KR20170041774A - 자기 저장 매체 및 데이터 기록 장치 - Google Patents

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Abstract

데이터의 쓰기 횟수가 무한대에 가까운 인듀어런스(내구성), 영구에 가까운 데이터 리텐션(유지) 특성을 가지며, 초고속으로 쓰고 삭제할 수 있는 자기 저장 매체 및 상기 자기 저장 매체를 응용한 데이터 기록 매체 이미지 기록 장치를 제공한다. 얇은 층상의 자성체와 자성체의 일면에 대향하여 마련된 자기장 발생부를 구비하고, 자성체의 일면과 반대 측에 위치하는 자성체의 다른 일면에 열 에너지를 인가함으로써, 스커미온을 생성 또는 삭제할 수 있는 자기 저장 매체 및 자기 저장 매체로 구성된 스커미온 메모리.

Description

자기 저장 매체 및 데이터 기록 장치{MAGNETIC STORAGE MEDIUM AND DATA RECORDING DEVICE}
본 발명은 얇은 층상의 자성체에 열 에너지를 인가함으로써 스커미온을 생성 및 삭제하는 것이 가능하다. 자기 저장 매체 및 상기 자기 저장 매체를 구비하는 데이터 기록 장치, 스커미온 메모리, 스커미온 장치, 스커미온 장치를 구비하는 데이터 기록 장치, 스커미온 장치를 구비하는 데이터 처리 장치, 스커미온 장치를 구비하는 데이터 통신 장치에 관한 것이다.
열 에너지를 인가함으로써 데이터를 기록하는 장치의 예로는 DVD + RW가 있다. 이미지 기록 장치에 사용되는 DVD + RW는 블루 레이저의 등장으로 그 저장 용량은 수십 GB 용량까지 비약적으로 증가했다. 이 DVD + RW는 재기록이 가능하며 고속 기록에 대응 가능한 상 변화형 기록 매체를 이용한다(특허 문헌 1).
상 변화형 메모리의 경우 정보를 기입할 때는 국소 열에 의해 GeTe 등의 재료를 결정상에서 비정질 상태로 상 변화시켜 급랭한다. 따라서 재료의 일부를 비정질 상으로 한다. 결정상의 고 저항 상태와 비정질 상태의 저 저항 상태의 저항 변화를 비트 정보로 이용한다. 결정상에서 비정질 상태로의 전이 시간은 수십 나노초(ns) 정도이다. 더 이상 속도를 높일 수 없다. 또한 정보를 삭제하는 경우에는 비정질 부분을 단시간에 제거하기 위해, 기록 층의 결정화 속도를 높일 필요가 있다. 결정화 속도를 올리기 위해 비정질 부분을 종래보다 더 가늘게 해야 하는 등의 기술 개발 과제가 있다(특허 문헌 1).
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
[특허 문헌 1] 특개 2006-221712 호 공보
[비 특허 문헌]
[비 특허 문헌 1] Lukas Novotony and Niek van Hulst "Antennas for light"Nature Photonics 5, 83-90(2011).
[비 특허 문헌 2] M. Lutwyche, et al, "5 × 5 2D AFM cantilever Arrays a first step toward a Terabit storage device"Sensors and Actuators Vol. 73 p89-94(1999).
[비 특허 문헌 3] 永長 나오토, 十倉 好紀 "Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions", Nature Nanotechnology, 영국, Nature Publishing Group, 2013 년 12 월 4 일, Vol. 8, p899-911.
정보 기록의 고속화를 실현하려면 정보의 생성 또는 삭제에 걸리는 시간을 단축할 필요가 있다. 또한 정보 기록 밀도 향상을 위해 정보를 담당하는 기억 비트 크기를 수 nm에서 수십 m까지로 아주 작게 할 필요가 있다.
본 발명의 제 1 태양에서는 얇은 층상의 자성체와 자성체의 일면에 대향하여 마련된 자기장 발생부를 구비하고, 자성체의 일면과 반대 측에 위치하는 자성체의 다른 일면에서, 열 에너지를 인가함으로써, 스커미온을 생성 또는 삭제할 수 있는 자기 저장 매체를 제공한다.
본 발명의 제 2 태양에서는 얇은 층상의 자성체와 자성체의 일면에 대향하여 마련한 자기장 발생부를 구비하고, 자성체의 다른 일면의 상부에 인접해 마련된 절연체 및 상기 절연체의 상부에 인접해 마련된 자성 금속으로 이루어진 제 1 전극과 자성체의 일면과 반대 측에 위치하는 자성체의 다른 일면에 있어서, 상기 일면 하단에 접해 마련된 금속으로 이루어진 제 2 전극으로 이루어지고 양 전극 사이에 전류 펄스를 인가하고, 절연체 발생한 줄열에 의한 열 에너지를 인가함으로써 스커미온을 생성 또는 삭제할 수 있는 스커미온 메모리를 제공한다.
또한, 상기의 발명의 개요는 본 발명의 필요한 특징의 모두를 열거한 것은 아니다. 또한 이러한 특징 군의 서브 콤비네이션 또한 발명이 될 수 있다.
[도 1] 자성체(10) 중의 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온(40)의 일례를 나타내는 모식도이다.
[도 2] 헬리시티(helicity) γ가 다른 스커미온(40)을 나타내는 도면이다.
[도 3] 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(100)를 나타내는 모식도이다.
[도 4] 광 안테나(50)를 이용한 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(200)를 나타내는 모식도이다.
[도 5] 가열침(55)을 이용한 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(300)를 나타내는 모식도이다.
[도 6] 전극 구성에 의한 가열 장치(80)를 이용한 스커미온(40)을 생성 또는 삭제하는 스커미온 메모리(410)를 나타내는 모식도이다.
[도 7] 시뮬레이션에 이용한 자성체(10)의 자기 위상 다이어그램을 나타낸다.
[도 8] 실시예 1에서, 스커미온(40)의 생성을 나타내는 시뮬레이션 실험 결과를 나타낸 도면이다.
[도 9]는 실시예 2에서, 스커미온(40)의 삭제를 나타내는 시뮬레이션 실험 결과를 나타낸 도면이다.
[도 10] 실시예 3에서, 스커미온(40)의 생성 또는 삭제의 국소 열 에너지(세로축)와 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다.
[도 11] 실시예 4에서, 생성할 수 있는 스커미온 종류의, 국소 열 에너지(세로축)와 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다.
[도 12] (A)와 (B)는, 11의 영역 IV의 자기 구조이며, 단일 스커미온(40)과는 다른 자기 구조를 나타내는 도면이다. (C)는 도 11의 영역 IV의 자기 구조이며, 두 개의 스커미온(40)을 나타내는 도면이다.
[도 13] 실시예 5에서, 스커미온(40)의 생성 또는 삭제의 국소 열 에너지(세로축)과 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다.
[도 14] 실시예 6에서 스커미온(40)의 생성에 있어서, 국소 열 에너지(세로축)과 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다.
[도 15] x-y 평면에서 보는 경우에, 제 1 전극(82)의 형상 예를 나타내는 도면이다.
[도 16] x-y 평면에서 보는 경우에, 제 1 전극(82)의 형상 예를 나타내는 도면이다.
[도 17] 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다.
[도 18] 스커미온 메모리(410)와 CMOS-FET(130)를 구비한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다.
[도 19] 스커미온 메모리 유닛 층(110)을 n층 적층한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다.
[도 20] 복수의 자기장 발생부(20)를 갖는 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다.
[도 21] 스커미온 메모리(410)를 CMOS-FET(130)의 상부에 구비한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다.
[도 22] 스커미온 메모리 장치(500)의 기록 회로 및 삭제 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 23] 스커미온 메모리 장치(500)의 검출 회로(138)의 일례를 나타내는 도면이다.
[도 24] 스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치(600)의 구성 예를 나타내는 도면이다.
[도 25] 데이터 기록 장치(700)의 구성 예를 나타내는 도면이다.
[도 26] 데이터 처리 장치(800)의 구성 예를 나타낸다.
[도 27] 데이터 통신 장치(900)의 구성 예를 나타낸다.
이하, 발명의 실시예를 통해 본 발명을 설명하지만, 이하의 실시예는 청구 범위에 관한 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 실시예에서 설명하고 있는 특징의 조합 모두가 발명의 해결 수단에 필수적이라고는 할 수 없다.
스커미온을 형성할 수 있는 자성체의 일례로 카이럴 자성체가 있다. 카이럴 자성체는 외부 자기장의 인가가 없는 경우의 자기 모멘트 배치가, 자기 모멘트의 진행방향에 대해서 나선형으로 회전하는 자기질서상(나선형 자성상)이 되는 자성체이다. 외부 자기장을 인가함으로써, 나선형 자성상은 최밀 결정 격자로 늘어선 스커미온이 안정화되는 스커미온 결정상을 거쳐 강자성 상이 된다.
도 1은 자성체(10) 중의 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온(40)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 1에서 자성체(10) 중의 각 화살표는 스커미온(40)의 자기 모멘트의 방향을 나타낸다. x 축과 y 축은 서로 직교하는 축이며, z 축은 xy 평면에 직교하는 축이다.
자성체(10)는 xy 평면에 평행한 평면을 갖는다. 자성체(10) 중에 배치된 모든 방향을 향하는 자기 모멘트가 스커미온(40)을 구성한다. 스커미온(40)의 최 외주의 자기 모멘트는 인가되는 외부 자기장과 같은 방향을 향한다. 본 예에서는 자성체(10)에 인가하는 자기장의 방향은 양의 z 방향이다. 따라서 본 예의 스커미온(40)의 최 외주의 자기 모멘트는 양의 z 방향으로 향한다.
스커미온(40)에서 자기 모멘트는 최 외주 쪽에서 내부로 향하면서 나선형으로 회전한다. 또한 자기 모멘트의 방향은 상기 나선형의 회전에 따라 서서히 양의 z 방향에서 음의 z 방향으로 방향을 바꾼다.
스커미온(40)은 중심으로부터 최 외주까지의 사이에서 자기 모멘트의 방향이 연속적으로 뒤틀린, 즉, 스커미온(40)은 자기 모멘트의 소용돌이 구조를 갖는 나노 스케일 자기 구조이다. 스커미온(40)이 존재하는 자성체(10)가 얇은 판형 고체 물질의 경우 스커미온(40)을 구성하는 자기 모멘트는 그 두께 방향으로는 같은 방향의 자기 모멘트이다. 즉 판의 깊이 방향(z 방향)에는 표면에서 뒷면까지 같은 방향의 자기 모멘트로 구성된다. 스커미온(40)의 직경(λ)은 스커미온(40)의 최 외주의 직경을 말한다. 본 예에서 최 외주는 도 1에서 도시하는 바와 같이 외부 자기장과 같은 방향을 향하는 자기 모멘트의 원주를 가리킨다.
소용돌이 구조를 갖는 나노 스케일 자기 구조체인 스커미온(40)은 스커미온 수(Nsk)로 특징지어 진다. 스커미온 수(Nsk) 다음 [수식 1] 및 [수식 2]로 표현될 수 있다. [수식 2]에서 자기 모멘트와 z 축 사이의 극 각도 Θ(r)은 스커미온(40)의 중심으로부터의 거리 r에 대한 연속 함수이다. 극 각도 Θ(r)는 r을 0에서 ∞까지 변화 시켰을 때, π에서 0까지 또는 0부터 π까지 변화한다.
[수식1]
　
Figure pct00001
[수식2]
　
Figure pct00002
[수식1]에서, 위치 r에서 스커미온(40)의 자기 모멘트는 벡터량인 아래의 [수식 3]으로 나타낼 수 있다.
[수식3]
　
Figure pct00003
[수식2]에서 m은 볼티시티(vorticity), γ는 헬리시티(helicity)다. [수식 1] 및 [수식2]에서, r을 에서 ∞까지 변화시켜 Θ(r)이 π에서 0까지 변화할 때 Nsk = -m이 된다.
도 2는 헬리시티(γ)가 다른 스커미온(40)들을 나타내는 도면이다. 특히 스커미온 수 Nsk = -1의 경우의 예를 도 2에 도시한다.
도 2(E)는 자기 모멘트 n의 방향을 취하는 방법(오른손 계)를 도시한다. 또한 오른손 계이기 때문에, nx 축 및 ny 축에 대해서 nz 축은 지면 뒤에서 앞쪽 방향으로 향한다. 또한 색조와 자기 모멘트의 방향과의 관계를 도 2(E)에 나타낸다.
도 2(A) 내지 도 2(D)에서 색조는 자기 모멘트의 방향을 나타낸다. 도 2(A) 내지 도 2(D)의 각 화살표는 스커미온(40)의 중심으로부터 소정의 거리만큼 떨어진 자기 모멘트를 나타낸다. 도 2(A) 내지 도 2(D)에 나타내는 자기 구조는 스커미온(40)로 정의될 수 있는 상태에 있다. 도 2(A) 내지 도 2(D)의 최 외주처럼 색조가 가장 밝은 영역은 지면 뒤에서 앞쪽 방향을 향하는 자기 모멘트를 나타낸다. 또한 상기 자기 모멘트는 도면에서 흰색으로 나타낸다. 도 2(A) 내지 도 2(D)의 중심처럼 색조가 가장 어두운 영역은 지면 앞쪽에서 뒷면 방향을 향하는 자기 모멘트를 나타낸다. 또한 상기 자기 모멘트는 도면에서 검은 색으로 나타낸다.
도 2(A)(γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대하여 도 2(B)(γ = π)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2(A)의 각 자기 모멘트를 180 ° 회전한 방향이다. 도 2(A)(γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대해 도 2(C)(γ = -π / 2)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2(A)의 각 자기 모멘트를 - 90도(시계 방향으로 90도) 회전한 방향이다.
도 2(A)(γ = 0)의 각 자기 모멘트에 대해 도 2(D)(γ = π / 2)의 각 자기 모멘트의 방향은 도 2(A)의 각 자기 모멘트를 90도(시계 반대 방향으로 90도) 회전한 방향이다. 또한, 도 2(D)에 나타내는 헬리시티 γ = π / 2의 스커미온(40)은 도 1의 스커미온(40)에 상당한다.
도 2(A) ~(D)에 도시한 4개의 예에서, 자기 구조는 다른 것처럼 보이지만 토폴로지 측면에서 동일한 자기 구조이다. 도 2(A) ~(D)의 구조를 갖는 스커미온(40)은 한 번 생성되면 안정되어 있으며, 외부 자기장을 인가한 자성체(10) 중에서 정보 전달을 담당하는 역할을 한다.
도 3은 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(100)를 나타내는 모식도이다. 데이터 기록 장치(100)는 자기 저장 매체(30)와 레이저 광원(70)을 가진다.
자기 저장 매체(30)는 자성체(10)와 자기장 발생부(20)를 갖는다. 자성체(10)는 얇은 층상의 형상을 갖는다. 자성체(10)는 박막 형상이다. 도 3에서는 박막 형상인 자성체(10)의 일부분을 나타낸다. 자성체(10)는 x-y면과 평행인 평면을 두 개 가진다. 그 두 평면은 박막 형상인 자성체(10)의 일면(12)과 그 일면(12)과는 반대 측에 있는 다른 일면(14)를 가리킨다.
본 예의 자성체(10)는 두께가 500nm 이하의 얇은 층상에 형성된 자성체이다. 자성체(10)는 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 스퍼터링 등의 기술을 이용하여 형성된다.
각 실시예에서, 자성체(10)은 카이럴 자성체이다. 카이럴 자성체는 FeGe 또는 MnSi 등으로 이루어진다. 또한, 자성체(10)는 나선 자성을 나타내는 카이럴 자성체에 한정되지 않고 다이폴 자성체, 불규칙한 자성체(frustrated magnet) 또는 자성 재료와 비자성 재료의 적층 구조로 이루어진 것이어도 좋다.
다이폴 자성체는 자성체의 자성을 설명하는데 있어서 자기 쌍극자 상호 작용이 중요한 자성체이다. 불규칙한 자성체는 자기 불일치 상태를 선호하는 자기적 상호 작용의 공간 구조를 포함하는 자성체이다. 자성 재료와 비자성 재료의 적층 구조를 갖는 자성체는, 자성체의 비자성 재료에 접하는 자기 모멘트가 비자성 재료의 스핀 궤도 상호 작용에 의해 변조된 자성체이다.
자기장 발생부(20)는 박막 형상이다. 도 3에서는 박막 형상인 자기장 발생부(20)의 일부분을 나타낸다. 자기 저장 매체(30)은 각각 박막 형태인 자성체(10) 및 자기장 발생부(20)를 가진다. 따라서 자기 저장 매체(30)도 박막 형상이다.
자기장 발생부(20)를 자성체(10)의 일면(12)에 대향하여 마련한다. 자기장 발생부(20)는 자성체(10)보다 음의 z 방향에 배치된다. 본 예에서는 자기장 발생부(20)는 자성체(10)의 일면(12)에서 음의 z 방향으로 이격되어 그 일면(12)에 평행하게 배치된다. 또한, 자기장 발생부(20)는, 예를 들면 강자성체이다. 본 예에서는, 열 확산을 고려하여 자기장 발생부(20)가 강자성체의 금속인 경우, 자성체(10)와 자기장 발생부(20)를 이간한다. 또한, 이에 대해 자기장 발생부(20)가 강자성체의 절연체인 경우, 자성체(10)와 자기장 발생부(20)를 접촉시켜도 좋다.
자기장 발생부(20) 상의 화살표는 자기장 발생부(20)가 발생하는 자기장을 모식적으로 나타낸 것이다. 외부 자기장으로서 상기 자기장을 자성체(10)에 인가한다.
자성체(10)의 다른 일면(14)의 일부는 레이저 광원(70)으로부터 레이저 광(60)을 조사한다. 상기 레이저 광(60)의 조사에 의해 자성체(10)의 다른 일면(14)의 일부를 가열한다. 레이저 광(60)으로 블루 레이저를 이용하는 경우 회절 한계에서, 몇 100nm 정도의 조사 지름이 한계이다. 또한, 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가되는 레이저 광의 조사 직경은 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경에 해당된다. 이 경우 스커미온 직경이 1 마이크로 미터 정도 되는 자성체를 사용하면 된다. 또한 단파장 레이저를 이용하면 스커미온 직경의 자성체를 이용하는 것이 가능해진다. 또한, 국소적인 열 에너지를 생성하기 위한 열 에너지를 출력하는 장치로서, 집속 코일에서 집속된 전자선을 출력하는 집속 전자빔 발생 장치를 이용하여도 좋다.
레이저 광(60)을 자성체(10)의 다른 일면(14)의 일부에 소정의 시간 동안 인가하면, 자성체(10)의 다른 일면(14)에서 일면(12)까지 자기 모멘트의 소용돌이 구조인 스커미온(40)을 생성할 수 있다. 데이터 기록 장치(100)는 비트 정보를 동기화시켜 스커미온(40)을 생성한다. 데이터 기록 장치(100)는 비트 정보 "1"의 경우 스커미온(40)의 "생성", 비트 정보 "0"의 경우 스커미온(40)의 "생성 없음"으로 한다. 상기 정보에 따라 데이터 기록 장치(100)는 이미지를 기록한다. 또한, 본 명세서에서 열 에너지는 레이저 광(60), 광 안테나(50)가 출력하는 전자파, 가열침(55) 또는 집속 전자선에 의해 발생되는 자성체의 다른 일면(14) 상의 열 에너지를 가리킨다.
데이터 기록 장치(100) 비트 정보를 자성체(10)에서 동일한 간격의 스커미온(40)의 유무로 변환할 수 있다. 예를 들면, 원판 형상의 자기 저장 매체(30)를 일정한 속도로 회전시켜 국소 열 에너지의 온 오프를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가한다. 이에 따라 스커미온(40)의 유무를 고속으로 회전하는 자성체(10)에 유지한다. 자성체(10)의 표면(다른 일면(14))뿐만 아니라 뒷면(일면(12))까지 같은 소용돌이 구조를 갖는 자기 모멘트로서 스커미온(40)을 생성할 수 있다. 따라서 스커미온(40)은 쉽게 깨지지 않는(소실되지 않는) 구조로 안정적이고, 또한 위치를 이동하지 않고 정지해 있을 수 있다. 인간 생활에서의 약한 자기장 환경에서는 스커미온(40)은 쉽게 이동 또는 소실되지 않는다.
스커미온(40)의 유무를 읽을 때에는, 디스크 상단에 TMR 소자 등의 센서를 제공하고, 스커미온(40)의 유무를 비트 정보로서 전기 신호로 변환하면 된다. 스커미온(40)의 삭제는, 일례로, 스커미온(40)의 생성 시에 자성체(10)의 다른 일면(14)에 국소적으로 인가하는 열 에너지의 에너지보다 큰 에너지를 상기 다른 일면(14)에 인가한다. 이로써 자기 저장 매체(30)에서 스커미온(40)의 생성 및 삭제가 가능하다.
도 4는 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(200)를 나타내는 모식도이다. 데이터 기록 장치(200)는 광 안테나(50)을 더 가지며 상기 광 안테나(50)에 레이저 광원(70)으로부터 레이저 광(60)을 조사함으로써 열에너지를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가한다. 이러한 점에 있어서, 도 4는 도 3의 예와 다르다. 다른 구성은 도 3의 예와 동일하다.
금속으로 이루어진 광 안테나(50)에 레이저 광(60)을 조사함으로써, 상기 광 안테나(50)의 수 나노 크기의 첨단에서, 몇 수십 나노 미터(nm) 크기의 미세한 직경을 갖는 전자기파(빛)를 생성할 수 있다(비 특허 문헌 1). 또한, 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가된 전자파의 미세 소경이 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경에 해당한다. 이 국소적인 전자파를 조사하여 국소적인 열 에너지를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 가하면, 스커미온(40)을 전자파의 조사 부분에 생성할 수 있다.
도 5는 스커미온(40)을 생성하거나 삭제하는 데이터 기록 장치(300)를 나타내는 모식도이다. 데이터 기록 장치(300)는 데이터 기록 장치(100)의 레이저 광원(70) 대신에, 가열침(55)을 가지고 상기 가열침(55)의 첨단(57)에서 열에너지를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가한다. 이러한 점에서도 5는 도 3의 예와 다르다. 다른 구성은 도 3의 예와 동일하다.
가열침을 이용한 가열 방법은 알려진 기술이다(비 특허 문헌 2). 히터를 갖는 가열침은 미세 가공에 의해 형성될 수 있다. 히터를 갖는 가열침(55)을 자성체(10)의 다른 일면(14)의 일부분에 접촉함으로써 자성체(10)를 국소적으로 가열할 수 있다. 또한 가열침(55)의 첨단(57)에서 자성체(10)의 다른 일면(14)과 접촉하는 부분의 x-y면의 반경이 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경에 해당한다.
복수의 가열침(55)은 이차원 평면 상에 매트릭스 배열 형상으로 배치된다. 이것은 1개의 가열침(55)의 가동 범위가 제한적이기 때문이다. 도 5에서는 매트릭스 어레이 형상으로 배치한 가열침(55) 하나만을 도시한다. 가열침(55)에는 가열침(55)을 x 및 y 방향으로 이동시키는 액츄에이터를 연결한다. 가열침(55)을 z 방향으로 이동시키는 액츄에이터도 가열침(55)에 연결한다. 가열침(55)을 z 방향으로 이동시키는 액츄에이터에 의해 가열침(55)의 첨단(57)의 침압을 조정할 수 있다. 가열침(55)을 사용하는 경우, 액츄에이터에 의해 x 및 y 방향으로 소인(掃引)하면서 자성체(10)를 국소적으로 가열함으로써 자성체(10)에 스커미온(40)을 형성한다. 그러므로 가열침(55)을 사용하는 경우에는 자성체(10)를 회전할 필요는 없다.
도 6은 전극을 이용한 가열 장치(80)를 이용한 스커미온(40)을 생성 또는 삭제하는 스커미온 메모리(410)를 나타내는 모식도이다. 상술해 온 자성체(10) 외부로부터의 레이저 광 등의 가열기구와 달리 자성체(10) 상에서 전극을 사용하여 가열함으로써 스커미온을 생성, 삭제하는 스커미온 메모리이다. 미세 가공 기술에 의해 가열 장치(80)를 제작한다. 이 경우 외부의 가열 장치는 필요하지 않다. 스커미온 메모리(410)는 메모리 장치로 사용할 수 있다. 전극에 의한 가열의 경우, 가열 에너지에 의한 스커미온의 생성, 삭제가 가능하기 때문에 외부로부터의 가열의 예와 같이 다룰 수 있다. 스커미온 메모리(410)는 자성체(10), 자기장 발생부(20), 제 1 전극(82) 제 2 전극(84) 및 전류계(91)를 가진다. 가열 장치(80)는 제 1 전극(82)과 제 2 전극(84)를 갖는다. 제 1 전극(82)은 자성체(10)의 다른 일면(14)의 상단에 접하여 형성된 절연체(92)와 절연체(92)의 상단에 접하여 제공되는 자성 금속(83)를 갖는다. 제 2 전극(84)은 자성체(10)의 일면(12)의 하부에 접하여 제공되는 금속이다. 또한, 전원(81)은 스커미온 메모리(410)의 구성 요소는 아니다. 본 명세서에서, 위 쪽 및 상향이란 자성체(10)의 일면(12)에서 다른 일면(14)로 향하는 + z 방향을 가리킨다. 또한 아래 쪽 및 하향은 자성체(10)의 다른 일면(14)에서 일면(12)로 향하는 -z 방향을 가리킨다.
본 예에서 제 1 전극(82)의 자성 금속(83)은 원주의 자성 금속이다. 자성 금속(83)는 가열침(55)과 동일한 정도의 미세한 형상일 수 있다. 자성 금속(83)의 원형의 단면적은 자성체(10)의 다른 일면(14)에 접촉하는 면적이며, 자성 금속(83)의 원형 단면의 반경은 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경에 해당된다. 자성 금속(83)과 자성체(10) 사이에는 절연체(92)를 형성한다. 자성체(10) 및 제 2 전극(84)은 x-y면과 평행한 평면이다. 자성체(10) 크기의 폭을 Wm 라고 하고, 높이를 hm이라고 한다. 본 예에서는 생성되는 스커미온(40)의 직경(λ)에 대해 Wm > λ/2이고, hm > λ/2 가 되는 크기를 가진다. 상기의 폭 및 높이의 하한 값의 범위는 단일 스커미온(40)이 자성체(10)에 안정적으로 존재하기 위한 하한 값이다. 제 2 전극(84)의 크기는 제 1 전극(82)과 같은 크기일 수 있다. 또한 제 2 전극(84)의 크기는 자성 금속(83)보다 큰 사이즈일 수도 있다.
본 예의 제 1 전극(82)은 전류를 인가할 수 있는 자성 금속(83)을 가진다. 자성 금속(83)은 강자성체 금속인 Co, Ni, Fe, 또는 이러한 강자성체 금속으로 이루어진 적층 강자성체 금속 박막이다. 본 예의 제 2 전극(84)은 강자성 금속일 수도 있고, 비자성 금속 Cu, W, Ti, Al, Pt, Au, TiN 및 AlSi 등이 될 수도 있다. 또한, 제 2 전극(84)은 스커미온을 생성하는 자성체 금속일 수도 있다. 이 경우 제 2 전극(84)을 형성할 필요가 없어진다. 스커미온(40)을 생성하는 자성체 금속의 저항 값이 높은 경우는 다른 금속 재료를 더 마련함으로써 제 2 전극(84)으로 할 필요가 있다. 가열 부위의 면적을 국소 가열할 필요성 때문이다.
전원(81)의 한쪽 단자(85)는 제 1 전극(82)의 자성 금속(83)에 전기적으로 연결된다. 전원(81)의 다른 쪽 단자(87)는 제 2 전극(84)에 전기적으로 연결된다. 전원(81)은, 전원(81)에 연결된 스위치에 의해, 자성 금속(83)과 제 2 전극(84) 사이에 펄스적으로 전류를 흘릴 수 있다. 스위치는 FET 트랜지스터이다. 펄스 전류가 제 1 전극(82)의 절연체(92)를 흐를 때 발생하는 펄스적 줄열에 의해 자성체(10)를 가열할 수 있다. 절연체(92)에는 절연체(92)와 자성 금속(83)과의 접촉 단면에서 전류가 흐르기 때문에, 자성 금속(83)의 원형 단면 크기만큼 국소 열을 발생시킬 수 있다.
도 6에 나타낸 전극 구성은 스커미온 센서로도 기능한다. 제 1 전극(82)의 자성 금속(83)은 강자성체 금속이다. 자기장 발생부(20)에서 수직 자화(z 방향)에 응답하여 자성 금속(83)의 자기 모멘트는 z 방향이 된다. 예를 들어, 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우, 자성체(10)의 자기 모멘트는 z 방향을 향하고 있다. 이 경우, 자성 금속(83)의 자기 모멘트와 자성체(10)의 자기 모멘트는 위쪽 방향으로 갖추어진다. 이 때문에 절연체(92)를 흐르는 터널 전류는 스커미온(40)이 존재하는 경우와 비교하여 큰 전류 값을 나타낸다. 이에 대해 스커미온(40)이 존재하는 경우, 자성체(10)에는 스커미온(40)의 나선형의 자기 모멘트가 존재하기 때문에 + z 방향 이외의 많은 방향의 자기 모멘트가 존재한다. 따라서 절연체(92)에 흐르는 터널 전류는 스커미온(40)이 존재하지 않는 경우에 비해 작아진다. 이 터널 전류의 대소에 의해 자성체(10)의 스커미온(40)의 유무를 감지한다. 스커미온의 소용돌이 구조의 자기 모멘트는 자성체(10)의 뒷면(일면(12))에서 표면(다른 일면(14))까지 관통하는 구조이다. 그 때문에 터널 전류에 큰 산란 효과를 준다. 따라서 감지 감도는 높다.
이하에서, 스커미온(40)을 생성하는 실시예 1 내지 5를 나타낸다.
[실시예 1]
실시예 1에서 자성체(10)의 다른 일면(14)에 국소 열 에너지를 가하여 스커미온(40)을 생성하는 시뮬레이션 실험 결과를 나타낸다. 국소 열 에너지에 의한 스커미온(40)의 생성 또는 삭제는 아래의 [수식 4]에 의해 설명될 수 있다.
[수식 4]
　
Figure pct00004
[수식4]에서 H는 자성체(10)를 기술하는 해밀턴이다. 외부 자기장 벡터량 [수식 5]로 표현될 수 있다. α는 길버트 감쇠 상수이다.
[수식 5]
　
Figure pct00005
온도의 국소적 분포를 아래의 [수식 6]으로 하고, 좌표 μ, ν = x, y, z 라고 하면, 온도의 국소적 분포에 의한 국소 자기장의 요동은 통계적인 가우스 분포에 따른다. 국소 자기장의 요동은 아래의 [수식 7]로 나타낼 수 있다. 또한, kB는 볼츠만 상수이다.
[수식 6]
　
Figure pct00006
[수식 7]
　
Figure pct00007
또한 카이럴 자성체에서 해밀턴 H는, [수식 8]로 나타낼 수 있다.
[수식 8]
　
Figure pct00008
[수식 8]에서 J는 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이다. D는 자이아로신스키-모리야(dzyaloshinskii-moriya) 상호 작용을 나타내는 상수이다. a는 자성체(10)의 격자 상수이다. 또한 ex 및 ey는 각각 x 축 및 y 축 방향의 단위 벡터이다. 또한, 다이폴 자성체, 불규칙한 자성체 또는 적층 자성체에 관해서는 이 해밀턴 H의 표현을 각각의 자성체를 기술하는 것으로 대체하면 된다.
시뮬레이션에서는 자성체 재료 고유의 값인 자기 교환 상호 작용의 크기(J)에 의해 표준화된 값으로 각종 물리량을 기술한다. 또한, 본 실시예에서, D = 0.15J, α = 0.01이다.
도 7은 시뮬레이션에 이용된 자성체(10)의 자기 위상 다이어그램을 나타낸다. 가로축은 자성체(10)에 작용하는 외부 자기장 [수식 5]를 자기 교환 상호 작용의 크기(J)와 수치로 나타낸다. 또한, 본 예의 자성체(10)은 카이럴 자성체이다. 외부 자기장 [수식 5]를 자성체(10) 양의 z 방향으로 인가한다. 카이럴 자성체에는, 자기장 발생부(20)로부터 인가되는 외부 자기장 [수식 5]에 따라 복수의 상이 발현된다.
외부 자기장 [수식 5]가 제로인 경우, 카이럴 자성체는 나선형의 자기 모멘트의 자기 구조의 나선 자성상을 가진다. 외부 자기장 [수식 5]가 0부터 0.0052J 미만일 때까지, 나선형의 자기 모멘트의 자기 구조인 카이럴 자성체는 나선형 자성상을 발현한다. 외부 자기장 [수식 5] = 0.0052J를 스커미온 결정상이 발생하는 자기장인 Hsk로 나타낸다.
외부 자기장 [수식 5] = 0.0052J(Hsk)에서 카이럴 자성체는 스커미온 결정상(SkX)이 된다. 상기 스커미온 결정상(SkX)에서는 복수의 스커미온(40)이 이차원 최밀 결정 격자 구조로 되어 xy 평면에 발생한다. 외부 자기장 [수식 5] 0.0052J(Hsk)에서 0.0175J 미만까지 카이럴 자성체는 스커미온 결정상(SkX)을 발현한다.
카이럴 자성체가 스커미온 결정상(SkX)일 때, 스커미온(40)의 직경(λ)은 자기 교환 상호 작용의 크기(J)와 D를 이용하여 다음의 [수식 9]와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 9]
　
Figure pct00009
여기서 a는 시뮬레이션에 사용된 카이럴 자성체의 격자 상수이다. 카이럴 자성체에서는 스커미온(40)의 직경(λ)은 수 nm에서 수백 nm의 나노 미터 크기이다. 본 예에서는 D = 0.15J이기 때문에, λ = 60a가 된다. 격자 상수 a가 5Å인 자성체의 경우 λ = 300Å = 30nm가 된다. 자이아로신스키-모리야(dzyaloshinskii-moriya) 상호 작용의 크기를 나타내는 물리 상수인 D는 물질 고유의 물리적 상수이기 때문에, [수식 9]에 따라 스커미온(40)의 직경(λ)은 물질 고유의 상수이다. 스커미온(40)의 직경(λ)은 비 특허 문헌 3에 기재된 바와 같이, 예를 들어 FeGe는 70nm이며, MnSi는 18nm이다.
또한, 본 실시예에서 이용하는 카이럴 자성체에는 외부 자기장 [수식 5] = 0.0175J에서 강자성 상이 발현된다. 상기 강자성 상에 있어서는, 카이럴 자성체의 모든 자기 모멘트가 외부 자기장 [수식 5]의 인가되는 방향과 같은 방향인 양의 z 방향으로 향한다. 또한, 외부 자기장 [수식 5] = 0.0175J을 강자성 상이 발현하는 자기장의 크기인 Hf로 나타낸다.
스커미온(40)을 카이럴 자성체 상에 생성시키는 단계를 기술한다. 먼저 자기장 발생부(20)와는 상이한 다른 자기장 발생부와 자기 저장 매체(30)를 근접시킨다. 상기 다른 자기장 발생부는, 카이럴 자성체가 강자성 상태로 되도록 자기장을 자성체(10)의 카이럴 자성체 및 자기장 발생부(20)에 가한다. 상기 다른 자기장 발생부는 예를 들어, 공장 출하 시에 자기 저장 매체(30)의 카이럴 자성체를 강자성 상태로 하는 강자성체의 자석이다. 본 예에서는 상기 다른 자기장 발생부는 카이럴 자성체에 0.0175J(Hf)보다 큰 외부 자기장 [수식 5]를 인가한다. 이 경우 카이럴 자성체의 모든 자기 모멘트는 외부 자기장 [수식 5]의 인가되는 방향과 같은 방향인 양의 z 방향으로 향한다. 또한 상기 다른 자기장 발생부가 인가하는 자기장에 의해 자기장 발생부(20)는 z 방향으로 갖추어진 소정의 자기장을 생성할 수 있게 된다. 이 처리를 하지 않으면 자기장 발생부(20)는 방향이 다른 자기 구조가 그대로 유지 되어 버린다.
그런 다음, 다른 자기장 발생부를 자기 저장 매체(30)와 자기장 발생부(20)로부터 떼어 낸다. 자기장 발생부(20)는 카이럴 자성체를 준안정 강자성 상태로 하는 자기장이며, 카이럴 자성체의 스커미온 결정상(SkX)에 상당하는 자기장을 발생시킨다. 따라서 다른 자기장 발생부에 의해, 카이럴 자성체가 강자성 상태가 된 후, 자기장 발생부(20)는 카이럴 자성체를 준안정 강자성 상태로 만든다.
본 예에서는 자기장 발생부(20)는 카이럴 자성체에 0.0175J(Hf)보다 작은 외부 자기장 0.015J을 인가한다. 이 경우에도 카이럴 자성체는 강자성 상태에서 준안정적이며, 카이럴 자성체에서 스커미온(40)은 생성될 수 없다. 즉, 카이럴 자성체는 0.0175J(Hf)보다 작은 외부 자기장 [수식8]의 h를 인가하고 있음에도 불구하고, 강자성 상태에서 준안정적으로 된다. 또한, 본 명세서에서 강자성 상태는 자성체(10)의 각 자기 모멘트의 방향이 외부 자기장 [수식8]의 h와 같은 방향을 향하고 있는 상태를 의미한다. 또한 준안정 강자성 상태는 자성체(10)의 스커미온 결정상(SkX)에 상당하는 자기장을 자성체(10)에 현재 인가하고 있지만, 이전에 강자성 상에 상당하는 자기장을 자성체(10) 에 인가하고 있었으므로, 히스테리시스 효과(hysteresis, 이력(履歷)현상)에 의해 강자성 상태를 유지하고 있는 상태를 의미한다.
도 8은 실시예 1에서 스커미온(40)의 생성을 나타내는 시뮬레이션 실험 결과를 나타낸 도면이다. 언급한 바와 같이 D = 0.15J, α = 0.01이며, 카이럴 자성체에 인가하는 외부 자기장 [수식 5]를 0.0175J(Hf)보다 강한 자기장에서부터 0.015J로 하여 준안정 강자성 상태로 만든 경우에 국소 열 에너지를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 가했을 경우의 시뮬레이션 결과이다.
자성체(10)의 크기는 격자 상수 a를 단위로 300 × 300의 크기로 했다. 경계 조건으로 x 및 y 방향으로 주기적 경계 조건을 사용했다. 이 조건에 따라 무한대의 2차원 평면 상태에서의 시뮬레이션 조건을 설정한 것이다. 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가하는 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경을 20a로 했다. 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분에 국소 열 에너지를 0 ≤ t ≤ 200(1/J)의 시간동안 인가했다. 특정 스팟 사이즈에 국소 열 에너지를 인가한 자성체(10)의 부위의 온도를 온도(T)로 나타낸다. 또한 국소 열 에너지는 kBT = 1.0J에 해당한다. 또한 시간은 J를 사용하여 1/J로 표현했다. 도 8(E)는 도 2(E)와 마찬가지로 자기 모멘트 n의 좌표가 취하는 방법(오른손 계)을 나타낸다.
도 8(A) 내지 (D)는 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분에 국소 열 에너지를 주었을 때의 자기 모멘트의 시간 변화를 각각 나타낸다. 도 8(A)는 시간 t = 1(1/J)에서의 자기 모멘트를 나타낸다. 시간 t = 1(1/J)에서는 국소 열 에너지를 인가한 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분에서 20a의 크기의 자기 모멘트의 혼란이 발생하고 있다.
도 8(B)는 시간 t = 200(1/J)에서의 자기 모멘트를 나타낸다. t = 200에서는 t = 0부터 계속 했던 국소 열 에너지의 인가를 멈춘다. t = 200(1/J)에서 명료하게 하나의 스커미온(40)이 생성되고 있다. 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분에서 주위로 국소 열 에너지가 확산됨으로써 자기 모멘트의 혼란이 중앙 부분에서 주위로 확산되는 모습이 감지된다.
도 8(C)는 시간 t = 350(1/J)에서의 자기 모멘트를 나타낸다. 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분의 흑점은 음의 z 방향의 자기 모멘트를 나타낸다. 도 8(D)는 시간 t = 570(1/J)에서의 자기 모멘트를 나타낸다. 시간 t = 570(1/J)에서는 안정된 스커미온(40)의 형성이 완성되었다.
도 8에 나타낸 시뮬레이션에서 자성체(10)의 크기는 무한대의 2차원 평면 상태이다. 한편, 자성체(10)의 크기가 폭(Wm), 높이(hm)를 갖는 유한한 경우, 자성체(10)는 스커미온(40)의 직경(λ)에 대해 Wm > λ/2이고, hm > λ/2이 되는 크기를 가져야 한다. 그것보다 작아지면 국소 열 에너지에 의해 생성된 스커미온(40)은 소멸된다.
[실시예 2]
도 9는 실시예 2에서 스커미온(40) 삭제를 나타내는 시뮬레이션 실험 결과를 나타낸 도면이다. 언급한 바와 같이, D = 0.15J, α = 0.01이며, 카이럴 자성체에 인가하는 외부 자기장 [수식 5]를 0.0175J(Hf)보다 강한 자기장에서부터 0.015J로 하여 준안정 강자성 상태로 만든 경우에 국소 열 에너지를 자성체(10)의 다른 일면(14)에 가한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가한 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경은 20a로 한다. 자성체(10)의 다른 일면(14)의 중앙 부분에 국소 열 에너지를 0 ≤ t ≤ 200(1/J) 시간 동안 인가한다. 상술한 바와 같이 특정 스팟 사이즈에 국소 열 에너지를 인가한 자성체(10)의 부위의 온도를 온도(T)로 나타낸다. 본 예에서는 자성체(10)의 다른 일면(14)에 가하는 국소 열 에너지(kBT)를 1.5J로 올린다. 다른 매개 변수 및 조건 등은 실시예 1과 동일하다. 도 9(C)는 도 2(E)와 마찬가지로 자기 모멘트 n의 좌표가 취하는 방법(오른손 계)를 나타낸다.
도 9(A)는 시간 t = 300(1/J)에서 스커미온(40)의 중심 부분에 흑점이 존재하는 음의 z 방향의 자기 모멘트는 여전히 존재하고 있다. 도 9(B)는 시간 t = 500(1/J)에서 스커미온(40)의 중심에서 음의 z 방향의 자기 모멘트는 사라지고 스커미온(40)이 유지될 수 없음을 나타낸다.
다음으로 스커미온 삭제를 위한 열 에너지 인가 시간 의존성에 대해 말한다. 150(1/J) ≤ t ≤ 200(1/J)인 시간 인가의 경우 스커미온(40)을 삭제할 수 있다. 그러나 국소 열 에너지의 인가 시간이 상기 범위보다 작은 경우 및 큰 경우의 어느 경우에도 스커미온이 생성된다. 이상, 국소 열 에너지가 1.5J의 경우 t = 150에서 200(1/J) 사이의 레이저 인가에 의해 t = 500(1/J)에서 스커미온(40)을 삭제할 수 있다. 또한, 국소 열 에너지(kBT)가 2.0J의 경우의 스커미온 삭제를 위한 열 에너지 인가 시간 의존성에 대해서 말한다. 200(1/J) ≤ t ≤ 250(1/J)의 시간 인가의 경우 스커미온(40)을 삭제할 수 있다. 국소 열 에너지의 인가 시간이 상기 범위보다 작은 경우 및 큰 경우의 어느 경우에도 스커미온(40)이 생성되어 버린다.
[실시예 3]
도 10은 실시예 3에 있어서 스커미온(40)의 생성 또는 삭제의 국소 열 에너지(세로축)와 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다. 또한, 세로축은 국소 열 에너지인 kBT를 자기 교환 상호 작용의 크기(J)로 규격화한 수치를 나타낸다. 가로축은 자성체(10)의 다른 일면(14)에 인가되는 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경을 카이럴 자성체의 격자 상수 (a(Å))로 규격화한 수치를 나타낸다. 실시예 3에서 국소 열 에너지 및 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경을 변경한 것 외에는 다른 매개 변수와 조건은 실시예 1과 동일하다.
도 10에서 영역 I은 스커미온(40)을 생성도 삭제도 할 수 없는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 영역 II는 하나의 스커미온(40)을 생성할 수 있는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 영역 III는 스커미온(40)을 삭제할 수 있는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 단, 스커미온 삭제하기 위한 열 에너지 인가 시간 의존성이 존재한다. 국소 열 에너지 kBT = 1.5J의 경우, 인가 시간은 150(1/J) ≤ t ≤ 200(1/J)이며, 국소 열 에너지 kBT = 2.0J의 경우, 인가 시간은 200(1/J) ≤ t ≤ 250(1/J)이다.
도 10에서 스커미온(40)을 삭제할 수 있는 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 및 열 에너지에 대한 조건을 알 수 있다. 즉 스커미온 생성보다 강한 열 에너지의 인가되는 경우 또는 스팟 사이즈가 큰 경우 스커미온 삭제가 가능하다. 스커미온(40)을 삭제할 때의 국소 열 에너지의 조건으로서 스커미온(40)을 생성할 때의 열 에너지보다 삭제를 위한 열 에너지가 큰 것 및 자성체(10)의 다른 일면(14)에 스커미온(40)을 생성하는 경우의 열 에너지의 스팟 사이즈 반경보다 큰 스팟 사이즈 반경을 갖는 것 중 적어도 어느 하나를 충족하는 것이라고 할 수 있다.
일례로 스커미온(40)의 삭제 시에는 국소 열 에너지 및 스팟 사이즈 반경 모두가 스커미온(40)의 생성시보다 더 크다. 또한 스팟 사이즈 반경을 20a에 고정하고, 스커미온(40) 생성 시 국소 열 에너지를 kBT = 1.0J 로 하고 스커미온(40) 삭제 시에는 국소 열 에너지를 kBT = 1.5J 으로 할 수 있다. 즉, 스팟 사이즈 반경을 고정하면 스커미온(40)을 삭제할 때의 국소 열 에너지를 스커미온(40)을 생성할 때의 국소 열 에너지보다 크게 할 수 있다.
도 10에서 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경의 2배가 스커미온(40)의 직경이다. 스커미온(40)의 직경(λ)이 60a 인 경우, 국소 열 에너지의 직경 스팟 사이즈가 스커미온의 직경 크기의 1/2 정도이면 스커미온(40)의 생성에 적절하다고 할 수 있다. 또한 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경을 20a 이상으로 한 경우, kBT = 1.5J 이상의 국소 열 에너지를 이용하면 생성한 스커미온(40)을 삭제할 수 있다.
[실시예 4]
도 11은 실시예 4에서 생성할 수 있는 스커미온 종류의 국소 열 에너지(가로축)와 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다. 가로축 및 세로축은 도 10과 같다. 도 11(A), (B) 및 (C)는 길버트 감쇠 상수 α = 0.05, 0.1 및 1의 경우에서의 스커미온 생성 조건을 각각 나타낸다. 실시예 4에서 그 외의 매개 변수와 조건은 실시예 1과 동일하다.
도 11(A), (B) 및 (C)에서, 영역 I은 스커미온(40)을 생성도 삭제도 할 수 없는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 도 11(A), (B) 와 (C)의 영역 II는 하나의 스커미온(40)이 존재할 수 있는 조건을 나타낸다. 영역 IV는 영역 II와는 다른 자기 구조를 갖는 조건을 나타낸다.
자성체가 준안정 강자성 상태에서 길버트 감쇠 상수 α가 0.05> α ≥ 0.01의 경우 국소 열 스팟 사이즈 반경(d), 열에너지 온도(T)로
d ≥ 15a 이면서 kBT ≥ J
에서 스커미온을 생성할 수 있다.
또한
d ≥ 18a 이면서 kBT ≥ 1.5·J
에서 스커미온을 삭제할 수 있다. 스커미온을 삭제할 수 있는 스팟 사이즈와 가열 에너지의 하한값은 스커미온을 생성할 수 있는 스팟 사이즈와 가열 에너지의 하한 값보다 크다. 0.01 < α < 0.05 있어서는, 도 10의 영역 III 범위는 스커미온(40)을 삭제할 수 있는 조건을 제공한다. 0.01 < α < 0.05에서 도 10의 영역 III의 범위는 지속적으로 변화하고, 또한, α = 0.01의 조건의 도 10의 영역 III의 범위보다 좁아지지 않는다.
도 12(A)와 (B)는 도 11의 영역 IV의 자기 구조이며, 단일 스커미온(40)과는 다른 자기 구조를 나타내는 도면이다. 도 12(C)는 도 9의 영역 IV의 자기 구조이며, 두 개의 스커미온(40)을 나타내는 도면이다. 도 12(A), (B) 및 (C)는 순서대로 스커미오니움(skyrmionium), 디스커미오니움(di-skyrmionium) 및 2개의 스커미온이라는 자기 구조이다.
[실시예 5]
도 13은 실시예 5에서 스커미온(40)의 생성 또는 삭제의 국소 열 에너지(가로축)과 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다. 가로축 및 세로축은 도 10 및 도 11와 같다. 본 예는 외부 자기장 [수식 5] = 0.02J이며, 카이럴 자성체가 준안정 강자성 상태가 아닌 강자성 상태일 때, 카이럴 자성체의 다른 일면(14)에 국소 열 에너지를 인가함으로써 스커미온(40)을 생성한다. 이러한 점은 실시예 1 내지 4와 다르다.
도 13에서 길버트 감쇠 상수 α = 0.01이다. 영역 I은 스커미온(40)을 생성도 삭제도 할 수 없는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 영역 II는 하나의 스커미온(40)을 생성할 수 있는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 영역 III는 스커미온(40)을 삭제할 수 있는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 영역 III에서 열 에너지의 인가 시간 의존성은 없다. 단시간 인가부터 장시간 인가 조건 모두 스커미온 삭제 조건이 된다. 이 삭제 조건에서는 스커미온(40)을 생성할 수 없다.
[실시예 6]
도 14(A), (B) 및 (C)는 실시예 6에서 스커미온(40)의 생성에 있어서 국소 열 에너지(세로축)와 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)과의 의존성을 나타내는 도면이다. 길버트 감쇠 상수는 각각 도 14(A), (B) 및 (C)에서 α = 0.05, α = 0.1, α = 1이다. 실시예 6에서 그 외의 매개 변수와 조건은 실시예 5와 동일하다.
도 14(A), (B) 및 (C)의 영역 I 및 영역 II는 도 13과 같다. 도 14(A)의 영역 V는 복수의 스커미온을 생성할 수 있는 국소 열 에너지의 조건을 나타낸다. 또한 영역 V에서 생성할 수 있는 스커미온 구조는 상술한 영역 IV의 스커미오니움(skyrmionium), 디스커미오니움(di-skyrmionium) 등의 자기 구조는 아니다.
자성체가 강자성 상태에서 길버트 감쇠 상수 α가 0.05 > α ≥ 0.01의 경우 국소 열 스팟 사이즈 반경(d) 열에너지 온도(T)로
d ≥ 15a 이면서 kBT ≥ 1.5·J에서 스커미온을 생성할 수 있다.
또한
d ≥ 20a 이면서 kBT ≥ 1.5·J
에서 스커미온을 삭제할 수 있다. 스커미온을 삭제할 수 있는 스팟 사이즈의 하한값은 스커미온을 생성할 수 있는 스팟 사이즈의 하한값보다 크다.
0.01 < α < 0.05 에서, 도 13의 영역 III 범위는 스커미온(40)을 삭제할 수 있는 조건을 제공한다. 0.01 < α < 0.05 에서, 도 13의 영역 III의 범위는 지속적으로 변화하고, 또한, α = 0.01의 조건의 도 13의 영역 III의 범위보다 좁아지지 않는다.
이상의 실시예 1 내지 6에 나타낸 바와 같이 하나의 스커미온(40)을 생성 및 삭제하는 방법으로 강자성 상태 또는 준안정 강자성 상태인 자성체(10)에 국소 열 에너지를 인가하면 된다. 단일 스커미온(40)의 크기는 1nm에서 100nm이다. 이에 대해 기존 DVD에 사용되는 상 변화형 기록 매체 나 상 변화 메모리의 경우, 단위 기억 용량 당 수백 나노 미터(nm) 정도의 크기이다.
상 변화형 기록 매체의 경우 광 파장이 수백 나노 미터보다 짧은 경우에도 짧은 빛 파장의 특징을 살릴 수 없다. 결정상과 비정질상 사이의 경계를 유지하면서 결정상과 비정질상과의 사이에서 상 변화 메커니즘을 유지하기 위한 상 변화형 기록 매체의 크기의 한계가 수백 나노 미터이기 때문이다. 이에 반해 스커미온(40)을 사용하는 경우, 광파장을 짧게 하면 그만큼 스커미온(40) 크기가 작은 자성체(10)를 선택하여 사용하면 된다. 즉, 스커미온(40)을 생성 및 삭제하는 자성체(10)에서는 인가되는 열 에너지의 직경 또는 크기에 따라 기억 단위의 크기를 작게 할 수 있다. 예를 들어, 광 안테나(50)을 사용하면 기존의 레이저 광(60)을 이용해도 열 에너지를 인가하는 직경은 레이저 광(60)의 직경보다 더 미세화 할 수 있다. 스커미온(40)의 특징은 더욱 효과를 발생한다. 현재 LSI 제조 프로세스를 사용하면 가열침(55)의 첨단(57)의 지름은 수 nm로 할 수 있다. 그러므로 수 nm의 스커미온(40)의 직경(λ)를 갖는 자성체(10)를 자기 저장 매체(30)에 사용하는 것이 가능하다. 이로써 자성체(10)에 생성되는 스커미온(40)의 밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
상 변화 메모리의 경우는 절연막 상의 전극에 전압을 인가하고, 절연막의 저항에 의한 줄열을 이용하여, 예를 들어 칼코게나이드(chalcogenide) 합금 게르늄 안티몬 텔루르(GeSbTe) 등의 재료의 결정상과 비정질상의 저항 변화를 메모리로 사용한다. 이 경우 전극의 크기가 가열 스팟 사이즈를 결정한다. 전극의 한 변의 길이는 여기에서 이용한 스팟 크기의 2배인 것이 바람직하다.
또한 국소 열 에너지를 적절한 크기로 하면 생성한 스커미온(40)을 삭제할 수 있다. t = 3000(1/J)는 약 1 나노초(ns)에 상당한다. 따라서 스커미온(40)의 생성 또는 삭제 시간은 0.2 나노초(ns) 이하이며, 기존의 상 변화형 기록 매체 또는 메모리의 30 나노초 정도의 상 변화 시간에 비해 아주 짧은 펄스이다. 이로 인해 고속 기록 및 고속 삭제가 가능하고, 또한 대규모 저장 용량의 저장 매체 및 메모리를 제공할 수 있다.
또한 본 명세서는 스커미온(40)을 생성 및 삭제 가능한 자기 저장 매체(30) 및 스커미온 메모리(410)에 대해서 최적의 설계 지침을 제공한다. 상기 설계 지침은 국소 열 에너지(세로축)과 국소 열 에너지의 스팟 사이즈 반경(가로축)를 이용하여 기술한 상태도에 도시된다(도 10,11,13 및 14) 이에 따라 각종 자성 재료로도 공통의 설계 지침을 제공할 수 있기 때문에 스커미온(40)을 이용한 자기 저장 매체(30) 및 스커미온 메모리(410)를 이용한 초고속, 대용량 메모리를 실용화하는 데 큰 영향을 가져 올 것으로 기대할 수 있다.
스커미온(40)을 이용한 데이터 기록 장치(100, 200, 300) 및 스커미온 메모리(410)은 쓰기 및 삭제를 몇 번이라도 할 수 있다. 즉, 쓰기 및 삭제 횟수의 제한은 없으며 인듀어런스(내구성)는 무한대이다. 또한 스커미온(40)은 안정된 상태로 존재하므로 스커미온(40)을 데이터 기록 단위로 이용한 데이터 기록 장치(100) 등 및 스커미온 메모리(410)는 데이터 리텐션(유지) 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 일반적으로 고립된 나노 크기 자성체의 경우 외계의 열 교란에 의해 그 자기 모멘트의 반전이 일어나 버린다. 그 때문에 자기 모멘트를 기억 정보로 취급하는 경우, 자성체 나노 크기 수준으로 미세화하는 것은 커다란 장벽으로 여겨져 왔다. 데이터 기록 장치(100) 및 스커미온 메모리(410)의 자성체(10)를 나노 크기로 함으로써 이러한 열 교란의 한계를 극복할 수 있다. 그 이유는 자성체(10) 하단에 안정된 자기장 발생부(20)를 갖는 데 따른 것이다. 상기 자기장 발생부(20)는 나노 크기가 아니라 자성체(10) 하단 2차원으로 펼쳐지는 큰 자성체이기 때문에 열 교란을 받지 않고 안정적으로 강자성의 자기 모멘트를 계속 유지한다. 자기장 발생부(20)에서 발생하는 자기장에 의해 스커미온(40)은 외부 환경에 의한 열 교란 정도로는 자기 모멘트가 반전되지 않는다. 이것이 데이터 기록 장치(100) 등 및 스커미온 메모리(410)은 데이터 리텐션(유지) 성능을 크게 향상시킬 수 있는 이유이다.
도 15와 도 16은 x-y 평면에서 볼 때, 제 1 전극(82)의 형상 예를 나타내는 도면이다. 제 1 전극(82)은 자성체(10) 위에 있어서 제 1 절연체(92)와 접촉한다. 제 1 전극(82)은 x-y 평면에서 볼 때 제 1 절연체(92) 내에 마련된다.
도 15의 예에서, 제 1 전극(82)은 직사각형 또는 정사각형 형상을 갖는다. 절연체(92)의 접촉면의 제 1 전극(82)(자성 금속(83))의 평면 형상에서, 사각형의 한 변의 길이(D)는 스팟 사이즈 반경(d)의 2배를 가질 수 있다. 제 1 전극(82)은 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 삼각형은 정삼각형, 직각 삼각형 또는 이등변 삼각형일 수도 있다. 또한 제 1 전극(82)은 타원형 또는 타원의 형상을 가질 수 있다. 또한 제 1 전극(82)은 평행 사변형의 형상을 가질 수 있다. 평행 사변형은 마름모이어도 좋다. 또한 제 1 전극(82)은 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 도 16의 예에서, 제 1 전극(82)은 원형의 형상을 갖는다. 도 16의 제 1 전극(82)은, 도 6의 제 1 전극(82)에 대응한다. 절연체(92)의 접촉면의 자성 금속(83)의 평면 형상에서 원형 지름의 길이(D)는 스팟 사이즈 반경(d)의 2배를 가질 수 있다.
x-y 평면에서 제 1 전극(82)의 형상은 상기의 예에 한정되지 않는다. 상기의 여러 예와 유사한 형상일 수도 있고, 상기 여러 예를 조합한 형상일 수도 있다. 또한, 지금까지 언급한 자성체(10)의 실시예에서의 결론은, 정성적으로 자성체(10)를 적층한 구조에 있어서도 동일하다.
도 17은 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다. 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리(410)를 적어도 하나 구비하는 장치이다. 또한, 도 6의 전류계(91)는 도 17에서는 생략되어 있다. 스커미온 메모리 장치(500)는 강자성체 층인 자기장 발생부(20)와 자기장 발생부(20)의 상부에 형성된 스커미온 메모리 유닛 층(110)을 포함한다. 또한 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리 유닛 층(110)과 자기장 발생부(20) 사이에 절연체(94)를 갖춘다.
본 예의 스커미온 메모리 유닛 층(110)은 메모리 층(160), 제 1 배선층(170) 및 제 2배선층(175) 순으로 위쪽으로 적층한 메모리 층(160), 제 1 배선층(170) 및 제 2배선층(175)을 가진다. 절연체(94)는 스커미온 메모리 유닛 층(110)과 자기장 발생부(20) 사이에 위치한다. 메모리 층(160) 절연체(94) 및 자기장 발생부(20)는 도 6의 스커미온 메모리(410)에 대응한다. 또한, 왼쪽에서 첫 번째 및 세 번째 자성체(10)의 검은 동그라미는 스커미온(40)이 생성되어있는 상태임을 나타낸다.
제 1 배선층(170)에는 제 1 배선(171) 제 1 배선 보호막(172) 및 비아(173)이 있다. 제 1 배선 보호막(172)은 제 1 배선(171)을 절연하는 층간 절연막으로서 기능한다. 제 1 배선(171)은 스커미온(40)을 생성, 삭제 및 검출하기 위한 전류를 제 1 전극(82)에 공급한다.
제 2배선층(175)은 제 2배선(176) 및 제 2배선 보호막(177)이 있다. 제 2배선(176)은 제 1 비아(173)와 연결된다. 제 2배선 보호막(177)은 제 2배선(176)을 절연하는 층간 절연막으로서 기능한다.
도 18은 스커미온 메모리(410)와 CMOS-FET(130)를 구비한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다. 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리(410) 및 CMOS-FET(Field Effect Transistor, 전계 효과 트랜지스터)(130)를 구비한다. 실리콘 기판의 CMOS-FET(130)이 존재하지 않는 영역에서 스커미온 메모리(410)를 형성한다.
CMOS-FET(130)은 일반적인 실리콘 프로세스에 의해 형성하는 일반적인 CMOS-FET이다. 본 예의 CMOS-FET(130)은 2층의 Cu 배선층을 가진다. 또한 CMOS-FET(130)은 P형 웰에 형성된 NMOS-FET(132) 및 N형 웰에 형성된 PMOS-FET(133)이 있다.
도 19는 스커미온 메모리 유닛 층(110)을 n층 적층한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다. 본 예의 스커미온 메모리 장치(500)는 n = 5인 경우이다. 자기장 발생부(20)는 3000Å의 두께를 가진다. 스커미온 메모리 유닛 층(110)은, 스커미온 메모리 유닛 층(110-1)부터 스커미온 메모리 유닛 층(110-n)까지 적층한 구조를 갖는다. 본 예의 스커미온 메모리 장치(500)는 총 15,000Å 정도의 두께를 가진다.
도 20은 복수의 자기장 발생부(20)를 갖는 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다. 본 예의 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리 유닛 층(110-1)에서 스커미온 메모리 유닛 층(110-6)까지 총 6층의 스커미온 메모리 유닛 층(110)을 가진다. 스커미온 메모리 장치(500)는 자기장 발생부(20-1) 위에 3층의 스커미온 메모리 유닛 층(110)을 가진다. 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리 유닛 층(110-3)과 스커미온 메모리 유닛 층(110-4) 사이에 자기장 발생부(20-2)를 더 가진다. 그러면 스커미온 메모리 유닛 층(110)은 스커미온 메모리 유닛 층(110)의 적층 방향에서 스커미온 메모리 유닛 층(110) 내에 자성체(10)가 자기장 발생부(20)로부터 받는 자기장의 강도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 자기장 발생부(20)는 스커미온 메모리 유닛 층(110)의 재료 등에 따라 적당한 간격으로 배치될 수 있다.
도 21은 스커미온 메모리(410)를 CMOS-FET(130)의 상부에 구비한 스커미온 메모리 장치(500)의 단면을 나타내는 도면이다. 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 메모리(410) 및 CPU(중앙 연산 처리) 기능을 구성하는 CMOS-FET(130)을 갖춘다. CMOS-FET(130) 위에 스커미온 메모리(410)를 형성한다. 본 예의 CMOS-FET(130)은 P형 웰에 형성된 NMOS-FET132 및 N형 웰에 형성된 PMOS-FET133이 있다.
스커미온 메모리 장치(500)는 CPU 기능을 구성하는 CMOS-FET(130)와, 적층한 대용량 비 휘발성 메모리인 스커미온 메모리(410)를 동일한 칩 내에 가질 수 있다. 따라서 CPU의 처리 시간의 단축, 고속화가 실현되어 CPU의 소비 전력을 크게 줄일 수 있다. 즉 PC 시작 시 기본 OS 등의 HD로부터의 호출, 외장 SRAM과 DRAM 등에 쓰기, 읽기 등의 처리 시간을 대폭 단축 가능하며, CPU 시간의 감소(대폭 고속화)에 공헌한다. 이 결과 크게 저전력 CPU를 실현할 수 있다. 또한 대규모 비 휘발성 메모리인 스커미온 메모리(410)는 메모리 유지를 위한 전력 소모가 전혀 없다. 스커미온의 자기 모멘트의 방향은 토폴로지 측면에서 안정성을 갖기 때문에 외부로부터의 일체의 전력 공급을 필요로 하지 않는다. DRAM 메모리는 데이터 새로 고침이 필요하며, SRAM도 휘발성이기 때문에 지속적인 전력 투입이 필요하다. 플래시 메모리는 데이터 액세스 타임이 길기 때문에 CPU와 직접 데이터를 교환할 수 없다.
도 22는, 스커미온 메모리 장치(500)의 기록 회로 및 삭제 회로를 나타내는 도면이다. 본 명세서에서 스커미온 메모리(410)에 기록하는 것은 스커미온 메모리(410)의 자성체(10) 스커미온(40)을 생성하는 것을 가리킨다. 또한, 본 명세서에서 스커미온 메모리(410)의 데이터를 삭제한다는 것은 스커미온 메모리(410)의 스커미온(40)을 삭제하는 것을 가리킨다.
도 22에는 자기장 발생부(20)가 도시되어 있지 않지만, 스커미온 메모리(410)은 도 6의 구성과 동일한 구성을 가지고 있다.
복수의 스커미온 메모리(410)를 스커미온 선택선(135) 및 비트 라인(136)에 연결한다. 예를 들어, 스커미온 선택선(135(n))을, n행의 스커미온 메모리(410)에 각각 연결하고, 비트선(136(n))을 n열의 스커미온 메모리(410)에 각각 연결한다. 스커미온 메모리(410)에 연결된 각 스커미온 선택선(135) 및 비트선(136)에는 1개의 FET(139)를 연결한다. FET(139)는 FET(139)의 게이트에 전압을 인가함으로써 개별 스커미온 메모리(410)를 선택하는 전기적 스위치로 작동한다.
예를 들어, 스커미온 메모리(410(n, n))에서 스커미온(40)을 생성하는 경우 한 쌍의 스커미온 선택선(135 (n)) 및 비트선(136(n))에 연결된 FET(139)을 각각 온(on)으로 한다. 비트선(136)은 전원(81)의 높은 전위 측과 전기적으로 연결하고 스커미온 선택선(135)는 전원(81)의 낮은 전위 측과 전기적으로 연결되어 있다. 또한 비트선(136)은 스커미온 메모리(410)의 제 1 전극(82)에 전기적으로 연결되고 스커미온 선택선(135)은 스커미온 메모리(410)의 제 2 전극(84)에 전기적으로 연결되어 있다. 제 1 전극(82)으로부터 제 2 전극(84)으로 전류 펄스가 흐르면 자성체에서의 절연막은 고 저항이기 때문에 줄열을 발생한다. 발열 영역은 제 1 전극(82)의 면적이다. 이 펄스적 열에너지는 자성체(10)에 펄스적으로 열 에너지를 인가하여 스커미온 메모리(410(n, n))의 자성체(10)에 스커미온(40)을 생성할 수 있다. 도 22에서 화살표는 전류가 흐르는 방향을 나타낸다. 전류는 비트선(136(n))에서 스커미온 메모리(410(n, n)) 및 스커미온 선택선(135)(n)을 거쳐 접지로 흐른다.
스커미온 메모리 장치(500)는 전원(81)의 크기를 조절함으로써 스커미온 메모리(410)의 데이터를 삭제할 수도 있다. 예를 들어, 스커미온(40) 생성시보다 큰 전류를 인가함으로써 스커미온(40) 생성시보다 큰 열에너지를 부여하여 스커미온 메모리(410)의 데이터를 삭제할 수 있다. 삭제에 대한 자세한 사항은 도 7에서 도 14에 기재된 조건에 따른다고 할 수 있다. 전원(81)은 한 쌍의 스커미온 선택선(135) 및 비트선(136)의 FET(139)가 온 상태인 것에 기인하고, 생성 시 보다 높은 전류를 자성체(10)에 펄스로 인가할 수 있다. 전원(81)의 전압 값의 조정은 CMOS-FET(130) 등에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 하나의 스커미온 선택선(135)에 병렬로 연결된 2개의 FET(139) 중 리드선(137)에 연결된 FET(139)를 리드선(137)의 FET(139)이라고 하고, 리드선(137)에 연결되지 않은 FET(139)을 스커미온 선택선(135)의 FET(139)라고 부른다. 리드선(137)은 스커미온 선택선(135)을 통해 여러 스커미온 메모리(410)의 적어도 하나에 전기적으로 연결된다. 쓰기 및 삭제의 경우에는 리드선(137)에 연결된 FET(139)는 오프 상태로 한다.
도 23은 스커미온 메모리 장치(500)의 검출 회로(138)의 일례를 나타내는 도면이다. 스커미온 메모리 장치(500)는 복수의 리드선(137)에 연결된 하나의 검출 회로(138)을 구비하고 있다. 본 예의 검출 회로(138)은 도 6의 전류계(91)에 대응될 수 있다. 본 명세서에서 스커미온 메모리(410)의 데이터를 읽는다는 것은 스커미온 메모리(410)의 자성체(10)에서 스커미온(40)의 존재를 검출하는 것을 가리킨다.
예를 들어, 스커미온 메모리(410(n, n))에서 스커미온(40)의 유무를 검출하는 경우 스커미온 메모리 장치(500)는 비트선(136(n))의 FET(139)를 온 상태로 하여 비트선(136)에서 제 1 전극(82)으로 스커미온 검출용 전류를 흘린다.
또한 스커미온 메모리 장치(500)는 스커미온 선택선(135)의 FET(139)을 오프 상태로 하고, 또한, 리드선(137)의 FET(139)를 온 상태로 하여 제 2 전극(84) 리드 137을 거쳐 검출 회로(138)에 전류를 흘림으로써 스커미온(40)을 감지한다.
검출 회로(138)는 리드선(137)에 흐르는 전류를 증폭해서 스커미온(40)의 유무를 검출한다. 검출 회로(138)은 귀환 저항(피드백 저항, Rf), 증폭 회로(C1) 및 전압 비교 회로(C2)를 갖춘다. 리드선(137)에서 검출 회로(138)에 입력된 전류는 전류 전압 변환 회로(C1)로 들어간다. 전류 전압 변환 회로(C1)는 리드선(137)에서 들어온 전류를 전압으로 변환하여 증폭한다. 전압 비교 회로(C2)는 전류 전압 변환 회로(C1)의 출력 전압 및 참조 전압(Vref)의 2개의 입력을 가진다. 전압 비교 회로(C2)는 증폭 회로(C1)의 출력 전압이 참조 전압(Vref)보다 큰 경우 "1"을 출력한다. 한편, 전압 비교 회로(C2)는 증폭 회로(C1)의 출력 전압이 참조 전압(Vref)보다 작은 경우에는 "0"을 출력한다.
또한 스커미온 메모리(410(n-1, n+1))에서 스커미온(40)의 유무를 감지하는 경우, 먼저 비트선(136(n+1)) 및 리드선(137(n-1))에 연결된 FET(139)를 선택한다. 그러면 리드선(137(n-1))에 연결된 검출 회로(138)가 터널 전류를 검출한다. 이에 따라 검출 회로(138)는 1개로 될 수 있다.
스커미온(40)의 존재에 따라 "1" 또는 "0"의 데이터를 얻을 수 있다. 즉, 스커미온(40)의 존재 여부에 따라 데이터의 읽기가 가능하다.
이상 스커미온 메모리 장치(500)는 임의의 스커미온 메모리(410)를 선택하여 스커미온(40) 생성, 삭제 및 감지할 수 있다. 스커미온 메모리(410)의 주변에 배치한 FET(139), 검출 회로(138)는 CMOS 장치로 구성될 수 있다. 스커미온 메모리 장치(500)는 복수의 스커미온 메모리(410)를 평면 상에 배열할 수 있으며 평면 상에 배열한 스커미온 메모리(410)를 더 적층 할 수 있다.
도 24는 스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치(600)의 구성 예를 나타내는 도면이다. 스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치(600)는 스커미온 메모리 장치(500), 중앙 연산 처리 장치(610)와 동일한 칩이다. 도 21에 그 단면을 도시한다. 스커미온 메모리 장치(500)는 상기의 스커미온 메모리 장치(500)이다. 중앙 연산 처리 장치(610)는 예를 들면 Si 기판 상에 형성된 CMOS-LSI 장치이다. 중앙 연산 처리 장치(610)는 스커미온 메모리 장치(500)에 대한 각종 연산 처리 데이터, 데이터베이스의 쓰기 및 스커미온 메모리 장치(500)에서의 데이터 처리 기본 소프트웨어 프로그램이나 각종 데이터의 읽기 기능을 가진다.
도 25는 스커미온 메모리 장치(500), 입출력 장치(710)를 구비한다. 데이터 기록 장치(700)는 HD 대체용 메모리 장치, USB 메모리나 SD 카드 등의 메모리 장치이다. 스커미온 메모리 장치(500)는 상기 스커미온 메모리 장치(500)이다. 입출력 장치(710)는 외부에서 스커미온 메모리 장치(500)에 대한 데이터 쓰기 기능 및 스커미온 메모리 장치(500)에서 데이터를 읽어 내어 외부로 출력하는 기능 중 적어도 하나를 가진다.
도 26은 데이터 처리 장치(800)의 구성 예를 나타낸다. 데이터 처리 장치(800)는 스커미온 메모리 장치(500), 프로세서(810)를 구비한다. 스커미온 메모리 장치(500)는 상기의 스커미온 메모리 장치(500)이다. 프로세서(810)는 예를 들어 디지털 신호를 처리하는 디지털 회로를 가진다. 프로세서(810)는 스커미온 메모리 장치(500)에 대한 데이터 쓰기 및 스커미온 메모리 장치(500)에서 데이터의 읽기 중 적어도 하나의 기능이 있다.
도 27은 데이터 통신 장비(900)의 구성 예를 나타낸다. 통신 장비(900)는 예를 들어 휴대 전화, 스마트 폰, 태블릿형 단말기 등 외부와의 통신 기능을 갖는 장치 전반을 가리킨다. 통신 장치(900)는 휴대용일 수 있고, 비 휴대용일 수도 있다. 통신 장치(900)는 스커미온 메모리 장치(500), 통신부(910)를 구비한다. 스커미온 메모리 장치(500)는 상기의 스커미온 메모리 장치(500)이다. 통신부(910)는 통신 장치(900)의 외부 통신 기능을 가진다. 통신부(910)는, 무선 통신 기능을 가지거나, 유선 통신 기능을 가지거나, 무선 통신 및 유선 통신의 쌍방의 기능을 가져도 좋다. 통신부(910)는 외부로부터 수신한 데이터를 스커미온 메모리 장치(500)에 기록하는 기능 스커미온 메모리 장치(500)로부터 읽어낸 데이터를 외부로 전송하는 기능 및 스커미온 메모리 장치(500)가 기억된 제어 정보에 따라 작동하는 기능 중 적어도 하나를 가진다.
이상과 같이, 고속, 또한, 저전력 스커미온(40)을 생성, 삭제 및 감지할 수 있는 스커미온 메모리 장치(500), 스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치(600), 데이터 기록 장치(700), 데이터 처리 장치(800) 및 통신 장치(900)를 제공할 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
스커미온(40)은 직경이 1 ~ 100nm와 나노 스케일의 크기를 갖는 매우 미세한 구조이며, 방대한 비트 정보를 극세밀화할 수 있는 대용량 자기 저장 매체로 응용할 수 있다. 스커미온 메모리는 열적으로 쓰기를 할 수 있다. 그리고 이 쓰기에 걸리는 시간도 수백 피코 초이다. 이러한 초고속 · 대용량 쓰기 및 삭제 가능한 자기 저장 매체(30)를 이용하는 것으로, 영화와 텔레비전의 이미지 기억에 이용하는 대규모 자기 저장 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
10 자성체 12 일면 14 다른 일면 20 자기장 발생부 30 자기 저장 매체, 40 스커미온 50 광 안테나, 55 가열침 57 첨단 60 레이저 70 레이저 광원, 80 가열 장치, 81 전원 82 제 1 전극, 83 자성 금속 84 제 2 전극, 87 다른 쪽 단자 91 전류계 92 절연체, 94 절연체, 100 데이터 기록 장치, 110 스커미온 메모리 유닛 층 130 CMOS-FET, 132 NMOS-FET, 133 PMOS-FET, 135 스커미온 선택선, 136 비트선 137 리드선 138 검출 회로, 139 FET, 160 메모리 층 170 제 1 배선층 171 제 1 배선 172 제 1 배선 보호막 173 비아 175 제 2배선층 176 제 2배선 177 제 2배선 보호막 200 데이터 기록 장치, 300 데이터 기록 장치, 410 스커미온 메모리, 500 스커미온 메모리 장치 600 스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치, 610 중앙 연산 처리 장치 700 데이터 기록 장치, 710 입출력 장치 800 데이터 처리 장치, 810 프로세서, 900 통신 장치, 910 통신부

Claims (21)

  1. 얇은 층상의 자성체;
    상기 자성체의 일면에 대향하여 마련되는 자기장 발생부;
    를 갖추고,
    상기 자성체의 상기 일면과 반대 측에 위치하는 상기 자성체의 다른 일면에서 열 에너지를 인가함으로써 스커미온을 생성 또는 삭제할 수 있는 자기 저장 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    얇은 층상의 상기 자성체의 평면 크기는 폭을 Wm, 높이를 hm으로 하면, 얇은 층상의 상기 자성체에 생성되는 스커미온의 직경(λ)에 대해
    Wm > λ/2, 이고,
    hm > λ/2
    가 되는 크기를 가지는 자기 저장 매체.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 상기 자성체를 준안정 강자성 상태로 하는 자기장이며, 상기 자성체의 스커미온 결정상에 상당하는 자기장을 발생하고
    상기 자성체의 다른 일면에서 열 에너지를 인가함으로써 상기 스커미온을 생성 또한 삭제할 수 있는,
    자기 저장 매체.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체가 준안정 강자성 상태인 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가하여 상기 스커미온을 생성하는 경우,
    길버트 감쇠 상수 α가 0.05 > α ≥ 0.01의 경우
    d ≥ 15a 이면서 kBT ≥ 1.0·J
    이며,
    a는 상기 자성체의 격자 상수이고, J는 상기 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이며, kB는 볼츠만 상수이고, d는 국소 열 스팟 사이즈 반경이며, T는 상기 열 에너지를 인가한 부위의 상기 자성체의 온도인,
    자기 저장 매체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체가 준안정 강자성 상태인 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가하여 상기 스커미온을 삭제하는 경우,
    길버트 감쇠 상수 α가 0.05 > α ≥ 0.01의 경우
    d ≥ 18a 이면서 kBT ≥ 1.5·J
    이며,
    a는 상기 자성체의 격자 상수이고, J는 상기 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이며, kB는 볼츠만 상수이고, d는 국소 열 스팟 사이즈 반경이며, T는 상기 열 에너지를 인가한 부위의 상기 자성체의 온도인,
    자기 저장 매체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체가 준안정 강자성 상태인 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가하여 상기 스커미온을 삭제하는 경우,
    상기 자성체의 열에너지 kBT가
    2.0J > kBT ≥ 1.5J 인 경우,
    상기 스커미온을 삭제할 때의 상기 열 에너지의 인가 시간은 200(1 / J) ≥ t ≥ 150(1 / J)이며,
    kBT ≥ 2.0J의 경우,
    상기 스커미온을 삭제할 때의 상기 열 에너지의 인가 시간은 250(1 / J) ≥ t ≥ 200(1 / J)이며,
    J는 상기 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이며, kB는 볼츠만 상수이고 T는 상기 열 에너지를 인가한 부위의 상기 자성체의 온도인,
    자기 저장 매체.

  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 발생부가 상기 자성체를 강자성 상태로 할 때, 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가함으로써 상기 스커미온을 생성 또는 삭제할 수 있는,
    자기 저장 매체.
  8. 제1항 또는 7항에 있어서,
    상기 자성체가 강자성 상태인 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가하여 상기 스커미온을 생성하는 경우,
    길버트 감쇠 상수 α가 0.05 > α ≥ 0.01의 경우
    d ≥ 15a 이면서 kBT ≥ 1.5·J
    이며,
    a는 상기 자성체의 격자 상수이고, J는 상기 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이며, kB는 볼츠만 상수이고, d는 국소 열 스팟 사이즈 반경이며, T는 상기 열 에너지를 인가한 부위의 상기 자성체의 온도인,
    자기 저장 매체.
  9. 제1항, 제7항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체가 강자성 상태인 상기 자성체의 상기 다른 일면에 상기 열 에너지를 국소적으로 인가하여 상기 스커미온을 삭제하는 경우,
    길버트 감쇠 상수 α가 0.05 ＞ α ≥ 0.01의 경우
    d ≥ 20a 이면서 kBT ≥ 1.5·J
    이며,
    a는 자성체의 격자 상수이고, J는 상기 자성체의 자기 교환 상호 작용의 크기이며, kB는 볼츠만 상수이고, d는 국소 열 스팟 사이즈 반경이며, T는 상기 열 에너지를 인가 된 부위의 상기 자성체의 온도인,
    자기 저장 매체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체는 상기 자기장 발생부가 인가하는 자기장에 따라, 상기 스커미온이 발생되는 스커미온 결정상과 강자성 상이 적어도 발현하는
    자기 저장 매체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성체는 카이럴 자성체, 다이폴 자성체, 불규칙한 자성체 또는 자성 재료와 비자성 재료의 적층 구조 중 하나로 이루어진
    자기 저장 매체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 자기 저장 매체와
    상기 자성체의 상기 다른 일면에 열 에너지를 인가하기 위한,
    레이저 광원,
    다른 레이저 광원이 출력하는 레이저 광을 전자파로 변환하는 광 안테나,
    가열침, 및
    집속한 전자선을 출력하는 집속 전자빔 발생 장치 중 어느 하나를 가지는,
    데이터 기록 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 자기 저장 매체와
    상기 자성체의 다른 일면의 상부에 인접해 마련된 절연체와 상기 절연체의 상부에 인접해 마련된 자성 금속을 가지는 제 1 전극,
    상기 일면 하단에 접해 마련된 금속으로 이루어진 제 2 전극을 구비하고,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 전압을 인가하고
    상기 절연체에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 줄열을 상기 자성체에 가하고,
    상기 자성체에 스커미온을 생성 또는 삭제하고
    상기 절연체를 흐르는 터널 전류에 의해 스커미온을 감지하는,
    스커미온 메모리.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 절연체와의 접촉면에서의 상기 제 1 전극의 평면 형상에서
    사각형의 한 변 또는 원형의 지름의 길이(D)는
    상기 열 에너지를 국소적으로 적용하는 경우의 국소 열 스팟 사이즈 반경(d)의 2배인,
    스커미온 메모리.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 스커미온 메모리의 외부에 마련되고,
    상기 제 1 전극의 상기 자성 금속과 상기 제 2 전극에 연결된 전원은,
    상기 스커미온을 생성하는 상기 절연체에 줄열을 발생하는 전류 펄스와
    상기 스커미온을 삭제하는 상기 절연체에 줄열을 발생하는 전류 펄스를 인가하는,
    스커미온 메모리.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 스커미온 메모리를 하나의 기억 단위 메모리로 하여 구성된 여러 스커미온 메모리와
    상기 복수의 스커미온 메모리의 적어도 하나에 전기적으로 접속 된 비트선과
    상기 복수의 스커미온 메모리의 적어도 하나에 전기적으로 접속한 선택선과
    상기 복수의 스커미온 메모리의 적어도 하나에 전기적으로 연결한 리드선 및
    상기 비트 라인, 상기 선택선 및 상기 리드선에 하나씩 연결되어 상기 복수의 스커미온 메모리 중 적어도 하나를 선택하는 여러 전계 효과 트랜지스터와,
    상기 리드선에 흐르는 전류를 증폭하여 상기 스커미온의 유무를 검출하는 검출 회로와
    를 구비하는 스커미온 메모리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스커미온 메모리 장치의 상기 자기장 발생부를 제외한 스커미온 메모리 유닛 층을 적층하고,
    상기 스커미온 메모리 유닛의 하단에 적어도 1층의 자기장 발생부를 가지는 스커미온 메모리 유닛의 다층 구조를 갖는,
    스커미온 메모리 장치.
  18. 제 16항에 기재된 스커미온 메모리 장치와 중앙 연산 처리 장치를 동일한 칩 내에 형성하고 있는,
    스커미온 메모리 구비 중앙 연산 처리 장치.
  19. 제 16항에 기재된 스커미온 메모리 장치를 구비하는 데이터 기록 장치.
  20. 제 16항에 기재된 스커미온 메모리 장치를 구비하는 데이터 처리 장치.
  21. 제 16항에 기재된 스커미온 메모리 장치를 구비한 통신 장치.
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