(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェン膜中にスピン波を形成する方法であって、
グラフェン膜の動作領域を選択するステップ、
動作領域を、５０ｎｍから１００ｎｍの寸法を有する複数の部分に分割するステップ、
分割された動作領域内の端にポンピング構造を設けるステップ、
グラフェン膜中のスピン密度の非励起状態に対応する基底エネルギー準位からスピン密度の励起状態の第４動作エネルギー準位への遷移に対応する３テラヘルツの周波数を有する交流パルス磁場を、ポンピング構造から動作領域へ印加するステップを含み、
スピン密度のエネルギーポンピングが引き起こされ、
動作領域の端に、空間的に局在化した外部磁場が形成され、
スピン密度の励起状態の第３動作エネルギー準位から第２動作エネルギー準位への遷移に対応する０．５テラヘルツから１テラヘルツの動作周波数を有するスピノンが共鳴反射され、
前記スピノンは、動作領域を通過するときに、動作周波数のスピン波の誘導コヒーレント放出を引き起こす方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝縮系媒質の量子物理学の分野に関し、特に、スピン密度と磁化密度の量子的な集団励起をグラフェン膜中に形成する方法に関する。また、本発明は、量子ナノエレクトロニクス、スピントロニクスにおいて、スピンプロセッサ、メモリセル、物理場(physical field)センサ、ならびに、ナノメートル寸法を有し、かつ、エネルギー消費が小さくて広い温度範囲で動作する、テラヘルツ（以上の）範囲の情報を処理および蓄積するための他のデバイスおよびシステムを作成するために使用できる。
【背景技術】
【０００２】
炭素原子の単原子二次元六角形格子であるグラフェンは、速度、寸法およびエネルギー消費の領域で、類似のマイクロエレクトロニクスのソリューションと比較して数桁の利益を保証するナノエレクトロニクス・スピントロニクスのデバイスおよびシステムの回路を作成するための基本的な材料の１つと考えられている。これは、このような構造において広い温度範囲（数度〜５００Ｋ）で強磁性効果が実験的に観察され、理論的に議論されてきたという事実に条件付けられている。この効果は、グラフェン構造が、二次元炭素格子にわたって分布した原子の価電子の非ゼロスピンの密度によって条件付けられる固有の磁化を有し得ることを証明している（論文：[Wang, Y., Huang, Y., Song, Y., Zhang, X., Ma, Y., Liang, J., and Chen, Y. Room-Temperature Ferromagnetism of Graphene. Nano Lett. 9, 220-224 (2009)],  [D.V. Kolesnikov and V.A. Osipov  The continuum gauge field-theory model for low-energy electronic states of icosahedral fullerenes, Joint Institute for Nuclear Research, Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics, arXiv:cond-mat/0510636,v2,2,Feb,2006.14], [Gusynin V.P. et al. "Unconventional Integer Quantum Hall Effect in Graphene". Phys., Rev. Lett. 95,146801,(2005), DOI:10.1103/PhysRevLett.95.146801],  [Peres N.M.R., et. al. Electronic properties of disordered two-dimensional carbon Phys. Rev. B 73， 125411 (2006) DOI:10.1103/PhysRevB.73.125411],  [Novoselov K.S. et al. "Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene", Nature 438, 197 (2005) DOI:10.1038/nature04233], [Zhang Y.et. al. "Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene" Nature 438, 201 (2005) DOI:10.1038/nature04235],  [K. Ziegler Derealization of 2D Dirac Fermions: The Role of a Broken Supersymmetry. Phys. Rev. Lett. 80, 3113-3116 (1998)],  [J. Alicea. Matthew P. A. Fisher. Graphene integer quantum Hall effect in the ferromagnetic and paramagnetic regimes, Phys. Rev. B 74, 075422 (2006)],  [N.M.R. Peres, F. Guinea, A. H. Castro Neto. Coulomb interactions and ferromagnetism in pure and doped graphene. PHYSICAL REVIEW B 72, 174406 (2005)],  [N. Tombros, C. Jozsa, M. Popinciuc, H.T. Jonkman, B. J. van Wees. Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature. arXiv:0706.1948, Nature 448, 571-574 (2007)], [Nguyen Viet Hung, A. Bournel, P. Dollfus, Nguyen Van Lien. Spin-dependent transport in double ferromagnetic-gate graphene structures, Journal of Physics: Conference Series 187 (2009), 012037,doi:10.1088/1742-6596/187/l/012037],  [D.D. Grachev, Yu.P. Rybakov, L.A. Sevastianov, Ye.F. Sheka "Ferromagnetism in graphene and fullerene nanostructures. Theory, simulation, experiment." M. UDN Newsletter, 2010],  [G. M. Arzumanyan, E. A. Ayrjan, D.D. Grachev, L.A. Sevastianov. Quantum Field Model for Graphene Magnetism], [D.D. Grachev, L.A. Sevastianov. Quantum Field Approach to the Ferromagnetic Properties of the Graphene Films. Int. Conference of Theoretical Physics "Dubna-Nano2010",  p.63. Dubna, JINR, 2010]）。
【０００３】
この非ゼロスピンの密度の利用可能性(availability)は、それの分布を種々の物理場の使用によって制御することを可能にし、これは、スピントロニクスのエレメントおよびデバイスを作成するための基礎を形成する。このようなデバイスを作成する場合、制御動作に従うスピン密度の局所的な励起を形成することが必要である。
【０００４】
スピン偏極した電子を誘電絶縁膜を通じてコバルト電極からグラフェン膜までトンネル接続することによって、スピン波を形成するために使用される、一つの方法が知られている（論文：［N.Tombros, C. Jozsa, M. Popinciuc, H.T. Jonkman, B. J. van Wees. Electronic spin transport and spin precession in single graphene layers at room temperature. arXiv:0706.1948, Nature 448, 571-574 (2007)］）。
【０００５】
注入された電子は、後に伝播してグラフェン膜中で緩和する、スピンの空間的に局在化したパルスを形成する。測定中、外部磁場における局所的な磁気抵抗と注入されたスピンの歳差運動とが検知される。緩和時間は約１００ピコ秒であり、緩和長は約１〜２ミクロンである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この既知の方法の欠点は、形成されるスピンパルスの量子コヒーレンスの欠如であり、これは、種々の実用的な用途にとって重要である、グラフェン表面でのスピンパルスの寿命と緩和長を制限する。
【０００７】
本発明は、グラフェン膜中のスピンパルスの寿命と伝播長を増加させて性能を向上させるという課題に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
設定された課題を解決し、前記技術的結果を達成するために、２０００ｎｍの長さ寸法(linear dimension)を有するグラフェン膜の予め選択された動作領域であって、５０ｎｍから１００ｎｍの寸法を有する複数の部分に分割された動作領域に、グラフェン膜中のスピン密度の非励起状態に対応する基底エネルギー準位からスピン密度の励起状態の第４動作エネルギー準位(working energy level)までの遷移に対応する３テラヘルツの周波数を有する交流パルス磁場を作用させ、これによりスピン密度のエネルギーポンピング(pumping)を引き起こし、スピン密度の励起状態の第３動作エネルギー準位から第２動作エネルギー準位までの遷移に対応する０．５テラヘルツから１テラヘルツの動作周波数を有するスピノンを共鳴反射する動作領域の端に、空間的に局在化した外部磁場を形成し、前記スピノンは、動作領域を通過するときに、動作周波数のスピン波の誘導コヒーレント放出を引き起こす。
【０００９】
このような量子生成のための動作体(working body)は、グラフェン膜そのものである。グラフェン膜は、グラフェン中で空間的に局在化したスピン密度ソリトンの相互作用の非線形性に起因して、シュレディンガー方程式（各解に対する固有エネルギーに対応する値と相互作用するスピンソリトン系の波動関数についての）の解スペクトルに対する離散値を利用可能とする極小値を有する。
【００１０】
グラフェン膜は、スピン密度の複数の励起状態の離散スペクトルを有し、当該複数の励起状態の間の量子遷移に、スピノンと呼ばれるスピン密度の素励起量子の放出または吸収が伴うような媒質である。生成を保証する共振器は、磁気ミラーと呼ばれスピノンを反射する、グラフェン膜の表面上の外部デバイスによって形成される磁場構成である。
【００１１】
スピンパルスの寿命と伝播長の増加は、量子コヒーレントなスピン波の流れ（「スピンエイサ」(spinaser)と呼ばれるスピン波量子発信器）によってこのようなスピンパルスが形成されるという事実によって達成される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
方法は以下のように実施できる。ポンピング構造（平面磁気コイル）と呼ばれる制御構造を使用することによって、振幅１Ｔから５Ｔを有する交流磁場パルスが形成される。当該磁場は、グラフェン膜の所定の５０ｎｍから１００ｎｍの領域中でのスピン密度の定常励起状態(stationary excited state)を形成するように、空間的に構成されている。このようにしてポンピングが行われる。４つの連続エネルギースピノン準位を有するポンピングレイアウト（４準位レイアウト(four-level layout)）が、動作レイアウトとして選択される。同時に、２０００ｎｍの動作領域で空間的に局在化し、かつ、所定のエネルギーのスピノンとパルスを反射する外部磁場構成（磁気ミラーと呼ばれる）が、１００ミクロンの長さ寸法を有する動作領域の端に沿って形成される。これらの構成は、スピノンに対する回折ミラーを形成し、所定のエネルギーのスピノンとパルスを反射し、他のスピノンに対する透明ウインドを有する磁場空間変調の５０ｎｍの領域である。前記磁気ミラーは、光学範囲の電磁波に対してファブリペロ共振器に類似する共振器を形成する。ポンピングレイアウトと制御構造での磁場強度の動作値は、１Ｔから５Ｔの範囲内の値である。
【００１３】
ポンピングの結果、グラフェン膜の動作領域に、励起され、空間的に局在化したスピン密度の定常状態、即ちブリーザ(breather)が形成される（論文：[D.D. Grachev, Yu.P. Rybakov, L.A. Sevastianov, Ye.F. Sheka "Ferromagnetism in graphene and fullerene nanostructures. Theory, simulation, experiment. M. UDN Newsletter, 2010],  [G. M. Arzumanyan, E. A. Ayrjan, D. D. Grachev, L. A. Sevastianov. Quantum Field Model for Graphene Magnetism], [D.D. Grachev, L.A. Sevastianov. Quantum Field Approach to the Ferromagnetic Properties of the Graphene Films. Int. Conference of Theoretical Physics "Dubna-Nano2010", p. 63, Dubna, JINR, 2010]）。
【００１４】
ブリーザは、それらのエネルギーに応じて２０ｎｍから１００ｎｍの空間寸法を有し、最も上で第４エネルギー準位にあり、そこから、磁気ミラーが透明であるようなスピノンを放出して準安定の第３エネルギー準位に自発的に移る。第３エネルギー準位でのブリーザの寿命は第２準位での寿命より１０倍長く、ブリーザの反転分布(inverse population)を作成する可能性を生み出す。第２エネルギー準位から第１エネルギー準位への自発的な遷移中に、スピノン（それに対しても磁気ミラーが透明であるような）が放出される。これにより、共鳴条件は、その間でブリーザの分布の反転密度が作成されるような、第３エネルギー準位から第２エネルギー準位への動作遷移の結果として放出されるスピノンについてのみ保証される。このようなスピノンが、第３準安定エネルギーレベルにあるブリーザと相互作用する結果として動作領域を移る場合、ブリーザは強制的にかつコヒーレントに類似のスピノンを放出して第２動作エネルギー準位に移り、そこから自発的に第１・基底準位へ移る。結果として、コヒーレントなスピノン流の量子増幅効果が得られる。磁気ミラーは、増幅係数の多重の増加を保証する。多重度は、ミラー間を移動する流れの数に等しく、１０から１００である。
【００１５】
このようにして、増幅係数が吸収係数と散乱係数との和を超える場合、スピノンのコヒーレントな流れの量子生成が保証され、結果として、非コヒーレントパルスを使用したプロトタイプと比較して、スピンパルスの寿命は１００倍に増加し、伝播長は１０００倍に増加する。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
請求項記載の、グラフェン膜中にスピン波を形成する方法は、量子ナノエレクトロニクスやスピントロニクスにおいて工業規模で最もうまく使用できる。