交換バイアス（ＥＸＣＨＡＮＧＥ−ＢＩＡＳ）に基づく多状態（ＭＵＬＴＩ−ＳＴＡＴＥ）磁気メモリおよび論理装置、および磁気的に安定な磁気記憶
【課題】
磁気結合された強磁性体と反強磁性体との結合および交換バイアスを使用して２進および多状態の磁気メモリ装置を提供する磁気材料および方法。
【解決手段】
本出願では、強磁性層とこれに隣接する反強磁性層との磁気結合によって発生する磁気交換バイアスに基づいて高密度の磁気記憶を実現するための技術、材料、装置を開示する。この磁気結合を使用すると、２進の磁気メモリ装置を安定させ、多状態の磁気メモリ装置を構成することができる。
磁気結合された強磁性体と反強磁性体との結合および交換バイアスを使用して２進および多状態の磁気メモリ装置を提供する磁気材料および方法。
【解決手段】
本出願では、強磁性層とこれに隣接する反強磁性層との磁気結合によって発生する磁気交換バイアスに基づいて高密度の磁気記憶を実現するための技術、材料、装置を開示する。この磁気結合を使用すると、２進の磁気メモリ装置を安定させ、多状態の磁気メモリ装置を構成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、磁性材料および磁気記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００４年７月１３日に出願され、その開示は参照により本出願の明細書の一部として組み込まれている、米国仮出願第６０／５８７，７８９号「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＳＴＯＲＡＧＥ ＭＥＤＩＡ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＰＲＯＸＩＭＩＴＹ ＥＦＦＥＣＴ」の優先権を主張するものである。
【０００３】
連邦政府の補助金について
本発明は、ＦＡ９５５０−０４−１−０１６０およびＤＥ−ＦＧ０３−−８７ＥＲ−４５３３２に基づく米国政府支援の一環として作成されたものである。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００４】
磁性材料はデータの記憶に使用できる。磁気カード、テープ、ディスク、ハードドライブは、さまざまな磁性材料から作成された記憶装置の例である。商用の磁気記録媒体のほとんどにおいて、記録された各ビットは、記録媒体の２つの異なる磁性状態で表現される２つの論理状態、すなわち「０」と「１」をとる。たとえば、磁性材料内の磁区において２つの反対方向の磁化を使用して２進の状態を実現できる。このような材料では、記憶される情報の密度は磁区または情報を搬送する「ビット」の密度に一致する。したがって、こうした２進の磁気記録媒体では、磁区のサイズによって記憶密度が決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮出願第６０／５８７，７８９号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｉｇｏｒ Ｒｏｓｈｓｃｈｉｎ ｅｔ ａｌ．「Ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ ｉｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気記憶の密度を向上するための１つの取り組みは、磁区のサイズまたはビット・サイズを縮小することである。これは、多くの技術を使用して実現できる。たとえば、富士通とその他の企業によって開発された磁区サイズの小さい高密度の記録用材料は、約１００ギガビット／平方インチの記憶密度を実現している。しかし、磁気ビット・サイズが縮小することによって、磁気的に記憶された情報の熱的安定性と磁気的安定性が低下する場合がある。磁気媒体の不安定性は、温度の上昇、隣接するビットを操作する間に記録ヘッドから発生する浮遊磁場（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄｓ）の存在、隣接するビットとの相互作用など、さまざまな要因によって発生する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願では、強磁性層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）とこれに隣接する反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）との磁気結合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって発生する磁気交換バイアスに基づいて高密度の磁気記憶を実現するための技術、材料、装置を開示する。この磁気結合を使用すると、２進の磁気メモリ装置を安定させ、多状態の磁気メモリ装置を構成することができる。
【０００９】
１つの実装では、２進の磁気メモリ媒体を安定させる方法について説明する。本方法は、互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備える磁気記憶材料を提供することによって、２進の磁気記憶媒体としての磁気ヒステリシス・ループを提供する。強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とは、磁気ヒステリシス・ループの中心をＨ＝０から離してセットするように構成されることによって、２進の各状態を浮遊磁場に対して安定させる。
【００１０】
別の実装では、互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を含む装置について説明する。このブロッキング温度は強磁性材料のキュリー（Ｃｕｒｉｅ）温度を下回る。この装置の１つの構成では、磁性材料が３つ以上の磁性状態をとるように構成される。この装置の別の構成では、強磁性層と反強磁性層は、材料の磁気ヒステリシス・ループをゼロ磁場（ｚｅｒｏ ｆｉｅｌｄ）から離して装置の浮遊磁場より大きな磁場にオフセットするように選択される。
【００１１】
前述の装置には、選択された磁区にデータが書き込まれるときに、この選択された磁区の温度を局所的に制御する温度制御メカニズムを含めてもよい。こうした温度制御メカニズムは、さまざまな構成が可能である。たとえば、書き込み実行中にレーザーからレーザー・ビームを選択された磁区に照射するレーザー、選択された磁区を加熱する誘導性の（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｃｏｐｙ）チップ（ｔｉｐ）、各磁区の一部としての抵抗（オーム）加熱（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ（ｏｈｍｉｃ） ｈｅａｔｉｎｇ）メカニズム、選択された磁区に接触する抵抗（オーム）加熱素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）を追加してもよい。
【００１２】
本出願では、磁気的に記録する方法についても説明する。互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料が提供される。ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回る。局所的な加熱が実行されることによって、この材料内の選択された磁気ビットの温度が上昇し、ブロッキング温度を上回る。ブロッキング温度を上回る温度で、選択された磁気ビットに磁化プロセスが適用され、残留磁化が多状態記憶媒体のあらかじめ指定された残留磁化のセットから選択された値に設定され、ビットが書き込まれる。ここで、選択された磁気ビットの外部磁場（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が除去され、ゼロ磁場で、選択された磁気ビットの温度が低下してブロッキング温度を下回り、選択されたビットに残留磁化が記憶される。
【００１３】
本出願では、磁気的に記録する別の方法についてさらに説明する。互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料が提供される。このブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回る。局所的な加熱が実行されることによって、この材料の選択された磁気ビットの温度が上昇し、ブロッキング温度を上回る。ブロッキング温度を上回る温度で、選択された磁気ビットに磁化プロセスが適用され、残留磁化が多状態記憶媒体のあらかじめ指定された残留磁化のセットの選択された値に設定され、ビットが書き込まれる。磁化プロセスの磁場が保持される間に、選択された磁気ビットの温度は低下してブロッキング温度を下回り、選択されたビットに残留磁化が記憶される。
【００１４】
こうした実装およびその他の実装、その適用例および変形については、添付の図面、発明の実施の形態、請求項でさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体の例を示す図である。
【図２】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体を使用する磁気記憶装置の例を示す図である。
【図３】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のさまざまな測定値を示す図である。
【図４】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のさまざまな測定値を示す図である。
【図５】５ｍｍ×５ｍｍのＦｅＦ２（７０ｎｍ）／Ｎｉ（７０ｎｍ）／Ａ１（４ｎｍ）サンプル上で、約５００μｍのレーザー・スポットによるサンプルのさまざまな部分における磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｅｒｒ Ｅｆｆｅｃｔ）を伴う容易軸（ｅａｓｙ ａｘｉｓ）に沿った磁気ヒステリシス・ループを示す図である。測定は、サンプルがＭＲ≒０の消磁された（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ）状態からゼロ磁場で冷却された後に、ＦｅＦ２の遷移温度より低い温度で行われている。図５Ａの背景の色は、局所的な交換バイアスの方向を表している。すなわち、赤は負、青は正である。
【図６】強磁性体のあらかじめ設定された残留磁化におけるゼロ磁場で冷却するときに反強磁性体内で凍結する磁区の構造を示す図である。
【図７】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のヒステリシス・ループの移動と変化を強磁性体による媒体と比較して示す図である。
【図８】２ｋＯｅ磁場で冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉサンプルについて、ＴＢより高い温度と低い温度での容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。反強磁性体によって強磁性体に導入された単軸の異方性（ｕｎｉａｘｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が示されている。
【図９】連続するＡＦ（たとえばＦｅＦ２）層上の強磁性層（たとえばＦｅ）によって形成された磁気ドット・パターンを強磁性体のみの材料（Ｆｅのみ）と比較して示す図である。
【図１０】Ｆｅのみのドット媒体とＦｅ／ＦｅＦ２のドット媒体について測定された安定化データをさらに示す図である。
【図１１】指定された磁場で冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉ／Ａｌサンプルについて、容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。残留磁化は冷却する磁場によって異なり、ＦｅＦ２のサンプルが冷却されてＴＮを下回った後の値で固定される。
【図１２】さまざまな残留磁化の状態からゼロ磁場冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉ／サンプルについて、ＴＮ（Ｔ＝１０Ｋ）より低い温度で測定された容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。ＦｅＦ２のＴＮを上回る部分的な消磁によって設定された残留磁化は、サンプルが冷却されてＴＮを下回った後も維持される。黒の曲線は、ＴＮ（Ｔ＝８０Ｋ）より高い温度のヒステリシス曲線を示している。
【図１３】多状態記憶媒体にデータを書き込むための２つの異なる書き込み方法を示す図である。
【図１４】多状態記憶媒体にデータを書き込むための２つの異なる書き込み方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本出願で説明する磁性材料、記憶技術、および記憶装置は、磁気結合された２つの磁性層、すなわち強磁性層（ＦまたはＦＭ）とこれに隣接する反強磁性層（ＡＦまたはＡＦＭ）を使用しており、安定した２進の磁気記憶媒体および多状態の磁気記憶媒体を提供する。本明細書で説明する安定した２進の磁気記憶媒体は、読み出し／書き込みヘッドから生じる浮遊磁場、隣接する磁気ビット、およびその他の原因を含むさまざまな要因によって発生する磁気妨害に対する耐性があるので、媒体上で高密度の磁気ビットを実現するために使用できる。本明細書で説明する多状態磁気記憶媒体は、各磁気ビットの複数の状態を表す複数の残留磁化の値を提供することによって、各ビットに記憶される情報コンテンツが増大する。
【００１７】
図１は、強磁性層と反強磁性層との結合による磁気媒体の例を示している。図示されているように、ＡＦ層（たとえばＦｅＦ２）とＦ層（たとえばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはその他のＦ金属または合金）は、基板ＭｇＦ２（１１０）上に構成される。この例では、ＡＦ層が直接基板上に付着している。他の実装では、ＡＦ層と基板の材料が大きく異なる場合に（たとえば格子（ｌａｔｔｉｃｅ）構造）、基板とＡＦ層の間に１つまたは複数のシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）を構成してもよい。ＡＦ層は、ＡＦ材料であれば単結晶材料（単結晶）で構成しても多結晶材料で構成してもよい。多結晶材料の結晶粒サイズは、ビットを定義する各磁区のサイズより大きくなければならない。アルミニウム層などのオプションのキャッピング層（ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）は、磁気媒体を保護するためにＦ−ＡＦ層の最上部に構成でき、キャッピング層の材料の選択はＦ材料の選択によって変わる。キャッピング層などは、記録のプロセスには直接関与しない。データは、ＡＦ層のブロッキング温度より高い温度でＦ−ＡＦ結合媒体に特定の残留磁化の形で磁気的に書き込まれる。ここで、温度が低下してブロッキング温度を下回り、書き込まれた磁性状態（２進の状態または多状態の状態）がビットにインプリント（ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ）され、読み出し／書き込みヘッドや隣接するビットを含めて、磁気メモリの標準的な操作を実行する間に存在する磁場には影響されない。さらに、ＡＦ層のブロッキング温度より低い温度で後続の読み出し操作が実行される。ブロッキング温度とは、これを下回ると２層Ｆ−ＡＦシステムが交換バイアスを呈する温度である。交換バイアスは、通常は磁化曲線（ヒステリシス・ループ）の水平移動として観測され、システムの保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｅ ｆｉｅｌｄ）の強化を伴うのが一般的である。ブロッキング温度は、ＡＦの遷移温度、すなわちニール（Ｎｅｅｌ）温度に等しいかそれより低温である。本出願のＦ−ＡＦ結合媒体は、Ｆ層のキュリー温度がＡＦ層とＡＦ層用に選択されたＡＦ材料のブロッキング温度を上回るように、したがってブロッキング温度がこうした装置の動作温度の上限を上回るように設計できる（たとえば８０℃以上）。このように、媒体の温度は通常ブロッキング温度を下回っており、媒体の中にデータを書き込むために媒体を加熱することによってブロッキング温度を上回る可能性がある。したがって、特にＦ−ＡＦビットを使用した磁気装置には、磁気読み出し／書き込みヘッドと温度制御メカニズムが含まれる。
【００１８】
図２は、安定な２進構成または多状態構成によるＦ−ＡＦ結合媒体を使用する磁気メモリ装置の例２００を示している。媒体保持メカニズムは、結合されたＦ層とＡＦ層を伴う記憶媒体２０１を保持するために提供される。例として、装置２００がディスク・ドライブの場合は、媒体保持メカニズムにはディスクとディスクを回転させる電動式のスピンドルとを保持するカートリッジを含めてもよい。読み出し／書き込みヘッド２１０とヘッド２１０に接続するヘッド・アクチュエータを使用して、媒体２０１上でヘッド２１０を制御し、配置する。温度制御２２０は、Ｆ−ＡＦ媒体２０１の温度を制御するために提供される。温度制御２２０は、選択された磁気ビットに局所的に熱を供給することによって、その温度をブロッキング温度より高い温度まで上昇させる。加熱は選択されたビットのみに局所化され、隣接するビットの局所的な温度を大きく上昇させてブロッキング温度より上にすることはない。この設計では、新しいデータを書き込む場合に、媒体の各磁区またはビットを個別に加熱することができる。
【００１９】
局所的な加熱は、さまざまな構成で実装できる。たとえば、温度制御２２０はレーザーを使用して媒体２０１の選択された磁気ビットに集束されたレーザー・ビームを照射して局所的に加熱してもよい。レーザー・ビームの集束は、固体浸レンズ（ｓｏｌｉｄ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｌｅｎｓ）などの近接場光学（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃｓ）の使用によって実現できる。別の例では、電気抵抗（オーム）加熱を使用して、Ｆ−ＡＦ媒体内の個々のビット位置の加熱と温度を制御してもよい。抵抗加熱はＦ−ＡＦ媒体の一部として実装でき、各ビット位置に加熱電流を流すことによって各ビット自体を加熱できる。代わりの方法として、ビット領域、たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにビットを書き込む場合のようなビット／ワード・ラインの共通部分に接触する独立した抵抗加熱素子を使用してもよい。さらに別の例では、誘導性の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）チップを使用して電流を選択した磁気ビットに流すことにより、局所的に加熱できる。特に、温度制御２２０は、読み出し／書き込みヘッド２１０の一部として統合できるので、唯一の位置決め（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）メカニズムを使用して局所的な加熱と磁気ヘッドの位置決めを制御できる。
【００２０】
本出願で説明するＦ−ＡＦ材料を使用すると、可動部のないＭＲＡＭを構成することもできる。こうしたＭＲＡＭには、ＭＲＡＭの各ビット位置で個別に温度を制御する温度制御が含まれる。
【００２１】
以下の項では、まず交換バイアスに基づくＦ−ＡＦ結合媒体の材料の設計と特性について説明する。次に、２進のＦ−ＡＦ媒体の磁区の安定化および多状態Ｆ−ＡＦ媒体について説明する。
【００２２】
強磁性体と反強磁性体との結合による媒体の特性
Ｆ層とＡＦ層の磁気結合による交換バイアスは、Ｆ層とＡＦ層の両方で磁気異方性が変化する原因となる。交換バイアスを説明するための１つの理論上のモデルは、水平長さスケール（ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ）モデルである。２００５年６月１７日にｈｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｅｄｐｓｃｉｅｎｃｅｓ．ｏｒｇ／ｅｐｌにオンライン出版されＥｕｒｏｐｈｙｓｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７１（２００５年７月）に掲載を予定され、参照によってその全開示を本明細書に組み込まれているＩｇｏｒ Ｒｏｓｈｓｃｈｉｎ ｅｔ ａｌ．「Ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ ｉｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ」を参照されたい。他にも説明されている可能性がある。交換バイアスの局所的な型（ｒｅｇｉｍｅ）を説明する試験結果は、本明細書で単に安定化技術および多状態メモリ技術の背後にある交換バイアスに関する理解を助けるために使用されており、本出願で説明するさまざまな実装を限定するものと解釈してはならない。
【００２３】
強磁性体と反強磁性体とが近接する場合は、水平長さスケール（個々の磁区のサイズなど）は交換バイアスを非常に大きく左右する可能性がある。ＦｅＦ２とＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれかとによる二重層（Ｂｉｌａｙｅｒｓ）は、ＳＱＵＩＤと空間的に分解されたＭＯＫＥを使用して研究されている。反強磁性の領域が強磁性の領域より大きい場合またはそれと同等の場合は、局所的で平均化されていない交換バイアスが観測される。この結果、異常で調整可能な磁気ヒステリシス曲線が発生する。
【００２４】
２つの異なる材料が接触する場合、１つの材料がもう１つの材料の特性を変更する近接効果（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）がたびたび観測される。電子波動関数（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｗａｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）の範囲は有限であることから、近接効果は通常は界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）全体の秩序パラメータ（ｏｒｄｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の空間的変動として説明される。たとえば、超伝導の標準的な二重層で発生する近接効果は、コヒーレンス長（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ）と呼ばれる長さスケールによって標準的な材料にもたらされる超伝導秩序パラメータの減衰によって特徴付けられる。おもしろいことに、インターフェイスの平行平面における物理的な数量の変化に固有の長さスケール間の相関が近接効果において役割を果たすことは今まで主張されていない。
【００２５】
界面の両側の水平固有の長さスケール間の関係は、交換バイアスにとって重要である。交換バイアス（ＥＢ）は、互いに密に接触する強磁性（Ｆ）と反強磁性（ＡＦ）の間の近接効果である。通常、ＥＢは界面での交換結合によってＡＦからＦにもたらされる追加の単方向の異方性として説明される。このことによって、ＡＦ秩序化（Ｎｅｅｌ）温度ＴＮより下で磁場軸に沿って移動した唯一の磁気ヒステリシス・ループが得られる。この移動の大きさは、交換バイアス磁場（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ ｆｉｅｌｄ）、Ｈｅとして定義され、正または負である。ＦによるＡＦの特性への影響は、ＡＦによるＦへの影響とは異なり、わかりにくく、測定がむずかしい。ＦとＡＦの両方が磁区を構成でき、これがＦ内の磁化の空間的変動と界面の平行平面内でＡＦ内のスタガード磁化（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）をもたらす。ＦとＡＦとの相互の影響により、界面スピン構成（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）がバルクＡＦおよびＦのそれから大きく外れる可能性がある。この開示において、交換バイアス・システムのＡＦ領域は同じ単方向の異方性を引き起こす領域を表す。
【００２６】
ＡＦ領域がＦ領域より大きい場合またはそれと同等の場合は、局所的で平均化されていない交換バイアスが観測される。こうしたサンプルは、同じ大きさであるが符号は逆のＨｅを伴う２つのサブシステムに磁気的に分割できる。この状態は、部分消磁されたサンプルのゼロ磁場冷却（ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ ｃｏｏｌｉｎｇ）または適切に選択された一定の印加磁場（ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）内のサンプルの冷却によって実現される。いずれの場合も、２つの磁気サブシステムは互いに独立して動作し、ＥＢの平均化は実行されない。したがって、これ自体は明らかにダブル・ヒステリシス・ループ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐ）である。さらに、消磁のプロセスでＦ内に磁区を作成すること、あるいは磁場冷却手順を変更することによって、ＥＢの局所的な符号を操作できる。こうした結果は、異機種環境の磁気構造と不均質な秩序パラメータによる近接効果という新しい物理学を示している。
【００２７】
通常、厚さ３８〜１００ｎｍのＦｅＦ２層が３００℃で（１１０）ＭｇＦ２基板上に成長し、続いて厚さ４〜７０ｎｍの強磁性層（Ｃｏ、Ｆｅ、またはＮｉ）が１５０℃で成長し、磁気層の酸化を防止するために３〜４ｎｍのＡｌ層でインシトゥーコーティングする。ＦｅＦ２反強磁性層（ＴＮ＝７８．４Ｋ）はエピタキシャル成長し（ｇｒｏｗｓ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ）、Ｘ線の回折によって指定される（１１０）ＭｇＦ２基板上（１１０）の方向によりが戻る（ｕｎｔｗｉｎｎｅｄ）。バルク構造に基づいて、（１１０）ＦｅＦ２の理想的なサーフェスには面内の容易軸の［００１］方向に向いた補正済みのスピン（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｓｐｉｎｓ）があることが想定される。Ｘ線回折の測定値は、すべてのサンプルの強磁性層が多結晶であることを示している。あらゆるサンプルに存在する単軸の磁気異方性は、ＦｅＦ２容易軸に沿った容易軸により、ＴＮをはるかに上回る温度でも、成長によって引き起こされる異方性に起因する。３つの強磁性体すべての強磁性遷移温度は、室温をはるかに上回っている。印加磁場に平行な平面内のサンプル磁化は、ｄｃ ＳＱＵＩＤ磁気計と磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ）を使用して測定される。冷却中のサンプル磁化の方向は正に指定されており、ヒステリシス・ループの移動の符号によってＥＢの符号が定義される。すべてのサンプルの磁気モーメントと印加磁場曲線は、ＴＮより高い温度での一般的な強磁性体の動作、すなわち原点に関して対称なシングル・ヒステリシス・ループを示している。
【００２８】
第１の一連の試験では、サンプルは３００Ｋで容易軸ＭＲに沿って選択された残留磁化の値、すなわち０と飽和磁化ＭＳとの間に消磁される。これで、Ｆ領域は容易軸に沿った反対方向の磁化による配列になる。２種類の領域の磁化間のバランスによって、結果となるサンプルの磁化が決まる。サンプルがゼロ磁場（ＺＦＣ）でＴＮより低温に冷却された後に、低磁場の磁気モーメントはさまざまな温度での印加磁場の関数として測定される。十分な残留磁化の状態から冷却されたサンプル（ＭＲ−ＭＳ）は、Ｈｅ（Ｔ）によって負の磁場に交換バイアスされたシングル・ヒステリシス・ループを示す（図３）。これに対して、減少した残留磁化（ＭＲ＜ＭＳ）の状態からの冷却済みサンプルは、ダブル・ヒステリシス・ループを示す（たとえば、図３のＭＲ−０．５ＭＳとＭＲ−０）。各ループは、磁場軸に沿って温度に依存しないＨｅ（Ｔ）と同じ大きさだけ逆の方向に移動する。ループの高さの比率は、サンプルが冷却される残留磁化の状態によって設定され、その状態における２種類の磁化の比率に等しい。このように、システムはＴＮより高温の残留磁化の状態を「記憶」している。
【００２９】
第２の一連の試験では、同じサンプルはヒステリシス曲線の不可逆磁場（ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ ｆｉｅｌｄ）の上で容易軸に沿って磁場をかけることによって、Ｔ＝１５０Ｋで最初に磁化される。さらに、サンプルは印加磁場（ＦＣ）、また冷却磁場として示されるＨＦＣで冷却される（図３）。ＨＦＣが小さい場合は、ＴＮより低い温度の磁化曲線は、シングル・ヒステリシス・ループを負の方向にＨｅ（Ｔ）だけ移動して構成される。ＨＦＣが大きい場合は、ＴＮより低い温度の磁化曲線はさらにシングル・ヒステリシス・ループを示すが、正の磁場に実質的にＨｅ（Ｔ）と同じ大きさだけ移動される。ＨＦＣが中程度の場合は、第１の一連の試験と同様に、ＴＮより低い温度の磁化曲線は２つのヒステリシス・ループを示し、１つは負の磁場、もう１つは正の磁場に同じＨｅ（Ｔ）だけ移動される。固有の冷却磁場領域は、ＦとＡＦの両方の材料と厚さによって変わる。たとえば、ＦｅＦ２（３８ｎｍ）／Ｃｏ（４ｎｍ）のサンプル（図３）の場合は、０．１ｋＯｅと３０ｋＯｅの間で冷却磁場のダブル・ループが観測される。
【００３０】
両方の一連の試験で、ＴＮを下回るすべての温度で正と負の同じ大きさＨｅ（Ｔ）が検出されることは注目に値する（図４）。任意の特定温度で、両方のループの幅はシングル・ヒステリシス・ループの幅（保磁力の２倍、すなわち２ＨＣ）である。垂直方向にサイズ変更された場合は、シングル・ループとダブル・ループのそれぞれの両方の形状（図３参照）と温度発展（図４参照）は全く同じである。このように、２種類の独立した領域は同じ特性で構成され、１つは正、もう１つは負に交換バイアスされる。
【００３１】
こうしたサンプルでは、幅が１／２のループはその移動量を下回る。すなわちＨＣ＜Ｈｅである。明らかなダブル・ヒステリシス・ループが観測される場合は、条件ＨＣ≦Ｈｅが必須である。これとは対照的に、他のサンプルにおける結果は逆の限界すなわちＨＣ＞＞Ｈｅにあるので、ダブル・ループは解決できない。
【００３２】
最初の２つの一連の試験の結論は、空間的に分解されたＭＯＫＥにより、反射したｐ偏光（ｐ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ）の強度の差として明白に確認される。図５Ａと５Ｂは、関連の測定値を示している。
【００３３】
この試験では、第１の一連の試験で行ったように、５ｍｍ×５ｍｍのＦｅＦ２（７０ｎｍ）／Ｎｉ（７０ｎｍ）／Ａｌ（４ｎｍ）のサンプルがＴＮより高温で消磁されてから、ゼロ印加磁場でＴＮより低温に冷却される。第１に、印加磁場の関数としてのＭＯＫＥ信号（一般的には磁化に比例すると考えられる）は、ワイド・ビームで照射されたサンプルのサーフェス領域全体から収集される。この曲線は、ダブル・ヒステリシス・ループで構成される（図５Ｂ）。試験の条件が変更されない場合、ＭＯＫＥの測定は４行４列で１６か所（図５Ａに示す位置）に配置された直径５００ｎｍのレーザー・ビームで行われる。結果として生じる信号（図５Ａ）は、磁化に比例し、空間的に変動する。サンプルの１つの側ではシングル・ループが負の方向に移動し、もう１つの側ではシングル・ループが正の方向に移動し、ダブル・ヒステリシス・ループの間で検出される。このような１６曲線を正規化して合計したもの（図５Ｂの緑色の三角形）は、サンプル全体から得られるヒステリシス曲線（黒い丸）によく一致する。２本の曲線のわずかな相違は、１６の測定か所ではサーフェス領域が完全にはカバーされないことによるものである。サンプルが十分な残留磁化のＺＦＣである場合は、空間的な変動は観測されない。
【００３４】
この試験では、サンプルに２つの領域が含まれること、すなわちシングル・ヒステリシス・ループが１つの領域では正の方向に、もう１つの領域では負の方向に、同じＨｅだけ移動することを確認する。レーザー・ビームが両方の領域の一部を照射する場合は、磁化曲線は反対方向に移動した２本のループで構成され、その相対的な高さは、２つの領域の比率によって決まる。
【００３５】
こうした試験の結果により、２つの主要な結果が得られる。第１に、こうしたサンプルは、符号が逆のＥＢを伴う２つの独立したサブシステムに分割できる。これは、部分的または全体的に消磁されたサンプルをゼロ印加磁場で冷却すること、または適切に選択された中程度の印加磁場でサンプルを冷却することによって実現される。適切な磁場の範囲は、サンプルのパラメータ、すなわち材料、層の厚さ、インターフェイスの粗度などによって決まる。第２に、各Ｆ領域の交換バイアスは、さまざまなＡＦ領域では平均化されないので、ダブル・ヒステリシス・ループが観測される。
【００３６】
ＥＢの現象は大いに注目され、ＥＢの複数のメカニズムが提示されているが、その多くはＦ領域のＥＢのスケールの変動を考慮しない。パターン形成されたＦ−ＡＦ二重層または弱められた（ｄｉｌｕｔｅｄ）ＡＦにおけるＡＦおよび／またはＦの領域サイズに、ＨＣとＨｅが依存するかどうかについて調べている。パターン形成されたＦ層を伴うＡＦ−Ｆ二重層におけるＨｅの拡張については、小規模なＦ領域におけるＦ−Ｆ交換相互作用の抑制によって説明されている。ＡＦ領域とＦ領域との対応、およびＥＢの値の小さな空間的変動については報告されている。ダブル・ヒステリシス・ループとＦおよびＡＦの領域構造との相関は、消磁された状態からゼロ磁場冷却されたＣｏＯ／ＮｉＦｅサンプルで確認されており、交換スプリング・モデルを使用して説明されている。ＦｅＦ２／ＦｅとＦｅ０．６Ｚｎ０．４Ｆ２／Ｆｅ二重層内の交換バイアス磁場とダブル・ヒステリシス・ループの形状は、ゼロ印加磁場内で冷却中の残留磁化に依存することがわかっている。ダブル・ヒステリシス・ループと負の方向に移動したシングル・ヒステリシス・ループは、明確な傾向なしにさまざまな小規模磁場（０〜４０Ｏｅ）に付着したＦｅＭｎ／ＦｅＭｎＣサンプルで確認されている。ゼロ磁場に付着したＮｉＦｅ／ＮｉＦｅＭｎサンプルでは、困難軸に沿って測定されたＭＯＫＥ信号の空間的な変動が他の研究者によって報告されている。
【００３７】
さまざまなサンプルについて実行された多くの報告済みの試験は、一見矛盾する関係のない結果を示している。複数の解釈と組み合わせると、これは結論を導くことができない複雑で混乱させる状況につながる可能性がある。同じサンプルに関する複数の異なる試験を伴う総合的な研究のみがＥＢ内のＡＦ領域とＦ領域の相対的なサイズの役割に関する限定的な解答を提供できることは明らかである。
【００３８】
ＥＢにおいて、ここではＡＦ領域のサイズとＦ領域のサイズとの関係に基づいて２つの異なる型を検出する。第１に、ＡＦ領域がＦ領域より小さい場合は、Ｆ領域では複数のＡＦ領域にわたってＨｅの方向と大きさを平均する。このことにより、ＦｅＦ２／Ｆｅの対によるサンプルとＭｎＦ２／Ｆｅの対によるサンプルで検出されたように、冷却磁場とシングル・ヒステリシス・ループの関数としてＨｅの連続的な変動が発生する。ＡＦ領域が非常に小さい場合は、各Ｆ領域と相互に作用するＡＦ領域の数が非常に大きい。この場合は、各Ｆ領域は基本的に個別のサンプルとして扱うことができる。無外部磁場が、サンプルを冷却する（ＺＦＣ）間に印加される場合は、こうした領域のそれぞれについて、Ｆ領域の磁化の方向によって正味ＥＢの符号が設定されるので、ダブル・ループが観測される場合がある。Ｘ線反射率の測定値は、（１００）ＭｇＯの上に成長した（１１０）ＦｅＦ２の対における平面内構造のコヒーレンスが互いに９０°の結晶の容易軸に沿って６〜１０ｎｍであることを示している。こうした容易軸の空間的変動を細かい粒度と組み合わせることによって、最大サイズのＡＦ領域が確立され、結果としてＥＢを平均化する型が得られる。
【００３９】
ＡＦ領域のサイズがＦ領域のサイズと同等またはそれより大きい場合は、各Ｆ領域がＥＢの特定の方向をとる唯一のＡＦ領域に結合するので、平均化は行われない。したがって、本研究で報告するように、さまざまな冷却磁場とダブル・ヒステリシス・ループに対して、Ｈｅの大きさは同じになる。この型において、サンプルがゼロ磁場冷却されている場合は、界面の（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ）ＦモーメントとＡＦモーメントとの反強磁性結合によってＡＦの単方向の異方性が局所的に設定される。したがって、各Ｆ領域のＥＢの局所的な符号は、サンプルを冷却するときのその領域の磁化の方向によって決定する。このように、ＴＮより高温での磁化方向が逆のＦ領域は、ＴＮより低温での同じ大きさで符号が逆のＥＢを伴う。
【００４０】
サンプルが磁場冷却されるときに、さらに、冷却磁場ＨＦＣによって決定するのはＨｅの符号のみであり、Ｈｅの大きさは決まらない。これは、Ｈｔｏｔａｌの容易軸上への射影であり、Ｈｔｏｔａｌによって局所的なＥＢの符号が決定する。ＡＦの界面スピン（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎｓ）によって感知された局所冷却磁場の合計であるＨｔｏｔａｌは、印加磁場ＨＦＣと界面のＦのモーメントによる局所交換磁場ＨＦの和である。サンプルの空間的不均質性によってＨＦの不均質性がもたらされ、これによってさらにＨｔｏｔａｌの不均質性という結果が生じる。中程度のＨＦＣでは、このことが原因でＨｔｏｔａｌの大きさが小さくなり、不均質になるので、Ｈｔｏｔａｌの符号が正または負の界面領域の温度が上昇する。したがって、この磁場でサンプルをＴＮより低温に冷却することによって、負と正それぞれのＥＢが発生する。Ｘ線反射率の測定値によって、（１１０）ＭｇＦ２単結晶基板上に成長した対になっていない（１１０）ＦｅＦ２内の平面内構造コヒーレンスは、約２８ｎｍである。さらに、対になっていないことから、対になったＦｅＦ２の場合とは異なり、ＡＦ領域のサイズは粒子サイズに比べてはるかに大きくなる可能性がある。大きなｍｍ規模のＡＦ領域がバルク単結晶（ｂｕｌｋ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ）のフッ化物内で観測される。ＺＦＣの場合は、ＡＦ領域とＦ領域が同等のサイズであり、レーザー・ビームより大きいことが確認される。相対的な領域サイズによってサンプルの２つの磁気サブシステムへの分割とＥＢの型が決まることが、シミュレーションで確認されている（他の場所で公開する予定である）。
【００４１】
本明細書に記載する観測の他のシステムへの関連性は、ＡＦ−Ｆシステムを模倣する多層システムで説明されている。ＡＦの界面スピンの役割を果たす層内のより大きな領域のサンプルでは、中程度の冷却磁場でダブル・ヒステリシス・ループが観測される。こうしたモデル・システムが実際のＡＦ−Ｆシステムの領域構造を正確に模倣しているかどうかは明らかではない。しかし、こうした結果によって相対的な領域サイズが役割を果たす追加の試験構成が提供される。
【００４２】
したがって、ＡＦ領域とＦ領域の相対的なサイズは交換バイアスに影響を与える。ＡＦ領域のサイズがＦ領域のサイズより大きい場合またはそれと同等の場合は、構造的または磁気的な不均質性によって、ＡＦの遷移温度ＴＮより低温に冷却することきに、サンプルが２つの独立したサブシステムに分割される可能性がある。各サブシステムは、大きさは等しいが符号が逆のＥＢを呈する。これで磁化曲線はダブル・ヒステリシス・ループになるので、平均的化されていない局所的なＥＢを明白に示している。この動作は、３つの異なるＦ、すなわちＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏによるサンプルについて、さまざまな厚さのＦ層とＡＦ層について、再現可能な方法で観測される。こうした観測により、さらにＦの特性だけでなくＡＦの特性もＥＢで変更されることがわかる。水平方向の相対的な長さスケールは、標準の金属に近接する粒状の超伝導体（Ｓ）や、領域を備えるＦに近接するＳなど、空間的に不均質な秩序パラメータによるその他の近接効果に関連する可能性があることを提言する。
【００４３】
強磁性（Ｆ）層とこれに隣接する反強磁性（ＡＦ）層との磁気結合に基づく本発明の磁気記憶材料および装置は、Ｆ層内の残留磁化を使用してＡＦ層へのインプリントを行う。このＡＦ−Ｆ結合によって交換バイアスが生成される。図６は、Ｆ層に特定の値の残留磁化がある状態からのゼロ磁場冷却によるＡＦの単方向の異方性（ＡＦの界面スピン）の設定を示している。このインプリントは、各ビットへのデータの書き込みに使用する。交換バイアスの結果の１つは、交換バイアス磁場Ｈｅと呼ばれるＭ（Ｈ）磁化曲線の水平方向の移動である。大きな交換バイアスは、連続的な多層とナノ構造にパターン形成された多層の両方で実現できる。
【００４４】
磁気的に安定化された２進の記録媒体
前述の領域のインプリントによってＡＦからＦに導入された追加の単方向の異方性の方向を局所的に制御できる。この追加の単方向の異方性によって、磁気スイッチ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）の効果的なエネルギー障壁が強化されるため、ＦビットまたはＦナノ構造の磁気的な安定性が向上する。
【００４５】
図７Ａは、従来の多くの２進の磁気記憶装置で使用されている例示的な強磁性材料の磁気ヒステリシス・ループを示している。２つの論理状態は、２つの反対方向（正と負）の最大磁化によって表現される。ループはＨ＝０を中心とする。したがって、磁場の強さが保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｅ ｆｉｅｌｄ）Ｈと同等またはそれより大きい強磁性材料の浮遊磁場によって、ビットがその磁性状態が変更され、その結果記憶された情報が消去される可能性がある。ただし、Ｆ−ＡＦ結合に基づく新しい材料では、ヒステリシス・ループの中心がＨ＝０からＨ＝０の正または負の側にＨeだけ移動する。図７Ｂはこの移動を示している。結果として、大きさが｜Ｈe｜＋｜ＨＣ｜より小さい浮遊磁場は、浮遊磁場の大きさがＨＣと同等の場合またはそれより大きい場合でも、材料の磁性状態には影響を及ぼさなくなる。このように、Ｆ−ＡＦ結合に基づく新しい材料はさまざまな浮遊磁場に関連して安定化される。さらに、Ｆ層とＡＦ層との間の交換バイアスによって新しい材料の保磁力Ｈまたはヒステリシス・ループの幅がさらに増大し、したがって記憶されたビットの浮遊磁場に対する安定性がさらに向上する。
【００４６】
したがって、本発明によって磁気媒体にＦ−ＡＦ結合を使用することにより、ビット・サイズの縮小が可能になり、強磁性記憶媒体における制限が緩和される。前述のように、強磁性記憶媒体では、隣接するビットを操作する記録ヘッドによって、記憶された情報の一部または全体が消去される危険性があることによる悪影響を受ける。ヒステリシス・ループを移動し、媒体の保磁力を増大するＦ−ＡＦ結合媒体の設計により、浮遊磁場の悪影響を大幅に削減できる。別の例として、本発明の技術では、磁気ビット内の磁気モーメントの温度変化によって記憶された情報の一部または全体が消去される危険性があることによる動作温度範囲に関する制限が除去または緩和される。本発明の磁気安定化は、高密度および高安定ハード・ディスク・ドライブ、磁気テープ、磁気ＲＡＭ、およびその他の磁気メモリや論理装置などの磁気記録に使用してもよい。
【００４７】
本発明の安定化技術を磁気記録装置および磁気記録媒体で平面内および垂直方向の両方の磁気記録に使用することによって、パターン形成された磁気媒体またはパターン形成されていない磁気媒体に記憶された情報を安定化でき、数百ギガビット／平方インチおよび１テラビット／平方インチ以上の密度まで記録密度を向上できる。さらに、本発明の安定化技術を使用すると、磁気記録テープに記録された情報の密度を向上でき、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に記録された情報の密度と安定性を向上できる。さらに、本発明の安定化技術は、目的が同じその他の磁気記録の適用例に使用してもよい。
【００４８】
前述の安定化技術は、強磁性および反強磁性またはいわゆる合成反強磁性体（ＳＡＦ、本明細書の以下の部分ではＡＦのカテゴリに含める）を含む薄膜多層の磁気記録媒体にも適用できる。ビット記録プロセスにおいて、記録ヘッドはＡＦのブロッキング温度ＴＢより高温でＦ層とＡＦ層を含むビットを局所的に加熱する。磁気ＲＡＭタイプのメモリの場合は、オーム加熱を使用して抵抗による加熱を実行できる。Ｆ層のビットの磁化は、既存の技術または今後提示される任意の技術と同様に、記録ヘッドによって生成される局所的な磁場がかかることによって切り替わる。次に、加熱が終了し、ビットは冷却されてＴＢを下回り、Ｆに導入されたＡＦ層の単方向の異方性が設定される。図８は、２ｋＯｅの印加磁場における冷却プロセスでＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉサンプルの容易軸に沿って測定されたループを示している。ここで、Ｆ層によって導かれた単軸の異方性がＡＦ層にインプリントされる。
【００４９】
この後に磁場を停止できる。このプロセスの代わりに、サンプルを冷却する前に磁場を停止しても、図８に示すのと同じ結果が得られる。この設計および手順によってビットの切り替えに必要なエネルギー障壁が増大し、温度の変化あるいは隣接するビットの記録プロセスによってビットが消去されるのを防止する。局所的な加熱は、たとえば、レーザー、近接場光学、誘導性の走査型プローブ・チップ、ビット自体またはビット領域に接触する素子による抵抗（オーム）加熱など、任意の方法で実行され、たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにおけるビットの書き込みのようなビット／ワード・ラインの組合せを伴う設計を使用してもよい。
【００５０】
読み出しは、磁気情報を読み出す既存の技術または将来の技術を使用して実行できる。読み出しヘッドは、ビットのＦ層の磁気モーメントによる浮遊磁場を感知する。ＡＦ層の交換バイアスにより、こうしたビットの磁気ヒステリシス・ループは正または負の磁場に移動する。ループが負の方向に移動する場合は残留磁化が正であり、正の方向に移動する場合は残留磁化が負である。これで「０」と「１」の状態が定義される。ＡＦ材料はＴＮ＞８０℃である必要があります。これにはＮｉＯ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎが含まれるが、これらに限定はされない。
【００５１】
Ｆ−ＡＦ結合媒体は、パターン形成することによって異なる磁気ビットを互いに分割し、安定性と漂遊磁場に対する耐性をさらに向上してもよい。図９Ａおよび９Ｂは、連続するＡＦ層（たとえばＦｅＦ２）上の強磁性層（たとえばＦｅ）による磁気ドット・パターンを強磁性体のみの材料（Ｆｅのみ）の場合と比較して示している。
【００５２】
図１０Ａおよび１０Ｂは、Ｆｅのみのドット媒体とＦｅ／ＦｅＦ２のドット媒体について測定された安定化データをさらに示している。
【００５３】
ＡＦ−Ｆ結合による多状態の磁気記憶
前述のＦ層からＡＦ層へのインプリントを使用することによって、交換バイアスの方向を正または負のいずれかに局所的に設定できる。したがって、２つの領域の磁性状態は、２つの領域が反対方向に交換バイアスされる場合に作成される。２つの領域のサイズの比率によって、データを記憶するための磁気「ビット」として使用する磁気領域の残留磁化が決定する。こうした１つのビット位置での２つの領域の使用により、広範囲に及ぶ磁場で明確に定義された安定な多状態磁気「ビット」を備える磁気メモリを作成できる。状態は、Ｍｒｉ＝Ｍｓ／ｎ（ただし、２ｎ＋１は状態の総数、ｉは−ｎから＋ｎまでの任意の値）となるよう正と負の飽和磁化（ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）の値Ｍｓの間にある残留磁化の値Ｍｒに対応する。多状態の最大数は、装置の磁気感知限界によって設定される。
【００５４】
図１１と１２は、Ｆ−ＡＦ媒体のＦ層の残留磁化をさまざまな磁場で冷却することによって、あるいは選択された残留磁化の状態でニール温度ＴＮより高い温度から低い温度にゼロ磁場冷却することによって、さまざまな値に設定する例を示している。この場合、ＴＮはブロッキング温度に一致する。
【００５５】
このような多状態の記憶装置では、こうした多状態「ビット」の読み出し手順を、磁気光学または磁気抵抗による方法を含むさまざまな方法で実行できる。多状態の磁気材料は、平面内と垂直方向の両方に磁気記録を行う多状態の磁気記録装置および磁気記録媒体、および多状態の論理素子に使用できる。多くの利点の中でも、このような材料を使用すると、１ビットを上回る情報を記憶する多状態磁気「ビット」に情報を記録することによって、磁気メモリの密度を向上できる。多状態の磁気論理素子および装置は、前述の多状態ビットに基づいて構成できる。
【００５６】
さまざまな実装において、このような材料を使用して、強磁性および反強磁性またはいわゆる合成反強磁性体（ＳＡＦ、本明細書の以下の部分では「ＡＦ」のカテゴリに含める）を含む薄膜多層を構成できる。２つの領域のサイズの比率によって、磁気「ビット」としての磁気領域の残留磁化が決定する。正確な残留磁化の値は、さまざまな磁化のプロセスで設定でき、制御できる。
【００５７】
さまざまな書き込み方法を使用して、各ビット内に希望するレベルの残留磁化を生成できる。２つの例について以下で説明する。図１３は、外部磁場なしに冷却を実行する第１の書き込み方法を示している。さらに具体的に言えば、この方法では以下の手順が実行される。
１．選択された磁気ビットは、ブロッキング温度ＴＢ、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
２．選択された残留磁化Ｍｒ０は、小さなループを使用することによって実現される。考えられる手順の１つは、Ｍｒ０の方向と逆の方向に大きな磁場かけ、さらにＭｒ０の方向に小さな磁場をかけることによってこの印加磁場を除去したときのＭｒ０に等しい大きさの残留磁化を生成し、磁気ビットの磁化を飽和させることである。ここで磁場が除去される。
３．印加磁場がない状態で、ビットはＴＢより低温に冷却される。
４．残留磁化の値はこのＡＦ−Ｆビットにインプリントされ、特定のビットがＴＢより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
【００５８】
冷却プロセスの間に外部磁場がかけられる第２の書き込みプロセスについて以下で説明する。
１．選択された磁気ビットは、ブロッキング温度ＴＢ、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
２．特定の大きさの磁場がかけられる。
３．印加磁場でビットがＴＢより低温に冷却される。
４．特定の大きさの磁場でビットを冷却すると、選択された値の残留磁化によるダブル磁気ヒステリシス・ループを示す２つの領域による構造を設定できる。残留磁化の値はこのＡＦ−Ｆビットにインプリントされ、特定のビットがＴＢより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットへの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
【００５９】
記録される信号は、−ＭｓからＭｓまでの間で選択された任意のビット残留磁化に対応するように設定できるので、広範な磁場で非常に安定である。局所的な加熱は、たとえば、レーザー、近接場光学、誘導性の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）チップ、ビット自体またはビット領域に接触する加熱素子による抵抗（オーム）加熱など、任意の方法で実行できる。たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにおけるビットの書き込みのようなビット／ワード・ラインの組合せを伴う設計を使用してもよい。ＡＦ材料は、適用例に有効なＴＮ＞８０℃でなければならない。適切なＡＦ材料の例には、ＮｉＯ、ＩｒＭｎ、およびＦｅＭｎが含まれるが、これらに限定はされない。こうした多状態「ビット」の読み出し手順は、磁気光学または磁気抵抗による方法を含むさまざまな方法で実行できる。考えられるシナリオの１つは、記録された状態に対応する残留磁化の値に比例する磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ）信号を測定することである。
【００６０】
こうした多状態ビットをバイアスとして使用して、新たに多状態論理素子および装置を生成できる。この場合は、前述の書き込み手順において、レーザー加熱に代わるものとして、抵抗加熱を使用してもよい。読み出しは、磁気光学によるものでも磁気抵抗によるものでもよい。磁気抵抗による読み出しの例としては、磁気「ビット」の上部に配置された磁気抵抗によるセンサーが考えられる。このセンサーの抵抗の値は、局所的な磁場の値に一意に対応（比例）し、同様に読み出しヘッドで使用する技術に一意に対応する必要がある。
【００６１】
こうした材料およびその他の材料の適用例には、高密度および高安定ハード・ディスク・ドライブ、磁気テープ、磁気ＲＡＭ、その他の磁気記録装置、および論理回路の多状態論理装置および論理素子などの磁気記録が含まれる。それ以外への適用も可能である。
【００６２】
いくつかの実施例と適用例についてのみ説明されているが、その他の変形や拡張も可能である。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、磁性材料および磁気記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００４年７月１３日に出願され、その開示は参照により本出願の明細書の一部として組み込まれている、米国仮出願第６０／５８７，７８９号「ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＳＴＯＲＡＧＥ ＭＥＤＩＡ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＰＲＯＸＩＭＩＴＹ ＥＦＦＥＣＴ」の優先権を主張するものである。
【０００３】
連邦政府の補助金について
本発明は、ＦＡ９５５０−０４−１−０１６０およびＤＥ−ＦＧ０３−−８７ＥＲ−４５３３２に基づく米国政府支援の一環として作成されたものである。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００４】
磁性材料はデータの記憶に使用できる。磁気カード、テープ、ディスク、ハードドライブは、さまざまな磁性材料から作成された記憶装置の例である。商用の磁気記録媒体のほとんどにおいて、記録された各ビットは、記録媒体の２つの異なる磁性状態で表現される２つの論理状態、すなわち「０」と「１」をとる。たとえば、磁性材料内の磁区において２つの反対方向の磁化を使用して２進の状態を実現できる。このような材料では、記憶される情報の密度は磁区または情報を搬送する「ビット」の密度に一致する。したがって、こうした２進の磁気記録媒体では、磁区のサイズによって記憶密度が決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮出願第６０／５８７，７８９号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｉｇｏｒ Ｒｏｓｈｓｃｈｉｎ ｅｔ ａｌ．「Ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ ｉｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気記憶の密度を向上するための１つの取り組みは、磁区のサイズまたはビット・サイズを縮小することである。これは、多くの技術を使用して実現できる。たとえば、富士通とその他の企業によって開発された磁区サイズの小さい高密度の記録用材料は、約１００ギガビット／平方インチの記憶密度を実現している。しかし、磁気ビット・サイズが縮小することによって、磁気的に記憶された情報の熱的安定性と磁気的安定性が低下する場合がある。磁気媒体の不安定性は、温度の上昇、隣接するビットを操作する間に記録ヘッドから発生する浮遊磁場（ｓｔｒａｙ ｆｉｅｌｄｓ）の存在、隣接するビットとの相互作用など、さまざまな要因によって発生する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願では、強磁性層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）とこれに隣接する反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｌａｙｅｒ）との磁気結合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって発生する磁気交換バイアスに基づいて高密度の磁気記憶を実現するための技術、材料、装置を開示する。この磁気結合を使用すると、２進の磁気メモリ装置を安定させ、多状態の磁気メモリ装置を構成することができる。
【０００９】
１つの実装では、２進の磁気メモリ媒体を安定させる方法について説明する。本方法は、互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備える磁気記憶材料を提供することによって、２進の磁気記憶媒体としての磁気ヒステリシス・ループを提供する。強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とは、磁気ヒステリシス・ループの中心をＨ＝０から離してセットするように構成されることによって、２進の各状態を浮遊磁場に対して安定させる。
【００１０】
別の実装では、互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を含む装置について説明する。このブロッキング温度は強磁性材料のキュリー（Ｃｕｒｉｅ）温度を下回る。この装置の１つの構成では、磁性材料が３つ以上の磁性状態をとるように構成される。この装置の別の構成では、強磁性層と反強磁性層は、材料の磁気ヒステリシス・ループをゼロ磁場（ｚｅｒｏ ｆｉｅｌｄ）から離して装置の浮遊磁場より大きな磁場にオフセットするように選択される。
【００１１】
前述の装置には、選択された磁区にデータが書き込まれるときに、この選択された磁区の温度を局所的に制御する温度制御メカニズムを含めてもよい。こうした温度制御メカニズムは、さまざまな構成が可能である。たとえば、書き込み実行中にレーザーからレーザー・ビームを選択された磁区に照射するレーザー、選択された磁区を加熱する誘導性の（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ）走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏｃｏｐｙ）チップ（ｔｉｐ）、各磁区の一部としての抵抗（オーム）加熱（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ（ｏｈｍｉｃ） ｈｅａｔｉｎｇ）メカニズム、選択された磁区に接触する抵抗（オーム）加熱素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）を追加してもよい。
【００１２】
本出願では、磁気的に記録する方法についても説明する。互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料が提供される。ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回る。局所的な加熱が実行されることによって、この材料内の選択された磁気ビットの温度が上昇し、ブロッキング温度を上回る。ブロッキング温度を上回る温度で、選択された磁気ビットに磁化プロセスが適用され、残留磁化が多状態記憶媒体のあらかじめ指定された残留磁化のセットから選択された値に設定され、ビットが書き込まれる。ここで、選択された磁気ビットの外部磁場（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が除去され、ゼロ磁場で、選択された磁気ビットの温度が低下してブロッキング温度を下回り、選択されたビットに残留磁化が記憶される。
【００１３】
本出願では、磁気的に記録する別の方法についてさらに説明する。互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料が提供される。このブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回る。局所的な加熱が実行されることによって、この材料の選択された磁気ビットの温度が上昇し、ブロッキング温度を上回る。ブロッキング温度を上回る温度で、選択された磁気ビットに磁化プロセスが適用され、残留磁化が多状態記憶媒体のあらかじめ指定された残留磁化のセットの選択された値に設定され、ビットが書き込まれる。磁化プロセスの磁場が保持される間に、選択された磁気ビットの温度は低下してブロッキング温度を下回り、選択されたビットに残留磁化が記憶される。
【００１４】
こうした実装およびその他の実装、その適用例および変形については、添付の図面、発明の実施の形態、請求項でさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体の例を示す図である。
【図２】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体を使用する磁気記憶装置の例を示す図である。
【図３】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のさまざまな測定値を示す図である。
【図４】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のさまざまな測定値を示す図である。
【図５】５ｍｍ×５ｍｍのＦｅＦ２（７０ｎｍ）／Ｎｉ（７０ｎｍ）／Ａ１（４ｎｍ）サンプル上で、約５００μｍのレーザー・スポットによるサンプルのさまざまな部分における磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｅｒｒ Ｅｆｆｅｃｔ）を伴う容易軸（ｅａｓｙ ａｘｉｓ）に沿った磁気ヒステリシス・ループを示す図である。測定は、サンプルがＭＲ≒０の消磁された（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ）状態からゼロ磁場で冷却された後に、ＦｅＦ２の遷移温度より低い温度で行われている。図５Ａの背景の色は、局所的な交換バイアスの方向を表している。すなわち、赤は負、青は正である。
【図６】強磁性体のあらかじめ設定された残留磁化におけるゼロ磁場で冷却するときに反強磁性体内で凍結する磁区の構造を示す図である。
【図７】強磁性体と反強磁性体との結合による媒体のヒステリシス・ループの移動と変化を強磁性体による媒体と比較して示す図である。
【図８】２ｋＯｅ磁場で冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉサンプルについて、ＴＢより高い温度と低い温度での容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。反強磁性体によって強磁性体に導入された単軸の異方性（ｕｎｉａｘｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が示されている。
【図９】連続するＡＦ（たとえばＦｅＦ２）層上の強磁性層（たとえばＦｅ）によって形成された磁気ドット・パターンを強磁性体のみの材料（Ｆｅのみ）と比較して示す図である。
【図１０】Ｆｅのみのドット媒体とＦｅ／ＦｅＦ２のドット媒体について測定された安定化データをさらに示す図である。
【図１１】指定された磁場で冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉ／Ａｌサンプルについて、容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。残留磁化は冷却する磁場によって異なり、ＦｅＦ２のサンプルが冷却されてＴＮを下回った後の値で固定される。
【図１２】さまざまな残留磁化の状態からゼロ磁場冷却されたＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉ／サンプルについて、ＴＮ（Ｔ＝１０Ｋ）より低い温度で測定された容易軸の磁気ヒステリシス曲線を示す図である。ＦｅＦ２のＴＮを上回る部分的な消磁によって設定された残留磁化は、サンプルが冷却されてＴＮを下回った後も維持される。黒の曲線は、ＴＮ（Ｔ＝８０Ｋ）より高い温度のヒステリシス曲線を示している。
【図１３】多状態記憶媒体にデータを書き込むための２つの異なる書き込み方法を示す図である。
【図１４】多状態記憶媒体にデータを書き込むための２つの異なる書き込み方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本出願で説明する磁性材料、記憶技術、および記憶装置は、磁気結合された２つの磁性層、すなわち強磁性層（ＦまたはＦＭ）とこれに隣接する反強磁性層（ＡＦまたはＡＦＭ）を使用しており、安定した２進の磁気記憶媒体および多状態の磁気記憶媒体を提供する。本明細書で説明する安定した２進の磁気記憶媒体は、読み出し／書き込みヘッドから生じる浮遊磁場、隣接する磁気ビット、およびその他の原因を含むさまざまな要因によって発生する磁気妨害に対する耐性があるので、媒体上で高密度の磁気ビットを実現するために使用できる。本明細書で説明する多状態磁気記憶媒体は、各磁気ビットの複数の状態を表す複数の残留磁化の値を提供することによって、各ビットに記憶される情報コンテンツが増大する。
【００１７】
図１は、強磁性層と反強磁性層との結合による磁気媒体の例を示している。図示されているように、ＡＦ層（たとえばＦｅＦ２）とＦ層（たとえばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはその他のＦ金属または合金）は、基板ＭｇＦ２（１１０）上に構成される。この例では、ＡＦ層が直接基板上に付着している。他の実装では、ＡＦ層と基板の材料が大きく異なる場合に（たとえば格子（ｌａｔｔｉｃｅ）構造）、基板とＡＦ層の間に１つまたは複数のシード層（ｓｅｅｄ ｌａｙｅｒ）を構成してもよい。ＡＦ層は、ＡＦ材料であれば単結晶材料（単結晶）で構成しても多結晶材料で構成してもよい。多結晶材料の結晶粒サイズは、ビットを定義する各磁区のサイズより大きくなければならない。アルミニウム層などのオプションのキャッピング層（ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒ）は、磁気媒体を保護するためにＦ−ＡＦ層の最上部に構成でき、キャッピング層の材料の選択はＦ材料の選択によって変わる。キャッピング層などは、記録のプロセスには直接関与しない。データは、ＡＦ層のブロッキング温度より高い温度でＦ−ＡＦ結合媒体に特定の残留磁化の形で磁気的に書き込まれる。ここで、温度が低下してブロッキング温度を下回り、書き込まれた磁性状態（２進の状態または多状態の状態）がビットにインプリント（ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ）され、読み出し／書き込みヘッドや隣接するビットを含めて、磁気メモリの標準的な操作を実行する間に存在する磁場には影響されない。さらに、ＡＦ層のブロッキング温度より低い温度で後続の読み出し操作が実行される。ブロッキング温度とは、これを下回ると２層Ｆ−ＡＦシステムが交換バイアスを呈する温度である。交換バイアスは、通常は磁化曲線（ヒステリシス・ループ）の水平移動として観測され、システムの保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｅ ｆｉｅｌｄ）の強化を伴うのが一般的である。ブロッキング温度は、ＡＦの遷移温度、すなわちニール（Ｎｅｅｌ）温度に等しいかそれより低温である。本出願のＦ−ＡＦ結合媒体は、Ｆ層のキュリー温度がＡＦ層とＡＦ層用に選択されたＡＦ材料のブロッキング温度を上回るように、したがってブロッキング温度がこうした装置の動作温度の上限を上回るように設計できる（たとえば８０℃以上）。このように、媒体の温度は通常ブロッキング温度を下回っており、媒体の中にデータを書き込むために媒体を加熱することによってブロッキング温度を上回る可能性がある。したがって、特にＦ−ＡＦビットを使用した磁気装置には、磁気読み出し／書き込みヘッドと温度制御メカニズムが含まれる。
【００１８】
図２は、安定な２進構成または多状態構成によるＦ−ＡＦ結合媒体を使用する磁気メモリ装置の例２００を示している。媒体保持メカニズムは、結合されたＦ層とＡＦ層を伴う記憶媒体２０１を保持するために提供される。例として、装置２００がディスク・ドライブの場合は、媒体保持メカニズムにはディスクとディスクを回転させる電動式のスピンドルとを保持するカートリッジを含めてもよい。読み出し／書き込みヘッド２１０とヘッド２１０に接続するヘッド・アクチュエータを使用して、媒体２０１上でヘッド２１０を制御し、配置する。温度制御２２０は、Ｆ−ＡＦ媒体２０１の温度を制御するために提供される。温度制御２２０は、選択された磁気ビットに局所的に熱を供給することによって、その温度をブロッキング温度より高い温度まで上昇させる。加熱は選択されたビットのみに局所化され、隣接するビットの局所的な温度を大きく上昇させてブロッキング温度より上にすることはない。この設計では、新しいデータを書き込む場合に、媒体の各磁区またはビットを個別に加熱することができる。
【００１９】
局所的な加熱は、さまざまな構成で実装できる。たとえば、温度制御２２０はレーザーを使用して媒体２０１の選択された磁気ビットに集束されたレーザー・ビームを照射して局所的に加熱してもよい。レーザー・ビームの集束は、固体浸レンズ（ｓｏｌｉｄ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｌｅｎｓ）などの近接場光学（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃｓ）の使用によって実現できる。別の例では、電気抵抗（オーム）加熱を使用して、Ｆ−ＡＦ媒体内の個々のビット位置の加熱と温度を制御してもよい。抵抗加熱はＦ−ＡＦ媒体の一部として実装でき、各ビット位置に加熱電流を流すことによって各ビット自体を加熱できる。代わりの方法として、ビット領域、たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにビットを書き込む場合のようなビット／ワード・ラインの共通部分に接触する独立した抵抗加熱素子を使用してもよい。さらに別の例では、誘導性の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）チップを使用して電流を選択した磁気ビットに流すことにより、局所的に加熱できる。特に、温度制御２２０は、読み出し／書き込みヘッド２１０の一部として統合できるので、唯一の位置決め（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）メカニズムを使用して局所的な加熱と磁気ヘッドの位置決めを制御できる。
【００２０】
本出願で説明するＦ−ＡＦ材料を使用すると、可動部のないＭＲＡＭを構成することもできる。こうしたＭＲＡＭには、ＭＲＡＭの各ビット位置で個別に温度を制御する温度制御が含まれる。
【００２１】
以下の項では、まず交換バイアスに基づくＦ−ＡＦ結合媒体の材料の設計と特性について説明する。次に、２進のＦ−ＡＦ媒体の磁区の安定化および多状態Ｆ−ＡＦ媒体について説明する。
【００２２】
強磁性体と反強磁性体との結合による媒体の特性
Ｆ層とＡＦ層の磁気結合による交換バイアスは、Ｆ層とＡＦ層の両方で磁気異方性が変化する原因となる。交換バイアスを説明するための１つの理論上のモデルは、水平長さスケール（ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ）モデルである。２００５年６月１７日にｈｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｅｄｐｓｃｉｅｎｃｅｓ．ｏｒｇ／ｅｐｌにオンライン出版されＥｕｒｏｐｈｙｓｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７１（２００５年７月）に掲載を予定され、参照によってその全開示を本明細書に組み込まれているＩｇｏｒ Ｒｏｓｈｓｃｈｉｎ ｅｔ ａｌ．「Ｌａｔｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｓｃａｌｅｓ ｉｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ」を参照されたい。他にも説明されている可能性がある。交換バイアスの局所的な型（ｒｅｇｉｍｅ）を説明する試験結果は、本明細書で単に安定化技術および多状態メモリ技術の背後にある交換バイアスに関する理解を助けるために使用されており、本出願で説明するさまざまな実装を限定するものと解釈してはならない。
【００２３】
強磁性体と反強磁性体とが近接する場合は、水平長さスケール（個々の磁区のサイズなど）は交換バイアスを非常に大きく左右する可能性がある。ＦｅＦ２とＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのいずれかとによる二重層（Ｂｉｌａｙｅｒｓ）は、ＳＱＵＩＤと空間的に分解されたＭＯＫＥを使用して研究されている。反強磁性の領域が強磁性の領域より大きい場合またはそれと同等の場合は、局所的で平均化されていない交換バイアスが観測される。この結果、異常で調整可能な磁気ヒステリシス曲線が発生する。
【００２４】
２つの異なる材料が接触する場合、１つの材料がもう１つの材料の特性を変更する近接効果（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）がたびたび観測される。電子波動関数（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｗａｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）の範囲は有限であることから、近接効果は通常は界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）全体の秩序パラメータ（ｏｒｄｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の空間的変動として説明される。たとえば、超伝導の標準的な二重層で発生する近接効果は、コヒーレンス長（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ）と呼ばれる長さスケールによって標準的な材料にもたらされる超伝導秩序パラメータの減衰によって特徴付けられる。おもしろいことに、インターフェイスの平行平面における物理的な数量の変化に固有の長さスケール間の相関が近接効果において役割を果たすことは今まで主張されていない。
【００２５】
界面の両側の水平固有の長さスケール間の関係は、交換バイアスにとって重要である。交換バイアス（ＥＢ）は、互いに密に接触する強磁性（Ｆ）と反強磁性（ＡＦ）の間の近接効果である。通常、ＥＢは界面での交換結合によってＡＦからＦにもたらされる追加の単方向の異方性として説明される。このことによって、ＡＦ秩序化（Ｎｅｅｌ）温度ＴＮより下で磁場軸に沿って移動した唯一の磁気ヒステリシス・ループが得られる。この移動の大きさは、交換バイアス磁場（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｂｉａｓ ｆｉｅｌｄ）、Ｈｅとして定義され、正または負である。ＦによるＡＦの特性への影響は、ＡＦによるＦへの影響とは異なり、わかりにくく、測定がむずかしい。ＦとＡＦの両方が磁区を構成でき、これがＦ内の磁化の空間的変動と界面の平行平面内でＡＦ内のスタガード磁化（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）をもたらす。ＦとＡＦとの相互の影響により、界面スピン構成（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）がバルクＡＦおよびＦのそれから大きく外れる可能性がある。この開示において、交換バイアス・システムのＡＦ領域は同じ単方向の異方性を引き起こす領域を表す。
【００２６】
ＡＦ領域がＦ領域より大きい場合またはそれと同等の場合は、局所的で平均化されていない交換バイアスが観測される。こうしたサンプルは、同じ大きさであるが符号は逆のＨｅを伴う２つのサブシステムに磁気的に分割できる。この状態は、部分消磁されたサンプルのゼロ磁場冷却（ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ ｃｏｏｌｉｎｇ）または適切に選択された一定の印加磁場（ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）内のサンプルの冷却によって実現される。いずれの場合も、２つの磁気サブシステムは互いに独立して動作し、ＥＢの平均化は実行されない。したがって、これ自体は明らかにダブル・ヒステリシス・ループ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｌｏｏｐ）である。さらに、消磁のプロセスでＦ内に磁区を作成すること、あるいは磁場冷却手順を変更することによって、ＥＢの局所的な符号を操作できる。こうした結果は、異機種環境の磁気構造と不均質な秩序パラメータによる近接効果という新しい物理学を示している。
【００２７】
通常、厚さ３８〜１００ｎｍのＦｅＦ２層が３００℃で（１１０）ＭｇＦ２基板上に成長し、続いて厚さ４〜７０ｎｍの強磁性層（Ｃｏ、Ｆｅ、またはＮｉ）が１５０℃で成長し、磁気層の酸化を防止するために３〜４ｎｍのＡｌ層でインシトゥーコーティングする。ＦｅＦ２反強磁性層（ＴＮ＝７８．４Ｋ）はエピタキシャル成長し（ｇｒｏｗｓ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ）、Ｘ線の回折によって指定される（１１０）ＭｇＦ２基板上（１１０）の方向によりが戻る（ｕｎｔｗｉｎｎｅｄ）。バルク構造に基づいて、（１１０）ＦｅＦ２の理想的なサーフェスには面内の容易軸の［００１］方向に向いた補正済みのスピン（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｓｐｉｎｓ）があることが想定される。Ｘ線回折の測定値は、すべてのサンプルの強磁性層が多結晶であることを示している。あらゆるサンプルに存在する単軸の磁気異方性は、ＦｅＦ２容易軸に沿った容易軸により、ＴＮをはるかに上回る温度でも、成長によって引き起こされる異方性に起因する。３つの強磁性体すべての強磁性遷移温度は、室温をはるかに上回っている。印加磁場に平行な平面内のサンプル磁化は、ｄｃ ＳＱＵＩＤ磁気計と磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ）を使用して測定される。冷却中のサンプル磁化の方向は正に指定されており、ヒステリシス・ループの移動の符号によってＥＢの符号が定義される。すべてのサンプルの磁気モーメントと印加磁場曲線は、ＴＮより高い温度での一般的な強磁性体の動作、すなわち原点に関して対称なシングル・ヒステリシス・ループを示している。
【００２８】
第１の一連の試験では、サンプルは３００Ｋで容易軸ＭＲに沿って選択された残留磁化の値、すなわち０と飽和磁化ＭＳとの間に消磁される。これで、Ｆ領域は容易軸に沿った反対方向の磁化による配列になる。２種類の領域の磁化間のバランスによって、結果となるサンプルの磁化が決まる。サンプルがゼロ磁場（ＺＦＣ）でＴＮより低温に冷却された後に、低磁場の磁気モーメントはさまざまな温度での印加磁場の関数として測定される。十分な残留磁化の状態から冷却されたサンプル（ＭＲ−ＭＳ）は、Ｈｅ（Ｔ）によって負の磁場に交換バイアスされたシングル・ヒステリシス・ループを示す（図３）。これに対して、減少した残留磁化（ＭＲ＜ＭＳ）の状態からの冷却済みサンプルは、ダブル・ヒステリシス・ループを示す（たとえば、図３のＭＲ−０．５ＭＳとＭＲ−０）。各ループは、磁場軸に沿って温度に依存しないＨｅ（Ｔ）と同じ大きさだけ逆の方向に移動する。ループの高さの比率は、サンプルが冷却される残留磁化の状態によって設定され、その状態における２種類の磁化の比率に等しい。このように、システムはＴＮより高温の残留磁化の状態を「記憶」している。
【００２９】
第２の一連の試験では、同じサンプルはヒステリシス曲線の不可逆磁場（ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｉｌｉｔｙ ｆｉｅｌｄ）の上で容易軸に沿って磁場をかけることによって、Ｔ＝１５０Ｋで最初に磁化される。さらに、サンプルは印加磁場（ＦＣ）、また冷却磁場として示されるＨＦＣで冷却される（図３）。ＨＦＣが小さい場合は、ＴＮより低い温度の磁化曲線は、シングル・ヒステリシス・ループを負の方向にＨｅ（Ｔ）だけ移動して構成される。ＨＦＣが大きい場合は、ＴＮより低い温度の磁化曲線はさらにシングル・ヒステリシス・ループを示すが、正の磁場に実質的にＨｅ（Ｔ）と同じ大きさだけ移動される。ＨＦＣが中程度の場合は、第１の一連の試験と同様に、ＴＮより低い温度の磁化曲線は２つのヒステリシス・ループを示し、１つは負の磁場、もう１つは正の磁場に同じＨｅ（Ｔ）だけ移動される。固有の冷却磁場領域は、ＦとＡＦの両方の材料と厚さによって変わる。たとえば、ＦｅＦ２（３８ｎｍ）／Ｃｏ（４ｎｍ）のサンプル（図３）の場合は、０．１ｋＯｅと３０ｋＯｅの間で冷却磁場のダブル・ループが観測される。
【００３０】
両方の一連の試験で、ＴＮを下回るすべての温度で正と負の同じ大きさＨｅ（Ｔ）が検出されることは注目に値する（図４）。任意の特定温度で、両方のループの幅はシングル・ヒステリシス・ループの幅（保磁力の２倍、すなわち２ＨＣ）である。垂直方向にサイズ変更された場合は、シングル・ループとダブル・ループのそれぞれの両方の形状（図３参照）と温度発展（図４参照）は全く同じである。このように、２種類の独立した領域は同じ特性で構成され、１つは正、もう１つは負に交換バイアスされる。
【００３１】
こうしたサンプルでは、幅が１／２のループはその移動量を下回る。すなわちＨＣ＜Ｈｅである。明らかなダブル・ヒステリシス・ループが観測される場合は、条件ＨＣ≦Ｈｅが必須である。これとは対照的に、他のサンプルにおける結果は逆の限界すなわちＨＣ＞＞Ｈｅにあるので、ダブル・ループは解決できない。
【００３２】
最初の２つの一連の試験の結論は、空間的に分解されたＭＯＫＥにより、反射したｐ偏光（ｐ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ）の強度の差として明白に確認される。図５Ａと５Ｂは、関連の測定値を示している。
【００３３】
この試験では、第１の一連の試験で行ったように、５ｍｍ×５ｍｍのＦｅＦ２（７０ｎｍ）／Ｎｉ（７０ｎｍ）／Ａｌ（４ｎｍ）のサンプルがＴＮより高温で消磁されてから、ゼロ印加磁場でＴＮより低温に冷却される。第１に、印加磁場の関数としてのＭＯＫＥ信号（一般的には磁化に比例すると考えられる）は、ワイド・ビームで照射されたサンプルのサーフェス領域全体から収集される。この曲線は、ダブル・ヒステリシス・ループで構成される（図５Ｂ）。試験の条件が変更されない場合、ＭＯＫＥの測定は４行４列で１６か所（図５Ａに示す位置）に配置された直径５００ｎｍのレーザー・ビームで行われる。結果として生じる信号（図５Ａ）は、磁化に比例し、空間的に変動する。サンプルの１つの側ではシングル・ループが負の方向に移動し、もう１つの側ではシングル・ループが正の方向に移動し、ダブル・ヒステリシス・ループの間で検出される。このような１６曲線を正規化して合計したもの（図５Ｂの緑色の三角形）は、サンプル全体から得られるヒステリシス曲線（黒い丸）によく一致する。２本の曲線のわずかな相違は、１６の測定か所ではサーフェス領域が完全にはカバーされないことによるものである。サンプルが十分な残留磁化のＺＦＣである場合は、空間的な変動は観測されない。
【００３４】
この試験では、サンプルに２つの領域が含まれること、すなわちシングル・ヒステリシス・ループが１つの領域では正の方向に、もう１つの領域では負の方向に、同じＨｅだけ移動することを確認する。レーザー・ビームが両方の領域の一部を照射する場合は、磁化曲線は反対方向に移動した２本のループで構成され、その相対的な高さは、２つの領域の比率によって決まる。
【００３５】
こうした試験の結果により、２つの主要な結果が得られる。第１に、こうしたサンプルは、符号が逆のＥＢを伴う２つの独立したサブシステムに分割できる。これは、部分的または全体的に消磁されたサンプルをゼロ印加磁場で冷却すること、または適切に選択された中程度の印加磁場でサンプルを冷却することによって実現される。適切な磁場の範囲は、サンプルのパラメータ、すなわち材料、層の厚さ、インターフェイスの粗度などによって決まる。第２に、各Ｆ領域の交換バイアスは、さまざまなＡＦ領域では平均化されないので、ダブル・ヒステリシス・ループが観測される。
【００３６】
ＥＢの現象は大いに注目され、ＥＢの複数のメカニズムが提示されているが、その多くはＦ領域のＥＢのスケールの変動を考慮しない。パターン形成されたＦ−ＡＦ二重層または弱められた（ｄｉｌｕｔｅｄ）ＡＦにおけるＡＦおよび／またはＦの領域サイズに、ＨＣとＨｅが依存するかどうかについて調べている。パターン形成されたＦ層を伴うＡＦ−Ｆ二重層におけるＨｅの拡張については、小規模なＦ領域におけるＦ−Ｆ交換相互作用の抑制によって説明されている。ＡＦ領域とＦ領域との対応、およびＥＢの値の小さな空間的変動については報告されている。ダブル・ヒステリシス・ループとＦおよびＡＦの領域構造との相関は、消磁された状態からゼロ磁場冷却されたＣｏＯ／ＮｉＦｅサンプルで確認されており、交換スプリング・モデルを使用して説明されている。ＦｅＦ２／ＦｅとＦｅ０．６Ｚｎ０．４Ｆ２／Ｆｅ二重層内の交換バイアス磁場とダブル・ヒステリシス・ループの形状は、ゼロ印加磁場内で冷却中の残留磁化に依存することがわかっている。ダブル・ヒステリシス・ループと負の方向に移動したシングル・ヒステリシス・ループは、明確な傾向なしにさまざまな小規模磁場（０〜４０Ｏｅ）に付着したＦｅＭｎ／ＦｅＭｎＣサンプルで確認されている。ゼロ磁場に付着したＮｉＦｅ／ＮｉＦｅＭｎサンプルでは、困難軸に沿って測定されたＭＯＫＥ信号の空間的な変動が他の研究者によって報告されている。
【００３７】
さまざまなサンプルについて実行された多くの報告済みの試験は、一見矛盾する関係のない結果を示している。複数の解釈と組み合わせると、これは結論を導くことができない複雑で混乱させる状況につながる可能性がある。同じサンプルに関する複数の異なる試験を伴う総合的な研究のみがＥＢ内のＡＦ領域とＦ領域の相対的なサイズの役割に関する限定的な解答を提供できることは明らかである。
【００３８】
ＥＢにおいて、ここではＡＦ領域のサイズとＦ領域のサイズとの関係に基づいて２つの異なる型を検出する。第１に、ＡＦ領域がＦ領域より小さい場合は、Ｆ領域では複数のＡＦ領域にわたってＨｅの方向と大きさを平均する。このことにより、ＦｅＦ２／Ｆｅの対によるサンプルとＭｎＦ２／Ｆｅの対によるサンプルで検出されたように、冷却磁場とシングル・ヒステリシス・ループの関数としてＨｅの連続的な変動が発生する。ＡＦ領域が非常に小さい場合は、各Ｆ領域と相互に作用するＡＦ領域の数が非常に大きい。この場合は、各Ｆ領域は基本的に個別のサンプルとして扱うことができる。無外部磁場が、サンプルを冷却する（ＺＦＣ）間に印加される場合は、こうした領域のそれぞれについて、Ｆ領域の磁化の方向によって正味ＥＢの符号が設定されるので、ダブル・ループが観測される場合がある。Ｘ線反射率の測定値は、（１００）ＭｇＯの上に成長した（１１０）ＦｅＦ２の対における平面内構造のコヒーレンスが互いに９０°の結晶の容易軸に沿って６〜１０ｎｍであることを示している。こうした容易軸の空間的変動を細かい粒度と組み合わせることによって、最大サイズのＡＦ領域が確立され、結果としてＥＢを平均化する型が得られる。
【００３９】
ＡＦ領域のサイズがＦ領域のサイズと同等またはそれより大きい場合は、各Ｆ領域がＥＢの特定の方向をとる唯一のＡＦ領域に結合するので、平均化は行われない。したがって、本研究で報告するように、さまざまな冷却磁場とダブル・ヒステリシス・ループに対して、Ｈｅの大きさは同じになる。この型において、サンプルがゼロ磁場冷却されている場合は、界面の（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ）ＦモーメントとＡＦモーメントとの反強磁性結合によってＡＦの単方向の異方性が局所的に設定される。したがって、各Ｆ領域のＥＢの局所的な符号は、サンプルを冷却するときのその領域の磁化の方向によって決定する。このように、ＴＮより高温での磁化方向が逆のＦ領域は、ＴＮより低温での同じ大きさで符号が逆のＥＢを伴う。
【００４０】
サンプルが磁場冷却されるときに、さらに、冷却磁場ＨＦＣによって決定するのはＨｅの符号のみであり、Ｈｅの大きさは決まらない。これは、Ｈｔｏｔａｌの容易軸上への射影であり、Ｈｔｏｔａｌによって局所的なＥＢの符号が決定する。ＡＦの界面スピン（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎｓ）によって感知された局所冷却磁場の合計であるＨｔｏｔａｌは、印加磁場ＨＦＣと界面のＦのモーメントによる局所交換磁場ＨＦの和である。サンプルの空間的不均質性によってＨＦの不均質性がもたらされ、これによってさらにＨｔｏｔａｌの不均質性という結果が生じる。中程度のＨＦＣでは、このことが原因でＨｔｏｔａｌの大きさが小さくなり、不均質になるので、Ｈｔｏｔａｌの符号が正または負の界面領域の温度が上昇する。したがって、この磁場でサンプルをＴＮより低温に冷却することによって、負と正それぞれのＥＢが発生する。Ｘ線反射率の測定値によって、（１１０）ＭｇＦ２単結晶基板上に成長した対になっていない（１１０）ＦｅＦ２内の平面内構造コヒーレンスは、約２８ｎｍである。さらに、対になっていないことから、対になったＦｅＦ２の場合とは異なり、ＡＦ領域のサイズは粒子サイズに比べてはるかに大きくなる可能性がある。大きなｍｍ規模のＡＦ領域がバルク単結晶（ｂｕｌｋ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ）のフッ化物内で観測される。ＺＦＣの場合は、ＡＦ領域とＦ領域が同等のサイズであり、レーザー・ビームより大きいことが確認される。相対的な領域サイズによってサンプルの２つの磁気サブシステムへの分割とＥＢの型が決まることが、シミュレーションで確認されている（他の場所で公開する予定である）。
【００４１】
本明細書に記載する観測の他のシステムへの関連性は、ＡＦ−Ｆシステムを模倣する多層システムで説明されている。ＡＦの界面スピンの役割を果たす層内のより大きな領域のサンプルでは、中程度の冷却磁場でダブル・ヒステリシス・ループが観測される。こうしたモデル・システムが実際のＡＦ−Ｆシステムの領域構造を正確に模倣しているかどうかは明らかではない。しかし、こうした結果によって相対的な領域サイズが役割を果たす追加の試験構成が提供される。
【００４２】
したがって、ＡＦ領域とＦ領域の相対的なサイズは交換バイアスに影響を与える。ＡＦ領域のサイズがＦ領域のサイズより大きい場合またはそれと同等の場合は、構造的または磁気的な不均質性によって、ＡＦの遷移温度ＴＮより低温に冷却することきに、サンプルが２つの独立したサブシステムに分割される可能性がある。各サブシステムは、大きさは等しいが符号が逆のＥＢを呈する。これで磁化曲線はダブル・ヒステリシス・ループになるので、平均的化されていない局所的なＥＢを明白に示している。この動作は、３つの異なるＦ、すなわちＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏによるサンプルについて、さまざまな厚さのＦ層とＡＦ層について、再現可能な方法で観測される。こうした観測により、さらにＦの特性だけでなくＡＦの特性もＥＢで変更されることがわかる。水平方向の相対的な長さスケールは、標準の金属に近接する粒状の超伝導体（Ｓ）や、領域を備えるＦに近接するＳなど、空間的に不均質な秩序パラメータによるその他の近接効果に関連する可能性があることを提言する。
【００４３】
強磁性（Ｆ）層とこれに隣接する反強磁性（ＡＦ）層との磁気結合に基づく本発明の磁気記憶材料および装置は、Ｆ層内の残留磁化を使用してＡＦ層へのインプリントを行う。このＡＦ−Ｆ結合によって交換バイアスが生成される。図６は、Ｆ層に特定の値の残留磁化がある状態からのゼロ磁場冷却によるＡＦの単方向の異方性（ＡＦの界面スピン）の設定を示している。このインプリントは、各ビットへのデータの書き込みに使用する。交換バイアスの結果の１つは、交換バイアス磁場Ｈｅと呼ばれるＭ（Ｈ）磁化曲線の水平方向の移動である。大きな交換バイアスは、連続的な多層とナノ構造にパターン形成された多層の両方で実現できる。
【００４４】
磁気的に安定化された２進の記録媒体
前述の領域のインプリントによってＡＦからＦに導入された追加の単方向の異方性の方向を局所的に制御できる。この追加の単方向の異方性によって、磁気スイッチ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）の効果的なエネルギー障壁が強化されるため、ＦビットまたはＦナノ構造の磁気的な安定性が向上する。
【００４５】
図７Ａは、従来の多くの２進の磁気記憶装置で使用されている例示的な強磁性材料の磁気ヒステリシス・ループを示している。２つの論理状態は、２つの反対方向（正と負）の最大磁化によって表現される。ループはＨ＝０を中心とする。したがって、磁場の強さが保磁力（ｃｏｅｒｃｉｖｅ ｆｉｅｌｄ）Ｈと同等またはそれより大きい強磁性材料の浮遊磁場によって、ビットがその磁性状態が変更され、その結果記憶された情報が消去される可能性がある。ただし、Ｆ−ＡＦ結合に基づく新しい材料では、ヒステリシス・ループの中心がＨ＝０からＨ＝０の正または負の側にＨeだけ移動する。図７Ｂはこの移動を示している。結果として、大きさが｜Ｈe｜＋｜ＨＣ｜より小さい浮遊磁場は、浮遊磁場の大きさがＨＣと同等の場合またはそれより大きい場合でも、材料の磁性状態には影響を及ぼさなくなる。このように、Ｆ−ＡＦ結合に基づく新しい材料はさまざまな浮遊磁場に関連して安定化される。さらに、Ｆ層とＡＦ層との間の交換バイアスによって新しい材料の保磁力Ｈまたはヒステリシス・ループの幅がさらに増大し、したがって記憶されたビットの浮遊磁場に対する安定性がさらに向上する。
【００４６】
したがって、本発明によって磁気媒体にＦ−ＡＦ結合を使用することにより、ビット・サイズの縮小が可能になり、強磁性記憶媒体における制限が緩和される。前述のように、強磁性記憶媒体では、隣接するビットを操作する記録ヘッドによって、記憶された情報の一部または全体が消去される危険性があることによる悪影響を受ける。ヒステリシス・ループを移動し、媒体の保磁力を増大するＦ−ＡＦ結合媒体の設計により、浮遊磁場の悪影響を大幅に削減できる。別の例として、本発明の技術では、磁気ビット内の磁気モーメントの温度変化によって記憶された情報の一部または全体が消去される危険性があることによる動作温度範囲に関する制限が除去または緩和される。本発明の磁気安定化は、高密度および高安定ハード・ディスク・ドライブ、磁気テープ、磁気ＲＡＭ、およびその他の磁気メモリや論理装置などの磁気記録に使用してもよい。
【００４７】
本発明の安定化技術を磁気記録装置および磁気記録媒体で平面内および垂直方向の両方の磁気記録に使用することによって、パターン形成された磁気媒体またはパターン形成されていない磁気媒体に記憶された情報を安定化でき、数百ギガビット／平方インチおよび１テラビット／平方インチ以上の密度まで記録密度を向上できる。さらに、本発明の安定化技術を使用すると、磁気記録テープに記録された情報の密度を向上でき、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に記録された情報の密度と安定性を向上できる。さらに、本発明の安定化技術は、目的が同じその他の磁気記録の適用例に使用してもよい。
【００４８】
前述の安定化技術は、強磁性および反強磁性またはいわゆる合成反強磁性体（ＳＡＦ、本明細書の以下の部分ではＡＦのカテゴリに含める）を含む薄膜多層の磁気記録媒体にも適用できる。ビット記録プロセスにおいて、記録ヘッドはＡＦのブロッキング温度ＴＢより高温でＦ層とＡＦ層を含むビットを局所的に加熱する。磁気ＲＡＭタイプのメモリの場合は、オーム加熱を使用して抵抗による加熱を実行できる。Ｆ層のビットの磁化は、既存の技術または今後提示される任意の技術と同様に、記録ヘッドによって生成される局所的な磁場がかかることによって切り替わる。次に、加熱が終了し、ビットは冷却されてＴＢを下回り、Ｆに導入されたＡＦ層の単方向の異方性が設定される。図８は、２ｋＯｅの印加磁場における冷却プロセスでＭｇＦ２／ＦｅＦ２／Ｎｉサンプルの容易軸に沿って測定されたループを示している。ここで、Ｆ層によって導かれた単軸の異方性がＡＦ層にインプリントされる。
【００４９】
この後に磁場を停止できる。このプロセスの代わりに、サンプルを冷却する前に磁場を停止しても、図８に示すのと同じ結果が得られる。この設計および手順によってビットの切り替えに必要なエネルギー障壁が増大し、温度の変化あるいは隣接するビットの記録プロセスによってビットが消去されるのを防止する。局所的な加熱は、たとえば、レーザー、近接場光学、誘導性の走査型プローブ・チップ、ビット自体またはビット領域に接触する素子による抵抗（オーム）加熱など、任意の方法で実行され、たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにおけるビットの書き込みのようなビット／ワード・ラインの組合せを伴う設計を使用してもよい。
【００５０】
読み出しは、磁気情報を読み出す既存の技術または将来の技術を使用して実行できる。読み出しヘッドは、ビットのＦ層の磁気モーメントによる浮遊磁場を感知する。ＡＦ層の交換バイアスにより、こうしたビットの磁気ヒステリシス・ループは正または負の磁場に移動する。ループが負の方向に移動する場合は残留磁化が正であり、正の方向に移動する場合は残留磁化が負である。これで「０」と「１」の状態が定義される。ＡＦ材料はＴＮ＞８０℃である必要があります。これにはＮｉＯ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎが含まれるが、これらに限定はされない。
【００５１】
Ｆ−ＡＦ結合媒体は、パターン形成することによって異なる磁気ビットを互いに分割し、安定性と漂遊磁場に対する耐性をさらに向上してもよい。図９Ａおよび９Ｂは、連続するＡＦ層（たとえばＦｅＦ２）上の強磁性層（たとえばＦｅ）による磁気ドット・パターンを強磁性体のみの材料（Ｆｅのみ）の場合と比較して示している。
【００５２】
図１０Ａおよび１０Ｂは、Ｆｅのみのドット媒体とＦｅ／ＦｅＦ２のドット媒体について測定された安定化データをさらに示している。
【００５３】
ＡＦ−Ｆ結合による多状態の磁気記憶
前述のＦ層からＡＦ層へのインプリントを使用することによって、交換バイアスの方向を正または負のいずれかに局所的に設定できる。したがって、２つの領域の磁性状態は、２つの領域が反対方向に交換バイアスされる場合に作成される。２つの領域のサイズの比率によって、データを記憶するための磁気「ビット」として使用する磁気領域の残留磁化が決定する。こうした１つのビット位置での２つの領域の使用により、広範囲に及ぶ磁場で明確に定義された安定な多状態磁気「ビット」を備える磁気メモリを作成できる。状態は、Ｍｒｉ＝Ｍｓ／ｎ（ただし、２ｎ＋１は状態の総数、ｉは−ｎから＋ｎまでの任意の値）となるよう正と負の飽和磁化（ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）の値Ｍｓの間にある残留磁化の値Ｍｒに対応する。多状態の最大数は、装置の磁気感知限界によって設定される。
【００５４】
図１１と１２は、Ｆ−ＡＦ媒体のＦ層の残留磁化をさまざまな磁場で冷却することによって、あるいは選択された残留磁化の状態でニール温度ＴＮより高い温度から低い温度にゼロ磁場冷却することによって、さまざまな値に設定する例を示している。この場合、ＴＮはブロッキング温度に一致する。
【００５５】
このような多状態の記憶装置では、こうした多状態「ビット」の読み出し手順を、磁気光学または磁気抵抗による方法を含むさまざまな方法で実行できる。多状態の磁気材料は、平面内と垂直方向の両方に磁気記録を行う多状態の磁気記録装置および磁気記録媒体、および多状態の論理素子に使用できる。多くの利点の中でも、このような材料を使用すると、１ビットを上回る情報を記憶する多状態磁気「ビット」に情報を記録することによって、磁気メモリの密度を向上できる。多状態の磁気論理素子および装置は、前述の多状態ビットに基づいて構成できる。
【００５６】
さまざまな実装において、このような材料を使用して、強磁性および反強磁性またはいわゆる合成反強磁性体（ＳＡＦ、本明細書の以下の部分では「ＡＦ」のカテゴリに含める）を含む薄膜多層を構成できる。２つの領域のサイズの比率によって、磁気「ビット」としての磁気領域の残留磁化が決定する。正確な残留磁化の値は、さまざまな磁化のプロセスで設定でき、制御できる。
【００５７】
さまざまな書き込み方法を使用して、各ビット内に希望するレベルの残留磁化を生成できる。２つの例について以下で説明する。図１３は、外部磁場なしに冷却を実行する第１の書き込み方法を示している。さらに具体的に言えば、この方法では以下の手順が実行される。
１．選択された磁気ビットは、ブロッキング温度ＴＢ、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
２．選択された残留磁化Ｍｒ０は、小さなループを使用することによって実現される。考えられる手順の１つは、Ｍｒ０の方向と逆の方向に大きな磁場かけ、さらにＭｒ０の方向に小さな磁場をかけることによってこの印加磁場を除去したときのＭｒ０に等しい大きさの残留磁化を生成し、磁気ビットの磁化を飽和させることである。ここで磁場が除去される。
３．印加磁場がない状態で、ビットはＴＢより低温に冷却される。
４．残留磁化の値はこのＡＦ−Ｆビットにインプリントされ、特定のビットがＴＢより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
【００５８】
冷却プロセスの間に外部磁場がかけられる第２の書き込みプロセスについて以下で説明する。
１．選択された磁気ビットは、ブロッキング温度ＴＢ、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
２．特定の大きさの磁場がかけられる。
３．印加磁場でビットがＴＢより低温に冷却される。
４．特定の大きさの磁場でビットを冷却すると、選択された値の残留磁化によるダブル磁気ヒステリシス・ループを示す２つの領域による構造を設定できる。残留磁化の値はこのＡＦ−Ｆビットにインプリントされ、特定のビットがＴＢより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットへの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
【００５９】
記録される信号は、−ＭｓからＭｓまでの間で選択された任意のビット残留磁化に対応するように設定できるので、広範な磁場で非常に安定である。局所的な加熱は、たとえば、レーザー、近接場光学、誘導性の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）チップ、ビット自体またはビット領域に接触する加熱素子による抵抗（オーム）加熱など、任意の方法で実行できる。たとえばＣＭＯＳタイプのメモリにおけるビットの書き込みのようなビット／ワード・ラインの組合せを伴う設計を使用してもよい。ＡＦ材料は、適用例に有効なＴＮ＞８０℃でなければならない。適切なＡＦ材料の例には、ＮｉＯ、ＩｒＭｎ、およびＦｅＭｎが含まれるが、これらに限定はされない。こうした多状態「ビット」の読み出し手順は、磁気光学または磁気抵抗による方法を含むさまざまな方法で実行できる。考えられるシナリオの１つは、記録された状態に対応する残留磁化の値に比例する磁気光学Ｋｅｒｒ効果（ＭＯＫＥ）信号を測定することである。
【００６０】
こうした多状態ビットをバイアスとして使用して、新たに多状態論理素子および装置を生成できる。この場合は、前述の書き込み手順において、レーザー加熱に代わるものとして、抵抗加熱を使用してもよい。読み出しは、磁気光学によるものでも磁気抵抗によるものでもよい。磁気抵抗による読み出しの例としては、磁気「ビット」の上部に配置された磁気抵抗によるセンサーが考えられる。このセンサーの抵抗の値は、局所的な磁場の値に一意に対応（比例）し、同様に読み出しヘッドで使用する技術に一意に対応する必要がある。
【００６１】
こうした材料およびその他の材料の適用例には、高密度および高安定ハード・ディスク・ドライブ、磁気テープ、磁気ＲＡＭ、その他の磁気記録装置、および論理回路の多状態論理装置および論理素子などの磁気記録が含まれる。それ以外への適用も可能である。
【００６２】
いくつかの実施例と適用例についてのみ説明されているが、その他の変形や拡張も可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁気ビットに書き込まれる際、前記選択された磁気ビットと磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために、前記磁気記憶材料の各磁気ビットは、２つ又はそれ以上の領域の反対方向の交換バイアスを有するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁気ビットへ集中させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御メカニズムの第２の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁気ビットを加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、各磁気ビットの一部として抵抗（オーム）加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁気ビットに接触する抵抗（オーム）加熱素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁気ビット領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むために操作されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記選択された磁気ビットの残留磁化の値を読むための読み出しメカニズムをさらに含み、
前記選択された磁気ビットの残留磁化の値は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットの一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビットから読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビット領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記２つ又はそれ以上の配線の抵抗と前記２つ又はそれ以上の配線のジャンクションは、前記選択された磁気ビットの残留磁化の値に一致することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記２つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットから選択された値の残留磁化を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記２つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々における記憶情報量は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセット内のレベルの数に等しいことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
磁気記憶材料内の各磁気ビットの３つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために２つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の２つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記選択された磁気ビットで外部磁場を除去する工程、及び
ゼロ磁場で前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。
【請求項１５】
読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知する際に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第１の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第１の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第１の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第２の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する２つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
磁気記憶材料内の各磁気ビットの３つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために２つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、２つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記磁化プロセスの磁場を維持する間に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。
【請求項１９】
読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知するときに、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第１の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第１の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第１の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第２の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する２つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁区に書き込まれる際、前記選択された磁区と磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
前記強磁性層と反強磁性層は、前記装置において、ゼロ磁場から離れて浮遊磁場より大きい磁場へ、前記磁気記憶材料の磁気ヒステリシス・ループをオフセットするように選択されることを特徴とする装置。
【請求項２３】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁区へ集中させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記制御メカニズムの第２の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁区を加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、各磁区の一部として抵抗（オーム）加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁区に接触する抵抗（オーム）加熱素子を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁区の領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すために操作されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備える磁気記憶材料を提供することによって、２進の磁気記憶媒体として磁気ヒステリシス・ループを提供する工程と、
前記磁気記憶材料の強磁性層へ情報を記録する工程と、
前記強磁性層と前記隣接する反強磁性層とは、横軸が磁場及び縦軸が磁化で形成された座標内の前記磁気ヒステリシス・ループの中心を、浮遊磁場より大きい量だけ前記横軸に沿って前記磁場が０（Ｈ＝０）から離してセットするように構成する工程によって、前記浮遊磁場によってもたらされる磁化の変化に対して各２進の状態を安定させる、工程とを備える方法。
【請求項３１】
前記構成する工程は、さらに熱振動により生じる磁化の変化に対する各２進の状態を安定させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項１】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁気ビットに書き込まれる際、前記選択された磁気ビットと磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために、前記磁気記憶材料の各磁気ビットは、２つ又はそれ以上の領域の反対方向の交換バイアスを有するように構成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁気ビットへ集中させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御メカニズムの第２の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁気ビットを加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、各磁気ビットの一部として抵抗（オーム）加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁気ビットに接触する抵抗（オーム）加熱素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁気ビット領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むために操作されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記選択された磁気ビットの残留磁化の値を読むための読み出しメカニズムをさらに含み、
前記選択された磁気ビットの残留磁化の値は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットの一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビットから読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビット領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記２つ又はそれ以上の配線の抵抗と前記２つ又はそれ以上の配線のジャンクションは、前記選択された磁気ビットの残留磁化の値に一致することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記２つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットから選択された値の残留磁化を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記２つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々における記憶情報量は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセット内のレベルの数に等しいことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
磁気記憶材料内の各磁気ビットの３つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために２つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の２つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記選択された磁気ビットで外部磁場を除去する工程、及び
ゼロ磁場で前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。
【請求項１５】
読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知する際に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第１の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第１の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第１の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第２の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する２つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
磁気記憶材料内の各磁気ビットの３つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、３つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために２つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、２つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記磁化プロセスの磁場を維持する間に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。
【請求項１９】
読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知するときに、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第１の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第１の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第１の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第２の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する２つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁区に書き込まれる際、前記選択された磁区と磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
前記強磁性層と反強磁性層は、前記装置において、ゼロ磁場から離れて浮遊磁場より大きい磁場へ、前記磁気記憶材料の磁気ヒステリシス・ループをオフセットするように選択されることを特徴とする装置。
【請求項２３】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁区へ集中させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記制御メカニズムの第２の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁区を加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、各磁区の一部として抵抗（オーム）加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記制御メカニズムの第２の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁区に接触する抵抗（オーム）加熱素子を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
前記制御メカニズムの第１の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁区の領域において、２つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すために操作されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備える磁気記憶材料を提供することによって、２進の磁気記憶媒体として磁気ヒステリシス・ループを提供する工程と、
前記磁気記憶材料の強磁性層へ情報を記録する工程と、
前記強磁性層と前記隣接する反強磁性層とは、横軸が磁場及び縦軸が磁化で形成された座標内の前記磁気ヒステリシス・ループの中心を、浮遊磁場より大きい量だけ前記横軸に沿って前記磁場が０（Ｈ＝０）から離してセットするように構成する工程によって、前記浮遊磁場によってもたらされる磁化の変化に対して各２進の状態を安定させる、工程とを備える方法。
【請求項３１】
前記構成する工程は、さらに熱振動により生じる磁化の変化に対する各２進の状態を安定させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【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】
【公開番号】特開２０１０−１９２１０１（Ｐ２０１０−１９２１０１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８１６２（Ｐ２０１０−６８１６２）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００７−５２１６６８（Ｐ２００７−５２１６６８）の分割
【原出願日】平成１７年７月１３日（２００５．７．１３）
【出願人】（５０４４７１２９６）ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００７−５２１６６８（Ｐ２００７−５２１６６８）の分割
【原出願日】平成１７年７月１３日（２００５．７．１３）
【出願人】（５０４４７１２９６）ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア (13)
【Ｆターム（参考）】
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