(57)【要約】【課題】素子サイズが大きくても動作可能であり、高温でも動作可能であり、かつ、制御線の制御電流が小さい電子波干渉素子を提供する。【解決手段】導電性を有するカーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２と、リング状信号線チャネル２と軸を揃えて、かつ近接して配置する導電性を有するカーボンナノチューブからなるコイル状制御線３と、リング状信号線チャネル２とコイル状制御線３の中空部を貫通して配置するソフト磁性体４とからなる。導電性を有するカーボンナノチューブ２は、半導体カーボンナノチューブまたは金属カーボンナノチューブである。また、ソフト磁性体４は、リング状チャネル２とコイル状制御線３を跨いでいれば好ましく、また、リングを形成していればさらに好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するカーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネルと、
このリング状信号線チャネルと軸を揃えて、かつ近接して配置する導電性を有するカーボンナノチューブからなるコイル状制御線と、
上記リング状チャネルとコイル状制御線の中空部を貫通して配置するソフト磁性体と、
を有する電子波干渉素子。
【請求項２】
前記導電性を有するカーボンナノチューブは、半導体カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の電子波干渉素子。
【請求項３】
前記導電性を有するカーボンナノチューブは、金属カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の電子波干渉素子。
【請求項４】
前記ソフト磁性体は、前記リング状チャネルと前記コイル状制御線を跨いでいることを特徴とする、請求項１に記載の電子波干渉素子。
【請求項５】
前記ソフト磁性体は、前記リング状チャネルと前記コイル状制御線を囲んだリング形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の電子波干渉素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アハロノフ・ボーム効果を用いた電子波干渉素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アハロノフ・ボーム効果とは、電子の波動関数の位相が磁束密度のベクトルポテンシャルを感じて変化する現象を言う。
アハロノフ・ボーム効果を用いた電子波干渉素子は、電子の波としての性質を直接利用したものであり、超高速動作速度、低消費電力が可能であり、将来のコンピュータ等の中心デバイスとして期待されている。電子波干渉素子は、金属あるいは導電性半導体からなるリングの左右に電極を二本設けたリング状信号線チャネルと、リングと軸を揃えて近接して配置されたコイル状制御線とから構成され、リング状信号線チャネルの一方の電極より電子を導入し、電子の波動関数がリングの上半分と下半分との二つの部分波に分かれて伝搬し、コイル状制御線に電流を流してリングの中空部に磁束を貫通させ、アハロノフ・ボーム効果によって部分波の間の位相差を調整し、リングの他方の電極で部分波同士を干渉させ、部分波間の位相差に応じた電子の存在確率の強度を得る、すなわち、磁束に応じた電流を得るものであり、コイル状制御線の電流のＯＮ・ＯＦＦによってリング状信号線チャネルに流れる電流をＯＦＦ・ＯＮするものである。
【０００３】
また、上記の構造の電子波干渉素子においては、部分波の位相差がπとなるために必要な磁束、すなわち磁束量子Φ０  （４．１４×１０−１５  Ｗｂ）を生成するために必要なコイル状制御線の電流は、リングの半径を１μｍ程度としてもｍＡオーダーに達する。この電流値は、既存の短チャネルＭＯＳＦＥＴ等の電子素子に比べても大きく、磁束量子を生成する電流値を減少できなければ、既存の電子素子を上回る性能を実現することができない。
【０００４】
このため、本発明者は、図４に示すように、信号線であるリング状信号線チャネル４１と、その上部または下部に制御線であるコイル状制御線４２を隣接して設け、信号線と制御線の両方を覆うように透磁率の大きなソフト磁性材料金属４４を設けた構造の電子波干渉素子を提案した（特許文献１参照）。この構成によれば、ソフト磁性材料が無い場合に、磁束量子Φ０  を発生するために必要なコイル状制御線の電流を、比透磁率分の１に減少することができる。これにより電子波干渉素子の実用化に一歩近づいた。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００１−３６５０８０
【非特許文献１】
Ｒ．Ｓａｉｔｏ，Ｍ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｇ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓ．Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．７３，４９４（１９９３）
【非特許文献２】
Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｍａｒｔｅｌ，Ｈｅｒｂｅｒｔ  Ｒ．Ｓｈｅａ，ａｎｄ  Ｐｈａｅｄｏｎ  Ａｖｏｕｒｉｓ  “Ｒｉｎｇ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ”  Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｂ  Ｖｏｌ．１０３，Ｎｏ．３６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ９，１９９９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子波干渉素子の実用化にはさらに別の課題がある。
固体中の伝導電子は、不純物による散乱、格子フォノン散乱、あるいは電子同士の非弾性散乱等の散乱を受けて波動関数の位相記憶を失うと干渉しなくなる。従って、リング状信号線チャネルの長さは、電動電子の波動関数の位相記憶が失われない距離、すなわち、可干渉距離以内である必要がある。
従来までのところ、可干渉距離が最も大きい電子系は、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ界面の２次元電子系（以下、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ・２ＤＥＧと記載する）である。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ・２ＤＥＧを用いた従来の電子波干渉素子は、図５に示すように、ＧａＡｓ基板５１上にＡｌＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、このＧａＡｓ基板５１をリング状にメサエッチングして、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ界面の２次元電子系５２をリング状信号線チャネルとしている。しかしながら、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ・２ＤＥＧにおいてすら、可干渉距離は１００ｍＫの極低温において数ミクロンにすぎず、このため、リングの半径は少なくとも１ミクロン以下が必要である。また、電子波干渉素子を実用化するためには、より高温で動作することが望ましいが、高温にすると可干渉距離がさらに短くなるので、さらにリング径を小さくする必要がある。
【０００７】
１μｍを切る径のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなるリングは、極めて高精度の電子ビーム描画装置を使用して初めて製造が可能である。しかしながら、高精度の電子ビーム描画装置は装置コストが高く、また、生産性が低い。また、リング状信号線チャネルの上部または下部に隣接して設けるコイル状制御線の製造は、径をリング状信号線チャネルの径以下にしなければならないため、同様に極めて高精度の電子ビーム描画装置を必要とする。
【０００８】
上記のように、従来の電子波干渉素子は、超高速動作速度、低消費電力が期待されている素子であるが、素子サイズが極めて小さくなければ動作しない、また極めて低温でしか動作しない、と言う課題があり、そのため、製造にコストがかかり、実用に使用することができないと言った課題があった。
【０００９】
上記課題に鑑み本発明は、素子サイズが大きくても動作可能であり、高温でも動作可能であり、かつ、制御電流が小さくても制御できる電子波干渉素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の電子波干渉素子は、導電性を有するカーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネルと、リング状信号線チャネルと軸を揃えて、かつ近接して配置する導電性を有するカーボンナノチューブからなるコイル状制御線と、リング状信号線チャネルとコイル状制御線の中空部を貫通して配置するソフト磁性体と、からなる。導電性を有するカーボンナノチューブは、半導体カーボンナノチューブ、または、金属カーボンナノチューブである。ここで、ソフト磁性体は、リング状チャネルとコイル状制御線を跨いでいれば好ましく、また、ソフト磁性体は、リング状チャネルとコイル状制御線を囲んだリングを形成していればさらに好ましい。
【００１１】
カーボンナノチューブは、直径が約１ｎｍから３０ｎｍの円筒形の構造を有し、炭素だけからなる物質である。中空部は真空である。円筒面は、黒鉛の一層であるグラフィンの六角格子からなる。カーボンナノチューブの径は、電子の波動としての量子性が顕著に現れる大きさであり、また、カーボンナノチューブの多彩な螺旋構造の種類によって金属にも半導体にもなる。また、不純物、格子欠陥が皆無であり、かつ、電子の波動としての量子性が顕著に現れる大きさであるから、カーボンナノチューブの伝導電子は、不純物、格子欠陥、及び、格子フォノンによる散乱を受けることが少なく、可干渉距離が極めて長い。
【００１２】
カーボンナノチューブを電子波干渉素子の信号線チャネルに用いれば、カーボンナノチューブの可干渉距離が極めて長いので、リングの径を大きくしても電子波干渉素子として動作し、また高温で動作させることができる。リングの径が大きいので低コストで製造できる。また、コイル状制御線もカーボンナノチューブで構成すれば、著しく製造工程を簡素化できる。
また、リング状信号線チャネルとコイル状制御線の中空部を貫通して配置するソフト磁性体によって、磁束量子を生成するためのコイル状制御線の電流値を小さくすることができる。ソフト磁性体がリング状信号線チャネルとコイル状制御線を跨いで配置される場合には、ソフト磁性体の磁化に基づく反磁界が減少し、磁束量子を生成するためのコイル状制御線の電流値をさらに小さくすることができる。ソフト磁性体がリング状信号線チャネルとコイル状制御線を囲んで配置される場合には、反磁界が発生せず、磁束量子を生成するためのコイル状制御線の電流値をソフト磁性体の比透磁率分の１に減少させることができる。
【００１３】
このように、本発明の電子波干渉素子は、素子サイズが大きくても動作するので、製造コストを低くすることができ、また、高温での動作が可能になる。また、小さな制御電流で動作が可能である。
従って、本発明の電子波干渉素子は、製造コスト、動作温度、及び、制御電力の観点から、実用に使用できる電子波干渉素子である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材は、同一の符号を付して説明する。
図１は、本発明の電子波干渉素子の第１の実施の形態の構成を示す図である。図において、本発明の電子波干渉素子１は、導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２と、リング状信号線チャネル２と軸を揃えて近接して形成した導電性カーボンナノチューブからなるコイル状制御線３と、リング状信号線チャネル２とコイル状制御線３の中空部を貫通して配置した棒状のソフト磁性体４とで構成されている。リング状信号線チャネル２に接続された電極５ａ及び電極５ｂは、リング状信号線チャネル２の導電性カーボンナノチューブと一体の導電性カーボンナノチューブであってもよく、また、導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２に電気的に接続した導電性の線であっても良い。尚、図において、コイル状制御線３は２回巻きの例を示しているが、コイルの巻き数は任意でよい。
【００１５】
カーボンナノチューブは直径が約１ｎｍから３０ｎｍの円筒形の構造を有し、炭素だけからなる物質であり、中空部は真空である。円筒面は、黒鉛の層であるグラフィンの六角格子からなる。カーボンナノチューブの径は、電子の波動としての量子性が顕著に現れる大きさであり、また、カーボンナノチューブは多彩な螺旋構造が可能であり、螺旋構造の種類によって金属にも半導体にもなるという性質を持っている。本発明に用いる導電性カーボンナノチューブは、直径が約１ｎｍから３０ｎｍの円筒形の構造を有し、かつ、金属、または、半導体の螺旋構造を有するカーボンナノチューブ（非特許文献１参照）を使用する。
カーボンナノチューブをリング状、または、コイル状にするには、例えば、過酸化水素と硫酸の水溶液中にカーボンナノチューブを分散し、超音波を印加することによって形成することができる（非特許文献２参照）。
【００１６】
次に、本電子波干渉素子の作用を説明する。
導電性カーボンナノチューブから成るリング状信号線チャネル２の左の電極５ａから電子を導入すると、電子の波動関数がリングの上半分２ａと下半分２ｂの二つの部分波に分かれて伝搬し、リングの中空部を貫く磁束Φの大きさによって部分波の間の位相差が調整される。電極２ｂで部分波同士が干渉し、部分波間の位相差に応じた電子の存在確率に対応する電流が得られる。すなわち、磁束Φに応じた電流が得られる。リングの中空部を貫く磁束Φは、導電性カーボンナノチューブから成るコイル状制御線３に流す電流によって制御される。この構成によれば、リング状信号線チャネル２として、可干渉距離が長い導電性カーボンナノチューブを用いるので、リング状信号線チャネル２の径を大きくしても動作させることができる。例えば、リング状信号線チャネル２の径を数十μｍとしても動作可能である。あるいは、リング状信号線チャネル２の径を数μｍとすれば、動作温度を１００ｍＫより高くしても動作可能である。
また、本素子は、リング状信号線チャネル２とコイル状制御線３の中空部を貫通して配置したソフト磁性体３を有しているので、量子磁束量子Φ０  を得るために必要なコイル状制御線３に流す電流を極めて小さくすることができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図２は、本発明の電子波干渉素子の第２の実施の形態の構成を示す図である。図１の電子波干渉素子のソフト磁性体が棒状であるのに対して、本電子波干渉素子６のソフト磁性体７は、導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２と導電性カーボンナノチューブからなるコイル状制御線３を跨ぐ形状を有しているところが異なり、他は同一である。
この構成によれば、図１の構成の電子波干渉素子に比べて、反磁界を小さくすることができ、量子磁束量子Φ０  を得るために必要なコイル状制御線３に流す電流をさらに小さくすることができる。
【００１８】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
図３は、本発明の電子波干渉素子の第３の実施の形態の構成を示す図である。図１の電子波干渉素子のソフト磁性体が棒状であり、図２の電子波干渉素子のソフト磁性体が導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２と導電性カーボンナノチューブからなるコイル状制御線３を跨ぐ形状であるのに対し、本電子波干渉素子８のソフト磁性体９は、導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル２と導電性カーボンナノチューブからなるコイル状制御線３を囲うリング状の形状を有しているところが異なり他は同一である。
この構成によれば、反磁界が生じないので、図１，図２の構成の電子波干渉素子に比べて、量子磁束量子Φ０  を得るために必要なコイル状制御線３に流す電流をさらに小さくすることができ、ソフト磁性体の比透磁率分の１にできる。例えば、ソフト磁性体として比透磁率１０４  のパーマロイを使用すれば、量子磁束量子Φ０  を得るために必要なコイル状制御線３に流す電流を１／１０４  にすることができる。
【００１９】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、可干渉距離が長い導電性カーボンナノチューブを用いるので、リング状信号線チャネルの径を大きくしても動作させることができ、従って、低コストで製造でき、また、より高温で動作させることができる。また、ソフト磁性体を有しているので、微少な制御電流で制御することができる。よって、本発明による電子波干渉素子を量子コンピュータの論理演算素子として使用すれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子波干渉素子の第１の実施の形態の構成を示す概略説明図である。
【図２】本発明の電子波干渉素子の第２の実施の形態の構成を示す概略説明図である。
【図３】本発明の電子波干渉素子の第３の実施の形態の構成を示す概略説明図である。
【図４】従来のソフト磁性体を有する電子波干渉素子の構成を示す図である。
【図５】ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ・２ＤＥＧをリング状信号線チャネルとする、従来の電子波干渉素子の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１      第１の実施の形態の電子波干渉素子
２      導電性カーボンナノチューブからなるリング状信号線チャネル
２ａ    リングの上半分
２ｂ    リングの下半分
３      導電性カーボンナノチューブからなるコイル状制御線
４      棒状のソフト磁性体
５ａ    左側電極
５ｂ    右側電極
６      第２の実施の形態の電子波干渉素子
７      跨いだ形状のソフト磁性体
８      第３の実施の形態の電子波干渉素子
９      リング状のソフト磁性体
【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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