JP3290337B2 - 原子スケールの３ドット計算素子 - Google Patents
原子スケールの３ドット計算素子Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- G—PHYSICS
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- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
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- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
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- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
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- H—ELECTRICITY
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- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/122—Single quantum well structures
- H01L29/127—Quantum box structures
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- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
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- G—PHYSICS
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は原子スケールまたは近原
子スケール（near-atomic-scale）の構造を使用する中
央プロセッサのデータ素子及び論理素子に関する。
子スケール（near-atomic-scale）の構造を使用する中
央プロセッサのデータ素子及び論理素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のコンピュータでは、電荷の有無で
データを記憶する２進言語の０及び１を表す。量子コン
ピュータでは、個々の粒子または粒子のクラスタのエネ
ルギ順位が情報を表す。量子力学によれば、こうしたエ
ネルギ順位は不連続な状態である。従って、基底または
ダウン状態が０を表し、励起またはアップ状態が１を表
す。
データを記憶する２進言語の０及び１を表す。量子コン
ピュータでは、個々の粒子または粒子のクラスタのエネ
ルギ順位が情報を表す。量子力学によれば、こうしたエ
ネルギ順位は不連続な状態である。従って、基底または
ダウン状態が０を表し、励起またはアップ状態が１を表
す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】現在、原子スケールま
たは近原子スケールの構造を使用する中央プロセッサの
満足すべきデータ素子及び論理素子が、物理的に具現化
されていない。こうした具現化が、既存の半導体トラン
ジスタ技術により生成されうるプロセッサよりも、小型
で高速なものを生成するために必要とされる。本発明の
目的は、このような要望に応えうる新規なデータ素子お
よび論理素子を提供することである。
たは近原子スケールの構造を使用する中央プロセッサの
満足すべきデータ素子及び論理素子が、物理的に具現化
されていない。こうした具現化が、既存の半導体トラン
ジスタ技術により生成されうるプロセッサよりも、小型
で高速なものを生成するために必要とされる。本発明の
目的は、このような要望に応えうる新規なデータ素子お
よび論理素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、コンピ
ュータ中央処理ユニットにおいて有用な原子スケールま
たは近原子スケールの論理素子及びメモリ素子が提供さ
れる。各素子は、反対の状態を有する２個の量子ドット
と、前記２個の量子ドット間に配置され、それらと物理
的に接触する第３の量子ドットとを含む。第３の量子ド
ットは、最初の２個の量子ドットの反対の状態をエネル
ギ的に優先な状態として生成する材料である。特に本発
明により、量子コンピュータの電子論理素子及びメモリ
素子として好適なスピン・フリップフロップが提供され
る。スピン・フリップフロップは２つの高度に安定な状
態を有するように設計され、構造内の電子スピン配列で
完全に符号化される。２つの状態間のスイッチングは、
一般に高速電磁パスルにより、スピン・フリップフロッ
プの場合は光パルスにより達成される。２つの安定状態
は、通常、ドーピングまたは電界効果により２個の隣接
する電子量子ドット内に配置される、２個の単一の電子
のアップ・ダウン・スピン状態及びダウン・アップ・ス
ピン状態である。素子の動作は２個の電子ドット間にそ
れら両者に物理的に接触して配置された反強磁性材料の
小粒子またはドットの存在により促進または安定化され
る。
ュータ中央処理ユニットにおいて有用な原子スケールま
たは近原子スケールの論理素子及びメモリ素子が提供さ
れる。各素子は、反対の状態を有する２個の量子ドット
と、前記２個の量子ドット間に配置され、それらと物理
的に接触する第３の量子ドットとを含む。第３の量子ド
ットは、最初の２個の量子ドットの反対の状態をエネル
ギ的に優先な状態として生成する材料である。特に本発
明により、量子コンピュータの電子論理素子及びメモリ
素子として好適なスピン・フリップフロップが提供され
る。スピン・フリップフロップは２つの高度に安定な状
態を有するように設計され、構造内の電子スピン配列で
完全に符号化される。２つの状態間のスイッチングは、
一般に高速電磁パスルにより、スピン・フリップフロッ
プの場合は光パルスにより達成される。２つの安定状態
は、通常、ドーピングまたは電界効果により２個の隣接
する電子量子ドット内に配置される、２個の単一の電子
のアップ・ダウン・スピン状態及びダウン・アップ・ス
ピン状態である。素子の動作は２個の電子ドット間にそ
れら両者に物理的に接触して配置された反強磁性材料の
小粒子またはドットの存在により促進または安定化され
る。
【０００５】
【数１】
【０００６】は以降ハットＸと記載し、他の記号につい
ても同様に表記する。
ても同様に表記する。
【数２】
【０００７】は以降ベクトルＸと記載し、他の記号につ
いても同様に表記する。
いても同様に表記する。
【０００８】量子ドットは、３次元の全てにおいて、小
サイズ（通常、１ｎｍ乃至１０ｎｍ）を有する物質（一
般にはＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体であるが、金
属、磁石または反強磁性体であってもよい）の小片であ
る。これらの小寸法は、フォトリソグラフィ、エッチン
グ、シャドー・マスキング、薄膜付着または材料加工及
び半導体産業において今日使用可能な他の多くの技術に
より達成される。量子ドットは、自身が存在できるいく
つかの不連続な状態しか有さない点で、機能的に識別さ
れ、例えば１個または０個の余剰電子を有したり、過剰
スピンのアップ／ダウンを有したり、その磁化ベクトル
・ポイントのアップ／ダウンを有したり、電子をその第
１、第２またはより高い励起状態に有したりする。これ
らの状態は、ゲーティング（gating）、光励起、または
他の制御素子により安定化されうる場合もあるし、そう
でない場合もある。しかしながら、量子ドットは制御素
子の性質によってではなく、その固有の特性により定義
される。
サイズ（通常、１ｎｍ乃至１０ｎｍ）を有する物質（一
般にはＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体であるが、金
属、磁石または反強磁性体であってもよい）の小片であ
る。これらの小寸法は、フォトリソグラフィ、エッチン
グ、シャドー・マスキング、薄膜付着または材料加工及
び半導体産業において今日使用可能な他の多くの技術に
より達成される。量子ドットは、自身が存在できるいく
つかの不連続な状態しか有さない点で、機能的に識別さ
れ、例えば１個または０個の余剰電子を有したり、過剰
スピンのアップ／ダウンを有したり、その磁化ベクトル
・ポイントのアップ／ダウンを有したり、電子をその第
１、第２またはより高い励起状態に有したりする。これ
らの状態は、ゲーティング（gating）、光励起、または
他の制御素子により安定化されうる場合もあるし、そう
でない場合もある。しかしながら、量子ドットは制御素
子の性質によってではなく、その固有の特性により定義
される。
【０００９】本発明の３ドット計算素子すなわちスピン
・フリップフロップが図１に示され、ここでドット１０
及び２０は１電子量子ドット（one-electron guantum d
ots）であり、ドット３０は絶縁反強磁性ドット（insul
ating antiferromagnetic dot）であり、ドット４０及
び５０は相互接続反強磁性ドット（interconnectingant
iferromagnet dots）である。本発明の３ドット設計
は、ドット１０及び２０の２つの状態を安定化する固有
の方法を有する。特に、反強磁性ドット３０は少なくと
も次の３つの特性を有する。 ａ）計算素子の状態が、反強磁性ドット３０内の数千ま
たは数万個の個々の電子により符号化される、非常に安
定な符号化方法である。 ｂ）その比較的大きなサイズにも関わらず、ドット３０
は反強磁性系の固有の物理的性質により、非常に高速
（８００ｆｓｅｃのオーダ）にスイッチすることができ
る。 ｃ）反強磁性ドット４０及び５０は、隣接計算素子を相
互接続するための非常に信頼性の高い優れた手段を提供
する。
・フリップフロップが図１に示され、ここでドット１０
及び２０は１電子量子ドット（one-electron guantum d
ots）であり、ドット３０は絶縁反強磁性ドット（insul
ating antiferromagnetic dot）であり、ドット４０及
び５０は相互接続反強磁性ドット（interconnectingant
iferromagnet dots）である。本発明の３ドット設計
は、ドット１０及び２０の２つの状態を安定化する固有
の方法を有する。特に、反強磁性ドット３０は少なくと
も次の３つの特性を有する。 ａ）計算素子の状態が、反強磁性ドット３０内の数千ま
たは数万個の個々の電子により符号化される、非常に安
定な符号化方法である。 ｂ）その比較的大きなサイズにも関わらず、ドット３０
は反強磁性系の固有の物理的性質により、非常に高速
（８００ｆｓｅｃのオーダ）にスイッチすることができ
る。 ｃ）反強磁性ドット４０及び５０は、隣接計算素子を相
互接続するための非常に信頼性の高い優れた手段を提供
する。
【００１０】本発明において利用される相互作用機構
は、"直接交換"（direct exchange）であり、量子力学
的には、１電子量子ドット内の電子と、反強磁性体内の
電子との間の直接オーバラップ（及びパウリの排他原理
の結果的作用）から生じる。量子力学理論及び経験的な
研究から、これは非常に安定な相互接続形態であること
が予想または知られており、相互作用の強さは、ドット
１０と３０との間またはドット１０と４０との間のオー
バラップ領域に比例し、これらの領域はかなり大きく取
りうる（数百ｎｍ平方程度）。更に本発明では、反強磁
性ドット３０、４０及び５０が電気的に絶縁されている
ので、量子ドットからの電子のリークアウトが生じな
い。
は、"直接交換"（direct exchange）であり、量子力学
的には、１電子量子ドット内の電子と、反強磁性体内の
電子との間の直接オーバラップ（及びパウリの排他原理
の結果的作用）から生じる。量子力学理論及び経験的な
研究から、これは非常に安定な相互接続形態であること
が予想または知られており、相互作用の強さは、ドット
１０と３０との間またはドット１０と４０との間のオー
バラップ領域に比例し、これらの領域はかなり大きく取
りうる（数百ｎｍ平方程度）。更に本発明では、反強磁
性ドット３０、４０及び５０が電気的に絶縁されている
ので、量子ドットからの電子のリークアウトが生じな
い。
【００１１】素子は現在の半導体形成技術の利用により
形成されうる。そのように形成されると、素子のエネル
ギ準位及び動力学は、次の近似ハミルトミアンを用いて
表される。
形成されうる。そのように形成されると、素子のエネル
ギ準位及び動力学は、次の近似ハミルトミアンを用いて
表される。
【数３】
【００１２】ここでｇA及びｇBは、ドット１０及び２０
内の電子のｇ因子であり、ドット１０及び２０に対して
異なる半導体組成、異なる形状または異なるサイズを使
用することにより、異なるものと仮定される。Ｈextは
外部印加磁場であり、ハットＺ方向に印加されると仮定
される。ＪAC及ＪBCは上述の交換結合相互作用であり、
反対の符号を有すると仮定される。これは例えばドット
１０及び２０を、ドット３０内の層状反強磁性体の異な
る原子層と密接に物理接触させることにより達成され
る。ハットφは、この交換相互作用が働く方向の単位ベ
クトルであり、反強磁性ドット３０内のネール・ベクト
ル（Neel vector）の方向を示す。これは本近似ではｃ
数（C-number）である。ベクトルσAおよびσBは、電子
量子ドット１０及び２０内の２個の電子のスピンを表す
スピン−１／２量子演算子である。前記方程式の最後の
項は、反強磁性体３０の磁気異方性エネルギを表す。こ
れは振幅Ｋcを有する単軸と仮定される。反強磁性体の
容易軸（easy axis）はＨextと共軸とは仮定されず、そ
こから角度φ0で傾斜するように取られる。
内の電子のｇ因子であり、ドット１０及び２０に対して
異なる半導体組成、異なる形状または異なるサイズを使
用することにより、異なるものと仮定される。Ｈextは
外部印加磁場であり、ハットＺ方向に印加されると仮定
される。ＪAC及ＪBCは上述の交換結合相互作用であり、
反対の符号を有すると仮定される。これは例えばドット
１０及び２０を、ドット３０内の層状反強磁性体の異な
る原子層と密接に物理接触させることにより達成され
る。ハットφは、この交換相互作用が働く方向の単位ベ
クトルであり、反強磁性ドット３０内のネール・ベクト
ル（Neel vector）の方向を示す。これは本近似ではｃ
数（C-number）である。ベクトルσAおよびσBは、電子
量子ドット１０及び２０内の２個の電子のスピンを表す
スピン−１／２量子演算子である。前記方程式の最後の
項は、反強磁性体３０の磁気異方性エネルギを表す。こ
れは振幅Ｋcを有する単軸と仮定される。反強磁性体の
容易軸（easy axis）はＨextと共軸とは仮定されず、そ
こから角度φ0で傾斜するように取られる。
【００１３】ネール・ベクトルφの角度関数としての２
個の電子の４つのエネルギ準位が、図２に示される。フ
リップフロップの動作は次のように進行する。ここで系
はその基底状態Ｆから開始するものと仮定する。系は周
波数ω1の電磁パルスにより励起され、これがドット１
０のスピンを反転し、系を励起状態Ｇに変化させる。こ
の状態では、反強磁性ドット３０には、Ｇにおける曲線
の傾きにより与えられるトルクが加えられる。系は従っ
て、反強磁性ドット３０の慣性モーメントと系の摩擦力
の大きさとにより決定されるレートでパスＰ1を下降す
る。この展開の間、ドット１０及び２０上の２個のスピ
ンの状態は、ネール・ベクトルが回転すると断熱的に回
転する。系は準安定状態Ｈに達し、放射周波数ω2の自
然放出または励起放出により、状態Ｉに緩和復帰する。
更なる断熱回転により、系は状態Ｊに達する。状態Ｊは
状態Ｆとは区別され、より高いエネルギを有するが、状
態Ｆへの緩和に関連して高度に安定である。状態Ｊ及び
Ｆは、フリップフロップの２つの状態に相当する。
個の電子の４つのエネルギ準位が、図２に示される。フ
リップフロップの動作は次のように進行する。ここで系
はその基底状態Ｆから開始するものと仮定する。系は周
波数ω1の電磁パルスにより励起され、これがドット１
０のスピンを反転し、系を励起状態Ｇに変化させる。こ
の状態では、反強磁性ドット３０には、Ｇにおける曲線
の傾きにより与えられるトルクが加えられる。系は従っ
て、反強磁性ドット３０の慣性モーメントと系の摩擦力
の大きさとにより決定されるレートでパスＰ1を下降す
る。この展開の間、ドット１０及び２０上の２個のスピ
ンの状態は、ネール・ベクトルが回転すると断熱的に回
転する。系は準安定状態Ｈに達し、放射周波数ω2の自
然放出または励起放出により、状態Ｉに緩和復帰する。
更なる断熱回転により、系は状態Ｊに達する。状態Ｊは
状態Ｆとは区別され、より高いエネルギを有するが、状
態Ｆへの緩和に関連して高度に安定である。状態Ｊ及び
Ｆは、フリップフロップの２つの状態に相当する。
【００１４】正確に類似の過程が系のスイッチ・バック
を可能にし、この過程は周波数ω3における吸収、パス
Ｐ3に沿う断熱緩和、周波数ω4の放射の放出及び基定状
態Ｆに等しい最終状態Ｎへの緩和を含む。指定のハミル
トニアンは、全ての周波数ωiが異なることを可能に
し、素子のスイッチングの制御を支援する。
を可能にし、この過程は周波数ω3における吸収、パス
Ｐ3に沿う断熱緩和、周波数ω4の放射の放出及び基定状
態Ｆに等しい最終状態Ｎへの緩和を含む。指定のハミル
トニアンは、全ての周波数ωiが異なることを可能に
し、素子のスイッチングの制御を支援する。
【００１５】図３は、半導体薄膜付着技術を用いる本発
明の１実施例の１次元断面図である。半導体ＰｂＴｅ
は、１電子量子ドットに対応して使用される多くの適正
な材料パラメータを有し、一方ＥｕＴｅは、反強磁性ド
ットに対応して使用される多くの適正なパラメータを有
する。層６０は、最初に一様なＰｂＴｅの薄膜を基板５
５上に付着し、次に適切なパターン化技術（電子ビーム
・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、ホログラフィ）に
より、ＰｂＴｅ材料を選択的に除去し、数１０ｎｍのオ
ーダの横寸法を有するＰｂＴｅの背後ドット６２を取り
残すことにより、生成される。ギャップは、６４で示さ
れるＺｎＴｅなどの別の広いギャップの非磁性半導体に
より充填されうる。基板５５は、層６０の半導体との良
好な格子整合を有する広いギャップの非磁性半導体から
成るべきである。層６０は次に"平面化"（planarized）
され、層６０が完成し、層７０のための滑らかな表面が
自動的に残される。
明の１実施例の１次元断面図である。半導体ＰｂＴｅ
は、１電子量子ドットに対応して使用される多くの適正
な材料パラメータを有し、一方ＥｕＴｅは、反強磁性ド
ットに対応して使用される多くの適正なパラメータを有
する。層６０は、最初に一様なＰｂＴｅの薄膜を基板５
５上に付着し、次に適切なパターン化技術（電子ビーム
・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、ホログラフィ）に
より、ＰｂＴｅ材料を選択的に除去し、数１０ｎｍのオ
ーダの横寸法を有するＰｂＴｅの背後ドット６２を取り
残すことにより、生成される。ギャップは、６４で示さ
れるＺｎＴｅなどの別の広いギャップの非磁性半導体に
より充填されうる。基板５５は、層６０の半導体との良
好な格子整合を有する広いギャップの非磁性半導体から
成るべきである。層６０は次に"平面化"（planarized）
され、層６０が完成し、層７０のための滑らかな表面が
自動的に残される。
【００１６】層７０の付着は、反強磁性絶縁体のＥｕＴ
ｅ７２がＰｂＴｅを代替する以外は、層６０の場合と同
一の工程を含む。所望の厚さ（約１．５ｎｍ）の層７０
は、層６０よりも薄くすべきである。層７０は、例えば
分子ビーム・エピタクシ（ＭＢＥ）付着技術を用いて付
着される。スピン・フリップフロップが正確に機能する
ために、層７０は偶数の原子の単層を有さねばならな
い。これに関する物理学的研究が、Chenらによる論文
（Solid State Electronics、Vol．37、Nos．4-6、pp．
1073-1076（１９９４年））で述べられている。層８０
のプロセスは、層６０の場合と同様である。３ドット素
子はまた、電子を量子ドット６２及び８２に供給するた
めに、ゲート制御または不純物の添加がされねばならな
い。これは例えば、添加物を基板、広いギャップ、非磁
性半導体６４、７４及び／又は８４に加えることにより
達成されうる。素子は更に層８０の表面上に、同様にゲ
ート制御または不純物の添加がされるカプセル化材料を
提供されうる。
ｅ７２がＰｂＴｅを代替する以外は、層６０の場合と同
一の工程を含む。所望の厚さ（約１．５ｎｍ）の層７０
は、層６０よりも薄くすべきである。層７０は、例えば
分子ビーム・エピタクシ（ＭＢＥ）付着技術を用いて付
着される。スピン・フリップフロップが正確に機能する
ために、層７０は偶数の原子の単層を有さねばならな
い。これに関する物理学的研究が、Chenらによる論文
（Solid State Electronics、Vol．37、Nos．4-6、pp．
1073-1076（１９９４年））で述べられている。層８０
のプロセスは、層６０の場合と同様である。３ドット素
子はまた、電子を量子ドット６２及び８２に供給するた
めに、ゲート制御または不純物の添加がされねばならな
い。これは例えば、添加物を基板、広いギャップ、非磁
性半導体６４、７４及び／又は８４に加えることにより
達成されうる。素子は更に層８０の表面上に、同様にゲ
ート制御または不純物の添加がされるカプセル化材料を
提供されうる。
【００１７】図３に示されるように、反強磁性ドット３
０、１電子量子ドット１０及び２０、及び相互接続ドッ
ト４０及び５０が生成される。特に、図３の層７０の最
初の最左端のＥｕＴｅ（Ｄ）ドット７２が、図１のドッ
ト４０に対応し、最初のＥｕＴｅドットに接触する層６
０の最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２が、図１のドット
１０に対応し、最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２に接触
する層７０の２番目のＥｕＴｅ（Ｃ）ドット７２が、図
１の反強磁性ドット３０に対応する。図３において、最
初のＥｕＴｅドットと最初のＰｂＴｅドットの間の接触
領域（Ａ1）は、図２のエネルギ準位構造を保持する設
計により、最初のＰｂＴｅドットと２番目のＥｕＴｅド
ットとの間の接触領域（Ａ2）よりも小さい。同様に、
図３の構造を右方向に見ていくと、層８０の最左端のＰ
ｂＴｅ（Ｂ）ドット８２及び層７０のＥｕＴｅ（Ｅ）ド
ット７２は、それぞれ図１のドット２０及び５０に対応
する。再度図３に示されるように、層７０のＥｕＴｅド
ット７２と層８０のＰｂＴｅドット８２との間の界面領
域（Ａ2）は、設計上、層８０のＰｂＴｅドット８２と
次のＥｕＴｅドット７２との間の界面領域（Ａ1）より
も大きい。この構造は図３に示されるように、周期Ｒで
繰返される。図３の素子はメモリ素子としての使用を考
慮する。例えば汎用論理回路などの他の素子として使用
するためには、既知のように、連続３ドット素子の物理
パラメータの変更が要求される。
０、１電子量子ドット１０及び２０、及び相互接続ドッ
ト４０及び５０が生成される。特に、図３の層７０の最
初の最左端のＥｕＴｅ（Ｄ）ドット７２が、図１のドッ
ト４０に対応し、最初のＥｕＴｅドットに接触する層６
０の最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２が、図１のドット
１０に対応し、最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２に接触
する層７０の２番目のＥｕＴｅ（Ｃ）ドット７２が、図
１の反強磁性ドット３０に対応する。図３において、最
初のＥｕＴｅドットと最初のＰｂＴｅドットの間の接触
領域（Ａ1）は、図２のエネルギ準位構造を保持する設
計により、最初のＰｂＴｅドットと２番目のＥｕＴｅド
ットとの間の接触領域（Ａ2）よりも小さい。同様に、
図３の構造を右方向に見ていくと、層８０の最左端のＰ
ｂＴｅ（Ｂ）ドット８２及び層７０のＥｕＴｅ（Ｅ）ド
ット７２は、それぞれ図１のドット２０及び５０に対応
する。再度図３に示されるように、層７０のＥｕＴｅド
ット７２と層８０のＰｂＴｅドット８２との間の界面領
域（Ａ2）は、設計上、層８０のＰｂＴｅドット８２と
次のＥｕＴｅドット７２との間の界面領域（Ａ1）より
も大きい。この構造は図３に示されるように、周期Ｒで
繰返される。図３の素子はメモリ素子としての使用を考
慮する。例えば汎用論理回路などの他の素子として使用
するためには、既知のように、連続３ドット素子の物理
パラメータの変更が要求される。
【００１８】データは図３のスピン・フリップフロップ
を、図２のＦまたはＪなどの所望の状態にセットするこ
とにより読込まれ、これらの状態は、一般に使用される
２進言語の"１"または"０"を表す。素子を状態Ｊにセッ
トすることが所望される場合、これは例えば、素子を上
位エネルギ面のポイントＧに遷移させるのに十分な時
間、周波数ω1の電磁パルスにより照射することにより
達成されうる。上述のように、素子はその後状態Ｊに放
射崩壊（decay）する。素子を状態Ｆに遷移させるため
には、素子は上位エネルギ面上のポイントＫに遷移する
のに十分な時間、周波数ω3の電磁パルスにより照射さ
れ、その後、状態Ｆに放射崩壊する。
を、図２のＦまたはＪなどの所望の状態にセットするこ
とにより読込まれ、これらの状態は、一般に使用される
２進言語の"１"または"０"を表す。素子を状態Ｊにセッ
トすることが所望される場合、これは例えば、素子を上
位エネルギ面のポイントＧに遷移させるのに十分な時
間、周波数ω1の電磁パルスにより照射することにより
達成されうる。上述のように、素子はその後状態Ｊに放
射崩壊（decay）する。素子を状態Ｆに遷移させるため
には、素子は上位エネルギ面上のポイントＫに遷移する
のに十分な時間、周波数ω3の電磁パルスにより照射さ
れ、その後、状態Ｆに放射崩壊する。
【００１９】一方、素子の読出しのためには、例えば、
素子を上位エネルギ面上のポイントＧに遷移させるのに
必要な期間、素子を周波数ω1の電磁パルスにより照射
し、素子が状態Ｆであった場合には、素子は電磁パルス
からエネルギ量子を吸収する。この照射は素子が状態Ｊ
であった場合には、素子の状態変化を発生せず、従っ
て、電磁パルスからのエネルギ量子の吸収は生じない。
素子を通過する電磁エネルギの量が光検出器、フォトダ
イオード、アンテナまたは他の適切な素子により測定さ
れる。この電磁エネルギの強度が減少する場合には、装
置の状態はＦとして読出され、減少しない場合には、Ｊ
として読出される。或いは素子の読出しが、周波数ω2
またはω4のエネルギの放射にもとづいてもよい。
素子を上位エネルギ面上のポイントＧに遷移させるのに
必要な期間、素子を周波数ω1の電磁パルスにより照射
し、素子が状態Ｆであった場合には、素子は電磁パルス
からエネルギ量子を吸収する。この照射は素子が状態Ｊ
であった場合には、素子の状態変化を発生せず、従っ
て、電磁パルスからのエネルギ量子の吸収は生じない。
素子を通過する電磁エネルギの量が光検出器、フォトダ
イオード、アンテナまたは他の適切な素子により測定さ
れる。この電磁エネルギの強度が減少する場合には、装
置の状態はＦとして読出され、減少しない場合には、Ｊ
として読出される。或いは素子の読出しが、周波数ω2
またはω4のエネルギの放射にもとづいてもよい。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
既存の半導体トランジスタ技術により生成されうるプロ
セッサよりも、小型で高速のプロセッサを生成すること
ができる。
既存の半導体トランジスタ技術により生成されうるプロ
セッサよりも、小型で高速のプロセッサを生成すること
ができる。
【図１】３ドット・スピン・フリップフロップ計算素子
の平面図である。
の平面図である。
【図２】３ドット・スピン・フリップフロップ計算素子
のスイッチング・プロセスを示すエネルギ準位図であ
る。
のスイッチング・プロセスを示すエネルギ準位図であ
る。
【図３】半導体薄膜付着技術を用いて生成される本発明
の１実施例の１次元断面図である。
の１実施例の１次元断面図である。
１０、２０ １電子量子ドット ３０ 反強磁性ドット ４０、５０ 相互接続ドット ５５ 基板 ６０、７０、８０ 層 ６２、８２ 量子ドット ６４、７４、８４ 非磁性半導体 ７２ Ｅｕｔｅ（Ｄ）ドット ８０ 表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．37，Ｎｏ．４− ６，1073−1076 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ．Ｐ ｈｙｓ．，Ｖｏｌ．74，Ｎｏ．５，3558 −3566 Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏ ｌ．５，26 Ａｐｒｉｌ 1994，ｐ. ｐ．113−133 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 3/00 H01L 29/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (7)
- 【請求項１】１ビットを構成する論理素子であって、 第１の状態の第１の量子ドットと、 前記第１の状態とは異なる第２の状態の第２の量子ドッ
トと、 前記第１及び第２のドット間に位置し、前記第１及び第
２のドットと物理的に接触する絶縁体の第３の量子ドッ
トとを含む、 論理素子。 - 【請求項２】前記第１の状態が１個の余剰電子を有し、
前記第２の状態が余剰電子を有さない、請求項１記載の
論理素子。 - 【請求項３】前記第１の状態が第１の方位の過剰電子ス
ピンを有し、前記第２の状態が前記第１の状態の場合と
反対の方位の過剰電子スピンを有する、請求項１記載の
論理素子。 - 【請求項４】前記第１の状態が第１の方位の磁化ベクト
ルを有し、前記第２の状態が前記第１の状態の場合と反
対の方位の磁化ベクトルを有する、請求項１記載の論理
素子。 - 【請求項５】前記第１の状態が励起状態の電子を有し、
前記第２の状態が、前記第１の状態の場合とは異なる励
起状態の電子を有する、請求項１記載の論理素子。 - 【請求項６】前記第３の量子ドットが、前記第１及び第
２の量子ドットの状態をエネルギー的に優先な状態とし
て生成する材料から成る、請求項１記載の論理素子。 - 【請求項７】第１の方位の過剰電子スピンを有する第１
の量子ドットと、 前記第１の方位と反対の第２の方位の過剰電子スピンを
有する第２の量子ドットと、 前記第１及び第２のドット間に位置し、前記第１及び第
２のドットと物理的に接触する広いギャップの反強磁性
半導体の第３の量子ドットと、 を含む、スピン・フリップフロップ論理素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/291,306 US5530263A (en) | 1994-08-16 | 1994-08-16 | Three dot computing elements |
| US291306 | 1994-08-16 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0870145A JPH0870145A (ja) | 1996-03-12 |
| JP3290337B2 true JP3290337B2 (ja) | 2002-06-10 |
Family
ID=23119778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20559695A Expired - Fee Related JP3290337B2 (ja) | 1994-08-16 | 1995-08-11 | 原子スケールの３ドット計算素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5530263A (ja) |
| EP (1) | EP0697737A1 (ja) |
| JP (1) | JP3290337B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| AUPO926897A0 (en) | 1997-09-17 | 1997-10-09 | Unisearch Limited | Quantum computer |
| AU733786B2 (en) * | 1997-09-17 | 2001-05-24 | Qucor Pty Ltd | Electron devices for single electron and nuclear spin measurement |
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| WO2001010027A1 (es) * | 1999-07-30 | 2001-02-08 | Javier Tejada Palacios | Computador cuantico basado en qubits magneticos |
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| ES2616252T3 (es) | 2009-04-10 | 2017-06-12 | Ravenbrick, Llc | Filtro óptico conmutado térmicamente que incorpora una arquitectura de huésped-hospedador |
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-
1994
- 1994-08-16 US US08/291,306 patent/US5530263A/en not_active Expired - Lifetime
-
1995
- 1995-06-26 EP EP95109924A patent/EP0697737A1/en not_active Withdrawn
- 1995-08-11 JP JP20559695A patent/JP3290337B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．５，３５５８−３５６６ |
| Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．５，２６ Ａｐｒｉｌ １９９４，ｐ．ｐ．１１３−１３３ |
| Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．４−６，１０７３−１０７６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0697737A1 (en) | 1996-02-21 |
| JPH0870145A (ja) | 1996-03-12 |
| US5530263A (en) | 1996-06-25 |
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