JP4044030B2

JP4044030B2 - 磁気センサー装置

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Publication number: JP4044030B2
Application number: JP2003396570A
Authority: JP
Inventors: 好紀十倉; 孝尚有馬; 雅司川崎; ジョングフンジュング; 良夫金子
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005156390A

Description

本発明は、磁気センサー装置に係り、特に電気磁気効果として方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、磁気カイラル効果（Ｍａｇｎｅｔｏｃｈｉｒａｌｅｆｆｅｃｔ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を利用して光磁気ディスクやハードディスク装置（ＨＤＤ）等の固体内に埋め込まれたスピン情報を高感度、高空間分解能で読み出す（再生する）ことを可能とする磁気センサー装置に関する。

従来より、磁気光学効果（ファラデー効果ないしは磁気光学カー効果）を示す磁性体は、例えば光磁気ディスクに利用されて情報の書き込み・再生を可能としている。

図７は従来の光磁気ディスクの再生原理の説明図である。

この図において、１０１は半導体レーザー、１０２，１０４，１０５はレンズ、１０３は偏光子、１０６は検光子、１０７はフォトダイオード、１０８は入射光、１０９は反射光、１１０は垂直磁気記録膜を示している。

この図に示すように、光磁気ディスクの再生原理としては、反射光１０９の偏光面がカー効果により入射光１０８の偏光面に対して回転する。この反射光１０９の偏光面の回転角を読み取ることで記憶を再生させる。

このときの回転角は、磁化の向きと光の進行方向とが平行である場合に最も大きくなる。このことから記録膜としては媒体の面に垂直な磁化を持つ材料が望まれる。また、面に垂直な磁化を持つという条件には、垂直磁化にすると面密度が高まり、高密度記録ができるという利点がある。このことから、高密度の記録を実現するためにこの垂直磁化の方式（垂直磁気記録方式）が、今後の主流になると思われる。

また、光磁気ディスクのメモリ容量は、再生に用いる半導体レーザーのスポットサイズに依存する。通常、半導体レーザーの波長は０．７８μｍ〜０．６５μｍ程度である。したがって、読み取り精度の面から、磁化のサイズが読み取り波長程度に制限される。これはメモリ容量の制限となり、今後の解決すべき最も大きな課題となっている。

これに対して、ＭＳＲ（磁気誘起超解像）方式などの発明がなされている。これを用いれば、通常の半導体レーザーの再生波長の半分程度の磁化サイズでも読み出し可能となりつつある。下記非特許文献１によれば、赤色レーザーの波長で０．３μｍの記録マークを再生しており、３．５インチＭＯディスクで１．３ＧＢの記録容量を実現している。しかし、これも高々赤色レーザー波長の半分程度の読み出しサイズであり、０．１μｍ（１０００Å）以下の微細な磁化サイズを再生することは困難である。つまり、おのずと限界が見えており深刻な解決すべき課題であることに変わりはない。

情報の再生に磁気光学効果を利用する従来の方法では、記録が書き込まれた光磁気ディスクに直接半導体レーザー光を入射する。この入射光による温度上昇が光磁気ディスクの磁性材料のスピン整列温度（キュリー温度Ｔ_C）以上になると記録が消去されてしまう。そこで読み取り用の入射光は、記録媒体の温度がこの転移温度以上にならないように、入射強度が制限されるという問題点がある。これはひいては再生信号のＳ／Ｎ比向上に制限を与える結果となり、再生信号処理系に過大な負荷を発生させている。

以上に、光磁気ディスクでのデータ再生上の問題点を述べたが、ハードディスク装置（ＨＤＤ）の再生デバイスにおいても同様な技術的課題がある。記録用の磁性材料の微細化が進むにつれて、再生も高感度に超微細領域の磁気を読み取る必要がある。ＨＤＤのデータ再生技術の次世代技術としてＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ヘッド（下記非特許文献２参照）、次々世代技術としてＥＭＲ（ＥｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）の開発がしのぎを削っている。この次々世代技術と言われているＥＭＲでも試作段階では、読み取り素子の直径は数ｍｍ（下記非特許文献３参照）であり、０．１μｍ（１０００Å）以下の読み取りの実現はこれからで、実用化にはまだ遠い段階にある。
特開２００１−１５１５９５号公報Ｋ．Ｓｈｏｎｏ，Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．１９，Ｓｕｐｐｌｅ．Ｓ１（１９９９）１７７Ｆｕｊｉｋａｔａｅｔａｌ．，Ｔｈｅ８th ＪｏｉｎｔＭＭＭ−ＩｎｔｅｒｍａｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＡｂｓｔｒａｃｔｓ，ｐ．４９２，Ｊａｎ．２００１Ｓｏｌｉｎｅｔａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２８９，ｐｐ．１５３０−１５３２，Ｓｅｐ．２０００Ｂ．Ｂ．Ｋｒｉｃｈｅｖｔｓｏｖ，Ｖ．Ｖ．Ｐａｖｌｏｖ，Ｒ．Ｖ．Ｐｉｓａｒｅｖ，ａｎｄＶ．Ｎ．Ｇｒｉｄｎｅｖ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７６，４６２８（１９９６）．Ｊ．Ｇｏｕｌｏｎ，Ａ．Ｒｏｇａｌｅｖ，Ｆ．Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｃ．Ｇｏｕｌｏｎ−Ｇｉｎｅｔ，Ｐ．Ｃａｒｒａ，Ｄ．Ｃａｂａｒｅｔ，ａｎｄＣ．Ｂｒｏｕｄｅｒ，ｉｂｉｄ．８８，２３７４０１（２００２）．Ｔ．Ｆ．Ｖｅｒｍｅｉｃｈｉｋ，Ｂ．Ｎ．Ｇｒｅｃｈｕｓｈｎｉｋｏｖ，Ｉ．Ｎ．Ｋａｌｉｎｋｉｎａ，ａｎｄＤ．Ｔ．Ｓｖｉｒｉｄｏｖ，Ｏｐｔ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．３６，６５８（１９７４）．Ｍ．Ｖａｌｌｅｔ，Ｒ．Ｇｈｏｓｈ，Ａ．ＬｅＦｌｏｃｈ，Ｔ．Ｒｕｃｈｏｎ，Ｆ．Ｂｒｅｔｅｎａｋｅｒ，ａｎｄＪ．Ｙ．Ｔｈｅｐｏｔ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８７，１８３００３（２００１）．

情報産業の肥大化、またそれに伴う画像情報等の容量の大きいデータの記録等により、現在のメモリ容量増大の要求は留まることを知らない。そのために、磁化サイズの微小化動向にも関わらず、限りない微小化要求が発生している。２０１０年には１００Ｇｂｐｓｉのメモリ容量実現のために、求められる磁性材料サイズ（ビット長）は数１００Åと微小化しているだろう。

そこで、本発明の第１の目的は、記録された磁化のサイズが微小サイズであっても、なお磁気記録を再生可能な磁気センサー装置を提供することにある。

本発明は、磁化サイズが数１００Å格子サイズ、数１０Å格子サイズであってもなお十分な空間分解能を有した、磁気記録が再生可能な磁気センサー装置である。その結果、光磁気ディスクやＨＤＤのメモリ容量は飛躍的に増大する。この装置は従来のカー回転機構や磁気抵抗機構と原理的に異なり、磁性材料の格子構造の非対称性がもつ非線形性光学応答理論に基づいた、入射光に対する透過光の吸収係数の変化を用いた磁気センサー素子を構成要素とした磁気センサー装置である。

本発明の第２の目的は、入射光強度に制限を与えない、すなわち入射光そのものを光磁気ディスクに照射することなく、光磁気ディスクに記録された磁化を直接読み取ることができる磁気センサー装置を提供することにある。これは再生時、不必要に記録媒体の温度を高温に上昇させるリスクを回避可能にする。上記した通り記録媒体が磁化の転移温度より高い温度に熱せられると、記録が消去されてしまう。本発明では、磁気センサー素子へ半導体レーザー光を入射し、その磁気センサー素子からの出力である透過光信号を検出することによって、磁気センサー素子への光磁気ディスクからの磁界を検知するため、直接光を照射する場合の光磁気ディスクの高温化のリスクはなく、入射光強度が制限されることもない。

したがって、再生装置として従来のカー効果を利用する場合と異なり、光磁気ディスクに直接光を照射することなく、光磁気ディスク上に書き込まれた情報を再生することが可能となる。

本発明の第３の目的は、光磁気ディスクに記録された磁化を読み取る磁気センサー装置の構成を単純にし、大幅に製造コストを引き下げることである。

本発明の磁気センサー装置は、光源としての半導体レーザー、その入射光、透過光を構成する光学系、光信号検出系からなる。この装置の構成の単純さは、従来型のカー効果を利用する装置と比較すると明らかである。また、この装置は透過光の変化のみを読み取れば良いだけなので光学系は飛躍的に単純化し、装置の大幅なコストダウンを図ることができる。

因みに、従来のカー回転方法での偏光面の回転角は、ＴｂＦｅでは高々０．３°（Ｔ_C＝１３０°）、ＧｄＦｅでは０．３５°（Ｔ_C＝２２０°）である。

この微小回転を読み取るには偏光子の相対位置精度、弱い信号のＳ／Ｎ比向上など多くの課題を解決する必要がある。

本発明は、上記状況に鑑み、記録された磁化のサイズが微小サイズであってもなお磁気記録を再生可能であり、しかも簡便な構成からなる磁気センサー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、半導体レーザーからなる光源と、この光源からのレーザー光が照射される磁気センサー素子と、この磁気センサー素子からの透過光を検出する光検知器とを備え、前記磁気センサー素子として、電気磁気効果である方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、磁気カイラル効果（Ｍａｇｎｅｔｏｃｈｉｒａｌｅｆｆｅｃｔ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を示す固体材料を用い、前記磁気センサー素子にレーザー光を入射し、前記磁気センサー素子からの透過光を観察することにより、この磁気センサー素子の下部に配置される垂直磁気記録膜の磁化（スピン）の向きを検知する磁気センサー装置において、前記磁気センサー素子を構成する固体材料が容易磁化軸と電気分極軸とが平行でない斜方晶の結晶構造をもったＧａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕の磁性材料であることを特徴とする。

本発明によれば、固体内に埋め込まれたスピン情報を読み出すことを可能とする磁気センサー装置を提供することができる。これにより、光磁気ディスクやハードディスクの再生素子としてその記憶磁気領域が１０００Å以下の数１００Åの微小領域であっても再生可能な磁気センサー素子を提供できる。この素子はハードディスク装置（ＨＤＤ）の読み出し装置としても実用可能である。この再生素子を使えば、一気にメモリ容量を１０００Ｇｂｐｓｉ領域へ引き上げることを可能にする。

また、本発明によって、従来と異なる方式で数１００Å領域の微細磁区構造を検知できる磁気センサー素子を提供する。これにより、テラビット領域の巨大な磁気メモリデバイスを提供することが可能になり、情報通信や光コンピューターにふさわしい巨大メモリを提供することが可能となる。

また、この磁気センサー素子は磁気メモリの再生装置のみの実用に限らない。例えば、コイルに電流を流せば、磁界が発生する。これを使って透過光の強度を容易に制御できる。光通信ネットワークにおける光変調素子としての機能をも作ることが可能である。このように磁気メモリ用に留まらず広範な情報ネットワークの中の基本素子としての発明の応用が考えられる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明における、磁気センサー素子として電気磁気効果である方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、もしくは方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、磁気カイラル効果（Ｍａｇｎｅｔｏｃｈｉｒａｌｅｆｆｅｃｔ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を示す固体材料を用いた磁気センサー素子を使った磁気センサー装置の原理図を図１に示す。

光磁気ディスクやハードディスクに記録された磁化を読み取る本発明の磁気センサー装置は、磁気センサー素子、光源としての半導体レーザー、その入射光、透過光を構成する光学系、光信号検出系からなる。

図１において、１０は半導体レーザー、１１は振動数ωのレーザー光、１２は磁気センサー素子、１３は強磁性体、１４は検知器（ホトダイオード）、１５は垂直磁気記録膜である。

ここでは、振動数ωのレーザー光１１を磁気センサー素子１２に入射する。このとき磁気センサー素子１２を構成する材料が方向二色性をもった強磁性体（フェリ磁性体を含む）１３であるとする。この強磁性体１３は垂直磁気記録膜１５の磁化（スピン）から発生する漏れ磁界（磁束密度＝Ｂ）を感じてスピンが下向き（ｘ方向）もしくは上向きに向く。このときの、磁気センサー素子１２からの透過光を観察することにより、垂直磁気記録膜１５の磁化（スピン）の向きが検知可能となる。従って、磁気センサー装置として機能する。

この磁気センサー素子１２からの透過光が磁気センサー素子１２の磁化（スピン）の方向依存性をもつことは次の原理からなる。自発磁化Ｍ（ｃ軸に並行）をもつ強磁性体１３が自発電気分極Ｐ（ｂ軸に並行）をもつ場合（つまり、強磁性体１３が焦電性強磁性体１３Ａの場合）に、自発磁化Ｍにも自発電気分極Ｐにも垂直な方向Ｋ（ａ軸に並行）に電磁波を入射させる場合（図２参照）を用いて説明する。自発磁化Ｍと自発電気分極Ｐとは並行でなければよい。ここでは説明を簡単にするため自発磁化Ｍと自発電気分極Ｐとが垂直の場合を説明する。焦電性強磁性体１３Ａの場合、電磁波の方向が左から右に進行する場合と、右から左に進行する場合とで焦電性強磁性体１３Ａの透過率が異なる。このような現象を焦電性強磁性体１３Ａが方向二色性をもつという。

いま、下記のベクトル三重積を考える。

Ｋ・（Ｐ×Ｍ）
この三重積においては、空間反転操作、時間反転操作、電磁波の波数ベクトルＫに垂直な鏡映操作を施すと、上記３個の物理量Ｋ，Ｐ，Ｍのうち２個の符号が反転するので、上記ベクトル三重積の符号は変化しない。従って、このベクトル三重積の符号が正の場合（左から右に電磁波が進行する場合）と負の場合（右から左に電磁波が進行する場合）は区別でき、異なる光学常数をもってよいことになる。これが電気分極Ｐをもつ強磁性体（焦電性強磁性体）１３Ａで方向二色性をもつことができる理由である。この方向二色性は別の呼称で“方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）”、“磁気カイラル（ｍａｇｎｅｔｏｃｈｉｒａｌ）”、もしくは“ジャイロトロピック（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃ）”を持っているともいう。

このような方向二色性は、強磁場下での常磁性カイラル有機材料や非中心対称性をもつ反強磁性Ｃｒ₂Ｏ₃において見いだされてきた（上記非特許文献４，５参照）。本願発明者らは、本発明において、方向二色性が焦電性強磁性体１３Ａにおいても起こることを世界に初めて示した。

ここで、焦電性強磁性体１３Ａはその特性として自発電気分極Ｐ（ｂ軸）と自発磁化Ｍ（ｃ軸）をもった材料である。このような固体材料としては、斜方晶Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕がある。この材料が方向二色性を持つことを実施例１に詳細に説明する。

また、一方で、焦電性強磁性体１３Ａをもつ材料を作製することもできる。自発電極は結晶材料の空間反転対称性を破ればよい。したがって非磁性薄膜Ａ、Ｂと磁性薄膜Ｃがある場合、磁性薄膜Ｃを非磁性薄膜Ａ、Ｂで挟んだ構造にして、Ａ＋Ｃ＋Ｂと積層すると、磁性薄膜Ｃに対して空間反転対称性をもたないので、この積層された材料は自発分極Ｐを持つと同時に自発磁化Ｍ（磁性膜Ｃが担う）を持つことができる。ただし、この材料が方向二色性を持つためには自発磁化Ｍは面に垂直でない方向の磁化を持つことが必要である。このようにして作製された薄膜強磁性体材料は焦電性強磁性体１３Ａとなる。このとき、薄膜強磁性体材料はＡ＋Ｃ＋Ｂの膜をｎ回積層した〔Ａ＋Ｃ＋Ｂ〕ｎ構造であってもよい。

この原理を磁気センサーに応用したのが本発明である。これを図２を用いて説明する。図２は本発明の磁気センサー装置の磁気カイラリティー（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）説明図である。

方向二色性をもつ材料において、図２（ａ）に示した電磁波Ｋの向きが正の場合（左から右に進行する電磁波）と図２（ｂ）に示した負の場合（右から左に進行する電磁波）で透過率が異なる。方向二色性を用いる場合、光の方向を反転するのは光学配置の変更を伴い非効率なので、磁化Ｍを反転させる配置を選択する。次に、紙面に垂直な軸に１８０度回転させると、図２（ｃ）が得られる。この図２（ｃ）と図２（ａ）を比較すると、両図とも電磁波Ｋの方向は左から右に進むが、磁化Ｍの方向が上下反転している点で異なる。すなわち、方向二色性とは、電磁波が左から右に進行する場合、極性強磁性材料の磁化を外部磁場で上下反転させた場合にその透過率が異なることと等価である。換言すれば、その透過率は磁化Ｍの方向に依存して変化することを示している。

この結果、方向二色性を用いれば、外部磁場を記憶した磁気ドメインからの漏れ磁場の場合、磁気ドメインに記憶された情報を光の透過光の変化として読み取ることが可能となることを示している。このことにより、この焦電性強磁性体１３Ａを方向二色性の性質を利用することで、磁気センサー素子として用いることができることが分かる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄材料でｘ＝１の場合のＧａＦｅＯ₃斜方晶結晶を磁気センサー素子として適用した具体例を示す。図３はこの結晶の結晶構造を示す図であり、この結晶が斜方晶構造をもち空間群の分類表示ではＰｃ２_1nである。この結晶は容易磁化軸はｃ軸、電気分極軸はｂ軸構造をもつ結晶であることが分かる。ユニットセルにＧａ原子２個、Ｆｅ原子２個を含む。Ｇａ原子の１個以外は、酸素６個の６配位構造をもち、残りのＧａ原子１個は４配位構造をもつ（Ｇａ１と図示した）。この４配位構造をもつＧａ１原子はｂ軸方向に四面体構造の中心からずれた位置に存在し、これがｂ軸方向に電気分極Ｐを発生させる。これは言い換えれば、この結晶が空間反転対称性をもたない構造であることを示す。ＧａＦｅＯ₃結晶（ｘ＝１）の磁気的性質はフェリ磁性を示す。このときの転移温度Ｔｃは２０５Ｋであり、磁気的異方性を示し、容易磁化軸はｃ軸である。Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄材料の強磁性転移温度Ｔｃは、Ｆｅの濃度が高いほど、転移温度は高くなる。ｘ＝１．４の場合、強磁性転移温度Ｔｃは３７０Ｋであるので、室温では十分に強磁性体となる。この結晶は浮遊溶融帯法で作製できる（上記特許文献１参照）。

図４はＧａＦｅＯ₃結晶を磁気センサー素子として用いた実験の構成図である。この図４において、２１は入射光、２２は磁気センサー素子、２３は検出器を示し、磁石２４，２５を磁気センサー素子２２の上下に配置する。このとき、Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄材料２２の容易磁化軸であるｃ軸が、磁場Ｈに平行になり、入射光２１の進行方向がａ軸になるような配置とする。磁気センサー素子（Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄材料）２２を透過してきた信号は検知器２３で検知する。

磁気センサー素子（Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄材料）の方向二色性を１．０〜２．５ｅＶのエネルギー領域の透過光において観察した。その結果を図５に示す。

磁場Ｈが１０ｋＨｚ、５００Ｏｅの振動磁場において振動数ｆ，２ｆの信号として観察した。吸収スペクトルα（ω）ｔ（ｔ：試料の厚さ）と方向二色性Δα（ω）〔＝｛α（ω，Ｈ）−α（ω，−Ｈ）ｔ｝〕が得られた。方向二色性は吸収スペクトルα（ω）との比としてΔＴ（ω，ｆ）／Ｔ（ω，０）として得られた。

図５（ａ）はＧａＦｅＯ₃のＥ／／ｂ（実線）、Ｅ／／ｃ（破線）で吸収スペクトルα（ω）ｔを示す。２．５ｅＶ以下に見られる、１．６ｅＶと２．０ｅＶの二つのピークは、Ｆｅ電子の酸素八面体構造による結晶場***によるもので、Ｆｅ³⁺（３ｄ⁵）の基底状態⁶Ａ_1g（６Ｓ）から⁴Ｔ_1g（４Ｇ）と⁴Ｔ_2g（４Ｇ）への遷移に相当する。これらは双極子禁制またはスピン禁制遷移であるが、格子歪やスピン軌道相互作用で許容化されている。

図５（ｂ）は磁気カイラリティー（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）スペクトルΔα（ω）ｔをＥ／／ｂ（実線）、Ｅ／／ｃ（破線）で示した。通常の磁気光学効果と区別するために、２ｆ信号（■で示した）も示したが、測定エネルギー範囲（１．０〜２．５ｅＶ）でゼロ近傍の信号強度を示している。これは、通常の磁気光学効果であるコットン−ムートン効果が磁化の自乗に比例するのに対し、この効果が観察されていないことを示している。

また、方向二色性であることを確認するために、電磁波の方向を変えるかわりに試料を回転させた場合に、Ｅ／／ｂに関して符号が反転することも観察した。図５（ｂ）の挿入図にその結果を示す。外積Ｐ×Ｍに対して平行（●）、反平行（○）で示した。この結果から、観察した信号が確かに方向二色性を示していることがわかる。Δα（ω）ｔのスペクトルは⁶Ａ_1g（６Ｓ）→⁴Ｔ_1g（４Ｇ）遷移（正）と⁶Ａ_1g（６Ｓ）→⁴Ｔ_2g（４Ｇ）遷移（負）は二つの信号にそれぞれ***している。これは、Ｆｅ３₊の酸素八面体から三方晶場により、⁴Ａ₂と⁴Ｅ、それと⁴Ｅと⁴Ａ₁に***していることに起因している（非特許文献６参照）。

図６（ａ）は、ＧａＦｅＯ₃結晶のＥ／／ｂの場合のΔα（ω）ｔの温度依存性を示す（ここでは図示しないがＥ／／ｃも同様の温度依存性を示す）。

図６（ａ）に示すように、ＧａＦｅＯ₃結晶の温度の上昇とともにこれらの信号は小さくなり、ＧａＦｅＯ₃結晶の強磁性転移温度Ｔｃ＝２０５Ｋ付近で消失する。図６（ｂ）に、エネルギー領域１．０〜１．７ｅＶにおけるΔα（ω）ｔの積分強度を１０ＫのΔα（ω）ｔで規格化した値を●で示す。また、１．２８ｅＶの信号強度を○で同様に示しているが、ほとんど同じ温度依存性を示している。これらの温度依存性は振動磁場５００Ｏｅ下での磁化の温度依存性と良く一致する。この結果は方向二色性の信号強度が磁気モーメントと比例していることを示す。方向二色性の信号強度は３×１０^-3の強度である（５０μｍ、５００Ｏｅ）。例えば、常磁性材料である有機材料において１．３ＫＯｅの強磁場下での方向二色性の信号強度が１０^-10であることと比較すると、この方向二色性の信号がいかに巨大であるかが分かる（非特許文献７参照）。

なお、磁気センサー素子としてＧａＦｅＯ₃材料を使う場合、次の注意が必要である。上記実施例では、実験の都合上、Ｇａ_2-xＦｅ_xＯ₄〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘ＝１〕の場合を示したが、この結晶の強磁性転移温度はＴｃ＝２０５Ｋで室温より低い。室温より高い強磁性転移温度が望ましい場合には、ｘ＝１．４のＦｅ濃度の結晶を使えば、強磁性転移温度Ｔｃ＝３７０Ｋであるので、これを用いればよい。

また、この実施例では、単結晶薄片である。現在、単結晶薄片をとりだすことはＦｉｅｌｄＩｏｎＢｅａｍ（ＦＩＢ）装置を用いれば、数１００Å程度の膜厚で１００μｍ□の結晶片を取り出し、方位をだしたままセットすることが可能である。すなわち、数１００Å程度の微小磁化サイズの検出が可能である。

また、本発明によれば、磁気センサー素子として用いる容易磁化軸と電気分極軸とが平行でない固体材料としてＧａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕で斜方晶の結晶構造をもった磁性材料を用いた。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明にかかる磁気センサー装置の原理図である。本発明の磁気センサー装置の磁気カイラリティー説明図である。本発明の実施例におけるＧａＦｅＯ₃斜方結晶の結晶構造を示す図である。ＧａＦｅＯ₃結晶を磁気センサー素子として用いた実験の構成図である。ＧａＦｅＯ₃結晶における可視光エネルギー領域の吸収スペクトルと変調信号を示す図である。ＧａＦｅＯ₃結晶における可視光エネルギー領域の変調信号と温度変化ならびに磁化曲線を示す図である。従来の光磁気ディスクの再生原理の説明図である。

符号の説明

１０半導体レーザー
１１振動数ωのレーザー光
１２磁気センサー素子
１３強磁性体
１３Ａ焦電性強磁性体
１４検知器（ホトダイオード）
１５垂直磁気記録膜
２１入射光
２２磁気センサー素子
２３検出器
２４，２５磁石

Claims

半導体レーザーからなる光源と、該光源からのレーザー光が照射される磁気センサー素子と、該磁気センサー素子からの透過光を検出する光検知器とを備え、前記磁気センサー素子として、電気磁気効果である方向二色性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）、方向による複屈折（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）、磁気カイラル効果（Ｍａｇｎｅｔｏｃｈｉｒａｌｅｆｆｅｃｔ）、もしくはジャイロトロピック効果（ｇｙｒｏｔｒｏｐｉｃｅｆｆｅｃｔ）を示す固体材料を用い、前記磁気センサー素子にレーザー光を入射し、前記磁気センサー素子からの透過光を観察することにより、該磁気センサー素子の下部に配置される垂直磁気記録膜の磁化（スピン）の向きを検知する磁気センサー装置において、前記磁気センサー素子を構成する固体材料が容易磁化軸と電気分極軸とが平行でない斜方晶の結晶構造をもったＧａ_2-xＦｅ_xＯ₃〔Ｆｅ（鉄）の組成；ｘの範囲が０．７≦ｘ≦１．５〕の磁性材料であることを特徴とする磁気センサー装置。