スピントロニクス装置及び論理演算素子
【課題】 電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置を提供する。
【解決手段】 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、電子と正孔とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域３０と、第１端面にオーミック接続し、電子をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２０と、第２端面にオーミック接続し、正孔をスピン流生成領域３０に注入する第２主電極４０とを備える。第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、電子と正孔とを同一方向に輸送されるように偏向して、電子と正孔の電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域３０における異常ホール効果によってスピン流を得る。
【解決手段】 互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、電子と正孔とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域３０と、第１端面にオーミック接続し、電子をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２０と、第２端面にオーミック接続し、正孔をスピン流生成領域３０に注入する第２主電極４０とを備える。第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、電子と正孔とを同一方向に輸送されるように偏向して、電子と正孔の電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域３０における異常ホール効果によってスピン流を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流を用いたスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子のスピンは、スピノール空間において「上向き」又は「下向き」の２つの値のみをもつ。多くの個別のスピンは、すべて上向き又は下向きになり、材料が磁性をもつ原因になる。近年、電子のスピンの特性を活用して生まれるスピン依存伝導現象の理解が進み、電子がもっている電荷を活用した半導体装置に代わり、電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス装置の開発が急速に進んでいる（特許文献１参照。）。従来の半導体装置の特性が電荷の通路又は格納によって決まるのに対して、スピントロニクス装置はそれに付属するスピンの量子力学特性によって決まる。特に、情報を大容量で高速に処理することができるスピントロニクス装置などが開発のターゲットとなっている。又、最近では、漏れ磁場や熱・エネルギー損失の問題を低減できることから、伝導電子スピンと局在電子スピンの間に働くスピントルクを利用するスピントロニクス装置が注目され、外部磁場を用いない磁化方向制御技術が確立されつつある。
【０００３】
このスピントロニクス装置の実現の鍵を握る主役として、電荷の流れを伴う「スピン偏極電流」と電荷の流れを伴わない「スピン流」が知られている。金属強磁性体内では、磁化の原因が伝導電子のスピン状態によるため、電流を流すだけでスピン偏極電流が発生する。一方、非磁性体に電流を流しても、スピン軌道相互作用による散乱で、電流に対して垂直方向にスピン流が生成する現象が「スピンホール効果」として知られており、強磁性体を使わない新しいスピン流の生成手法として、近年、非常に注目されている（非特許文献１参照。）。ここで、スピン流とは、磁気モーメントの輸送現象のうち、個別粒子の移動は伴うが電荷の輸送を伴わないものを指す。
【０００４】
導体に電流を流して磁場をかけると、伝導電子は磁場に対して垂直方向のローレンツ力を受け、運動方向が曲げられる。この現象は正常ホール効果とよばれ、電子工学の様々なセンサーに応用されてきた。スピンホール効果は、粒子にもともと備わっている角運動量（スピン）と軌道運動との相対論的相互作用に由来して起きる。スピンホール効果は、古典的なホール効果と対をなす現象であり、試料に電場をかけると、こうしたスピン磁気モーメントをもつ粒子の軌道が電場に垂直な方向に曲げられる。例えば、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）などの貴金属中を流れる電流には１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子の割合がそれぞれ５０％ずつ含まれているが、スピン軌道相互作用によって散乱されるとき、１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子が互いに反対方向に散乱され、互いに対向して蓄積されることを利用する。１／２スピンと−１／２スピンの電子が、一定距離を隔てて互いに対向して蓄積される結果、スピンホール効果によって、流している電流方向に対して垂直方向に、電荷輸送のない純粋なスピン流が生成する。
【０００５】
電荷の輸送としての電流は、キャリアの散乱体への衝突によってエネルギー散逸を受ける。これに対し、スピン流は電子の不純物やフォノンとの衝突の際に散乱を受けにくいため、スピン拡散長は平均自由行程よりかなり長いので弾道輸送（バリスティック輸送）も比較的容易になる。しかも、スピン流の舞台は、磁性体である必要はなく、非磁性の金属でも半導体でもよいので各種電子デバイスへの応用が可能である。しかしながら、スピン軌道相互作用はクーロン相互作用のような電気的相互作用よりも２桁以上弱いため、散乱確率が小さくなるので、従来のスピンホール効果による電流−スピン流変換効率が低い。そのため、従来のスピンホール効果によっては、高強度のスピン流が得られにくく、又スピン流が持続できる長さも数１００ｎｍ程度以下に限られるという不都合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８８３９０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｌ．ヴィラ（Vila）等,「白金線中のホール効果の考察（Evolution of the Spin Hall Effect in Pt Nanowires）：サイズ及び温度の効果（Size and Temperature Effects)」，フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett.)，第９９巻、 ｐ．２２６６０４ （２００７年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極とを備えるスピントロニクス装置であることを要旨とする。この第１の態様に係るスピントロニクス装置では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域にスピン流を得ることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極と、(d)第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第２の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、検出電極の磁化の方向を入力信号、第１主電極と検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極と、(d)第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第３の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、外部磁場の方向を第１の入力信号、第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、第１主電極と第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置を論理演算素子（ＮＯＴ）として用いる場合の真理値表である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の原理を説明するために、ホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としてのＧｄ薄膜を、水素雰囲気処理した後のＸ線回折を示す図である。
【図５】Ｇｄ薄膜の水素化前後の、７７Ｋにおけるホール抵抗の磁場依存性を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、７７ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果であり、図６（ｂ）は、３００ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果である。
【図７】水素処理前のＧｄ薄膜のホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図８】水素処理後のＧｄ薄膜のホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としてのニッケル・マンガン・アンチモン(Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂ）のホール抵抗の外部磁場μoＨ/温度依存性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としての酸化クロム(ＣｒＯ２)のホール抵抗の外部磁場μoＨ依存性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係るスピントロニクス装置を論理演算素子（ＸＯＲ）として用いる場合の真理値表である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットを説明する模式図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリの動作を説明する模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのセルアレイの一部を説明する平面図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態に係る高強度のスピン流を発生可能なスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。例えば、図１，図１１，図１２、図１４及び図１７等において、スピン流生成領域３０の各図の縦方向に測られる厚さ（第１端面と第２端面との間の距離）は、便宜上誇張した大きさで図示されており、現実の厚さはスピン拡散長を考慮すると図示よりも薄い方が好ましいトポロジーがあり得るので、厚みと平面寸法との関係は現実のものとは異なり得ることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１５】
又、以下に示す第１〜第５の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１６】
（第１の実施の形態：ＮＯＴ）
本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１に示すように、第１導電型キャリアと第２導電型キャリア（電子と正孔）とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面（第１端面）にオーミック接合された第１主電極２０、第１端面に平行に対向する端面（第２端面）にオーミック接合された第２主電極４０、第１端面及び第２端面と直交する側面（出力側面）の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極５０を有するスピン流変換素子１０と、スピン流変換素子１０の第１主電極２０と第２主電極４０との間に直流のバイアス電圧を印加する直流電源６とを備える。本発明において「ホール係数がゼロ」とは、ホール係数ＲＨが、１．５×１０‐11ｍ3／Ｃ以下の小さな値であり、実質的に「ホール係数がゼロ」が見なせればよい。
【００１７】
第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１と、検出電極５０の電位を示すノードＮ２との間に図示を省略した電圧計等の電位測定手段を更に備えており、電位測定手段が測定する電圧の変化により、スピン流変換素子１０の電流−スピン流変換したスピン流を検出する。即ち、第１主電極２０と検出電極５０との間の抵抗値の変化を検出して、スピン流生成領域３０で電流−スピン流変換したスピン流の有無を検出する。
【００１８】
図１に示すように、強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域３０に，バイアス電流（Ｙ方向）と外部磁場（Ｚ方向）を印加すると、定常状態では正常ホール効果によってＸ方向とＺ方向に電流は流れず、Ｚ方向に電場も発生しないので、抵抗率テンソルのｘｙ成分としてホール抵抗ρxｙ（＝−ρｙx）は、Ｚ方向の外部磁場Ｂ及び磁化Ｍを用いて、
ρxｙ＝ＲoＢ＋ＲsμoＭ ……（１）
で表すことができる。ここで、Ｒoは正常ホール係数であり、（１）式の右辺第１項がローレンツ力にもとづく正常ホール効果を示し、Ｒsは異常ホール係数で、μoは真空中の透磁率であり、右辺第２項が、スピン−軌道相互作用やスピンカイラリティ等による異常ホール効果を示す。正常ホール効果によるホール抵抗ρｘｙの外部磁場Ｂ依存性を図３（ａ）に、異常ホール効果によるホール抵抗ρｘｙの外部磁場Ｂ依存性を図３（ｂ）に示す。図３（ｃ）には、（１）式で示される正常ホール効果成分と異常ホール効果成分との和が示されている。
【００１９】
フェルミ面の曲率において正値と負値の領域がほぼ均等に分布し、曲率の平均値がゼロであれば、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された第１導電型キャリア及び第２導電型キャリア（電子及び正孔）は、電子濃度Ｎe＝正孔濃度Ｎh、且つ電子移動度μe＝正孔移動度μhとなるので、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に運ばれる総電荷量は電子と正孔によって相殺される。即ちフェルミ面の曲率の平均値が実質的にゼロであれば、正常ホール係数が実質的にゼロとなり、正常ホール効果におけるホール電圧が消失する。このため、正孔及び電子がホール電場から受ける力がなくなり、ローレンツ力との釣り合いがなくなる。よって、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された正孔及び電子が共にローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に偏向され、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）への電荷の流れは０となる。このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。
【００２０】
しかし、（１）式で示すように、スピン流生成領域３０では、正常ホール効果成分の他に異常ホール効果成分が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、量子論的確率にもとづいてスピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。このとき、スピン流生成領域３０が強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存してどちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。スピン流生成領域３０がさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生する。このとき、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ぶ総電荷量は電子と正孔によって相殺され、異常ホール係数が実質的にゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつスピン構造をもつとき、Ｘ方向にスピン流が発生する。
【００２１】
このように、両極性の導電性強磁性体のホール効果では、(i)正常ホール係数と異常ホール係数が共にゼロになり、(ii) 電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもち, (iii)電子スピンと正孔スピンが同じ符号をもつようなスピン構造をもつことによって横方向（＋Ｘ方向）に電荷輸送はないもののスピン輸送が行われる、スピン流を発生させることが可能である。上記の条件が揃えば、スピン流生成領域３０を構成する強磁性体は金属（縮退系）でもよいし、半導体（非縮体系）でもよいので、異種材料へのスピン流注入効率を悪くしている電気抵抗率の不整合の問題に対して利点がある。このような導電性強磁性体中のスピン流は磁場が印加できる領域ならばどこでも発生するものであるから、スピン拡散長が１００ｎｍ以下と短いものの、スピン偏極度が高く、ハーフメタルの場合は最大１００％とに及ぶという特徴をもつ。
【００２２】
上記の三つの条件は理想的な場合であって、これらの条件が満たされているときに最も大きい強度のスピン流が得られる。しかし、これらの条件が全て満たされなくても、スピン流を横方向（＋Ｘ方向）に生成することが実質的に可能である。横方向の電流ゼロ状態は、横回路を開放にする境界条件によって自動的に達成されるので、正常及び異常ホール係数が共にゼロでなくてもよい。ただし、両極性は必須条件である。単極性では回路開放状態のとき、キャリアは横方向に偏向できないからである。正常ホール係数が有限の値をもつことは電子スピンと正孔スピンの符号に関する条件（iii)を緩和する。なぜならば、正常ホール係数がゼロでないとき電子数密度と正孔数密度が等しくないので、互いに反対符号の電子スピンと正孔スピンが同じ方向に偏向しても、正味のスピン流が残るからである。
【００２３】
スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体としては、ガドリニウム(Ｇｄ)、Ｇｄの水素処理膜、酸化クロム(ＣｒＯ２)、ニッケル・マンガン・アンチモン(ＮｉＭｎＳｂ）等が好適である。図４は、Ｇｄ薄膜を水素雰囲気処理した後のＸ線回折を示す。Ｇｄの水素処理膜は[１１１]方向に配向した立方晶ＧｄＨ2相が８０％、[００１]方向に配向した六方晶Ｇｄ相が約２０％の共晶の可能性が高い。図５に示すように、Ｇｄ薄膜の水素化によってホール抵抗が約１０分の１になると共に，強磁性的振る舞いが明確になることが分かる。図６（ａ）は、７７ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果であり、図６（ｂ）は、３００ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果である。磁化は水素処理によって約３分の１に減少するが、ホール抵抗は約１０分の１まで減少するという特徴をもつ。
【００２４】
厚さ３００ｎｍのＧｄ薄膜に対してほぼ垂直に外部磁場Ｂ（Ｔ）を印加し、超伝導磁束量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）による実験値を磁化Ｍ（単位体積あたりの磁気モーメント）として用い、（１）式のホール抵抗ρxｙの測定値を再現するように正常ホール係数Ｒoと異常ホール係数Ｒsを決定した解析結果を、図７及び図８に示す。図７は、水素処理前のＧｄ薄膜のホール抵抗ρxｙの外部磁場Ｂ（Ｔ）依存性を示す。図７（ａ）に示すように、３００Ｋでは正常ホール係数Ｒoは負値（−１．０×１０―9ｍ3／Ｃ）図７（ｂ）に示すように、７７Ｋでは正常ホール係数Ｒoは正値（２．０×１０−10 ｍ3／Ｃ）になる。したがって、水素処理前のＧｄ薄膜の正常ホール係数Ｒoは、７７Ｋと３００Ｋの間でゼロ値をとる。このことは、Ｇｄが両極性伝導であることを意味し、Ｇｄが両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。
【００２５】
図８は、のＧｄの水素処理膜のホール抵抗ρxｙの外部磁場Ｂ（Ｔ）依存性を示す。図８（ａ）に示すように、３００Ｋでは正常ホール係数Ｒoは負値（−５．０×１０‐11ｍ3／Ｃ）であるが、図８（ｂ）に示すように、７７Ｋでは正常ホール係数Ｒoは正値（９．５×１０−11ｍ3／Ｃ）になる。したがって、Ｇｄの水素処理膜の正常ホール係数Ｒoは、７７Ｋと３００Ｋの間でゼロ値をとる。このことは、Ｇｄの水素処理膜が両極性伝導であることを意味し、Ｇｄの水素処理膜が両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。このようにＧｄ及びその水素処理膜では、７７Ｋと３００Ｋの間で確実に正常ホール係数ゼロ条件を満たすことができる。
【００２６】
一方、異常ホール係数Ｒsについては、Ｇｄでは−４．４×１０−８ｍ3／Ｃであるが（図７(a)）、水素処理後は、−４．１×１０−9ｍ3／Ｃのように約１０分の１に減少する（図7(b)）。このことは、水素処理工程が異常ホール係数ゼロ化に有効であることを意味する。
【００２７】
図７及び図８に示すとおり、Ｇｄ薄膜及びその水素処理膜共に、膜面に対して垂直方向に磁場を印加する場合は保持力が小さく軟磁性的振る舞いを示し、ゼロ磁場下では、磁化Ｍがほぼゼロである。したがって、スピン流を発生させるには、外部磁場Ｂが必要である。しかし、今後、結晶軸方向に対する磁場方向を制御するなど保持力を大きくする方法が見い出さられば、無磁場でも自発磁化による異常ホール効果を利用することによって、スピン流を生成できると期待できる。
【００２８】
図９は、スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体の他の例として、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂのホール抵抗ρxｙの外部磁場μoＨ/Ｔ依存性を示す。Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂのキュリー温度は７２８Ｋであるが、図９は厚さ８０ｎｍのＮｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂの、５０Ｋ，６０Ｋ，７０Ｋ，８０Ｋ，９０Ｋ，１００Ｋ，１１０Ｋ，１３０Ｋ，１５０Ｋ，２００Ｋ，２５０Ｋ，２９０Ｋのホール抵抗ρxｙを示す（図９中の挿入図は、厚さ５ｎｍのＮｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂの、４．２Ｋ，１００Ｋ，１５０Ｋ，１７５Ｋ，２００Ｋ，２５０Ｋ，３００Ｋのホール抵抗ρxｙを示す。）。ホール抵抗ρxｙが５０Ｋと２９０Ｋの間でゼロ値をとるので、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂが両極性伝導であることが分かり、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂが両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。
【００２９】
図１０は、スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体の他の例として、ＣｒＯ２のホール抵抗ρHの外部磁場μoＨ依存性を示す。ＣｒＯ２のキュリー温度は３９５Ｋであるが、図１０では１０Ｋ〜１００Ｋまでのホール抵抗ρHを示す。ホール抵抗ρHが１０Ｋと１００Ｋの間でゼロ値をとるので、ＣｒＯ２が両極性伝導であることが分かる。ＣｒＯ２のスピン編極度は約９０％であることが知られている。
【００３０】
図１においては、スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場ＢＨが印加されているが、検出電極５０は、磁場ＢＨに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）検出電極５０は、比抵抗が１．０×１０‐6Ωｍ以下とすることが好ましく、検出電極５０を構成する強磁性体として、例えばＣｏxＦｅyＮｉz（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のようなコバルト・鉄・ニッケル合金等を含む種々の強磁性体が採用可能である。検出電極５０を結晶性の強磁性体とする場合は磁化容易軸となる結晶軸方位をスピン流生成領域３０の側面（出力側面）に対して垂直となるようにそれぞれ選ぶのが好ましい。強磁性体が立方晶系であれば、［１００］，［０１０］，［−１００］，［０−１０］方向が磁化容易軸となる。
【００３１】
図１に示すように、スピン流変換素子１０の第１主電極２０をカソード、第２主電極４０をアノードとして、直流電源６から直流のバイアス電圧を印加すると、第１主電極２０において電子（第１導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第２主電極４０に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。又、第２主電極４０からは正孔（第２導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第１主電極２０に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。
【００３２】
第１主電極２０から注入された電子（第１導電型キャリア）、第２主電極４０から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、スピン流生成領域３０において、それぞれ検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に作用するローレンツ力を磁場ＢＨの下で受けて、検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ検出電極５０へ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、＋Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式で示すように、スピン流生成領域３０では正常ホール効果成分の他に異常ホール効果成分が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。スピン流生成領域３０が強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存して、どちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。スピン流生成領域３０がさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、正味の横電流＝０の条件で、検出電極５０へ向かうスピン流が発生する。
【００３３】
図２に真理値表を示すように、検出電極５０の磁化ＭＣが外部磁場ＢHに平行（Ｚ方向：上向き）の場合が入力信号＝１と定義し、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHに反平行（−Ｚ方向：下向き）の場合が入力信号＝０と定義すれば（図２において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）、第１の実施の形態に係るスピン流変換素子１０は、否定（ＮＯＴ）の出力信号を出力するＮＯＴゲートとして用いることが可能である。
【００３４】
検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと同方向（Ｚ方向）にしておけば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値は変化しない。このとき、ノードＮ１−Ｎ２間の検出電圧Ｖ２＝ＶUUとする（図２において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。一方、検出電極５０の磁化ＭＣを、外部磁場ＢHと逆方向（−Ｚ方向）にすると、スピン流があれば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じ、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値が増加し、このときの検出電圧Ｖ２＝ＶUD＞ＶUUとなるので、スピン流の有無を判定することができる。よって、図２の真理値表に示すように、入力信号が１の場合、出力電圧Ｖ２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）になる。一方、入力信号が０の場合、出力電圧Ｖ２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）になる。
【００３５】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る論理演算素子は、ハイレベル（＝１）の入力信号を反転してロウレベル（＝０）の出力信号を出力し、ロウレベル（＝０）の入力信号を反転してハイレベル（＝１）の出力信号を出力するインバータ（ＮＯＴゲート）として動作する。
【００３６】
第１の実施の形態に係る論理演算素子は、入力信号としての磁化の方向を保持することができるため、検出電極５０の磁化ＭＣの方向を反転させるまで、検出電極５０に継続して外部磁場を与えずに、一定の出力が可能である。
【００３７】
なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行で、出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、或いは第２端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状等であっても、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。
【００３８】
（第２の実施の形態：ＮＯＴ）
図１に示す第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置はバイアス電圧が直流の場合について例示的に説明したが、図１１に示すように２つの検出電極５１ａ，５１ｂをスピン流生成領域３０を挟み込むように配置することによって、バイアス電圧が交流の場合であってもスピン流の検出を行うことが可能である。
【００３９】
即ち、本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１１に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面にオーミック接合された第１主電極２０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面（第１端面）と対向する端面（第２端面）にオーミック接合された第２主電極４０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面と直交する一方の側面（第１出力側面）の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる第１の検出電極５１ａ、第１の検出電極５１ａと電気的に短絡され、第１出力側面に対向する他方の側面（第２出力側面）にオーミック接合され、第１の検出電極５１ａと同一の強磁性体からなる第２の検出電極５１ｂを有するスピン流変換素子１１と、スピン流変換素子１１の第１主電極２０と第２主電極４０との間に交流電圧を印加する交流電源７とを備える。
【００４０】
スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されている。スピン流生成領域３０中に注入された正孔と電子は、外部磁場ＢＨと交流電源７からの交流電流によって、第１の検出電極５１ａに向かう方向（−Ｘ方向）に働くローレンツ力、第２の検出電極５１ｂに向かう方向（Ｘ方向）に働くローレンツ力を交互に受け、異常ホール効果によって、どちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向するため、正味の横電流＝０の条件で、検出電極５０へ向かうスピン流が発生する。
【００４１】
第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置と同様に、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂは、それぞれ同一方向の磁化ＭＣを有しており、磁化ＭＣの方向は、制御用磁場によって、外部磁場ＢHに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に任意（自由）に設定可能である。
【００４２】
第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂからそれぞれ引き出され、互いに接合されたノードＮ２は、それぞれロックイン増幅器（ロックインアンプ）９に接続されており、ノードＮ３の電圧をロックインアンプにおける位相検波の参照信号として使用し、ノードＮ１−Ｎ２間の交流電圧の変化をロックイン増幅器９で測定することにより、第１主電極２０と、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂとの間の抵抗値の変化を検出できる。
【００４３】
第１の実施の形態で説明したように、磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと平行（Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化しない。磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと反平行（−Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近に異常ホール効果によってスピン蓄積が生じ、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加する。磁化ＭＣ、外部磁場ＢHが互いに平行の場合の検出電圧Ｖ２＝ＶUU、反平行な場合の検出電圧Ｖ２＝ＶUDとすると、スピン流生成領域３０中にスピン流が生成される場合はＶUU＜ＶUD、スピン流が生成されない場合はＶUU＝ＶUDの関係が成り立つ。このことを利用して、スピン流の有無を判定することができる。
【００４４】
なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行、第１出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直、第２出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第１端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状のような、種々の形状が第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。
【００４５】
図２に示した真理値表の場合と同様に、検出電極５０の磁化ＭＣが外部磁場ＢHに平行（Ｚ方向：上向き）の場合が入力信号＝１と定義し、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHに反平行（−Ｚ方向：下向き）の場合が入力信号＝０と定義すれば、第２の実施の形態に係るスピン流変換素子１０も否定（ＮＯＴ）の出力信号を出力するＮＯＴゲートとして用いることが可能である。
【００４６】
（第３の実施の形態：ＸＯＲ）
本発明の第３の実施の形態に係る論理演算素子１２は、図１２に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０と、スピン流生成領域３０の端面にオーミック接合され、電子（第１導電型キャリア）をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２２と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と対向する端面にオーミック接合された第２主電極４０と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極５０とを備える。
【００４７】
第３の実施の形態に係る論理演算素子１２は、外部磁場ＢＨの方向を第１入力信号Ａ＝０，１、検出電極５０の磁化ＭＣの方向を第２入力信号Ｃ＝０，１とし、図１３の真理値表に示されたような排他的論理和（ＸＯＲ）の出力信号を出力するＸＯＲゲートである。
【００４８】
第１主電極２２、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなすスピン流生成領域３０の平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されるが、図１２及び図１３において、外部磁場ＢＨがＺ方向の場合の第１入力信号Ａを１とし、−Ｚ方向の場合の第１入力信号Ａを０とする。同様に、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢＨと平行（Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを１、反平行（−Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを０とする（図１３において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。
【００４９】
図１３に真理値表を示すように、第３の実施の形態に係る論理演算素子１２においては、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが１の場合は、異常ホール効果によってスピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）になる。
【００５０】
第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが０の場合は、異常ホール効果によってスピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）になる。
【００５１】
第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが１の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に下向き（−Ｚ方向）に電子が注入され、異常ホール効果によって、第２主電極４０から注入される正孔と共に、検出電極５０に向かうスピン流となる。 検出電極５０は、上向き（Ｚ方向）の磁化ＭＣを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じる。よってノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）となる。
【００５２】
第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが０の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に、下向き（−Ｚ方向）に電子が注入され、異常ホール効果によって、第２主電極４０から注入される正孔とで、検出電極５０に向かうスピン流となる。検出電極５０は、下向き（−Ｚ方向）の磁化ＭＣを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）となる。
【００５３】
（第４の実施の形態：スピン・メモリ）
本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットは、図１４に示すように、第１導電型キャリアと第２導電型キャリア（電子と正孔）とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１スピン流生成領域３０ijaと、第１スピン流生成領域３０ijaの上部端部及び下部端部との間に第１スイッチＳijaを介して直流のバイアス電圧を印加する第１直流電源Ｖijaと、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２スピン流生成領域３０ijbと、第２スピン流生成領域３０ijbの上部端部及び下部端部との間に第２スイッチＳijbを介して直流のバイアス電圧を印加する第２直流電源Ｖijbと、それぞれの上部端部及び下部端部との間の中央近傍に位置し、第１スピン流生成領域３０ijaの側面（出力側面）と第２スピン流生成領域３０ijbの間に金属学的に接合されて挟まれた強磁性金属層からなる磁化自由層６０ijと、磁化自由層６０ijの上に設けられた、厚さ１〜２ｎｍの絶縁体層からなる非磁性層６１ijと、非磁性層６１ijの上に設けられた強磁性金属層からなる磁化固定層６２ijと、磁化固定層６２ijに接続された第３スイッチＳijcとを備える。 磁化自由層６０ijと、磁化自由層６０ijの上に設けられた非磁性層６１ijと、非磁性層６１ijの上に設けられた磁化固定層６２ijとでトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）型検出電極を構成している。 磁化自由層６０ij及び磁化固定層６２ijとしては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はそれらを主成分とする合金を用いることができる。この中で特にＦｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏなどが望ましい。又これらの磁性体には、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、硼素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブテン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種性質を調整してもよい。 なお、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijは同じ材料である必要はなく、磁気特性、プロセス条件など必要に応じて上記材料より個別に任意に選択してよい。 非磁性層６１ijとしては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、などの絶縁体が好ましい。但し、他にＣｕ、Ｃｒ、Ａｌ、亜鉛（Ｚｎ）などの非磁性金属を用いることもできる。又非磁性層６１ijに用いる絶縁体は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素などの過不足が存在してもよい。
【００５４】
図１４において、第３スイッチＳijcを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、左側の第１スイッチＳijaを閉じる（ＯＮ状態）と、上部端部をカソード、下部端部をアノードとして、第１直流電源Ｖijaから直流のバイアス電圧を印加すると、上部端部において電子（第１導電型キャリア）が第１スピン流生成領域３０ijaに注入され、第１スピン流生成領域３０ija中を下部端部に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。又、下部端部からは正孔（第２導電型キャリア）が第１スピン流生成領域３０ijaに注入され、第１スピン流生成領域３０ija中を上部端部に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。上部端部から注入された電子（第１導電型キャリア）、下部端部から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、第１スピン流生成領域３０ijaにおいて、Ｚ方向に向かう外部磁場ＢＨのローレンツ力を受けて、磁化自由層６０ijに向かう方向（Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ磁化自由層６０ijへ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式に示すように、第１スピン流生成領域３０ijaでは正常ホール効果の他に、異常ホール効果が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaが強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存してどちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaがさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、上向き（Ｚ方向）にスピン偏極した電子と正孔が磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijへ向かうスピン流が発生する。
【００５５】
一方、図１４において、第３スイッチＳijcを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、右側の第２スイッチＳijbを閉じる（ＯＮ状態）と、下部端部をカソード、上部端部をアノードとして、第２直流電源Ｖijbから直流のバイアス電圧を印加すると、下部端部において電子（第２導電型キャリア）が第２スピン流生成領域３０ijbに注入され、第２スピン流生成領域３０ijb中を上部端部に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。又、上部端部からは正孔（第２導電型キャリア）が第２スピン流生成領域３０ijbに注入され、第２スピン流生成領域３０ijb中を下部端部に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。下部端部から注入された電子（第２導電型キャリア）、上部端部から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、第２スピン流生成領域３０ijbにおいて、Ｚ方向に向かう外部磁場ＢＨのローレンツ力を受けて、磁化自由層６０ijに向かう方向（−Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ磁化自由層６０ijへ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式に示すように、第２スピン流生成領域３０ijbでは正常ホール効果の他に、異常ホール効果が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。第２スピン流生成領域３０ijbが強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存して、どちらかのスピンの方がより多く−Ｘ方向に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaがさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極した電子と正孔が磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijへ向かうスピン流が発生する。
【００５６】
第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、第３スイッチＳijcを介して、ＴＭＲ素子の膜面に対して垂直に電圧をかけるとトンネル効果により絶縁体層にトンネル電流が流れる。ＴＭＲ素子を構成する強磁性トンネル接合では、アップスピンとダウンスピンで電子が絶縁体をトンネルする確率が異なり、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが平行のときに電流が流れやすく、反平行のときに流れにくい。強磁性体からなる磁化自由層６０ij中の伝導電子は、第１スピン流生成領域３０ijaから注入されたスピン流、若しくは第２スピン流生成領域３０ijbから注入されたスピン流によって、スピン偏極してメモリー情報を記憶しているので、スピン偏極の状態によって、トンネル電流が変化し、トンネル電流が感じる抵抗の変化としてメモリー情報を読み出すことができる。
【００５７】
磁化固定層６２ijの磁化の向きをダウンスピン（−Ｚ方向）として磁化を固定したとして、図１５を用いて、第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットの動作を説明する。
【００５８】
（ａ）図１５に示すとおり、先ず、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbが共にＯＦＦ状態で、初期状態として、磁化自由層６０ij がアップスピン（＋Ｚ方向）であれば、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが反平行であり、ＴＭＲ抵抗が高いので、ハイレベル（＝１）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００５９】
（ｂ）次に、第３スイッチＳijc及び第２スイッチＳijbが開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第１スイッチＳijaを閉じる（ＯＮ状態）と、上部端部をカソード、下部端部をアノードとして、直流のバイアス電圧が印加され、正常及び異常ホール効果によって、下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極したキャリアが磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijにダウンスピン（−Ｚ方向）のスピン流が注入され、磁化自由層６０ijにダウンスピンが記憶される。その後、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを共にＯＦＦ状態として、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが平行であるので、ＴＭＲ抵抗が低く、ロウレベル（＝０）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００６０】
（ｃ）次に、第３スイッチＳijc及び第１スイッチＳijaが開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第２スイッチＳijbを閉じる（ＯＮ状態）と、下部端部をカソード、上部端部をアノードとして、直流のバイアス電圧が印加され、正常及び異常ホール効果によって、上向き（＋Ｚ方向）にスピン偏極したキャリアが磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijにアップスピン（＋Ｚ方向）のスピン流が注入され、磁化自由層６０ijにアップスピンが記憶される。その後、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを共にＯＦＦ状態として、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが反平行であるので、ＴＭＲ抵抗が高く、ハイレベル（＝１）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００６１】
図１６は、本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのセルアレイの一部を説明する平面図である。セルアレイの周辺には、Ｘセレクタ、Ｙセレクタ、センスアンプ等が配置されるが、図示を省略している。図１６に示すとおり、セルアレイは、Ｘ方向へ延在する第１のワード線１Ａ，２Ａ，３Ａ，…、第２のワード線１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，…、第３のワード線１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，…と、Ｙ方向へ延在するビット線１，２，３，…と、複数の第１のワード線１Ａ，２Ａ，３Ａ，…、第２のワード線１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，…、第３のワード線１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，…とビット線１，２，３，…との交点の各々に対応して行列状に設けられた複数のメモリユニットとを備える。 図１６の１行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ11aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０11aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ11bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０11bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ11cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２11に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０11aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０11ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０11と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。同様に、図１６の１行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ12aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０12aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ12bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０12bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ12cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２12に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタであり、図１６の１行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ13aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０13aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ13bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０13bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ13cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２13に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０1２aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０12ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０12と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６２】
更に、図１６の２行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ21aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０21aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ21bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０21bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ21cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２21に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０21aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０21ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０21と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の２行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ22aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０22aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ22bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０22bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ22cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２22に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０22aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０22ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０22と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の２行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ23aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０23aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ23bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０23bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ23cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２23に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０2３aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０23ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０23と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６３】
更に、図１６の３行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ31aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０31aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ31bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０31bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ31cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２31に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０31aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０31ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０31と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の３行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ32aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０32aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ32bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０32bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ32cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２32に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０32aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０32ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０32と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の３行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ33aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０33aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ33bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０33bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ33cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２33に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０33aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０33ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０33と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６４】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１７に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１のスピン流生成領域３４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の一方の端面にオーミック接合され、電子を第１のスピン流生成領域３４-1に注入する第１の第１主電極２４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第１のスピン流生成領域３４-1に注入する第1の第２主電極４４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第１の検出電極５４-1を備える第１のスピン流変換素子１４-1と；第１のスピン流生成領域３４-1と第１の検出電極５４-1を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２のスピン流生成領域３４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の一方の端面にオーミック接合され、電子を第２のスピン流生成領域３４-2に注入する第２の第１主電極２４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第２のスピン流生成領域３４-2に注入する第２の第２主電極４４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第２の検出電極５４-2を備える第２のスピン流変換素子１４-2と；第２のスピン流生成領域３４-2と第２の検出電極５４-2を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第３のスピン流生成領域３４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の一方の端面にオーミック接合され、電子を第３のスピン流生成領域３４-3に注入する第３の第１主電極２４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第３のスピン流生成領域３４-3に注入する第３の第２主電極４４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第３の検出電極５４-3を備える第３のスピン流変換素子１４-3と；……；第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）と第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第ｎのスピン流生成領域３４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの一方の端面にオーミック接合され、電子を第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入する第ｎの第１主電極２４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入する第ｎの第２主電極４４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第ｎの検出電極５４-nを備える第ｎのスピン流変換素子１４-nと；このようにタンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-nと第２主電極４４-1〜４４-nとの間にそれぞれ直流のバイアス電圧を並列的に印加する直流電源５とを備え、高強度のスピン流を発生する。
【００６５】
図１７に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nは、複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-n、スピン流生成領域３４-1〜３４-n、第２主電極４４-1〜４４-n及び検出電極５４-1〜５４-nがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されるとき、検出電極５４-1〜５４-nは、外部磁場ＢＨの方向に対して平行（Ｚ方向）にそれぞれ磁化ＭＣの方向を有する。
【００６６】
検出電極５４-1〜５４-nは、好ましくは、保磁力が３００ｍＴ程度以上の強磁性体から構成することができ、比抵抗が１．０×１０‐6Ωｍ以下とすることが好ましい。検出電極５４-1〜５４-nを構成する物質として、例えばＣｏxＦｅyＮｉz（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。
【００６７】
図１７に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nのそれぞれの第１主電極２４-1〜２４-nをカソード、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nをアノードとして、直流電源５から直流のバイアス電圧をそれぞれに印加すると、第１主電極２４-1〜２４-nから電子が、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nに注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第２主電極４４-1〜４４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。又、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nからは正孔がスピン流生成領域３４-1〜３４-nにそれぞれ注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第１主電極２４-1〜２４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。
【００６８】
それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nにおいて、第１主電極２４-1〜２４-nからそれぞれ注入された電子、第２主電極４４-1〜４４-nから注入された正孔は、外部磁場ＢＨによるローレンツ力を受けて、それぞれ第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ湾曲し、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ進行する。上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定したそれぞれの検出電極５４-1〜５４-nへ向かう正孔と電子の数はほぼ等しいので、両キャリアが運ぶ総電荷量は０と考えることができ、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n内に、正常及び異常ホール効果によって、検出電極５４-1〜５４-nへ向かって、Ｘ方向にそれぞれスピン流が生成する。
【００６９】
即ち、第１の第１主電極２４-1から第１のスピン流生成領域３４-1に注入された電子と第１の第２主電極４４-1から第１のスピン流生成領域３４-1に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流は、第１の検出電極５４-1が上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定しているので、第１の検出電極５４-1に電荷の流れを伴わずに流れ込ませることができる。このため、第２のスピン流生成領域３４-2においては、第２の第１主電極２４-2から第２のスピン流生成領域３４-2に注入された電子と第２の第２主電極４４-2から第２のスピン流生成領域３４-2に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第１の検出電極５４-1を介して第２のスピン流生成領域３４-2に注入された第１のスピン流生成領域３４-1からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は、第２の検出電極５４-2が上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定しているので、第２の検出電極５４-2に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第３のスピン流生成領域３４-3においては、第３の第１主電極２４-3から第３のスピン流生成領域３４-3に注入された電子と第３の第２主電極４４-3から第３のスピン流生成領域３４-3に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第２の検出電極５４-2を介して第３のスピン流生成領域３４-3に注入された第１のスピン流生成領域３４-1及び第２のスピン流生成領域３４-2からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は第３の検出電極５４-3に電荷の流れを伴わずに流れ込める。同様にして、第ｎのスピン流生成領域３４-nにおいては、第ｎの第１主電極２４-nから第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された電子と第ｎの第２主電極４４-nから第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）からのスピン流とが重畳される。このようにして、タンデムに多段接続された複数のスピン流生成領域３４-1〜３４-n内でそれぞれ異常ホール効果によって発生したスピン流は、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nにかけて次第に重畳され強度を増す。高強度のスピン流は、第ｎのスピン流変換素子１４-nの第ｎの検出電極５４-nから、図示を省略した外部装置に出力される。
【００７０】
図１７に示す第５の実施の形態に係るスピントロニクス装置においては、外部磁場ＢＨの方向と、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える検出電極５４-1〜５４-nの磁化Ｍcの方向とは、それぞれ互いに平行であるので、すべてのスピン流変換素子１４-1〜１４-nにおいてスピン蓄積は生じず、検出電極５４-1〜５４-nを介してスピン流をタンデムに逐次重畳して増幅し、電荷の流れを伴わずに高強度のスピン流を発生させることができる。
【００７１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７２】
詳細な説明を省略するが、例えば、本発明のスピン流変換素子は、スピントルク型磁気抵抗ＲＡＭ、スピントランスファートルク型発振素子、スピンゼーベック効果素子、スピン流−熱流変換による冷却素子等にも適用可能であることは、上記の説明から理解できるであろう。
【００７３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００７４】
Ｓija…第１スイッチ
Ｓijb…第２スイッチ
Ｓijc…第３スイッチ
Ｖija…第１直流電源
Ｖijb…第２直流電源
１，２，３，…ビット線
１Ａ．２Ａ，３Ａ…第１のワード線
１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ…第２のワード線
１Ｃ．２Ｃ，３Ｃ…第３のワード線
５…直流電源
６…直流電源
７…交流電源
９…ロックイン増幅器
１０，１１，１４-1〜１４-n…スピン流変換素子
１２…論理演算素子
２０，２２，２３，２４-1〜２４-n…第１主電極
３０，３４-1〜３４-n…スピン流生成領域
４０，４４-1〜４４-n，…第２主電極
５０，５１ａ，５１ｂ，５４-1〜５４-n…検出電極
６０ij…磁化自由層
６１ij…非磁性層
６２ij…磁化固定層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン流を用いたスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子のスピンは、スピノール空間において「上向き」又は「下向き」の２つの値のみをもつ。多くの個別のスピンは、すべて上向き又は下向きになり、材料が磁性をもつ原因になる。近年、電子のスピンの特性を活用して生まれるスピン依存伝導現象の理解が進み、電子がもっている電荷を活用した半導体装置に代わり、電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス装置の開発が急速に進んでいる（特許文献１参照。）。従来の半導体装置の特性が電荷の通路又は格納によって決まるのに対して、スピントロニクス装置はそれに付属するスピンの量子力学特性によって決まる。特に、情報を大容量で高速に処理することができるスピントロニクス装置などが開発のターゲットとなっている。又、最近では、漏れ磁場や熱・エネルギー損失の問題を低減できることから、伝導電子スピンと局在電子スピンの間に働くスピントルクを利用するスピントロニクス装置が注目され、外部磁場を用いない磁化方向制御技術が確立されつつある。
【０００３】
このスピントロニクス装置の実現の鍵を握る主役として、電荷の流れを伴う「スピン偏極電流」と電荷の流れを伴わない「スピン流」が知られている。金属強磁性体内では、磁化の原因が伝導電子のスピン状態によるため、電流を流すだけでスピン偏極電流が発生する。一方、非磁性体に電流を流しても、スピン軌道相互作用による散乱で、電流に対して垂直方向にスピン流が生成する現象が「スピンホール効果」として知られており、強磁性体を使わない新しいスピン流の生成手法として、近年、非常に注目されている（非特許文献１参照。）。ここで、スピン流とは、磁気モーメントの輸送現象のうち、個別粒子の移動は伴うが電荷の輸送を伴わないものを指す。
【０００４】
導体に電流を流して磁場をかけると、伝導電子は磁場に対して垂直方向のローレンツ力を受け、運動方向が曲げられる。この現象は正常ホール効果とよばれ、電子工学の様々なセンサーに応用されてきた。スピンホール効果は、粒子にもともと備わっている角運動量（スピン）と軌道運動との相対論的相互作用に由来して起きる。スピンホール効果は、古典的なホール効果と対をなす現象であり、試料に電場をかけると、こうしたスピン磁気モーメントをもつ粒子の軌道が電場に垂直な方向に曲げられる。例えば、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）などの貴金属中を流れる電流には１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子の割合がそれぞれ５０％ずつ含まれているが、スピン軌道相互作用によって散乱されるとき、１／２スピンの電子と−１／２スピンの電子が互いに反対方向に散乱され、互いに対向して蓄積されることを利用する。１／２スピンと−１／２スピンの電子が、一定距離を隔てて互いに対向して蓄積される結果、スピンホール効果によって、流している電流方向に対して垂直方向に、電荷輸送のない純粋なスピン流が生成する。
【０００５】
電荷の輸送としての電流は、キャリアの散乱体への衝突によってエネルギー散逸を受ける。これに対し、スピン流は電子の不純物やフォノンとの衝突の際に散乱を受けにくいため、スピン拡散長は平均自由行程よりかなり長いので弾道輸送（バリスティック輸送）も比較的容易になる。しかも、スピン流の舞台は、磁性体である必要はなく、非磁性の金属でも半導体でもよいので各種電子デバイスへの応用が可能である。しかしながら、スピン軌道相互作用はクーロン相互作用のような電気的相互作用よりも２桁以上弱いため、散乱確率が小さくなるので、従来のスピンホール効果による電流−スピン流変換効率が低い。そのため、従来のスピンホール効果によっては、高強度のスピン流が得られにくく、又スピン流が持続できる長さも数１００ｎｍ程度以下に限られるという不都合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８８３９０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｌ．ヴィラ（Vila）等,「白金線中のホール効果の考察（Evolution of the Spin Hall Effect in Pt Nanowires）：サイズ及び温度の効果（Size and Temperature Effects)」，フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett.)，第９９巻、 ｐ．２２６６０４ （２００７年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極とを備えるスピントロニクス装置であることを要旨とする。この第１の態様に係るスピントロニクス装置では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、スピン流生成領域にスピン流を得ることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極と、(d)第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第２の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、検出電極の磁化の方向を入力信号、第１主電極と検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様は、(a)互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、(b)第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第１主電極と、(c)第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアをスピン流生成領域に注入する第２主電極と、(d)第１端面に直交するスピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極とを備える論理演算素子であることを要旨とする。この第３の態様に係る論理演算素子では、第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、外部磁場の方向を第１の入力信号、第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、第１主電極と第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流−スピン流変換効率が高く、高強度のスピン流が得られるスピントロニクス装置、及びこのスピントロニクス装置を用いた論理演算素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置を論理演算素子（ＮＯＴ）として用いる場合の真理値表である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置の原理を説明するために、ホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としてのＧｄ薄膜を、水素雰囲気処理した後のＸ線回折を示す図である。
【図５】Ｇｄ薄膜の水素化前後の、７７Ｋにおけるホール抵抗の磁場依存性を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、７７ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果であり、図６（ｂ）は、３００ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果である。
【図７】水素処理前のＧｄ薄膜のホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図８】水素処理後のＧｄ薄膜のホール抵抗の外部磁場依存性を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としてのニッケル・マンガン・アンチモン(Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂ）のホール抵抗の外部磁場μoＨ/温度依存性を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域として用いる両極性伝導特性をもつ強磁性体の候補としての酸化クロム(ＣｒＯ２)のホール抵抗の外部磁場μoＨ依存性を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係るスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係るスピントロニクス装置を論理演算素子（ＸＯＲ）として用いる場合の真理値表である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットを説明する模式図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリの動作を説明する模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのセルアレイの一部を説明する平面図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態に係る高強度のスピン流を発生可能なスピントロニクス装置の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。例えば、図１，図１１，図１２、図１４及び図１７等において、スピン流生成領域３０の各図の縦方向に測られる厚さ（第１端面と第２端面との間の距離）は、便宜上誇張した大きさで図示されており、現実の厚さはスピン拡散長を考慮すると図示よりも薄い方が好ましいトポロジーがあり得るので、厚みと平面寸法との関係は現実のものとは異なり得ることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１５】
又、以下に示す第１〜第５の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１６】
（第１の実施の形態：ＮＯＴ）
本発明の第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１に示すように、第１導電型キャリアと第２導電型キャリア（電子と正孔）とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面（第１端面）にオーミック接合された第１主電極２０、第１端面に平行に対向する端面（第２端面）にオーミック接合された第２主電極４０、第１端面及び第２端面と直交する側面（出力側面）の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極５０を有するスピン流変換素子１０と、スピン流変換素子１０の第１主電極２０と第２主電極４０との間に直流のバイアス電圧を印加する直流電源６とを備える。本発明において「ホール係数がゼロ」とは、ホール係数ＲＨが、１．５×１０‐11ｍ3／Ｃ以下の小さな値であり、実質的に「ホール係数がゼロ」が見なせればよい。
【００１７】
第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１と、検出電極５０の電位を示すノードＮ２との間に図示を省略した電圧計等の電位測定手段を更に備えており、電位測定手段が測定する電圧の変化により、スピン流変換素子１０の電流−スピン流変換したスピン流を検出する。即ち、第１主電極２０と検出電極５０との間の抵抗値の変化を検出して、スピン流生成領域３０で電流−スピン流変換したスピン流の有無を検出する。
【００１８】
図１に示すように、強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域３０に，バイアス電流（Ｙ方向）と外部磁場（Ｚ方向）を印加すると、定常状態では正常ホール効果によってＸ方向とＺ方向に電流は流れず、Ｚ方向に電場も発生しないので、抵抗率テンソルのｘｙ成分としてホール抵抗ρxｙ（＝−ρｙx）は、Ｚ方向の外部磁場Ｂ及び磁化Ｍを用いて、
ρxｙ＝ＲoＢ＋ＲsμoＭ ……（１）
で表すことができる。ここで、Ｒoは正常ホール係数であり、（１）式の右辺第１項がローレンツ力にもとづく正常ホール効果を示し、Ｒsは異常ホール係数で、μoは真空中の透磁率であり、右辺第２項が、スピン−軌道相互作用やスピンカイラリティ等による異常ホール効果を示す。正常ホール効果によるホール抵抗ρｘｙの外部磁場Ｂ依存性を図３（ａ）に、異常ホール効果によるホール抵抗ρｘｙの外部磁場Ｂ依存性を図３（ｂ）に示す。図３（ｃ）には、（１）式で示される正常ホール効果成分と異常ホール効果成分との和が示されている。
【００１９】
フェルミ面の曲率において正値と負値の領域がほぼ均等に分布し、曲率の平均値がゼロであれば、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された第１導電型キャリア及び第２導電型キャリア（電子及び正孔）は、電子濃度Ｎe＝正孔濃度Ｎh、且つ電子移動度μe＝正孔移動度μhとなるので、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に運ばれる総電荷量は電子と正孔によって相殺される。即ちフェルミ面の曲率の平均値が実質的にゼロであれば、正常ホール係数が実質的にゼロとなり、正常ホール効果におけるホール電圧が消失する。このため、正孔及び電子がホール電場から受ける力がなくなり、ローレンツ力との釣り合いがなくなる。よって、磁場に垂直な面内で互いに逆方向に注入された正孔及び電子が共にローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）に偏向され、ローレンツ力の働く方向（Ｘ方向）への電荷の流れは０となる。このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。
【００２０】
しかし、（１）式で示すように、スピン流生成領域３０では、正常ホール効果成分の他に異常ホール効果成分が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、量子論的確率にもとづいてスピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。このとき、スピン流生成領域３０が強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存してどちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。スピン流生成領域３０がさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生する。このとき、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ぶ総電荷量は電子と正孔によって相殺され、異常ホール係数が実質的にゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつスピン構造をもつとき、Ｘ方向にスピン流が発生する。
【００２１】
このように、両極性の導電性強磁性体のホール効果では、(i)正常ホール係数と異常ホール係数が共にゼロになり、(ii) 電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもち, (iii)電子スピンと正孔スピンが同じ符号をもつようなスピン構造をもつことによって横方向（＋Ｘ方向）に電荷輸送はないもののスピン輸送が行われる、スピン流を発生させることが可能である。上記の条件が揃えば、スピン流生成領域３０を構成する強磁性体は金属（縮退系）でもよいし、半導体（非縮体系）でもよいので、異種材料へのスピン流注入効率を悪くしている電気抵抗率の不整合の問題に対して利点がある。このような導電性強磁性体中のスピン流は磁場が印加できる領域ならばどこでも発生するものであるから、スピン拡散長が１００ｎｍ以下と短いものの、スピン偏極度が高く、ハーフメタルの場合は最大１００％とに及ぶという特徴をもつ。
【００２２】
上記の三つの条件は理想的な場合であって、これらの条件が満たされているときに最も大きい強度のスピン流が得られる。しかし、これらの条件が全て満たされなくても、スピン流を横方向（＋Ｘ方向）に生成することが実質的に可能である。横方向の電流ゼロ状態は、横回路を開放にする境界条件によって自動的に達成されるので、正常及び異常ホール係数が共にゼロでなくてもよい。ただし、両極性は必須条件である。単極性では回路開放状態のとき、キャリアは横方向に偏向できないからである。正常ホール係数が有限の値をもつことは電子スピンと正孔スピンの符号に関する条件（iii)を緩和する。なぜならば、正常ホール係数がゼロでないとき電子数密度と正孔数密度が等しくないので、互いに反対符号の電子スピンと正孔スピンが同じ方向に偏向しても、正味のスピン流が残るからである。
【００２３】
スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体としては、ガドリニウム(Ｇｄ)、Ｇｄの水素処理膜、酸化クロム(ＣｒＯ２)、ニッケル・マンガン・アンチモン(ＮｉＭｎＳｂ）等が好適である。図４は、Ｇｄ薄膜を水素雰囲気処理した後のＸ線回折を示す。Ｇｄの水素処理膜は[１１１]方向に配向した立方晶ＧｄＨ2相が８０％、[００１]方向に配向した六方晶Ｇｄ相が約２０％の共晶の可能性が高い。図５に示すように、Ｇｄ薄膜の水素化によってホール抵抗が約１０分の１になると共に，強磁性的振る舞いが明確になることが分かる。図６（ａ）は、７７ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果であり、図６（ｂ）は、３００ＫにおけるＧｄ薄膜の水素処理前後の磁化の磁場依存性の測定結果である。磁化は水素処理によって約３分の１に減少するが、ホール抵抗は約１０分の１まで減少するという特徴をもつ。
【００２４】
厚さ３００ｎｍのＧｄ薄膜に対してほぼ垂直に外部磁場Ｂ（Ｔ）を印加し、超伝導磁束量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）による実験値を磁化Ｍ（単位体積あたりの磁気モーメント）として用い、（１）式のホール抵抗ρxｙの測定値を再現するように正常ホール係数Ｒoと異常ホール係数Ｒsを決定した解析結果を、図７及び図８に示す。図７は、水素処理前のＧｄ薄膜のホール抵抗ρxｙの外部磁場Ｂ（Ｔ）依存性を示す。図７（ａ）に示すように、３００Ｋでは正常ホール係数Ｒoは負値（−１．０×１０―9ｍ3／Ｃ）図７（ｂ）に示すように、７７Ｋでは正常ホール係数Ｒoは正値（２．０×１０−10 ｍ3／Ｃ）になる。したがって、水素処理前のＧｄ薄膜の正常ホール係数Ｒoは、７７Ｋと３００Ｋの間でゼロ値をとる。このことは、Ｇｄが両極性伝導であることを意味し、Ｇｄが両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。
【００２５】
図８は、のＧｄの水素処理膜のホール抵抗ρxｙの外部磁場Ｂ（Ｔ）依存性を示す。図８（ａ）に示すように、３００Ｋでは正常ホール係数Ｒoは負値（−５．０×１０‐11ｍ3／Ｃ）であるが、図８（ｂ）に示すように、７７Ｋでは正常ホール係数Ｒoは正値（９．５×１０−11ｍ3／Ｃ）になる。したがって、Ｇｄの水素処理膜の正常ホール係数Ｒoは、７７Ｋと３００Ｋの間でゼロ値をとる。このことは、Ｇｄの水素処理膜が両極性伝導であることを意味し、Ｇｄの水素処理膜が両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。このようにＧｄ及びその水素処理膜では、７７Ｋと３００Ｋの間で確実に正常ホール係数ゼロ条件を満たすことができる。
【００２６】
一方、異常ホール係数Ｒsについては、Ｇｄでは−４．４×１０−８ｍ3／Ｃであるが（図７(a)）、水素処理後は、−４．１×１０−9ｍ3／Ｃのように約１０分の１に減少する（図7(b)）。このことは、水素処理工程が異常ホール係数ゼロ化に有効であることを意味する。
【００２７】
図７及び図８に示すとおり、Ｇｄ薄膜及びその水素処理膜共に、膜面に対して垂直方向に磁場を印加する場合は保持力が小さく軟磁性的振る舞いを示し、ゼロ磁場下では、磁化Ｍがほぼゼロである。したがって、スピン流を発生させるには、外部磁場Ｂが必要である。しかし、今後、結晶軸方向に対する磁場方向を制御するなど保持力を大きくする方法が見い出さられば、無磁場でも自発磁化による異常ホール効果を利用することによって、スピン流を生成できると期待できる。
【００２８】
図９は、スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体の他の例として、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂのホール抵抗ρxｙの外部磁場μoＨ/Ｔ依存性を示す。Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂのキュリー温度は７２８Ｋであるが、図９は厚さ８０ｎｍのＮｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂの、５０Ｋ，６０Ｋ，７０Ｋ，８０Ｋ，９０Ｋ，１００Ｋ，１１０Ｋ，１３０Ｋ，１５０Ｋ，２００Ｋ，２５０Ｋ，２９０Ｋのホール抵抗ρxｙを示す（図９中の挿入図は、厚さ５ｎｍのＮｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂの、４．２Ｋ，１００Ｋ，１５０Ｋ，１７５Ｋ，２００Ｋ，２５０Ｋ，３００Ｋのホール抵抗ρxｙを示す。）。ホール抵抗ρxｙが５０Ｋと２９０Ｋの間でゼロ値をとるので、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂが両極性伝導であることが分かり、Ｎｉ1.15Ｍｎ0.85Ｓｂが両極伝導特性をもつ強磁性体であることが確認できる。
【００２９】
図１０は、スピン流生成領域３０としての両極性伝導特性をもつ強磁性体の他の例として、ＣｒＯ２のホール抵抗ρHの外部磁場μoＨ依存性を示す。ＣｒＯ２のキュリー温度は３９５Ｋであるが、図１０では１０Ｋ〜１００Ｋまでのホール抵抗ρHを示す。ホール抵抗ρHが１０Ｋと１００Ｋの間でゼロ値をとるので、ＣｒＯ２が両極性伝導であることが分かる。ＣｒＯ２のスピン編極度は約９０％であることが知られている。
【００３０】
図１においては、スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に磁場ＢＨが印加されているが、検出電極５０は、磁場ＢＨに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）検出電極５０は、比抵抗が１．０×１０‐6Ωｍ以下とすることが好ましく、検出電極５０を構成する強磁性体として、例えばＣｏxＦｅyＮｉz（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のようなコバルト・鉄・ニッケル合金等を含む種々の強磁性体が採用可能である。検出電極５０を結晶性の強磁性体とする場合は磁化容易軸となる結晶軸方位をスピン流生成領域３０の側面（出力側面）に対して垂直となるようにそれぞれ選ぶのが好ましい。強磁性体が立方晶系であれば、［１００］，［０１０］，［−１００］，［０−１０］方向が磁化容易軸となる。
【００３１】
図１に示すように、スピン流変換素子１０の第１主電極２０をカソード、第２主電極４０をアノードとして、直流電源６から直流のバイアス電圧を印加すると、第１主電極２０において電子（第１導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第２主電極４０に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。又、第２主電極４０からは正孔（第２導電型キャリア）がスピン流生成領域３０に注入され、スピン流生成領域３０中を第１主電極２０に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。
【００３２】
第１主電極２０から注入された電子（第１導電型キャリア）、第２主電極４０から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、スピン流生成領域３０において、それぞれ検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に作用するローレンツ力を磁場ＢＨの下で受けて、検出電極５０に向かう方向（Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ検出電極５０へ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、＋Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式で示すように、スピン流生成領域３０では正常ホール効果成分の他に異常ホール効果成分が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。スピン流生成領域３０が強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存して、どちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。スピン流生成領域３０がさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、正味の横電流＝０の条件で、検出電極５０へ向かうスピン流が発生する。
【００３３】
図２に真理値表を示すように、検出電極５０の磁化ＭＣが外部磁場ＢHに平行（Ｚ方向：上向き）の場合が入力信号＝１と定義し、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHに反平行（−Ｚ方向：下向き）の場合が入力信号＝０と定義すれば（図２において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）、第１の実施の形態に係るスピン流変換素子１０は、否定（ＮＯＴ）の出力信号を出力するＮＯＴゲートとして用いることが可能である。
【００３４】
検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと同方向（Ｚ方向）にしておけば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値は変化しない。このとき、ノードＮ１−Ｎ２間の検出電圧Ｖ２＝ＶUUとする（図２において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。一方、検出電極５０の磁化ＭＣを、外部磁場ＢHと逆方向（−Ｚ方向）にすると、スピン流があれば、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じ、第１主電極２０、検出電極５０間の抵抗値が増加し、このときの検出電圧Ｖ２＝ＶUD＞ＶUUとなるので、スピン流の有無を判定することができる。よって、図２の真理値表に示すように、入力信号が１の場合、出力電圧Ｖ２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）になる。一方、入力信号が０の場合、出力電圧Ｖ２は、スピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）になる。
【００３５】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る論理演算素子は、ハイレベル（＝１）の入力信号を反転してロウレベル（＝０）の出力信号を出力し、ロウレベル（＝０）の入力信号を反転してハイレベル（＝１）の出力信号を出力するインバータ（ＮＯＴゲート）として動作する。
【００３６】
第１の実施の形態に係る論理演算素子は、入力信号としての磁化の方向を保持することができるため、検出電極５０の磁化ＭＣの方向を反転させるまで、検出電極５０に継続して外部磁場を与えずに、一定の出力が可能である。
【００３７】
なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行で、出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、或いは第２端面と出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状等であっても、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。
【００３８】
（第２の実施の形態：ＮＯＴ）
図１に示す第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置はバイアス電圧が直流の場合について例示的に説明したが、図１１に示すように２つの検出電極５１ａ，５１ｂをスピン流生成領域３０を挟み込むように配置することによって、バイアス電圧が交流の場合であってもスピン流の検出を行うことが可能である。
【００３９】
即ち、本発明の第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１１に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０、スピン流生成領域３０の端面にオーミック接合された第１主電極２０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面（第１端面）と対向する端面（第２端面）にオーミック接合された第２主電極４０、スピン流生成領域３０の第１主電極２０が配置された端面と直交する一方の側面（第１出力側面）の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる第１の検出電極５１ａ、第１の検出電極５１ａと電気的に短絡され、第１出力側面に対向する他方の側面（第２出力側面）にオーミック接合され、第１の検出電極５１ａと同一の強磁性体からなる第２の検出電極５１ｂを有するスピン流変換素子１１と、スピン流変換素子１１の第１主電極２０と第２主電極４０との間に交流電圧を印加する交流電源７とを備える。
【００４０】
スピン流生成領域３０は、第１主電極２０、スピン流生成領域３０、第２主電極４０、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されている。スピン流生成領域３０中に注入された正孔と電子は、外部磁場ＢＨと交流電源７からの交流電流によって、第１の検出電極５１ａに向かう方向（−Ｘ方向）に働くローレンツ力、第２の検出電極５１ｂに向かう方向（Ｘ方向）に働くローレンツ力を交互に受け、異常ホール効果によって、どちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向するため、正味の横電流＝０の条件で、検出電極５０へ向かうスピン流が発生する。
【００４１】
第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１の実施の形態に係るスピントロニクス装置と同様に、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂは、それぞれ同一方向の磁化ＭＣを有しており、磁化ＭＣの方向は、制御用磁場によって、外部磁場ＢHに対して平行又は反平行（Ｚ方向又は−Ｚ方向）に任意（自由）に設定可能である。
【００４２】
第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、第１主電極２０の電位を示すノードＮ１、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂからそれぞれ引き出され、互いに接合されたノードＮ２は、それぞれロックイン増幅器（ロックインアンプ）９に接続されており、ノードＮ３の電圧をロックインアンプにおける位相検波の参照信号として使用し、ノードＮ１−Ｎ２間の交流電圧の変化をロックイン増幅器９で測定することにより、第１主電極２０と、第１の検出電極５１ａ及び第２の検出電極５１ｂとの間の抵抗値の変化を検出できる。
【００４３】
第１の実施の形態で説明したように、磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと平行（Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化しない。磁化ＭＣが、外部磁場ＢHと反平行（−Ｚ方向）の場合、スピン流生成領域３０の中央部付近に異常ホール効果によってスピン蓄積が生じ、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加する。磁化ＭＣ、外部磁場ＢHが互いに平行の場合の検出電圧Ｖ２＝ＶUU、反平行な場合の検出電圧Ｖ２＝ＶUDとすると、スピン流生成領域３０中にスピン流が生成される場合はＶUU＜ＶUD、スピン流が生成されない場合はＶUU＝ＶUDの関係が成り立つ。このことを利用して、スピン流の有無を判定することができる。
【００４４】
なお、スピン流生成領域３０の形状は直方体に限定されるものではなく、第１端面と第２端面とが平行、第１出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直、第２出力側面が第１端面と第２端面に対し互いに垂直であり、正孔及び電子がローレンツ力によって円弧状に軌道を変更する輸送経路が確保できるトポロジーであれば、第１端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第１出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第２端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状、第１端面と第２出力側面との間に凹部や穴部等を有する形状のような、種々の形状が第２の実施の形態に係るスピントロニクス装置のスピン流生成領域３０として許容され得る。
【００４５】
図２に示した真理値表の場合と同様に、検出電極５０の磁化ＭＣが外部磁場ＢHに平行（Ｚ方向：上向き）の場合が入力信号＝１と定義し、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢHに反平行（−Ｚ方向：下向き）の場合が入力信号＝０と定義すれば、第２の実施の形態に係るスピン流変換素子１０も否定（ＮＯＴ）の出力信号を出力するＮＯＴゲートとして用いることが可能である。
【００４６】
（第３の実施の形態：ＸＯＲ）
本発明の第３の実施の形態に係る論理演算素子１２は、図１２に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状のスピン流生成領域３０と、スピン流生成領域３０の端面にオーミック接合され、電子（第１導電型キャリア）をスピン流生成領域３０に注入する第１主電極２２と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と対向する端面にオーミック接合された第２主電極４０と、スピン流生成領域３０の第１主電極２２が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合された強磁性体からなる領域を含む検出電極５０とを備える。
【００４７】
第３の実施の形態に係る論理演算素子１２は、外部磁場ＢＨの方向を第１入力信号Ａ＝０，１、検出電極５０の磁化ＭＣの方向を第２入力信号Ｃ＝０，１とし、図１３の真理値表に示されたような排他的論理和（ＸＯＲ）の出力信号を出力するＸＯＲゲートである。
【００４８】
第１主電極２２、スピン流生成領域３０、第２主電極４０及び検出電極５０がなすスピン流生成領域３０の平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されるが、図１２及び図１３において、外部磁場ＢＨがＺ方向の場合の第１入力信号Ａを１とし、−Ｚ方向の場合の第１入力信号Ａを０とする。同様に、検出電極５０の磁化ＭＣが、外部磁場ＢＨと平行（Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを１、反平行（−Ｚ方向）の場合の第２入力信号Ｃを０とする（図１３において、Ｚ方向の磁化を上向きの矢印、−Ｚ方向を下向きの矢印で示す。）。
【００４９】
図１３に真理値表を示すように、第３の実施の形態に係る論理演算素子１２においては、第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが１の場合は、異常ホール効果によってスピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じないので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は変化せず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）になる。
【００５０】
第１入力信号Ａが１、第２入力信号Ｃが０の場合は、異常ホール効果によってスピン流生成領域３０で発生させたスピン流によって、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じるので、ノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値が増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）になる。
【００５１】
第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが１の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に下向き（−Ｚ方向）に電子が注入され、異常ホール効果によって、第２主電極４０から注入される正孔と共に、検出電極５０に向かうスピン流となる。 検出電極５０は、上向き（Ｚ方向）の磁化ＭＣを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積が生じる。よってノードＮ１−Ｎ２間の抵抗値は増加し、出力電圧Ｖ２の値がハイレベル（＝１）となる。
【００５２】
第１入力信号Ａが０、第２入力信号Ｃが０の場合は、第１主電極２２からスピン流生成領域３０に、下向き（−Ｚ方向）に電子が注入され、異常ホール効果によって、第２主電極４０から注入される正孔とで、検出電極５０に向かうスピン流となる。検出電極５０は、下向き（−Ｚ方向）の磁化ＭＣを有しているので、スピン流生成領域３０の中央部付近にスピン蓄積は生じず、出力電圧Ｖ２の値がロウレベル（＝０）となる。
【００５３】
（第４の実施の形態：スピン・メモリ）
本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットは、図１４に示すように、第１導電型キャリアと第２導電型キャリア（電子と正孔）とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１スピン流生成領域３０ijaと、第１スピン流生成領域３０ijaの上部端部及び下部端部との間に第１スイッチＳijaを介して直流のバイアス電圧を印加する第１直流電源Ｖijaと、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２スピン流生成領域３０ijbと、第２スピン流生成領域３０ijbの上部端部及び下部端部との間に第２スイッチＳijbを介して直流のバイアス電圧を印加する第２直流電源Ｖijbと、それぞれの上部端部及び下部端部との間の中央近傍に位置し、第１スピン流生成領域３０ijaの側面（出力側面）と第２スピン流生成領域３０ijbの間に金属学的に接合されて挟まれた強磁性金属層からなる磁化自由層６０ijと、磁化自由層６０ijの上に設けられた、厚さ１〜２ｎｍの絶縁体層からなる非磁性層６１ijと、非磁性層６１ijの上に設けられた強磁性金属層からなる磁化固定層６２ijと、磁化固定層６２ijに接続された第３スイッチＳijcとを備える。 磁化自由層６０ijと、磁化自由層６０ijの上に設けられた非磁性層６１ijと、非磁性層６１ijの上に設けられた磁化固定層６２ijとでトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）型検出電極を構成している。 磁化自由層６０ij及び磁化固定層６２ijとしては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はそれらを主成分とする合金を用いることができる。この中で特にＦｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏなどが望ましい。又これらの磁性体には、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、硼素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブテン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種性質を調整してもよい。 なお、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijは同じ材料である必要はなく、磁気特性、プロセス条件など必要に応じて上記材料より個別に任意に選択してよい。 非磁性層６１ijとしては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、などの絶縁体が好ましい。但し、他にＣｕ、Ｃｒ、Ａｌ、亜鉛（Ｚｎ）などの非磁性金属を用いることもできる。又非磁性層６１ijに用いる絶縁体は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素などの過不足が存在してもよい。
【００５４】
図１４において、第３スイッチＳijcを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、左側の第１スイッチＳijaを閉じる（ＯＮ状態）と、上部端部をカソード、下部端部をアノードとして、第１直流電源Ｖijaから直流のバイアス電圧を印加すると、上部端部において電子（第１導電型キャリア）が第１スピン流生成領域３０ijaに注入され、第１スピン流生成領域３０ija中を下部端部に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。又、下部端部からは正孔（第２導電型キャリア）が第１スピン流生成領域３０ijaに注入され、第１スピン流生成領域３０ija中を上部端部に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。上部端部から注入された電子（第１導電型キャリア）、下部端部から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、第１スピン流生成領域３０ijaにおいて、Ｚ方向に向かう外部磁場ＢＨのローレンツ力を受けて、磁化自由層６０ijに向かう方向（Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ磁化自由層６０ijへ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式に示すように、第１スピン流生成領域３０ijaでは正常ホール効果の他に、異常ホール効果が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaが強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存してどちらかのスピンの方がより多く＋Ｘ方向に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaがさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、上向き（Ｚ方向）にスピン偏極した電子と正孔が磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijへ向かうスピン流が発生する。
【００５５】
一方、図１４において、第３スイッチＳijcを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、右側の第２スイッチＳijbを閉じる（ＯＮ状態）と、下部端部をカソード、上部端部をアノードとして、第２直流電源Ｖijbから直流のバイアス電圧を印加すると、下部端部において電子（第２導電型キャリア）が第２スピン流生成領域３０ijbに注入され、第２スピン流生成領域３０ijb中を上部端部に向かう方向（Ｙ方向）に進行する。又、上部端部からは正孔（第２導電型キャリア）が第２スピン流生成領域３０ijbに注入され、第２スピン流生成領域３０ijb中を下部端部に向かう方向（−Ｙ方向）に進行する。下部端部から注入された電子（第２導電型キャリア）、上部端部から注入された正孔（第２導電型キャリア）は、第２スピン流生成領域３０ijbにおいて、Ｚ方向に向かう外部磁場ＢＨのローレンツ力を受けて、磁化自由層６０ijに向かう方向（−Ｘ方向）に湾曲して進行する。電子と正孔の移動度が等しいときそれぞれに作用するローレンツ力の大きさが等しく、且つ磁化自由層６０ijへ向かう正孔と電子の数がほぼ等しい場合、両キャリアが運ぶ総電荷量は０となるが、このとき、電子スピンと正孔スピンの符号が同じならば、Ｘ方向にスピン流が発生する。しかし、（１）式に示すように、第２スピン流生成領域３０ijbでは正常ホール効果の他に、異常ホール効果が加わり、キャリアはスピン−軌道相互作用等によって、スピンの符号（±１／２）に依存して＋Ｘと−Ｘ方向の両方に偏向する。第２スピン流生成領域３０ijbが強磁性体であり磁化をもつ場合には、スピン偏極度に依存して、どちらかのスピンの方がより多く−Ｘ方向に偏向する。第１スピン流生成領域３０ijaがさらに両極性の場合には、電子スピンの他に正孔スピンが発生するが、電子スピンと正孔スピンが共に＋Ｘ方向に偏向するようなスピン−軌道相互作用特性をもつ場合には、＋Ｘ方向に運ばれる総電荷量は相殺され、異常ホール係数がゼロとなり、ホール電圧が消失する。さらに、電子スピンと正孔スピンが共に同じ符号をもつようなスピン構造をもつとき、下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極した電子と正孔が磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijへ向かうスピン流が発生する。
【００５６】
第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、第３スイッチＳijcを介して、ＴＭＲ素子の膜面に対して垂直に電圧をかけるとトンネル効果により絶縁体層にトンネル電流が流れる。ＴＭＲ素子を構成する強磁性トンネル接合では、アップスピンとダウンスピンで電子が絶縁体をトンネルする確率が異なり、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが平行のときに電流が流れやすく、反平行のときに流れにくい。強磁性体からなる磁化自由層６０ij中の伝導電子は、第１スピン流生成領域３０ijaから注入されたスピン流、若しくは第２スピン流生成領域３０ijbから注入されたスピン流によって、スピン偏極してメモリー情報を記憶しているので、スピン偏極の状態によって、トンネル電流が変化し、トンネル電流が感じる抵抗の変化としてメモリー情報を読み出すことができる。
【００５７】
磁化固定層６２ijの磁化の向きをダウンスピン（−Ｚ方向）として磁化を固定したとして、図１５を用いて、第４の実施の形態に係るスピン・メモリのメモリユニットの動作を説明する。
【００５８】
（ａ）図１５に示すとおり、先ず、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbが共にＯＦＦ状態で、初期状態として、磁化自由層６０ij がアップスピン（＋Ｚ方向）であれば、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが反平行であり、ＴＭＲ抵抗が高いので、ハイレベル（＝１）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００５９】
（ｂ）次に、第３スイッチＳijc及び第２スイッチＳijbが開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第１スイッチＳijaを閉じる（ＯＮ状態）と、上部端部をカソード、下部端部をアノードとして、直流のバイアス電圧が印加され、正常及び異常ホール効果によって、下向き（−Ｚ方向）にスピン偏極したキャリアが磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijにダウンスピン（−Ｚ方向）のスピン流が注入され、磁化自由層６０ijにダウンスピンが記憶される。その後、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを共にＯＦＦ状態として、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが平行であるので、ＴＭＲ抵抗が低く、ロウレベル（＝０）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００６０】
（ｃ）次に、第３スイッチＳijc及び第１スイッチＳijaが開いた状態（ＯＦＦ状態）で、第２スイッチＳijbを閉じる（ＯＮ状態）と、下部端部をカソード、上部端部をアノードとして、直流のバイアス電圧が印加され、正常及び異常ホール効果によって、上向き（＋Ｚ方向）にスピン偏極したキャリアが磁化自由層６０ijへ向かい、磁化自由層６０ijにアップスピン（＋Ｚ方向）のスピン流が注入され、磁化自由層６０ijにアップスピンが記憶される。その後、第１スイッチＳija及び第２スイッチＳijbを共にＯＦＦ状態として、第３スイッチＳijcを閉じる（ＯＮ状態）と、磁化自由層６０ijと磁化固定層６２ijの磁化の向きが反平行であるので、ＴＭＲ抵抗が高く、ハイレベル（＝１）のメモリー情報を読み出すことができる。
【００６１】
図１６は、本発明の第４の実施の形態に係るスピン・メモリのセルアレイの一部を説明する平面図である。セルアレイの周辺には、Ｘセレクタ、Ｙセレクタ、センスアンプ等が配置されるが、図示を省略している。図１６に示すとおり、セルアレイは、Ｘ方向へ延在する第１のワード線１Ａ，２Ａ，３Ａ，…、第２のワード線１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，…、第３のワード線１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，…と、Ｙ方向へ延在するビット線１，２，３，…と、複数の第１のワード線１Ａ，２Ａ，３Ａ，…、第２のワード線１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，…、第３のワード線１Ｃ，２Ｃ，３Ｃ，…とビット線１，２，３，…との交点の各々に対応して行列状に設けられた複数のメモリユニットとを備える。 図１６の１行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ11aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０11aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ11bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０11bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ11cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２11に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０11aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０11ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０11と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。同様に、図１６の１行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ12aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０12aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ12bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０12bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ12cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２12に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタであり、図１６の１行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ13aは、そのゲート電極を第１のワード線１Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０13aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ13bは、そのゲート電極を第２のワード線１Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０13bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ13cは、そのゲート電極を第３のワード線１Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２13に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０1２aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０12ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０12と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６２】
更に、図１６の２行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ21aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０21aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ21bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０21bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ21cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２21に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０21aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０21ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０21と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の２行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ22aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０22aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ22bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０22bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ22cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２22に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０22aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０22ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０22と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の２行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ23aは、そのゲート電極を第１のワード線２Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０23aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ23bは、そのゲート電極を第２のワード線２Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０23bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ23cは、そのゲート電極を第３のワード線２Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２23に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０2３aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０23ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０23と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６３】
更に、図１６の３行目の一番左の列のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ31aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０31aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ31bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０31bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ31cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線１に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２31に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０31aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０31ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０31と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の３行目の左から２番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ32aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０32aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ32bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０32bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ32cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線２に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２32に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０32aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０32ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０32と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。図１６の３行目の左から３番目のメモリユニットにおいて、第１スイッチＳ33aは、そのゲート電極を第１のワード線３Ａに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第１スピン流生成領域３０33aの上端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第２スイッチＳ33bは、そのゲート電極を第２のワード線３Ｂに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極を第２スピン流生成領域３０33bの下端部に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタで、第３スイッチＳ33cは、そのゲート電極を第３のワード線３Ｃに、一方のソース・ドレイン電極をビット線３に、他方のソース・ドレイン電極をＴＭＲ型検出電極の磁化固定層６２33に、それぞれ接続されたＭＯＳトランジスタである。尚、図１６では省略されているが、第１スピン流生成領域３０33aと接地部との間にはワード線１Ａをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、第２スピン流生成領域３０33ｂと接地部との間にはワード線１Ｂをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、また、磁化自由層６０33と接地部との間にはワード線１Ｃをゲート電極とするＭＯＳトランジスタが、それぞれ、接続される。
【００６４】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るスピントロニクス装置は、図１７に示すように、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第１のスピン流生成領域３４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の一方の端面にオーミック接合され、電子を第１のスピン流生成領域３４-1に注入する第１の第１主電極２４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第１のスピン流生成領域３４-1に注入する第1の第２主電極４４-1、第１のスピン流生成領域３４-1の第１の第１主電極２４-1が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第１の検出電極５４-1を備える第１のスピン流変換素子１４-1と；第１のスピン流生成領域３４-1と第１の検出電極５４-1を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第２のスピン流生成領域３４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の一方の端面にオーミック接合され、電子を第２のスピン流生成領域３４-2に注入する第２の第１主電極２４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第２のスピン流生成領域３４-2に注入する第２の第２主電極４４-2、第２のスピン流生成領域３４-2の第２の第１主電極２４-2が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第２の検出電極５４-2を備える第２のスピン流変換素子１４-2と；第２のスピン流生成領域３４-2と第２の検出電極５４-2を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第３のスピン流生成領域３４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の一方の端面にオーミック接合され、電子を第３のスピン流生成領域３４-3に注入する第３の第１主電極２４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第３のスピン流生成領域３４-3に注入する第３の第２主電極４４-3、第３のスピン流生成領域３４-3の第３の第１主電極２４-3が配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第３の検出電極５４-3を備える第３のスピン流変換素子１４-3と；……；第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）と第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して接続されるように、第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域と並列に配置され、正孔と電子とが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなる直方体状の第ｎのスピン流生成領域３４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの一方の端面にオーミック接合され、電子を第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入する第ｎの第１主電極２４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と対向する端面にオーミック接合され、正孔を第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入する第ｎの第２主電極４４-n、第ｎのスピン流生成領域３４-nの第ｎの第１主電極２４-nが配置された端面と直交する側面の中央部に金属学的に接合され、強磁性体からなる磁化固定電極である第ｎの検出電極５４-nを備える第ｎのスピン流変換素子１４-nと；このようにタンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-nと第２主電極４４-1〜４４-nとの間にそれぞれ直流のバイアス電圧を並列的に印加する直流電源５とを備え、高強度のスピン流を発生する。
【００６５】
図１７に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nは、複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える第１主電極２４-1〜２４-n、スピン流生成領域３４-1〜３４-n、第２主電極４４-1〜４４-n及び検出電極５４-1〜５４-nがなす平面に垂直な方向（Ｚ方向）に外部磁場ＢＨが印加されるとき、検出電極５４-1〜５４-nは、外部磁場ＢＨの方向に対して平行（Ｚ方向）にそれぞれ磁化ＭＣの方向を有する。
【００６６】
検出電極５４-1〜５４-nは、好ましくは、保磁力が３００ｍＴ程度以上の強磁性体から構成することができ、比抵抗が１．０×１０‐6Ωｍ以下とすることが好ましい。検出電極５４-1〜５４-nを構成する物質として、例えばＣｏxＦｅyＮｉz（ｘ＝０．２〜０．７，ｙ＝０．２〜０．４，ｚ＝０．１〜０．２）のような、コバルト・鉄・ニッケル合金等の種々の強磁性体が採用可能である。
【００６７】
図１７に示すように、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nのそれぞれの第１主電極２４-1〜２４-nをカソード、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nをアノードとして、直流電源５から直流のバイアス電圧をそれぞれに印加すると、第１主電極２４-1〜２４-nから電子が、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nに注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第２主電極４４-1〜４４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。又、それぞれの第２主電極４４-1〜４４-nからは正孔がスピン流生成領域３４-1〜３４-nにそれぞれ注入され、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n中を第１主電極２４-1〜２４-nに向かう方向にそれぞれ進行する。
【００６８】
それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-nにおいて、第１主電極２４-1〜２４-nからそれぞれ注入された電子、第２主電極４４-1〜４４-nから注入された正孔は、外部磁場ＢＨによるローレンツ力を受けて、それぞれ第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ湾曲し、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nへ向かう方向（Ｘ方向）にそれぞれ進行する。上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定したそれぞれの検出電極５４-1〜５４-nへ向かう正孔と電子の数はほぼ等しいので、両キャリアが運ぶ総電荷量は０と考えることができ、それぞれのスピン流生成領域３４-1〜３４-n内に、正常及び異常ホール効果によって、検出電極５４-1〜５４-nへ向かって、Ｘ方向にそれぞれスピン流が生成する。
【００６９】
即ち、第１の第１主電極２４-1から第１のスピン流生成領域３４-1に注入された電子と第１の第２主電極４４-1から第１のスピン流生成領域３４-1に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流は、第１の検出電極５４-1が上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定しているので、第１の検出電極５４-1に電荷の流れを伴わずに流れ込ませることができる。このため、第２のスピン流生成領域３４-2においては、第２の第１主電極２４-2から第２のスピン流生成領域３４-2に注入された電子と第２の第２主電極４４-2から第２のスピン流生成領域３４-2に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第１の検出電極５４-1を介して第２のスピン流生成領域３４-2に注入された第１のスピン流生成領域３４-1からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は、第２の検出電極５４-2が上向き（Ｚ方向）に磁化ＭＣの方向を固定しているので、第２の検出電極５４-2に電荷の流れを伴わずに流れ込める。このため、第３のスピン流生成領域３４-3においては、第３の第１主電極２４-3から第３のスピン流生成領域３４-3に注入された電子と第３の第２主電極４４-3から第３のスピン流生成領域３４-3に注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第２の検出電極５４-2を介して第３のスピン流生成領域３４-3に注入された第１のスピン流生成領域３４-1及び第２のスピン流生成領域３４-2からのスピン流とが重畳される。重畳されたスピン流は第３の検出電極５４-3に電荷の流れを伴わずに流れ込める。同様にして、第ｎのスピン流生成領域３４-nにおいては、第ｎの第１主電極２４-nから第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された電子と第ｎの第２主電極４４-nから第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された正孔に対する異常ホール効果によるスピン流と、第（ｎ−１）の検出電極（図示省略）を介して第ｎのスピン流生成領域３４-nに注入された第１のスピン流生成領域３４-1，第２のスピン流生成領域３４-2，第３のスピン流生成領域３４-3，…，第（ｎ−１）のスピン流生成領域（図示省略）からのスピン流とが重畳される。このようにして、タンデムに多段接続された複数のスピン流生成領域３４-1〜３４-n内でそれぞれ異常ホール効果によって発生したスピン流は、第１のスピン流変換素子１４-1から第ｎのスピン流変換素子１４-nにかけて次第に重畳され強度を増す。高強度のスピン流は、第ｎのスピン流変換素子１４-nの第ｎの検出電極５４-nから、図示を省略した外部装置に出力される。
【００７０】
図１７に示す第５の実施の形態に係るスピントロニクス装置においては、外部磁場ＢＨの方向と、タンデムに多段接続された複数のスピン流変換素子１４-1〜１４-nがそれぞれ備える検出電極５４-1〜５４-nの磁化Ｍcの方向とは、それぞれ互いに平行であるので、すべてのスピン流変換素子１４-1〜１４-nにおいてスピン蓄積は生じず、検出電極５４-1〜５４-nを介してスピン流をタンデムに逐次重畳して増幅し、電荷の流れを伴わずに高強度のスピン流を発生させることができる。
【００７１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７２】
詳細な説明を省略するが、例えば、本発明のスピン流変換素子は、スピントルク型磁気抵抗ＲＡＭ、スピントランスファートルク型発振素子、スピンゼーベック効果素子、スピン流−熱流変換による冷却素子等にも適用可能であることは、上記の説明から理解できるであろう。
【００７３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００７４】
Ｓija…第１スイッチ
Ｓijb…第２スイッチ
Ｓijc…第３スイッチ
Ｖija…第１直流電源
Ｖijb…第２直流電源
１，２，３，…ビット線
１Ａ．２Ａ，３Ａ…第１のワード線
１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ…第２のワード線
１Ｃ．２Ｃ，３Ｃ…第３のワード線
５…直流電源
６…直流電源
７…交流電源
９…ロックイン増幅器
１０，１１，１４-1〜１４-n…スピン流変換素子
１２…論理演算素子
２０，２２，２３，２４-1〜２４-n…第１主電極
３０，３４-1〜３４-n…スピン流生成領域
４０，４４-1〜４４-n，…第２主電極
５０，５１ａ，５１ｂ，５４-1〜５４-n…検出電極
６０ij…磁化自由層
６１ij…非磁性層
６２ij…磁化固定層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記スピン流生成領域における異常ホール効果によってスピン流を得ることを特徴とするスピントロニクス装置。
【請求項２】
前記両極性伝導金属がガドリニウム、又は水素化ガドリニウムとガドリニウムの共存相、を含むことを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクス装置。
【請求項３】
前記同一方向に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極を更に備え、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗測定により、前記スピン流の存在を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントロニクス装置。
【請求項４】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極と、
前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記検出電極の磁化の方向を入力信号、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
【請求項５】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極と、
前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記外部磁場の方向を第１の入力信号、前記第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、前記第１主電極と前記第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
【請求項６】
前記両極性伝導金属がガドリニウム、又は水素化ガドリニウムとガドリニウムの共存相、を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の論理演算素子。
【請求項１】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを同一方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記スピン流生成領域における異常ホール効果によってスピン流を得ることを特徴とするスピントロニクス装置。
【請求項２】
前記両極性伝導金属がガドリニウム、又は水素化ガドリニウムとガドリニウムの共存相、を含むことを特徴とする請求項１に記載のスピントロニクス装置。
【請求項３】
前記同一方向に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極を更に備え、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗測定により、前記スピン流の存在を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のスピントロニクス装置。
【請求項４】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極と、
前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記検出電極の磁化の方向を入力信号、前記第１主電極と前記検出電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
【請求項５】
互いに平行に対向する第１端面及び第２端面を有し、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとが同程度のキャリア密度と移動度を有し、正常及び異常ホール係数が共にゼロである強磁性の両極性伝導金属からなるスピン流生成領域と、
前記第１端面にオーミック接続し、第１導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第１主電極と、
前記第２端面にオーミック接続し、第２導電型キャリアを前記スピン流生成領域に注入する第２主電極と、
前記第１端面に直交する前記スピン流生成領域の出力側面に設けられた、強磁性体からなる領域を含む検出電極
とを備え、前記第１端面に垂直な面に直交する方向の外部磁場にもとづく正常ホール効果に、磁場誘起磁化もしくは自発磁化にもとづく異常ホール効果が加わることによって、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアとを共に前記出力側面に向かう方向に輸送されるように偏向して、第１導電型キャリアと第２導電型キャリアの電荷を互いに相殺し、前記外部磁場の方向を第１の入力信号、前記第２主電極の磁化の方向を第２の入力信号、前記第１主電極と前記第２主電極との間の抵抗を出力信号とすることを特徴とする論理演算素子。
【請求項６】
前記両極性伝導金属がガドリニウム、又は水素化ガドリニウムとガドリニウムの共存相、を含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の論理演算素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−９９７２０（Ｐ２０１２−９９７２０Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７５３５（Ｐ２０１０−２４７５３５）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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