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運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子

国内特許コード P06A009096
整理番号 E066P04
掲載日 2006年6月16日
出願番号 特願2003-185848
公開番号 特開2005-019894
登録番号 特許第4006595号
出願日 平成15年6月27日(2003.6.27)
公開日 平成17年1月20日(2005.1.20)
登録日 平成19年9月7日(2007.9.7)
発明者
  • 永長 直人
  • 十倉 好紀
  • 寺倉 清之
  • 川崎 雅司
  • 朝光 敦
  • 方 忠
  • 高橋 圭
  • 山田 浩之
  • 小笠原 剛
  • マシュー・ローランド
  • 金子 良夫
出願人
  • 独立行政法人産業技術総合研究所
発明の名称 運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子
発明の概要

【課題】磁性材料のサイズが従来より小さくてもホール電圧が検出できる運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子を提供する。
【解決手段】運動量空間における磁気単極子は、電子スピン配置と電子構造とからエネルギーバンドが近接またはクロスする電子状態を有する固体材料において実現され、この固体材料のブロッホ波動関数の内積からベリー位相が定まり、ベリー位相からゲージ場が定まる。ゲージ場とフェルミ分布関数の積分から横伝導度が定まる。運動量空間のエネルギーバンドが近接または近接またはクロスする点においてはゲージ場が特異的振る舞いを示し、ホール効果において実効的に10ガウスに相当する磁気単極子が形成される。フェルミ面の位置によってホール係数の符合が変わる。固体材料が強磁性体金属SrRuOの場合の磁気単極子によるゲージ場を計算した結果を図2に示している。
【選択図】 図2

従来技術、競合技術の概要
ホール効果を利用するホール素子は、磁気センサ、磁気メモリ、あるいは、磁気光学効果素子として広く一般に利用されている。
ところで、情報産業の発達に伴い、情報記憶装置の記憶容量増大の要求は留まるところを知らない。例えば、画像の記憶などは膨大なメモリ容量を必要とするが、将来の情報産業においては、現状よりもさらに、高精細な画像記憶、膨大な数の画像記憶、長時間動画像記憶等が必要になる。このような磁気記憶装置において、将来の記憶容量増大の要求を実現するためには、情報の記憶単位、すなわちメモリ素子サイズの微小化が必要不可欠である。例えば、2005年には100Gビット/(インチ)2 を実現するためにメモリ素子の磁性材料サイズは30nm(300Å)が必要であると予測され、さらに、2010年には1000Gビット/(インチ)2 を実現するためにメモリ素子の磁性材料サイズは10nm(100Å)が必要になると予測されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平5-135569号公報
【非特許文献1】
R.Karplus and J.M.Luttinger,Phs.Rev.95,1154(1954)
【非特許文献2】
P.A.M.Dirac,Proc.Roy.A,133,60(1931);ibid,Phys.Rev.74,817(1948)
【非特許文献3】
G’t Hooft,Nucl.Phs.B79,276(1974);
A.M.Polyakov,Pis’ma Zh.Eksp,Teor.Fiz,20,430(1974)〔JETP Lett,20,194(1974)〕
【非特許文献4】
S.C.Gausephl,Mark Lee,R.A.Rao and C.B.Eom,Phs.Rev.54 8996(1996)
【非特許文献5】
Z.Fang,and K.Terakura,J.Phys.:Condens.Matt.14,3001(2002)
【非特許文献6】
C.S.Wang and J.Callaway,Phys.Rev.B9,4897(1974)
【非特許文献7】
G.Theurich,and N.A.Hill,Phys.Rev.B64,73106(2001)
【非特許文献8】
Z.Fang,N.Nagaosa,and K.Terakura,Phs.Rev.B,(2003),(also cond-mat/02120249;
T.Fujiwara and T.Hoshi,J.Phys.Soc.Jpn.66,1723(1997);
H.Kageshima and k.Shiraishi,Phys.Rev.B56,14985(1997)
【非特許文献9】
D.J.Singh,J.Appl.Phys.79,4818(1996)
【非特許文献10】
I.I.Mazin,and D.J.Singh,Phys.Rev.B56,2556(1997)
【非特許文献11】
P.Lambin and J.P.Vigneron,Phys.Rev.B29,3430(1984)
産業上の利用分野
本発明は運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 異常ホール効果を有する強磁性体薄膜の面内方向に電流を流し、この電流に直交する方向に外部磁場を印加し、この電流と外部磁場とに直交する方向に生ずるホール電圧から上記外部磁場を検出するホール素子において、
上記強磁性体薄膜として、電子スピン配置と電子構造とからエネルギーバンドが近接またはクロスする電子状態を有し、運動量空間における磁気単極子が生成しスピン軌道相互作用の非摂動論的効果による異常ホール効果を有する固体材料を用い
上記運動量空間における磁気単極子がブロッホ波動関数のベリー位相の項として定義され、上記ブロッホ波動関数が電子スピン配置と電子構造とからエネルギーバンドが近接またはクロスする電子状態を有する強磁性体のブロッホ波動関数であり、
上記強磁性体薄膜の膜厚が単原子層オーダーであり、
上記強磁性体薄膜の磁化容易化軸がこの薄膜平面に垂直であることを特徴とする、運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子。
【請求項2】 前記強磁性体は、Aをアルカリ土類元素、Bを遷移金属元素、Oを酸素元素とし、x、y及びzを上記それぞれの元素の組成比として、組成式Ax y z で表される強磁性体であることを特徴とする、請求項に記載の運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子。
【請求項3】 前記組成式Ax y z で表される強磁性体は、組成式ABO3 で表され、かつ、ペロブスカイト型結晶構造を有することを特徴とする、請求項に記載の運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子。
【請求項4】 異常ホール効果を有する固体材料薄膜の面内方向に電流を流し、この電流に直交する方向に外部磁場を印加し、この電流と外部磁場とに直交する方向に生ずるホール電圧から上記外部磁場を検出するホール素子において、
上記固体材料薄膜として、電子スピン配置と電子構造とからエネルギーバンドが近接またはクロスする電子状態を有し、運動量空間における磁気単極子が生成するSrRuO3 強磁性体の薄膜を用い
上記SrRuO3 強磁性体薄膜の膜厚が単原子層オーダーであり、
上記SrRuO3 強磁性体薄膜の磁化容易化軸がこの薄膜平面に垂直であることを特徴とする、運動量空間における磁気単極子を用いたホール素子。
産業区分
  • 固体素子
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2003185848thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
参考情報 (研究プロジェクト等) ERATO 十倉スピン超構造プロジェクト 領域
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