(57)【要約】  本発明は、電荷および／または磁気モーメントを有する電荷キャリアや電子のようなキャリアをガイドする装置およびその用途に関する。２次元電子ガスや薄い超電導層や六方晶構造を有する炭素の同素体内で曲線状や角のあるメイン経路３に沿って磁場Ｆによって電荷キャリアがガイドされ、電気接点４、５に各々異なる存在密度が生じる。【選択図】図１８
2021511665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷および／または磁気モーメントを有し、電荷キャリアと電子を含むキャリアをガイドし；キャリア用の曲線状や角のあるメイン経路を有する層状移動区域においてキャリアをガイドするためのガイド；メイン経路に沿って配置される電気接点；およびメイン経路に沿ってキャリアをガイドするためのフィールドを生成して、電圧や電力が接点において発生し、および／またはキャリアが接点において互いに異なる確率密度／存在密度を有するようにするフィールド生成手段を含む装置であって、
前記ガイドが移動区域を形成する六方晶構造を有する炭素同素体から形成され；および／または
前記ガイドが移動区域を形成する１層や数層のファンデルワールスヘテロ構造から形成され；および／または
前記ガイドが移動区域を形成するナノチューブから形成され；および／または
前記ガイドが境界面において、および／または材料内において少なくとも部分的な非弾性衝突や散乱を起こし、且つ、キャリアに対して長い平均自由行程長を示す材料から形成されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ガイドが周期律表の第４主族元素の２次元同素体から形成され、移動区域を形成する六方晶構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ナノチューブが周期律表の第４主族元素から形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ガイドが移動区域を形成する１個や数個のグラフェンストリップ／層から形成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ガイドが移動区域を形成する１個や数個の螺旋状のグラフェンストリップ／層から形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項６】
前記ガイドが移動区域を形成する１個や数個のカーボンナノチューブから形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ガイドが移動区域を形成する１個や数個の螺旋状のカーボンナノチューブから形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
移動区域を形成する１個や数個の螺旋状のグラフェンストリップ／層から形成されたガイドを多数有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
移動区域を形成する１個や数個の螺旋状のカーボンナノチューブから形成されたガイドを多数有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
共通軸線に沿って上下に螺旋状に配置される多数のガイドおよび／またはメイン経路を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
多数のガイドが共通平面に配置されて直列および／または並列に連結されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
電荷および／または磁気モーメントを有し、電荷キャリアと電子を含むキャリアをガイドし；キャリア用の曲線状や角のあるメイン経路を有する層状移動区域Ｂにおいてキャリアをガイドするためのガイド；メイン経路に沿って配置される電気接点；およびメイン経路に沿ってキャリアをガイドするためのフィールドを生成して、電圧や電力が接点において発生し、および／またはキャリアが接点において互いに異なる確率密度／存在密度を有するようにするフィールド生成手段を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置であって、
前記ガイドが移動区域を形成する２次元電子ガスや薄い超電導層を形成し；
前記装置が共通軸線に沿って螺旋状に上下に配置される多数のガイドおよび／またはメイン経路を含み；および／または
前記装置が共通平面に配置されて直列および／または並列に連結される多数のガイドを含み；および／または
前記装置がストリップ状の連結素子によって直列および／または並列に連結される多数のガイドおよび／またはメイン経路を含み、当該ガイドおよび／またはメイン経路が連結素子の縦軸線に鋭角や平行に連結素子に連結され；および／または
前記ガイドが互いに異なるようにドープされた半導体や半導体材料からなるレイヤシステムを含み、材料間の境界面に２次元電子ガスが形成され、レイヤシステムが少なくとも１層のＩｎＧａＡｓおよび／または少なくとも１層のＩｎＰを含むが境界面に２次元電子ガスが形成されるようにすることを特徴とする装置。
【請求項１３】
前記装置が多数の平面を有し、各々の平面に多数のガイドが配置されて直列および／または並列に連結されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
各々の平面において１０００個以上、好ましくは１００００個以上のガイドが並列に連結され、１００個以上、好ましくは１０００個以上のガイドが直列に連結されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
隣接したガイドが中間領域によって同じ平面において分離されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
隣接したガイドが中間層によって互いに分離されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記ガイド、移動区域および／またはメイン経路が一つの平面にまたは閉じられた表面に沿って伸び、当該平面や表面において曲線状および／または角のある形態であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記ガイドが上下に重なるように置かれた２個の層や固体を有し、当該固体は、フェルミ準位が互いに異なり、移動区域を有し、２次元電子ガスが当該固体の境界面に形成されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記ガイドが上下に重なるように置かれる多数の移動区域、電子ガスおよび／または超電導層を有するかまたは形成することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
キャリア用の移動区域の側面が少なくとも部分的に散乱および／または非鏡面反射をすることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
移動区域の平均幅とメイン経路の曲率半径が移動区域内のキャリアの平均自由行程長と同じであるかまたは小さいことを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
移動区域でのキャリアの平均自由行程長がメイン経路を沿った接点の間隔やメイン経路の長さの２５％以上、好ましくは５０％以上、より好ましくは７５％以上、最も好ましくは１００％以上であることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記ガイドおよび／または移動区域が一度や何度も角度がつき、および／または少なくとも幾つかの区域においてアーチ形状であるか半円形状であることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記ガイドおよび／または移動区域の曲率半径が１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、および／または２０００ｎｍより小さく、好ましくは１６００ｎｍより小さいことを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記メイン経路の曲率半径が１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、および／または２０００ｎｍより小さく、好ましくは１６００ｎｍより小さいことを特徴とする、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記フィールド生成手段が磁場を生成することを特徴とする、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記フィールド生成手段やキャリアをガイドするフィールドがキャリアの平均速度を考慮してメイン経路、移動区域および／またはガイドの曲率半径の大きさの曲率半径の軌跡にキャリアをガイドするように設定または調節されることを特徴とする、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
フィールドを一定に維持しつつ、接点を通して生じる電圧や電力で、キャリアの電磁気力や周辺雑音からおよび／またはキャリアからの熱エネルギーから電圧や電力を発生させる、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置の用途。
【請求項２９】
フィールドを一定に維持しつつ、接点を通して電力を発生させてキャリアの熱エネルギーを除去して冷却する、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置の用途。
【請求項３０】
フィールドを一定に維持しつつ、接点を通した電流を測定してキャリアの散乱や軌跡および／または電磁気線を測定／決定する、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置の用途。
【請求項３１】
１次元や２次元の電子ガスや超電導体内の物理的特性を測定／決定する、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置の用途。
【請求項３２】
接点からの電圧を測定し、磁場強度を決定して、ガイドに作用する磁場強度を検知または測定する、請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置の用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲の第１項や第１２項により電荷および／または磁気モーメントを有する電荷キャリアや電子のようなキャリアをガイドする装置およびその用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の気体分子や固体の電子のような粒子が集団で移動するほぼ全ての物体において、このような粒子はいわゆるエルゴード定理（ｅｒｇｏｄｉｃ  ｔｈｅｏｒｅｍ）に従うが、理論的には、十分な時間の間に観察した時、このシステムの（視空間座標の）位相空間内の可能な全ての地点が同じ周波数に達することを意味する。熱力学法則、特に第１法則と第２法則がこのようなシステムに適用される。
【０００３】
非エルゴード系は主に理論的にのみ知られている。例えば、壁が理想的に平行であり、ビリヤードボールが摩擦なしに転がる玉突き台の場合、ビリヤードボールが玉突き台の中央から片壁に正確に直角にぶつかって正確に直角に反射するのであれば、このような玉突き台を非エルゴード系と言える。この場合、ビリヤードボールは２個の理想的に平行な壁を連結する線においてのみ常に前後に転がり、玉突き台の他の区域には全く行かないのであろう。
【０００４】
この場合、非エルゴード系が生じる条件は多いが、正確には、境界壁の形状が理想的に平行であるべきであり、粒子（ビリヤードボール）の経路の形状が理想的に直線であるべきであり、反射角が理想的に垂直であるべきであり、初めての移動方向が壁に理想的に直角であるべきであり、境界壁との接触無しに経路に変化があってはならない。このような条件は、実際にはほぼ実現し難い。
【０００５】
本発明は、このような非エルゴード系を取り扱おうとする。
【０００６】
ＤＥ  ３９  ０３  ９１９  Ａ１は固体内で電子をガイドする装置および方法を紹介しており、薄い半導体層が絶縁体の球面をなす。磁場により、層内の電子の経路の曲率半径をこの層の曲率半径と同じであるかまたは類似した大きさにする。曲面層の２個の離れた地点の間に電位差が生じる。半導体層の厚さは半導体層の電子の平均自由行程長の大きさの程度であるべきであり、この長さは均質な半導体層において非常に小さく、これは実現するのが難しい。
【０００７】
論文「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｂｏｕｎｄ  ｓｔａｔｅｓ  ｉｎ  ａ  ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｄｏｕｂｌｅ−ｂｅｎｄ  ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ」  ｂｙ  Ｃｈｕａｎ−Ｋｕｉ  Ｗａｎｇ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、１  Ｊａｎｕａｒｙ  １９９５、ｐａｇｅｓ  １１３１  −１１３８、および「Ｑｕａｎｔｕｍ  ｂｏｕｎｄ  ｓｔａｔｅｓ  ｉｎ  ａ  ｄｏｕｂｌｅ−ｂｅｎｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｈａｎｎｅｌ」  ｂｙ  Ｃｈｕａｎ−Ｋｕｉ  Ｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．７７、ｎｏ．６、１  Ｊａｎｕａｒｙ  １９９５、ｐａｇｅｓ  ２５６４−２５７１は、外部磁場の影響がなく、方向依存性導電の検討無しに逆方向の二重曲線不連続性を有する狭いチャネルでの電子の量子状態を取り扱っている。所望の量子力学的挙動を得ようとすれば、チャネル幅が電子のド・ブロイ波長より相当に小さくなければならない。
【０００８】
ＷＯ  ２０１６／１１３１４１  Ａ１は、電荷や磁気モーメントを有する電子のようなキャリアをガイドする装置を紹介している。この装置は、曲線状や角のある（ｃｕｒｖｅｄ  ｏｒ  ａｎｇｌｅｄ）メイン経路を有する移動区域においてキャリアをガイドするガイドと、メイン経路に沿ってキャリアをガイドするためのフィールドを生成するフィールド生成手段とを含み、電気接点に電圧や電力が生じるかまたはキャリアが電気接点において異なる確率密度／存在密度を有するようにする。このガイドは、移動区域を形成する薄い超電導層や２次元電子ガスを有するかまたは形成する。ガイド、移動区域および／またはメイン経路は、一つの平面や閉じられた表面に沿って伸び、このような平面や表面において曲線状および／または角のある形態を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、電荷および／または磁気モーメントを有し、電荷キャリアと電子を含むキャリアをガイドする装置は勿論、このような装置の用途を提供しつつも簡単な構成と製造を可能にし、且つ、様々な適用ができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的は、請求項１や１２の装置や請求項２８〜３２のいずれか１項に記載の装置の用途を通じて達成される。従属項に記載された発明は、本発明の様々な実施形態である。
【００１１】
この装置は、２次元電子ガスや薄い超電導層を有するかまたは形成し、またはキャリア用移動区域の形成のために十分に大きい平均自由行程長を示す他の材料からなるガイドを有する。平均自由行程長が十分な他の材料としては、六方晶構造を有する炭素の同素体、例えば、グラフェンやナノチューブ、炭素原子以外の原子から形成されたナノチューブ、およびファンデルワールスヘテロ構造を形成することができる、いわゆる「２次元材料」や材料（ファンデルワールス材料とも言う）、特に１個や数個の単一原子層がある。平均自由行程長が長ければ、非常に簡単に所望の移動区域を得ることができる。移動区域の幅とその曲率半径は、平均自由行程長の程度であるが、移動区域内の電子やキャリアのド・ブロイ波長より大きい。このような大きさは、キャリアに合った非エルゴード系を実現するのに特に有利である。
【００１２】
キャリアは、熱エネルギーに依存する平均速度でガイドおよび移動区域において動く。
【００１３】
移動区域は、キャリア用の曲線状や角のある形態のメイン経路を形成するかまたは限定する。フィールド生成手段を用いて、メイン経路に沿ってキャリアをガイドする磁場のようなフィールドを作ることができる。したがって、キャリアが少なくとも自由に動くことができるところ、メイン経路やそれに平行な方向に衝撃がないかまたは最小化して動くことができる。しかし、反対方向には移動区域の側面の方向にキャリアが偏向する。その結果、反対方向には境界面において相当に多い衝撃と反射が生じる。特に、鏡面反射ではなく且つ正弦波分布に応じた散乱ではない拡散散乱である壁面衝突のため、キャリアが不均一に分布してメイン経路の始まり部分と終わり部分やメイン経路に沿ってキャリアが確率密度／存在密度や存在確率が異なるようになる。特に、方向に応じて導電率が異なり、メイン経路に沿った導電率が反対方向での導電率より大きい。
【００１４】
メイン経路は、移動区域の方向であるかまたはキャリアが動く経路であり、移動区域の主平面や移動区域内に、好ましくは移動経路の曲がった中心線に沿う。
【００１５】
キャリアの各々は電荷を運ぶものであり、電子や正孔である。よって、メイン経路に沿って適切に配置された電気接点によってキャリアの存在確率や確率密度／存在確率が異なることに起因して、電圧や電流や電力が生じる。このような現象は実験によって確認した。
【００１６】
原則的に、キャリアは、各々磁気モーメントを有し、電場や磁場と相互作用することができる。
【００１７】
本発明によれば、ガイドが移動区域を形成するためにキャリアに十分に長い平均自由行程長を示す材料、特に１個や数個のグラフェン層／ストリップおよび／または１個や数個のカーボンナノチューブを有するかまたは形成する。このような材料は、装置の経済的な製作に有利であり、キャリアのために大きい平均自由行程長を提供する。
【００１８】
独立に実現できる本発明の他の特徴によれば、ガイドが移動区域を形成する１層や数層のファンデルワールスヘテロ構造により形成されることができる。移動区域は、周期律表の第４主族元素の２次元同素体により形成され、六方晶構造を有する。このような材料は、装置の経済的な製作に有利であり、キャリアのために大きい平均自由行程長を提供する。
【００１９】
ガイドが移動区域を形成するナノチューブにより形成されることもできる。ナノチューブは、周期律表の第４主族元素や炭素族、具体的には、スズ、シリコン、ゲルマニウムから形成されるが、他の元素や化合物からなるナノチューブを用いることもできる。ナノチューブは、装置の経済的な製作に有利であり、キャリアのために大きい平均自由行程長を提供する。
【００２０】
ガイドが境界面において、および／または材料内において少なくとも部分的な非弾性衝突や散乱を起こし、且つ、キャリアに対して長い平均自由行程長を示す材料から形成されることもできる。この場合、装置の効率に良い。
【００２１】
ガイドが移動区域を形成する１個や数個の螺旋状のグラフェンストリップ／層および／または螺旋状のカーボンナノチューブにより形成されることもできる。この場合、簡単で経済的な方式で非常に多いガイドや移動区域を実現することができる。
【００２２】
本発明の装置が共通軸線に沿って螺旋状に上下に配置される多数のガイドおよび／またはメイン経路を含むこともできる。この場合、装置を小型化することができる。
【００２３】
本発明の装置が共通平面に配置されて直列および／または並列に連結される多数のガイドを含むこともできる。このようなデザインは、経済的な装置の製作に有利である。
【００２４】
本発明の装置がストリップ状の連結素子によって直列および／または並列に連結される多数のガイドおよび／またはメイン経路を含み、このようなガイドおよび／またはメイン経路が連結素子の縦軸線に鋭角や平行に連結素子に連結されることもできる。この場合、多数のガイドを簡単で経済的に連結することができる。
【００２５】
ガイドが互いに異なるようにドープされた半導体や半導体材料からなるレイヤシステムを含み、材料間の境界面に２次元電子ガスが形成され、レイヤシステムが少なくとも１層のＩｎＧａＡｓおよび／または少なくとも１層のＩｎＰを含むが境界面に２次元電子ガスが形成されるようにすることもできる。
【００２６】
ガイドおよび／または移動区域が閉じられた平面や球面に沿って伸び、このような平面や表面において曲線状や角のある形態を有することもできる。この場合、平面層によって比較的に簡単に装置を製造することができ、寸法も非常に小さくすることができ、メイン経路の平均曲率半径を２０００ｎｍより小さく、および／またはガイドや移動区域の平均幅を２０００ｎｍより小さくすることができる。
【００２７】
この装置は、接点を通して電圧や電力を発生させ、電磁気力や電磁気線からおよび／または電磁気力や周辺雑音からおよび／または電荷キャリアの熱エネルギーから電圧、特に直流電圧と電力を生産するのに用いることもできる。
【００２８】
電荷キャリアをガイドするためのフィールドや磁場はほぼ一定に維持されるが、発生した電圧や電力が目標値や最大値を維持するように調節されることもできる。
【００２９】
本発明の装置は、接点を通した電力を用いて、電荷キャリアからの熱エネルギーを除去して冷却に用いることもできる。このような機能は実現し易く、主に様々な目的に使用できる。
【００３０】
本発明の装置は、接点を通した電圧や電力を測定して、電磁気力や周辺雑音の測定や検知に用いることもできる。電圧の測定により、雑音や電磁気線を検知または把握することができる。
【００３１】
フィールドや磁場や作用する磁場強度を前述した測定の間に一定に維持することができる。適当な補正により、雑音や電磁気線を非常に容易に検知または決定することができるが、キャリアをガイドするフィールドや磁場が変わることができる。
【００３２】
本発明の装置は、接点を通した電圧の測定により、キャリアの散乱や軌跡を特定または決定するのに用いることもできる。測定された電圧は、移動空間やガイドの状態に関する情報を提供する。
【００３３】
本発明の装置は、１次元や２次元の電子ガスや超電導体内の物理的特性を測定または決定するのに用いることもできる。
【００３４】
散乱、軌跡および／または他の物理的特性を測定または決定する時、電荷キャリアをガイドするフィールドや磁場は、ほぼ一定に維持されるかまたは空間および／または時間に応じて変わることができる。適切な補正により、測定された電圧を考慮して所望の測定や決定を非常に容易に行うことができる。
【００３５】
フィールド生成手段がなくても、接点を通した電圧を測定して、ガイドに作用する磁場強度を測定するのに本発明の装置を用いることもできる．補正を予め行えば、磁場強度の測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態による装置の斜視図である。
【図２】フィールド生成手段を備えた装置の側面図である。
【図３】フィールド生成手段がない装置の平面図である。
【図４】第２実施形態の装置の斜視図である。
【図５】第３実施形態の装置の平面図である。
【図６】第３実施形態の装置で測定した電圧グラフである。
【図７】第３実施形態の装置で測定した電流グラフである。
【図８】電圧／電流特性のグラフである。
【図９】各種の電流特性のグラフである。
【図１０】第５実施形態の装置の斜視図である。
【図１１】第６実施形態の装置の平面図である。
【図１２】第７実施形態の装置の平面図である。
【図１３】第８実施形態の装置の斜視図である。
【図１４】第９実施形態の装置の斜視図である。
【図１５】第１０実施形態の装置の平面図である。
【図１６】第１０実施形態の装置の側面図である。
【図１７】ナノチューブの斜視図である。
【図１８】第１１実施形態の装置の移動区域を示す図である。
【図１９】第１２実施形態の装置の斜視図である。
【図２０】第１３実施形態の装置の斜視図である。
【図２１】第１４実施形態の装置の斜視図である。
【図２２】第１５実施形態の装置の斜視図である。
【図２３】装置内キャリアの色々な経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の装置１はキャリア２をガイドするのに用いられるものであり、キャリアの各々は電荷および／または磁気モーメントを有する（図２を参照）。キャリアは、電荷キャリアであって、電子が好ましいが、正孔であってもよい。
【００３８】
この装置１はキャリア２をガイドするガイド３を有し、ガイド３は固体やソリッド構造である。キャリア２は、固体やソリッド構造内で動くことができる。
【００３９】
この装置１やガイド３に電気接点４、５が提供される（図１、３を参照）。
【００４０】
ガイド３は、第１固体である半導体６と第２固体である半導体７とから構成され、これらの半導体は、互いに積層され、共通境界面８を有することができる。
【００４１】
２個の半導体６、７の接触面である境界面８や移動区域Ｂは平坦であるか、または閉じられた（平坦であるかまたは球状）面および／または平面Ｅに沿って伸びる（図２を参照）。
【００４２】
互いに積層された半導体６、７は、キャリア２のための２次元電子ガスを形成する。固体物理学的な観点で、電子ガスは電子や正孔導電帯の電子や正孔形態の自由移動キャリア２からなり、このような導電帯は１００ｎｍ以上、好ましくは２００ｎｍ以上の大きい平均自由行程長を有することができる。このような導電区域は、境界面８の両側に形成されるところ、キャリア２のための移動区域Ｂを形成する非常に薄い層の形態で存在する。
【００４３】
前述したように、電子の代わりに、移動区域Ｂにおいて平均自由行程長の長い電荷キャリアとして動くことができる孔である正孔であってもよい。
【００４４】
ガイド３と移動区域Ｂはキャリア２のための曲線状や角のあるメイン経路Ｈを形成し、このようなメイン経路Ｈが図３には幾つか表示されている。
【００４５】
ガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈは、アーチ形状、半円状、放物線状または馬蹄状に曲がっているが、１ヶ所や数ヶ所で角度がついてＶ状やＵ状の形状を取ることもできる。
【００４６】
曲線状や角のあるガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈは、正弦が変わらずに維持される一つの曲率方向のみを有する。角のあるガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈは、この場合に曲線状であってもよい。角のあるガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈの場合、隣接した直線区間が同じ方向に分岐するかまたは角度がついてＶ状やＵ状を形成することが好ましい。
【００４７】
ガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈは境界面８の平面に沿って伸びて、角度がつくかまたは曲がっており、導電性が非常に良く、設定された厚さの非常に薄い層状の形態に製造し易い。
【００４８】
接点４、５はメイン経路Ｈに沿って配列されるかまたは互いに離れており、特にガイド３や移動区域Ｂのアーチや角の端部に配置される。
【００４９】
移動区域Ｂは層状構造であり、平均厚さＤは５００ｎｍ未満、好ましくは３００ｎｍ未満、より好ましくは２００ｎｍ以下である。
【００５０】
移動区域Ｂの平均幅Ｗとメイン経路Ｈの曲率半径Ｒは、移動区域Ｂでのキャリア２の平均自由行程長に対応するかまたはそれより小さい。移動区域でのキャリア２の平均自由行程長は、メイン経路Ｈの長さやメイン経路Ｈでの接点４、５の間隔の２５％以上、好ましくは５０％以上、より好ましくは７５％以上、最も好ましくは１００％以上である。
【００５１】
ガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈの（平均）曲率半径Ｒは、１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、および／または２０００ｎｍより小さく、好ましくは１６００ｎｍより小さい。
【００５２】
移動区域Ｂの平均幅Ｗは、８０ｎｍより大きく、好ましくは１００ｎｍより大きく、および／または（平均）曲率半径Ｒより小さい。
【００５３】
移動区域Ｂの境界面は、キャリア２を対称（入射角と反射角が同じ）や非対称（拡散散乱されるように）になるようにキャリア２を反射する。
【００５４】
特に、移動区域Ｂの側面９においてキャリア２が反射されることが好ましい。このような反射は、所定角度への反射確率が正弦や余弦関数に従わないように、拡散散乱されるようにおよび／または一部非対称に起こることが好ましい。
【００５５】
フィールド生成手段１０やそれにより生じられたフィールドＦは、装置１にのみ関連し、および／または、装置１やガイド３や移動区域にのみ作用することができる。
【００５６】
フィールド生成手段１０はメイン経路Ｈに沿ってキャリア２をガイドするようにフィールドＦを生成／制御して、接点４、５において、および／またはメイン経路Ｈの端部の付近においてキャリア２が同じであるかまたは異なる密度で生じるようにする。フィールドＦは、図２〜３に示されている。
【００５７】
フィールドＦは磁場である。よって、フィールド生成手段１０は磁場を生成し、原則的に永久磁石を用いることができるが、キャリアをガイドする電磁場を作るために電磁石を用いることもできる。
【００５８】
フィールド生成手段１０は、キャリア２をガイドするフィールドＦが移動区域Ｂおよび／またはガイド３の曲率区間にのみ作用するか、またはこの区域の曲線経路のみにキャリアを偏向するように構成される。
【００５９】
平均運動エネルギーや熱エネルギーの関数である平均速度から始まるキャリア２がガイド３や移動区域Ｂ内でメイン経路Ｈおよび／または曲率半径Ｒに沿って（図３に示すように旋回半径Ｚのローレンツ力によって）フィールドＦを通してガイドされるように、キャリア２および／またはフィールド生成手段１０をガイドするためのフィールドＦが制御されるかまたはセットアップされることができる。前述したように、メイン経路Ｈに沿った移動方向にのみ適用され、反対方向には適用されない。このような非対称は、移動区域Ｂやメイン経路Ｈでのキャリアの所望の不均一な分散に重要である。
【００６０】
フィールド生成手段１０および／またはフィールドＦの影響を受ける旋回半径Ｚは、ガイド３や移動区域Ｂの（平均）曲率半径Ｒの程度であってもよいが、５倍以内や２倍以内の程度で曲率半径Ｒより小さいかまたは大きいことが好ましく、曲率半径Ｒとほぼ同一であってもよい。
【００６１】
メイン経路Ｈの両端部でのキャリア２の互いに異なる存在確率のため、電圧、電流および電力が該部分に配置された接点４、５を通して放出される。
【００６２】
接点４、５は、移動区域Ｂ、メイン経路Ｈおよび／またはガイド３の両端部の正面に配置される。
【００６３】
必要であれば、幾つかのガイド３や移動区域Ｂを互いに積層した後に同一なフィールドＦ内に配列し、接点４、５や他の接点に並列や直列に連結することができる。
【００６４】
電荷キャリア２の熱エネルギーから、電磁気エネルギーや周辺雑音から、および／または接点４、５を通した電圧や電力による電磁気エネルギーから電圧や電力を生産するのに装置１を用いることができる。フィールドＦはほぼ一定に維持されることが好ましいが、用いられた電流や電圧において所望の値以上を得るかまたは最大値を得るように調節されることもできる。
【００６５】
接点４、５を通した電力を用いたキャリア２からの熱エネルギーの除去を通じた冷却に装置１を用いることもできる。この装置を電力を取るのに用いることができるため、この場合、自己補強効果を見ることができる。
【００６６】
冷却中にフィールドＦはほぼ一定に維持されることが好ましいが、用いられた電圧や電力において所望の値以上を得るかまたは最大値を得るように調節されることもできる。
【００６７】
接点４、５を通した電圧を測定して電荷キャリア２の散乱や軌跡を測定するのに装置１を用いることもできる。特に、フィールドＦを変化させ、測定された電圧の最大値を確認して電荷キャリア２の対応の散乱や軌跡を推測することができる。
【００６８】
一般に、移動区域Ｂが１次元や２次元の電子ガスや超電導体から構成されたとすれば、このような原理を利用して、このような１次元や２次元の電子ガスや超電導体内の物理的特性を測定／把握することもできる。したがって、対応の接点４、５に存在する電圧がフィールドＦや磁場の関数として物理的特性に関する情報を提供する。
【００６９】
接点４、５を通した電圧を測定してガイド３に作用するフィールドＦや磁場の強度を確認または測定するのに以上の原理を利用することもできる。すなわち、第３実施形態にてさらに詳しく説明するが、作用するフィールドＦに左右される。特に、測定された電圧値から適当な補正を通じてフィールドＦの強度を判断することができる。
【００７０】
図４の第２実施形態は、電子ガスの代わりに薄い超電導層１１を用いて移動区域Ｂを形成する。超電導層１１は、２個の固体６、７の表面および／または間に配置される。
【００７１】
超電導層１１や移動区域Ｂの大きさは、第１実施形態で説明したとおりである。
【００７２】
キャリア２は、電子や正孔として超電導層１１に存在する。
【００７３】
超電導層１１に用いられる材料はいわゆるタイプＩＩ材料であるため、磁束線や渦巻き状の磁場ラインが材料を浸透し、この時、磁束線が可能な限り高い閾値まで維持されて高い流動流れ抵抗を有するように硬質の超電導体を用いることが好ましい。
【００７４】
図５は、本発明の第３実施形態を示す。
【００７５】
下部基板である固体７に層を付着し、この層６はレイヤシステムやパッケージを形成する。
【００７６】
特に、層６を以下のように構成することが好ましい：
【００７７】
（ＩｎＧａＡｓ：ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ：ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ：ＩｎＰのように）半導体材料が互いに異なるようにドープされたレイヤ−システムは、電子に対する平均自由行程長が長く、互いに重なった層構造をなす。したがって、ＧａＡａやＩｎＰのような第１半導体材料層とＡｌ０．３３Ｇａ０．６７ＡｓやＧａＡｓのような第２半導体材料層を互いに重ねておく。ＩｎＧａＡｓはインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）およびヒ素（Ａｓ）を含有した合金であり、合金中にＩｎ、Ｇａ、Ａｓが同じ含量で存在する。このような層を交互に互いに何度も重ねておくが、好ましくは１０回や２０回以上、より好ましくは２０回〜１００回の程度で重ねておき、実験によれば、５０回の程度が特に好ましい。このようにしてレイヤパッケージが形成される。
【００７８】
各層の厚さＤは５０ｎｍ未満であるが、２５ｎｍ未満が好ましく、１０ｎｍ未満がより好ましく、５ｎｍの程度が最も好ましい。
【００７９】
レイヤパッケージは選択的であり、ベース層や中間層の上に配置されることが好ましく、このようなベース層や中間層は、ＧａＡｓやＩｎＰからなり、厚さは１００ｎｍ以上が好ましいが、２５０ｎｍ以上がより好ましく、５００ｎｍの程度が最も好ましい。
【００８０】
カバー層である第１層の厚さは５００ｎｍ以上、好ましくは７５０ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上であり、ＧａＡｓやＩｎＰからなり、レイヤパッケージや他の基板に付着される。
【００８１】
厚さが１０〜５０ｎｍ、好ましくは３５ｎｍ程度のＡｌ０．３３Ｇａ０．６７ＡｓやＧａＡｓからなる第２層をこのようなＧａＡｓ層に付着する。
【００８２】
次に、ＧａＡｓやＩｎＰからなり、厚さが１０ｎｍ以上であり、実験装置では１５ｎｍ程度の他のカバー層を付着することができる。
【００８３】
２次元電子ガスと層状移動区域Ｂは、ＧａＡｓやＩｎＰからなった厚さ１０００ｎｍ程度の第１層とＡｌ０．３３Ｇａ０．６７ＡｓやＧａＡｓがドープされた厚さ３５ｎｍ程度の第２層との間の境界区域に形成される。
【００８４】
このようなレイヤシステムは下部固体７に付着される。実験装置では、この固体７が半導体ＧａＡｓ基板からなる。
【００８５】
すなわち、以下のレイヤシステムが実験装置に用いられた：
【００８６】
【表１】
2021511665.tif 000003
したがって、第１実施形態と同様に、層６やレイヤシステムが２次元電子ガスと移動区域を形成する。
【００８７】
図５において、移動区域Ｂの平面Ｅや境界面８は層６の内側にある。
【００８８】
ガイド３、層６および／またはレイヤシステムが２個の先細に集まる脚１２を形成し、これらの脚は接点４、５に続く。
【００８９】
層６やレイヤシステムは、１つまたは複数の、特に２つの角のある形態のガイド３を形成して、移動区域Ｂやメイン経路Ｈを平面から見るとＵ状をなす。
【００９０】
移動区域Ｂやガイド３は、層６の上部Ｕ状領域やメイン経路Ｈで表示された領域内に限定される。
【００９１】
移動区域Ｂの角のあるかまたはＵ状領域の平均幅Ｗは、２００ｎｍや５００ｎｍより大きく、９０００ｎｍや７０００ｎｍより小さいことが好ましい。
【００９２】
実験装置では６００〜６５０ｎｍの平均幅Ｗが得られ、２個の接点４、５の間隔は平均幅Ｗの以下であった。
【００９３】
フォトリソグラフィ手段により、適当なエッチングを通じて、またはレーザ処理やレーザー切断法により、比較的に簡単に所望の装置や配列を作ることができる。
【００９４】
レイヤシステムには異なる半導体材料を用いることが好ましい。
【００９５】
実験装置では、前述した半導体材料を層６に用いて６００ｎｍ程度の平均自由行程長を得た。
【００９６】
フィールドＦや磁場は、図５の図面や平面Ｅに直角に伸びる。
【００９７】
実験装置において、磁場や磁束密度の関数として脚１２や接点４、５を通して電圧と電流を測定した。図６〜７はその結果を示す。
【００９８】
グラフから分かるように、±２Ｔの程度において、電圧と電流は最大値と最低値になる。これは、平均曲率半径６００ｎｍに対する理論的な計算と一致する。この測定は、２００Ｋ未満の温度で行われた。
【００９９】
このグラフの測定曲線は磁場（より詳しくは、磁束密度）の０点に対して対称であり、０．２Ｔの磁束密度においては、電荷キャリアがメイン経路Ｈに沿って、すなわち、所望の移動区域Ｂおよび／またはガイド３に沿って、具体的には磁場方向と異なる方向に独立にガイドされ、電圧と電流に対して０．２Ｔと−０．２Ｔの程度において異極性が各々得られると見られる。
【０１００】
一方、図６〜７のグラフの本来の測定データと差が出るのを静電気やペルティエ効果と関連した干渉のためであると見ることもできるが、このような干渉は磁場とは関係がない。
【０１０１】
図８は以上で説明した実験装置や装置１を用いて測定した電流／電圧特性を示し、この特性によれば、装置１から電力が生成または放出される。
【０１０２】
したがって、提示された実験装置や装置１によって電圧や電力を利用することができ、このような電圧や電力は、電荷キャリア２や装置１やガイドの熱エネルギーからおよび／または固有の電磁気力や周辺雑音や電磁気線から生じる。要するに、装置１を用いて接点４、５を通して電気エネルギーを得ることができる。
【０１０３】
この装置１を冷却に用いることもできる。より正確には、接点４、５から電力が放出される場合、電荷キャリア２や装置１やガイド３から熱エネルギーを引き抜いて冷却効果や温度減少を果たすことができる。
【０１０４】
フィールド生成手段１０やキャリア２をガイドするフィールドＦを調節して、所望のレベル以上の電圧や電力を得るかまたは最大電圧や電力を得ることができる。
【０１０５】
前述したように、この装置１や原理は汎用的である。
【０１０６】
特に、接点４、５から出る電圧を用いて電荷キャリア２の散乱や軌跡のような他の特性を測定または把握することができ、この時、フィールドＦのような条件を適切に補正または変更することができる。
【０１０７】
また、接点４、５での電圧の測定と分析を通じて、ガイド３、移動区域Ｂおよび／またはそこで動くキャリア２の物理的特性を測定することもできる。１次元や２次元の電子ガスや超電導体をガイド３や移動区域Ｂや（導体）層１１に用いる時に特にそうである。
【０１０８】
また、接点４、５での電圧を測定してガイド３に作用する磁場強度や磁束密度を測定するのにフィールド生成手段１０のない装置１を用いることもできる。この時、適切な補正をして、作用する磁束密度も非常に容易に把握または確認することができる。（フィールド生成手段のない）装置は、磁気センサとして用いることができる。
【０１０９】
この装置１は、電磁気力や（キャリア２の）周辺雑音および／または電磁気影響や電磁気線を検知または測定するのに用いることもできる。
【０１１０】
図９は、接点４、５において測定した電流結果を示すグラフであり、同一ではない導電率の影響が磁場の方向に応じた二つの方向にどれほど大きく及ぼすかを示す。この実験において、外部から引き込まれる他の交流電流電圧が実験装置に作用してＭＨｚ範囲で励起し、この時、適用された電圧は０Ｖ〜１Ｖの広い範囲で変化した。
【０１１１】
測定は、１０Ｋの程度において行った。
【０１１２】
Ｂ＝０Ｔの場合、外部磁場はないが、可能な他の干渉源（例えば、電気化学的接触による電流や熱電電圧）の影響を受ける電流を示す中立曲線が形成された。Ｂ＝＋０．１５Ｔの場合、正の電流方向への導電率が全体励起周波数の間に正の値であり、対応電流は印加された交流電流電圧に比例する。Ｂ＝−０．２５の場合、負の電流方向への導電率が全体励起周波数の間に負の値であり、対応電流は印加された交流電流電圧に比例する。しかし、外部励起が全くないのに（すなわち、Ｖ＝０）、磁場がない場合、正（Ｂ＝＋０．１５Ｔ）や負（Ｂ＝−０．２５Ｔ）の電流が初めから流れることが分かる（図９の拡大部分を参照）。これは、本発明に係る装置１の外部から連続的な電気的出力を利用できるという証拠であり、このような出力は他の可能な干渉源（例えば、電気化学的接触や熱電電圧による電流）ではない、電子や周辺雑音の熱エネルギーからのみに起因する。
【０１１３】
図１０は本発明の第５実施形態の装置１を示し、ここでは、移動区域Ｂや電子ガスが多数であり、互いに平面が上下に接して積層されている。
【０１１４】
多数の移動区域Ｂが共通ガイド３に形成され、共通接点４、５を通して直列および／または並列に連結される。
【０１１５】
必要であれば、移動区域や電子ガスの間に他の中間／空乏層を配置することもできる。
【０１１６】
図１１〜１２は、ガイド３の第６および第７実施形態の平面図である。
【０１１７】
図１１の第６実施形態の装置１において、ガイド３および／またはメイン経路Ｈは円弧状である。
【０１１８】
ガイド３および／またはメイン経路Ｈは、中心角度Ａが１５度以上、好ましくは９０度以上、より好ましくは１８０度以上、さらに好ましくは２７０度以上、最も好ましくは３４０度以上の扇形状が好ましいが、中心角度Ａが１８０度より小さいかまたは大きいものも可能である。ガイド３および／またはメイン経路Ｈが、ほぼ閉じられた経路やループを形成することが好ましい。
【０１１９】
ガイド３やメイン経路Ｈおよび／または移動区域Ｂの側壁が角のある形状、多角形のような他の形状を有することもできる。例えば、メイン経路Ｈおよび／またはガイド３、特に側壁が３個の直線状の区間を有するが、隣接した２個の区間が互いに直角をなして、メイン経路Ｈおよび／またはガイド３がＵ状を取るようにすることもできる。
【０１２０】
図１２の装置１は他の形状を有し、ガイド３および／またはメイン経路Ｈの形状がほぼアーチ形状であり、ガイド３が多数の傾斜した辺を有するが、隣接した辺がなす角度が必ず直角である必要はない。
【０１２１】
また、移動区域Ｂの平均幅Ｗがガイド３の区間ごとに異なりうる。
【０１２２】
図１３〜１４は、第８および第９実施形態であって、装置１のガイド３が多数である。
【０１２３】
このような多数のガイド３は、互いに直列に連結されることができる。
【０１２４】
一方、装置１がガイド３を一つのみ有するが、多重巻線および／またはループを有することもできる。
【０１２５】
ガイド３が多数である装置１は、３次元構造を形成することが好ましい。
【０１２６】
この装置１の多数のガイド３は、互いに同一であり、円形であるかまたは円形に類似している。
【０１２７】
多数のガイド３および／またはメイン経路Ｈは、扇形状やループの形態を取り、図１１の第６実施形態と同様に、中心角度Ａは１５度以上、好ましくは９０度以上、より好ましくは１８０度以上、さらに好ましくは２７０度以上、最も好ましくは３４０度以上であり、ほぼ閉じられた形態のメイン経路Ｈを形成する。
【０１２８】
多数のガイド３が中心の共通軸線Ｃに沿って上下に配列されることができる。
【０１２９】
多数のメイン経路Ｈが共通軸線Ｃに直角な平面にほぼ同一に投影されるように、多数のガイド３および／またはメイン経路Ｈが配置される。
【０１３０】
軸線Ｃは、フィールドＦの方向に平行であるかまたは一致する。
【０１３１】
移動区域Ｂおよび／またはガイド３のメイン経路Ｈは、基本的に平行であるかまたは異なる平面に配置される。
【０１３２】
また、多数のガイド３は、直列に連結されるかまたは垂直や対角線連結要素１３を介して連結される。
【０１３３】
ガイド３と連結要素１３が多数である装置１は、共通軸線Ｃを中心に巻線される一つの連続的な要素として設計されることができる。
【０１３４】
一方、多数のガイド３が連結要素１３と共に螺旋状に配置されて、図１４のようにコルク栓抜きの形態であってもよい。この場合、ガイド３と連結要素が一つの螺旋状の連続要素を形成し互いに継ぎ目なしに連結されることができる。
【０１３５】
多数のガイド３が連結要素１３と共に一つの平面において螺旋状に配列されることもでき、この場合、ガイド３と連結要素１３が一つの螺旋状の連続要素をなし互いに継ぎ目なしに連結される。
【０１３６】
この装置１において、１０３個以上、好ましくは１０５個以上、より好ましくは１０６個以上のガイド３が互いに連結されることができる。
【０１３７】
特に、１０２個以上、好ましくは１０３個以上、より好ましくは１０４個以上のガイド３が直列および／または並列に連結されることもできる。
【０１３８】
図１５〜１６は、多数のガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈを（電気的に）連結する様々な可能性を示す本発明の第１０実施形態を示す。
【０１３９】
前述したように、多数のガイド３を直列および／または並列に連結して装置１を形成することができる。図１５〜１６は、多数のガイド３を並列と直列の両方に連結した配列を示す。しかし、これは例を挙げたものに過ぎず、ガイド３を直列や並列のいずれか一つにのみ連結して類似した形態を実現することもできる。
【０１４０】
図１５の装置１では、ガイド３が２次元および／または一つの共通平面に配置される。
【０１４１】
図１６では、直列および／または並列に連結された多数のガイド３を備えた多数の層が互いに上下に配置される。
【０１４２】
ガイド３は、電極や連結素子１４を介して互いに連結されることができる。このような電極や連結素子１４は、接点４、５に連結されるかまたは接点を形成する。
【０１４３】
連結素子１４は、２次元の平面形状、ストリップ状、四角形状および／または層の形態を取るが、図１６のように３次元のブロック形状および／または立方体の形態を取ってもよい。
【０１４４】
連結素子１４は、層や固体６、７の材料や導体や半導体からなるかまたは含むが、他の材料を用いてもよい。
【０１４５】
共通平面に配置され、および／または並列に連結されたガイド３は２個のストリップ状や四角形状の連結素子１４の間に一列に配列され、１列のガイド３が中間領域１５によって互いに分離される。中間領域１５は、絶縁体や半導体、例えば、空気や絶縁固体からなるかまたは含むことができる。
【０１４６】
図１５のように、ガイド３がアーチ形状であってもよい。
【０１４７】
図１５の実施形態において、ガイド３および／またはメイン経路Ｈは、ストリップ状および／または四角形状の連結素子１４のエッジや縦軸線に対して鋭角（すなわち、９０度より小さい角度）に連結素子１４に続くが、このようなエッジや縦軸線に平行に連結素子に直接続いてもよい。
【０１４８】
互いに上下に配置されて並列に連結されたガイド３が２個のブロック形状の連結素子１４の間に一列に配列されることができ、一列のガイドは中間層１６によって分離される。中間層１６は、空気や絶縁固体のような絶縁体および／または半導体からなるかまたは含み、中間領域１５と同じであるかまたは異なる材料からなることができる。
【０１４９】
連結素子１４の幅Ｄ１は、ガイド３の幅Ｄ２より大きいかまたは同じであるかまたは小さくてもよい。
【０１５０】
ガイド３の高さＶ１は並列に連結された２個のガイド３の高さＶ２より大きいかまたは同じであるかまたは小さくてもよく、この高さＶ２は中間層１６の高さと同じであることが好ましい。
【０１５１】
ガイド３および／または連結素子１４が多数である装置１の製作は、セルフ−ストラクチャリング（ｓｅｌｆ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ）やエピタキシャル過程で多数のガイドを同時に生産することが好ましいが、フォトリソグラフィ、化学的／物理的蒸着法、スパッタリングおよび／またはエッチングのような他の方法を利用してもよい。
【０１５２】
装置１は、半導体装置および／または集積回路を形成することができる。
【０１５３】
図１７〜２２は、本発明の他の実施形態であって、移動区域Ｂの材料の面で図１〜１６の実施形態とは異なるが、他の特徴は同じであってもよい。
【０１５４】
移動区域Ｂを形成する２次元電子ガスや超電導層１１の前述した可能性の他に、ガイド３がキャリア２に対して十分に大きい平均自由行程長を示す他の全ての物質を有することができ、特に共有結合原子からなる層、ファンデルワールスヘテロ構造からなる層、または周期律表の炭素族や第４主族の炭素や他の元素の同素体や変形型からなる層からなるナノチューブや一つ以上の２次元原子層を有することができる。
【０１５５】
移動区域Ｂを形成する材料、特にファンデルワールス材料や炭素は六方晶構造を有し、グラフェンとカーボンナノチューブがその一例である。図１７には円筒形状の（炭素）ナノチューブが示されており、結晶構造は六方晶構造である。
【０１５６】
しかし、キャリア２に対して十分に大きい平均自由行程長、好ましくはグラフェンおよび／またはカーボンナノチューブの平均自由行程長と類似するかまたは長い長さを有する他の材料や混合物、特に２次元材料もガイド３や移動区域Ｂに用いることができる。
【０１５７】
このように長い平均自由行程長は、ファンデルワールス材料／ヘテロ構造、半導体−サンドイッチやナノチューブおよびグラフェンのような色々な２次元材料から観察される。このため、このような２次元構造が理論的説明と実験的立証に用いられた。しかし、本発明は、ガイド３、移動区域Ｂおよび／またはメイン経路Ｈの曲率半径Ｒを特徴とする同じ程度の大きさの平均自由行程長を示すのであれば、いかなる材料を用いてもよく、それと同時に、このような材料は境界や側面９において非鏡面や非正弦タイプの反射を示す。
【０１５８】
「変形型」と「同素体」とは所定の結晶構造を有する元素や物質の様子を示し、同意語として互いに置き換え可能である。元素や物質の変形型や同素体ごとに結晶構造が異なる。例えば、炭素の変形型や同素体がダイヤモンド、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブおよびフラーレンである。
【０１５９】
「２次元材料」とは、単一層、特に単一原子層からなる物質をいう。２次元材料の例としては六方晶窒化ホウ素、スタネン（ｓｔａｎｅｎｅ）、ゲルマネン（ｇｅｒｍａｎｅｎｅ）およびシリセン（ｓｉｌｉｃｅｎｅ）が挙げられるが、共有結合する化学元素が同じであるかまたは異なる数個の原子層を含むこともできる。
【０１６０】
「ファンデルワールスヘテロ構造」とは共有結合した原子からなる数個の層を有する材料や構造を言い、この時、層間結合はファンデルワールスタイプの弱い結合である。ファンデルワールスヘテロ構造は材料が同じ層から形成されるところ、多数の同じ層からなるかまたは異なる層の任意の組み合わせからなる。ファンデルワールスヘテロ構造の層は２次元材料からなる。
【０１６１】
ファンデルワールスヘテロ構造の一つの共有結合層は原子層を１個や数個含み、この時、原子の化学的構造は同じであるかまたは異なってもよい。
【０１６２】
ファンデルワールスヘテロ構造に用いられる材料を「ファンデルワールス材料」と言い、「ファンデルワールス材料」や「ファンデルワールスヘテロ構造」は同じ意味として用いられる。
【０１６３】
黒鉛は、ファンデルワールスヘテロ構造の一例であって、炭素原子のみを有する一つの原子層からなる層を有し、このような原子層を「黒鉛」と言う。
【０１６４】
一つの層が数個の原子層からなるファンデルワールスヘテロ構造や材料の例としてはＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２のようなＴＭＤＣ（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔａｌ  ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ）が挙げられ、ここで、一つの層はＭｏやＷのような遷移金属からなる１個の原子層と、Ｓｅ、Ｓのようなジカルコゲナイド（Ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）からなる２個の原子層とかなる。遷移金属層とジカルコゲナイド層は互いに共有結合し、ファンデルワールス作用により他の単一層と弱い共有結合をする単一層を形成する。
【０１６５】
電子のようなキャリア２に対して長い平均自由行程長は、様々なファンデルワールス材料や２次元材料から見ることができる。
【０１６６】
しかし、境界面において、および／または材料内において部分的な非弾性衝突や散乱を起こし、且つ、キャリア２に対して長い平均自由行程長を示すのであれば、いかなる材料もガイド３や移動区域Ｂに用いることができる。
【０１６７】
「ナノチューブ」とは、ナノメートル範囲の大きさを有するチューブやチューブ状の物体を言う。ナノチューブの壁は単一原子層からなる。直線状のナノチューブは中心縦軸線を有する円筒をなし、この時、円筒の壁は、単一原子層からなり、且つ、中心縦軸線を一定間隔をおいて囲む。このような壁を有するナノチューブは、原子層内部の平均自由行程長が長い。
【０１６８】
グラフェンは六方晶構造を有する単一原子層を形成する２次元炭素原子同素体であり、グラフェンの炭素原子はｓｐ２−混成され、同一平面において各々の炭素原子が１２０度の角度をなす３個の他の炭素原子に結合される。図１７は、グラフェンの結晶構造を示す。グラフェンは、平均自由行程長が長いことが知られている。
【０１６９】
カーボンナノチューブは炭素原子がグラフェンのような六面構造に配列された壁を有するチューブであり、矩形ストリップ状のグラフェンを円筒形状チューブに曲げて両エッジを（化学的に）連結または結合すれば、円筒形状のナノチューブを形成する。
【０１７０】
便宜上、以下では炭素系材料を移動区域Ｂに用いるとする。グラフェン層やストリップとカーボンナノチューブを参照して説明する。
【０１７１】
しかし、周期律表の第４主族や炭素族の他の元素も、グラフェンやカーボンナノチューブと同様に六方晶構造を有するナノ原子層および／またはナノチューブのような同素体を形成することができる。したがって、炭素ではない周期律表の第４主族や炭素族の元素からなる層、ストリップおよび／またはナノチューブも、グラフェンおよび／またはカーボンナノチューブの代わりに用いることができる。
【０１７２】
一方、一つ以上のグラフェンストリップや層を他の材料のストリップや層、特に２次元材料やファンデルワールスヘテロ構造またはキャリア２のために十分に長い平均自由行程長を有する他の材料にグラフェンとカーボンナノチューブを代替してもよい。
【０１７３】
図１８はファンデルワールスヘテロ構造や周期律表の第４主族元素をベースにした材料、特にグラフェンからなる平面や層やストリップにより移動区域Ｂやガイド３を形成した第１１実施形態を示し、ここで、移動区域やガイドは単一平面上にあり、グラフェンストリップや層は環状であるかまたは扇形状である。
【０１７４】
図１８〜２２に示されていないフィールド生成手段１０は、移動区域Ｂおよび／またはグラフェンストリップ／層の平面に直角なフィールドＦを生成する。
【０１７５】
図１９は、第１２実施形態であって、第１１実施形態に関する上記の説明を適用することができる。ここでは、共通軸線Ｃの周りに螺旋状のグラフェンの層やストリップにより移動区域Ｂやガイド３を形成する。
【０１７６】
「螺旋」とは中心軸線に一定間隔をおいて中心軸線を一定の傾きで囲むことを言い、２次元螺旋は一つの平面に伸び、３次元螺旋は軸線に平行な方向に伸びる。
【０１７７】
共通軸線Ｃの周りに螺旋をなす一つ以上の層のグラフェンストリップや層により移動区域Ｂやガイド３を形成することもできる。
【０１７８】
図１８〜２０に示されたグラフェン層やストリップは、幅と長さが一定であるが、長さが幅より大きいかまたは数倍である。
【０１７９】
グラフェン層やストリップは、幅が軸線Ｃに垂直になるように配置される。
【０１８０】
移動区域Ｂやガイド３の他の区域が軸線Ｃの方向に沿って上下に配置され、グラフェン層／ストリップの表面や平面は軸線Ｃに直角に配置される。
【０１８１】
螺旋状の移動区域Ｂやガイド３、特にグラフェン層やストリップの傾きは１０度未満、好ましくは５度未満、より好ましくは２度未満、最も好ましくは１度未満である。
【０１８２】
フィールド生成手段１０は、軸線Ｃに平行であるかまたは移動区域Ｂ平面に垂直にフィールドＦを作る。フィールドＦと移動区域平面がなす角度は、直角に対して１０度未満、好ましくは５度未満、より好ましくは２度未満、最も好ましくは１度未満である。
【０１８３】
図２０は、移動区域Ｂやガイド３がグラフェンを螺旋状に巻いた層やストリップ状の第１３実施形態である。
【０１８４】
グラフェン層であるガイドや移動区域が共通軸線Ｃの周りを螺旋状に曲がり、グラフェン層の表面および／または幅は軸線Ｃに平行であり、且つ、平面ではなく曲面状である。
【０１８５】
フィールド生成手段１０は、軸線Ｃおよび／またはグラフェン層の表面に平行なフィールドＦを作り、接点４、５は巻き上げ型の層の内端部と外端部に各々配置される。
【０１８６】
図２１は移動区域Ｂやガイド３が曲がった１個または複数個のナノチューブからなる第１４実施形態を示し、ナノチューブがカーボンナノチューブであってもよい。
【０１８７】
（カーボン）ナノチューブとその縦軸線は環状に曲がり、共通軸線Ｃに垂直であり、且つ、この軸線の周りに巻かれる。
【０１８８】
この実施形態は、移動区域Ｂやガイド３が平面グラフェン層／ストリップではない一つ以上のナノチューブからなるという点で第１１実施形態とは異なる。よって、第１１実施形態の説明を適用することができる。
【０１８９】
図２２は移動区域Ｂやガイド３を形成する（カーボン）ナノチューブやその縦軸線が共通軸線Ｃの周りに螺旋状をなす第１５実施形態を示すが、図１９の例のようにナノチューブが螺旋状ではなくてもよい。
【０１９０】
第１４と第１５実施形態では、フィールド生成手段１０が軸線Ｃに平行であるかまたはナノチューブに垂直なフィールドＦを生成する。
【０１９１】
（グラフェン）層／ストリップではない（炭素）ナノチューブを用いることを除いては、第１５実施形態は第１２実施形態と類似している。
【０１９２】
第１２、１３および／または第１５実施形態は、図１３〜１４にて説明した第８および／または第９実施形態と類似するかまたは同一な螺旋状のガイド３や移動区域Ｂを形成する。
【０１９３】
図示されてはいないが、シリセン、ゲルマネン（ｇｅｒｍａｎｅｎｅ）、スタネン（ｓｔａｎｅｎｅ）のようなグラフェン類似物質を移動区域やガイドやナノチューブに用いることもできる。
【０１９４】
一般に、本発明の装置１と方法によれば、非対称や方向依存性導電が生じて（ナノ−ラチェット（ｎａｎｏ−ｒａｔｃｈｅｔ）とも言う）、電流、電圧および／または電力を得ることができる。特に、運動／熱エネルギーから電気エネルギーへの変換が簡単で効率的でありながらも直接的になされることができる。
【０１９５】
装置１を非常に概略的に示す図２３を参照して、この装置１の作動原理について説明する。図２３において、接点４、５を有する半円形状の移動区域Ｂやメイン経路Ｈに沿ってキャリア２の色々な経路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が表示されている。
【０１９６】
キャリア２の初めての移動方向、キャリアに作用する外部フィールドＦ、側面９でのキャリアの反射回数とタイプ、および／または移動区域Ｂやメイン経路Ｈでの散乱回数とタイプにより、ガイド３でのキャリア２の動きが決定される。
【０１９７】
外部フィールドＦがなければ、接点４から接点５に動くキャリア２の移動率が、反対方向の接点５から接点４に動くキャリアの移動率と同じである。
【０１９８】
側面９において鏡面反射だけが起こって入射角と反射角が同じであり、移動区域やメイン経路に沿って散乱がないとすれば、側面９において反射されたキャリア２が経路Ｐ１に従う。側面９において鏡面反射する場合、キャリアは常に移動区域やメイン経路に沿って同じ方向に動くが（図２３において、接点４から５に向かって前進）、これは、側面において鏡面反射する間には反対側の移動が生じず、入射角と反射角が同じであれば側面９に平行な移動成分が維持されるためである。
【０１９９】
磁場のような外部フィールドＦが作用すれば、キャリア２の直線軌跡が（Ｐ２、Ｐ３のような）曲線軌跡になる。外部フィールドを適切に調節すれば、側面９での反射が全く／ほぼなくキャリア２が接点４からＰ２経路に沿って接点５に移動する。したがって、キャリア２が接点４から接点５まで移動する経路の長さが非常に短くなる。同じ条件下でキャリア２が接点５から接点４に移動する時には、側面９での多数の反射のため、キャリア２が移動する経路の長さが非常に長くなる。
【０２００】
多数のキャリア２が接点５から接点４まで移動する経路Ｐ３の長さの和は、その反対方向の経路Ｐ２の長さの和より遥かに長い。
【０２０１】
側面９は所定角度への反射率が正弦／余弦関数に従わない方式や少なくとも一部が鏡面反射にならないように散乱や反射を起こすこともできる。この場合、側面９に平行なキャリア２の移動成分が変化または逆転して、キャリアが反射や散乱される前に反対方向に散乱されうる。また、キャリア２が接点５から接点４まで取る経路が反対方向の経路より長くなる。移動区域Ｂにおいてキャリア２の経路が長くなれば、散乱率も大きくなり、キャリア２が後側に散乱されうる。
【０２０２】
キャリアの平均自由行程長が十分な材料を用いれば、散乱率が極めて低くなる。平均自由行程長が短い既存の材料の場合、接点４から接点５までのキャリア２が多くの散乱を受けて、反対方向のキャリアの経路と関連して、統計学的に適切であるかまたは測定できる長さの差が得られない。
【０２０３】
したがって、結論的に、本発明の装置１では、適当な外部フィールドＦが作用すれば（外部フィールドＦのなかった）既存のエルゴード系（ｅｒｇｏｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）が非エルゴード系に変換され、接点４から接点５まで動くキャリアの移動率とその反対に動くキャリアの移動率が異なるシステムを実現することができる。すなわち、接点５でのキャリア２の存在確率が接点４での存在確率と異なり、図２３の実施形態ではさらに高くなる。この場合、接点４、５での電荷が互いに異なり、これらの接点から生じる電圧や電力も互いに異なる。
【図１】
2021511665.tif 000004
【図２】
2021511665.tif 000005
【図３】
2021511665.tif 000006
【図４】
2021511665.tif 000007
【図５】
2021511665.tif 000008
【図６】
2021511665.tif 000009
【図７】
2021511665.tif 000010
【図８】
2021511665.tif 000011
【図９】
2021511665.tif 000012
【図１０】
2021511665.tif 000013
【図１１】
2021511665.tif 000014
【図１２】
2021511665.tif 000015
【図１３】
2021511665.tif 000016
【図１４】
2021511665.tif 000017
【図１５】
2021511665.tif 000018
【図１６】
2021511665.tif 000019
【図１７】
2021511665.tif 000020
【図１８】
2021511665.tif 000021
【図１９】
2021511665.tif 000022
【図２０】
2021511665.tif 000023
【図２１】
2021511665.tif 000024
【図２２】
2021511665.tif 000025
【図２３】
2021511665.tif 000026
【国際調査報告】
2021511665.tif 000027
2021511665.tif 000028
2021511665.tif 000029
2021511665.tif 000030
2021511665.tif 000031