JP3645345B2 - Recording / reproducing method and recording / reproducing apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つ一つの原子や分子の状態を記録単位とした記録/再生方法および記録/再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の情報社会において、増大の一途を辿る情報量に対応した、従来より飛躍的に記録密度の高い記録/再生方法およびそれに基づく記録/再生装置の出現が待望されている。
【0003】
記録密度の一つの極限として考えられるのが、一つ一つの原子や分子の状態を記録単位とした原子・分子メモリである。原子・分子メモリを実現するためには、原子・分子レベルの現象を検出したり、制御したりする技術が不可欠である。
【0004】
このような技術の一例として、STMやAFM、あるいは光の近接場を用いたNSOM(Near−field Scanning Optical Microscope)などの走査型プローブ技術が数多く研究されつつあり、実際にメモリへの応用も試みられ始めている。しかし、現状ではまだ表面の走査速度が遅すぎるなど技術的課題があり実用化には至っていない。
【0005】
一方、レーザー技術の進展により、原子ガスを対象とした量子エレクトロニクスの研究分野で新しい物理現象の研究が進んでいる。その代表が、原子とレーザーとの間のコヒーレントな相互作用に基づく、EIT(Electromagnetically Induced Transparency)とLWI(Lasing Without Inversion)である。
【0006】
EIT、LWIは、ともに3準位を有する原子系に対し、2本のレーザー光を照射して、原子をコヒーレントな状態に保持することにより誘起される現象である。
【0007】
すなわち、EITは、本来強い吸収があるはずの波長領域が透明になる現象である(J.E.Field et al.,Phys.Rev.Lett.67,3062(1991),K.-J.Moller et al.,Phys.Rev.Lett.66,2593(1991))。また、LWIは、EITを利用して、コヒーレントな光を発しても吸収されず、反転分布がなくともレーザー発振が起きるという現象である(S.E.Harris,Phys.Rev.Lett.62,1033(1989)) 。
【0008】
既にEITに関しては、幾つかの原子ガス系で検証されており、透過係数の数桁にも及ぶ大きな変化が報告されている。一方、LWIに関しても、原子ガス系で幾つかに実験が試みられており、レーザー発振には至っていないが、プローブ光の増幅は実現している(W.E.Veer et al.,Phys.Rev.Lett.70,3243(1993))。
【0009】
EITやLWIを利用した応用としては、極めて狭い帯域の光だけを透過させる光学フィルターや、反転分布を形成しにくい短波長領域のレーザーなどが考えられている。
【0010】
これら以外にも、様々な新しい応用が生まれる可能性があると考えられるが、そのような新しい応用の実現可能性を考えた場合、原子ガス系でなく、固体系でEITやLWIといった現象を実現した方が望ましい。
【0011】
固体系に対する取り組みとしては、これまでに半導体の量子井戸、ルビーやダイアモンド中の不純物を対象とした理論的な解析は行われているが(Y.Zhu et al., Phys.Rev.A49,4016(1994),D.Huang et al.,J.Opt.Soc.Am.Bll,2258(1994),C.Wei et al.,Phys.Rev.A51,1438(1995)) 、EITやLWIの実験に関する報告は固体系ではなされていない。
【0012】
固体系でのEITやLWIを実現する上で、原子ガス系と異なり考慮しなければならないポイントが幾つかある。
【0013】
まず、EITやLWIは、閉じた3準位もしくは4準位系を基本構成としており、光照射下で電子が他の準位へ逃げないことが不可欠である。このため、固体系の電子状態としても、波動関数が局在し、かつ他の準位への緩和が起こりにくいような準位を選ぶ必要があることである。
【0014】
このような条件を満たす準位の候補として、遷移金属や希土類等の不純物、あるいは空孔等の点欠陥、量子ドットや量子細線等の量子構造などの原子的な特性を有した物理構造系ともいえる準位が挙げられる。
【0015】
第2のポイントは、固体系では一般に光学遷移のスペクトル幅が広いことである。スペクトル幅を決める要因としては、遷移に関与する準位が、周りとの相互作用によりそのエネルギーの値が時間的に揺らぐことにより生じる均一幅、そして、その相互作用の時間的平均値が個々の準位により異なり、準位自体に分布が生じることによる不均一幅の二つがある。
【0016】
固体系の中では、前述した物理構造系が比較的これらの幅が小さいが、それでも原子ガス系と比較すると、均一幅および不均一幅はともに大きい。EITやLWIの特性は、周波数に関する共鳴条件により決められており、均一幅や不均一幅の大きさは特性に大きな影響を与えることとなる。
【0017】
このように固体系でEITやLWIを実現するには、上述したような点を考慮しなければならない。したがって、固体系でEITやLWIを実現するには、原子ガス系と異なるアプローチが必要となる。しかし、現状では、固体系でEITやLWIを実現するために必要な固体系独自のアプローチは明らかになっていない。
【0018】
さらに、固体系の場合、固体系に特有な機能や特徴およびそれに基づく新しいEIT、LWIの応用が期待されるが、今までのところそのような提案はなされていない。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、原子・分子レベルでの情報の記録や再生を可能とする記録/再生方法や記録/再生装置の出現が期待されており、STM、AFM、NSOMなどの走査型プローブ技術による超高密度記録への応用も試みられているが、現状では実用化レベルのものは実現していない。
【0020】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、一つ一つの原子や分子の状態を記録単位とした情報の記録やその再生を可能とする記録/再生方法および記録/再生装置を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
[概要]
上記目的を達成するために、本発明に係る記録/再生方法(請求項1)は、記録媒体として、3準位以上のエネルギー準位からなるエネルギー準位構造を有する物理構造を持つ固体を使用し、前記固体中に含まれる前記物理構造の個数をN、i番目の物理構造の所定の三つの準位を第1、第2、第3の準位、hをプランク定数として、第1の準位のエネルギーをhωi1/2π、第2の準位のエネルギーをhωi2/2π、第3の準位のエネルギーをhωi3/2π、|ωi3−ωi1|をωi31 、|ωi3−ωi2|をωi32 、|ωi2−ωi1|をωi21としたときに、前記記録媒体に光もしくは電子線を照射するか、前記記録媒体に電場もしくは磁場を印加するか、または、前記記録媒体に圧力を加えることにより、N個の物理構造における(ωi31 ,ωi32 )の分布を変化させることにより、前記記録媒体に情報を記録し、前記物理構造の光学スペクトルの変化に基づいて、前記(ωi31 ,ωi32 )の分布または前記ωi21の分布を検出することにより、前記情報を再生することを特徴とする。
【0022】
ここで、物理構造とは、量子ドットや量子細線や量子箱などの量子構造、点欠陥などの結晶欠陥、不純物原子などを意味している。さらに、物理構造の個数Nは、コヒーレント光が照射される部分に含まれる物理構造の個数であり、被検出物である固体全体に含まれる物理構造の個数の場合もあるし、固体の特定の部分に含まれる物理構造の個数の場合もある。
【0024】
また、本発明に係る他の記録/再生方法(請求項2)は、上記記録/再生方法(請求項1)において、前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、最小値をmin(ωi31 )、前記N個の物理構造の中でωi32 の最大値をmax(ωi32 )、最小値をmin(ωi32 )、第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第2のコヒーレント光の角周波数をωc としたときに、min(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )、min(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす前記第1、前記第2のコヒーレント光を前記記録媒体に照射し、前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収、および前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる前記記録媒体の蛍光の少なくとも一方を、複数の(ωp ,ωc )組みについて計測することにより、前記記録媒体に記録された情報を再生することを特徴とする。
【0025】
また、本発明に係る他の記録/再生方法(請求項3)は、上記記録/再生方法(請求項1)において、前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、最小値をmin(ωi31 )、前記N個の物理構造の中でωi32 の最大値をmax(ωi32 )、最小値をmin(ωi32 )、第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第2のコヒーレント光の角周波数をωc 、ωp −ωc をΔω、Δωが一定、かつmin(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )、min(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす前記第1、前記第2のコヒーレント光を前記記録媒体に照射した場合の前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収をIab(ωp ;ωc )、前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる前記記録媒体の蛍光をIlu(ωp ;ωc )としたときに、Iab(Δω)=∫Iab(ωp ;ωp −Δω)dωp およびIlu(Δω)=∫Ilu(ωp ;ωp −Δω)dωp の少なくとも一方を複数の異なるΔωについて求めることにより、前記記録媒体に記録された情報を再生することを特徴とする。
【0026】
また、本発明に係る他の記録/再生方法(請求項4)は、上記記録/再生方法(請求項1)において、前記固体が、その準位に電子が励起されると構造の変化を引き起こす第4の準位を有し、この第4の準位のエネルギーをhωi4/2π、ωi4−ωi1|をωi41 、|ωi4−ωi2|をωi42 ,|ωi4−ωi3|をωi43 、前記N個の物理構造の中でωi41 の最大値をmax(ωi41 )、最小値をmin(ωi41 )、前記N個の物理構造の中でωi42 の最大値をmax(ωi42 )、最小値をmin(ωi42 )、前記N個の物理構造の中でωi43 の最大値をmax(ωi43 )、最小値をmin(ωi43 )、第1のコヒーレント光のラビ周波数をΩp 、第2のコヒーレント光のラビ周波数をΩc としたときに、Ωp <Ωc の場合には、前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi41 )より大きくmax(ωi41 )より小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射し、Ωp >Ωc の場合には、前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi42 )よりも大きくmax(ωi42 )よりも小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射することにより、前記記録媒体に情報を記録することを特徴とする。
【0027】
ここで、(ωi31 ,ωi32 )の分布、ひいてはωi21 の分布を効率良く変化させるためには、第1、第2、第3のコヒーレント光の照射と同時に、電場や磁場の印加を同時に行なうと良い。
【0028】
なお、情報の再生は以下のように行なっても良い。
【0029】
min(εi31 )<hωp /2π<max(εi31 )の条件で、記録媒体に第1のコヒーレント光のみを照射したときの該第1のコヒーレント光の吸収と記録媒体に第1および第2のコヒーレント光を照射したときの該第1のコヒーレント光の吸収との吸収差、および記録媒体に第1のコヒーレント光のみを照射したときの該第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる記録媒体の蛍光と記録媒体に第1および第2のコヒーレント光を照射したときの該第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる記録媒体の蛍光との蛍光差の少なくとも一方を、複数の(ωp ,ωc )組みについて計測することにより行なう。
【0030】
ここで、複数の(ωp ,ωc )組み中、ωc の差の絶対値が、第1の準位と第3の準位との間の遷移に関する均一幅以下である二つの(ωp ,ωc )組みが存在することが好ましい。
【0031】
また、本発明に係る記録/再生装置(請求項5)は、記録媒体としての、3準位以上のエネルギー準位からなるエネルギー準位構造を有する固体と、前記記録媒体に第1および第2のコヒーレント光を照射する光学系とを具備してなり、前記光学系は、前記固体中に含まれる前記物理構造の個数をN、i番目の物理構造の所定の三つの準位を第1、第2、第3の準位、hをプランク定数として、前記第1の準位のエネルギーをhωi1/2π、前記第2の準位のエネルギーをhωi2/2π、前記第3の準位のエネルギーをhωi3/2π、|ωi3−ωi1|をωi31 、|ωi3−ωi2|をωi32 、前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、前記N個の物理構造の中でωi32 の最小値をmin(ωi32 )、前記N個の物理構造の中でω i31 の最小値をmin(ω i31 )、前記N個の物理構造の中でω i32 の最大値をmax(ω i32 )、第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第1のコヒーレント光の角周波数をωc としたときに、min(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )およびmin(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす範囲内で、前記第1および第2のコヒーレント光の角周波数を変化させる手段を有することを特徴とする。
【0032】
ここで、物理構造とは、量子ドットや量子細線や量子箱などの量子構造、点欠陥などの結晶欠陥、不純物原子などを意味している。
【0033】
また、本発明に係る他の記録/再生装置(請求項6)は、上記記録/再生装置(請求項5)において、ωp −ωc をΔωとしたとき、前記光学系は、Δωが一定の条件で第1および第2のコヒーレント光の角周波数を変化させる手段を有することを特徴とする。
【0034】
ここで、物理構造の個数Nは、コヒーレント光が照射される部分に含まれる物理構造の個数であり、被検出物である固体全体に含まれる物理構造の個数の場合もあるし、固体の特定の部分に含まれる物理構造の個数の場合もある。
【0035】
また、本発明に係る他の記録/再生装置(請求項7)は、上記記録/再生装置(請求項5)において、前記固体が、その準位に電子が励起されると構造の変化を引き起こす第4の準位を有し、前記光学系が、前記第4の準位のエネルギーをhωi4/2π、ωi4−ωi1|をωi41 、|ωi4−ωi2|をωi42 ,|ωi4−ωi3|をωi43 、前記N個の物理構造の中でωi41 の最大値をmax(ωi41 )、最小値をmin(ωi41 )、前記N個の物理構造の中でωi42 の最大値をmax(ωi42 )、最小値をmin(ωi42 )、前記N個の物理構造の中でωi43 の最大値をmax(ωi43 )、最小値をmin(ωi43 )、第1のコヒーレント光のラビ周波数をΩp 、第2のコヒーレント光のラビ周波数をΩc としたときに、Ωp <Ωc の場合には、前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi41 )より大きくmax(ωi41 )より小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射し、Ωp >Ωc の場合には、前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi42 )よりも大きくmax(ωi42 )よりも小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射する手段を有することを特徴とする。
【0036】
また、本発明に係る他の記録/再生装置(請求項8)は、上記記録/再生装置(請求項5〜請求項7)において、前記光学系が、前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収、および前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生じる前記記録媒体の蛍光の少なくとも一方を計測する手段を有することを特徴とする。
【0037】
また、本発明に係る他の記録/再生装置(請求項8)は、上記記録/再生装置(請求項5〜請求項7)において、|ωi2−ωi1|をωi21 としたときに、N個の物理構造における(ωi31 ,ωi32 )の分布を変化させて前記記録媒体に情報を記録し、前記(ωi31 ,ωi32 )の分布または前記ωi21 の分布を検出して前記情報を再生することを特徴とする。
【0038】
ラビ周波数をΩp 、第2のコヒーレント光のラビ周波数をΩc としたときに、Ωp <Ωc の場合には、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi41 )より大きくmax(ωi41 )より小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を前記記録媒体に照射し、Ωp >Ωc の場合には、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi42 )よりも大きくmax(ωi42 )よりも小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を前記記録媒体に照射する光照射手段からなることを特徴とする。
【0039】
また、(ωi31 ,ωi32 )の分布、ひいてはωi21 の分布を効率良く変化させるためには、第1、第2、第3のコヒーレント光の照射と同時に、電場や磁場の印加を同時に行なうと良い。
【0040】
さらに、本発明において、第2のコヒーレント光の線幅をδωc 、第1の準位と第3の準位との間の遷移に関する均一幅をωhomo31としたときに、δωc ≦ωhomo31の条件を満たすことが望ましい。
【0041】
[作用]
本発明によれば、EIT現象の持つ極めて高い周波数分解能を利用するという全く新しい記録/再生原理を採用することにより、一つ一つの原子や分子の状態を記録単位とした記録/再生を実現できるようにになる。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態(実施形態)を説明する。
【0043】
(第1の実施形態)
以下の説明では、第1の準位、第2の準位、第3の準位(状態ベクトル)をそれぞれ|i1>、|i2>、|i3>と表記する。
【0044】
3準位と光の関係に関しては、図1に示すように、4通りの励起型(Energy Scheme )が存在するが、以下、図1(a)に示すΛ型と呼ばれる励起型を例として説明する。Λ型の場合には、エネルギーの低い順に|i1>(|1>),|i2>(|2>),|i3>(|3>)となる。
【0045】
なお、図1(b)に示されるV型の場合には、Λ型の場合とは逆に、三つの準位を、エネルギーの高い順に|i1>(|1>),|i2>(|2>),|i3>(|3>)とすることにより、Λ型の場合と同様な議論が成り立つ。
【0046】
また、Ξ励起型の場合には、図1(c)に示すように、三つの準位を、エネルギーの高い方から順に|i1>(|1>),|i3>(|3>),|i2>(|2>)とするか、もしくは図1(d)に示すように、エネルギーの低い方から順に|i1>(|1>)、|i3>(|3>),|i2>(|2>)とすることにより、Λ型の場合と同様な議論が成り立つ。
【0047】
まず、物理構造の個数が一つのEIT特性について説明する。
【0048】
EITは、単一物理構造に関する三つの準位と準位を結ぶ2本のレーザー光とから構成される。Λ型では、|i1>→|i3>、|i2>→|3>は許容遷移であるが、|1>→|2>は禁止遷移であるような三つの準位を選ぶ。
【0049】
なお、基底状態である|1>と|3>を結ぶ付ける光をプローブ光、また、上の二つの準位である|2>と|3>を結び付ける光をカップリング光と呼ぶ。
【0050】
また、プローブ光の周波数ωp と|1>→|3>準位間のエネルギー差に相当する共鳴周波数2π・ε31/hとの周波数差をΔωp 、カップリング光の周波数ωc と|2>→|3>準位間のエネルギー差に相当する共鳴周波数2π・ε21/hとの周波数差をΔωc とする。
【0051】
また、各々の強度は次式で定義されるラビ(Rabe)周波数Ωc,Ωpで表現する。
【0052】
Ωc=2π<3|μ・E|2>/h (11
Ωp=2π<3|μ・E|1>/h (12
ただし、μはダイポールモーメントに係る演算子、Eは電場に係る演算子である。
【0053】
次に次式で示されるような下の二つの準位を各々のラビ周波数でたすきがけをして線形結合をとった状態を考える。
【0054】
*+>=(Ωc|1>+Ωp|2>)/(Ωc2 +Ωp2 1/2 (21
*->=(Ωc|1>−Ωp|2>)/(Ωc2 +Ωp2 1/2 (22
ここで、二つのレーザー光のディチューニング(detuning)が等しい場合、つまり、Δωc =Δωp の場合には、3準位系に関するポピュレーション(population)の時間変化を考えると、*->のポピュレーションは増えこそすれ減ることはないことが容易に示される。
【0055】
したがって、定常状態では*->準位を占める確率は1となる。これがポピュレーション・トラッピング(Population Trapping )と呼ばれる現象である。このとき、*->と|3>との間の遷移双極子モーメントに関しては、

Figure 0003645345
と厳密に0となり、吸収が起きなくなる。これがEITである。吸収が起きなくなる物理的起源としては、|−>においては|1>→|3>と|2>→|3>の遷移が干渉効果によりキャンセルすると考えれば良い。
【0056】
式(21 ),(22 )より明らかなように、トラップ(trap)される先の準位である|−>は、|1>と|2>について、ラビ周波数、つまり、光強度の比により構成されている。したがって、光強度を変えることにより、|−>の性質を変えることができる。
【0057】
Ωc>>Ωpの場合には、|−>〜|1>、つまり、基底状態に近い状態にトラップされる。逆に、Ωc<<Ωpの場合には、下の励起状態|2>に近い状態にトラップされる。
【0058】
EITが起きているときの|1>から|3>への吸収スペクトルの形状は、図2に示すように、吸収スペクトルには、Δωp =Δωc という条件を満たすωp の位置に、吸収の穴、つまり、透明領域が生ずる。
【0059】
Δωc =0の場合には、図2(a)に示されるように、Δωp =0、つまり、吸収スペクトルの中心に穴ができる。
【0060】
Δωc ≠0の場合には、図2(b)に示されるように、吸収の裾の領域に穴が生ずる。
【0061】
穴の幅は、カップリング光のラビ周波数Ωcにほぼ等しい。したがって、穴の幅はカップリング光の強度を変えることにより制御できる。
【0062】
次に物理構造が複数の場合(N個の場合)のEIT特性について説明する。
【0063】
前述したように、固体系では均一幅や不均一幅が原子ガス系より広い。このため、固体系のスペクトルは、均一幅により広がった個々の物理構造のスペクトルを、その中心位置を分布させて重なり合わせた、非常に幅の広いスペクトルとなる。このような状況は、|1>→|3>の遷移だけでなく、|2>→|3>の遷移についても同様である。
【0064】
したがって、原子ガス系で行なわれているEIT実験と同様に、ωc を固定させた状態で観測したEIT信号は、(εi31 ,εi32 )分布のために、ディチューニング(detuning)が等しいというEIT条件に合う物理構造の数は少なくなり、図3に示されるような極めて小さい信号となる。
【0065】
そればかりでなく、系全体のEIT特性に対する物理構造一個の寄与がどこに現れるかなど、その特徴もあまり明瞭ではない。したがって、これまでのところ、ωp 軸上でのωp の吸収特性に現れる各物理構造のEIT特性は、検出が難しいだけでなく、それを制御する方法も明確でなく、何らかの応用を考えていくことは困難と考えられる。
【0066】
本発明の単一物理構造(分子・原子)レベルでの記録・再生の根幹となる原理は、(ωp ,ωc )平面上でのωp の吸収特性変化を考えることである。これにより、以下に述べるように、物理構造のEIT特性を検出するだけでなく、個々の物理構造のEIT特性(εi31 ,εi32 )分布を変えることも可能となり、単一物理構造レベルでの記録・再生が可能となる。
【0067】
まず、物理構造一個に関して考える。|1>→|3>へのωp の吸収について、カップリング光の周波数ωc を変化させた場合の変化分を(ωp ,ωc )平面上で考える。
【0068】
図4は、Ωp<Ωc<(均一幅)という条件での特性である。スペクトルに現れる現象自体は、極めて単純である。図4(a)に示されるように、当然のことながら、ωc =const.の平面で切ると物理構造一個の吸収スペクトルとなる。
【0069】
EITが起きる条件はΔωp =Δωc であり、(ωp =ω31=2πε31/h、ωc =ω32=2πε32/h)を中心としたωp 軸と45度の角度をなす線上で起きる。
【0070】
図4(b)は、その45度の方向からスペクトルを見た様子であり、カップリング光のラビ周波数に相当する幅の狭い穴が開いているのが分かる。
【0071】
この穴の部分だけを抜き出すと、図4(c)に示すように、丁度単一物理構造の吸収スペクトルを45度回転させたもので、しかも、厚みがラビ周波数程度の薄い板状スペクトルとなることが分かる。
【0072】
次に物理構造が複数個の場合を考える。各物理構造がEITにより生ずる薄い板状の吸収の穴は、(ωp ,ωc )平面上で、各物理構造の準位間エネルギーに対応した、(ωi31 (i) ,ωi32 (i) )という点を中心として生ずる。
【0073】
固体系では、不均一幅が広く、ωi31 (i) とωi32 (i) は各々ωp 軸、ωc 軸上で分散している。このため、ラビ周波数を小さくして各板の厚みを薄くすれば、図5に示すように、個々の物理構造の寄与は(ωp ,ωc )平面上で完全に分離することが可能となる。
【0074】
このように、(ωp ,ωc )平面上でのωp の吸収特性変化を考えることにより、各物理構造に起因した吸収の穴は、各物理構造毎に分離して現れ、しかも、その中心位置は(ωi31 (i) ,ωi32 (i) )という点になる。
【0075】
したがって、(ωp ,ωc )平面上における系全体のEIT信号を観測し、吸収に現れる板状の穴がどこに現れるかを調べることにより、各物理構造のエネルギーεi31 ,εi32 の位置が分かることになる。
【0076】
よって、N個の物理構造における(ωi31 ,ωi32 )の分布を例えばレーザ照射により変化させ、記録媒体に情報を記録した場合において、上記方法により、(ωi31 ,ωi32 )の分布を検出すれば、情報の再生を行なうことができる。
【0077】
ここで、図4、図5に示したような、(ωp ,ωc )平面上でのωp の吸収特性を検出するためには、複数のωc に関して、ωp の吸収を測定することが不可欠である。すなわち、複数の(ωp ,ωc )組みについて吸収特性を計測することにより、記録媒体に記録された情報を再生することが好ましい。
【0078】
この理由は、単一のωc =ωc 0 に関してωp の吸収を測定したときには、図4、図5に示したような吸収特性を、ωc =ωc 0 (=const.)という平面で切った断面の形状を有したスペクトルとなり、εi31 ,εi32 というエネルギーが広範囲に分布する物理構造の中で、2πεi32 〜hωc 0 という関係を満たす物理構造についてしか吸収の穴を検出する可能性がないからである。
【0079】
さらに、たとえ、2πεi32 〜hωc 0 という関係を満たしていても、ωc =ωc 0 平面上に吸収穴の極値が存在しなければ、吸収穴に対応した信号はきわめて弱く穴の位置の同定が困難となる。
【0080】
設定したωc 0 の値に関して、ωc =ωc 0 上に吸収穴の極値を含むことは確率的にも希である。このことからも、単一のωc ではなく、複数のωc について、ωp の吸収を測定することが、エネルギー的に分布する物理構造集団に対し、個々の物理構造に起因した吸収の穴を検出するために不可欠の要素であることが分かる。
【0081】
図4、図5に示された吸収の穴は、単一物理構造の吸収スペクトルを45度回転させたものであるので、長手方向、つまり、ωc =ωp +const.に平行な方向に関する幅は、単一物理構造スペクトルの均一幅程度である。
【0082】
このため、各吸収の穴を検出するためには、ωp に対応するコヒーレント光の線幅だけでなく、ωc に対応するコヒーレント光の線幅も、均一幅と同程度もしくはそれ以下であることが望ましい。
【0083】
また、測定時のωp の間隔を均一幅と同程度もしくはそれ以下にするだけでなく、複数のωc に関しその各々の間隔も均一幅と同程度もしくはそれ以下にすることが望ましい。
【0084】
(第2の実施形態)
(ωp ,ωc )平面において、ωp に関する吸収の穴を個々検出することとともに、次のような吸収の積分強度を検出することも、本発明における記録媒体に記録した情報の再生として重要な手段である。今、(ωp −ωc )=Δωの値が一定という条件下での、
ab(Δω)=∫Iab(ωp ;ωp −Δω)dωp
という積分を考える。
【0085】
まず、物理構造一個の場合の特性を説明する。このIab(Δω)は、(ωp ,ωc )平面において、ωp 軸と45度をなす方向にIab(ωp ;ωc )を積分したものである。
【0086】
図6にIab(Δω)の分布を示す。図4(b)の穴に対応した幅Ωc の狭い穴が、Δω=ω31−ω32=ω21)の近傍にあり、その他の領域では一定値をとることが分かる。この一定値は、一物理構造の吸収の積分強度という、物理構造に固有の物理量、I0 =∫I0 ab(ωp )dωp と一致する。
【0087】
図7に温度を変えたときのIab(ωp ;ωc )およびΔIab(ωp ;ωc )の変化の様子を示す。図7から、温度上昇とともに、Iab(ωp ;ωc )およびΔIab(ωp ;ωc )は全体に45度方向に伸びるが、Iab(Δω)は全く変化しないことが分かる。
【0088】
図8(a)、図8(b)に、それぞれ、物理構造が複数個の場合のIab(Δω)の分布、ΔIab(Δω)の分布を示す。Iab(Δω)には、NI0 をベースラインとして、そこからI0 の整数倍の深さおよび幅Ωc をもつ穴が生じる。図8(b)のΔIab(Δω)の分布は、穴の部分だけを抽出した符号を逆転させたものに対応する。
【0089】
これらの棒状のスペクトルの高さや深さをI0 で割って得られる整数値は、Δω軸上において、ω21の値がそのΔωに等しいような物理構造の個数を意味している。この場合にも、Iab(Δω)およびΔIab(Δω)が温度に依存しないことは言うまでもない。
【0090】
このようなことから、Iab(Δω)やΔIab(Δω)を計測し、それを記録媒体に記録した情報の再生に用いれば、温度に依存しない、極めて安定な情報の再生を行なえるようになる。
【0091】
また、Iab(ωp ;ωc )あるいはΔIab(ωp ;ωc )を情報の再生として用いる場合には、(ωi31 ,ωi32 )の分布について単一物理構造レベルでの再生が行なえるのに対して、Iab(Δω)やΔIab(Δω)を情報の再生として用いる場合には、ωi21 の分布を単一物理構造レベルで再生することが可能となる。
【0092】
なお、吸収だけでなく、発光に関しても
lu(Δω)=∫Ilu(ωp ;ωp −Δω)dωp
もしくは
lu(Δω)=∫{I0 lu(ωp )−Ilu(ωp ;ωp −Δω)}dωp
を計測して情報の再生を行なう場合にも同様な作用効果がある。
【0093】
(第3の実施形態)
次に情報の記録について説明する。
【0094】
本発明では、(ωp ,ωc )平面における物理構造のエネルギー準位分布を変えることにより、記録媒体に情報を記録する。
【0095】
エネルギー準位分布を変えるためには、例えば、記録媒体に光や電子線を照射したり、記録媒体に電場や磁場を印加したり、あるいは記録媒体に圧力を加えることにより、物理構造集団の一部を励起して、そのエネルギー準位を変化させてやれば良い。
【0096】
特に、単一物理構造レベル(分子・原子レベル)での情報の記録を行なうために、本発明では、前述したPopulation Trappingを利用し、(ωi31 ,ωi32 )の分布あるいはωi21 の分布を単一物理構造レベルで変換する。
【0097】
具体的には、再生の場合と同様に、角周波数ωp ,ωc 、ラビ周波数Ωp ,Ωc の第1、第2のコヒーレント光を例えばレーザにより同時に記録媒体に照射して、ある物理構造をポピュレーショントラップさせた状態で、更に、電子が励起されると構造変化を起こしたり、あるいは電子がその準位からイオン化したりする準位、|i4>へ励起するための、角周波数ωexの第3のコヒーレント光も例えばレーザにより照射する。
【0098】
このような手法により、どのような物理構造が状態を変えるかを図を用いて説明する。(ωp ,ωc )平面において、第1、第2のコヒーレント光の照射によるポピュレーショントラップは、図9に示すように、点(ωp ,ωc )を中心とした、45度の線上に(ωi31 ,ωi32 )を有する物理構造が起こす。
【0099】
ここで、
Ωp <Ωc
の場合には、物理構造は|i1>という状態にトラップされることになる。したがって、図10に示すような、|i1>と|i4>との間の遷移を引き起こすような角周波数ωexの第3のコヒーレント光の照射により、
ωex=ωi41
を満たす物理構造は、選択的に|i4>へと励起され、イオン化や構造変化を起こす。そして、角周波数ωexが異なる複数の第3のコヒーレント光を照射することにより、図11に示すように、(ωi31 ,ωi32 )の分布に穴を開けることができる。
【0100】
また、Ωp >Ωc の場合には、物理構造は|i2>という状態にトラップされることになる。したがって、図12に示すような、|i2>と|i4>との間の遷移を引き起こすような角周波数ωexの第3のコヒーレント光Lの照射により、
ωex=ωi24
を満たす物理構造は、選択的に|i4>へと励起され、イオン化や構造変化を起こす。そして、この場合にも、角周波数ωexが異なる複数の第3のコヒーレント光を照射することにより、図11の場合と同様、(ωi31 ,ωi32 )の分布に穴を開けることができる。
【0101】
なお、ポピュレーショントラップを起こしていない物理構造に対しても選択的に状態変化を起こすことも可能である。
【0102】
図13に、第1、第2のコヒーレント光の照射下において、ポピュレーショントラップを起こさず、かつ第1のコヒーレント光を吸収して、|i3>へと励起される物理構造の分布を示す。
【0103】
したがって、図14に示すような、|i3>と|i4>との間の遷移を引き起こすような角周波数ωexの第3のコヒーレント光の照射により、
ωex=ωi34
を満たす物理構造は、選択的に|i4>へと励起され、イオン化や構造変化を起こす。そして、この場合にも、好ましくは角周波数ωexが異なる複数の第3のコヒーレント光を照射することにより、図11の場合と同様、(ωi31 ,ωi32 )の分布に穴を開けることができる。
【0104】
(ωi31 ,ωi32 )の分布を広範囲にわたって変えて情報の記録を行なう場合には、複数の(ωp ,ωc )の値に対して同様な操作を行なえば良い。
【0105】
また、第1、第2、第3のコヒーレント光の照射とともに、電圧や磁場の印加を同時に行なうことにより、各物理構造のエネルギー準位が変わり、ωi31 ,ωi32 ,ωi41 等の値が変わる。
【0106】
したがって、(ωp ,ωc )の値を変えなくても、(ωi31 ,ωi32 )の分布を変えることが可能となり、これにより、情報の記録を効率よく行なうことができる。
【0107】
(第4の実施形態)
本実施形態では、不純物としてEuを0.1モル%含むYAG結晶を記録媒体として使用する。
【0108】
図15に、Euのエネルギー準位を示す。Euの基底状態は 70 で、 70 から18950cm-1高エネルギー側に 51 という励起状態があり、 70 との間は強い光学遷移を起こす。
【0109】
また、 70 から460cm-1高エネルギー側に 71 という励起状態があり、 51 との間に強い光学遷移を起こす。さらに、 70 から36000cm-1〜42000cm-1高エネルギー側付近に電荷移動状態が連続的に存在し、そこに電子が励起されたEu原子は+3価から+2価へと価数を変える。
【0110】
この記録媒体を、可視域が透明な光学窓を有した温度可変のクライオスタットに入れ、液体ヘリウムによる冷却により、試料温度を4Kに保つ。その状態で、アルゴンイオンレーザーで励起する二本のリング色素レーザーを記録媒体に照射する。二本のリング色素レーザーを駆動するレーザー色素としては、ともにチューニングレンジが17240〜19230cm-1であるクマリンを用いる。
【0111】
ここでは、リング色素レーザーの発振線幅は、500kHz=0.000017cm-1となるように調整する。また、リング色素レーザーのうち一つ(L1)は、その発振周波数ωp を18950cm-1近傍、もう一つ(L2)はその発振周波数ωc を18490cm-1近傍を掃引するように調整する。レーザー光強度は、レーザーL1,L2のラビ周波数がそれぞれ3MHz、17MHzとなるように設定する。
【0112】
先ず、記録媒体に情報を記録する前におけるEuのエネルギー分布の検出を以下のような手法により行なった。すなわち、記録媒体に新しい情報を記録する前に記録されている情報の再生を以下のような手法により行なった。
【0113】
まず、レーザーL2は照射せず、レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させ、レーザーL1の吸収スペクトル、I0 ab(ωp )を検出する。
【0114】
次にレーザーL2の発振周波数を18485.0000cm-1に固定し、レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させ、レーザーL1の吸収スペクトル、Iab(ωp ;ωc )を検出し、I0 ab(ωp )との差、ΔIab(ωp ;ωc )=I0 ab(ωp )−Iab(ωp ;ωc )を求める。
【0115】
次にレーザーL2の発振周波数を0.0002cm-1増加させ18485.0002cm-1に固定し、再度レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させ、レーザーL1の吸収スペクトル、Iab(ωp ;ωc )を検出し、ΔIab(ωp ;ωc )を求める。
【0116】
このようにレーザーL2の発振周波数を順次0.0002cm-1ずつ増加させその都度レーザーL1の吸収スペクトルを検出するプロセスを、レーザーL2の発振周波数が18495.0000cm-1になるまで続ける。
【0117】
図16は、このようにして得られたΔIab(ωp ;ωc )の一部を、レーザーL1の発振周波数ωp とレーザーL2の発振周波数ωc を二つの座標軸とした(ωp ,ωc )平面に図示したものである。図16から、各擬原子(物理構造)のEITに伴う吸収の穴が観測されていることが分かる。
【0118】
図17は、Δω=ωp −ωc の値を、12MHz=0.0004cm-1毎に設定して、
ΔIab(Δω)=∫{I0 ab(ωp )−Iab(ωp ;ωp −Δω)}dωp
という積分強度を、各Δωについて求めたものである。ΔIab(Δω)の値は、ある一定値を単位としたその整数倍になっていることが観測された。
【0119】
次にこの記録媒体に新しい情報を記録する場合について説明する。
【0120】
情報の記録を行なうには、ラビ周波数を各々17MHz,3MHzに設定したレーザーL1,L2を照射するとともに、更にもう一台のリング色素レーザーL3(発振周波数ωex)を用意し、クマリン色素励起の出力光をBBO結晶に照射することにより得られる2倍波を、記録媒体に照射する。
【0121】
情報の記録は、以下のような条件で順次行なった。
【0122】
(1)ωp =18952.0020cm-1,ωc =18486.0000cm-1,ωex=38000〜40000cm-1
(2)ωp =18952.0000cm-1,ωc =18486.0020cm-1,ωex=40000〜42000cm-1
(3)ωp =18952.0000cm-1,ωc =18486.0120cm-1,ωex=38000〜40000cm-1
図18、図19、図20は、それぞれ、(1)〜(3)の各手順の後に、レーザーL3の照射を止め、ラビ周波数を各々3MHz,17MHzに設定し直したレーザーL1,L2を照射し、ΔIab(ωp ;ωc )を測定した結果である。
【0123】
図16との比較から分かるように、各物理構造の吸収の穴の中で、記録に用いたωp ,ωc の値と45度をなす方向に位置する穴の幾つかが消失していることが分かる。また、新たな記録を行なっても、それまでに記録した情報は変化しないことも分かる。
【0124】
図21は、(3)の手順後に、測定したΔIab(Δω)の結果である。
【0125】
図21から分かるように、Δω=465.9880cm-1におけるΔIab(Δω)の値は5から2へ、Δω=465.9980cm-1におけるΔIab(Δω)の値は5から1へ、さらにΔω=466.0020cm-1におけるΔIab(Δω)の値は4から1へと変化した。
【0126】
なお、試料温度を室温に上げてから再度このΔIab(Δω)の測定を行なったところ、図21と同じ測定結果が得られ、ΔIab(Δω)を記録データとする、本実施形態の記録方法の温度に対する安定性が確認された。
【0127】
(第5の実施形態)
第4の実施形態の場合と同様に、不純物としてEuを0.01モル%含むYAG結晶を記録媒体に用いた。ただし、本実施形態では、YAG結晶の二つの側面にAuを蒸着し電極を形成してある。この電極は外場としての電場を記録媒体に与えるためのものである。
【0128】
本実施形態では、以下のようにして記録媒体に情報を記録する。
【0129】
すなわち、記録媒体に、角周波数ωp が18952.0020cm-1に固定されたレーザーL1、角周波数ωc が18486.0000cm-1に固定されたレーザーL2を照射した状態で、記録媒体に、1分間で角周波数ωexが38000から40000cm-1まで掃引されたレーザー3Lを照射する。また、電極には、0Vから5Vの間を1Hzで三角波掃引した電圧を印加する。
【0130】
図22、図23は、それぞれ、記録の前後でのΔIab(Δω)の変化を示す図である。
【0131】
第1の実施形態では、Δωの値が、角周波数ωp と角周波数ωc の差に等しいところで、ΔIab(Δω)の値が変化し記録が行なわれたが、本実施形態では、Δω=465.9980cm-1のところだけでなく、より幅広い領域でΔIab(Δω)の値が変化している。
【0132】
これは、角周波数ωp ,ωc の値が固定されていても、電場により各物理構造のエネルギー準位が変化し、各電場によりポピュレーショントラップの条件を満たす物理構造が変わり、その結果|i4>へと励起される物理構造が増えたためである。このように電場を利用することにより、効率的に記録媒体に情報を記録できることが確認された。
【0133】
なお、本実施形態では、外場として電場の場合について説明したが、磁場、温度、圧力等の他の外場の場合についても、同様に個々の物理構造の光学スペクトル等の変化を検出できる。
【0134】
(第6の実施形態)
本実施形態では、第4、第5の実施形態の場合と同様に、不純物としてEuを0.1モル%含むYAG結晶を記録媒体に用いる。本実施形態の特徴は、光の吸収ではなく蛍光を計測することにより記録されている情報の再生を行なうことにある。
【0135】
本実施形態の記録媒体は、図24に示すように、 51 から約2415cm-1高エネルギー側に 52 という励起状態があり、この状態から7 0 に電子が遷移する際に、21360cm-1程度の波数の強い蛍光を示す。
【0136】
したがって、ポピュレーショントラップされずに、 51 へ励起されたEu原子に関して、第3のコヒーレント光として2300〜2500cm-1近傍の赤外線を発振するPb1-x Cdx S、もしくはPbS1-x Sex の半導体レーザーなどを用いて選択的に 52 へ励起すれば、そこから7 0 へ励起する際の蛍光を検出できる。
【0137】
ここでは、第1、第2のコヒーレント光は、第4の実施形態と同一のものを用い、第3のコヒーレント光としては、特に発振周波数のピーク周波数が2411cm-1、ラビ周波数0.2MHzのPbS1-x Sex の半導体レーザーL3を用いて、記録媒体に情報を記録する前におけるEuのエネルギー分布の検出を以下のような手法により行なった。すなわち、記録媒体に新しい情報を記録する前に記録されている情報の再生を以下のような手法により行なった。
【0138】
まず、レーザーL2は照射せず、レーザーL3は照射した状態で、レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させた時に観測される21000cm-1以上の波数の蛍光強度I0 lu(ωp )を、フィルタとフォトカウンタを用いて検出する。
【0139】
次にレーザーL2の発振周波数を18485.0000cm-1に固定し、レーザーL3は照射した状態で、レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させた時に観測される21000cm-1以上の波数の蛍光強度Ilu(ωp ;ωc )を検出し、蛍光強度I0 lu(ωp )との差、ΔIlu(ωp ;ωc )=I0 lu(ωp )−Ilu(ωp ;ωc )を求める。
【0140】
次にレーザーL2の発振周波数を0.0002cm-1増加させ、18485.0002cm-1に固定し、レーザーL3は照射した状態で、レーザーL1の発振周波数を18945.0000cm-1から18955.0000cm-1まで連続的に変化させた時に観測される21000cm-1以上の波数のIlu(ωp ;ωc )を検出し、ΔIlu(ωp ;ωc )を求める。
【0141】
このように、レーザーL2の発振周波数を順次0.0002cm-1増加させ、その都度発光強度Ilu(ωp ;ωc )を検出し、ΔIlu(ωp ;ωc )を求めるプロセスを、レーザーL2の発振周波数が18495.0000cm-1になるまで続ける。
【0142】
図25は、このようにして得られたΔIlu(ωp ;ωc )の一部を、レーザーL1の発振周波数ωp とレーザーL2の発振周波数ωc を二つの座標軸とした(ωp ,ωc )平面に図示したものである。図16と同様に、各擬原子(物理構造)のEITに伴う蛍光の穴が観測されていることが分かる。
【0143】
ただし、図16との違いは、穴の個数が少ないことである。これは、レーザーL3の線幅が、 51 から 52 への遷移の不均一幅よりも狭く、 51 へ励起されているEu原子の全てを 52 へ励起しているわけではないことに起因する。
【0144】
さらに、PbS1-x Sex 半導体レーザーL3に流す駆動電流を増加させて発振周波数を2413cm-1に変えて、上記方法と同様にΔIlu(ωp ;ωc )を求めた結果を図26に示す。
【0145】
(ωp ,ωc )平面の領域に関しては図25と同じであるが、図25とは異なった擬原子(物理構造)のEITに伴う蛍光の穴が観測されていることが明確に分かる。
【0146】
このようにレーザーL3に流す駆動電流を変えて発振周波数を変化させることで、 51 から 52 への遷移の不均一幅の範囲を全て走査すれば、全てのEu原子に関するEIT信号(情報)を蛍光により観測(再生)できるようになる。(第7の実施形態)
ここでは、本発明の記録/再生装置を用いて、記録媒体に記録された情報を再生する方法と、新しい情報を記録する方法について具体的に説明する。
【0147】
図27は、本実施形態における記録/再生装置を模式的に示す図である。情報の再生においては、2台のリング色素レーザー11,12からの出力光を記録媒体13に照射する。
【0148】
レーザー11の出力光は、記録媒体13を透過した後に、出力検出用フォトマルチプライア14に入力される。フォトマルチプライア14の出力IS PM1 (ωp )は、アナログ信号であるので、ADコンバータ15によりデジタル信号に変換してから、データ制御用パーソナルコンピュータ16に入力させる。
【0149】
ここで、記録媒体13への入射光強度を換算するために、レーザー11からの出力光の一部をビームスプリッタ17により分岐させた後、フォトマルチプライア18に入力させ、分岐光の強度であるフォトマルチプライア18の出力S PM2 (ωp )を求める。出力IS PM2 (ωp )も、ADコンバータ19によりデジタル信号に変換してから、データ制御用パーソナルコンピュータ16に入力させる。
【0150】
さらに、吸収スペクトルのデータを得るために、記録媒体13がないときの、フォトマルチプライア14,18のそれぞれの出力I0 PM1 (ωp ),IS PM2 (ωp )を予め計測し、これらをデータ制御用パーソナルコンピュータ16に入力させる。
【0151】
レーザー12の出力光の照射の有無に関わらず、角振動数ωp の吸収Iab(ωp )は次式で定義される。
【0152】
ab(ωp )=(1/I0 PM1 (ωp ))(I0 PM1 (ωp )−IS PM1 (ωp )・IPM2 (ωp )/IS PM2 (ωp ))
データ制御用パーソナルコンピュータ16は、この式に対応した演算処理を行ない吸収Iab(ωp )を求める。また、データ制御用パーソナルコンピュータ16にはリング色素レーザー制御用パーソナルコンピュータ21,28から、角振動数ωp ,ωc の値が信号として入力される。
【0153】
このような手順により、レーザー12の照射下での吸収スペクトルデータIab(ωp ;ωc )、レーザー12を照射しない時の吸収スペクトルI0 ab(ωp )が各々(ωp ,ωc )の組の値、ωp の値に対して求められ、データ制御用パーソナルコンピュータ16のハードディスクに再生データが収納される。
【0154】
データ量が多い場合には、データ制御用パーソナルコンピュータ16のハードディスクから磁気ディスク等の大容量の外部記憶装置22にデータを転送してデータを保存することも可能である。さらに、再生データを画面上で見るような場合には、データをディスプレイ23に転送すれば良い。
【0155】
記録媒体13に新たに情報を記録するには、以下のような手順で行なう。
【0156】
すなわち、レーザー11,12の出力光に加え、リング色素レーザー24およびエキシマレーザー25の出力光も出力増加用の色素増幅器26に入射する。この色素増幅器26から出力されたレーザー光を非線形光学結晶のBBO結晶27に入射させ、得られた2高波を記録媒体13に照射し、第4の実施形態で説明した手法により情報を記録する。
【0157】
このとき、レーザー24の発振周波数の値はパーソナルコンピュータ28からデータ制御用パーソナルコンピュータ16に信号として入力される。
【0158】
なお、上述したように、情報の記録・再生時には、レーザー11,12,24の光強度をモニタすることが重要であるので、レーザー11だけではなく、レーザー12,24の出力光の一部もそれぞれビームスプリッタ29,30により分岐させた後、それぞれの分岐光をフォトマルチプライア31,32に入力させ、これらフォトマルチプライア31,32の出力をそれぞれADコンバータ33,34によりデジタル信号に変換して、データ制御用パーソナルコンピュータ16に入力して、レーザー12,24の出力光の強度を計測する。なお、図中、35〜40はミラーを示している。
【0159】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、EIT現象の持つ極めて高い周波数分解能を利用するという全く新しい記録/再生原理を採用することにより、原子や分子の状態を記録単位とした情報の記録・再生を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】3準位系のモデルを示す図
【図2】1個の物理構造のEIT特性を表すプローブ光の角周波数ωp に対する吸収スペクトルを示す図
【図3】N個の物理構造のEIT特性を表すプローブ光の角周波数ωp に対する吸収スペクトルを示す図
【図4】1個の物理構造に関し、プローブ光の角周波数ωp に対する吸収スペクトルを示す図
【図5】N個の物理構造に関し、プローブ光の角周波数ωp に対する吸収スペクトルに観測される吸収の穴を符号を逆転させてωp −ωc 平面に示す図
【図6】第2の実施形態における情報の記録原理を説明するための1物理構造の関するIab(Δω)を示す図
【図7】第2の実施形態における情報の再生原理を説明するための1物理構造に関するIab(ωp ;ωc )、ΔIab(ωp ;ωc )の分布を示す図
【図8】第2の実施形態における情報の再生原理を説明するためのN物理構造に関するIab(ωp ;ωc )、ΔIab(ωp ;ωc )の分布を示す図
【図9】第1、第2のコヒーレント光の照射によりポピュレーショントラップされる物理構造のエネルギー分布を示す図
【図10】第3の実施形態においてΩp <Ωc の場合における記録方法を説明するための図
【図11】第1、第2のコヒーレント光の照射によりポピュレーショントラップされる物理構造の中で、第3のコヒーレント光の照射により第4の準位に励起され、イオン化や構造変化を起こす物理構造のエネルギー分布を示す図
【図12】第3の実施形態においてΩp >Ωc の場合における記録方法を説明するための図
【図13】第1、第2のコヒーレント光の照射によりポピュレーショントラップされず、かつ第1のコヒーレント光を吸収して第3の準位に励起される物理構造のエネルギー分布を示す図
【図14】ポピュレーショントラップを起こさない物理構造に対する記録方法を説明するための図
【図15】第4の実施形態で用いたEuのエネルギー準位図
【図16】第4の実施形態において、記録前に測定したΔIab(ωp ;ωc )に関して、18952.0000cm-1<ωp <18952.0200cm-1,18486.0000cm-1<ωc <18486.0200cm-1の領域を拡大して示す図
【図17】第4の実施例形態において、記録前に測定したΔIab(ω)に関して、465.9880cm-1<Δω<466.0020cm-1の領域を拡大して示す図
【図18】第4の実施形態において、情報の記録操作(1)の後に読み出したΔIab(ωp ;ωc )を示す図
【図19】第4の実施形態において、情報の記録操作(1),(2)の後に読み出したΔIab(ωp ;ωc )を示す図
【図20】第4の実施形態において、情報の記録操作(1),(2),(3)の後に読み出したΔIab(ωp ;ωc )を示す図
【図21】第4の実施形態において、情報の記録操作(1),(2),(3)の後に読み出したΔIab(Δω)を示す図
【図22】第5の実施形態において、情報を記録する前のΔIab(Δω)を示す図
【図23】第5の実施形態において、情報を記録した後のΔIab(Δω)を示す図
【図24】第6の実施形態の記録媒体としてのEuを0.1モル%含むYAG結晶のエネルギー準位を示す図
【図25】第6の実施形態の記録媒体に記録された情報を読出した結果を示す(ωp ,ωc )平面
【図26】第6の実施形態の記録媒体に記録された情報を読出した結果を示す他の(ωp ,ωc )平面
【図27】第7の実施形態の記録/再生装置を模式的に示す図
【符号の説明】
|1>…第1の準位
|2>…第2の準位
|3>…第3の準位
ωp …プローブ光(第1のコヒーレント光)の周波数
ωc …カップリング光(第2のコヒーレント光)の周波数
Ωp…プローブ光のラビ周波数
Ωc…カップリング光のラビ周波数
11,12…リング色素レーザー
13…記録媒体
14…フォトマルチプライア
15…ADコンバータ
16…パーソナルコンピュータ
17…ビームスプリッタ
18…フォトマルチプライア
19…ADコンバータ
20,21…パーソナルコンピュータ
22…外部記憶装置
23…ディスプレイ
24…リング色素レーザ
25…エキシマレーザー
26…色素増幅器
27…BBO結晶
28…パーソナルコンピュータ
29,30…ビームスプリッタ
31,32…フォトマルチプライア
33,34…ADコンバータ
35〜40…ミラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a recording / reproducing method and a recording / reproducing apparatus using a state of each atom or molecule as a recording unit.
[0002]
[Prior art]
In the information society in recent years, the advent of a recording / reproducing method and a recording / reproducing apparatus based on the recording / reproducing method with a dramatically higher recording density than the conventional one corresponding to the ever-increasing amount of information is expected.
[0003]
One limitation of the recording density is an atomic / molecular memory that uses the state of each atom or molecule as a recording unit. In order to realize atomic / molecular memory, technology to detect and control phenomena at the atomic / molecular level is indispensable.
[0004]
As an example of such a technology, many scanning probe technologies such as STM, AFM, or NSOM (Near-Field Scanning Optical Microscope) using a near-field of light are being studied, and actual application to memory is also attempted. Being started. However, at present, there are technical problems such as the scanning speed of the surface being too slow, and it has not been put into practical use.
[0005]
On the other hand, with the advancement of laser technology, research on new physical phenomena is progressing in the field of quantum electronics research targeting atomic gases. Typical examples are EIT (Electromagnetically Induced Transparency) and LWI (Lasing Without Inversion) based on coherent interaction between atoms and lasers.
[0006]
EIT and LWI are phenomena induced by irradiating two laser beams to an atomic system having both three levels to keep the atoms in a coherent state.
[0007]
That is, EIT is a phenomenon in which the wavelength region that should have strong absorption becomes transparent (JEField et al., Phys. Rev. Lett. 67, 3062 (1991), K.-J. Moller et al. Phys. Rev. Lett. 66, 2593 (1991)). LWI is a phenomenon in which EIT is not absorbed even when coherent light is emitted, and laser oscillation occurs even if there is no inversion distribution (SEHarris, Phys. Rev. Lett. 62, 1033 (1989). )).
[0008]
EIT has already been verified in several atomic gas systems, and a large change of several orders of magnitude in the transmission coefficient has been reported. On the other hand, with regard to LWI, some experiments have been attempted in an atomic gas system, and laser oscillation has not been achieved, but amplification of probe light has been realized (WEVeer et al., Phys. Rev. Lett. 70,3243 (1993)).
[0009]
As applications using EIT and LWI, an optical filter that transmits only light in a very narrow band, a laser in a short wavelength region in which an inversion distribution is difficult to be formed, and the like are considered.
[0010]
In addition to these, it is considered that various new applications may be born. However, when considering the feasibility of such new applications, phenomena such as EIT and LWI are realized not in atomic gas systems but in solid systems. It is better to do it.
[0011]
As an approach to solid-state systems, theoretical analysis has been carried out on impurities in semiconductor quantum wells, rubies and diamonds (Y. Zhu et al., Phys. Rev. A49, 4016). (1994), D. Huang et al., J. Opt. Soc. Am. Bll, 2258 (1994), C. Wei et al., Phys. Rev. A51, 1438 (1995)), EIT and LWI experiments No report has been made on solid systems.
[0012]
In order to realize EIT and LWI in a solid system, there are some points that must be considered unlike an atomic gas system.
[0013]
First, EIT and LWI are based on a closed three-level or four-level system, and it is essential that electrons do not escape to other levels under light irradiation. For this reason, it is necessary to select a level in which the wave function is localized and the relaxation to other levels hardly occurs as the solid state electronic state.
[0014]
As a candidate of a level satisfying such conditions, there are physical structure systems having atomic characteristics such as impurities such as transition metals and rare earths, point defects such as vacancies, and quantum structures such as quantum dots and quantum wires. The level which can be said is mentioned.
[0015]
The second point is that the spectral width of the optical transition is generally wide in a solid system. Factors that determine the spectral width are the level involved in the transition, the uniform width that occurs when the energy value fluctuates in time due to the interaction with the surroundings, and the temporal average value of the interaction There are two non-uniform widths depending on the level and due to the distribution in the level itself.
[0016]
Among the solid systems, the physical structure system described above has a relatively small width, but the uniform width and the non-uniform width are both large compared to the atomic gas system. The characteristics of EIT and LWI are determined by the resonance condition related to the frequency, and the size of the uniform width and the non-uniform width greatly affects the characteristics.
[0017]
Thus, in order to realize EIT and LWI in a solid system, the above-mentioned points must be taken into consideration. Therefore, in order to realize EIT and LWI in a solid system, an approach different from that of an atomic gas system is required. However, at present, a solid-system-specific approach necessary for realizing EIT and LWI in a solid system has not been clarified.
[0018]
Furthermore, in the case of a solid system, functions and features peculiar to the solid system and application of new EIT and LWI based thereon are expected, but no such proposal has been made so far.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the advent of recording / reproducing methods and recording / reproducing apparatuses capable of recording and reproducing information at the atomic / molecular level is expected, and the super high level by scanning probe technology such as STM, AFM, NSOM, etc. Although application to density recording has been attempted, a practical level has not been realized.
[0020]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to provide a recording / reproducing method capable of recording and reproducing information in the recording unit of the state of each atom or molecule. And providing a recording / reproducing apparatus.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
    [Overview]
  In order to achieve the above object, the recording / reproducing method according to the present invention (Claim 1) uses, as a recording medium, a solid having a physical structure having an energy level structure composed of three or more energy levels. The number of the physical structures contained in the solid is N, the predetermined three levels of the i-th physical structure are the first, second, and third levels, and h is the Planck constant, The level energy is hωi1/ 2π, the energy of the second level is hωi2/ 2π, the energy of the third level is hωi3/ 2π, | ωi3−ωi1|i31 , | Ωi3−ωi2|i32 , | Ωi2−ωi1|i21And whenBy irradiating the recording medium with light or electron beam, applying an electric field or magnetic field to the recording medium, or applying pressure to the recording medium,(Ω in N physical structuresi31 , Ωi32 ) To change the distribution of information on the recording medium,Based on the change in the optical spectrum of the physical structure,i31 , Ωi32 ) Distribution or ωi21The information is reproduced by detecting the distribution of.
[0022]
Here, the physical structure means a quantum structure such as a quantum dot, a quantum wire, or a quantum box, a crystal defect such as a point defect, and an impurity atom. Further, the number N of physical structures is the number of physical structures included in the portion irradiated with coherent light, and may be the number of physical structures included in the entire solid that is an object to be detected. It may be the number of physical structures included in the part.
[0024]
Another recording / reproducing method according to the present invention (Claim 2) is the above recording / reproducing method (Claim 1).i31The maximum value of max (ωi31), Min (ωi31) Among the N physical structuresi32The maximum value of max (ωi32), Min (ωi32), The angular frequency of the first coherent light is ωp, The angular frequency of the second coherent light is ωcMin (ωi31) <Ωp<Max (ωi31), Min (ωi32) <Ωc<Max (ωi32The recording medium is irradiated with the first and second coherent light satisfying the condition (2), and is generated through absorption of the first coherent light and absorption of the first coherent light in the recording medium. At least one of the fluorescence of the recording medium is a plurality of (ωp, Ωc) The information recorded on the recording medium is reproduced by measuring the set.
[0025]
Another recording / reproducing method according to the present invention (Claim 3) is the above recording / reproducing method (Claim 1), whereini31The maximum value of max (ωi31), Min (ωi31) Among the N physical structuresi32The maximum value of max (ωi32), Min (ωi32), The angular frequency of the first coherent light is ωp, The angular frequency of the second coherent light is ωc, Ωp−ωcΔω, Δω is constant, and min (ωi31) <Ωp<Max (ωi31), Min (ωi32) <Ωc<Max (ωi32The absorption of the first coherent light in the recording medium when the recording medium is irradiated with the first and second coherent light satisfying the condition ofabp; Ωc), The fluorescence of the recording medium generated through the absorption of the first coherent light.lup; Ωc) And Iab(Δω) = ∫Iabp; Ωp−Δω) dωpAnd Ilu(Δω) = ∫Ilup; Ωp−Δω) dωpThe information recorded on the recording medium is reproduced by obtaining at least one of a plurality of different Δω.
[0026]
Another recording / reproducing method according to the present invention (Claim 4) is the recording / reproducing method (Claim 1), wherein the solid causes a change in structure when electrons are excited at the level. It has a fourth level, and the energy of this fourth level is hωi4/ 2π, ωi4−ωi1|i41, | Ωi4−ωi2|i42, | Ωi4−ωi3|i43, Ω among the N physical structuresi41The maximum value of max (ωi41), Min (ωi41) Among the N physical structuresi42The maximum value of max (ωi42), Min (ωi42) Among the N physical structuresi43The maximum value of max (ωi43), Min (ωi43), The rabbi frequency of the first coherent light is Ωp, The rabbi frequency of the second coherent light is ΩcWhen ΩpcIn this case, the first and second coherent lights, and min (ωi41) Greater than max (ωi41) Smaller angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43) Irradiating a third coherent light having an angular frequency smaller thanp> ΩcIn this case, the first and second coherent lights, and min (ωi42) And max (ωi42) Less angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43The information is recorded on the recording medium by irradiating a third coherent light having an angular frequency smaller than ().
[0027]
Where (ωi31, Ωi32) Distribution, and thus ωi21In order to efficiently change the distribution of the light, it is preferable to simultaneously apply the electric field and the magnetic field simultaneously with the irradiation of the first, second, and third coherent light.
[0028]
Information reproduction may be performed as follows.
[0029]
min (εi31) <Hωp/ 2π <max (εi31The first coherent light when the recording medium is irradiated with the first coherent light and the recording medium is irradiated with the first and second coherent light under the conditions And the first and second coherent light in the recording medium and the fluorescence of the recording medium generated through the absorption of the first coherent light when the recording medium is irradiated with only the first coherent light. At least one of the fluorescence differences from the fluorescence of the recording medium that occurs through the absorption of the first coherent light when irradiated with a plurality of (ωp, Ωc) Perform by measuring the set.
[0030]
Where multiple (ωp, Ωc) During assembly, ωcTwo (ω) whose absolute value of the difference between is less than or equal to the uniform width for the transition between the first level and the third levelp, Ωc) It is preferable that a set exists.
[0031]
  The recording / reproducing apparatus according to the present invention (Claim 5) includes a solid having an energy level structure composed of energy levels of three or more levels as a recording medium, and first and second recording mediums. An optical system for irradiating the coherent light, wherein the optical system includes N as the number of the physical structures contained in the solid, and first three predetermined levels of the i-th physical structure, The second and third levels, h is the Planck constant, and the energy of the first level is hωi1/ 2π,SaidThe energy of the second level is hωi2/ 2π, the energy of the third level is hωi3/ 2π, | ωi3−ωi1|i31, | Ωi3−ωi2|i32, Ω among the N physical structuresi31The maximum value of max (ωi31) Among the N physical structuresi32Min (ωi32),Among the N physical structures, ω i31 Min (ω i31 ) Among the N physical structures i32 The maximum value of max (ω i32 ),The angular frequency of the first coherent light is ωp, The angular frequency of the first coherent light is ωcMin (ωi31) <Ωp<Max (ωi31) And min (ωi32) <Ωc<Max (ωi32And a means for changing the angular frequency of the first and second coherent lights within a range that satisfies the condition of (1).
[0032]
Here, the physical structure means a quantum structure such as a quantum dot, a quantum wire, or a quantum box, a crystal defect such as a point defect, and an impurity atom.
[0033]
Another recording / reproducing apparatus according to the present invention (Claim 6) is the same as the recording / reproducing apparatus (Claim 5), except thatp−ωcIs set to Δω, the optical system has means for changing the angular frequency of the first and second coherent light under the condition that Δω is constant.
[0034]
Here, the number N of physical structures is the number of physical structures included in the portion irradiated with coherent light, and may be the number of physical structures included in the entire solid as the object to be detected. In some cases, the number of physical structures included in this part.
[0035]
According to another recording / reproducing apparatus of the present invention (Claim 7), in the recording / reproducing apparatus (Claim 5), the solid causes a structural change when electrons are excited to the level. A fourth level, and the optical system converts the energy of the fourth level to hωi4/ 2π, ωi4−ωi1|i41, | Ωi4−ωi2|i42, | Ωi4−ωi3|i43, Ω among the N physical structuresi41The maximum value of max (ωi41), Min (ωi41) Among the N physical structuresi42The maximum value of max (ωi42), Min (ωi42) Among the N physical structuresi43The maximum value of max (ωi43), Min (ωi43), The rabbi frequency of the first coherent light is Ωp, The rabbi frequency of the second coherent light is ΩcWhen ΩpcIn this case, the first and second coherent lights and min (ωi41) Greater than max (ωi41) Smaller angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43) Irradiating a third coherent light having an angular frequency smaller thanp> ΩcIn this case, the first and second coherent lights and min (ωi42) And max (ωi42) Less angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43And a means for irradiating a third coherent light having an angular frequency smaller than.
[0036]
According to another recording / reproducing apparatus of the present invention (Claim 8), in the recording / reproducing apparatus (Claims 5 to 7), the optical system includes the first coherent in the recording medium. And a means for measuring at least one of light absorption and fluorescence of the recording medium generated through absorption of the first coherent light.
[0037]
Further, another recording / reproducing apparatus according to the present invention (Claim 8) is the same as the recording / reproducing apparatus (Claims 5 to 7) described above.i2−ωi1|i21(Ω in N physical structuresi31, Ωi32) Is changed to record information on the recording medium, and the (ωi31, Ωi32) Distribution or ωi21The above information is reproduced by detecting the distribution of.
[0038]
Rabi frequency in Ωp, The rabbi frequency of the second coherent light is ΩcWhen Ωpc, The first and second coherent light and min (ωi41) Greater than max (ωi41) Smaller angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43) Irradiating the recording medium with a third coherent light having an angular frequency smaller thanp> Ωc, The first and second coherent light and min (ωi42) And max (ωi42) Less angular frequency, or min (ωi43) And max (ωi43And a light irradiating means for irradiating the recording medium with a third coherent light having an angular frequency smaller than.
[0039]
Also, (ωi31, Ωi32) Distribution, and thus ωi21In order to efficiently change the distribution of the light, it is preferable to simultaneously apply the electric field and the magnetic field simultaneously with the irradiation of the first, second, and third coherent light.
[0040]
Furthermore, in the present invention, the line width of the second coherent light is set to δωc, The uniform width for the transition between the first level and the third level ωhomo31Δωc≦ ωhomo31It is desirable to satisfy the following conditions.
[0041]
[Action]
According to the present invention, by adopting a completely new recording / reproducing principle that utilizes the extremely high frequency resolution of the EIT phenomenon, it is possible to realize recording / reproducing with the state of each atom or molecule as a recording unit. Like that.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments (embodiments) of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0043]
(First embodiment)
In the following description, the first level, the second level, and the third level (state vector) are expressed as | i1>, | i2>, and | i3>, respectively.
[0044]
Regarding the relationship between the three levels and the light, there are four types of excitation (Energy Scheme) as shown in FIG. 1. Hereinafter, an explanation will be given by taking an example of an excitation type called Λ type shown in FIG. To do. In the case of the Λ type, | i1> (| 1>), | i2> (| 2>), and | i3> (| 3>) in ascending order of energy.
[0045]
In the case of the V type shown in FIG. 1B, contrary to the case of the Λ type, the three levels are | i1> (| 1>), | i2> (| 2>) and | i3> (| 3>), the same argument as in the case of the Λ type holds.
[0046]
In the case of a saddle-excited type, as shown in FIG. 1 (c), the three levels are set in order from the highest energy | i1> (| 1>), | i3> (| 3>), | I2> (| 2>) or, as shown in FIG. 1 (d), | i1> (| 1>), | i3> (| 3>), | i2> in order from the lowest energy By setting (| 2>), the same argument as in the case of the Λ type holds.
[0047]
First, an EIT characteristic with one physical structure will be described.
[0048]
The EIT is composed of three levels related to a single physical structure and two laser beams connecting the levels. In the Λ type, | i1> → | i3> and | i2> → | 3> are permissible transitions, but | 1> → | 2> is selected as a forbidden transition.
[0049]
The light that connects the ground states | 1> and | 3> is called probe light, and the light that connects the above two levels | 2> and | 3> is called coupling light.
[0050]
Also, the probe light frequency ωpAnd | 1> → | 3> resonance frequency 2π · ε corresponding to the energy difference between levels31Δω is the frequency difference from / hp, Coupling light frequency ωcAnd | 2> → | 3> resonance frequency 2π · ε corresponding to the energy difference between levelstwenty oneΔω is the frequency difference from / hcAnd
[0051]
Each intensity is expressed by a rabi frequency Ωc, Ωp defined by the following equation.
[0052]
Ωc = 2π <3 | μ · E | 2> / h (11)
Ωp = 2π <3 | μ · E | 1> / h (12)
Here, μ is an operator related to the dipole moment, and E is an operator related to the electric field.
[0053]
Next, let us consider a state in which the lower two levels as shown in the following equation are removed at each rabbi frequency to obtain a linear combination.
[0054]
* +> = (Ωc | 1> + Ωp | 2>) / (Ωc2+ Ωp2)1/2  (21)
*-> = (Ωc | 1> -Ωp | 2>) / (Ωc2+ Ωp2)1/2  (22)
Here, when the detuning of the two laser beams is equal, that is, Δωc= ΔωpIn this case, considering the time variation of the population related to the three-level system, it is easily shown that the population of *-> does not increase or decrease.
[0055]
Therefore, in the steady state, the probability of occupying *-> level is 1. This is a phenomenon called population trapping. At this time, regarding the transition dipole moment between *-> and | 3>,
Figure 0003645345
Strictly 0 and no absorption occurs. This is EIT. As a physical origin at which absorption does not occur, it can be considered that the transition of | 1> → | 3> and | 2> → | 3> is canceled by the interference effect in |->.
[0056]
Formula (21), (22As apparent from the above, |->, which is the level to be trapped, is constituted by the rabbi frequency, that is, the ratio of the light intensity with respect to | 1> and | 2>. Therefore, the property of |-> can be changed by changing the light intensity.
[0057]
In the case of Ωc >> Ωp, it is trapped in the state of |-> to | 1>, that is, a state close to the ground state. On the other hand, when Ωc << Ωp, it is trapped in a state close to the lower excited state | 2>.
[0058]
The shape of the absorption spectrum from | 1> to | 3> when EIT is occurring is shown in FIG.p= ΔωcΩ that satisfies the conditionpAn absorption hole, that is, a transparent region, is formed at the position of.
[0059]
ΔωcWhen = 0, as shown in FIG. 2A, Δωp= 0, that is, a hole is formed at the center of the absorption spectrum.
[0060]
ΔωcWhen ≠ 0, as shown in FIG. 2B, a hole is formed in the region of the bottom of absorption.
[0061]
The width of the hole is substantially equal to the Rabi frequency Ωc of the coupling light. Therefore, the hole width can be controlled by changing the intensity of the coupling light.
[0062]
Next, EIT characteristics when there are a plurality of physical structures (N cases) will be described.
[0063]
As described above, the solid width and the non-uniform width are wider in the solid system than in the atomic gas system. For this reason, the spectrum of the solid system is a very wide spectrum in which the spectra of the individual physical structures spread by a uniform width are overlapped with their center positions distributed. Such a situation applies not only to the transition of | 1> → | 3> but also to the transition of | 2> → | 3>.
[0064]
Therefore, as in the EIT experiment conducted in the atomic gas system, ωcThe EIT signal observed in a state where is fixed is (εi31, Εi32) Due to the distribution, the number of physical structures that meet the EIT condition that detuning is equal is reduced, resulting in a very small signal as shown in FIG.
[0065]
Not only that, but the characteristics such as where the contribution of one physical structure to the EIT characteristics of the whole system appears are not so clear. Thus, so far, ωpΩ on axispThe EIT characteristics of each physical structure appearing in the absorption characteristics of the above are not only difficult to detect, but the method for controlling them is not clear, and it is considered difficult to consider any application.
[0066]
The fundamental principle of recording / reproduction at the single physical structure (molecule / atom) level of the present invention is (ωp, Ωc) On the planepIt is to consider the change of absorption characteristics. This not only detects the EIT characteristics of the physical structure, but also describes the EIT characteristics (εi31, Εi32) Distribution can be changed, and recording / reproduction at a single physical structure level is possible.
[0067]
First, consider one physical structure. Ω to | 1> → | 3>pThe coupling light frequency ωcThe amount of change when (p, Ωc) Think on a plane.
[0068]
FIG. 4 shows the characteristics under the condition of Ωp <Ωc <(uniform width). The phenomenon itself that appears in the spectrum is very simple. As shown in FIG. 4 (a), of course, ωcIf you cut on the plane of const.
[0069]
The condition for EIT to occur is Δωp= ΔωcAnd (ωp= Ω31= 2πε31/ H, ωc= Ω32= 2πε32/ H)pIt happens on a line that makes an angle of 45 degrees with the axis.
[0070]
FIG. 4B shows a state in which the spectrum is viewed from the direction of 45 degrees, and it can be seen that a narrow hole corresponding to the Rabi frequency of the coupling light is opened.
[0071]
When only the hole portion is extracted, as shown in FIG. 4C, the absorption spectrum of a single physical structure is rotated by 45 degrees, and a thin plate-like spectrum having a thickness of about Rabi frequency is obtained. I understand that.
[0072]
Next, consider a case where there are a plurality of physical structures. The thin plate-shaped absorption holes that each physical structure is caused by EIT are (ωp, Ωc) On the plane, corresponding to the energy between levels of each physical structure (ωi31(i), ωi32(i) It occurs centering on the point).
[0073]
In solid systems, the non-uniform width is wide and ωi31(i) and ωi32(i) are each ωpAxis, ωcDistributed on the axis. For this reason, if the rabbi frequency is reduced and the thickness of each plate is reduced, the contribution of each physical structure is (ω as shown in FIG.p, Ωc) It is possible to completely separate on a plane.
[0074]
Thus, (ωp, Ωc) On the planepThe absorption hole due to each physical structure appears separately for each physical structure, and the center position is (ωi31(i), ωi32(i) It becomes point.
[0075]
Therefore, (ωp, Ωc) By observing the EIT signal of the whole system on the plane and examining where the plate-like hole appearing in the absorption appears, the energy ε of each physical structurei31, Εi32The position of will be understood.
[0076]
Thus, (ω in N physical structuresi31, Ωi32) Distribution is changed by, for example, laser irradiation, and information is recorded on a recording medium,i31, Ωi32) Is detected, information can be reproduced.
[0077]
Here, as shown in FIGS. 4 and 5, (ωp, Ωc) On the planepIn order to detect the absorption characteristics ofcWith respect to ωpIt is essential to measure the absorption. That is, multiple (ωp, ΩcIt is preferable to reproduce the information recorded on the recording medium by measuring the absorption characteristics of the set.
[0078]
This is because a single ωc= Ωc 0With respect to ωpWhen measuring the absorption of ω, the absorption characteristics as shown in FIGS.c= Ωc 0(= Const.) A spectrum having a cross-sectional shape cut by a plane, εi31, Εi322πε in a physical structure with a wide distribution of energyi32~ Hωc 0This is because there is a possibility of detecting an absorption hole only for a physical structure that satisfies the above relationship.
[0079]
Furthermore, even if 2πεi32~ Hωc 0Even if the relationshipc= Ωc 0If the extreme value of the absorption hole does not exist on the plane, the signal corresponding to the absorption hole is very weak and it is difficult to identify the position of the hole.
[0080]
Set ωc 0For the value of ωc= Ωc 0It is rarely stochastic to include the extreme value of the absorption hole above. From this, a single ωcNot multiple ωcAbout ωpIt can be seen that the measurement of the absorption of γ is an indispensable element for detecting the absorption holes due to the individual physical structures in the energetically distributed physical structure group.
[0081]
The absorption holes shown in FIG. 4 and FIG. 5 are obtained by rotating the absorption spectrum of a single physical structure by 45 degrees.c= ΩpThe width in the direction parallel to + const. Is about the uniform width of a single physical structure spectrum.
[0082]
Therefore, to detect each absorption hole,pAs well as the line width of coherent light corresponding to ωcIt is desirable that the line width of the coherent light corresponding to is equal to or less than the uniform width.
[0083]
Also, ω at the time of measurementpIs not only equal to or less than the uniform width, but also multiple ωcIt is desirable that each of the intervals be equal to or less than the uniform width.
[0084]
(Second Embodiment)
p, Ωc) In the plane, ωpIn addition to the individual detection of the absorption holes, the following integrated intensity of absorption is also an important means for reproducing the information recorded on the recording medium in the present invention. Now (ωp−ωc) = Δω value is constant.
Iab(Δω) = ∫Iabp; Ωp−Δω) dωp
Think of the integral.
[0085]
First, characteristics in the case of one physical structure will be described. This Iab(Δω) is (ωp, Ωc) In the plane, ωpI in the direction of 45 degrees with the axisabp; Ωc) Is integrated.
[0086]
In FIG.abThe distribution of (Δω) is shown. Width corresponding to the hole in Fig. 4 (b)cNarrow hole, Δω = ω31−ω32= Ωtwenty oneIt can be seen that the value is in the vicinity of) and takes a constant value in other regions. This constant value is a physical quantity unique to the physical structure, that is, the integrated intensity of absorption of one physical structure, I0= ∫I0 abppMatches.
[0087]
FIG. 7 shows I when the temperature is changed.abp; Ωc) And ΔIabp; Ωc). As shown in FIG.abp; Ωc) And ΔIabp; Ωc) Extends in the direction of 45 degrees, but IabIt can be seen that (Δω) does not change at all.
[0088]
FIG. 8A and FIG. 8B show I in the case where there are a plurality of physical structures, respectively.ab(Δω) distribution, ΔIabThe distribution of (Δω) is shown. Iab(Δω) includes NI0As the baseline, then I0Integer depth and width ΩcA hole with is produced. ΔI in FIG. 8BabThe distribution of (Δω) corresponds to a reverse of the sign obtained by extracting only the hole portion.
[0089]
The height and depth of these rod-like spectra are defined as I0The integer value obtained by dividing by ω istwenty oneMeans the number of physical structures whose value is equal to Δω. Again, Iab(Δω) and ΔIabNeedless to say, (Δω) does not depend on temperature.
[0090]
Because of this, Iab(Δω) and ΔIabIf (Δω) is measured and used for reproducing information recorded on a recording medium, extremely stable information reproduction can be performed without depending on temperature.
[0091]
Iabp; Ωc) Or ΔIabp; Ωc) Is used for information reproduction,i31, Ωi32) Can be reproduced at a single physical structure level, while Iab(Δω) and ΔIabWhen (Δω) is used for information reproduction, ωi21Can be reproduced at a single physical structure level.
[0092]
Not only absorption but also emission
Ilu(Δω) = ∫Ilup; Ωp−Δω) dωp
Or
Ilu(Δω) = ∫ {I0 lup) -Ilup; Ωp−Δω)} dωp
The same effect can be obtained when information is reproduced by measuring.
[0093]
(Third embodiment)
Next, information recording will be described.
[0094]
In the present invention, (ωp, Ωc) Information is recorded on the recording medium by changing the energy level distribution of the physical structure in the plane.
[0095]
In order to change the energy level distribution, for example, by irradiating the recording medium with light or an electron beam, applying an electric field or magnetic field to the recording medium, or applying pressure to the recording medium, one of the physical structure group is changed. What is necessary is just to excite a part and to change the energy level.
[0096]
In particular, in order to record information at a single physical structure level (molecular / atomic level), the present invention uses the above-mentioned Population Trapping (ω)i31, Ωi32) Distribution or ωi21Transform the distribution of s at the single physical structure level.
[0097]
Specifically, as in the case of playback, the angular frequency ωp, Ωc, Rabi frequency Ωp, ΩcThe first and second coherent light beams are simultaneously irradiated onto the recording medium by, for example, a laser to cause a certain physical structure to be population trapped. An angular frequency ω for exciting to the level that ionizes from that level, | i4>exThe third coherent light is also irradiated by a laser, for example.
[0098]
It will be described with reference to what kind of physical structure changes state by such a method. (Ωp, Ωc) In the plane, the population trap due to the irradiation of the first and second coherent light has a point (ωp, Ωc) On the 45 degree line (ωi31, Ωi32) Cause a physical structure.
[0099]
here,
Ωpc
In this case, the physical structure is trapped in a state of | i1>. Therefore, the angular frequency ω that causes a transition between | i1> and | i4> as shown in FIG.exBy irradiating the third coherent light of
ωex= Ωi41
A physical structure satisfying the condition is selectively excited to | i4> to cause ionization or structural change. And angular frequency ωexBy irradiating a plurality of third coherent lights having different values, as shown in FIG.i31, Ωi32) Can be perforated.
[0100]
Also Ωp> ΩcIn this case, the physical structure is trapped in a state of | i2>. Therefore, as shown in FIG. 12, an angular frequency ω that causes a transition between | i2> and | i4>.exOf the third coherent light L of
ωex= Ωi24
A physical structure satisfying the condition is selectively excited to | i4> to cause ionization or structural change. And also in this case, the angular frequency ωexBy irradiating a plurality of third coherent lights having different values, as in the case of FIG.i31, Ωi32) Can be perforated.
[0101]
It is also possible to selectively cause a state change even for a physical structure that has not caused a population trap.
[0102]
FIG. 13 shows the distribution of the physical structure that is excited to | i3> without causing a population trap and absorbing the first coherent light under irradiation of the first and second coherent lights.
[0103]
Therefore, the angular frequency ω that causes a transition between | i3> and | i4> as shown in FIG.exBy irradiating the third coherent light of
ωex= Ωi34
A physical structure satisfying the condition is selectively excited to | i4> to cause ionization or structural change. And also in this case, preferably the angular frequency ωexBy irradiating a plurality of third coherent lights having different values, as in the case of FIG.i31, Ωi32) Can be perforated.
[0104]
i31, Ωi32) Distribution over a wide range, when recording information,p, ΩcThe same operation may be performed on the value of).
[0105]
In addition, by simultaneously applying the voltage and the magnetic field together with the irradiation of the first, second, and third coherent light, the energy level of each physical structure changes, and ωi31, Ωi32, Ωi41The value of etc. changes.
[0106]
Therefore, (ωp, Ωc) Without changing the value of (ωi31, Ωi32) Distribution can be changed, and information can be recorded efficiently.
[0107]
(Fourth embodiment)
In this embodiment, a YAG crystal containing 0.1 mol% of Eu as an impurity is used as a recording medium.
[0108]
FIG. 15 shows the energy level of Eu. Eu ground state is7F0so,7F0To 18950cm-1On the high energy sideFiveD1There is an excited state7F0A strong optical transition occurs between
[0109]
Also,7F0From 460cm-1On the high energy side7F1There is an excited stateFiveD1A strong optical transition occurs between further,7F0To 36000cm-1~ 42000cm-1A charge transfer state continuously exists in the vicinity of the high energy side, and the Eu atom in which electrons are excited changes the valence from +3 valence to +2 valence.
[0110]
This recording medium is put into a temperature-variable cryostat having an optical window with a transparent visible region, and the sample temperature is kept at 4K by cooling with liquid helium. In this state, the recording medium is irradiated with two ring dye lasers excited by an argon ion laser. Both laser dyes that drive two ring dye lasers have a tuning range of 17240-19230 cm.-1Use coumarin.
[0111]
Here, the oscillation line width of the ring dye laser is 500 kHz = 0.000017 cm.-1Adjust so that One of the ring dye lasers (L1) has an oscillation frequency ω.p18950cm-1Nearby, another (L2) is its oscillation frequency ωc18490cm-1Adjust to sweep the neighborhood. The laser light intensity is set so that the Rabi frequencies of the lasers L1 and L2 are 3 MHz and 17 MHz, respectively.
[0112]
First, Eu energy distribution before information was recorded on the recording medium was detected by the following method. That is, the information recorded before recording new information on the recording medium was reproduced by the following method.
[0113]
First, the laser L2 is not irradiated, and the oscillation frequency of the laser L1 is 18945.00000 cm.-1To 18955.0000cm-1The absorption spectrum of the laser L1, I0 abp) Is detected.
[0114]
Next, the oscillation frequency of the laser L2 is 18485.00000 cm.-1The laser L1 oscillation frequency is 18945.00000 cm-1To 18955.0000cm-1The absorption spectrum of the laser L1, Iabp; Ωc) And I0 abp), ΔIabp; Ωc) = I0 abp) -Iabp; Ωc)
[0115]
Next, the oscillation frequency of the laser L2 is 0.0002 cm.-1Increase 18485.0002cm-1The laser L1 oscillation frequency is again 18945.00000 cm-1To 18955.0000cm-1The absorption spectrum of the laser L1, Iabp; Ωc) And detect ΔIabp; Ωc)
[0116]
In this way, the oscillation frequency of the laser L2 is sequentially changed to 0.0002 cm.-1The process of detecting the absorption spectrum of the laser L1 each time it is increased, the oscillation frequency of the laser L2 is 184955000 cm-1Continue until
[0117]
FIG. 16 shows ΔI obtained in this way.abp; Ωc) Part of the oscillation frequency ω of the laser L1pAnd laser L2 oscillation frequency ωcAre two coordinate axes (ωp, Ωc) It is illustrated in the plane. From FIG. 16, it can be seen that absorption holes associated with EIT of each pseudo atom (physical structure) are observed.
[0118]
FIG. 17 shows that Δω = ωp−ωcThe value of 12MHz = 0.004cm-1Set for each
ΔIab(Δω) = ∫ {I0 abp) -Iabp; Ωp−Δω)} dωp
Is obtained for each Δω. ΔIabIt was observed that the value of (Δω) was an integral multiple of a certain value as a unit.
[0119]
Next, a case where new information is recorded on this recording medium will be described.
[0120]
In order to record information, lasers L1 and L2 having a rabbi frequency set to 17 MHz and 3 MHz, respectively, are irradiated, and another ring dye laser L3 (oscillation frequency ω) is used.ex), And the recording medium is irradiated with a second harmonic obtained by irradiating the BBO crystal with output light of coumarin dye excitation.
[0121]
Information was recorded sequentially under the following conditions.
[0122]
(1) ωp= 18952.0020cm-1, Ωc= 18486.000cm-1, Ωex= 38000-40000cm-1
(2) ωp= 18952.000cm-1, Ωc= 18486.0020cm-1, Ωex= 40000-42000cm-1
(3) ωp= 18952.000cm-1, Ωc= 18486.0120 cm-1, Ωex= 38000-40000cm-1
18, 19, and 20, the laser L <b> 3 is stopped after the steps (1) to (3), and the lasers L <b> 1 and L <b> 2 are reset with the rabbi frequencies set to 3 MHz and 17 MHz, respectively. ΔIabp; Ωc).
[0123]
As can be seen from the comparison with FIG. 16, the ω used for recording in the absorption hole of each physical structure.p, ΩcIt can be seen that some of the holes located in the direction of 45 degrees with the value of have disappeared. It can also be seen that even if a new recording is performed, the information recorded so far does not change.
[0124]
FIG. 21 shows the measured ΔI after the procedure of (3).abThis is a result of (Δω).
[0125]
As can be seen from FIG. 21, Δω = 4655.9880 cm.-1ΔI atabThe value of (Δω) is from 5 to 2, Δω = 4655.9980 cm-1ΔI atabThe value of (Δω) is changed from 5 to 1, and Δω = 466.0020 cm-1ΔI atabThe value of (Δω) changed from 4 to 1.
[0126]
It should be noted that this ΔI is again raised after the sample temperature is raised to room temperature.abWhen (Δω) was measured, the same measurement results as in FIG. 21 were obtained, and ΔIabThe stability with respect to temperature of the recording method of this embodiment using (Δω) as recording data was confirmed.
[0127]
(Fifth embodiment)
As in the case of the fourth embodiment, a YAG crystal containing 0.01 mol% of Eu as an impurity was used for the recording medium. However, in this embodiment, Au is vapor-deposited on the two side surfaces of the YAG crystal to form electrodes. This electrode is for applying an electric field as an external field to the recording medium.
[0128]
In the present embodiment, information is recorded on a recording medium as follows.
[0129]
In other words, the angular frequency ωpIs 1895.0020cm-1Laser L1, fixed at the angular frequency ωcIs 18486.0000cm-1The recording medium is irradiated with the laser L2 fixed to the angular frequency ω in one minute on the recording medium.ex38000-40000cm-1The laser 3L swept up to is irradiated. In addition, a voltage obtained by sweeping a triangular wave between 1 V and 5 V at 1 Hz is applied to the electrode.
[0130]
22 and 23 show ΔI before and after recording, respectively.abIt is a figure which shows the change of ((DELTA) omega).
[0131]
In the first embodiment, the value of Δω is the angular frequency ω.pAnd angular frequency ωcWhere ΔI is equal toabRecording was performed with the value of (Δω) changed. In this embodiment, Δω = 465.980 cm.-1ΔI in a wider area as well asabThe value of (Δω) has changed.
[0132]
This is the angular frequency ωp, ΩcEven if the value of is fixed, the energy level of each physical structure is changed by the electric field, and the physical structure that satisfies the conditions of the population trap is changed by each electric field. As a result, the physical structure excited to | i4> It is because it increased. It was confirmed that information can be efficiently recorded on a recording medium by using an electric field in this way.
[0133]
In the present embodiment, the case of an electric field as an external field has been described. However, in the case of other external fields such as a magnetic field, temperature, and pressure, a change in the optical spectrum of each physical structure can be similarly detected.
[0134]
(Sixth embodiment)
In this embodiment, as in the fourth and fifth embodiments, a YAG crystal containing 0.1 mol% of Eu as an impurity is used for the recording medium. The feature of this embodiment is that the recorded information is reproduced by measuring fluorescence instead of light absorption.
[0135]
As shown in FIG. 24, the recording medium of this embodiment isFiveD1About 2415cm-1On the high energy sideFiveD2There is an excited state, and from this state7F021360 cm when electrons transition to-1It shows strong fluorescence with a wave number of about.
[0136]
So without being a population trap,FiveD1For the Eu atom excited to 2300-2500 cm as the third coherent light-1Pb that oscillates near infrared rays1-xCdxS or PbS1-xSexSelectively using semiconductor laser etc.FiveD2From there,7F0Fluorescence can be detected when excited to.
[0137]
Here, the first and second coherent lights are the same as those in the fourth embodiment, and the peak frequency of the oscillation frequency is particularly 2411 cm as the third coherent light.-1, PbS with Rabi frequency 0.2MHz1-xSexUsing the semiconductor laser L3, Eu energy distribution before recording information on a recording medium was detected by the following method. That is, the information recorded before recording new information on the recording medium was reproduced by the following method.
[0138]
First, the laser L2 is not irradiated, the laser L3 is irradiated, and the oscillation frequency of the laser L1 is 18945.00000 cm.-1To 18955.0000cm-121000cm observed when continuously changing-1Fluorescence intensity I at the above wave numbers0 lup) Is detected using a filter and a photo counter.
[0139]
Next, the oscillation frequency of the laser L2 is 18485.00000 cm.-1With the laser L3 irradiated, the oscillation frequency of the laser L1 is 18945.00000 cm-1To 18955.0000cm-121000cm observed when continuously changing-1Fluorescence intensity I of the above wave numberlup; Ωc) And fluorescence intensity I0 lup), ΔIlup; Ωc) = I0 lup) -Ilup; Ωc)
[0140]
Next, the oscillation frequency of the laser L2 is 0.0002 cm.-1Increase, 18485.0002cm-1With the laser L3 irradiated, the oscillation frequency of the laser L1 is 18945.00000 cm-1To 18955.0000cm-121000cm observed when continuously changing-1I of above wave numberlup; Ωc) And detect ΔIlup; Ωc)
[0141]
Thus, the oscillation frequency of the laser L2 is sequentially changed to 0.0002 cm.-1Increasing the emission intensity I each timelup; Ωc) And detect ΔIlup; Ωc), The laser L2 oscillation frequency is 184955.0000 cm-1Continue until
[0142]
FIG. 25 shows ΔI obtained in this way.lup; Ωc) Part of the oscillation frequency ω of the laser L1pAnd laser L2 oscillation frequency ωcAre two coordinate axes (ωp, Ωc) It is illustrated in the plane. As in FIG. 16, it can be seen that fluorescent holes associated with the EIT of each pseudo atom (physical structure) are observed.
[0143]
However, the difference from FIG. 16 is that the number of holes is small. This is because the line width of the laser L3 isFiveD1FromFiveD2Narrower than the non-uniform width of the transition toFiveD1All of the Eu atoms excited toFiveD2This is due to the fact that they are not excited.
[0144]
In addition, PbS1-xSexIncrease the drive current passed through the semiconductor laser L3 to increase the oscillation frequency to 2413cm-1In the same way as above, ΔIlup; Ωc) Is shown in FIG.
[0145]
p, Ωc) Although the planar region is the same as that in FIG. 25, it can be clearly seen that a fluorescence hole is observed accompanying EIT of a pseudo atom (physical structure) different from that in FIG.
[0146]
In this way, by changing the drive current flowing to the laser L3 and changing the oscillation frequency,FiveD1FromFiveD2If the entire range of the non-uniform width of the transition to is scanned, the EIT signal (information) regarding all Eu atoms can be observed (reproduced) by fluorescence. (Seventh embodiment)
Here, a method for reproducing information recorded on a recording medium and a method for recording new information using the recording / reproducing apparatus of the present invention will be specifically described.
[0147]
FIG. 27 is a diagram schematically showing a recording / reproducing apparatus in the present embodiment. In the reproduction of information, the recording medium 13 is irradiated with output light from the two ring dye lasers 11 and 12.
[0148]
The output light of the laser 11 passes through the recording medium 13 and is then input to the output detection photomultiplier 14. Output I of photomultiplier 14S PM1p) Is an analog signal, it is converted into a digital signal by the AD converter 15 and then input to the data control personal computer 16.
[0149]
Here, in order to convert the intensity of incident light on the recording medium 13, a part of the output light from the laser 11 is branched by the beam splitter 17 and then input to the photomultiplier 18, which is the intensity of the branched light. Photomultiplier 18 outputS PM2p) Output IS PM2p) Is also converted into a digital signal by the AD converter 19 and then input to the data control personal computer 16.
[0150]
Further, in order to obtain absorption spectrum data, the output I of each of the photomultipliers 14 and 18 when there is no recording medium 13 is obtained.0 PM1p), IS PM2p) Are measured in advance, and these are input to the data control personal computer 16.
[0151]
Regardless of whether or not the output light of the laser 12 is irradiated, the angular frequency ωpAbsorption Iabp) Is defined by the following equation.
[0152]
Iabp) = (1 / I0 PM1p)) (I0 PM1p) -IS PM1p) ・ IPM2p) / IS PM2p))
The data control personal computer 16 performs an arithmetic process corresponding to this equation and performs absorption Iabp) Further, the data control personal computer 16 includes an angular frequency ω from the ring dye laser control personal computers 21 and 28.p, ΩcIs input as a signal.
[0153]
By such a procedure, the absorption spectrum data I under the irradiation of the laser 12 is obtained.abp; Ωc), Absorption spectrum I when the laser 12 is not irradiated0 abp) Each (ωp, Ωc) Set of values, ωpThe reproduction data is stored in the hard disk of the personal computer 16 for data control.
[0154]
When the amount of data is large, it is also possible to transfer the data from the hard disk of the data control personal computer 16 to a large-capacity external storage device 22 such as a magnetic disk and store the data. Further, when the reproduction data is viewed on the screen, the data may be transferred to the display 23.
[0155]
In order to newly record information on the recording medium 13, the following procedure is performed.
[0156]
That is, in addition to the output lights of the lasers 11 and 12, the output lights of the ring dye laser 24 and the excimer laser 25 are also incident on the dye amplifier 26 for increasing the output. The laser light output from the dye amplifier 26 is incident on the BBO crystal 27 which is a nonlinear optical crystal, and the obtained two high waves are applied to the recording medium 13, and information is recorded by the method described in the fourth embodiment.
[0157]
At this time, the value of the oscillation frequency of the laser 24 is input from the personal computer 28 to the data control personal computer 16 as a signal.
[0158]
As described above, since it is important to monitor the light intensity of the lasers 11, 12, and 24 at the time of recording / reproducing information, not only the laser 11 but also part of the output light of the lasers 12 and 24 is included. After being branched by the beam splitters 29 and 30, the respective branched lights are input to the photomultipliers 31 and 32, and the outputs of the photomultipliers 31 and 32 are converted into digital signals by the AD converters 33 and 34, respectively. Then, the data is input to the data control personal computer 16 and the intensity of the output light of the lasers 12 and 24 is measured. In the figure, reference numerals 35 to 40 denote mirrors.
[0159]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, recording / reproducing information with the state of atoms and molecules as a recording unit is achieved by adopting a completely new recording / reproducing principle that utilizes the extremely high frequency resolution of the EIT phenomenon. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a model of a three-level system
FIG. 2 is an angular frequency ω of probe light representing EIT characteristics of one physical structure.pOf absorption spectrum for
FIG. 3 is an angular frequency ω of probe light representing EIT characteristics of N physical structures.pOf absorption spectrum for
FIG. 4 shows an angular frequency ω of probe light with respect to one physical structure.pOf absorption spectrum for
FIG. 5 shows the angular frequency ω of the probe light with respect to N physical structures.pReversing the sign of the absorption hole observed in the absorption spectrum for ωp−ωcFigure shown on the plane
FIG. 6 is a diagram of I relating to one physical structure for explaining the information recording principle in the second embodiment;abDiagram showing (Δω)
FIG. 7 is a diagram of an I physical structure for explaining the information reproduction principle in the second embodiment;abp; Ωc), ΔIabp; Ωc) Distribution
FIG. 8 is a diagram illustrating an I physical structure for explaining an information reproduction principle in the second embodiment.abp; Ωc), ΔIabp; Ωc) Distribution
FIG. 9 is a diagram showing an energy distribution of a physical structure that is populated by the irradiation of the first and second coherent lights.
FIG. 10 shows Ω in the third embodiment.pcFor explaining the recording method in the case of
FIG. 11 shows a physical structure that is excited to the fourth level by irradiation with the third coherent light, and causes ionization or structural change in the physical structure that is populated by the irradiation with the first and second coherent light. Diagram showing energy distribution of structure
FIG. 12 shows Ω in the third embodiment.p> ΩcFor explaining the recording method in the case of
FIG. 13 is a diagram showing an energy distribution of a physical structure that is not populated by the irradiation of the first and second coherent light and is excited to the third level by absorbing the first coherent light.
FIG. 14 is a diagram for explaining a recording method for a physical structure that does not cause a population trap;
FIG. 15 is an energy level diagram of Eu used in the fourth embodiment.
FIG. 16 shows ΔI measured before recording in the fourth embodiment.abp; Ωc), 18952.00000cm-1p<18952.0200cm-1, 18486.0000cm-1c<18486.0200cm-1The figure which expands and shows the area
FIG. 17 shows ΔI measured before recording in the fourth embodiment.abWith respect to (ω), 465.9880 cm-1<Δω <466.0020cm-1The figure which expands and shows the area
FIG. 18 shows ΔI read after the information recording operation (1) in the fourth embodiment.abp; ΩcFigure showing
FIG. 19 shows ΔI read after information recording operations (1) and (2) in the fourth embodiment.abp; ΩcFigure showing
FIG. 20 shows ΔI read after information recording operations (1), (2), and (3) in the fourth embodiment.abp; ΩcFigure showing
FIG. 21 shows ΔI read after information recording operations (1), (2), and (3) in the fourth embodiment.abDiagram showing (Δω)
FIG. 22 shows ΔI before recording information in the fifth embodiment.abDiagram showing (Δω)
FIG. 23 shows ΔI after recording information in the fifth embodiment.abDiagram showing (Δω)
FIG. 24 is a diagram showing energy levels of a YAG crystal containing 0.1 mol% of Eu as a recording medium of the sixth embodiment.
FIG. 25 shows the result of reading information recorded on the recording medium of the sixth embodiment (ωp, Ωc)Plane
FIG. 26 is another (ωp, Ωc)Plane
FIG. 27 is a diagram schematically showing a recording / reproducing apparatus according to a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
| 1 > ・ ・ ・ First level
| 2> ... Second level
| 3> ... the third level
ωp... Frequency of probe light (first coherent light)
ωc... Frequency of coupling light (second coherent light)
Ωp: Rabi frequency of probe light
Ωc: Rabi frequency of coupling light
11, 12 ... Ring dye laser
13. Recording medium
14 ... Photomultiplier
15 ... AD converter
16 ... Personal computer
17 ... Beam splitter
18 ... Photomultiplier
19 ... AD converter
20, 21 ... Personal computer
22 ... External storage device
23 ... Display
24. Ring dye laser
25 ... Excimer laser
26 ... Dye amplifier
27 ... BBO crystal
28 ... Personal computer
29, 30 ... Beam splitter
31, 32 ... Photomultiplier
33, 34 AD converter
35-40 ... mirror

Claims (9)

記録媒体として、3準位以上のエネルギー準位からなるエネルギー準位構造を有する物理構造を持つ固体を使用し、
前記固体中に含まれる前記物理構造の個数をN、
i番目の物理構造の所定の三つの準位を第1、第2、第3の準位、
hをプランク定数として、第1の準位のエネルギーをhωi1/2π、第2の準位のエネルギーをhωi2/2π、第3の準位のエネルギーをhωi3/2π、
|ωi3−ωi1|をωi31 、|ωi3−ωi2|をωi32 、|ωi2−ωi1|をωi21としたときに、
前記記録媒体に光もしくは電子線を照射するか、前記記録媒体に電場もしくは磁場を印加するか、または、前記記録媒体に圧力を加えることにより、N個の物理構造における(ωi31 ,ωi32 )の分布を変化させることにより、前記記録媒体に情報を記録し、前記物理構造の光学スペクトルの変化に基づいて、前記(ωi31 ,ωi32 )の分布または前記ωi21の分布を検出することにより、前記情報を再生することを特徴とする記録/再生方法。
As a recording medium, a solid having a physical structure having an energy level structure composed of energy levels of 3 levels or more is used.
The number of physical structures contained in the solid is N,
The predetermined three levels of the i-th physical structure are the first, second, and third levels,
With h being the Planck constant, the energy of the first level is hω i1 / 2π, the energy of the second level is hω i2 / 2π, the energy of the third level is hω i3 / 2π,
When | ω i3 −ω i1 | is ω i31 , | ω i3 −ω i2 | is ω i32 , and | ω i2 −ω i1 | is ω i21 ,
By irradiating the recording medium with light or an electron beam, applying an electric or magnetic field to the recording medium, or applying pressure to the recording medium,i31 , ω i32 ) in N physical structures Information is recorded on the recording medium, and the distribution of (ω i31 , ω i32 ) or the distribution of ω i21 is detected based on the change in the optical spectrum of the physical structure. A recording / reproducing method, wherein the information is reproduced.
前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、最小値をmin(ωi31 )、
前記N個の物理構造の中でωi32 の最大値をmax(ωi32 )、最小値をmin(ωi32 )、
第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第2のコヒーレント光の角周波数をωc としたときに、
min(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )、min(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす前記第1、前記第2のコヒーレント光を前記記録媒体に照射し、前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収、および前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる前記記録媒体の蛍光の少なくとも一方を、複数の(ωp ,ωc )組みについて計測することにより、前記記録媒体に記録された情報を再生することを特徴とする請求項1に記載の記録/再生方法。
The N maximum value of omega i 31 in the physical structure max (ω i31), the minimum value min (ω i31),
The N maximum values of omega i32 in the physical structure max (ω i32), the minimum value min (ω i32),
When the angular frequency of the first coherent light is ω p and the angular frequency of the second coherent light is ω c ,
The recording medium is irradiated with the first and second coherent light that satisfy the conditions of min (ω i31 ) <ω p <max (ω i31 ), min (ω i32 ) <ω c <max (ω i32 ). , Measuring at least one of the absorption of the first coherent light in the recording medium and the fluorescence of the recording medium generated through the absorption of the first coherent light for a plurality of (ω p , ω c ) pairs The recording / reproducing method according to claim 1, wherein information recorded on the recording medium is reproduced.
前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、最小値をmin(ωi31 )、
前記N個の物理構造の中でωi32 の最大値をmax(ωi32 )、最小値をmin(ωi32 )、
第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第2のコヒーレント光の角周波数をωc 、ωp −ωc をΔω、
Δωが一定、かつmin(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )、min(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす前記第1、前記第2のコヒーレント光を前記記録媒体に照射した場合の前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収をIab(ωp ;ωc )、前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生ずる前記記録媒体の蛍光をIlu(ωp ;ωc )としたときに、
ab(Δω)=∫Iab(ωp ;ωp −Δω)dωp
および
lu(Δω)=∫Ilu(ωp ;ωp −Δω)dωp
の少なくとも一方を複数の異なるΔωについて求めることにより、前記記録媒体に記録された情報を再生することを特徴とする請求項1に記載の記録/再生方法。
The N maximum value of omega i 31 in the physical structure max (ω i31), the minimum value min (ω i31),
The N maximum values of omega i32 in the physical structure max (ω i32), the minimum value min (ω i32),
The angular frequency of the first coherent light is ω p , the angular frequency of the second coherent light is ω c , and ω p −ω c is Δω,
The first and second coherent lights satisfying the condition that Δω is constant and min (ω i31 ) <ω p <max (ω i31 ), min (ω i32 ) <ω c <max (ω i32 ) The absorption of the first coherent light in the recording medium when irradiated to the recording medium is I abp ; ω c ), and the fluorescence of the recording medium generated through the absorption of the first coherent light is I When lup ; ω c ),
I ab (Δω) = ∫I abp ; ω p −Δω) dω p
And I lu (Δω) = ∫I lup ; ω p −Δω) dω p
2. The recording / reproducing method according to claim 1, wherein information recorded on the recording medium is reproduced by obtaining at least one of a plurality of different Δω.
前記固体は、その準位に電子が励起されると構造の変化を引き起こす第4の準位を有し、
この第4の準位のエネルギーをhωi4/2π、
|ωi4−ωi1|をωi41 、|ωi4−ωi2|をωi42 ,|ωi4−ωi3|をωi43
前記N個の物理構造の中でωi41 の最大値をmax(ωi41 )、最小値をmin(ωi41 )、
前記N個の物理構造の中でωi42 の最大値をmax(ωi42 )、最小値をmin(ωi42 )、
前記N個の物理構造の中でωi43 の最大値をmax(ωi43 )、最小値をmin(ωi43 )、
第1のコヒーレント光のラビ周波数をΩp 、第2のコヒーレント光のラビ周波数をΩc としたときに、
Ωp <Ωc の場合には、
前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi41 )より大きくmax(ωi41 )より小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射し、
Ωp >Ωc の場合には、
前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi42 )よりも大きくmax(ωi42 )よりも小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射することにより、前記記録媒体に情報を記録することを特徴とする請求項1に記載の記録/再生方法。
The solid has a fourth level that causes a structural change when electrons are excited to that level;
The energy of this fourth level is hω i4 / 2π,
| Ω i4 −ω i1 | to ω i41 , | ω i4 −ω i2 | to ω i42 , | ω i4 −ω i3 | to ω i43 ,
The N maximum values of omega i41 in the physical structure max (ω i41), the minimum value min (ω i41),
The N maximum values of omega i42 in the physical structure max (ω i42), the minimum value min (ω i42),
The N maximum values of omega i43 in the physical structure max (ω i43), the minimum value min (ω i43),
When the rabbi frequency of the first coherent light is Ω p and the rabbi frequency of the second coherent light is Ω c ,
If Ω pc ,
The recording medium includes the first and second coherent light beams and an angular frequency larger than min (ω i41 ) and smaller than max (ω i41 ), or larger than min (ω i43 ) and larger than max (ω i43 ). Irradiating a third coherent light having a small angular frequency;
If Ω p > Ω c ,
On the recording medium, said first, said second coherent light, and min (ω i42) larger max (ω i42) smaller angular frequency than than or min (ω i43) larger than max (ω i43), 2. The recording / reproducing method according to claim 1, wherein information is recorded on the recording medium by irradiating a third coherent light having a smaller angular frequency.
記録媒体としての、3準位以上のエネルギー準位からなるエネルギー準位構造を有する固体と、
前記記録媒体に第1および第2のコヒーレント光を照射する光学系と
を具備してなり、
前記光学系は、前記固体中に含まれる前記物理構造の個数をN、
i番目の物理構造の所定の三つの準位を第1、第2、第3の準位、
hをプランク定数として、前記第1の準位のエネルギーをhωi1/2π、前記第2の準位のエネルギーをhωi2/2π、前記第3の準位のエネルギーをhωi3/2π、
|ωi3−ωi1|をωi31 、|ωi3−ωi2|をωi32
前記N個の物理構造の中でωi31 の最大値をmax(ωi31 )、
前記N個の物理構造の中でωi32 の最小値をmin(ωi32 )、
前記N個の物理構造の中でω i31 の最小値をmin(ω i31 )、
前記N個の物理構造の中でω i32 の最大値をmax(ω i32 )、
第1のコヒーレント光の角周波数をωp 、第1のコヒーレント光の角周波数をωc としたときに、
min(ωi31 )<ωp <max(ωi31 )およびmin(ωi32 )<ωc <max(ωi32 )の条件を満たす範囲内で、前記第1および第2のコヒーレント光の角周波数を変化させる手段を有することを特徴とする記録/再生装置。
As a recording medium, a solid having an energy level structure composed of three or more energy levels,
An optical system for irradiating the recording medium with first and second coherent light,
The optical system includes N as the number of physical structures included in the solid,
The predetermined three levels of the i-th physical structure are the first, second, and third levels,
The h as Planck's constant, the first level of the energy hω i1 / 2π, wherein the second level of energy hω i2 / 2π, wherein the 3 Etchiomega energy level of the i3 / 2 [pi,
| Ω i3 −ω i1 | to ω i31 , | ω i3 −ω i2 | to ω i32 ,
The maximum value of omega i 31 in the N physical structures max (ω i31),
The minimum value of omega i32 in the N physical structures min (ω i32),
The minimum value of omega i 31 in the N physical structures min (ω i31),
The maximum value of omega i32 among the N physical structure max (ω i32),
When the angular frequency of the first coherent light is ω p and the angular frequency of the first coherent light is ω c ,
The angular frequency of the first and second coherent lights is within a range satisfying the conditions of min (ω i31 ) <ω p <max (ω i31 ) and min (ω i32 ) <ω c <max (ω i32 ). A recording / reproducing apparatus comprising means for changing.
ωp −ωc をΔωとしたとき、前記光学系は、Δωが一定の条件で第1および第2のコヒーレント光の角周波数を変化させる手段を有することを特徴とする請求項5に記載の記録/再生装置。6. The optical system according to claim 5, wherein when ω p −ω c is Δω, the optical system includes means for changing the angular frequency of the first and second coherent light under a condition where Δω is constant. Recording / playback device. 前記固体は、その準位に電子が励起されると構造の変化を引き起こす第4の準位を有し、
前記光学系は、
前記第4の準位のエネルギーをhωi4/2π、
|ωi4−ωi1|をωi41 、|ωi4−ωi2|をωi42 ,|ωi4−ωi3|をωi43
前記N個の物理構造の中でωi41 の最大値をmax(ωi41 )、最小値をmin(ωi41 )、
前記N個の物理構造の中でωi42 の最大値をmax(ωi42 )、最小値をmin(ωi42 )、
前記N個の物理構造の中でωi43 の最大値をmax(ωi43 )、最小値をmin(ωi43 )、
第1のコヒーレント光のラビ周波数をΩp 、第2のコヒーレント光のラビ周波数をΩc としたときに、
Ωp <Ωc の場合には、
前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi41 )より大きくmax(ωi41 )より小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射し、
Ωp >Ωc の場合には、
前記記録媒体に、前記第1、前記第2のコヒーレント光、およびmin(ωi4 2 )よりも大きくmax(ωi42 )よりも小さい角周波数、またはmin(ωi43 )よりも大きくmax(ωi43 )よりも小さい角周波数を有する第3のコヒーレント光を照射する手段を有することを特徴とする請求項5に記載の記録/再生方法。
The solid has a fourth level that causes a structural change when electrons are excited to that level;
The optical system is
The energy of the fourth level is hω i4 / 2π,
| Ω i4 −ω i1 | to ω i41 , | ω i4 −ω i2 | to ω i42 , | ω i4 −ω i3 | to ω i43 ,
The N maximum values of omega i41 in the physical structure max (ω i41), the minimum value min (ω i41),
The N maximum values of omega i42 in the physical structure max (ω i42), the minimum value min (ω i42),
The N maximum values of omega i43 in the physical structure max (ω i43), the minimum value min (ω i43),
When the rabbi frequency of the first coherent light is Ω p and the rabbi frequency of the second coherent light is Ω c ,
If Ω pc ,
The recording medium includes the first and second coherent light beams and an angular frequency larger than min (ω i41 ) and smaller than max (ω i41 ), or larger than min (ω i43 ) and larger than max (ω i43 ). Irradiating a third coherent light having a small angular frequency;
If Ω p > Ω c ,
On the recording medium, said first, said second coherent light, and min smaller angular frequency than larger max (ω i42) than (omega i4 2) or min (omega i43) larger than max, (omega i43 6. The recording / reproducing method according to claim 5, further comprising means for irradiating a third coherent light having an angular frequency smaller than (2).
前記光学系は、前記記録媒体中における前記第1のコヒーレント光の吸収、および前記第1のコヒーレント光の吸収を介して生じる前記記録媒体の蛍光の少なくとも一方を計測する手段を有することを特徴とする請求項5、請求項6および請求項7のいずれか1項に記載の記録の記録/再生装置。The optical system has means for measuring at least one of absorption of the first coherent light in the recording medium and fluorescence of the recording medium generated through absorption of the first coherent light. The recording / reproducing apparatus for recording according to any one of claims 5, 6, and 7. |ωi2−ωi1|をωi21 としたときに、
N個の物理構造における(ωi31 ,ωi32 )の分布を変化させて前記記録媒体に情報を記録し、前記(ωi31 ,ωi32 )の分布または前記ωi21 の分布を検出して前記情報を再生することを特徴とする請求項5、請求項6および請求項7のいずれか1項に記載の記録の記録/再生装置。
When | ω i2 −ω i1 | is ω i21 ,
Information is recorded on the recording medium by changing the distribution of (ω i31 , ω i32 ) in the N physical structures, and the distribution of (ω i31 , ω i32 ) or the distribution of ω i21 is detected to detect the information. The recording / reproducing apparatus for recording according to claim 5, wherein the recording / reproducing apparatus is a recording / reproducing apparatus.
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