(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の粒子および第２の粒子と、
前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の結合材料とを備え、
前記第１の粒子および前記第２の粒子が、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合され、
前記結合材料が、前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の電気光学結合を変化させるためのトリガ信号に応答して可変伝導率を示すように適合され、
第１のＳＰＰ構成が前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の第１の電気光学結合に対応し、第２のＳＰＰ構成が前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の第２の電気光学結合に対応するように、前記第１の粒子および前記第２の粒子が互いに近接して配置される、
状態変化可能なデバイス。
【請求項２】
前記トリガ信号が、電磁放射、光、可視光、紫外光、赤外放射、電界、磁界、および電磁界からなる群から選択される少なくとも１つである、請求項１に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項３】
前記結合材料が、前記トリガ信号によって絶縁状態から伝導状態に可逆的に変化するように適合される、請求項１または２に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項４】
前記絶縁状態は、トリガ信号、または第１のスイッチング周波数（ｖ１）を有するスイッチング光の照射によって誘導することができ、または前記伝導状態は、第２のスイッチング周波数（ｖ２）を有するスイッチング光の照射によって誘導することができ、あるいはその両方である、請求項３に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項５】
前記第１の粒子および前記第２の粒子は、前記第２のＳＰＰ構成に対応するＳＰＰ共鳴周波数（ｖｃｏｎｄ）が、前記第１のスイッチング周波数（ｖ１）または前記第２のスイッチング周波数（ｖ２）、あるいはその両方までの所定の距離（Δ１、Δ２）を有するように適合される、請求項４に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項６】
前記トリガ信号としてのスイッチング光が、前記第１の粒子および前記第２の粒子の直径より長い波長（λ）に対応する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項７】
前記結合材料が、前記第１の粒子または前記第２の粒子、あるいはその両方の機能化コーティングの一部である、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項８】
前記結合材料が、前記トリガ信号に応答して前記第１の粒子と前記第２の粒子との間に電荷結合を形成するように適合されるリガンドを含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項９】
前記結合材料がフォトクロミックである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１０】
前記粒子が、１ｎｍと１００ｎｍとの間の直径（Ｄ）を有するナノ粒子である、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１１】
前記粒子が、金属性の粒子または半導体粒子である、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１２】
前記粒子間の距離（ｄ）が、１ｎｍと１０μｍとの間である、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１３】
複数の粒子を形成するために追加の粒子をさらに含み、前記複数の粒子が、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１４】
前記粒子が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはメタ材料からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１５】
前記結合材料が、ジアリールエテン、酸化物材料、酸化還元活性分子、誘電材料からなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１６】
前記結合材料が、前記第１の粒子と前記第２の粒子を機械的に結合する、請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の状態変化可能なデバイス。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの状態変化可能なデバイスを備えるメモリ・デバイスであって、第１のメモリ状態が前記第１のＳＰＰ構成に割り当てられ、第２のメモリ状態が前記第２のＳＰＰ構成に割り当てられる、メモリ・デバイス。
【請求項１８】
光を前記状態変化可能なデバイスに照射するために第１の光導波路および第２の光導波路をさらに備え、前記状態変化可能なデバイスが、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に配置される、請求項１７に記載のメモリ・デバイス。
【請求項１９】
請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの状態変化可能なデバイスを備えるスイッチング・デバイスであって、前記状態変化可能なデバイスに結合された第１のプラズモン導波路および第２のプラズモン導波路をさらに備えるスイッチング・デバイス。
【請求項２０】
第１の光導波路および第２の光導波路をさらに備え、前記第１のプラズモン導波路が前記第１の光導波路に結合され、前記第２のプラズモン導波路が前記第２の光導波路に結合される、請求項１９に記載のスイッチング・デバイス。
【請求項２１】
メモリ状態を記憶するための方法であって、
互いに近接して配置された第１の粒子および第２の粒子を用意するステップと、
結合材料を通じて前記第１の粒子と前記第２の粒子を電気光学結合させるステップとを含み、
前記第１の粒子および前記第２の粒子が、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合され、前記結合材料が、トリガ信号に応答して可変伝導率を示すように適合され、
前記粒子は、第１のＳＰＰ構成が前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の第１の電気光学結合に対応し、第２のＳＰＰ構成が前記第１の粒子と前記第２の粒子との間の第２の電気光学結合に対応するように配置され、さらに、
第１のメモリ状態を前記第１のＳＰＰ構成に割り当てるステップと、
第２のメモリ状態を前記第２のＳＰＰ構成に割り当てるステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、状態変化可能な（state-changeable）デバイスに関し、より詳細には、論理状態を定義するために使用されるプラズモン励起（plasmonic excitation）など電気光学励起を示すデバイスに関する。特に、電荷移行を通じて互いに選択的に結合することができるナノスケール物体が使用される。また、本開示は、状態変化可能なデバイスの実施形態に基づくメモリ・デバイスおよびスイッチング・デバイスに関する。さらに、メモリ状態を記憶するための方法が提供される。
【背景技術】
【０００２】
現代の遠隔通信および電子回路には、広帯域幅および高速処理能力を有する集積度の高い小型コンポーネントを達成するために、半導体をベースとする、またフォトニックをベースとする回路が使用される。しかし、半導体ＣＭＯＳをベースとする電子回路は、根本的なエネルギーおよびスケーリングの限界に直面している。国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）によれば、２０１５年には集積回路チップを形成する２２ｎｍ構造を目指している。現在、たとえば目下のシリコン・フォトニック導波路に基づくフォトニック・コンポーネントは、６５ｎｍ技術を使用する。しかし、フォトニックの概念は、使用される波長、たとえば現在、Ｓｉフォトニクスのための１５５０ｎｍによって根本的に制限される。より小さい寸法は、通常、フラストレート・モード（frustrated mode）に通じ、帯域幅が著しく減少する。したがって、大きな帯域幅および高速から受益するために、使用される波長によって与えられる回折限界より小さいフォトニクス概念の小型化が非常に望ましい。
【０００３】
従来、光子によって担持される情報は、さらなる処理、ルーティング、または操作のために、電気信号に変換される必要がある。これは、質量も電荷もない光子が（強く）相互作用しないからである。光信号から電子信号への変換は、大量のエネルギーを必要とする。この追加のステップは、可能な帯域幅、処理および通信速度を減少させる。従来、小型化された半導体レーザ、フォトニック導波路、および光検出器が使用されている。潜在的にそのような半導体レーザおよび光検出器を不要にする、情報または信号処理手段を提供することが望ましいであろう。また、スイッチングまたはルーティングなど光操作および論理演算のためのサブ波長デバイスを実現することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示の一態様は、電気光学励起、たとえばプラズモン現象に基づいて、サブ波長寸法で制御された光−物質相互作用を可能にする粒子を含む改善された状態変化可能な構造を提供することである。他の態様は、情報をスイッチングおよび記憶するために選択されたプラズモン状態を使用する改善された構造およびデバイスに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、状態変化可能なデバイスの実施形態は、
少なくとも第１の粒子および第２の粒子と、
第１の粒子と第２の粒子との間の結合材料とを備え、
第１の粒子および第２の粒子が、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合され、
結合材料が、第１の粒子と第２の粒子との間の電気光学結合を変化させるためのトリガ信号に応答して可変伝導率（variable conductivity）を示すように適合され、
第１のＳＰＰ構成（configuration）が第１の粒子と第２の粒子との間の第１の電気光学結合、特に容量性結合に対応し、第２のＳＰＰ構成が第１の粒子と第２の粒子との間の第２の電気光学結合、特に伝導性結合に対応するように、第１の粒子および第２の粒子が互いに近接して配置される。
【０００６】
第１の電気光学結合と第２の電気光学結合は、強度が互いに異なってもよい。たとえば、第１の結合は容量性結合を含むことができ、第２の結合は、電荷キャリア移行を可能にすることができる。
【０００７】
本発明の実施形態は、状態変化可能なデバイスの動作中に使用される光の波長が、そのデバイスを形成する粒子の幾何学的寸法より大きくても、全体としての状態変化可能なデバイスより大きくてもよいという利点を有することができる。このデバイスは、特に、動作中に使用される光の回折限界未満で動作可能であり得る。たとえば、結合材料は、結合材料の特定の電子構成により、粒子間での電子相互作用を可能にする。結合材料の電子構成は、たとえば、特定の波長または周波数を有する光パルスを照射する（全光学的スイッチングをもたらす）ことによって実現されるトリガ信号によって制御することができる。しかし、トリガ信号として、電界、磁界、熱変化などを企図することもできる。
【０００８】
一実施形態によれば、第１のＳＰＰ構成は、第１の状態に割り当てられる、または第１の状態を表すことができ、第２のＳＰＰ構成は、第２の状態に割り当てられる、または第２の状態を表すことができる。第１および第２の状態は、たとえば、デバイス、たとえば電子デバイスの論理状態であってもよい。
【０００９】
本発明の実施形態による状態変化可能なデバイスは、プラズモン結合、したがって、別々の近接する粒子に関するプラズモン状態とは区別することができる、粒子の上の電荷分布を有する全体的な（混成）プラズモン状態の発生を可能にする。
【００１０】
たとえば、粒子間の第１の電気光学結合の一実施形態に対応する純粋に容量性の、または弱い光学結合は、本質的に個々の粒子のプラズモン状態に近いプラズモン状態を示す第１のプラズモン構成をもたらす。しかし、第２のプラズモン構成は、粒子間の電子交換を伴う第２の電気光学結合の一実施形態としての伝導性結合によるものである。これは、混成電荷キャリア分布、および個々の粒子のＳＰＰモードに比べてはっきりと異なるＳＰＰモードをもたらすことができる。
【００１１】
状態変化可能なデバイスの実施形態では、結合材料は、トリガ信号としてのスイッチング光の照射または他の手段によって、絶縁状態から伝導状態に可逆的に変化するように適合される。したがって、実施形態では、結合材料は、光パルスなど特定のトリガ信号に結合材料を露出させることによって、ある絶縁状態から別の伝導状態に変化することができるように選択される。したがって、結合材料は、照射される光に応じて伝導性または絶縁性にすることができる。別法として、またはそれに加えて、小さい間隙内で第２高調波を発生させることにより、入射スイッチング光の周波数２逓倍（frequency-doubling）をもたらすことができる。したがって、結合材料の結合挙動のスイッチングまたは変化は、周波数感応的なものとすることができ、それに応じて適合させることができる。
【００１２】
一実施形態として、結合材料は、非線形の電気光学挙動、たとえば第２高調波発生を潜在的に示す材料である。
【００１３】
状態変化可能なデバイスの一実施形態では、絶縁状態は、第１のスイッチング周波数を有するスイッチング光の照射によって誘導することができ、または伝導状態は、第２のスイッチング周波数を有するスイッチング光の照射によって誘導することができ、あるいはその両方である。
【００１４】
たとえば、第１および第２の粒子は、第２のＳＰＰ構成に対応するＳＰＰ共鳴周波数が、第１のスイッチング周波数または第２のスイッチング周波数、あるいはその両方までの所定の距離を有するように適合される。
【００１５】
状態変化可能なデバイスの粒子および結合材料は、一方で切り離された粒子に、また他方で（結合材料を通じて）結合された粒子に関する特定のプラズモン状態のエネルギー、およびスイッチング周波数を指すそれぞれのエネルギーが、互いに干渉しないように選択されてもよい。したがって、状態変化可能なデバイスは、第１または第２のスイッチング周波数を有する光を照射することによってそのプラズモン状態の変化を可能にすることができる。非常に広い範囲の中からプラズモン状態を選択し、その結果、光の色と同様に、多数の「フォトニック色」をＳＰＰ構成によって担持させることができる。したがって、状態変化可能なデバイスは、広範なフォトニック帯域内で動作可能となり得る。
【００１６】
状態変化可能なデバイスの実施形態では、スイッチング光は、粒子の直径より長い波長に対応する。したがって、提案されている状態変化可能なデバイスは、サブ波長の光操作およびデバイス寸法を可能にする。状態変化可能なデバイスは、実際のソリッドステート・デバイスより長い波長を有する光パルスによってアドレス指定しスイッチングすることができる。
【００１７】
実施形態では、結合材料は、第１の粒子または第２の粒子、あるいはその両方の機能化コーティング（functionalized coating）の一部である。たとえば、結合材料は、特定のナノ粒子を被覆するために使用される活性表面媒質とすることができる。そのような活性表面コーティングを機能化することにより、状態変化可能なデバイス内に含まれる２つのナノ粒子のシステムを、容量性結合を有するシステムから、粒子表面間での電気的な移行を可能にする電気結合されたシステムに切り替えることができる。
【００１８】
実施形態では、粒子の結合材料またはコーティング材料は、トリガ信号に、また特にスイッチング光に応答して第１の粒子と第２の粒子との間に電荷結合を形成するように適合されるリガンドを含む。結合材料は、フォトクロミックとすることができる。その結果、近距離場範囲および遠距離場範囲におけるプラズモン特性および光学特性が変化する。たとえば、状態変化可能なデバイスは、２つの粒子の結合されたシステムまたは混成システムからもっぱら容量性結合されたシステムに変化することができる。
【００１９】
状態変化可能なデバイスの実施形態では、粒子は、１ｎｍと１００ｎｍとの間の寸法を有するナノ粒子である。粒子は、規則的な形状を有してもよいが、球状、棒状とすることも、任意の形状を有することもできる。しかし、蝶ネクタイ型幾何形状を有する粒子をも使用することができる。
【００２０】
粒子の形状に加えて、プラズモン状態は、粒子材料に応じて変化させることができる。したがって、ＳＰＰモードを定義するパラメータは、材料組成とすることができる。したがって、個々の粒子の幾何形状および材料組成、ならびにそれらの粒子が結合する方法は、所望の電気光学応答をもたらすように調整することができる。たとえば、２つ以上の粒子は、金、銀、またはアルミニウムのナノ粒子である。これらの粒子は、他の貴金属を含むことができる。これらの粒子はメタ材料とすることができる。また、半導体粒子、好ましくは高濃度ドープされたものを企図することもできる。実施形態は、たとえばカーボン・ナノチューブ、フラーレン、およびグラフェン構造など、粒子のための炭素ベースの材料を含むことができる。
【００２１】
実施形態では、粒子間の距離は、コーティングの誘電特性および容量性特性に応じて、１ｎｍと１００ｎｍとの間である。この距離は、状態変化可能なデバイスの容量性結合構成および電気結合構成における所望の特定のプラズモン状態を達成するように適合させることができる。好ましくは、この距離は、たとえばトンネリング機構による粒子間の直接的な電荷キャリア移行を可能にする閾値距離より大きい。
【００２２】
実施形態では、状態変化可能なデバイスは、複数の粒子を形成するために追加の粒子を含む。この複数の粒子は、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合されることが好ましい。２粒子システムではなく、特に励起させることができるプラズモン励起を有する多粒子システムが使用されてもよい。
【００２３】
実施形態では、結合材料は、ジアリールエテン、酸化物材料、酸化還元活性分子、誘電材料、相変化材料、強誘電材料などを含む。
【００２４】
実施形態では、結合材料は、第１の粒子と第２の粒子を機械的に結合してもよい。さらに、このデバイスは、流体たとえば溶液、またはたとえばポリマーを含むマトリックスで実装することができる。特に、２粒子構造を定義する機械的結合は、たとえば液体または分散液での柔軟な実装を可能にする。
【００２５】
状態変化可能なデバイスの実施形態は、光を切り替え、非破壊で読み出すことができる情報を記憶するために使用することができる。したがって、メモリ・デバイスの実施形態は、前で開示されている少なくとも１つの状態変化可能なデバイスを含む。好ましくは、第１のメモリ状態が第１のＳＰＰ構成に割り当てられ、第２のメモリ状態が第２のＳＰＰ構成、たとえば混成ＳＰＰ構成に割り当てられる。
【００２６】
メモリ・デバイスの実施形態は、光を状態変化可能なデバイスに照射するために第１および第２の光導波路を備えることができる。状態変化可能なデバイスは、第１の光導波路と第２の光導波路との間に配置されることが好ましい。状態変化可能なデバイスが延長された光導波路間に配置されるクロスバー構造を企図することができる。導波路は、スイッチング光を伝搬するために使用される。
【００２７】
メモリ・デバイスの実施形態は、溶液状態での状態変化可能なデバイスを含むことができる。
【００２８】
さらに、状態変化可能なデバイスは、スイッチング・デバイスとして使用することができる。したがって、スイッチング・デバイスの実施形態は、前述の少なくとも１つの状態変化可能なデバイスを含む。スイッチング・デバイスは、状態変化可能なデバイス構造に結合された第１および第２のプラズモン導波路を備えることができる。
【００２９】
スイッチング・デバイスの実施形態では、さらなる第１および第２の光（フォトニックまたはプラズミック）導波路が提供され、第１の導波路は、第１の状態変化可能なデバイス部に結合され、第２の導波路は、第２の状態変化可能なデバイス部に結合される。
【００３０】
プラズモン励起（ＳＰＰ）は、入射光信号、すなわちスイッチング光信号の速さで伝搬する。対応するスイッチング・デバイスを使用し、最大ＴＨｚ周波数を切り替えることができる。異なるスイッチング周波数を使用し混合することができるので、提案されているデバイスは、特に調整されたスイッチング光の周波数または波長に従って大きな帯域幅を達成することができる。さらに、応用例の帯域幅をさらに増大する様々な干渉機構によって、スイッチング光の追加の操作が実行可能である。
【００３１】
状態変化可能なデバイス、メモリ・デバイス、およびスイッチング・デバイスの実施形態は、柔軟な光学コンポーネントおよびデバイスを可能にすることができる。
【００３２】
最も小さい間隙（コーティングによって画定される）を有する幾何形状を使用し、プラズモン励起を搬送および伝達することが好ましいので、コーティングまたは結合材料内で相互作用する非線形効果を利用することができる。１つの例が、大きな光子場から生じる小さな間隙内での第２高調波発生に導くことができる。これは、周波数２逓倍を使用することができるコーティングのスイッチングのための追加のトリガを提供することになる。本発明の実施形態によるデバイスは、量子プラズマ共鳴によってのみ制限され、したがって極度の小型化に好適なものとなり得る。単純なコンポーネントにより、本発明の実施形態による状態変化可能なデバイスは、大量生産し、大規模集積に使用することができる。
【００３３】
本発明の他の態様の一実施形態によれば、メモリ状態を記憶するための方法が提供され、この方法の一実施形態は、
互いに近接して配置された第１の粒子および第２の粒子を用意するステップと、
結合材料を通じて第１の粒子と第２の粒子を電気光学結合させるステップであって、粒子が、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が発生するような電荷キャリア分布をもたらすように適合される、ステップとを含み、結合材料が、トリガ信号、たとえば照射されたスイッチング光に応答して可変伝導率を示すように適合される。粒子は、第１のＳＰＰ構成が第１の粒子と第２の粒子との間の容量性結合に対応し、第２のＳＰＰ構成が第１の粒子と第２の粒子との間の伝導性結合に対応するように配置される。この方法は、第１のメモリ状態を第１のＳＰＰ構成に割り当てるステップと、第２のメモリ状態を第２のＳＰＰ構成に割り当てるステップとを含むことが好ましい。
【００３４】
実施形態では、メモリの論理状態またはデジタル状態もしくはビット状態が、結合タイプ（第１または第２）の変化で記憶される。たとえば、結合材料またはコーティングの伝導性状態は、割り当てられたメモリ状態を有することができる特定のＳＰＰをもたらす。この方法の実施形態は、状態変化可能なデバイスの一実施形態を形成する物理システムのプラズモン状態に割り当てられた情報を非破壊で読み出すことを可能にすることができる。メモリ・デバイスが光学的な読取りまたは書込み、あるいはその両方を可能にすることは、有利となり得る。
【００３５】
実施形態では、メモリ・デバイスは、不揮発性メモリである。粒子間の実現される結合に応じて、メモリは、揮発性メモリ・デバイスとすることも不揮発性メモリ・デバイスとすることもできる。特に調整されたＳＰＰ構成の柔軟性により、多重レベル・メモリを実現することができる。
【００３６】
提示されているデバイスおよび構造ならびに記憶するための方法のいくつかの実施形態は、例示的な実施形態に関して上記または下記の個々の、または組み合わされた特徴、方法ステップ、または態様を含むことができる。
【００３７】
以下では、状態変化可能な構造、デバイス、およびそのようなものに関する方法の実施形態について、添付の図面を参照して述べる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】状態変化可能なデバイスの第１の実施形態の概略図である。
【図２】状態変化可能なデバイスの第２の実施形態の概略図である。
【図３】粒子間のプラズモン励起の結合を示す図である。
【図４】粒子間のプラズモン励起の結合を示す図である。
【図５】粒子間のプラズモン励起の結合を示す図である。
【図６】活性コーティングの実施形態による粒子間のプラズモン励起の結合を示す図である。
【図７】状態変化可能なデバイスを含むスイッチング・デバイスの一実施形態の概略図である。
【図８】状態変化可能なデバイスを含むメモリ・デバイスの一実施形態の概略図である。
【図９】メモリ状態を記憶するための方法に含まれる方法ステップの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図面内の同様の、または機能的に同様の要素には、別段示されていない限り、同じ符号が割り当てられている。
【００４０】
以下では、「粒子」という用語は、ソリッドステートの部分（entity）を指す。粒子の幾何形状は、球状、棒状、または任意の形状のものとすることができる。たとえば、蝶ネクタイ・アンテナタイプの粒子を企図することができる。また、「物体」を指すこともできる。
【００４１】
本開示内の単一かつ相互作用する粒子は、表面プラズモン（ＳＰ）が発生することを可能にする少なくともそれらの表面領域内の電荷分布を有する。プラズモンは、たとえば入射電磁界下での移動電荷キャリアの集合的な振動または励起を指す。表面プラズモンは、金属誘電体界面に沿った電子密度波と呼ぶことができる。たとえば、粒子は、互いに近接して提供され、誘電媒質によって分離される。プラズモン励起は、紫外スペクトルおよび赤外スペクトルの周波数に対応する周波数を有することができる。
【００４２】
表面プラズモンは、金属誘電体界面に沿って伝搬することができ、光子との結合が生じるとき表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）と呼ばれることがある。本開示では、概してＳＰＰは（論理）状態定義手段として使用されるが、普通の表面プラズモンＳＰと呼ばれる干渉性の電子振動が使用されてもよい。
【００４３】
本開示では、「ナノスケール」粒子、「ナノ粒子」または「ナノ物体」が参照される。状態変化デバイス、すなわちスイッチング光の文脈で使用される電磁放射の波長に比べて、ナノ粒子の延長は、使用される光の波長より短い。たとえば、ナノスケール粒子は、１ｎｍと１００ｎｍとの間の最大延長を有することができる。しかし、特定の状況では、５００ｎｍの延長を有する粒子をナノ粒子と呼ぶことができる。
【００４４】
本開示では、「容量性結合」という用語は、電荷キャリアの交換のない２つの粒子の結合のために使用される。「電子結合」または「伝導性結合」という用語は、２つの粒子間の電荷キャリア交換が生じる場合に使用される。
【００４５】
「トリガ信号」という用語は、結合材料の変化によりナノ粒子間の結合の変化を引き起こし得る任意の外部刺激、励起、または呼び掛け（challenge）を含むものとする。実施形態の以下の開示は、スイッチング光を可能なトリガ信号と称するが、電界、磁界、温度変化などに基づく信号をも使用することができる。特に、「スイッチング光」という用語は、赤外光または熱励起を含めて、任意の電磁放射を含むものと理解することができる。また、ガンマ線またはＸ線など粒子のような「放射」をも企図することができる。
【００４６】
図１は、状態変化可能なデバイス１の第１の実施形態を示す。状態変化可能なデバイス１のこの実施形態は、第１の粒子２および第２の粒子３を含む。これらの粒子は、数ナノメートルの延長を有するナノ粒子として提供される。粒子２、３は、互いに近接して配置され、２つの粒子２、３間には、結合媒質４が配置される。粒子２、３は、たとえば、表面プラズモン発生を可能にする自由電荷キャリアを担持する金属性の粒子または高濃度ドープされた半導体粒子である。
【００４７】
粒子２、３が容量性結合されているだけである場合、たとえば、入射光照射（Ｌ）下で表面プラズモンＰ１が発生する。Ｐ１は、特定のエネルギーを有する。結合材料４の条件によっては、２つの粒子２、３は、結合材料４を通じて粒子２から粒子３への電荷移行が生じ得るように強く結合され、すなわち伝導性になる。結合のこの交番は、変化したＰ１モード、または混成もしくは集合的な表面プラズモン構成Ｐ２を導く。粒子２、３間の結合は、矢印Ｃによって示されている。
【００４８】
結合材料４は、外部トリガまたは刺激、たとえば光照射を通じて伝導性挙動と絶縁挙動との間で切り替えることができる。特定の周波数または波長のスイッチング光Ｌは、結合材料４をある状態から別の状態に、またその逆に交番させることができる。状態変化可能なデバイス１の実施形態を周波数ｖ１または波長λ１を有するスイッチング光Ｌで照射することにより、２つの粒子２、３が伝導性結合し、それにより混成ＳＰ構成Ｐ２を可能にする。別のスイッチング周波数、たとえばｖ２または波長λ２で照射することにより、結合材料４はその絶縁状態に切り替わって戻り、最初のＳＰ構成Ｐ１に導く。デバイス１のＳＰ構成を検出することにより、それぞれの論理状態を定義し記憶することができる。
【００４９】
一例にすぎないが、粒子２、３は、金の球である。２ｎｍの直径を有する単一の金の球は、３２６ｎｍに対応する３．８ｅＶで共鳴、すなわちＳＰ励起を示す。８ｎｍの金の球は、３９０ｎｍに対応する３．２ｅＶで主共鳴を伴う、ＳＰについてわずかに異なるエネルギー・スペクトルを示す。また、球が約２０ｎｍの直径を有する場合、３．２ｅＶで表面プラズモン共鳴、３．９ｅＶでバルク共鳴を示す銀の球を企図することもできる。一般に、ナノ粒子が大きいほど、主共鳴エネルギーも大きくなる。たとえば、調査では、１００ｎｍの金のナノ粒子が４８０ナノメートルで共鳴を有することが示されている。また、ナノ粒子の他の材料および幾何形状も企図することができる。状態変化可能なデバイスは、同一または対称の粒子２、３で構成し、所望のＳＰＰモードＰ２を調整するための自由度を与えることができる。
【００５０】
図２は、ナノ粒子に基づく状態変化可能なデバイスの第２の実施形態を示す。実施形態１０は、活性コーティング５で被覆されたいくつかのナノ粒子２、３、６を示す。棒状の形状を有するナノ粒子２、３、６の寸法がＤとして示されている。粒子２、３、６は、数ナノメートルとすることができる距離ｄだけ分離されている。コーティング５は、ナノ粒子間の結合媒質または結合材料として働く。図１に関連して述べたように、結合材料は、外部トリガ、たとえば光照射によって伝導性挙動と絶縁挙動との間で切り替えることができる。また、ナノ粒子２、３、６に対してナノロッドを参照してもよい。ナノ粒子２、３、６間の最小距離は、たとえば、粒子２、３、６間のトンネリング・イベントの開始によって与えられる。好ましくは、距離ｄは、電荷キャリアのトンネリングが生じ得ないように選択される。
【００５１】
図２に示されている構造は、サブ波長寸法、すなわち、構造１０の幾何学的寸法より大きい波長に対応するエネルギーを有するプラズモン現象を可能にする。発達するＳＰＰモードは、ナノ粒子２、３、６および結合材料５のサイズ、幾何形状、ならびに材料組成および形態によって決まる。たとえば、粒子２、３、６の結晶材料は、非晶質材料とは異なるプラズモン・スペクトルを示す可能性がある。
【００５２】
図３〜図５は、それぞれの波長の関数として任意単位（ａ．ｕ．）でのＳＰＰモードの強度を示す。
【００５３】
図３は、分離され、波長λ０に対応する共鳴で表面プラズモンを示す単一のナノ粒子２を示す。共鳴は、概して、紫外スペクトルと赤外スペクトルとの間の任意の範囲内にあることができる。別のナノ粒子３が第１のナノ粒子２にごく近接（閾値は、粒子２、３の近距離場によって与えられる）された場合、たとえば、集合的なＳＰＰモードに導く影像電荷を通じて、（距離に応じて）ＳＰＰモードが重なり合い始め、最終的に互いに相互作用する可能性がある。図４は、容量性でのみ相互作用する、互いに近接する２つのナノ粒子２、３を示す。下側のグラフは、図３に示されている単一粒子構成に対して２つのＳＰＰ共鳴がいかにシフトされるかを示す。これは、粒子２、３間の容量性結合を指すλｃａｐによって示される。この結合は、たとえば周囲の媒質、またはたとえば下にある基材の誘電材料によって定義される、純粋な容量性である。この相互作用、したがってＳＰＰのエネルギー・レベルのシフトは弱い。たとえば、シフトλｃａｐ−λ０は、１０〜５０ｎｍである。
【００５４】
しかし、電子交換を引き起こす電気結合が２つの粒子２、３間の結合材料によって可能にされた場合、電荷キャリアが粒子間で交換される可能性があり、プラズモン短絡が発生する。これは、電荷分布全体の変化、したがってプラズモン・システムの集合的な挙動の変化をもたらす。これは、エネルギー・レベルのシフト、したがってＳＰＰ共鳴の大きなシフトをもたらす。これは、容量性のみでなく追加で伝導性で結合される２つの被覆された粒子２、３を示す図５に示されている。これは、矢印Ｃによって示されている。下側のグラフは、それぞれＳＰＰ共鳴エネルギーまたは波長のシフトを示す。λ１およびλ２は、それぞれスイッチング周波数ｖ１、ｖ２に対応するスイッチング波長を指す。λｃｏｎｄ，１およびλｃｏｎｄ，２は、粒子２、３の伝導性結合構成における代替の共鳴波長を表す。λ０に対して、ＳＰＰ共鳴は、弱い結合についてΔ１だけ、強い結合についてΔ２だけそれぞれシフトされる。２つのナノ粒子２、３の伝導性結合は、分離されたＳＰＰモードに比べて、混成ＳＰＰモードの著しいレッドシフトをもたらすことを示すことができる。このシフトは、１００〜１０００ｎｍとすることができ、波長λ１およびλ２を有するスイッチング光によって誘導される。
【００５５】
集合的なＳＰＰモードによるＳＰＰ共鳴のこの変化が、図３に示されている単一のＳＰＰモードと比較して、図５に示されている。たとえば、２つの粒子２、３間の結合材料は、周波数ｖ１または波長λ１を有する光パルスを照射することによって、結合材料による結合タイプが伝導性結合に変化するように適合される。一方、周波数ｖ２に対応する、より短い波長のスイッチング光λ２は、結合材料特性の逆転をもたらす。すなわち、結合は、容量性になる。ＳＰＰモード間での結合タイプのこの可逆的な交番は、強く結合された、または混成のシステムにおいてＳＰＰモードおよびそれらの相互作用に基づいて、制御されたスイッチングまたは論理動作を可能にする。ナノ粒子２、３間の結合を積極的に制御し、それによりＳＰＰ状態を再現可能に操作することができる。
【００５６】
コーティングまたは結合材料は、たとえば分子層またはフォトクロミック材料とすることができる。また、他の相変化材料、磁気、電気光学材料、または非線形材料を結合材料として企図することもできる。２つの粒子間の伝導性リンクは、図６に示されているように、特定のリガンドを含む分子コーティングで実現することができる。また、機能性酸化物も好適な材料として候補である。この機能性コーティングは、絶縁から伝導性に、またその逆にそのコンダクタンスを変化させることができる。
【００５７】
図６では、そのような機能性コーティングを通じて結合される２つのナノロッド２、３が示されている。たとえば、フォトクロミック分子９またはリガンドが、２つのロッド２、３間の電子の交換または遮断を可逆的に可能にするために使用される。波長λ１を有するスイッチング光を照射することによって、２つのナノロッド２、３間の結合が使用不能になり（オフにされる）、ナノロッド２、３間の結合が容量性のままであるように分子間電子伝導経路が遮断される。これは、波長λ２のスイッチング光で照射し、それにより２つのナノロッド２、３間に分子内電子伝導経路を確立し、ナノロッド２、３間に伝導性結合をもたらすことによって逆転させることができる。
【００５８】
図６では、下側の図は、電子の架橋（左）、および容量性結合（右）を示す。好ましくは、粒子のＳＰＰモードは、混成または結合された共鳴がスイッチング周波数ｖ１、ｖ２の一方に近接して位置しないように設計される。たとえば、λｃｏｎｄ，１＜λ１またはλ１＜λｃｏｎｄ，２である。λ１の典型的な波長は３３０ｎｍであり、λ２＝４５０ｎｍである。しかし、λ１は、２５０ｎｍと３５０ｎｍとの間に及んでもよく、λ２は、５００ｎｍと７００ｎｍとの間に及んでよい。ＳＰＰモードのスイッチング周波数または共鳴周波数、あるいはその両方について、波長範囲の他の周波数を企図することができる。スイッチング光およびＳＰＰ共鳴の周波数および波長は、特定の信号処理の必要性に従って調整することができる。たとえば、λ１またはλ２での紫外パルスは、可視プラズモンＳＰＰから遠く離すことができる。
【００５９】
光活性分子コーティングを結合材料として使用することができる。また、ナノ粒子間で伝導性挙動と絶縁挙動との間での可逆的な変化を可能にする他のスイッチング機構も企図することができる。たとえば、コーティング層を高い電界の印加によって切り替えることができる。また、化学的にスイッチングされる材料を使用することができる。たとえば、金属性結合または伝導性結合を、水性（liquious）環境のｐＨ値変化によって誘導することができる。いくつかの実施形態では、ナノ粒子を被覆し、安定した機械的な電気結合または誘電結合をもたらすために、リガンドが使用される。さらに、紫外スイッチング、または第２高調波発生の使用を企図することができる。たとえば、周波数２逓倍されスイッチングのために使用される可視光周波数が使用されてもよい。外部トリガに応答してそれらの幾何形状を変化させる結合材料、たとえば圧電材料を企図することができる。その結果、空間結合、したがってシステムのＳＰＰ構成が変化し得る。
【００６０】
ナノ粒子の可逆的な容量性結合および伝導性結合の機構を、調整されたＳＰＰ周波数およびスイッチング光周波数と組み合わせて、光メモリまたはスイッチング・デバイスとして使用することができる。
【００６１】
図７は、たとえば、状態変化可能なデバイス１０に基づくスイッチング・デバイスを示す。スイッチング・デバイス１００は、状態変化可能なデバイス１０を形成する２つのナノ粒子２、３を備え、粒子２、３は、機能性コーティングで被覆される。状態変化可能なデバイス１０は、それぞれ光導波路１１、１２に結合される２つの光学的（フォトニックおよびプラズモン）トンネリング導波路７、８の間に配置される。２つの粒子２、３の容量性結合または伝導性結合によって決まるＳＰＰ状態に応じて、所定の周波数を有する特定の光信号がデバイス１０を通じて透過され、または拒絶される。光透過のための可変のバンドパスについて述べることもできる。このバンドパスは、スイッチング光を通じて変化させることができ、ＳＰＰモード２に対するＳＰＰモード１に応じて、特定の波長または周波数が通過または遮断される。
【００６２】
図８は、プラズモン状態に基づくメモリ・デバイス１０１の一実施形態を示す。状態変化可能なデバイス１０は、クロスバーのように配置される２つの光学的（フォトニックおよびプラズモン）導波路１１、１２の間に配置される。光は、破線として示されている。状態変化可能なデバイス１０の、すなわちプラズモン構成の状態に応じて、論理状態を割り当てることができる。たとえば、光クロスバー・デバイスを使用し、ハイブリッド光学電子デバイス内でさらなるＣＭＯＳ部をアドレス指定することができ、このＣＭＯＳ部は状態変化可能なデバイスを制御する。アレイタイプのアーキテクチャの特定のメモリ・デバイス１０１または状態変化可能なデバイス１０をアドレス指定するために、追加の光フィルタを使用することができる。アレイの個々のノードは、はっきりと異なる状態変化可能なデバイスから構成し、各個々のノードを光学的手段によってアドレス指定可能なものにすることができる。提案されているデバイスは、たとえば、非破壊である光学的読出しを有する光メモリを可能にする。さらに、スイッチング・デバイスの異なる波長を切り替えることが実行可能であり、異なる入力および出力に信号を光学的に転送するための方法を提供する。
【００６３】
図９は、たとえば上述の状態変化可能なデバイスの一実施形態を使用してメモリ状態を記憶する際に含まれる方法ステップの例示的な流れ図を示す。最初に、２つの粒子が、ステップＳ１で用意され、ステップＳ２で電気光学結合される。図３〜図５に戻ると、図４における図面は、図５で結合される２つのナノ粒子２、３を示し、これは矢印Ｃによって示されている。電気光学結合は、含まれる結合材料を「トリガする」ことを通じて変化させることができる。その結果、たとえば図６に示されている少なくとも２つのＳＰＰ構成が発達し、外部刺激によって変化させることができる。ステップＳ３で、各別個のＳＰＰ構成を特定のメモリ状態に割り当てることができる。
【００６４】
光学的読出しステップＳ４では、それぞれのＳＰＰ構成が調べられる、または測定される。検出されたＳＰＰ構成に応じて、記憶されたメモリ状態が決定される。たとえば、粒子間の伝導性結合による特定のＳＰＰモードまたは構成が測定される。したがって、第１の割り当てられたメモリ状態が読み出される。しかし、弱い、または誘電結合によるＳＰＰモードが測定された場合、第２のメモリ状態が読出しとして得られる。
【００６５】
回折限界より小さい寸法を有する光メモリおよびスイッチの他に、様々な応用例、たとえば光プログラム可能なパターンを有する光タグまたは機能性液体を企図することができる。セキュリティ・カードおよびタグを実装することができる。状態変化可能なデバイスに基づくフィルタおよび非線形光学要素の密にパッケージングされたアレイを実現することができる。さらに、光結合センサおよび熱結合センサを企図することができる。たとえば、結合材料を、感熱性のものとし、温度変化に応じて伝導性結合と容量性結合との間で切り替えることができる。放射線感受性結合材料の場合、線量計としての応用例が可能である。状態変化可能なデバイスは、揮発性メモリおよび不揮発性メモリを可能にし、特定のプラズモン・モードの寿命が、メモリ状態の持続時間を定義する。
【符号の説明】
【００６６】
１  状態変化可能なデバイス
２、３  粒子
４  結合材料
５  コーティング
６  粒子
７、８  プラズモン導波路
９  リガンド
１０  状態変化可能なデバイス
１１、１２  光導波路
１００  スイッチング・デバイス
１０１  メモリ・デバイス
Ｃ  結合
Ｄ  直径
ｄ  距離
Ｌ  スイッチング光
Ｐ１、Ｐ２  表面プラズモン・ポラリトン構成
Ｓ１〜Ｓ４  方法ステップ
【図１】
0006548649.tif 000002
【図２】
0006548649.tif 000003
【図３】
0006548649.tif 000004
【図４】
0006548649.tif 000005
【図５】
0006548649.tif 000006
【図６】
0006548649.tif 000007
【図７】
0006548649.tif 000008
【図８】
0006548649.tif 000009
【図９】
0006548649.tif 000010