JP2009517801A - 分子量子メモリ - Google Patents

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Abstract

分子量子メモリを実現する装置、システム及び方法が開示される。一実施形態において、偏極電子源（１０４）及び逆極性の偏極電子源（１０６）が、プローブアセンブリの少なくとも１つのプローブ先端（１１７、１１９）に選択的に結合される。そして、この少なくとも１つのプローブ先端は、偏極電子電流源（１０４、１０６）から選択的に得られた時間変化する偏極電子電流を用いて情報が分子に書き込まれ得るように、分子に電気的に結合される。

Description

本発明の実施形態は、分子量子メモリに関する。
一般的な磁気メモリデバイスは、記憶素子材料における磁気ドメインを操作するために、埋め込み導電体によって生成される強磁場を利用している。しばしば、例えば磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の磁気メモリデバイスを形成するために使用される材料は、バルク的に、これらの強磁場に応答する。磁場のカップリング及びバルク状の強磁性メモリ材料の使用は、ＭＲＡＭの実用的な用途を制限している。他方、スピン状態の遷移を用いて複数の磁気記憶状態が選択的に実現されることが可能な分子を含め、分子メモリ材料は、ＭＲＡＭデバイスに替わる魅力的な代替物をもたらす。しかしながら、分子メモリの核スピン状態は核磁気共鳴（ＮＭＲ）を用いて扱われ得るが、そのような手法は大きい磁場及び無線周波数（ＲＦ）励起技術を必要とする。
本発明は、分子量子メモリを実現する装置、システム及び方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に従った装置は、
偏極電子電流源；
逆極性の偏極電子電流源；
少なくとも１つのプローブ先端を含むプローブアセンブリであり、該プローブ先端は分子に電気的に結合される、プローブアセンブリ；及び
偏極電子電流源又は逆極性の偏極電子電流源の何れかを、前記少なくとも１つのプローブ先端に選択的に結合させることが可能なスイッチ機構；
を有する。
本発明の他の一実施形態に従ったシステムは、
分子のアレイが配置された基板；
少なくとも１つのプローブ先端を有するプローブアセンブリであり、該少なくとも１つのプローブ先端が選択的に分子のアレイの個々の分子に電気的に結合されるように、分子のアレイに対して位置付けられることが少なくとも可能なプローブアセンブリ；
偏極電子電流源；
逆極性の偏極電子電流源；
偏極電子電流源及び／又は逆極性の偏極電子電流源を、前記少なくとも１つのプローブ先端に選択的に結合させることが少なくとも可能なスイッチ機構；及び
時間変化する偏極電子電流を前記少なくとも１つのプローブ先端に伝達するようにスイッチ機構を操作することが少なくとも可能な制御ロジック；
を有する。
本発明の他の一実施形態に従った方法は、
時間変化する偏極電子電流を用いて分子に情報を書き込む段階；及び
分子から情報を読み出す段階；
を有する。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の原理に従った１つ以上の実施例を図示し、本明細書とともに、そのような実施例を説明するものである。図は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明する上での強調が為されている。
以下の詳細な説明においては、添付の図面を参照する。相異なる図面において同一又は同様の要素を特定するために、同一の参照符号が用いられることがある。以下の説明においては、請求項に係る発明の様々な態様の完全な理解を提供するため、例えば具体的な構造、アーキテクチャ、インターフェース、技術といった特定の詳細事項が説明される。しかしながら、そのような詳細事項は説明のために提示されるものであり、請求項に係る発明に関する限定として解釈されるべきではない。ここでの開示により、当業者には、請求項に係る発明の様々な態様は、これら特定の詳細事項を逸脱するその他の実施例においても実施され得ることが明らかになる。また、一定の場合、いたずらに詳細であることによって本発明の説明を不明りょうにしないよう、周知のデバイス、回路及び方法の説明は省略することとする。
図１Ａは、本発明の一実施形態に従ったシステム１００を例示している。システム１００は、コントローラ１０２、偏極電子電流源１０４及び１０６、偏極電子電流フィルタ１０８及び１１０、スイッチ１１２、走査プローブアセンブリ１１５、走査プローブ１１６及び１１８、アレイ１２０状の単分子磁石（ＳＭＭ）１２２、基板１２４、並びに、共有バス若しくはその他の通信路１２６を含んでいる。共有バス若しくはその他の通信路１２６は、コントローラ１０２をシステム１００の外部のその他のデバイス（図示せず）に結合させ、それにより、コントローラ１０２に対する情報及び／又はデータの流入及び／又は流出を可能にする。
システム１００は、本発明に従った分子量子メモリの実現に適した多様な物理的発現を想定し得る。例えば、システム１００は、例えばダイナミック・ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）デバイス、又はスタティック・ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）デバイス（例えば、高速キャッシュ又はキャッシュ・アクセラレータ・メモリデバイス）等のメモリデバイス内に実装されてもよい。他の例では、システム１００は、例えばハードドライブ（ＨＤ）等のデータ記憶デバイス内に実装されてもよい。しかしながら、当業者に認識されるように、“メモリデバイス”及び／又は“データ記憶デバイス”という呼び名は、幾分恣意的なものであり、本発明の範囲及び意図を逸脱することなく相互に交換可能に使用され得る。明らかなように、本発明はシステム１００の実現がこの点でどのように特徴付けられるかに関して限定されるものではない。また、当業者に認識されるように、システム１００は単なる略図であり、縮尺通りには図示されていない。さらに、本発明に特に関連性のないシステム１００の一定の特徴又はその要素は、本発明を不明りょうにしないように図１から排除されている。
コントローラ１０２は、様々な実施形態において、より詳細に後述される本発明に従った分子量子メモリの実現に適した制御機能及び／又は処理機能を有する、如何なる制御ロジック、処理ロジック、及び／又はデバイスの集合であってもよい。例えば、コントローラ１０２は、取り得る２−３例を挙げると、個別のコントローラ集積回路（ＩＣ）又はマイクロコントローラＩＣの形態で実装された制御ロジックを有していてもよい。しかしながら、本発明はこの点で限定されるものではなく、他の２−３例を挙げると、コントローラ１０２は汎用プロセッサ、及び／又は特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）にて実装されていてもよい。また、コントローラ１０２は単一のデバイス（例えば、マイクロプロセッサＩＣ）から成っていてもよいし、複数のデバイス（例えば、パッケージ化されたロジックＩＣの集合）から成っていてもよい。
一実施形態において、コントローラ１０２は、分子量子メモリの実現を支援する多数のタスクのうちの何れをも実行し得る。本発明はこの点で限定されるものではないが、これらのタスクは、例えば、スイッチ１１２、電流源１０４／１０６、及び／又はフィルタ１０８／１１０に与えられる適当な制御信号によってデジタル情報（例えば、バイナリデータ）を可変周波数切り替えパターンに変換することを含み得る。コントローラ１０２はまた、プローブ１１６／１１８に操作制御信号を提供してもよい。一実施形態において、システム１００の要素１０４−１２４は、例えばＤＲＡＭデバイス等の個別デバイス内に存在していてもよいが、コントローラ１０２は上記デバイスに結合されてはいるが上記デバイスとは別個のものであってもよい。コントローラ１０２に付される呼び名は請求項に係る発明を限定するものでないことは当然であるが、このような構成においては、コントローラ１０２は、メモリコントローラ、ハードディスクコントローラ、及び／又は制御ロジックとして記述され得る。
偏極電子電流源１０４及び１０６は、偏極電子電流の生成及び／又は供給が可能な如何なるデバイス及び／又は材料を有していてもよい。電流源１０４はスピンアップ偏極電流源と呼ばれ、電流源１０６はスピンダウン偏極電流源と呼ばれるが、これらの呼び名は、以下のシステム１００の説明のためだけに定められた恣意的なものである。当業者に認識されるように、電流源１０４及び１０６は、本発明の範囲及び意図を逸脱することなく、それぞれスピンダウン電流源及びスピンアップ電流源と呼ばれてもよい。
一実施形態において、電流源１０４は、スピンアップ偏極電子の電流を供給することに適した半金属材料を含んでいてもよく、電流源１０６は、スピンダウン偏極電子の電流を供給することに適した別の半金属材料を含んでいてもよい。半金属材料は既知の種類の強磁性材料であり、強磁性デカップリングの結果、分子電子スピンの２つのサブバンドのうちの１つのみがフェルミレベルにおいて相当な状態密度を有し、実質的に完全なキャリア電子スピン偏極をもたらす。既知の半金属には、２−３例を挙げると、ＭｎＡｓ及びＣｒＡｓ等の“閃亜鉛鉱”化合物、ＮｉＭｎＳｂ及びＰｔＭｎＳｂ等の“セミホイスラー相”、Ｌａ．７０Ｓｒ．３０ＭｎＯ３及びＦｅ３Ｏ４等の“混合原子価ペロブスカイト”、並びに二元酸化物ＣｒＯ２がある。半金属材料はバルク結晶の形態で合成されてもよいし、シリコン基板を含む多様な基板上の薄い分子層として形成されてもよい。当業者に認識されるように、半金属材料は、実質的に完全なスピン偏極を有する制御可能な電子電流源を形成するために使用され得る。
しかしながら、電流源１０４及び１０６は半金属材料を使用し得るが、本発明はこの点で限定されるものではなく、当業者に認識されるように、偏極電子電流を供給する電流源１０４及び１０６にはその他の強磁性材料が用いられてもよい。例えば、強磁性単結晶Ｎｉ＜１１０＞ワイヤーは偏極電子電流を供給することが知られている。
偏極電子電流フィルタ１０８及び１１０は、一方の極性の電子電流のみの導通及び／又は伝達が可能な如何なるデバイス及び／又は材料を有していてもよい。言い換えると、電流フィルタ１０８及び１１０は、特定の偏極を有する電子電流をフィルタリング除去することが可能な如何なるデバイス及び／又は材料を有していてもよい。フィルタ１０８はスピンアップ偏極電流のフィルタ（すなわち、フィルタ１０８はスピンダウン電流を導通させる）と呼ばれ、フィルタ１１０はスピンダウン偏極電流のフィルタ（すなわち、フィルタ１１０はスピンアップ電流を導通させる）と呼ばれるが、これらの呼び名は、以下のシステム１００の説明のためだけに定められた恣意的なものである。故に、当業者に認識されるように、電流源１０４及び１０６に関する上述の説明と同様に、フィルタ１０８及び１１０は、本発明の範囲及び意図を逸脱することなく、それぞれスピンダウンフィルタ及びスピンアップフィルタと呼ばれてもよい。
一実施形態において、フィルタ１０８は、スピンアップ電子電流をフィルタリング除去することに適した（すなわち、実質的にスピンダウン電子電流のみを導通させることに適した）半金属材料を含んでいてもよく、フィルタ１１０は、スピンダウン電子電流をフィルタリング除去することに適した（すなわち、実質的にスピンアップ電子電流のみを導通させることに適した）別の半金属材料を含んでいてもよい。当業者に認識されるように、半金属材料は、実質的に完全なスピン偏極特性を有する制御可能な電子電流フィルタを形成するために使用され得る。
しかしながら、フィルタ１０８及び１１０は半金属材料を使用し得るが、本発明はこの点で限定されるものではなく、当業者に認識されるように、偏極電子電流のフィルタリング能力を提供するフィルタ１０８及び１１０にはその他の材料が用いられてもよい。例えば、強磁性単結晶Ｎｉ＜１１０＞ワイヤーは、一方の極性の電子電流のみを導通させることが知られている。スイッチ１１２は、一方の極性の電子電流のみの導通及び／又は伝達を行うことから、他方の極性の電子電流の導通及び／又は伝達を行うことへと素早く切り替えることが可能な如何なるデバイス及び／又は機構を有していてもよい。
プローブアセンブリ１１５は、プローブ１１６及び１１８へ、あるいはそれから偏極電子電流を伝達することが可能な如何なるデバイス及び／又は機構を有していてもよい。一実施形態において、アセンブリ１１５は、アセンブリ１１５がアレイ１２０のＳＭＭ群１２２上で、且つ／或いはそれらを横切って、プローブ１１６及び１１８を走査することが可能なように、従来の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）プローブアセンブリに見られるようなものと同様の機構を組み込んでいてもよい。図１は要素１０４−１１２を含まないものとしてアセンブリ１１５を示しているが、本発明は図１に示された実施形態に限定されるものではなく、要素１０４−１１２はプローブアセンブリ１１５に含まれていてもよい。同様に、コントローラ１０２もプローブアセンブリ１１５に含まれていてもよい。
プローブ１１６及び１１８は、ＳＭＭ群１２２へ、あるいはそれらから偏極電子電流を伝達することが可能である。すなわち、プローブ１１６及び１１８は、より詳細に後述されるようにプローブ１１６／１１８がアレイ１２０の上で、且つ／或いはそれを横切って走査される間に、プローブ１１６／１１８とＳＭＭ群１２２との間で電子電流のトンネリングが起こり得るように、アレイ１２０のＳＭＭ群１２２に対する空間的な方向を維持することが可能である。ＳＴＭプローブを固体材料と相互作用させる技術は周知である。
ＳＭＭ群１２２のアレイ１２０は、ＳＭＭ群１２２の如何なる好適なアレイを有していてもよい。例えば、アレイ１２０は、従来からの堆積技術を用いて堆積されたＳＭＭ群のモノレイヤーを有していてもよい。ＳＭＭ群１２２は、バルク強磁性体と同様の実質的な電子スピン基底状態及び磁気ヒステリシスサイクルを示すとして周知の多様な分子化合物の１つを有し得る。バルク又は層の何れの形態においても、個々のＳＭＭ内の電子スピン間の比較的強い分子内交換力は、比較的弱い分子間磁気カップリングに対して支配的である。アレイ１２０の分子はＳＭＭ１２２と呼ばれるが、当業者に認識されるように、バルク磁性体と同様の実質的な電子スピン基底状態及び磁気ヒステリシスサイクルを示す如何なる分子も、ＳＭＭとして認識され、説明され、且つ／或いは呼ばれているかに拘わらず、本発明に従ってアレイ１２０を形成するために使用され得る。
一実施形態において、各ＳＭＭ１２２は、１２個のマンガンイオンＭｎ１２Ｏ１２（ＣＨ３ＣＯＯ）１６（Ｈ２Ｏ）４（しばしばＭｎ１２と呼ばれており、以降でもそう呼ぶこととする）を有するクラスタ化合物を有していてもよい。Ｍｎ１２は、各々が２ユニットのスピンアップ電子スピンモーメントを担う８個のＭｎ（ＩＩＩ）原子と、各々が３／２ユニットのスピンダウン電子スピンモーメントを担う４個のＭｎ（ＩＶ）原子との結合から生じる電子スピンＳ＝１０基底状態を有すると見なされ得る。Ｍｎ１２分子の安定なモノレイヤーは、例えばアレイ１２０等の磁気的に独立したＳＭＭ群のアレイを生成するように、例えば分子線エピタキシ等の標準的な技術を用いて、基板上に直接的に堆積され得る。しかしながら、本発明は特定種類のＳＭＭに限定されるものではなく、当業者に認識されるように、ＳＭＭ群１２２は、好ましい電子スピン基底状態及び磁気ヒステリシスを示すその他の分子化合物を有していてもよい。例えばＦｅ、Ｖ、Ｃｒ及びＣｏ等の遷移金属のイオンを含むその他のＳＭＭも十分に特徴付けられる。さらに、より詳細に後述されるように、例えばＳＭＭ群１２２のうちの何れか１つのような個々のＳＭＭは、分子スピンＳの量子化された投影＜ｍ＞に対応する２Ｓ＋１スピン固有状態の１つにて制御可能に生成され得る。
固有の内部スピン状態を有する個々のＳＭＭの制御可能な生成は、情報の記憶を可能にし得る。例えば、十分に認識されるように、例えばＭｎ１２等の個々のＳＭＭは、分子スピン量子数Ｓの投影＜ｍ＞の、主分子対称軸への投影によってラベル付けされる２Ｓ−１の固有の励起スピン状態を示す。故に、例えば、各Ｍｎ１２ＳＭＭは２Ｓ−１＝２（１０）−１＝１９個の固有の励起スピン状態を示す。本発明に従って、また、より詳細に後述されるように、各ＳＭＭ（例えば、各ＳＭＭ１２２）は、これらの励起スピン状態の１つ以上が占有されるように、時間変化する偏極電流波形（ＰＣＷ）の形態の偏極電子を用いて制御可能に準備され得る。
図１Ｂは、システム１００のうちのアセンブリ１１５、プローブ１１６／１１８及び１つのＳＭＭ１２２を含む部分を一層詳細に示している。上述のように、アセンブリ１１５は、それぞれのプローブの先端１１７及び１１９がＳＭＭへ、且つ／或いはそれから、トンネリングを介して偏極電子電流を伝達し得るように、個々のＳＭＭ１２２上にプローブ１１６及び１１８を位置付ける。
図２Ａは、本発明の他の一実施形態に従ったシステム２００を示しており、図２Ｂは、システム２００の一部を一層詳細に示している。システム２００は、コントローラ２０２、走査プローブアセンブリ２０４、走査プローブ２０６及び２０８、アレイ２１０状の単分子磁石（ＳＭＭ）２１２、基板２１４、並びに、共有バス若しくはその他の通信路２１６を含んでいる。共有バス若しくはその他の通信路２１６は、コントローラ２０２をシステム２００の外部のその他のデバイス（図示せず）に結合させ、それにより、コントローラ２０２に対する情報及び／又はデータの流入及び／又は流出を可能にする。図２Ｂに示されるように、プローブ２０６／２０８は、それぞれのコンタクト２２２及び２２４を含むそれぞれの先端２１８及び２２０を有している。
システム２００は、本発明に従った分子量子メモリの実現に適した多様な物理的発現を想定し得る。例えば、システム１００に関して説明したのと同様に、システム２００は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）デバイス等のメモリデバイス、又はハードドライブ（ＨＤ）等のデータ記憶デバイス内に実装されてもよい。しかしながら、当業者に認識されるように、“メモリデバイス”及び／又は“データ記憶デバイス”という呼び名は、幾分恣意的なものであり、本発明の範囲及び意図を逸脱することなく相互に交換可能に使用され得る。明らかなように、本発明はシステム２００の実現がこの点でどのように特徴付けられるかに関して限定されるものではない。また、当業者に認識されるように、システム２００は単なる略図であり、縮尺通りには図示されていない。さらに、本発明に特に関連性のないシステム２００の一定の特徴又はその要素は、本発明を不明りょうにしないように図２Ａ／Ｂから排除されている。
一実施形態において、コントローラ２０２は、分子量子メモリの実現を支援する多数のタスクのうちの何れをも実行し得る。本発明はこの点で限定されるものではないが、これらのタスクは、例えば、デジタル情報（例えば、バイナリデータ）を、プローブ２０６及び／又は２０８に供給される可変周波数電子電流に変換することを含み得る。コントローラ２０２はまた、プローブ２０６／２０８に操作制御信号を提供してもよい。一実施形態において、システム２００の要素２０４−２１４は、例えばＤＲＡＭデバイス又はハードドライブデバイス等の個別デバイス内に存在していてもよいが、コントローラ２０２は上記デバイスに結合されてはいるが上記デバイスとは別個のものであってもよい。コントローラ２０２に付される呼び名は請求項に係る発明を限定するものでないことは当然であるが、このような構成においては、コントローラ２０２は、メモリコントローラ、ハードディスクコントローラ、及び／又は制御ロジックとして記述され得る。例えば、コントローラ２０２は、取り得る２−３例を挙げると、個別のコントローラＩＣ又はマイクロコントローラＩＣの形態で実装された制御ロジックを有していてもよい。しかしながら、本発明はこの点で限定されるものではなく、他の２−３例を挙げると、コントローラ２０２は汎用プロセッサ、及び／又はＡＳＩＣにて実装されていてもよい。また、コントローラ２０２は単一のデバイス（例えば、マイクロプロセッサＩＣ）から成っていてもよいし、複数のデバイス（例えば、パッケージ化されたロジックＩＣの集合）から成っていてもよい。
システム１００と異なり、システム２００のコンタクト２２２及び２２４は、逆極性の電子電流の放出及び／又はフィルタリングを行い得る。故に、コンタクト２２２及び２２４に付される説明上の呼び名は本発明をいかようにも限定するものではないが、コンタクト２２２及び２２４は偏極電流エミッタとして説明され得る。言い換えると、コンタクト２２２は、時間変化する時変電子電流がコントローラ２０２によってプローブ２０６に供給されるとき、第１の極性（例えば、“アップ”極性）の時変電子電流を放出し得る（すなわち、コンタクト２２２は、コントローラ２０２によってプローブ２０６に供給される電流から“ダウン”偏極電流をフィルタリング除去する）。同様に、コンタクト２２４は、時変電子電流がコントローラ２０２によってプローブ２０８に供給されるとき、第２の極性（例えば、“ダウン”極性）の時変電子電流を放出し得る（すなわち、コンタクト２２４は、コントローラ２０２によってプローブ２０８に供給される電流から“アップ”偏極電流をフィルタリング除去する）。当然ながら、システム１００に関して説明されたように、システム２００のコンタクト２２２を“ダウン”偏極電流をフィルタリング除去するものとして説明し、コンタクト２２４を“アップ”偏極電流をフィルタリング除去するものとして説明することの選択は純粋に恣意的なものである。
一実施形態において、コンタクト２２２及び２２４は、それぞれ逆極性の実質的に完全に偏極された電子電流を放出し、且つ／或いはフィルタリングすることが可能な、半金属電子電流材料を含んでいる。本発明に従って、また、より詳細に後述されるように、各ＳＭＭ（例えば、各ＳＭＭ２１２）は、ＳＭＭの励起スピン状態の１つ以上が占有されるように、プローブコンタクト２２２及び２２４によって放出されたＰＣＷの形態の偏極電子を用いて制御可能に準備され得る。
図３は、請求項に係る発明の一実施形態に従った分子量子メモリを実現するためのプロセス３００を示すフロー図である。説明の便宜上、プロセス３００及び関連処理は図１Ａ／Ｂのシステム１００、及び／又は、図２Ａ／Ｂのシステム２００に関して説明されるが、請求項に係る発明はこの点で限定されるものではなく、適当なデバイス及び／又は請求項に係る発明に従ったデバイスの組み合わせによって支援され、且つ／或いは実行されるその他のプロセス又は手法も可能である。
プロセス３００は、ＰＣＷを用いての特定の励起分子スピン状態の選択的な準備又は“書き込み”で開始する（段階３０２）。段階３０２にて使用されるＰＣＷは、分子スピン固有状態の性質に依存し得る。例えば、Ｍｎ１２ＳＭＭの励起スピン固有状態、及びそれらの状態を選択的に準備するために必要な励起手法が十分に特徴付けられる。段階３０２を実行する一手法は、システム１００のコントローラ１０２にバイナリ情報を、スイッチ１１２に与えられる時変変調信号へと変換させ、時変偏極電子電流（すなわち、ＰＣＷ）をプローブ１１６に供給することである。
段階３０２にて使用されるＰＣＷは、様々なパルス幅のスピンアップ及び／又はスピンダウン偏極電子電流パルスを含んでいてもよい。そして、このＰＣＷはプローブの先端１１７からＳＭＭ１２２にトンネルする。ＳＭＭ１２２をＰＣＷに晒すことにより、時変偏極電子電流とＳＭＭ分子スピン基底との間の交換相互作用が始められ、ＳＭＭ１２２内に励起スピン状態が作り出される。１つ以上の励起ＳＭＭスピン状態を作り出すようにＰＣＷの適確な性質が選定されるので、段階３０２の実行は、ＳＭＭ１２２が制御可能に特定の情報状態にされることを可能にする。言い換えると、段階３０２を開始することによって、ＳＭＭ１２２は情報を記憶するために使用され得る。
段階３０２を実行する別の一手法は、システム２００のコントローラ２０２に、時変電流をプローブ２０６及び／又は２０８に供給させることである。この電流がコンタクト２２２及び／又は２２４を通過するとき、コンタクト内の強磁性半金属材料は、スピンアップ及び／又はスピンダウン偏極電子電流パルスを含む時変偏極電子電流（すなわち、ＰＣＷ）がコンタクト２２２及び／又は２２４から放出されるように、供給された電流をフィルタリングし得る。それにより得られる“書き込み”ＰＣＷは、コンタクト２２２及び／又は２２４がＰＣＷの双方の偏極成分をＳＭＭ２１２に供給し得るように、双方の偏極相を含んでいてもよい。そして、得られた時変ＰＣＷはプローブコンタクト２２２及び／又は２２４の何れかからＳＭＭ２１２にトンネルし、上述と同様にしてＳＭＭ内に制御可能に励起スピン状態を作り出す。
本発明は、特定のＰＣＷ及び特定のＳＭＭに関する段階３０２に限定されるものではないが、段階３０２の理解は、ＳＭＭ１２２がＭｎ１２を有する実施例を考察することによって容易になる。Ｍｎ１２の場合、上述のように、離散的な周波数スペクトルを有するコヒーレントな磁気パルスをＳＭＭに印加することによって、（２つのスピン多様体に及ぶ）１９個の励起スピン状態が制御可能に且つ／或いは選択的に占有され得る。故に、０（すなわち、ＳＭＭの基底スピン状態に相当）と１９との間の任意の整数がＳＭＭに記憶され得る。離散的な周波数スペクトルを有するコヒーレント磁気パルスを、段階３０２にて使用されるのに適した時変ＰＣＷに変換することには、周知の技術が使用され得る。
プロセス３００は励起分子スピン状態の読み出し（段階３０４）へと続く。これを実行する一手法は、段階３０２によって励起スピン状態に置かれ且つ段階３０４にて別のＰＣＷに晒されたたＳＭＭから放出される偏極電子電流を収集することである。一実施形態において、システム１００のコントローラ１０２はスイッチ１１２を変調し、ＳＭＭ１２２の励起状態を調べるためのＰＣＷを生成する。このＰＣＷは、プローブの先端１１７とＳＭＭ１２２との間でのトンネリング及び／又は散乱を介して、ＳＭＭ１２２と相互作用する。段階３０２によってＳＭＭ１２２内に生成された特定の励起スピン状態に依存して、得られる散乱電流は偏極に応じた振幅変化を有し得る。ＳＭＭ１２２から散乱された電流の偏極に応じた振幅は、プローブ１１８の先端１１９によって収集され、フィルタ１０８及び１１０に供給される。コントローラ１０２はフィルタ１０８／１１０の出力を分析し、ＳＭＭ１２２の偏極状態、故に、段階３０２にてＳＭＭ１２２に記憶された情報、を決定する。斯くして、段階３０２にてＳＭＭ１２２に記憶すなわち“書き込み”された任意の整数が、段階３０４にてアクセスすなわち“読み出し”される。
段階３０４を実行する別の一手法は、システム２００のコントローラ２０２に、時変電流波形をプローブ２０６及び／又は２０８に供給させ、それにより、ＳＭＭ１２２の励起状態を調べるためのＰＣＷを生成することである。この“調査”ＰＣＷは、コンタクト２２２及び／又は２２４がＰＣＷの双方の偏極成分をＳＭＭ２１２に供給し得るように、双方の偏極相を含み得る。ＰＣＷのＳＭＭ２１２との相互作用は、ＳＭＭ２１２から散乱された偏極電子電流を生成し、この偏極電子電流は、ＳＭＭ２１２のスピン状態を“読み出す”ために、先端２２２及び／又は２２４によってフィルタリングされ、且つコントローラ２０２によって分析される。例えば、このＰＣＷは、先端２２２によって放出され、且つその散乱振幅が先端２２４によって検出すなわち“フィルタリング”される“アップ”偏極を有する幾つかの電流パルスから成っていてもよい。同様に、このＰＣＷは、先端２２４によって放出され、且つその散乱振幅が先端２２２によって検出すなわち“フィルタリング”される“ダウン”偏極を有する幾つかの電流パルスから成っていてもよい。
プロセス３００は、励起分子スピン状態の消去で終了する（段階３０６）。段階３０６を実行する一手法は、システム１００のコントローラ１０２に、スイッチ１１２に印加される時変変調信号を供給させ、時変偏極電子電流（すなわち、ＰＣＷ）をプローブ１１６に供給することである。段階３０６にてＳＭＭ１２２に送達されるＰＣＷは、ＳＭＭ１２２をその基底電子スピン状態に戻すようにコントローラ１０２によって選択且つ／或いは準備された、様々なパルス幅のスピンアップ及び／又はスピンダウン偏極電子電流パルスを含み得る。言い換えると、段階３０６は、ＳＭＭ１２２を例えば段階３０２等の更なる“書き込み”動作の実行に適したスピン状態に置くように行われる。
段階３０６を実行する別の一手法は、システム２００のコントローラ２０２に、時変電流をプローブ２０６及び／又は２０８に供給させることである。得られる“消去”ＰＣＷは、コンタクト２２２及び／又は２２４がＰＣＷの双方の偏極成分をＳＭＭ２１２に供給し得るように、双方の偏極相を含み得る。そして、得られた時変ＰＣＷはプローブコンタクト２２２及び／又は２２４の何れかからＳＭＭ２１２にトンネルし、ＳＭＭ２１２をその基底スピン状態、及び／又は例えばプロセス３００を新たに開始することなどの更なる処理に適したスピン状態、に制御して置き得る。
図３に示された段階群は必ずしも図示された順序で行われる必要はなく、これらの段階群の全てが行われることも必ずしも必要でない。また、他の段階に依存しない段階は、他の段階と並行して行われてもよい。さらに、プロセス３００の幾つかの段階は、ハードウェア、ファームウェア及び／又はソフトウェアに実装され、且つ／或いはこれらを用いて実行され得る。しかしながら、本発明はこの点で限定されるものではなく、ハードウェア及び／又はファームウェアに実装され得る段階は、それに代えてソフトウェアに実装されてもよい。明らかなように、プロセス３００のソフトウェア、ハードウェア及び／又はファームウェア実装の数多くの組み合わせが、本発明の範囲及び精神に従って意図される。さらに、プロセス３００の段階群の少なくとも一部は、機械読み取り可能媒体に具現化された命令群又は命令群グループによって実行されてもよい。
本発明の原理に従った１以上の実施形態についての以上の説明は、例示及び説明を提供するものであり、網羅的なものでも、本発明の範囲を開示された形態そのものに限定するものでもない。以上の教示により変更及び変形が可能であり、あるいは、本発明の様々な実施形態の実施から変更及び変形が得られる。明らかなように、請求項に係る発明に従った分子量子メモリを実現する方法、装置及び／又はシステムを提供することには、数多くの実施形態が採用され得る。
本出願の説明に使用された如何なる要素、段階又は命令も、特に断らない限り、本発明に決定的に重要な、あるいは不可欠なものとして解されるべきではない。また、ここでは、冠詞“或る（ａ）”は、１つ以上の項目を含むものとして使用されている。さらに、例えば“データ”及び“値”等の本発明の実施形態を説明するために使用された一部の用語は、状況に応じて相互に入れ替えて使用され得るものである。例えば、当業者に認識されるように、偏極状態及びスピン状態という用語は、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく相互に入れ替えて使用され得る。また、例えば“結合され”又は“応じて”等の用語が本明細書又は特許請求の範囲にて使用されるとき、これらの用語は広く解釈されるべきである。例えば、“〜に結合され”という言いまわしは、その言いまわしが用いられている文脈に見合うように、通信的に、電気的に、且つ／或いは動作的に結合されていることを意味する。請求項に係る発明の上述の実施形態には、本発明の精神及び原理を実質的に逸脱することなく、変更及び変形が為され得る。そのような全ての変更及び変形は、この開示の範囲内に含まれるものであり、添付の請求項によって保護されるものである。
分子量子メモリを実現することに適したシステムの一例を示す図である。 図１Ａのシステムの一部を詳細に示す図である。 分子量子メモリを実現することに適した他のシステムの一例を示す図である。 図２Ａのシステムの一部を詳細に示す図である。 分子量子メモリを実現するプロセスの一例を示すフローチャートである。

Claims (31)

  1. 偏極電子電流源；
    逆極性の偏極電子電流源；
    少なくとも１つのプローブ先端を含むプローブアセンブリであり、該プローブ先端は分子に電気的に結合される、プローブアセンブリ；及び
    前記偏極電子電流源又は前記逆極性の偏極電子電流源の何れかを、前記少なくとも１つのプローブ先端に選択的に結合させることが可能なスイッチ機構；
    を有する装置。
  2. 前記分子は単分子磁石である、請求項１に記載の装置。
  3. 前記少なくとも１つのプローブ先端は少なくとも、前記分子へ、或いは前記分子から、偏極電子電流を伝達することが可能である、請求項１に記載の装置。
  4. 前記プローブアセンブリは少なくとも、電子電流を主に前記分子に伝達する第１のプローブ先端、及び電子電流を主に前記分子から伝達する第２のプローブ先端を含む、請求項１に記載の装置。
  5. 前記プローブアセンブリに結合された、少なくとも偏極電子電流を伝達することが可能な第１の電流フィルタ；及び
    前記プローブアセンブリに結合された、少なくとも逆極性の偏極電子電流を伝達することが可能な第２の電流フィルタ；
    を更に有する請求項１に記載の装置。
  6. 前記第１及び第２の電流フィルタは半金属電子源を含んでいる、請求項５に記載の装置。
  7. 前記少なくとも１つのプローブ先端は、電子電流トンネリングによって前記分子に電気的に結合される、請求項１に記載の装置。
  8. 前記偏極電子電流源及び前記逆極性の偏極電子電流源は、半金属電子源を含んでいる、請求項１に記載の装置。
  9. 少なくとも第１及び第２のプローブ先端を含むプローブアセンブリであり、これらプローブ先端は分子に電気的に結合される、プローブアセンブリ；
    前記第１のプローブ先端に配置された偏極電子電流エミッタ；
    前記第２のプローブ先端に配置された逆極性の偏極電子電流エミッタ；及び
    前記偏極電子電流エミッタ及び／又は前記逆極性の偏極電子電流エミッタを前記分子に選択的に結合させることが可能な機構；
    を有する装置。
  10. 前記分子は単分子磁石である、請求項９に記載の装置。
  11. 前記プローブ先端は少なくとも、前記分子へ、或いは前記分子から、偏極電子電流を伝達することが可能である、請求項９に記載の装置。
  12. 前記プローブ先端は、電子電流トンネリングによって前記分子に電気的に結合される、請求項９に記載の装置。
  13. 前記偏極電子電流エミッタ及び前記逆極性の偏極電子電流エミッタは、半金属材料を含んでいる、請求項９に記載の装置。
  14. 前記偏極電子電流エミッタ及び／又は前記逆極性の偏極電子電流エミッタを前記分子に選択的に結合させることが可能な前記機構は、制御ロジックを含んでいる、請求項９に記載の装置。
  15. 分子のアレイが配置された基板；
    少なくとも１つのプローブ先端を有するプローブアセンブリであり、該少なくとも１つのプローブ先端が選択的に前記分子のアレイの個々の分子に電気的に結合されるように、前記分子のアレイに対して位置付けられることが少なくとも可能なプローブアセンブリ；
    偏極電子電流源；
    逆極性の偏極電子電流源；
    前記偏極電子電流源及び／又は前記逆極性の偏極電子電流源を、前記少なくとも１つのプローブ先端に選択的に結合させることが少なくとも可能なスイッチ機構；及び
    時間変化する偏極電子電流を前記少なくとも１つのプローブ先端に伝達するように前記スイッチ機構を操作することが少なくとも可能な制御ロジック；
    を有するシステム。
  16. 前記分子は単分子磁石を有する、請求項１５に記載のシステム。
  17. 前記偏極電子電流源及び前記逆極性の偏極電子電流源は、半金属材料を含んでいる、請求項１５に記載のシステム。
  18. 前記制御ロジックは少なくとも、前記スイッチ機構を操作することによって前記分子のアレイに情報を書き込むことが可能である、請求項１５に記載のシステム。
  19. 前記制御ロジックは、コントローラＩＣ、マイクロコントローラＩＣ、又はＡＳＩＣのうちの１つを有する、請求項１５に記載のシステム。
  20. 分子のアレイが配置された基板；
    第１及び第２のプローブを有するプローブアセンブリであり、該第１及び第２のプローブが選択的に前記分子のアレイの個々の分子に電気的に結合されるように、前記分子のアレイに対して位置付けられることが少なくとも可能なプローブアセンブリ；
    前記第１のプローブの先端に配置された、正極性の偏極電子電流を伝達することが可能な第１の偏極電流エミッタ；
    前記第２のプローブの先端に配置された、負極性の偏極電子電流を伝達することが可能な第２の偏極電流エミッタ；
    前記第１及び第２のプローブに電流を選択的に供給することが少なくとも可能な制御ロジック；
    を有するシステム。
  21. 前記分子は単分子磁石を有する、請求項２０に記載のシステム。
  22. 前記第１及び第２の偏極電流エミッタは、異なる半金属材料を含んでいる、請求項２０に記載のシステム。
  23. 前記制御ロジックは少なくとも、前記第１及び第２のプローブに電流を選択的に供給することによって前記分子のアレイに情報を書き込むことが可能である、請求項２０に記載のシステム。
  24. 前記制御ロジックは、コントローラＩＣ、マイクロコントローラＩＣ、又はＡＳＩＣのうちの１つを有する、請求項２０に記載のシステム。
  25. 時間変化する偏極電子電流を用いて分子に情報を書き込む書込段階；及び
    前記分子から前記情報を読み出す読出段階；
    を有する方法。
  26. 分子に情報を書き込む前記書込段階は、前記分子の励起分子スピン状態を準備する段階を含む、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記分子は単分子磁石である、請求項２５に記載の方法。
  28. 時間変化する偏極電子電流を用いて分子に情報を書き込む前記書込段階は、偏極電子電流源及び逆極性の偏極電子電流源を前記分子に選択的に結合させる段階を含む、請求項２５に記載の方法。
  29. 前記偏極電子電流源及び前記逆極性の偏極電子電流源の少なくとも一方は、半金属材料を含んでいる、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記分子から前記情報を読み出す前記読出段階は、偏極電子電流源又は逆極性の偏極電子電流源の少なくとも一方を前記分子に選択的に結合させた後に、前記分子から電子電流を収集する段階を含む、請求項２５に記載の方法。
  31. 時間変化する偏極電子電流を用いて前記分子から前記情報を消去する消去段階、
    を更に有する請求項２５に記載の方法。
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