(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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請求項１に記載の記録／再生方法。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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ωi31 の最小値をｍｉｎ（ωi31 ）、
前記Ｎ個の物理構造の中でωi32 の最大値をｍａｘ（ωi32 ）、
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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（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請求項５に記載の記録／再生方法。
【請求項８】
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。
【請求項９】
｜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。
【発明の詳細な説明】
【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ωi31 の最小値をｍｉｎ（ωi31 ）、前記Ｎ個の物理構造の中でωi32 の最大値をｍａｘ（ωi32 ）、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、
0003645345.tif 000002
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、
Ｉab（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
Ｉlu（Δω）＝∫Ｉlu（ωp ；ωp −Δω）ｄωp 
もしくは
Ｉlu（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 7Ｆ0 で、 7Ｆ0 から１８９５０ｃｍ-1高エネルギー側に 5Ｄ1 という励起状態があり、 7Ｆ0 との間は強い光学遷移を起こす。
【０１０９】
また、 7Ｆ0 から４６０ｃｍ-1高エネルギー側に 7Ｆ1 という励起状態があり、 5Ｄ1 との間に強い光学遷移を起こす。さらに、 7Ｆ0 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、 5Ｄ1 から約２４１５ｃｍ-1高エネルギー側に 5Ｄ2 という励起状態があり、この状態から7 Ｆ0 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、 5Ｄ1 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 5Ｄ2 へ励起すれば、そこから7 Ｆ0 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、 5Ｄ1 から 5Ｄ2 への遷移の不均一幅よりも狭く、 5Ｄ1 へ励起されているＥｕ原子の全てを 5Ｄ2 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、 5Ｄ1 から 5Ｄ2 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】
Ｉab（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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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