特性を有する２次電子２６を形成する。データ記憶層１７によって形成された２次電子は、電子検出器１６によって検出され、この２次電子の特性を示す信号Ｓ₁₈を生成する。制御ユニット１は信号Ｓ₁₈を受信し、この２次電子の特性を解釈する。
この第２の技術は、データ記憶層１７によって形成される２次電子のエネルギーおよびスピン特性を検出するものとして記載されているが、２次電子のこの技術分野で周知の他の特性によって、データ記憶層１７上に記憶されたデータの読み出しを行うことができることに注意すべきである。さらに、データ記憶層１７によって形成された２次電子の殆どは、データ記憶層１７によって放出されるが、図７（ａ）および７（ｂ）に示すように、いくらかの２次電子はデータ記憶層１７内に残留し、信号Ｓ₂₀を形成する。したがって、データ記憶層１７によって形成された２次電子の特性は、同様に、制御ユニット１によって信号Ｓ₂₀から検出され、かつ解釈される得ることに注意する必要がある。
図８に示すように、スピン分極電子ビーム１９のアライメントは、ビームを１個またはそれ以上のアライメント領域２２に向けることによって実施される。電位Ｖ₁₁が制御ユニット１によって検出される場合、アドレスされた領域と目標のアライメント領域は一致する。電位Ｖ₁₁が検出されない場合、マイクロ偏向器１４、１５への信号Ｓ₂−Ｓ₁₇を制御ユニット１によって調整し、アライメント不良を補償する。スピン分極電子ビーム１９のアライメントは、装置の操作期間中周期的に行われることが好ましい。
上述したように、ブランキング素子１３は、制御ユニット１の制御のもとで、スピン分極電子ビーム１９がデータ記憶層１７上に衝突するのを防ぐ。ブランキング素子１３は、例えば、信号Ｓ₁によって制御される２個の極を含む。ブランキング素子１３は、この技術分野で周知の他の形状を取ることができること、およびこれらの極は個々に制御できることに注意すべきである。制御ユニット１は、ある特定の時間において信号Ｓ₁をブランキング素子１３に印加し、特定の期間スピン分極電子ビーム１９をブランクにする。この間に、ビーム１９はデータ記憶層１７の別の部分を目標とするために、移動させられる。ブランキング素子１３はまた、制御ユニット１が、電子の偏向またはデータ記憶層１７からの放射を検出する場合、データ読み出し操作の間、スピン分極電子ビーム１９をブランクするために使用することもできる。ブランキング素子１３の極は、スピン分極電子ビーム１９を拡散し、ビーム中の電子がビームとしてデータ記憶層１７の表面に衝突しないように、作動する。
マイクロ偏向器１４、１５を、データ読み出し操作の間、スピン分極電子ビーム１９をブランキングさせるための代わりの手段として用いることができる。例えば、制御ユニット１はマイクロ偏向器１４、１５に信号Ｓ₂−Ｓ₁₇を供給して、図９に示す様に、スピン分極電子ビーム１９をデータ記憶層１７上の特定の領域、すなわちデータ記憶のために使用されていない領域、例えばパーキング領域２１に向けることができる。スピン分極電子ビーム１９がパーキング領域２１に衝突したことは、制御ユニット１によって電位Ｖ₁₀として検出される。
データ記憶層１７に、製造方法、劣化またはその他の原因によって生じる不完全性が存在し、その結果データ記憶層１７にデータ記憶のために使用することができない幾つかの欠陥領域が形成される。したがって、このような欠陥領域からデータを読み出しさらにデータを書き込むことを防ぐために、フォーマット操作が提供される。例えば、このフォーマット操作の間に、制御ユニット１は、データ記憶層１７中に形成された各データ磁界を、上向きおよび下向きの分極間で、少なくとも一回回転し、各結果を照合する。このフォーマット操作は、前述したように、例えばデータ読み出しおよびデータ記憶操作を連続して行うことによって、実施することができる。制御ユニット１は、データ記憶層１７の、書き込まれたデータを高い信頼性で読みだすことができない部分が、使用不可能であるか否かを決定する。フォーマット操作が完了すると、データ記憶層１７の使用不可能な部分をメモリに記憶し、これを用いて、例えば制御ユニット１によって維持して、次のデータ記憶操作の間データを何処に記憶することができるかを決定する。
データ記憶および検索装置の操作期間中、フォーマット操作によってデータ記憶層１７の使用不可能な部分の位置を検出し記憶することができることに注意すべきである。例えば、データ記憶層１７のある部分への各記憶操作の後で、制御ユニット１はこの部分から読み出しを行いこの部分が現在欠陥ではないことを確証することができる。
制御ユニット１は、同様に、メモリを、データ記憶層１７のある部分、すなわち頻繁に読みだされるがしかし頻繁には記憶されないデータを記憶し保護するために使用される部分、の位置を記憶するのに用いることができる。現在の記憶媒体中に記憶されたこのようなタイプのデータとして、コンフィグレーションデータおよびＲＯＭ中に記憶されたソフトウエアドライバーがある。このタイプのデータは、データ記憶層１７の、メモリ中で保護されるべきであるとして指定された部分に、記憶される。保護されるべきデータの意図しない変化を防止するためのさらなる保護策として、データ記憶層１７のある部分をデータ記憶層１７とは異なる材料で構成することも可能である。この異なる材料は、データを記憶するために、保護されていないデータ位置によって必要とされるものとは異なった、スピン分極電子ビーム強度を必要とする。その結果、制御ユニット１メモリへのアクセスおよびスピン分極電子ビーム強度の変更の両方が、このような保護されたデータの極性の変更に必要である。
このスピン分極電子ビームは、縦方向のスピン分極として描かれているが、しかしながら横方向の分極も同様に使用することが可能である。横方向のスピン分極電子ビーム分極は、媒体中の磁気モーメントが電子ビームの分極に対して平行／非平行であること、記憶領域間の磁気結合がビーム／媒体の相互作用を妨害するには不十分であることが、必要である。
記載した方法および装置によって達成される効果は、すべての可動部分の除去である。しかしながら、ある特定の機構の追加によって、データ記憶層をビームに対して移動させることができる。この移動は、データ記憶層の回転、一個のデータ記憶層を別のものに交換すること、またはこの技術分野で周知のその他の実行形態をもたらす。同様に、ビーム形成装置も移動させることが可能である。
電位Ｖ₂−Ｖ₈およびＶ₁₂−Ｖ₁₉および信号Ｓ₂−Ｓ₉、Ｓ₁₀−Ｓ₁₇およびＳ₁₉は、調整可能なバイアス成分を有することが好ましい。これらのバイアス成分は、位置アライメント不良、ビーム変形、およびその他の構成要素によって引き起こされるスピン分極電子ビーム１９の修正可能な効果の補償に使用される。一構成要素のバイアス成分は、この構成要素のスピン分極電子ビーム１９に対する効果を、この構成要素の開口内の電界の強度を変えることによって、変更する。バイアス調整は、装置の操作期間中、制御ユニット１によって実施されることが好ましい。これらは、データ記憶層１７中に形成されたデータ磁界の極性を読み出しおよび書き込み機能によって決定しあるいは変更することが不可能な場合、特定の順序で発生する。各構成要素に対するバイアス補償の大きさは、既知のデータ磁界を修正しかつ読みだすことができるように、データ記憶層１７上のスピン分極電子ビーム１９の強度、波長および断面を再集束するのに必要な調整によって決定される。
図１０に、電子放射装置４０をより詳細に示す。先端２ｂは、縦方向に分極した低エネルギー電子、すなわちスピン軸が放射方向に平行である電子を放射するための、変調自己分極型の鋭利先端である。基板２ａは、先端２ｂの外部取り付けのためのものであって、その上に残りの先端構成部品を形成するための基板となる。基板２ａは、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を含み、これによって磁化層３１を、電導層３３の電気的接続部分である延長部分３３ａに近い電導層３３から、電気的に分離する。
図１０に示す絶縁層３２は磁化層３１上にあり、磁化層の延長部分３３ａに近い磁化層３１の端部を越えて延びている。絶縁層３２はＳｉＯ₂を含み、磁化層３１および電導層３３中の電流を絶縁す
る。
電導層３３は、例えばＦｅのような強磁性体の非常に薄い薄膜であり、ＭＢＥまたはその他の周知の方法によって絶縁層３２上に堆積される。電導層３３は単一の磁気ドメインであることが好ましい。磁化層延長部分３１および電導層延長部分３３は、磁化層３１および電導層３３にそれぞれ電気的に接続されている。
図１１は、電子放射装置４０の切り欠き図であり、図１０のラインＡ−Ａから見た図である。（図１０は、図１１のラインＢ−Ｂ上から見た切り欠き図である。）磁化層３１は金の様な導電性の金属材料であり、分子ビームエピタキシー法（ＭＢＥ）を用いて、リゾグラフィックマスクを介して基板２ａ上に堆積される。磁化層３１は、信号Ｓ₁₉のための２個の面外電気接点と共に一連の平面状同心リングを含んでいる。
図１２は、磁化層延長部分３１ａ、すなわち磁化層３１の面外延長部分上の、信号Ｓ₁₉に対する２個の電気接続領域を示す。電源電圧Ｖ₁に対する電気接続領域は、電導層延長部分３３ａ、すなわち電導層３３の面外延長部分上にある（図１０参照）。電気接点は、インジイウム半田または周知のその他の適当な材料によって、直接磁化層延長部分３１ａおよび電導層延長部分３３ａに半田付けされる。
先端２ｂは、電導層３３上にエピタキシャル成長する電導材料の鋭利な先端である。先端２ｂと電導層３３を一体化接続することによって、電導層３３と先端２ｂ間の電気的インターフェースが防止される。その結果、層３３および先端２ｂ間のインターフェースを横切る電子スピンの拡散が軽減され、さらに先端２ｂに流れ込むスピン分極電子流への、スピン誘因可変インピーダンスが軽減される。このようにして、より多くの電子が、それらの分極を保持したまま、このインターフェースを横切る。
先端２ｂまたはその構成部品の初期磁化は必要がない。極性を〔＋〕、〔−〕間で交互に変える信号Ｓ₁₉が、磁化層延長部分３１ａの２個の電気接続領域の基板２ａに隣接する部分に接続される。電流Ｉ₁₉が、磁化層３１の一個の電気接続領域を通り、同心リングを通り、さらに磁化層３１の第２の電気接続領域に向かって流れる。電流Ｉ₁₉は、この層の上方および下方に磁界を形成する。このようにして発生した磁界は、絶縁層３２および電導層３３を垂直に通って延びている。電導層３３は、磁化層３１中の電流Ｉ₁₉の方向の結果として第１の方向に磁化される。電導層３３は常磁性体であるので、信号電圧Ｓ₁₉が取り除かれた後も、電導層３３は磁化された状態を維持する。信号電圧Ｓ₁₉は、交互に極性を変える電圧であり、制御装置１によって、装置の進行中の動作に同期するようにされている。信号電圧Ｓ₁₉が制御装置１によって反対の極性にスイッチされると、電導層３３は反対、すなわち第２の方向に磁化される。電導層３３に供給された電源電流Ｉ₁は、電導層３３固有の磁化によって分極されるようになる。スピン分極電流は、先端２ｂの電界勾配が最大である点における抽出器４からの電界の突き抜けによって、先端２ｂの鋭利な先端から抽出される。
電流のキャリアは電子またはホールである。以下に、電子の場合について説明する。Ｆｅ原子の３ｄ副殻は一個のスピンを有する５個の電子と、反対のスピンを有する第６番目の電子を有している。電子のスピンは、固有角モーメントによって磁気モーメントを持つようになる。この固有角モーメントは、軌道角モーメントとは異なり、その大きさはほぼ軌道角モーメントの２倍である。各電子は、整列することによって原子磁気モーメントを形成するこの固有角モーメントによって、磁気モーメントを有する。Ｆｅ原子の３ｄ副殻中の最初の５個の電子は、そのスピンおよびその結果としての磁気モーメントを、磁化層３１によって展開される外部磁界の方向に整列し、その方向に平行となる（原子の電子軌道構造の束縛下で）。電流は、ランダムな方向にスピンを有する電子を含んでいる。したがって、電流が外部磁界が垂直方向に突き抜けている平坦な薄膜中を流れる場合、その電流は分極するようになる。その結果、電導層３３を流れる電子は、スピン分極するようになる。
先端の構成部品は、スピンを分極させる電導層３３の磁化軸が、放射面と縦方向に並列する限り、どのような形状であってもよい。あるいは別の方法として、先端の構成部品を好ましい実施例とは僅かに違った構成とすることによって、その製造工程で横方向に分極した電子を発生することも可能である。この異なる実施例では、電導層を通る磁化軸は、放射面と垂直方向に並列している。
一般に、スピン分極電子源は、スピン分極電子を供給する周知のどのようなものであってもよい。先端は、例えば、走査型電子顕微鏡またはその他の類似の装置の先端であってもよい。この先端は、単一の原子の直径であるような、小さな直径を有することが好ましい。
データ記憶層１７が平坦な場合について述べてきたが、その他の形状および構造が可能であることに、注目すべきである。例えば、磁気媒体は、タイル、円錐、ピラミッド、円筒、球、立方体、またはその他の不規則な形状の幾何学的構造、これらは互いに電気的に絶縁されていても絶縁されていなくてもよい、のアレイに区分化されていてもよい。この幾何学的形状は、ビーム中の電子の磁気軸が、この幾何学的構造中で照射された原子の磁気軸に平行な限りにおいて、どのような形状を取ってもよい。
図１３は本発明のその他の実施例の一部分を示す図である。シリンダー３５は、基板３４上に強磁性体を含む。シリンダー３５の磁化容易軸は長さ方向である。この磁化容易軸は、シリンダー３５の磁気軸を分極させるため、ビーム１９の長さ方向にスピン分極した電子に平行である。
さらにその他の実施例では、磁気媒体は、一表面上に規則正しいアレイとして堆積された円錐構造体である。この円錐の磁気軸は、その表面を形成する平面に対して平行であることも可能である。この場合、ビーム中で横方向に分極したスピン分極電子がこの円錐の磁気軸を分極させる必要がある。
Ｆｅ原子の磁気媒体について述べてきたが、ｆまたはｓ副殻電子の結合エネルギーが外側ｄ副殻のそれと混在した範囲の多重電子金属、および少ない原子層において例えばｂｃｔのような歪み構造を示す多重電子金属を、磁気媒体として用いることもできる。その理由は、この磁気媒体の磁気モーメントが、この媒体中の成分金属の外側ｄ副殻電子のスピンによって生成されるためである。磁気媒体の候補となる金属は、周期律表の３個の遷移元素列中から得られる。例えば、３ｄ列における候補金属は、ＣｏおよびＮｉを含む。同様に、４ｄおよび５ｄ列からの候補金属として、ＭｏおよびＩｒがそれぞれ含まれる。
これらの金属では、電子は、外側ｄ副殻が満たされる以前に、次の外側ｆ副殻またはｓ副殻を満たす。３ｄ列では、ｓ電子がその原子の化学的特性を決定し、ｄ電子が磁気特性を決定する。通常、外側ｄ副殻の電子は可能な限り電子対を構成しない。この副殻中の最初の５個の電子は、平行なスピンを有し、それぞれが原子に磁気モーメントを追加する。その後の電子は、第４番目の量子数と最低電子エネルギー状態との相互作用を分析することによって理解されるように、反平行であるべきである。これらの反平行の電子は、第１の電子と対を成し、それらの磁気モーメントをキャンセルする。
当業者にとって、本発明の精神または範囲を逸脱することなく、多くの修正および変更が可能であることは明白である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価の範囲内である限り、このような修正および変更を含む。

Claims (17)

1. 磁性材料を含む部材と、
   電子のビームを発生する手段であって、該電子ビームは第１および第２の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられる、前記手段と、
   アドレス信号に応答して、前記ビームを前記部材の該アドレス信号に相当する部分に向け、さらに電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御するための手段と、および前記アドレス信号に応答して、前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分の分極を、該部分に前記ビームを向けることによって検出するための検出手段、を含むことを特徴とする、データ記憶装置。
2. 前記部材は、基板と、および前記基板上の、磁気材料の複数の原子層であって、一定数の該原子層は、前記基板の表面に垂直な磁気異方性を有するもの、とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記層は、平均で３原子層の厚さを有し、かつ体心正方格子中に配置されたFeを含むことを特徴とする、請求項２に記載のデータ記憶装置。
4. 前記部材は、周期律表の３遷移列中の少なくとも一個の金属を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ記憶装置。
5. 前記部材は、Co，Ni，Ir、およびMoの内の少なくとも一個を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ記憶装置。
6. 前記部材はさらに、アライメント領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ記憶装置。
7. 前記アライメント領域は、前記層から電気的に絶縁された電導性材料を含むことを特徴とする、請求項６に記載のデータ記憶装置。
8. 前記部材は、平坦な表面を有していることを特徴とする、請求項１に記載のデータ記憶装置。
9. 前記部材と前記ビーム発生手段との間隙は、非電導性の環境であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. 前記検出手段は、
    前記部分の分極方向が前記ビーム中の電子の分極方向と反対である場合、前記ビーム中の電子の偏向を検出し、または
    前記部分の分極方向が前記ビーム中の電子の分極方向と同じである場合、前記部分に引きつけられデータ記録層によって吸収された電子を検出する手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 前記検出手段は、
    前記部分の分極方向が前記ビームの分極方向と反対である場合に第１の特徴を有し、前記部分の分極方向が前記ビームの分極方向と同じ場合第２の特徴を有する、２次電子を形成する部分に、前記ビームを向けるための手段と、および
    前記２次電子の前記第１または第２の特徴を検出するための手段、
    を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
12. 前記検出手段は、前記２次電子のエネルギーおよびスピンの少なくとも一方を検出するための手段を含むことを特徴とする、請求項11に記載の装置。
13. 前記検出手段は、前記電子ビームの偏向を検出するように構成された電導材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の機器。
14. 前記検出手段は、２次電子を検出するように構成された電導材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の機器。
15. 磁気材料を有する部材と、および電子ビームを発生するための手段であって、該電子ビームは第１および第２の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられるもの、とを含むシステムを操作するための方法であって、該方法は、
    アドレス信号を受信し、
    前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分に前記ビームを向け、さらに前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御する、
    各ステップを含むことを特徴とする、方法。
16. 磁気材料を有する部材と、および電子ビームを発生するための手段であって、該電子ビームは第１および第２の方向の一方に共通の磁気分極を有し、前記ビームは前記部材の複数の部分の一個に向けられるもの、とを含むシステムを操作するための方法であって、該方法は、
    アドレス信号を受信し、
    前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分に前記ビームを向け、さらに前記電子ビームの波長を前記部材の前記部分が該電子ビームの磁気分極に相当する磁気分極を担うように制御し、さらに
    その後、前記部材の前記アドレス信号に相当する一部分の磁気分極を、前記ビームを前記部分に向ける事によって検出する、
    各ステップを含むことを特徴とする、方法。
17. 磁気材料中に分極方向としてデータを記憶するための方法であって、当該方法は、
    第１および第２のデータ値の一方に相当する分極方向を持った電子磁界を有するスピン分極電子であって、前記磁気材料に磁気モーメントをもたらす不対電子に特有の波長を有する電子を供給し、さらに、
    非電導性の環境を介して、前記スピン分極電子を前記磁気材料の一部分に向けることによって、当該部分に前記電子磁界の方向を付与する、
    各ステップを含むことを特徴とする、方法。

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