マイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置
【課題】安定かつ大きなマイクロ波磁界を発生するマイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波発振器１０は、外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子１１と、発振素子１１の一の面に配置された第１電極１３と、発振素子１１の一の面と対向する他の面に配置された第２電極１４とを備え、発振素子１１は、ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、ボルテックスの中心が移動することなく、第１電極１３および第２電極１４の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってマイクロ波磁界を発生する。
【解決手段】マイクロ波発振器１０は、外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子１１と、発振素子１１の一の面に配置された第１電極１３と、発振素子１１の一の面と対向する他の面に配置された第２電極１４とを備え、発振素子１１は、ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、ボルテックスの中心が移動することなく、第１電極１３および第２電極１４の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってマイクロ波磁界を発生する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＤＤの高記録密度化に向けた磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関わり、具体的には、記録時にマイクロ波磁界を記録媒体に印加しながら記録を行うマイクロ波アシスト（高周波アシスト）記録用のマイクロ波発振器を有する磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は大容量でかつ安価な記憶装置としてパソコン等に広く使われている。しかしながら、ＨＤＤにおいてさらなる高記録密度化を実現するためには、記録媒体の磁性粒子の結晶粒径を小さくして記録媒体から発生するノイズを減らす必要がある。しかしながら、結晶粒径を小さくすると磁性粒子の熱的なゆらぎによって記録された情報が消えていくという問題が発生する。この熱ゆらぎ現象を抑えるためは記録媒体の磁性粒子の結晶磁気異方性を大きくしなければならないが、そうすると記録媒体に記録するための記録ヘッドの磁界強度が不足して記録できないという問題が発生する。したがって、ＨＤＤの高記録密度化に向けては、この記録媒体の熱ゆらぎ、媒体ノイズ、記録ヘッド磁界の三者間にあるトリレンマ（Ｔｒｉｌｅｍｍａ）を解決することが重要となる。トリレンマを解決する方法として、ビットパターンドメディア、熱アシスト磁気記録、マイクロ波アシスト磁気記録等いくつかの手法が提案されている。
【０００３】
マイクロ波アシスト記録は、磁気ヘッドおよび記録媒体の材料や形状に大きな変更を加える必要がないため、比較的早い時期の実用化が期待されている（例えば、非特許文献１、２、特許文献１）。この記録方式は、磁気ヘッドから発生する記録磁界に直交する方向にマイクロ波磁界を印加して記録媒体の磁化に歳差運動を誘起させて記録を行う。マイクロ波のエネルギーが記録媒体に吸収されるため、記録媒体のスイッチング磁界以下の記録磁界強度で記録媒体への記録が可能となる。結果として、大きな磁気異方性磁界を持つ記録媒体を用いることができるため、記録ヘッドの磁界強度限界と記録媒体の熱ゆらぎの問題を解決することができる。
【０００４】
マイクロ波の印加方法は、いくつかの手法が提案されているが、磁性体のスピントルク効果を利用した発振器を利用する方法が有望である（非特許文献１参照）。この手法は、Ｊ．Ｚｈｕによって提案されたもので、主磁極とトレーリングシールド間に発振素子（スピントルク発振素子）をマウントし、発振素子内の磁性層の磁化回転による磁界を記録媒体に印加する方法である。
【０００５】
また、特許文献１には、記録ヘッドの動作時の磁界によって発振素子内の磁性層（スピン注入層）の磁化が反転するようにスピン注入層の保磁力を小さくするマイクロ波発振器が述べられている。
【０００６】
また、磁性体を利用してマイクロ波を発生させるもう１つの手法として、ボルテックスオシレータが知られている（非特許文献２参照）。この発振器は、非特許文献２にあるように、磁性層の磁区構造を渦巻き状のボルテックス状態とすることによって高周波を発振させる手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７０５４１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊｉａｎ−Ｇａｎｇ Ｚｈｕ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ｖｏｌ．４４，ｎｏ．１，ｐｐ．１２５−１３１，Ｊａｎ．２００８．
【非特許文献２】Ｆｉｎｏｃｃｈｉｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９６，１０２５０８（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１による磁気記録装置では、図１１（ａ）に示すように、磁気記録ヘッド１００は、マイクロ波発生素子１１１と、主磁極１１３と、トレーリングシールド１１４とを備え、媒体基板１１８ａ上に磁気記録層１１８ｂが形成された記録媒体１１８に対向するように配置されている。また、マイクロ波発生素子１１１は、図１１（ｂ）に示すように、垂直異方性を持つスピン注入層（Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｌａｙｅｒ）１１１ａと、マイクロ波発生層（Ｆｉｅｌｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）１１１ｃと、垂直異方性層（Ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）１１１ｄの３層の磁性層を有する磁性層と、スピン注入層１１１ａおよびマイクロ波発生層１１１ｃの間を隔てる金属層１１１ｂとを備えている。なお、図１１（ｂ）に示す電極１１２ａ、１１２ｂは、主磁極１１３、トレーリングシールド１１４を兼ねている。そして、主磁極１１３からトレーリングシールド１１４の方向の磁界と、トレーリングシールド１１４から主磁極１１３の方向への電流による磁化の歳差運動により発生したマイクロ波磁界を磁気記録層１１８ｂに印加する。マイクロ波発生層の磁化は、層内のどの部分においてもほぼ同じ向きを向いており、ボルテックス（渦）構造とはなっていない。マイクロ波発生層は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、層内でほぼ同じ方向を向いたまま同じ位相でコーン状の歳差運動を行う。
【００１０】
マイクロ波磁界を記録媒体に印加するためには、マイクロ波発生素子１１１を主磁極１１３とトレーリングシールド１１４との間に配置するのが最も効率がよい。しかしながら、主磁極１１３とトレーリングシールド１１４との間には、記録ヘッドの動作時には数ｋＯｅから１０ｋＯｅに達する磁界が加わる。そのため、垂直異方性を持ったスピン注入層１１１ａをマイクロ波発生素子の一部として用いることは、上記したような磁界が加わってもマイクロ波を安定して発生し、安定した記録動作を行うには適していなかった。
【００１１】
また、マイクロ波アシスト記録を実現するためには、マイクロ波発振器としては記録媒体のスイッチング磁界を数１０％の割合で低減できる磁界強度が必要である。特許文献１には、非特許文献１における不安定性の問題を解決するため、記録ヘッドの動作時の磁界によってスピン注入層の磁化が反転するようにスピン注入層の保磁力を小さくすることが述べられている。しかしながら、特許文献１に示すような手法を用いても、マイクロ波を発生させるためにはマイクロ波発生層の膜厚を５−１０ｎｍと非常に薄くする必要があり、結果として発生するマイクロ波磁界の強度には限界があった。特許文献１におけるマイクロ波発生層の磁化は非特許文献１と同様、ほぼ同一の方向を向いており、コーン状の歳差運動を起こす。
【００１２】
また、非特許文献２に示す方法によるマイクロ波の発振は、ボルテックス（渦）状態の磁性層のボルテックスの中心（コア）が、マイクロ波の周波数で回転運動をすることによって生じる。このような磁性層においては、磁極が発生しないような磁区構造となっているため、磁性層の外部に漏洩する磁界は小さい。このため、この方法ではマイクロ波アシスト記録に必要なマイクロ波磁界強度を得ることは難しかった。
【００１３】
上記課題を鑑み、本発明は、安定かつ大きなマイクロ波磁界を発生するマイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置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】
【００１４】
上記の課題を達成するため、本発明の一形態におけるマイクロ波発振器は、外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子と、前記発振素子の一の面に配置された第１電極と、前記発振素子の前記一の面と対向する他の面に配置された第２電極とを備え、前記発振素子は、ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、ボルテックスの中心が移動することなく、前記第１電極および前記第２電極の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってボルテックス状態を保ったまま磁化が歳差運動を行いマイクロ波磁界を発生する。
【００１５】
この構成によれば、従来の非常に薄いマイクロ波発生層を歳差運動させることでマイクロ波磁界を発生させる方法と比較して、ボルテックス状態の磁性層を用いてボルテックスの中心（コア）が移動しない歳差運動を誘起するので、安定したマイクロ波磁界を発生させることが可能である。このため、従来のマイクロ波発生層よりも厚い磁性層が歳差運動を起こすことによって、大きなマイクロ波磁界を得ることが可能となる。
【００１６】
ここで、前記磁性層は、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方から他方へ流入される電流または外部磁界によって発生する前記ボルテックス状態の磁区構造を有することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、安定なマイクロ波磁界を発生することができる。
ここで、前記外部磁界の向きは、前記電流の方向に対して同方向でも反対方向でも構わない。
【００１８】
出願人らの実験では、外部磁界の印加方向が、電流の注入方向と同一方向へ印加される場合であっても、電流の注入方向と反対方向へ印加される場合であっても、ボルテックス状態の磁区構造が形成されることが確認されている。このとき、ボルテックスのコアが移動しないで磁化の歳差運動が生じる状態であれば、この磁性層において大きな、かつ、安定したマイクロ波磁界が発生することが確認されている。したがって、この構成によれば、外部磁界の印加方向によらず、安定したマイクロ波磁界を発生することができる。
【００１９】
ここで、前記磁性層は、前記外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが前記外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きいことが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、第１電極および第２電極の間の磁界によって磁化の向きが磁界方向に回転するので、記録磁界の極性によらず、大きな、かつ、安定なマイクロ波磁界を発生することができる。
【００２１】
ここで、前記磁性層は、前記一の面および前記他の面の大きさが、２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、磁性層の一の面および他の面における大きさが、磁性層がボルテックス状態の磁区構造を有する２０ｎｍ×２０ｎｍ以上であるので、磁性層内の磁区が単磁区状態ではなくボルテックス状態となる。また、磁性層の一の面および他の面における大きさが８０ｎｍ×８０ｎｍ以下であるので、ボルテックスのコアが移動することなく、磁磁化の歳差運動を誘起することが可能となる。したがって、磁性層の磁化の歳差運動に伴い、磁化の電流方向成分が大きく歳差運動を行うので、大きなマイクロ波磁界を発生することができる。
【００２３】
ここで、前記磁性層は、第１磁性層と、前記第１磁性層よりも薄い第２磁性層とを有し、前記第２磁性層によりスピン偏極された電子が、前記第１磁性層に注入されることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、第２磁性層よりも厚い第１磁性層のスピンを歳差運動させることができるため、効率よくマイクロ波磁界を発生することができるマイクロ波発振器を提供することができる。
【００２５】
ここで、前記磁性層は、立方体の形状であることが好ましい。
ここで、前記磁性層は、前記一の面および他の面の形状が円形形状を有する円柱状の形状であることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、ボルテックス状態の磁区構造を有し、大きな、かつ、安定したマイクロ波磁界を発生することができるマイクロ波発振器を提供することができる。
【００２７】
また、本発明の一形態における磁気記録ヘッドは、上記したマイクロ波発振器を備えている。
【００２８】
この構成によれば、上記した効果を有するマイクロ波発振器を備えた磁気記録ヘッドにおいて、安定したマイクロ波磁界を発生させることが可能である。さらに、この構成では、安定かつ大きなマイクロ波磁界を記録媒体に吸収させることができるので、より多くの磁磁化を反転させることができる磁気記録ヘッドを提供することが可能となる。
【００２９】
ここで、前記第１電極は主磁極であり、前記第２電極はトレーリングシールドであることが好ましい。
【００３０】
この構成によれば、第１電極を磁気記録ヘッドの主磁極、第２電極をトレーリングシールドとすることにより、発振素子に直接外部磁界を印加することができる。また、磁気記録ヘッドを小型化することができる。
【００３１】
また、本発明の一形態における磁気記録装置は、上記した磁気記録ヘッドを備えている。
【００３２】
この構成によれば、上記した効果を有する磁気記録ヘッドを備えた磁気記録装置により、安定かつ大きなマイクロ波磁界を記録媒体に吸収させることができるので、より多くの磁磁化を反転させることができる磁気記録装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によると、安定かつ大きなマイクロ波磁界を発生するマイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気記録ヘッドの概略図である。
【図２】図１に示す磁気記録ヘッドのマイクロ波発振器の概略図である。
【図３】図２に示すマイクロ波発振器の発振素子の概略図である。
【図４】発振素子の大きさと磁区構造を示す図である。
【図５】発振素子の磁区構造を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る書き込みヘッドの概略図である。
【図７】図６に示す書き込みヘッドの発振素子のマイクロ波発振スペクトルを示す図である。
【図８】図６に示す書き込みヘッドの発振素子の磁区構造を示す図である。
【図９】図６に示す書き込みヘッドの発振素子の磁化の時間変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る磁気記録装置の概略図である。
【図１１】従来技術におけるスピントルク発振器を備えた磁気記録ヘッドの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００３６】
（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係るマイクロ波発振器を備えた磁気記録ヘッドの概略図である。図１に示すように、磁気記録ヘッド１は、書き込みヘッド部１０と、再生ヘッド部１５とを備え、記録媒体１８の記録面に対向するように配置されている。
【００３７】
書き込みヘッド部１０は、発振素子１１と、主磁極１３と、トレーリングシールド１４とを有している。また、再生ヘッド部１５は、磁気再生素子１６と、磁気シールド１７とを有している。
【００３８】
記録媒体１８は、媒体基板とその上に設けられた磁気記録層（図示せず）とを有している。書き込みヘッド部１０から印加される磁界により、磁気記録層の磁化が所定の方向に制御され、書き込みがなされる。そして、再生ヘッド部１５により、磁気記録層の磁化の方向が読み取られる。
【００３９】
ここで、書き込み時には、マイクロ波アシスト方式により、発振素子１１から発生したマイクロ波を書き込みヘッド部１０の下方の記録媒体１８に印加して磁化の方向を反転し易くしながら、主磁極１３により磁界を印加して書き込みがなされる。
【００４０】
図２は、書き込みヘッド部１０の基本的な構成を示す概略図である。
図２に示す書き込みヘッド部１０は、発振素子１１と、主磁極１３と、トレーリングシールド１４とを有するマイクロ波発振器を、書き込みヘッド部１０として使用するものである。なお、主磁極１３、トレーリングシールド１４がそれぞれ本発明における第１電極、第２電極に相当する。また、第１電極、第２電極は、主磁極１３、トレーリングシールド１４を兼ねていなくてもよく、別に配置される構成であってもよい。
【００４１】
図２に示すように、発振素子１１は、例えば、強磁性体であるＣｏＦｅＡｌＳｉからなる磁性層によって形成されている。この磁性層は、ボルテックス状態の磁区構造、詳細には、主磁極１３とトレーリングシールド１４との間に電流を流し、発振素子１１と主磁極１３、トレーリングシールド１４との接触面において、発振素子１１の磁区構造が電流磁界によりボルテックス（渦）状態を形成する構造を有している。
【００４２】
主磁極１３およびトレーリングシールド１４は、例えばＦｅＣｏ、ＮｉＦｅのような軟磁性材料により形成され、発振素子１１の対向する面にそれぞれ形成されて、発振素子１１に対して主磁極１３からトレーリングシールド１４の方向へ電流を流す構成となっている。また、主磁極１３からトレーリングシールド１４の方向へ外部磁界が印加される。また、主磁極１３およびトレーリングシールド１４は、記録媒体１８の記録部分以外の磁気をシールドするための磁気シールドを兼ねている。
【００４３】
ここで、発振素子１１のマイクロ波磁界の発生原理について説明する。図３は、発振素子１１の磁区構造を示す概略図である。
【００４４】
まず、マイクロ波を発生する発振素子１１として、例えば、ＣｏＦｅＡｌＳｉ膜からなる磁性層に、図３に示す矢印Ｊの方向に電流を流す。同時に、磁性層に対して、電流方向（または電流と逆方向）に外部磁界を印加する。磁性層内の磁化は、電流磁界および外部磁界によりボルテックス状態を形成する。これによって、磁性層の磁化が電流方向（あるいは電流の反対方向）の磁化成分を持つ。なお、電流、外部磁界の印加は、両方同時でなくてもいずれかのみの印加であってもよい。
【００４５】
このとき、磁性層の大きさ、形状は、磁性層の磁化が外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きくなる構成とする。一例として、磁性層の大きさは、一辺が４０ｎｍの立方体とする。
【００４６】
ここで、磁性層の大きさと磁区構造について説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、発振素子の大きさと磁区構造を示す図であり、図３に示した発振素子１１のｘ方向に垂直な面の上面図である。
【００４７】
磁性層の大きさが小さくなると、磁区構造は、図４（ａ）に示すように、ボルテックス状態を形成するよりもエネルギーの低い単磁区状態をとる。つまり、磁性層の大きさが小さくなると、磁性層内の磁化が磁性層に流入された電流の方向と垂直な面において、磁性層内の磁化が同一の方向に向いた状態となる。一例として、上記した磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以下のとき、磁区構造は単磁区状態となる。
【００４８】
一方、磁性層の大きさが大きくなると、図４（ｂ）に示すように、磁区構造は、単磁区状態よりも安定となるボルテックス状態を形成する。つまり、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面において、磁性層内の磁化がボルテックス状態を構成することとなる。このとき、例えば、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２００ｎｍ×２００ｎｍ程度の磁性層においては、磁性層の磁化の歳差運動（スピントルク）に伴い、ボルテックスの中心（コア）は移動しやすくなる。そのため、図４（ｂ）に示すように、ボルテックスのコアが、上記した磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の中心からずれて運動する。このような状態により、磁界の発振（ボルテックス・オシレータ）が生じる。
【００４９】
また、上記した単磁区状態を形成する磁性層の大きさとボルテックス状態を形成する磁性層の大きさの間の大きさの磁性層においては、図５に示すように、磁区構造はボルテックス状態であるが、ボルテックスのコアが移動しにくい状態となる。このときの磁性層の大きさは、例えば、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下である。このような状態の磁性層に、スピン偏極した電子を注入することにより、ボルテックスのコアが移動することなく、磁化の歳差運動を誘起することが可能となる。
【００５０】
したがって、このような構成の磁性層を発振素子１１とすると、磁性層の磁化の歳差運動に伴い、電流方向の磁化成分が大きく歳差運動を行うので、大きなマイクロ波磁界を発生することができる。なお、このような発振素子においては、外部磁界の印加方向は電流方向でも電流と逆方向でも同様のマイクロ波を発生することが可能である。
【００５１】
上記した書き込みヘッド部１０では、発振素子１１は単層の磁性層により形成されているが、発振素子１１は複数の層により形成されたものであってもよい。
【００５２】
図６に、発振素子が複数の層により形成された書き込みヘッド部の一例を示す。図６に示す書き込みヘッド部２０において、発振素子２１は、書き込みヘッド部２０の主磁極２３とトレーリングシールド２４の間に配置されている。発振素子２１は、第１磁性層２１ａと、非磁性層である中間層２１ｂと、第１磁性層２１ａよりも薄い第２磁性層２１ｃとを有している。第１磁性層２１ａは、膜厚３０ｎｍのＣｏＦｅＡｌＳｉ膜により形成されている。第２磁性層２１ｃは、膜厚２．５ｎｍのＦｅＣｏ膜により形成されている。また、第１磁性層２１ａおよび第２磁性層２１ｃを隔てる中間層２１ｂは、膜厚２ｎｍのＣｕにより形成されている。発振素子２１の主磁極２３、トレーリングシールド２４との接触面の大きさは、一例として４０ｎｍ×４０ｎｍである。発振素子２１のトータルの膜厚は、３４．５ｎｍである。
【００５３】
この発振素子２１に、第２磁性層２１ｃ側から第１磁性層２１ａ側に２×１０5Ａ／ｍの外部磁界を印加した状態で、同じ方向に３×１０12Ａ／ｍ2の電流を流すシミュレーションを行った。
【００５４】
第１磁性層２１ａにスピン偏極した電子を注入して磁化に歳差運動を生じさせる方法としてはいくつかの方法が考えられるが、ここでは、第２磁性層２１ｃを非磁性材料であるＣｕからなる中間層２１ｂを介して第１磁性層２１ａに積層させ、第２磁性層２１ｃから中間層２１ｂを介して第１磁性層２１ａにスピン偏極した電子を注入することで実現している。
【００５５】
図６に示す書き込みヘッド部２０においては、図６における矢印Ｊに示すように、電流は第２磁性層２１ｃから第１磁性層２１ａの方向に流入されるため、電子は第１磁性層２１ａから第２磁性層２１ｃの方向に移動する。第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとを積層した上記構造の発振素子２１においては、上記した２つの第１磁性層２１ａおよび第２磁性層２１ｃの磁区状態は、いずれの層においてもボルテックス状態となる。このような構成の発振素子２１に、第１磁性層２１ａ側から第２磁性層２１ｃ側へと電子を注入すると、第２磁性層２１ｃと中間層２１ｂの界面で電子が反射し、反射した電子は、第１磁性層２１ａに第１磁性層２１ａの磁化と反対方向のモーメントを持って入ってくる。これにより、第１磁性層２１ａにはスピントルクが働き、第１磁性層の磁化が歳差運動を行うことによってマイクロ波の発振が発生する。
【００５６】
図７は、このような構成の発振素子２１の発振スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションには、マイクロマグネティクスの手法を用いた。発振素子２１は、図７に示すように、１２．５ＧＨｚ付近で大きく発振して、強度の強いマイクロ波磁界を発生している。
【００５７】
また、図８は、このシミュレーションにおけるある時刻における発振素子２１の第１磁性層２１ａの磁区構造のシミュレーション結果を示している。図８に示すように、第１磁性層２１ａの磁区構造は、第１磁性層２１ａに流入された電流の方向と垂直な面のほぼ中心をボルテックスのコアとして、ボルテックス状態となっている。また、図４（ｂ）に示したボルテックスオシレータのような、ボルテックスのコアが第１磁性層２１ａにおいて移動する磁区構造にはなっていないことがわかる。
【００５８】
図９は、このときの第１磁性層２１ａの磁化挙動の時間変化の計算結果である。磁化の各成分は第１磁性層２１ａの磁化の平均値を表している。図９に示すように、第１磁性層２１ａは磁化のｘ成分（膜厚方向成分、電流方向成分）の磁化が大きく時間変化しており、上記した発振素子２１では、磁化のｘ成分の歳差運動によるマイクロ波発振が生じていることがわかる。従来から知られているボルテックスオシレータのような、ボルテックスのコアの移動を伴う発振では、磁化のボルテックス面内の成分であるｙ成分およびｚ成分が変化するが、図９では磁化のｙ成分、ｚ成分はほとんど時間変化していない。このことは、この発振素子２１におけるマイクロ波の発振がボルテックスのコアの運動による発振ではないことを裏付けている。
【００５９】
発振素子２１においては、従来のマイクロ波発生層を用いる場合と比較して、膜厚の厚い第１磁性層２１ａを用いることができるために、従来技術と比較して強度の大きなマイクロ波磁界を得ることができる。
【００６０】
シミュレーションによる検討の結果より、発振素子２１は、主磁極２３およびトレーリングシールド２４との接触面の大きさが８０ｎｍ×８０ｎｍ以上の大きさになると、ボルテックスオシレータとしての発振を生ずる。また、発振素子２１の上記した接触面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以下になると、ボルテックス状の磁区状態をとるよりも磁化が一方向にそろうほうがエネルギー的に安定となるため、上記したような発振は生じない。したがって、発振素子２１の、主磁極２３およびトレーリングシールド２４との接触面の形状の最適値は、一辺の大きさが２０ｎｍから８０ｎｍの正方形形状であることが望ましい。
【００６１】
また、上記した接触面は、円形や楕円形状でも同様の発振をさせることが可能である。円形の場合の発振素子２１の大きさの最適値は、正方形形状の場合と同様に、直径が２０ｎｍから８０ｎｍが最適である。楕円形状においては、長径と短径の平均値が２０ｎｍから８０ｎｍの領域において同様の発振が生ずる。
【００６２】
本実施の形態では、発振素子２１に２×１０5Ａ／ｍの外部磁界を印加している。発振素子２１においては、第１磁性層２１ａに歳差運動を生じさせるために、外部磁界の印加によって、第１磁性層２１ａの磁化を磁界方向に傾ける必要がある。つまり、第１磁性層２１ａは、外部磁界により、外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きくなるような傾きの磁化を有することが好ましい。シミュレーションによって第１磁性層２１ａの磁化の傾きを検討した結果、具体的には、磁化の大きさを１とすると、磁化の磁界方向成分の大きさが０．５以上となる傾きであることが望ましい。
【００６３】
なお、上記した磁気記録ヘッドは、記録媒体とともに磁気記録装置に搭載された構成であってもよい。図１０は、上記した磁気記録ヘッドを備えた磁気記録装置の概略図である。
【００６４】
図１０に示す磁気記録装置３０は、記録媒体３２と、記録媒体３２に対向するように配置された磁気記録ヘッド３１とを備えている。磁気記録ヘッド３１は、ヘッドスライダー３４に搭載され、記録媒体３２の上を浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計・加工されている。
【００６５】
磁気記録ヘッド３１は、図１に示した磁気記録ヘッド１と同様の構成であるので詳細な説明は省略する。書き込み時には、マイクロ波アシスト方式により、マイクロ波を書き込みヘッド部の下方の記録媒体３２に印加して磁化の方向を反転し易くしながら書き込み用の磁界を印加して、記録媒体３２に記録の書き込みがなされる。書き込みヘッド部として、上記したマイクロ波発振器を使用することにより、効率よく記録媒体３２に記録の書き込みを行うことができる。
【００６６】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【００６７】
例えば、上記した実施の形態では、単層の磁性層からなる発振素子を有するマイクロ波発振器、または、第１磁性層と中間層と第２磁性層とを備える発振素子を有するマイクロ波発振器について説明したが、これに限らず、発振素子はさらに多くの磁性層により形成されるものであってもよい。また、磁性層の形状、大きさは、上記した例に限らず変更してもよい。
【００６８】
また、第１磁性層、第２磁性層は、上記したＣｏＦｅＡｌＳｉに限らず、その他の材料により形成されてもよい。また、中間層は、上記した銅に限らず、その他の材料により形成されてもよい。
【００６９】
また、本実施例では第２磁性層を利用して、スピン偏極した電子を注入したが、トレーリングシールド、あるいは主磁極の磁性体の一部を利用して、スピン偏極した電子を作り出すことも可能である。
【００７０】
また、本発明に係るマイクロ波発振器、磁気記録ヘッド、磁気記録装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係るマイクロ波発振器、磁気記録ヘッド、磁気記録装置を備えた各種デバイス、記憶装置なども本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、スイッチング磁界以下の記録磁界強度で記録媒体への記録が可能な磁気記録装置、特に、高密度磁気記録装置に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１、３１、１００ 磁気記録ヘッド
１０、２０ 書き込みヘッド部
１１、２１ 発振素子（磁性層）
１３、２３、１１３ 主磁極（第１電極）
１４、２４、１１４ トレーリングシールド（第２電極）
２１ａ 第１磁性層
２１ｂ 中間層
２１ｃ 第２磁性層
３０ 磁気記録装置
１１１ マイクロ波発生素子（発振素子）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＨＤＤの高記録密度化に向けた磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関わり、具体的には、記録時にマイクロ波磁界を記録媒体に印加しながら記録を行うマイクロ波アシスト（高周波アシスト）記録用のマイクロ波発振器を有する磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は大容量でかつ安価な記憶装置としてパソコン等に広く使われている。しかしながら、ＨＤＤにおいてさらなる高記録密度化を実現するためには、記録媒体の磁性粒子の結晶粒径を小さくして記録媒体から発生するノイズを減らす必要がある。しかしながら、結晶粒径を小さくすると磁性粒子の熱的なゆらぎによって記録された情報が消えていくという問題が発生する。この熱ゆらぎ現象を抑えるためは記録媒体の磁性粒子の結晶磁気異方性を大きくしなければならないが、そうすると記録媒体に記録するための記録ヘッドの磁界強度が不足して記録できないという問題が発生する。したがって、ＨＤＤの高記録密度化に向けては、この記録媒体の熱ゆらぎ、媒体ノイズ、記録ヘッド磁界の三者間にあるトリレンマ（Ｔｒｉｌｅｍｍａ）を解決することが重要となる。トリレンマを解決する方法として、ビットパターンドメディア、熱アシスト磁気記録、マイクロ波アシスト磁気記録等いくつかの手法が提案されている。
【０００３】
マイクロ波アシスト記録は、磁気ヘッドおよび記録媒体の材料や形状に大きな変更を加える必要がないため、比較的早い時期の実用化が期待されている（例えば、非特許文献１、２、特許文献１）。この記録方式は、磁気ヘッドから発生する記録磁界に直交する方向にマイクロ波磁界を印加して記録媒体の磁化に歳差運動を誘起させて記録を行う。マイクロ波のエネルギーが記録媒体に吸収されるため、記録媒体のスイッチング磁界以下の記録磁界強度で記録媒体への記録が可能となる。結果として、大きな磁気異方性磁界を持つ記録媒体を用いることができるため、記録ヘッドの磁界強度限界と記録媒体の熱ゆらぎの問題を解決することができる。
【０００４】
マイクロ波の印加方法は、いくつかの手法が提案されているが、磁性体のスピントルク効果を利用した発振器を利用する方法が有望である（非特許文献１参照）。この手法は、Ｊ．Ｚｈｕによって提案されたもので、主磁極とトレーリングシールド間に発振素子（スピントルク発振素子）をマウントし、発振素子内の磁性層の磁化回転による磁界を記録媒体に印加する方法である。
【０００５】
また、特許文献１には、記録ヘッドの動作時の磁界によって発振素子内の磁性層（スピン注入層）の磁化が反転するようにスピン注入層の保磁力を小さくするマイクロ波発振器が述べられている。
【０００６】
また、磁性体を利用してマイクロ波を発生させるもう１つの手法として、ボルテックスオシレータが知られている（非特許文献２参照）。この発振器は、非特許文献２にあるように、磁性層の磁区構造を渦巻き状のボルテックス状態とすることによって高周波を発振させる手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７０５４１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｊｉａｎ−Ｇａｎｇ Ｚｈｕ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．，ｖｏｌ．４４，ｎｏ．１，ｐｐ．１２５−１３１，Ｊａｎ．２００８．
【非特許文献２】Ｆｉｎｏｃｃｈｉｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９６，１０２５０８（２０１０）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１による磁気記録装置では、図１１（ａ）に示すように、磁気記録ヘッド１００は、マイクロ波発生素子１１１と、主磁極１１３と、トレーリングシールド１１４とを備え、媒体基板１１８ａ上に磁気記録層１１８ｂが形成された記録媒体１１８に対向するように配置されている。また、マイクロ波発生素子１１１は、図１１（ｂ）に示すように、垂直異方性を持つスピン注入層（Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｌａｙｅｒ）１１１ａと、マイクロ波発生層（Ｆｉｅｌｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）１１１ｃと、垂直異方性層（Ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）１１１ｄの３層の磁性層を有する磁性層と、スピン注入層１１１ａおよびマイクロ波発生層１１１ｃの間を隔てる金属層１１１ｂとを備えている。なお、図１１（ｂ）に示す電極１１２ａ、１１２ｂは、主磁極１１３、トレーリングシールド１１４を兼ねている。そして、主磁極１１３からトレーリングシールド１１４の方向の磁界と、トレーリングシールド１１４から主磁極１１３の方向への電流による磁化の歳差運動により発生したマイクロ波磁界を磁気記録層１１８ｂに印加する。マイクロ波発生層の磁化は、層内のどの部分においてもほぼ同じ向きを向いており、ボルテックス（渦）構造とはなっていない。マイクロ波発生層は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、層内でほぼ同じ方向を向いたまま同じ位相でコーン状の歳差運動を行う。
【００１０】
マイクロ波磁界を記録媒体に印加するためには、マイクロ波発生素子１１１を主磁極１１３とトレーリングシールド１１４との間に配置するのが最も効率がよい。しかしながら、主磁極１１３とトレーリングシールド１１４との間には、記録ヘッドの動作時には数ｋＯｅから１０ｋＯｅに達する磁界が加わる。そのため、垂直異方性を持ったスピン注入層１１１ａをマイクロ波発生素子の一部として用いることは、上記したような磁界が加わってもマイクロ波を安定して発生し、安定した記録動作を行うには適していなかった。
【００１１】
また、マイクロ波アシスト記録を実現するためには、マイクロ波発振器としては記録媒体のスイッチング磁界を数１０％の割合で低減できる磁界強度が必要である。特許文献１には、非特許文献１における不安定性の問題を解決するため、記録ヘッドの動作時の磁界によってスピン注入層の磁化が反転するようにスピン注入層の保磁力を小さくすることが述べられている。しかしながら、特許文献１に示すような手法を用いても、マイクロ波を発生させるためにはマイクロ波発生層の膜厚を５−１０ｎｍと非常に薄くする必要があり、結果として発生するマイクロ波磁界の強度には限界があった。特許文献１におけるマイクロ波発生層の磁化は非特許文献１と同様、ほぼ同一の方向を向いており、コーン状の歳差運動を起こす。
【００１２】
また、非特許文献２に示す方法によるマイクロ波の発振は、ボルテックス（渦）状態の磁性層のボルテックスの中心（コア）が、マイクロ波の周波数で回転運動をすることによって生じる。このような磁性層においては、磁極が発生しないような磁区構造となっているため、磁性層の外部に漏洩する磁界は小さい。このため、この方法ではマイクロ波アシスト記録に必要なマイクロ波磁界強度を得ることは難しかった。
【００１３】
上記課題を鑑み、本発明は、安定かつ大きなマイクロ波磁界を発生するマイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置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】
【００１４】
上記の課題を達成するため、本発明の一形態におけるマイクロ波発振器は、外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子と、前記発振素子の一の面に配置された第１電極と、前記発振素子の前記一の面と対向する他の面に配置された第２電極とを備え、前記発振素子は、ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、ボルテックスの中心が移動することなく、前記第１電極および前記第２電極の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってボルテックス状態を保ったまま磁化が歳差運動を行いマイクロ波磁界を発生する。
【００１５】
この構成によれば、従来の非常に薄いマイクロ波発生層を歳差運動させることでマイクロ波磁界を発生させる方法と比較して、ボルテックス状態の磁性層を用いてボルテックスの中心（コア）が移動しない歳差運動を誘起するので、安定したマイクロ波磁界を発生させることが可能である。このため、従来のマイクロ波発生層よりも厚い磁性層が歳差運動を起こすことによって、大きなマイクロ波磁界を得ることが可能となる。
【００１６】
ここで、前記磁性層は、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方から他方へ流入される電流または外部磁界によって発生する前記ボルテックス状態の磁区構造を有することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、安定なマイクロ波磁界を発生することができる。
ここで、前記外部磁界の向きは、前記電流の方向に対して同方向でも反対方向でも構わない。
【００１８】
出願人らの実験では、外部磁界の印加方向が、電流の注入方向と同一方向へ印加される場合であっても、電流の注入方向と反対方向へ印加される場合であっても、ボルテックス状態の磁区構造が形成されることが確認されている。このとき、ボルテックスのコアが移動しないで磁化の歳差運動が生じる状態であれば、この磁性層において大きな、かつ、安定したマイクロ波磁界が発生することが確認されている。したがって、この構成によれば、外部磁界の印加方向によらず、安定したマイクロ波磁界を発生することができる。
【００１９】
ここで、前記磁性層は、前記外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが前記外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きいことが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、第１電極および第２電極の間の磁界によって磁化の向きが磁界方向に回転するので、記録磁界の極性によらず、大きな、かつ、安定なマイクロ波磁界を発生することができる。
【００２１】
ここで、前記磁性層は、前記一の面および前記他の面の大きさが、２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、磁性層の一の面および他の面における大きさが、磁性層がボルテックス状態の磁区構造を有する２０ｎｍ×２０ｎｍ以上であるので、磁性層内の磁区が単磁区状態ではなくボルテックス状態となる。また、磁性層の一の面および他の面における大きさが８０ｎｍ×８０ｎｍ以下であるので、ボルテックスのコアが移動することなく、磁磁化の歳差運動を誘起することが可能となる。したがって、磁性層の磁化の歳差運動に伴い、磁化の電流方向成分が大きく歳差運動を行うので、大きなマイクロ波磁界を発生することができる。
【００２３】
ここで、前記磁性層は、第１磁性層と、前記第１磁性層よりも薄い第２磁性層とを有し、前記第２磁性層によりスピン偏極された電子が、前記第１磁性層に注入されることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、第２磁性層よりも厚い第１磁性層のスピンを歳差運動させることができるため、効率よくマイクロ波磁界を発生することができるマイクロ波発振器を提供することができる。
【００２５】
ここで、前記磁性層は、立方体の形状であることが好ましい。
ここで、前記磁性層は、前記一の面および他の面の形状が円形形状を有する円柱状の形状であることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、ボルテックス状態の磁区構造を有し、大きな、かつ、安定したマイクロ波磁界を発生することができるマイクロ波発振器を提供することができる。
【００２７】
また、本発明の一形態における磁気記録ヘッドは、上記したマイクロ波発振器を備えている。
【００２８】
この構成によれば、上記した効果を有するマイクロ波発振器を備えた磁気記録ヘッドにおいて、安定したマイクロ波磁界を発生させることが可能である。さらに、この構成では、安定かつ大きなマイクロ波磁界を記録媒体に吸収させることができるので、より多くの磁磁化を反転させることができる磁気記録ヘッドを提供することが可能となる。
【００２９】
ここで、前記第１電極は主磁極であり、前記第２電極はトレーリングシールドであることが好ましい。
【００３０】
この構成によれば、第１電極を磁気記録ヘッドの主磁極、第２電極をトレーリングシールドとすることにより、発振素子に直接外部磁界を印加することができる。また、磁気記録ヘッドを小型化することができる。
【００３１】
また、本発明の一形態における磁気記録装置は、上記した磁気記録ヘッドを備えている。
【００３２】
この構成によれば、上記した効果を有する磁気記録ヘッドを備えた磁気記録装置により、安定かつ大きなマイクロ波磁界を記録媒体に吸収させることができるので、より多くの磁磁化を反転させることができる磁気記録装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によると、安定かつ大きなマイクロ波磁界を発生するマイクロ波発振器、磁気記録ヘッドおよび磁気記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気記録ヘッドの概略図である。
【図２】図１に示す磁気記録ヘッドのマイクロ波発振器の概略図である。
【図３】図２に示すマイクロ波発振器の発振素子の概略図である。
【図４】発振素子の大きさと磁区構造を示す図である。
【図５】発振素子の磁区構造を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る書き込みヘッドの概略図である。
【図７】図６に示す書き込みヘッドの発振素子のマイクロ波発振スペクトルを示す図である。
【図８】図６に示す書き込みヘッドの発振素子の磁区構造を示す図である。
【図９】図６に示す書き込みヘッドの発振素子の磁化の時間変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施の形態に係る磁気記録装置の概略図である。
【図１１】従来技術におけるスピントルク発振器を備えた磁気記録ヘッドの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００３６】
（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係るマイクロ波発振器を備えた磁気記録ヘッドの概略図である。図１に示すように、磁気記録ヘッド１は、書き込みヘッド部１０と、再生ヘッド部１５とを備え、記録媒体１８の記録面に対向するように配置されている。
【００３７】
書き込みヘッド部１０は、発振素子１１と、主磁極１３と、トレーリングシールド１４とを有している。また、再生ヘッド部１５は、磁気再生素子１６と、磁気シールド１７とを有している。
【００３８】
記録媒体１８は、媒体基板とその上に設けられた磁気記録層（図示せず）とを有している。書き込みヘッド部１０から印加される磁界により、磁気記録層の磁化が所定の方向に制御され、書き込みがなされる。そして、再生ヘッド部１５により、磁気記録層の磁化の方向が読み取られる。
【００３９】
ここで、書き込み時には、マイクロ波アシスト方式により、発振素子１１から発生したマイクロ波を書き込みヘッド部１０の下方の記録媒体１８に印加して磁化の方向を反転し易くしながら、主磁極１３により磁界を印加して書き込みがなされる。
【００４０】
図２は、書き込みヘッド部１０の基本的な構成を示す概略図である。
図２に示す書き込みヘッド部１０は、発振素子１１と、主磁極１３と、トレーリングシールド１４とを有するマイクロ波発振器を、書き込みヘッド部１０として使用するものである。なお、主磁極１３、トレーリングシールド１４がそれぞれ本発明における第１電極、第２電極に相当する。また、第１電極、第２電極は、主磁極１３、トレーリングシールド１４を兼ねていなくてもよく、別に配置される構成であってもよい。
【００４１】
図２に示すように、発振素子１１は、例えば、強磁性体であるＣｏＦｅＡｌＳｉからなる磁性層によって形成されている。この磁性層は、ボルテックス状態の磁区構造、詳細には、主磁極１３とトレーリングシールド１４との間に電流を流し、発振素子１１と主磁極１３、トレーリングシールド１４との接触面において、発振素子１１の磁区構造が電流磁界によりボルテックス（渦）状態を形成する構造を有している。
【００４２】
主磁極１３およびトレーリングシールド１４は、例えばＦｅＣｏ、ＮｉＦｅのような軟磁性材料により形成され、発振素子１１の対向する面にそれぞれ形成されて、発振素子１１に対して主磁極１３からトレーリングシールド１４の方向へ電流を流す構成となっている。また、主磁極１３からトレーリングシールド１４の方向へ外部磁界が印加される。また、主磁極１３およびトレーリングシールド１４は、記録媒体１８の記録部分以外の磁気をシールドするための磁気シールドを兼ねている。
【００４３】
ここで、発振素子１１のマイクロ波磁界の発生原理について説明する。図３は、発振素子１１の磁区構造を示す概略図である。
【００４４】
まず、マイクロ波を発生する発振素子１１として、例えば、ＣｏＦｅＡｌＳｉ膜からなる磁性層に、図３に示す矢印Ｊの方向に電流を流す。同時に、磁性層に対して、電流方向（または電流と逆方向）に外部磁界を印加する。磁性層内の磁化は、電流磁界および外部磁界によりボルテックス状態を形成する。これによって、磁性層の磁化が電流方向（あるいは電流の反対方向）の磁化成分を持つ。なお、電流、外部磁界の印加は、両方同時でなくてもいずれかのみの印加であってもよい。
【００４５】
このとき、磁性層の大きさ、形状は、磁性層の磁化が外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きくなる構成とする。一例として、磁性層の大きさは、一辺が４０ｎｍの立方体とする。
【００４６】
ここで、磁性層の大きさと磁区構造について説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、発振素子の大きさと磁区構造を示す図であり、図３に示した発振素子１１のｘ方向に垂直な面の上面図である。
【００４７】
磁性層の大きさが小さくなると、磁区構造は、図４（ａ）に示すように、ボルテックス状態を形成するよりもエネルギーの低い単磁区状態をとる。つまり、磁性層の大きさが小さくなると、磁性層内の磁化が磁性層に流入された電流の方向と垂直な面において、磁性層内の磁化が同一の方向に向いた状態となる。一例として、上記した磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以下のとき、磁区構造は単磁区状態となる。
【００４８】
一方、磁性層の大きさが大きくなると、図４（ｂ）に示すように、磁区構造は、単磁区状態よりも安定となるボルテックス状態を形成する。つまり、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面において、磁性層内の磁化がボルテックス状態を構成することとなる。このとき、例えば、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２００ｎｍ×２００ｎｍ程度の磁性層においては、磁性層の磁化の歳差運動（スピントルク）に伴い、ボルテックスの中心（コア）は移動しやすくなる。そのため、図４（ｂ）に示すように、ボルテックスのコアが、上記した磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の中心からずれて運動する。このような状態により、磁界の発振（ボルテックス・オシレータ）が生じる。
【００４９】
また、上記した単磁区状態を形成する磁性層の大きさとボルテックス状態を形成する磁性層の大きさの間の大きさの磁性層においては、図５に示すように、磁区構造はボルテックス状態であるが、ボルテックスのコアが移動しにくい状態となる。このときの磁性層の大きさは、例えば、磁性層に流入された電流の方向と垂直な面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下である。このような状態の磁性層に、スピン偏極した電子を注入することにより、ボルテックスのコアが移動することなく、磁化の歳差運動を誘起することが可能となる。
【００５０】
したがって、このような構成の磁性層を発振素子１１とすると、磁性層の磁化の歳差運動に伴い、電流方向の磁化成分が大きく歳差運動を行うので、大きなマイクロ波磁界を発生することができる。なお、このような発振素子においては、外部磁界の印加方向は電流方向でも電流と逆方向でも同様のマイクロ波を発生することが可能である。
【００５１】
上記した書き込みヘッド部１０では、発振素子１１は単層の磁性層により形成されているが、発振素子１１は複数の層により形成されたものであってもよい。
【００５２】
図６に、発振素子が複数の層により形成された書き込みヘッド部の一例を示す。図６に示す書き込みヘッド部２０において、発振素子２１は、書き込みヘッド部２０の主磁極２３とトレーリングシールド２４の間に配置されている。発振素子２１は、第１磁性層２１ａと、非磁性層である中間層２１ｂと、第１磁性層２１ａよりも薄い第２磁性層２１ｃとを有している。第１磁性層２１ａは、膜厚３０ｎｍのＣｏＦｅＡｌＳｉ膜により形成されている。第２磁性層２１ｃは、膜厚２．５ｎｍのＦｅＣｏ膜により形成されている。また、第１磁性層２１ａおよび第２磁性層２１ｃを隔てる中間層２１ｂは、膜厚２ｎｍのＣｕにより形成されている。発振素子２１の主磁極２３、トレーリングシールド２４との接触面の大きさは、一例として４０ｎｍ×４０ｎｍである。発振素子２１のトータルの膜厚は、３４．５ｎｍである。
【００５３】
この発振素子２１に、第２磁性層２１ｃ側から第１磁性層２１ａ側に２×１０5Ａ／ｍの外部磁界を印加した状態で、同じ方向に３×１０12Ａ／ｍ2の電流を流すシミュレーションを行った。
【００５４】
第１磁性層２１ａにスピン偏極した電子を注入して磁化に歳差運動を生じさせる方法としてはいくつかの方法が考えられるが、ここでは、第２磁性層２１ｃを非磁性材料であるＣｕからなる中間層２１ｂを介して第１磁性層２１ａに積層させ、第２磁性層２１ｃから中間層２１ｂを介して第１磁性層２１ａにスピン偏極した電子を注入することで実現している。
【００５５】
図６に示す書き込みヘッド部２０においては、図６における矢印Ｊに示すように、電流は第２磁性層２１ｃから第１磁性層２１ａの方向に流入されるため、電子は第１磁性層２１ａから第２磁性層２１ｃの方向に移動する。第１磁性層２１ａと第２磁性層２１ｃとを積層した上記構造の発振素子２１においては、上記した２つの第１磁性層２１ａおよび第２磁性層２１ｃの磁区状態は、いずれの層においてもボルテックス状態となる。このような構成の発振素子２１に、第１磁性層２１ａ側から第２磁性層２１ｃ側へと電子を注入すると、第２磁性層２１ｃと中間層２１ｂの界面で電子が反射し、反射した電子は、第１磁性層２１ａに第１磁性層２１ａの磁化と反対方向のモーメントを持って入ってくる。これにより、第１磁性層２１ａにはスピントルクが働き、第１磁性層の磁化が歳差運動を行うことによってマイクロ波の発振が発生する。
【００５６】
図７は、このような構成の発振素子２１の発振スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションには、マイクロマグネティクスの手法を用いた。発振素子２１は、図７に示すように、１２．５ＧＨｚ付近で大きく発振して、強度の強いマイクロ波磁界を発生している。
【００５７】
また、図８は、このシミュレーションにおけるある時刻における発振素子２１の第１磁性層２１ａの磁区構造のシミュレーション結果を示している。図８に示すように、第１磁性層２１ａの磁区構造は、第１磁性層２１ａに流入された電流の方向と垂直な面のほぼ中心をボルテックスのコアとして、ボルテックス状態となっている。また、図４（ｂ）に示したボルテックスオシレータのような、ボルテックスのコアが第１磁性層２１ａにおいて移動する磁区構造にはなっていないことがわかる。
【００５８】
図９は、このときの第１磁性層２１ａの磁化挙動の時間変化の計算結果である。磁化の各成分は第１磁性層２１ａの磁化の平均値を表している。図９に示すように、第１磁性層２１ａは磁化のｘ成分（膜厚方向成分、電流方向成分）の磁化が大きく時間変化しており、上記した発振素子２１では、磁化のｘ成分の歳差運動によるマイクロ波発振が生じていることがわかる。従来から知られているボルテックスオシレータのような、ボルテックスのコアの移動を伴う発振では、磁化のボルテックス面内の成分であるｙ成分およびｚ成分が変化するが、図９では磁化のｙ成分、ｚ成分はほとんど時間変化していない。このことは、この発振素子２１におけるマイクロ波の発振がボルテックスのコアの運動による発振ではないことを裏付けている。
【００５９】
発振素子２１においては、従来のマイクロ波発生層を用いる場合と比較して、膜厚の厚い第１磁性層２１ａを用いることができるために、従来技術と比較して強度の大きなマイクロ波磁界を得ることができる。
【００６０】
シミュレーションによる検討の結果より、発振素子２１は、主磁極２３およびトレーリングシールド２４との接触面の大きさが８０ｎｍ×８０ｎｍ以上の大きさになると、ボルテックスオシレータとしての発振を生ずる。また、発振素子２１の上記した接触面の大きさが２０ｎｍ×２０ｎｍ以下になると、ボルテックス状の磁区状態をとるよりも磁化が一方向にそろうほうがエネルギー的に安定となるため、上記したような発振は生じない。したがって、発振素子２１の、主磁極２３およびトレーリングシールド２４との接触面の形状の最適値は、一辺の大きさが２０ｎｍから８０ｎｍの正方形形状であることが望ましい。
【００６１】
また、上記した接触面は、円形や楕円形状でも同様の発振をさせることが可能である。円形の場合の発振素子２１の大きさの最適値は、正方形形状の場合と同様に、直径が２０ｎｍから８０ｎｍが最適である。楕円形状においては、長径と短径の平均値が２０ｎｍから８０ｎｍの領域において同様の発振が生ずる。
【００６２】
本実施の形態では、発振素子２１に２×１０5Ａ／ｍの外部磁界を印加している。発振素子２１においては、第１磁性層２１ａに歳差運動を生じさせるために、外部磁界の印加によって、第１磁性層２１ａの磁化を磁界方向に傾ける必要がある。つまり、第１磁性層２１ａは、外部磁界により、外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きくなるような傾きの磁化を有することが好ましい。シミュレーションによって第１磁性層２１ａの磁化の傾きを検討した結果、具体的には、磁化の大きさを１とすると、磁化の磁界方向成分の大きさが０．５以上となる傾きであることが望ましい。
【００６３】
なお、上記した磁気記録ヘッドは、記録媒体とともに磁気記録装置に搭載された構成であってもよい。図１０は、上記した磁気記録ヘッドを備えた磁気記録装置の概略図である。
【００６４】
図１０に示す磁気記録装置３０は、記録媒体３２と、記録媒体３２に対向するように配置された磁気記録ヘッド３１とを備えている。磁気記録ヘッド３１は、ヘッドスライダー３４に搭載され、記録媒体３２の上を浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計・加工されている。
【００６５】
磁気記録ヘッド３１は、図１に示した磁気記録ヘッド１と同様の構成であるので詳細な説明は省略する。書き込み時には、マイクロ波アシスト方式により、マイクロ波を書き込みヘッド部の下方の記録媒体３２に印加して磁化の方向を反転し易くしながら書き込み用の磁界を印加して、記録媒体３２に記録の書き込みがなされる。書き込みヘッド部として、上記したマイクロ波発振器を使用することにより、効率よく記録媒体３２に記録の書き込みを行うことができる。
【００６６】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【００６７】
例えば、上記した実施の形態では、単層の磁性層からなる発振素子を有するマイクロ波発振器、または、第１磁性層と中間層と第２磁性層とを備える発振素子を有するマイクロ波発振器について説明したが、これに限らず、発振素子はさらに多くの磁性層により形成されるものであってもよい。また、磁性層の形状、大きさは、上記した例に限らず変更してもよい。
【００６８】
また、第１磁性層、第２磁性層は、上記したＣｏＦｅＡｌＳｉに限らず、その他の材料により形成されてもよい。また、中間層は、上記した銅に限らず、その他の材料により形成されてもよい。
【００６９】
また、本実施例では第２磁性層を利用して、スピン偏極した電子を注入したが、トレーリングシールド、あるいは主磁極の磁性体の一部を利用して、スピン偏極した電子を作り出すことも可能である。
【００７０】
また、本発明に係るマイクロ波発振器、磁気記録ヘッド、磁気記録装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係るマイクロ波発振器、磁気記録ヘッド、磁気記録装置を備えた各種デバイス、記憶装置なども本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、スイッチング磁界以下の記録磁界強度で記録媒体への記録が可能な磁気記録装置、特に、高密度磁気記録装置に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１、３１、１００ 磁気記録ヘッド
１０、２０ 書き込みヘッド部
１１、２１ 発振素子（磁性層）
１３、２３、１１３ 主磁極（第１電極）
１４、２４、１１４ トレーリングシールド（第２電極）
２１ａ 第１磁性層
２１ｂ 中間層
２１ｃ 第２磁性層
３０ 磁気記録装置
１１１ マイクロ波発生素子（発振素子）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子と、
前記発振素子の一の面に配置された第１電極と、
前記発振素子の前記一の面と対向する他の面に配置された第２電極とを備え、
前記発振素子は、
ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、
ボルテックスの中心が移動することなく、前記第１電極および前記第２電極の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってマイクロ波磁界を発生する
ことを特徴とするマイクロ波発振器。
【請求項２】
前記磁性層は、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方から他方へ流入される電流または外部磁界によって発生する前記ボルテックス状態の磁区構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発振器。
【請求項３】
前記外部磁界の向きは、前記電流の方向に対して、同方向もしくは反対方向である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波発振器。
【請求項４】
前記磁性層は、前記外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが前記外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きい
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項５】
前記磁性層は、前記一の面および前記他の面の大きさが、２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項６】
前記磁性層は、第１磁性層と、前記第１磁性層よりも薄い第２磁性層とを有し、
前記第２磁性層によりスピン偏極された電子が、前記第１磁性層に注入される
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項７】
前記磁性層は、立方体の形状である
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項８】
前記磁性層は、前記一の面および前記他の面が円形形状を有する円柱状の形状である
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロ波発振器を備えている
ことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項１０】
前記第１電極は主磁極であり、前記第２電極はトレーリングシールドである
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の磁気記録ヘッドを備えている
ことを特徴とする磁気記録装置。
【請求項１】
外部磁界に応じてマイクロ波磁界を発生する発振素子と、
前記発振素子の一の面に配置された第１電極と、
前記発振素子の前記一の面と対向する他の面に配置された第２電極とを備え、
前記発振素子は、
ボルテックス状態の磁区構造を有する磁性層を有し、
ボルテックスの中心が移動することなく、前記第１電極および前記第２電極の一方から他方の方向へ注入されたスピン偏極した電子によってマイクロ波磁界を発生する
ことを特徴とするマイクロ波発振器。
【請求項２】
前記磁性層は、前記第１電極および前記第２電極のうちの一方から他方へ流入される電流または外部磁界によって発生する前記ボルテックス状態の磁区構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発振器。
【請求項３】
前記外部磁界の向きは、前記電流の方向に対して、同方向もしくは反対方向である
ことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波発振器。
【請求項４】
前記磁性層は、前記外部磁界と同一方向の磁化成分の大きさが前記外部磁界と垂直方向の磁化成分の大きさよりも大きい
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項５】
前記磁性層は、前記一の面および前記他の面の大きさが、２０ｎｍ×２０ｎｍ以上８０ｎｍ×８０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項６】
前記磁性層は、第１磁性層と、前記第１磁性層よりも薄い第２磁性層とを有し、
前記第２磁性層によりスピン偏極された電子が、前記第１磁性層に注入される
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項７】
前記磁性層は、立方体の形状である
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項８】
前記磁性層は、前記一の面および前記他の面が円形形状を有する円柱状の形状である
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波発振器。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロ波発振器を備えている
ことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項１０】
前記第１電極は主磁極であり、前記第２電極はトレーリングシールドである
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の磁気記録ヘッドを備えている
ことを特徴とする磁気記録装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２４９４８７（Ｐ２０１１−２４９４８７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１９９２３（Ｐ２０１０−１１９９２３）
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【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２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２５日（２０１０．５．２５）
【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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