JP4670231B2 - Memory element, operation method thereof, arithmetic element, and arithmetic element integrated device - Google Patents

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Description

この発明は、記憶素子およびその動作方法ならびに演算素子およびその動作方法ならびに演算素子集積装置に関し、特に、新規な原理に基づいたものである。   The present invention relates to a memory element, an operation method thereof, an arithmetic element, an operation method thereof, and an arithmetic element integrated device, and is particularly based on a novel principle.

従来の演算素子において用いられてきた記憶素子は、SRAMやDRAM等に代表されるように、シリコンや化合物半導体からなる無機半導体基板上に微細加工を用いて作製されたトランジスタ構造を用いていた。しかしながら、無機半導体基板は硬直性を有している。また、化合物半導体の殆どはAsやSeといった毒性が高い成分を有する。このために、こうした記憶素子を内蔵することにより、製品の可撓性(フレキシビリティー)が失われ、また、廃棄時における環境汚染の危険性が高くなるという問題が生じていた。   A memory element used in a conventional arithmetic element uses a transistor structure manufactured by microfabrication on an inorganic semiconductor substrate made of silicon or a compound semiconductor, as represented by SRAM, DRAM, or the like. However, the inorganic semiconductor substrate has rigidity. Most compound semiconductors have highly toxic components such as As and Se. For this reason, by incorporating such a memory element, there has been a problem that the flexibility of the product is lost and the risk of environmental pollution at the time of disposal increases.

他の演算素子の可能性に関しては、従来型の古典的演算とは異なる原理に基づいた量子演算素子が提唱されている。これは、量子力学に特有な重ね合わせの原理を記憶素子に利用して、一種の超並列計算を行うものである。これにより、素因数分解やフーリエ変換等の演算をより高速に行うことができると期待されている。しかしながら、現在までに提案されている量子演算の実現手法としては、原子核のスピン状態を用いた核磁気共鳴(NMR)法、量子光学の測定手段を駆使したキャビティ量子電磁力学(QED)法、イオン・トラップ法等があるが、温度条件や装置構成等の観点から、いずれも日常的に用いるには簡便性に欠ける。また、演算素子を構成する材料は原子核、イオン、あるいは半導体へテロ構造に微細加工で作製された量子ドットであり、上で述べた製品の可撓性や環境負荷の問題も克服できない。   Regarding the possibility of other arithmetic elements, quantum arithmetic elements based on principles different from conventional classical arithmetic have been proposed. This is a kind of massively parallel calculation using the superposition principle peculiar to quantum mechanics as a memory element. Thereby, it is expected that operations such as prime factorization and Fourier transform can be performed at higher speed. However, the quantum computation methods that have been proposed so far include nuclear magnetic resonance (NMR) using the spin state of the nucleus, cavity quantum electrodynamics (QED) using the measurement means of quantum optics, ions, -There is a trap method etc., but from the viewpoint of temperature conditions and equipment configuration, none of them are easy to use on a daily basis. Further, the material constituting the arithmetic element is a quantum dot produced by microfabrication into an atomic nucleus, ion, or semiconductor heterostructure, and the above-mentioned problems of product flexibility and environmental load cannot be overcome.

一方、材料として無機物から有機物へ目を転ずると、1970年代中期に提案された、いわゆる分子エレクトロニクスは、従来の無機半導体技術とは異なる原理に基づく電子素子を実現することができると期待されている。無機半導体技術にない可能性の中では、例えばリソグラフィーによる微細加工を用いずとも、有機分子が自然と構造を作製する、いわゆる自己組織化によって、素子作製の工程が削減されるという点が期待されている。特に、上で述べたトランジスタに関しては、導電性の有機分子やカーボンナノチューブを用いた有機電界効果トランジスタの研究開発が精力的に続けられている。分子エレクトロニクスで材料に使われる有機分子は、柔らかく、環境負荷も低いという利点を有する。しかしながら、現在までのところ、有機分子と電極金属との接合の制御、有機分子の電極に対する配向の制御、印加電圧や発熱に対する有機分子の耐性等といった問題が解決されていない。このために、有機分子の電気伝導性を利用した素子は実用化が困難である。   On the other hand, when turning from inorganic materials to organic materials, so-called molecular electronics proposed in the mid-1970s is expected to be able to realize electronic devices based on principles different from conventional inorganic semiconductor technologies. . Among the possibilities not found in inorganic semiconductor technology, for example, it is expected that the steps of device fabrication will be reduced by so-called self-organization, in which organic molecules naturally create structures without using lithography microfabrication. ing. In particular, with regard to the above-described transistors, research and development of organic field effect transistors using conductive organic molecules and carbon nanotubes have been vigorously continued. Organic molecules used as materials in molecular electronics have the advantage of being soft and having a low environmental impact. However, to date, problems such as control of bonding between organic molecules and electrode metal, control of orientation of organic molecules with respect to electrodes, resistance of organic molecules to applied voltage and heat generation have not been solved. For this reason, it is difficult to put into practical use an element utilizing the electrical conductivity of organic molecules.

なお、有機分子のエネルギー準位間の電子的遷移を利用して論理演算を行う有機光素子が提案されており、具体例として例えば9,10−ジフェニルアントラセンの脱気シクロヘキサン溶液を光学セルに入れたものを用いたものが挙げられる(特許文献1)。また、感光性分子膜およびこの感光性分子膜に隣接して形成されこの感光性分子膜より電荷を受け取る作用を有する有機分子膜を備えた有機薄膜と、上記感光性分子膜中の感光性分子に吸収される波長領域の光の照射に伴い、感光性分子の励起により発生した電荷が、電荷を受け取る作用を有する有機分子へ遷移することにより生じる電荷分離状態を制御する手段とを有する有機光素子が提案されている(特許文献2)。
特開平8−114824号公報 特開平5−63255号公報
In addition, an organic optical element that performs a logical operation using an electronic transition between energy levels of organic molecules has been proposed. As a specific example, for example, a degassed cyclohexane solution of 9,10-diphenylanthracene is placed in an optical cell. The thing using the thing is mentioned (patent document 1). An organic thin film comprising a photosensitive molecular film and an organic molecular film formed adjacent to the photosensitive molecular film and having a function of receiving charges from the photosensitive molecular film, and the photosensitive molecules in the photosensitive molecular film Organic light having a means for controlling a charge separation state caused by transition of an electric charge generated by excitation of a photosensitive molecule to an organic molecule having a function of receiving electric charge with irradiation of light in a wavelength region absorbed by An element has been proposed (Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 8-114824 JP-A-5-63255

また、紅色光合成細菌において、複数のバクテリオクロロフィルより構成される2種類の環状構造が存在することが報告されている(非特許文献1)。また、ポルフィリン環状組織体の合成例が報告されている(非特許文献2)。
J. Bacter.,181(1999)3869 J. Am. Chem. Soc., 125 (2003)2372
In addition, in red photosynthetic bacteria, it has been reported that there are two types of cyclic structures composed of a plurality of bacteriochlorophylls (Non-patent Document 1). Moreover, the synthesis example of a porphyrin cyclic structure body is reported (nonpatent literature 2).
J. Bacter., 181 (1999) 3869 J. Am. Chem. Soc., 125 (2003) 2372

以上のように、これまでは、可撓性や環境親和性を持つ演算素子は提案されていなかった。
従って、この発明が解決しようとする課題は、可撓性や環境親和性を持つ演算素子および演算素子集積装置ならびにこれらを構成するのに用いて好適な記憶素子を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の演算素子および記憶素子の動作方法を提供することにある。
As described above, until now, no arithmetic element having flexibility and environmental compatibility has been proposed.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide an arithmetic element and an arithmetic element integrated device having flexibility and environmental compatibility, and a memory element suitable for use in configuring them.
Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for operating the arithmetic element and the memory element.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その概要について説明すると次のとおりである。
近年、有機分子の光機能性に関して注目されている。特に、光合成の反応中心ならびにアンテナ系の構造および機能に関して研究が進められており、その分子組織体の構造ならびにそこでの効果的な光エネルギー捕集および移動機能(光アンテナ機能)について明らかにされてきている。さらに、光合成反応中心の分子組織体を模倣して、ポルフィリン分子やフタロシアニン分子を用いた様々な分子組織体が合成されている。本発明者は、このような光アンテナ機能を有する有機分子組織体を用いて記憶素子を構成することにより、記憶内容の入出力を電磁波の照射により行うことができる新規な動作原理に基づく記憶素子を実現することができ、この記憶素子を演算素子に用いることにより、電磁波の照射により演算を行うことができる新規な演算素子を実現することができることを見出し、この発明を案出するに至ったものである。
The present inventor has intensively studied to solve the above problems. The outline will be described as follows.
In recent years, attention has been focused on the optical functionality of organic molecules. In particular, research on the reaction center of photosynthesis and the structure and function of the antenna system have been carried out, and the structure of the molecular organization and its effective optical energy collection and transfer function (optical antenna function) have been clarified. ing. Furthermore, various molecular structures using porphyrin molecules and phthalocyanine molecules have been synthesized by imitating the molecular structure of the photosynthetic reaction center. The present inventor has constructed a memory element using such an organic molecular structure having an optical antenna function, whereby a memory element based on a novel operating principle capable of inputting / outputting memory contents by irradiation of electromagnetic waves. It has been found that by using this memory element as an arithmetic element, a novel arithmetic element capable of performing an operation by irradiation with electromagnetic waves can be realized, and the present invention has been devised. Is.

すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第1の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成されている
ことを特徴とする記憶素子である。
That is, in order to solve the above problem, the first invention of the present invention is:
A memory element comprising an organic molecular organization having an optical antenna function.

この記憶素子においては、有機分子組織体に対する電磁波(例えば、レーザー光などの光)の照射により記憶内容の入出力を行うことができる。この記憶素子においては、典型的には、有機分子組織体が互いにエネルギーが異なる3つの量子状態を有する。これらの3つの量子状態は、典型的には、各々安定状態、準安定状態および不安定な励起状態であるか、各々安定状態、準安定状態および励起状態である。後者の場合は安定状態、準安定状態および励起状態がこの順に低いエネルギーを有し、好適には、安定状態と励起状態との間の遷移および準安定状態と励起状態との間の遷移が光学的に許容、かつ、安定状態と準安定状態との間の遷移が光学的に禁制または励起状態から安定状態への緩和時間および励起状態から準安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。   In this memory element, memory contents can be input / output by irradiating the organic molecular tissue with electromagnetic waves (for example, light such as laser light). In this memory element, typically, an organic molecular organization has three quantum states with different energies. These three quantum states are typically a stable state, a metastable state and an unstable excited state, respectively, or a stable state, a metastable state and an excited state, respectively. In the latter case, the stable state, metastable state and excited state have lower energy in this order, and preferably the transition between the stable state and the excited state and the transition between the metastable state and the excited state are optical. Transition time between the stable and metastable states is optically forbidden or sufficiently longer than the relaxation time from the excited state to the stable state and the relaxation time from the excited state to the metastable state. Have.

記憶素子の記憶内容の読み出しを行うため、記憶素子は上記の3つの量子状態以外に、安定状態および準安定状態よりも高いエネルギーを有する中間状態(上記の励起状態を第1中間状態とすると、第2中間状態)を有する。この場合、典型的には、安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、準安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制または第2中間状態から安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、あるいは、準安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制または第2中間状態から準安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。   In order to read out the memory content of the memory element, the memory element has an intermediate state having energy higher than that of the stable state and the metastable state in addition to the three quantum states (when the excited state is the first intermediate state, Second intermediate state). In this case, typically, the transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or the second intermediate state. A transition time sufficiently longer than the relaxation time from the state to the stable state, or the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and between the stable state and the second intermediate state. The transition between has an optically forbidden or transition time sufficiently longer than the relaxation time from the second intermediate state to the metastable state.

この発明の第2の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子の動作方法であって、
有機分子組織体に対する電磁波の照射により記憶内容の入出力を行う
ことを特徴とするものである。
この第2の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して述べたことが成立する。
The second invention of this invention is:
An operation method of a memory element constituted by an organic molecular organization having an optical antenna function,
The memory contents are input and output by irradiating the organic molecular structure with electromagnetic waves.
In the second invention, what has been described in relation to the first invention is valid as long as it is not contrary to the nature of the invention.

この発明の第3の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子が複数配列されてなる
ことを特徴とする演算素子である。
The third invention of the present invention is:
An arithmetic element comprising a plurality of memory elements arranged with an organic molecular organization having an optical antenna function.

この演算素子においては、記憶素子を構成する有機分子組織体に対する電磁波の照射により演算を行うことができる。この場合、複数の記憶素子間に電磁気的相互作用が働く。この電磁気的相互作用の結果、これらの複数の記憶素子は、互いの状態に依存して記憶内容の入出力に要する電磁波の周波数がシフトする。   In this computing element, computation can be performed by irradiating the organic molecular tissue constituting the memory element with electromagnetic waves. In this case, an electromagnetic interaction works between the plurality of storage elements. As a result of this electromagnetic interaction, the frequency of electromagnetic waves required for inputting / outputting the stored contents of these plurality of storage elements shifts depending on the state of each other.

この発明の第4の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子を用いた演算素子の動作方法であって、
有機分子組織体に対する電磁波の照射により演算を行う
ことを特徴とするものである。
The fourth invention of the present invention is:
An operation method of an arithmetic element using a memory element composed of an organic molecular organization having an optical antenna function,
The calculation is performed by irradiating the organic molecular structure with electromagnetic waves.

この発明の第5の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子が複数配列されてなる演算素子が複数配列されて集積化されてなる
ことを特徴とする演算素子集積装置である。
第3〜第5の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して述べたことが成立する。
The fifth invention of the present invention is:
An arithmetic element integrated device comprising a plurality of arithmetic elements in which a plurality of memory elements each composed of an organic molecular organization having an optical antenna function are arranged and integrated.
In the third to fifth inventions, what has been described in relation to the first invention is valid as long as it is not contrary to the nature thereof.

上述のように構成されたこの発明によれば、有機分子組織体は柔軟性に優れ、環境負荷も少ない。   According to the present invention configured as described above, the organic molecular structure is excellent in flexibility and has a low environmental load.

この発明によれば、柔軟性に優れ、環境負荷も少ない有機分子組織体を用いることで、光などの電磁波の照射によって記憶内容の入出力を容易に行うことができ、しかも可撓性や環境親和性を併せ持つ記憶素子を得ることができ、この記憶素子を用いて、光などの電磁波の照射によって演算を容易に行うことができ、しかも可撓性や環境親和性を併せ持つ演算素子を得ることができる。   According to the present invention, by using an organic molecular structure that is excellent in flexibility and has a low environmental load, it is possible to easily input and output stored contents by irradiation of electromagnetic waves such as light, and the flexibility and environment. A memory element having an affinity can be obtained. By using this memory element, an arithmetic element can be easily performed by irradiation of electromagnetic waves such as light, and an arithmetic element having flexibility and environmental compatibility can be obtained. Can do.

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1はこの実施形態による2値の記憶素子のエネルギー準位(3準位系)を示す。図1において、|0〉は安定状態(基底状態)、|1〉は準安定状態、|2〉は中間状態で励起状態である。状態|0〉と状態|2〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(02)、状態|1〉と状態|2〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(12)と表記し、ω(02)>ω(12)とする。また、状態|2〉から状態|0〉への緩和時間はτ(20)、状態|2〉から状態|1〉への緩和時間はτ(21)である。ここで、安定状態|0〉と中間状態|2〉との間の遷移、および、準安定状態|1〉と中間状態|2〉との間の遷移は光学的に許容、安定状態|0〉と準安定状態|1〉との間の遷移は光学的に禁制か、あるいは、上記の2つの緩和時間(順にτ(20)、τ(21))よりも十分長い遷移時間を有する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows energy levels (three-level system) of a binary storage element according to this embodiment. In FIG. 1, | 0> is a stable state (ground state), | 1> is a metastable state, and | 2> is an intermediate state and an excited state. The frequency corresponding to the energy difference between the state | 0> and the state | 2> is ω (02), and the frequency corresponding to the energy difference between the state | 1> and the state | 2> is ω (12). And ω (02)> ω (12). The relaxation time from the state | 2> to the state | 0> is τ (20), and the relaxation time from the state | 2> to the state | 1> is τ (21). Here, the transition between the stable state | 0> and the intermediate state | 2> and the transition between the metastable state | 1> and the intermediate state | 2> are optically acceptable, and the stable state | 0>. And the metastable state | 1> are optically forbidden or have transition times sufficiently longer than the above two relaxation times (in order τ (20), τ (21)).

次に、記憶素子の状態を記憶内容に対応付ける。記憶内容の操作、すなわち入出力は、個々の記憶素子を構成する有機分子組織体に対する電磁波(例えば、パルスレーザー光)の照射により行う。以下、状態の書き込み方法について説明する。
まず、記憶内容を|0〉にする場合、すなわち|0〉を書き込む場合は、周波数ω(12)の電磁波を、τ(20)より長い時間照射する。初期状態が|0〉であれば、ω(02)>ω(12)であるため遷移は生じず、状態|0〉が保たれる。初期状態が|1〉であれば、状態はいったん中間状態である|2〉に遷移し、その後に状態|0〉へと緩和する。どちらの場合でも、最終状態は|0〉になる。すなわち、|0〉が書き込まれる。
Next, the state of the storage element is associated with the stored content. Manipulation of stored contents, that is, input / output, is performed by irradiating an organic molecular organization constituting each storage element with an electromagnetic wave (for example, pulsed laser light). Hereinafter, a state writing method will be described.
First, when the stored content is set to | 0>, that is, when | 0> is written, the electromagnetic wave having the frequency ω (12) is irradiated for a time longer than τ (20). If the initial state is | 0>, since ω (02)> ω (12), no transition occurs and the state | 0> is maintained. If the initial state is | 1>, the state once transits to the intermediate state | 2> and then relaxes to the state | 0>. In either case, the final state is | 0>. That is, | 0> is written.

次に、記憶内容を|1〉にする場合、すなわち|1〉を書き込む場合は、上記と同様にして、周波数ω(02)の電磁波を、τ(21)より長い時間照射する。このとき、初期状態が|0〉であれば、状態はいったん中間状態である|2〉に遷移し、その後に状態|1〉へと緩和する。初期状態が|1〉であれば、ω(02)>ω(12)であるため遷移は生じず、状態|1〉が保たれる。どちらの場合でも、最終状態は|1〉になる。すなわち、|1〉が書き込まれる。   Next, when the stored content is set to | 1>, that is, when | 1> is written, the electromagnetic wave having the frequency ω (02) is irradiated for a time longer than τ (21) in the same manner as described above. At this time, if the initial state is | 0>, the state temporarily transitions to the intermediate state | 2> and then relaxes to the state | 1>. If the initial state is | 1>, since ω (02)> ω (12), no transition occurs and the state | 1> is maintained. In either case, the final state is | 1>. That is, | 1> is written.

次に、この演算素子の演算処理機構について説明する。
ここでは、簡単のため、2つの記憶素子を互いに隣接して配列した演算素子の演算処理について説明するが、原理的に、より多くの記憶素子で構成される演算素子においても同様の演算処理が可能である。
図2は互いに隣接する2つの記憶素子のエネルギー準位を示す。以下では両記憶素子は互いに同一であるとするが、両記憶素子が互いに異なる場合でも、用意する電磁波の周波数の種類が増えることを除いて、本質的には同じである。
Next, the arithmetic processing mechanism of this arithmetic element will be described.
Here, for the sake of simplicity, calculation processing of an arithmetic element in which two storage elements are arranged adjacent to each other will be described. However, in principle, similar arithmetic processing can be performed even in an arithmetic element composed of more storage elements. Is possible.
FIG. 2 shows the energy levels of two storage elements adjacent to each other. In the following description, both storage elements are the same as each other. However, even if both storage elements are different from each other, they are essentially the same except that the types of prepared electromagnetic wave frequencies are increased.

説明の便宜のため、2つの記憶素子をA,Bと名づける。A,Bの状態を|AB〉のように表記する。例えば、Aが|0〉、Bが|1〉にある状態は|01〉と表記する。
この場合、記憶素子A,B間に電磁的相互作用(例えば双極子相互作用)が働く結果、一方の記憶素子における各状態の準位は、他方の記憶素子の状態に依存してシフトする。状態|jk〉と状態|2k〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(j2,k)、状態|jk〉と状態|j2〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(j,k2)と書く(ただし、j,k=1,2)。上記の相互作用の結果、ω(j2,0)≠ω(j2,1)、ω(0,k2)≠ω(1,k2)となる。
状態の書き込みを行うためには、例えば記憶素子Aを|0〉にする場合、周波数ω(12,0)およびω(12,1)の電磁波を、τ(20)より長い時間照射する。その他の状態の書き込みも同様に行うことができる。
For convenience of explanation, the two storage elements are named A and B. The state of A and B is expressed as | AB>. For example, a state where A is | 0> and B is | 1> is expressed as | 01>.
In this case, as a result of the electromagnetic interaction (for example, dipole interaction) acting between the storage elements A and B, the level of each state in one storage element shifts depending on the state of the other storage element. The frequency corresponding to the energy difference between the state | jk> and the state | 2k> is ω (j2, k), and the frequency corresponding to the energy difference between the state | jk> and the state | j2> is ω (j , K2) (where j, k = 1, 2). As a result of the above interaction, ω (j2,0) ≠ ω (j2,1), ω (0, k2) ≠ ω (1, k2).
In order to write the state, for example, when the memory element A is set to | 0>, electromagnetic waves having the frequencies ω (12, 0) and ω (12, 1) are irradiated for a time longer than τ (20). Writing in other states can be performed in the same manner.

次に、この演算素子による演算の例を説明する。ここでは記憶素子A,Bの状態を入力とし、処理後のAの状態が出力となるような演算処理を考えるが、Bの状態を出力としても同様である。以下、AとBとの積(A・B)、AとBとの和(A+B)、Aの否定(Aバー)、Bの否定(Bバー)について説明する。これらの演算を組み合わせることで、様々な演算が可能となる。   Next, an example of calculation by this calculation element will be described. Here, an arithmetic process in which the states of the storage elements A and B are input and the state of A after processing is output is considered, but the same applies to the case where the state of B is output. Hereinafter, the product of A and B (A · B), the sum of A and B (A + B), the negation of A (A bar), and the negation of B (B bar) will be described. Various operations can be performed by combining these operations.

まず、積A・Bの演算は、ω(12,0)をτ(20)より長い時間照射することで実現することができる。この場合、状態|00〉、|01〉および|11〉は遷移を起こさないので、AにはそのままA・Bの結果がそれぞれ出力される。また、状態|10〉はいったん状態|20〉に遷移を起こし、状態|00〉へと緩和する。その結果、Aには積A・Bの結果である「0」が出力されることになる。同様に、和A+Bの演算に関しては、周波数ω(02,1)の電磁波の照射を、τ(21)より長い時間行えばよい。   First, the calculation of the product A · B can be realized by irradiating ω (12,0) for a longer time than τ (20). In this case, since the states | 00>, | 01>, and | 11> do not cause a transition, the results of A and B are output to A as they are. State | 10> once makes a transition to state | 20> and relaxes to state | 00>. As a result, “0”, which is the result of the product A · B, is output to A. Similarly, regarding the calculation of the sum A + B, the electromagnetic wave having the frequency ω (02,1) may be irradiated for a time longer than τ (21).

次に、否定演算について説明する。まず、Bバーの演算を行うには、周波数ω(02,0)およびω(12,1)の電磁波を、τ(21)およびτ(20)の両方より長い時間照射すればよい。この結果、状態|01〉および|10〉はそのままの状態を保つ一方、最終的に、状態|00〉は状態|10〉に、状態|11〉は状態|01〉に移るので、どの初期状態に対してもBバーがAに出力される。   Next, a negative operation will be described. First, in order to perform the calculation of the B bar, electromagnetic waves having frequencies ω (02, 0) and ω (12, 1) may be irradiated for a time longer than both τ (21) and τ (20). As a result, the states | 01> and | 10> remain as they are, while the state | 00> is finally moved to the state | 10> and the state | 11> is moved to the state | 01>. B bar is also output to A.

次に、Aバーの演算は以下のように行う。まず、周波数ω(1,02)およびω(0,12)の電磁波を、τ(21)およびτ(20)の両方より長い時間照射する。この操作により、状態|00〉および|01〉はともに状態|00〉に、状態|10〉および|11〉はともに状態|11〉に移る。次に、周波数ω(02,0)およびω(12,1)の電磁波を、τ(21)およびτ(20)の両方より長い時間照射する。この結果、状態|00〉は状態|10〉に、状態|11〉は状態|01〉に移る。最終的に、どの初期状態に対してもAバーがAに出力される。   Next, the calculation of A bar is performed as follows. First, electromagnetic waves having frequencies ω (1,02) and ω (0,12) are irradiated for a longer time than both τ (21) and τ (20). By this operation, both the states | 00> and | 01> move to the state | 00>, and the states | 10> and | 11> both move to the state | 11>. Next, electromagnetic waves with frequencies ω (02, 0) and ω (12, 1) are irradiated for a longer time than both τ (21) and τ (20). As a result, the state | 00> moves to the state | 10>, and the state | 11> moves to the state | 01>. Eventually, A bar is output to A for any initial state.

最後に、記憶状態の読み出しについて説明する。この目的のためには、記憶素子は、上記の中間状態に加えて、もうひとつの中間状態(以下、第2中間状態とよぶ)を有することが必要となる。この第2中間状態は次の条件を満たしていることが要求される。すなわち、安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、準安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは第2中間状態から安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、準安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、安定状態と第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは第2中間状態から準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。以下、前者の場合を例にとって説明するが、後者の場合も本質的に同様である。以下の説明では1個の記憶素子について扱うが、相互作用のために準位がシフトしている場合に対しては、説明文中で現れる周波数を適宜シフトした値に読み替えることとする。   Finally, reading of the storage state will be described. For this purpose, the memory element needs to have another intermediate state (hereinafter referred to as a second intermediate state) in addition to the above intermediate state. This second intermediate state is required to satisfy the following conditions. That is, the transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or from the second intermediate state to the stable state. Has a transition time sufficiently longer than the relaxation time, or the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the stable state and the second intermediate state is optical The transition time is sufficiently longer than the relaxation time of the transition from the forbidden or second intermediate state to the metastable state. Hereinafter, the former case will be described as an example, but the latter case is essentially the same. In the following description, one memory element is dealt with. However, when the level is shifted due to interaction, the frequency appearing in the explanatory text is read as a value shifted appropriately.

図3は第2中間状態も含めたエネルギー準位を示す。|3〉は第2中間状態である。状態|0〉と状態|3〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(03)、状態|1〉と状態|3〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω(13)と書く。この場合、ω(02)≠ω(03)、ω(12)≠ω(13)であることが要求される。図3ではω(02)<ω(03)、ω(12)<ω(13)となっているが、不等号の向きが逆であっても、以下で説明する読み出し操作は同様に可能である。   FIG. 3 shows energy levels including the second intermediate state. | 3> is the second intermediate state. The frequency corresponding to the energy difference between the state | 0> and the state | 3> is ω (03), and the frequency corresponding to the energy difference between the state | 1> and the state | 3> is ω (13). write. In this case, it is required that ω (02) ≠ ω (03) and ω (12) ≠ ω (13). In FIG. 3, ω (02) <ω (03) and ω (12) <ω (13) are satisfied. However, even if the direction of the inequality sign is reversed, the read operation described below is possible in the same manner. .

記憶素子の記憶内容の読み出しは次のようにして行う。
記憶素子の状態が|0〉にあるか|1〉にあるかを読み出すためには、記憶素子に周波数ω(03)の電磁波を照射する。初期状態が|0〉にある場合、状態はいったん|3〉に遷移する。その後再び状態|0〉へと遷移するが、同時に周波数ω(03)の蛍光を放出する。一方、初期状態が|1〉にある場合は、遷移は起こらず、状態|1〉が保持される。したがって、電磁波照射後に周波数ω(03)の蛍光が放出されるか否かを測定することにより、記憶状態を読み出すことができる。また、読み出し後の状態も読み出し前と同じに保たれている。
Reading the stored contents of the storage element is performed as follows.
In order to read out whether the state of the memory element is | 0> or | 1>, the memory element is irradiated with an electromagnetic wave having a frequency ω (03). If the initial state is at | 0>, the state once transitions to | 3>. Thereafter, the state transits again to the state | 0>, but at the same time, the fluorescence of the frequency ω (03) is emitted. On the other hand, when the initial state is | 1>, no transition occurs and the state | 1> is maintained. Therefore, the memory state can be read out by measuring whether or not the fluorescence having the frequency ω (03) is emitted after the electromagnetic wave irradiation. The state after reading is also kept the same as before reading.

この一実施形態においては、上記の2値記憶素子を構成するのに必要な3準位系(読み出しに必要な中間状態を含めると4準位系)を実現するために、光アンテナ機能を有する有機分子組織体を利用する。光合成の初期過程に携わる色素分子と蛋白質との複合体(いわゆるアンテナ系)の立体構造が1990年代中期にX線解析により明らかにされた。アンテナ系は、効果的な光エネルギー捕集および反応中心へのエネルギー移動機能(いわゆる光アンテナ機能)を有するが、こうした機能と構造との関係について研究が進められている。また、アンテナ系の構造に動機を得て、人工的に光機能を有する有機分子組織体を合成する試みも多く行われている。   In this embodiment, an optical antenna function is provided to realize a three-level system (four-level system including an intermediate state necessary for reading) necessary for configuring the above-described binary storage element. Use organic molecular organization. The three-dimensional structure of a complex of dye molecules and proteins (so-called antenna system) involved in the initial process of photosynthesis was revealed by X-ray analysis in the mid-1990s. The antenna system has an effective optical energy collection and energy transfer function to the reaction center (so-called optical antenna function), and research is being conducted on the relationship between such function and structure. In addition, many attempts have been made to synthesize an organic molecular organization having an optical function artificially with the motivation of the antenna system structure.

上記のアンテナ機能を有する有機分子組織体としては、例えば、バクテリオクロロフィルあるいはクロロフィル等の色素分子と、これを支持する蛋白質とにより構成されたものを用いる。色素分子はポルフィリンを基本としている。ポルフィリンは正方形様の骨格を有する有機分子であり、面内で互いに直交する2つの遷移双極子モーメントを有する。原初的な光合成系である紅色光合成細菌においては、複数のバクテリオクロロフィルより構成される2種類の環状構造が存在する。そのひとつはLHIとよばれ、反応中心を囲んでいる。もうひとつはLHIIとよばれ、LHIの周辺に衛星状に配列している。LHIIはさらに内外2種類の環状構造から成る。LHIIの内側の環状構造においては、18個のバクテリオクロロフィルが円周上にほぼ等間隔で並んでいる(非特許文献1)。各々のバクテリオクロロフィルは、ポルフィリン部分の法線が円周の動径方向を向くように配列されており、遷移双極子モーメントの一方は円の接線に平行である。これらの遷移双極子モーメントの間には双極子相互作用が働くため、LHII内環の励起状態は、個々のポルフィリンの独立な励起状態とはならず、これらの線形結合(いわゆる励起子状態)となる。   As the organic molecular tissue having the antenna function, for example, a structure composed of a dye molecule such as bacteriochlorophyll or chlorophyll and a protein supporting the same is used. The dye molecule is based on porphyrin. Porphyrin is an organic molecule having a square-like skeleton, and has two transition dipole moments orthogonal to each other in a plane. In the red photosynthetic bacterium which is a primitive photosynthetic system, there are two kinds of cyclic structures composed of a plurality of bacteriochlorophylls. One of them is called LHI and surrounds the reaction center. The other is called LHII, which is arranged in a satellite pattern around LHI. LHII further comprises two types of internal and external ring structures. In the annular structure inside LHII, 18 bacteriochlorophylls are arranged on the circumference at almost equal intervals (Non-patent Document 1). Each bacteriochlorophyll is arranged so that the normal of the porphyrin portion faces the radial direction of the circumference, and one of the transition dipole moments is parallel to the tangent of the circle. Since a dipole interaction works between these transition dipole moments, the excited state of the LHII inner ring does not become an independent excited state of each porphyrin, but a linear combination (so-called exciton state) Become.

上記の円周状に配列された遷移双極子モーメントより成る系で、どのような励起子状態が実現するかを説明する。図4Aはこの系の模式図であり、図中の各矢印は円周上に等間隔に並んだ遷移双極子モーメントを表す。これらの遷移双極子モーメントは互いに大きさが等しく、それらの向きは円周の接線に平行である。図4Aは8個の遷移双極子モーメントの系を表しているが、以下に述べることは、任意の個数(以下、Nとする)の遷移双極子モーメントの系に対して成立する。   A description will be given of what exciton states are realized in the system composed of the above-described circumferentially arranged transition dipole moments. FIG. 4A is a schematic diagram of this system, and each arrow in the figure represents transition dipole moments arranged at equal intervals on the circumference. These transition dipole moments are equal in magnitude and their orientation is parallel to the circumferential tangent. Although FIG. 4A shows a system of eight transition dipole moments, what follows is valid for any number (hereinafter referred to as N) of systems of transition dipole moments.

ここでは、簡単のため、隣接遷移双極子モーメント間の相互作用のみを考慮する。双極子相互作用の大きさは双極子間の距離の6乗に反比例するので、励起状態の形成に最も寄与するのは最近接遷移双極子モーメント間の相互作用である。このとき、励起状態は次式のように、個別の励起状態の線形結合で表現される。

Figure 0004670231
ここに、
Figure 0004670231
はそれぞれj番目の遷移双極子の励起状態、μ番目の励起子状態および係数である。上で述べたように、最近接の遷移双極子モーメント間の相互作用のみを考慮すると、問題は周期境界条件下での連成振動子の問題と等価となり、上式の係数は、円周方向に離散的な波数を持つ正弦関数あるいは余弦関数で表される。離散的な波数に由来する節の数に対応して、励起状態のエネルギー準位および光学的性質も変化する。節の数が多くなるほど、エネルギー準位が高くなる。以下、便宜のため、エネルギー準位の低い励起子状態から順に第1励起子状態、第2励起子状態、…と名づける。また、基底状態から励起子状態への遷移双極子モーメントは、環状組織体のサイズは数十〜数百オングストロームのオーダーであり、照射する電磁波の電磁場は全ての遷移双極子と同位相で相互作用するため、次式で与えられる。
Figure 0004670231
ここに、
Figure 0004670231
は、それぞれj番目の遷移双極子モーメント、μ番目の励起子状態の遷移双極子モーメントである。 Here, for simplicity, only the interaction between adjacent transition dipole moments is considered. Since the magnitude of the dipole interaction is inversely proportional to the sixth power of the distance between the dipoles, it is the interaction between the closest transition dipole moments that contributes most to the formation of the excited state. At this time, the excited state is expressed by a linear combination of individual excited states as in the following equation.
Figure 0004670231
here,
Figure 0004670231
Are the excited state, the μth exciton state and the coefficient of the jth transition dipole, respectively. As mentioned above, considering only the interaction between the nearest transition dipole moments, the problem is equivalent to the problem of a coupled oscillator under periodic boundary conditions. Is expressed as a sine function or cosine function with a discrete wave number. Corresponding to the number of nodes derived from discrete wave numbers, the energy levels and optical properties of the excited states also change. The higher the number of nodes, the higher the energy level. Hereinafter, for convenience, the first exciton state, the second exciton state, and so on are named in order from the exciton state having the lowest energy level. In addition, the transition dipole moment from the ground state to the exciton state is the order of several tens to several hundred angstroms in the size of the ring structure, and the electromagnetic field of the radiated electromagnetic wave interacts with all the transition dipoles in the same phase. Is given by the following equation.
Figure 0004670231
here,
Figure 0004670231
Are the j-th transition dipole moment and the μ-th exciton state transition dipole moment, respectively.

励起子状態のいくつかの例を図4B〜図4Fに示す。図4Bは節のない励起子状態である。これは第1励起子状態である。また、基底状態からの遷移双極子モーメントはゼロである。第2励起子状態は2状態が縮退している。これらを図4Cおよび図4Dに示す。節の数は2個である。また、互いに直交する有限の大きさの遷移双極子モーメントを持つ。   Some examples of exciton states are shown in FIGS. 4B-4F. FIG. 4B shows the exciton state without a node. This is the first exciton state. Moreover, the transition dipole moment from the ground state is zero. In the second exciton state, two states are degenerated. These are shown in FIGS. 4C and 4D. The number of nodes is two. Moreover, it has a transition dipole moment of a finite size orthogonal to each other.

図4Eおよび図4Fの励起子状態は、それぞれ節の数が4つと8つであり、ともに遷移双極子モーメントはゼロである。同様に遷移双極子モーメントを計算することにより、一般に、有限の大きさの遷移双極子モーメントを持つ励起子状態は第2励起子状態のみであることが明らかである。   The exciton states of FIGS. 4E and 4F have 4 and 8 nodes, respectively, and the transition dipole moment is zero. Similarly, by calculating the transition dipole moment, it is clear that in general, the exciton state having a finite magnitude transition dipole moment is only the second exciton state.

この一実施形態においては、上で述べた環状組織体の基底状態および励起子状態を用いて記憶素子を構成し、この記憶素子を複数配列して演算素子を構成する。すなわち、上記の記憶素子の説明における状態|0〉を基底状態、状態|1〉を第1励起状態、状態|2〉を第2励起状態のどちらか、あるいはそれらの線形結合として用いればよい。また、読み出しに関しては、さらに別の励起子状態を中間状態(第2中間状態)として利用することができる。
上記のアンテナ機能を有する有機分子組織体の具体例を挙げると、図5に示すような、合成されたポルフィリン環状組織体である(非特許文献2)。
In this embodiment, a memory element is configured using the ground state and exciton state of the annular structure described above, and an arithmetic element is configured by arranging a plurality of the memory elements. That is, the state | 0> in the above description of the memory element may be used as the ground state, the state | 1> as the first excited state, the state | 2> as the second excited state, or a linear combination thereof. In addition, regarding the reading, another exciton state can be used as an intermediate state (second intermediate state).
If the specific example of the organic molecular structure which has said antenna function is given, it will be a synthetic | combination porphyrin cyclic structure as shown in FIG. 5 (nonpatent literature 2).

以上のように、この一実施形態によれば、柔軟性に優れ、環境負荷も少ない有機分子組織体により記憶素子を構成し、この記憶素子を複数配列して演算素子を構成していることにより、可撓性や環境親和性を併せ持つ記憶素子および演算素子を得ることができる。また、この記憶素子は、光などの電磁波の照射によって記憶内容の入出力を容易に行うことができる。また、この演算素子は、同じく光などの電磁波の照射によって演算を容易に行うことができる。これらの記憶素子および演算素子は情報処理に好適に用いることができる。   As described above, according to this embodiment, the memory element is constituted by the organic molecular organization that is excellent in flexibility and has little environmental load, and the arithmetic element is constituted by arranging a plurality of the memory elements. In addition, a memory element and an arithmetic element having both flexibility and environmental compatibility can be obtained. In addition, this storage element can easily input and output stored contents by irradiation with electromagnetic waves such as light. In addition, this arithmetic element can be easily operated by irradiation with electromagnetic waves such as light. These memory elements and arithmetic elements can be suitably used for information processing.

以上、この発明の一実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値や構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値や構成などを用いてもよい。
The embodiment of the present invention has been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
For example, the numerical values and configurations described in the above embodiments are merely examples, and different numerical values and configurations may be used as necessary.

この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための3準位系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the 3 level system for demonstrating the principle of operation | movement of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための隣接する2個の3準位系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows two adjacent 3 level systems for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための4準位系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the 4 level system for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the system which consists of the transition dipole moment arranged in the annular | circular shape for demonstrating the operating principle of the memory element by one Embodiment of this invention. この発明の一実施形態による記憶素子において用いられるアンテナ機能を有する有機分子組織体の具体例としてのポルフィリン環状組織体を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the porphyrin cyclic structure as a specific example of the organic molecular structure which has an antenna function used in the memory element by one Embodiment of this invention.

Claims (12)

光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、Consists of an organic molecular organization having an optical antenna function,
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる4つの量子状態を有し、The organic molecular organization has four quantum states with different energies,
上記4つの量子状態は安定状態、準安定状態、第1中間状態および第2中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第2中間状態および上記第1中間状態の順に低いエネルギーを有し、The four quantum states are a stable state, a metastable state, a first intermediate state, and a second intermediate state, and lower energy in the order of the stable state, the metastable state, the second intermediate state, and the first intermediate state. Have
上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、The transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or from the second intermediate state to the above A transition time sufficiently longer than the relaxation time to the stable state, or a transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the stable state and the second intermediate state The transition between and optically forbidden or has a transition time sufficiently longer than the relaxation time of the transition from the second intermediate state to the metastable state,
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the stable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the metastable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the stable state. Irradiate for a longer time than the relaxation time to
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the metastable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the stable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the metastable state. Irradiate for longer than the relaxation time to the state,
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子。When the stored content is read, the organic molecular tissue is irradiated with an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the energy difference between the stable state and the second intermediate state, and between the stable state and the second intermediate state. A memory element that measures whether or not fluorescence having a frequency corresponding to an energy difference between the two is emitted.
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項1記載の記憶素子。The memory element according to claim 1, wherein the organic molecular organization has a cyclic structure. 上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項2記載の記憶素子。The memory element according to claim 2, wherein the organic molecular organization is a porphyrin cyclic organization. 光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、Consists of an organic molecular organization having an optical antenna function,
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる4つの量子状態を有し、The organic molecular organization has four quantum states with different energies,
上記4つの量子状態は安定状態、準安定状態、第1中間状態および第2中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第2中間状態および上記第1中間状態の順に低いエネルギーを有し、The four quantum states are a stable state, a metastable state, a first intermediate state, and a second intermediate state, and lower energy in the order of the stable state, the metastable state, the second intermediate state, and the first intermediate state. Have
上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する記憶素子の記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、The transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or from the second intermediate state to the above A transition time sufficiently longer than the relaxation time to the stable state, or a transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the stable state and the second intermediate state The transition between the optical element is optically forbidden or the storage content of the memory element having a transition time sufficiently longer than the relaxation time of the transition from the second intermediate state to the metastable state is set to the stable state, Irradiating the organic molecular structure with electromagnetic waves having a frequency corresponding to an energy difference between the metastable state and the first intermediate state for a time longer than the relaxation time from the first intermediate state to the stable state;
上記記憶素子の記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the storage content of the memory element is to be in the metastable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the stable state and the first intermediate state is transmitted to the organic molecular organization in the first intermediate state. Irradiation for a time longer than the relaxation time from the metastable state to
上記記憶素子の記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子の動作方法。When reading the memory content of the storage element, the organic molecular tissue is irradiated with an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the stable state and the second intermediate state, and the stable state and the second intermediate state are irradiated. A method for operating a storage element, wherein whether or not fluorescence having a frequency corresponding to an energy difference between states is emitted is measured.
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項4載の記憶素子の動作方法。5. The method of operating a memory element according to claim 4, wherein the organic molecular organization has a ring structure. 上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項5記載の記憶素子の動作方法。6. The operation method of a memory element according to claim 5, wherein the organic molecular organization is a porphyrin cyclic organization. 光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、Consists of an organic molecular organization having an optical antenna function,
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる4つの量子状態を有し、The organic molecular organization has four quantum states with different energies,
上記4つの量子状態は安定状態、準安定状態、第1中間状態および第2中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第2中間状態および上記第1中間状態の順に低いエネルギーを有し、The four quantum states are a stable state, a metastable state, a first intermediate state, and a second intermediate state, and lower energy in the order of the stable state, the metastable state, the second intermediate state, and the first intermediate state. Have
上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、The transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or from the second intermediate state to the above A transition time sufficiently longer than the relaxation time to the stable state, or a transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the stable state and the second intermediate state The transition between and optically forbidden or has a transition time sufficiently longer than the relaxation time of the transition from the second intermediate state to the metastable state,
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the stable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the metastable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the stable state. Irradiate for a longer time than the relaxation time to
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the metastable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the stable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the metastable state. Irradiate for longer than the relaxation time to the state,
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子が複数配列されてなる演算素子。When the stored content is read, the organic molecular tissue is irradiated with an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the energy difference between the stable state and the second intermediate state, and between the stable state and the second intermediate state. An arithmetic element in which a plurality of storage elements are arranged to measure whether or not fluorescence having a frequency corresponding to the energy difference is emitted.
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項7記載の演算素子。The arithmetic element according to claim 7, wherein the organic molecular organization has a cyclic structure. 上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項8記載の演算素子。The arithmetic element according to claim 8, wherein the organic molecular organization is a porphyrin cyclic organization. 光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、Consists of an organic molecular organization having an optical antenna function,
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる4つの量子状態を有し、The organic molecular organization has four quantum states with different energies,
上記4つの量子状態は安定状態、準安定状態、第1中間状態および第2中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第2中間状態および上記第1中間状態の順に低いエネルギーを有し、The four quantum states are a stable state, a metastable state, a first intermediate state, and a second intermediate state, and lower energy in the order of the stable state, the metastable state, the second intermediate state, and the first intermediate state. Have
上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第2中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第2中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、The transition between the stable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the transition between the metastable state and the second intermediate state is optically forbidden or from the second intermediate state to the above A transition time sufficiently longer than the relaxation time to the stable state, or a transition between the metastable state and the second intermediate state is optically acceptable, and the stable state and the second intermediate state The transition between and optically forbidden or has a transition time sufficiently longer than the relaxation time of the transition from the second intermediate state to the metastable state,
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the stable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the metastable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the stable state. Irradiate for a longer time than the relaxation time to
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第1中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第1中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、When the stored content is set to the metastable state, an electromagnetic wave having a frequency corresponding to an energy difference between the stable state and the first intermediate state is transferred from the first intermediate state to the metastable state. Irradiate for longer than the relaxation time to the state,
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第2中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子が複数配列されてなる演算素子が複数配列されて集積化されてなる演算素子集積装置。When the stored content is read, the organic molecular tissue is irradiated with an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the energy difference between the stable state and the second intermediate state, and between the stable state and the second intermediate state. An arithmetic element integrated apparatus in which a plurality of arithmetic elements each including a plurality of storage elements arranged to measure whether or not fluorescence having a frequency corresponding to the energy difference is emitted is integrated.
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項10記載の演算素子集積装置。The arithmetic element integrated device according to claim 10, wherein the organic molecular organization has a ring structure. 上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項11記載の演算素子集積装置。The arithmetic element integrated device according to claim 11, wherein the organic molecular organization is a porphyrin cyclic organization.
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