【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子スケールまたは近原子スケール（near-atomic-scale）の構造を使用する中央プロセッサのデータ素子及び論理素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のコンピュータでは、電荷の有無でデータを記憶する２進言語の０及び１を表す。 量子コンピュータでは、個々の粒子または粒子のクラスタのエネルギ順位が情報を表す。 量子力学によれば、こうしたエネルギ順位は不連続な状態である。 従って、基底またはダウン状態が０を表し、励起またはアップ状態が１を表す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在、原子スケールまたは近原子スケールの構造を使用する中央プロセッサの満足すべきデータ素子及び論理素子が、物理的に具現化されていない。 こうした具現化が、既存の半導体トランジスタ技術により生成されうるプロセッサよりも、小型で高速なものを生成するために必要とされる。 本発明の目的は、このような要望に応えうる新規なデータ素子および論理素子を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、コンピュータ中央処理ユニットにおいて有用な原子スケールまたは近原子スケールの論理素子及びメモリ素子が提供される。 各素子は、反対の状態を有する２個の量子ドットと、前記２個の量子ドット間に配置され、それらと物理的に接触する第３の量子ドットとを含む。 第３の量子ドットは、最初の２個の量子ドットの反対の状態をエネルギ的に優先な状態として生成する材料である。 特に本発明により、量子コンピュータの電子論理素子及びメモリ素子として好適なスピン・フリップフロップが提供される。 スピン・フリップフロップは２つの高度に安定な状態を有するように設計され、構造内の電子スピン配列で完全に符号化される。 ２つの状態間のスイッチングは、
一般に高速電磁パスルにより、スピン・フリップフロップの場合は光パルスにより達成される。 ２つの安定状態は、通常、ドーピングまたは電界効果により２個の隣接する電子量子ドット内に配置される、２個の単一の電子のアップ・ダウン・スピン状態及びダウン・アップ・スピン状態である。 素子の動作は２個の電子ドット間にそれら両者に物理的に接触して配置された反強磁性材料の小粒子またはドットの存在により促進または安定化される。

【０００５】

【実施例】

【数１】

【０００６】は以降ハットＸと記載し、他の記号についても同様に表記する。

【数２】

【０００７】は以降ベクトルＸと記載し、他の記号についても同様に表記する。

【０００８】量子ドットは、３次元の全てにおいて、小サイズ（通常、１ｎｍ乃至１０ｎｍ）を有する物質（一般にはＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体であるが、金属、磁石または反強磁性体であってもよい）の小片である。 これらの小寸法は、フォトリソグラフィ、エッチング、シャドー・マスキング、薄膜付着または材料加工及び半導体産業において今日使用可能な他の多くの技術により達成される。 量子ドットは、自身が存在できるいくつかの不連続な状態しか有さない点で、機能的に識別され、例えば１個または０個の余剰電子を有したり、過剰スピンのアップ／ダウンを有したり、その磁化ベクトル・ポイントのアップ／ダウンを有したり、電子をその第１、第２またはより高い励起状態に有したりする。 これらの状態は、ゲーティング（gating）、光励起、または他の制御素子により安定化されうる場合もあるし、そうでない場合もある。 しかしながら、量子ドットは制御素子の性質によってではなく、その固有の特性により定義される。

【０００９】本発明の３ドット計算素子すなわちスピン・フリップフロップが図１に示され、ここでドット１０
及び２０は１電子量子ドット（one-electron guantum d
ots）であり、ドット３０は絶縁反強磁性ドット（insul
ating antiferromagnetic dot）であり、ドット４０及び５０は相互接続反強磁性ドット（interconnectingant
iferromagnet dots）である。 本発明の３ドット設計は、ドット１０及び２０の２つの状態を安定化する固有の方法を有する。 特に、反強磁性ドット３０は少なくとも次の３つの特性を有する。 ａ）計算素子の状態が、反強磁性ドット３０内の数千または数万個の個々の電子により符号化される、非常に安定な符号化方法である。 ｂ）その比較的大きなサイズにも関わらず、ドット３０
は反強磁性系の固有の物理的性質により、非常に高速（８００ｆｓｅｃのオーダ）にスイッチすることができる。 ｃ）反強磁性ドット４０及び５０は、隣接計算素子を相互接続するための非常に信頼性の高い優れた手段を提供する。

【００１０】本発明において利用される相互作用機構は、"直接交換"（direct exchange）であり、量子力学的には、１電子量子ドット内の電子と、反強磁性体内の電子との間の直接オーバラップ（及びパウリの排他原理の結果的作用）から生じる。 量子力学理論及び経験的な研究から、これは非常に安定な相互接続形態であることが予想または知られており、相互作用の強さは、ドット１０と３０との間またはドット１０と４０との間のオーバラップ領域に比例し、これらの領域はかなり大きく取りうる（数百ｎｍ平方程度）。 更に本発明では、反強磁性ドット３０、４０及び５０が電気的に絶縁されているので、量子ドットからの電子のリークアウトが生じない。

【００１１】素子は現在の半導体形成技術の利用により形成されうる。 そのように形成されると、素子のエネルギ準位及び動力学は、次の近似ハミルトミアンを用いて表される。

【数３】

【００１２】ここでｇ _A及びｇ _Bは、ドット１０及び２０
内の電子のｇ因子であり、ドット１０及び２０に対して異なる半導体組成、異なる形状または異なるサイズを使用することにより、異なるものと仮定される。 Ｈ _extは外部印加磁場であり、ハットＺ方向に印加されると仮定される。 Ｊ _AC及Ｊ _BCは上述の交換結合相互作用であり、
反対の符号を有すると仮定される。 これは例えばドット１０及び２０を、ドット３０内の層状反強磁性体の異なる原子層と密接に物理接触させることにより達成される。 ハットφは、この交換相互作用が働く方向の単位ベクトルであり、反強磁性ドット３０内のネール・ベクトル（Neel vector）の方向を示す。 これは本近似ではｃ
数（C-number）である。 ベクトルσ ^Aおよびσ ^Bは、電子量子ドット１０及び２０内の２個の電子のスピンを表すスピン−１／２量子演算子である。 前記方程式の最後の項は、反強磁性体３０の磁気異方性エネルギを表す。 これは振幅Ｋ _cを有する単軸と仮定される。 反強磁性体の容易軸（easy axis）はＨ _extと共軸とは仮定されず、そこから角度φ ₀で傾斜するように取られる。

【００１３】ネール・ベクトルφの角度関数としての２
個の電子の４つのエネルギ準位が、図２に示される。 フリップフロップの動作は次のように進行する。 ここで系はその基底状態Ｆから開始するものと仮定する。 系は周波数ω ₁の電磁パルスにより励起され、これがドット１
０のスピンを反転し、系を励起状態Ｇに変化させる。 この状態では、反強磁性ドット３０には、Ｇにおける曲線の傾きにより与えられるトルクが加えられる。 系は従って、反強磁性ドット３０の慣性モーメントと系の摩擦力の大きさとにより決定されるレートでパスＰ ₁を下降する。 この展開の間、ドット１０及び２０上の２個のスピンの状態は、ネール・ベクトルが回転すると断熱的に回転する。 系は準安定状態Ｈに達し、放射周波数ω ₂の自然放出または励起放出により、状態Ｉに緩和復帰する。
更なる断熱回転により、系は状態Ｊに達する。 状態Ｊは状態Ｆとは区別され、より高いエネルギを有するが、状態Ｆへの緩和に関連して高度に安定である。 状態Ｊ及びＦは、フリップフロップの２つの状態に相当する。

【００１４】正確に類似の過程が系のスイッチ・バックを可能にし、この過程は周波数ω ₃における吸収、パスＰ ₃に沿う断熱緩和、周波数ω ₄の放射の放出及び基定状態Ｆに等しい最終状態Ｎへの緩和を含む。 指定のハミルトニアンは、全ての周波数ω _iが異なることを可能にし、素子のスイッチングの制御を支援する。

【００１５】図３は、半導体薄膜付着技術を用いる本発明の１実施例の１次元断面図である。 半導体ＰｂＴｅ
は、１電子量子ドットに対応して使用される多くの適正な材料パラメータを有し、一方ＥｕＴｅは、反強磁性ドットに対応して使用される多くの適正なパラメータを有する。 層６０は、最初に一様なＰｂＴｅの薄膜を基板５
５上に付着し、次に適切なパターン化技術（電子ビーム・リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィ、ホログラフィ）により、ＰｂＴｅ材料を選択的に除去し、数１０ｎｍのオーダの横寸法を有するＰｂＴｅの背後ドット６２を取り残すことにより、生成される。 ギャップは、６４で示されるＺｎＴｅなどの別の広いギャップの非磁性半導体により充填されうる。 基板５５は、層６０の半導体との良好な格子整合を有する広いギャップの非磁性半導体から成るべきである。 層６０は次に"平面化"（planarized）
され、層６０が完成し、層７０のための滑らかな表面が自動的に残される。

【００１６】層７０の付着は、反強磁性絶縁体のＥｕＴ
ｅ７２がＰｂＴｅを代替する以外は、層６０の場合と同一の工程を含む。 所望の厚さ（約１．５ｎｍ）の層７０
は、層６０よりも薄くすべきである。 層７０は、例えば分子ビーム・エピタクシ（ＭＢＥ）付着技術を用いて付着される。 スピン・フリップフロップが正確に機能するために、層７０は偶数の原子の単層を有さねばならない。 これに関する物理学的研究が、Chenらによる論文（Solid State Electronics、Vol．37、Nos．4-6、pp．
1073-1076（１９９４年））で述べられている。 層８０
のプロセスは、層６０の場合と同様である。 ３ドット素子はまた、電子を量子ドット６２及び８２に供給するために、ゲート制御または不純物の添加がされねばならない。 これは例えば、添加物を基板、広いギャップ、非磁性半導体６４、７４及び／又は８４に加えることにより達成されうる。 素子は更に層８０の表面上に、同様にゲート制御または不純物の添加がされるカプセル化材料を提供されうる。

【００１７】図３に示されるように、反強磁性ドット３
０、１電子量子ドット１０及び２０、及び相互接続ドット４０及び５０が生成される。 特に、図３の層７０の最初の最左端のＥｕＴｅ（Ｄ）ドット７２が、図１のドット４０に対応し、最初のＥｕＴｅドットに接触する層６
０の最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２が、図１のドット１０に対応し、最初のＰｂＴｅ（Ａ）ドット６２に接触する層７０の２番目のＥｕＴｅ（Ｃ）ドット７２が、図１の反強磁性ドット３０に対応する。 図３において、最初のＥｕＴｅドットと最初のＰｂＴｅドットの間の接触領域（Ａ ₁ ）は、図２のエネルギ準位構造を保持する設計により、最初のＰｂＴｅドットと２番目のＥｕＴｅドットとの間の接触領域（Ａ ₂ ）よりも小さい。 同様に、
図３の構造を右方向に見ていくと、層８０の最左端のＰ
ｂＴｅ（Ｂ）ドット８２及び層７０のＥｕＴｅ（Ｅ）ドット７２は、それぞれ図１のドット２０及び５０に対応する。 再度図３に示されるように、層７０のＥｕＴｅドット７２と層８０のＰｂＴｅドット８２との間の界面領域（Ａ ₂ ）は、設計上、層８０のＰｂＴｅドット８２と次のＥｕＴｅドット７２との間の界面領域（Ａ ₁ ）よりも大きい。 この構造は図３に示されるように、周期Ｒで繰返される。 図３の素子はメモリ素子としての使用を考慮する。 例えば汎用論理回路などの他の素子として使用するためには、既知のように、連続３ドット素子の物理パラメータの変更が要求される。

【００１８】データは図３のスピン・フリップフロップを、図２のＦまたはＪなどの所望の状態にセットすることにより読込まれ、これらの状態は、一般に使用される２進言語の"１"または"０"を表す。 素子を状態Ｊにセットすることが所望される場合、これは例えば、素子を上位エネルギ面のポイントＧに遷移させるのに十分な時間、周波数ω ₁の電磁パルスにより照射することにより達成されうる。 上述のように、素子はその後状態Ｊに放射崩壊（decay）する。 素子を状態Ｆに遷移させるためには、素子は上位エネルギ面上のポイントＫに遷移するのに十分な時間、周波数ω ₃の電磁パルスにより照射され、その後、状態Ｆに放射崩壊する。

【００１９】一方、素子の読出しのためには、例えば、
素子を上位エネルギ面上のポイントＧに遷移させるのに必要な期間、素子を周波数ω ₁の電磁パルスにより照射し、素子が状態Ｆであった場合には、素子は電磁パルスからエネルギ量子を吸収する。 この照射は素子が状態Ｊ
であった場合には、素子の状態変化を発生せず、従って、電磁パルスからのエネルギ量子の吸収は生じない。
素子を通過する電磁エネルギの量が光検出器、フォトダイオード、アンテナまたは他の適切な素子により測定される。 この電磁エネルギの強度が減少する場合には、装置の状態はＦとして読出され、減少しない場合には、Ｊ
として読出される。 或いは素子の読出しが、周波数ω ₂
またはω ₄のエネルギの放射にもとづいてもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
既存の半導体トランジスタ技術により生成されうるプロセッサよりも、小型で高速のプロセッサを生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３ドット・スピン・フリップフロップ計算素子の平面図である。

【図２】３ドット・スピン・フリップフロップ計算素子のスイッチング・プロセスを示すエネルギ準位図である。

【図３】半導体薄膜付着技術を用いて生成される本発明の１実施例の１次元断面図である。

【符号の説明】

１０、２０ １電子量子ドット ３０ 反強磁性ドット ４０、５０ 相互接続ドット ５５ 基板 ６０、７０、８０ 層 ６２、８２ 量子ドット ６４、７４、８４ 非磁性半導体 ７２ Ｅｕｔｅ（Ｄ）ドット ８０ 表面