(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる４つの量子状態を有し、
上記４つの量子状態は安定状態、準安定状態、第１中間状態および第２中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第２中間状態および上記第１中間状態の順に低いエネルギーを有し、
上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子。
【請求項２】
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項１記載の記憶素子。
【請求項３】
上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項２記載の記憶素子。
【請求項４】
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる４つの量子状態を有し、
上記４つの量子状態は安定状態、準安定状態、第１中間状態および第２中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第２中間状態および上記第１中間状態の順に低いエネルギーを有し、
上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する記憶素子の記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
上記記憶素子の記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
上記記憶素子の記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子の動作方法。
【請求項５】
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項４載の記憶素子の動作方法。
【請求項６】
上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項５記載の記憶素子の動作方法。
【請求項７】
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる４つの量子状態を有し、
上記４つの量子状態は安定状態、準安定状態、第１中間状態および第２中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第２中間状態および上記第１中間状態の順に低いエネルギーを有し、
上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子が複数配列されてなる演算素子。
【請求項８】
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項７記載の演算素子。
【請求項９】
上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項８記載の演算素子。
【請求項１０】
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成され、
上記有機分子組織体は互いにエネルギーが異なる４つの量子状態を有し、
上記４つの量子状態は安定状態、準安定状態、第１中間状態および第２中間状態であって上記安定状態、上記準安定状態、上記第２中間状態および上記第１中間状態の順に低いエネルギーを有し、
上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、上記準安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、上記安定状態と上記第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは上記第２中間状態から上記準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、
記憶内容を上記安定状態にする場合は、上記準安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を上記準安定状態にする場合は、上記安定状態と上記第１中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に、上記第１中間状態から上記準安定状態への緩和時間より長い時間照射し、
記憶内容を読み出す場合は、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の電磁波を上記有機分子組織体に照射し、上記安定状態と上記第２中間状態との間のエネルギー差に相当する周波数の蛍光が放出されるか否かを測定するようにした記憶素子が複数配列されてなる演算素子が複数配列されて集積化されてなる演算素子集積装置。
【請求項１１】
上記有機分子組織体は環状構造を有する請求項１０記載の演算素子集積装置。
【請求項１２】
上記有機分子組織体はポルフィリン環状組織体である請求項１１記載の演算素子集積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、記憶素子およびその動作方法ならびに演算素子およびその動作方法ならびに演算素子集積装置に関し、特に、新規な原理に基づいたものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の演算素子において用いられてきた記憶素子は、ＳＲＡＭやＤＲＡＭ等に代表されるように、シリコンや化合物半導体からなる無機半導体基板上に微細加工を用いて作製されたトランジスタ構造を用いていた。しかしながら、無機半導体基板は硬直性を有している。また、化合物半導体の殆どはＡｓやＳｅといった毒性が高い成分を有する。このために、こうした記憶素子を内蔵することにより、製品の可撓性（フレキシビリティー）が失われ、また、廃棄時における環境汚染の危険性が高くなるという問題が生じていた。
【０００３】
他の演算素子の可能性に関しては、従来型の古典的演算とは異なる原理に基づいた量子演算素子が提唱されている。これは、量子力学に特有な重ね合わせの原理を記憶素子に利用して、一種の超並列計算を行うものである。これにより、素因数分解やフーリエ変換等の演算をより高速に行うことができると期待されている。しかしながら、現在までに提案されている量子演算の実現手法としては、原子核のスピン状態を用いた核磁気共鳴（ＮＭＲ）法、量子光学の測定手段を駆使したキャビティ量子電磁力学（ＱＥＤ）法、イオン・トラップ法等があるが、温度条件や装置構成等の観点から、いずれも日常的に用いるには簡便性に欠ける。また、演算素子を構成する材料は原子核、イオン、あるいは半導体へテロ構造に微細加工で作製された量子ドットであり、上で述べた製品の可撓性や環境負荷の問題も克服できない。
【０００４】
一方、材料として無機物から有機物へ目を転ずると、１９７０年代中期に提案された、いわゆる分子エレクトロニクスは、従来の無機半導体技術とは異なる原理に基づく電子素子を実現することができると期待されている。無機半導体技術にない可能性の中では、例えばリソグラフィーによる微細加工を用いずとも、有機分子が自然と構造を作製する、いわゆる自己組織化によって、素子作製の工程が削減されるという点が期待されている。特に、上で述べたトランジスタに関しては、導電性の有機分子やカーボンナノチューブを用いた有機電界効果トランジスタの研究開発が精力的に続けられている。分子エレクトロニクスで材料に使われる有機分子は、柔らかく、環境負荷も低いという利点を有する。しかしながら、現在までのところ、有機分子と電極金属との接合の制御、有機分子の電極に対する配向の制御、印加電圧や発熱に対する有機分子の耐性等といった問題が解決されていない。このために、有機分子の電気伝導性を利用した素子は実用化が困難である。
【０００５】
なお、有機分子のエネルギー準位間の電子的遷移を利用して論理演算を行う有機光素子が提案されており、具体例として例えば９，１０−ジフェニルアントラセンの脱気シクロヘキサン溶液を光学セルに入れたものを用いたものが挙げられる（特許文献１）。また、感光性分子膜およびこの感光性分子膜に隣接して形成されこの感光性分子膜より電荷を受け取る作用を有する有機分子膜を備えた有機薄膜と、上記感光性分子膜中の感光性分子に吸収される波長領域の光の照射に伴い、感光性分子の励起により発生した電荷が、電荷を受け取る作用を有する有機分子へ遷移することにより生じる電荷分離状態を制御する手段とを有する有機光素子が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平８−１１４８２４号公報
【特許文献２】特開平５−６３２５５号公報
【０００６】
また、紅色光合成細菌において、複数のバクテリオクロロフィルより構成される２種類の環状構造が存在することが報告されている（非特許文献１）。また、ポルフィリン環状組織体の合成例が報告されている（非特許文献２）。
【非特許文献１】J. Bacter.,181(1999)3869
【非特許文献２】J. Am. Chem. Soc., 125 (2003)2372
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、これまでは、可撓性や環境親和性を持つ演算素子は提案されていなかった。
従って、この発明が解決しようとする課題は、可撓性や環境親和性を持つ演算素子および演算素子集積装置ならびにこれらを構成するのに用いて好適な記憶素子を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、上記の演算素子および記憶素子の動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その概要について説明すると次のとおりである。
近年、有機分子の光機能性に関して注目されている。特に、光合成の反応中心ならびにアンテナ系の構造および機能に関して研究が進められており、その分子組織体の構造ならびにそこでの効果的な光エネルギー捕集および移動機能（光アンテナ機能）について明らかにされてきている。さらに、光合成反応中心の分子組織体を模倣して、ポルフィリン分子やフタロシアニン分子を用いた様々な分子組織体が合成されている。本発明者は、このような光アンテナ機能を有する有機分子組織体を用いて記憶素子を構成することにより、記憶内容の入出力を電磁波の照射により行うことができる新規な動作原理に基づく記憶素子を実現することができ、この記憶素子を演算素子に用いることにより、電磁波の照射により演算を行うことができる新規な演算素子を実現することができることを見出し、この発明を案出するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成されている
ことを特徴とする記憶素子である。
【００１０】
この記憶素子においては、有機分子組織体に対する電磁波（例えば、レーザー光などの光）の照射により記憶内容の入出力を行うことができる。この記憶素子においては、典型的には、有機分子組織体が互いにエネルギーが異なる３つの量子状態を有する。これらの３つの量子状態は、典型的には、各々安定状態、準安定状態および不安定な励起状態であるか、各々安定状態、準安定状態および励起状態である。後者の場合は安定状態、準安定状態および励起状態がこの順に低いエネルギーを有し、好適には、安定状態と励起状態との間の遷移および準安定状態と励起状態との間の遷移が光学的に許容、かつ、安定状態と準安定状態との間の遷移が光学的に禁制または励起状態から安定状態への緩和時間および励起状態から準安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。
【００１１】
記憶素子の記憶内容の読み出しを行うため、記憶素子は上記の３つの量子状態以外に、安定状態および準安定状態よりも高いエネルギーを有する中間状態（上記の励起状態を第１中間状態とすると、第２中間状態）を有する。この場合、典型的には、安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、準安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制または第２中間状態から安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有し、あるいは、準安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制または第２中間状態から準安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。
【００１２】
この発明の第２の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子の動作方法であって、
有機分子組織体に対する電磁波の照射により記憶内容の入出力を行う
ことを特徴とするものである。
この第２の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して述べたことが成立する。
【００１３】
この発明の第３の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子が複数配列されてなる
ことを特徴とする演算素子である。
【００１４】
この演算素子においては、記憶素子を構成する有機分子組織体に対する電磁波の照射により演算を行うことができる。この場合、複数の記憶素子間に電磁気的相互作用が働く。この電磁気的相互作用の結果、これらの複数の記憶素子は、互いの状態に依存して記憶内容の入出力に要する電磁波の周波数がシフトする。
【００１５】
この発明の第４の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子を用いた演算素子の動作方法であって、
有機分子組織体に対する電磁波の照射により演算を行う
ことを特徴とするものである。
【００１６】
この発明の第５の発明は、
光アンテナ機能を有する有機分子組織体により構成された記憶素子が複数配列されてなる演算素子が複数配列されて集積化されてなる
ことを特徴とする演算素子集積装置である。
第３〜第５の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して述べたことが成立する。
【００１７】
上述のように構成されたこの発明によれば、有機分子組織体は柔軟性に優れ、環境負荷も少ない。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、柔軟性に優れ、環境負荷も少ない有機分子組織体を用いることで、光などの電磁波の照射によって記憶内容の入出力を容易に行うことができ、しかも可撓性や環境親和性を併せ持つ記憶素子を得ることができ、この記憶素子を用いて、光などの電磁波の照射によって演算を容易に行うことができ、しかも可撓性や環境親和性を併せ持つ演算素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの実施形態による２値の記憶素子のエネルギー準位（３準位系）を示す。図１において、｜０〉は安定状態（基底状態）、｜１〉は準安定状態、｜２〉は中間状態で励起状態である。状態｜０〉と状態｜２〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（０２）、状態｜１〉と状態｜２〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（１２）と表記し、ω（０２）＞ω（１２）とする。また、状態｜２〉から状態｜０〉への緩和時間はτ（２０）、状態｜２〉から状態｜１〉への緩和時間はτ（２１）である。ここで、安定状態｜０〉と中間状態｜２〉との間の遷移、および、準安定状態｜１〉と中間状態｜２〉との間の遷移は光学的に許容、安定状態｜０〉と準安定状態｜１〉との間の遷移は光学的に禁制か、あるいは、上記の２つの緩和時間（順にτ（２０）、τ（２１））よりも十分長い遷移時間を有する。
【００２０】
次に、記憶素子の状態を記憶内容に対応付ける。記憶内容の操作、すなわち入出力は、個々の記憶素子を構成する有機分子組織体に対する電磁波（例えば、パルスレーザー光）の照射により行う。以下、状態の書き込み方法について説明する。
まず、記憶内容を｜０〉にする場合、すなわち｜０〉を書き込む場合は、周波数ω（１２）の電磁波を、τ（２０）より長い時間照射する。初期状態が｜０〉であれば、ω（０２）＞ω（１２）であるため遷移は生じず、状態｜０〉が保たれる。初期状態が｜１〉であれば、状態はいったん中間状態である｜２〉に遷移し、その後に状態｜０〉へと緩和する。どちらの場合でも、最終状態は｜０〉になる。すなわち、｜０〉が書き込まれる。
【００２１】
次に、記憶内容を｜１〉にする場合、すなわち｜１〉を書き込む場合は、上記と同様にして、周波数ω（０２）の電磁波を、τ（２１）より長い時間照射する。このとき、初期状態が｜０〉であれば、状態はいったん中間状態である｜２〉に遷移し、その後に状態｜１〉へと緩和する。初期状態が｜１〉であれば、ω（０２）＞ω（１２）であるため遷移は生じず、状態｜１〉が保たれる。どちらの場合でも、最終状態は｜１〉になる。すなわち、｜１〉が書き込まれる。
【００２２】
次に、この演算素子の演算処理機構について説明する。
ここでは、簡単のため、２つの記憶素子を互いに隣接して配列した演算素子の演算処理について説明するが、原理的に、より多くの記憶素子で構成される演算素子においても同様の演算処理が可能である。
図２は互いに隣接する２つの記憶素子のエネルギー準位を示す。以下では両記憶素子は互いに同一であるとするが、両記憶素子が互いに異なる場合でも、用意する電磁波の周波数の種類が増えることを除いて、本質的には同じである。
【００２３】
説明の便宜のため、２つの記憶素子をＡ，Ｂと名づける。Ａ，Ｂの状態を｜ＡＢ〉のように表記する。例えば、Ａが｜０〉、Ｂが｜１〉にある状態は｜０１〉と表記する。
この場合、記憶素子Ａ，Ｂ間に電磁的相互作用（例えば双極子相互作用）が働く結果、一方の記憶素子における各状態の準位は、他方の記憶素子の状態に依存してシフトする。状態｜ｊｋ〉と状態｜２ｋ〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（ｊ２，ｋ）、状態｜ｊｋ〉と状態｜ｊ２〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（ｊ，ｋ２）と書く（ただし、ｊ，ｋ＝１，２）。上記の相互作用の結果、ω（ｊ２，０）≠ω（ｊ２，１）、ω（０，ｋ２）≠ω（１，ｋ２）となる。
状態の書き込みを行うためには、例えば記憶素子Ａを｜０〉にする場合、周波数ω（１２，０）およびω（１２，１）の電磁波を、τ（２０）より長い時間照射する。その他の状態の書き込みも同様に行うことができる。
【００２４】
次に、この演算素子による演算の例を説明する。ここでは記憶素子Ａ，Ｂの状態を入力とし、処理後のＡの状態が出力となるような演算処理を考えるが、Ｂの状態を出力としても同様である。以下、ＡとＢとの積（Ａ・Ｂ）、ＡとＢとの和（Ａ＋Ｂ）、Ａの否定（Ａバー）、Ｂの否定（Ｂバー）について説明する。これらの演算を組み合わせることで、様々な演算が可能となる。
【００２５】
まず、積Ａ・Ｂの演算は、ω（１２，０）をτ（２０）より長い時間照射することで実現することができる。この場合、状態｜００〉、｜０１〉および｜１１〉は遷移を起こさないので、ＡにはそのままＡ・Ｂの結果がそれぞれ出力される。また、状態｜１０〉はいったん状態｜２０〉に遷移を起こし、状態｜００〉へと緩和する。その結果、Ａには積Ａ・Ｂの結果である「０」が出力されることになる。同様に、和Ａ＋Ｂの演算に関しては、周波数ω（０２，１）の電磁波の照射を、τ（２１）より長い時間行えばよい。
【００２６】
次に、否定演算について説明する。まず、Ｂバーの演算を行うには、周波数ω（０２，０）およびω（１２，１）の電磁波を、τ（２１）およびτ（２０）の両方より長い時間照射すればよい。この結果、状態｜０１〉および｜１０〉はそのままの状態を保つ一方、最終的に、状態｜００〉は状態｜１０〉に、状態｜１１〉は状態｜０１〉に移るので、どの初期状態に対してもＢバーがＡに出力される。
【００２７】
次に、Ａバーの演算は以下のように行う。まず、周波数ω（１，０２）およびω（０，１２）の電磁波を、τ（２１）およびτ（２０）の両方より長い時間照射する。この操作により、状態｜００〉および｜０１〉はともに状態｜００〉に、状態｜１０〉および｜１１〉はともに状態｜１１〉に移る。次に、周波数ω（０２，０）およびω（１２，１）の電磁波を、τ（２１）およびτ（２０）の両方より長い時間照射する。この結果、状態｜００〉は状態｜１０〉に、状態｜１１〉は状態｜０１〉に移る。最終的に、どの初期状態に対してもＡバーがＡに出力される。
【００２８】
最後に、記憶状態の読み出しについて説明する。この目的のためには、記憶素子は、上記の中間状態に加えて、もうひとつの中間状態（以下、第２中間状態とよぶ）を有することが必要となる。この第２中間状態は次の条件を満たしていることが要求される。すなわち、安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、準安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは第２中間状態から安定状態への緩和時間よりも十分長い遷移時間を有するか、あるいは、準安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に許容、かつ、安定状態と第２中間状態との間の遷移は光学的に禁制もしくは第２中間状態から準安定状態への遷移の緩和時間よりも十分長い遷移時間を有する。以下、前者の場合を例にとって説明するが、後者の場合も本質的に同様である。以下の説明では１個の記憶素子について扱うが、相互作用のために準位がシフトしている場合に対しては、説明文中で現れる周波数を適宜シフトした値に読み替えることとする。
【００２９】
図３は第２中間状態も含めたエネルギー準位を示す。｜３〉は第２中間状態である。状態｜０〉と状態｜３〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（０３）、状態｜１〉と状態｜３〉との間のエネルギー差に相当する周波数をω（１３）と書く。この場合、ω（０２）≠ω（０３）、ω（１２）≠ω（１３）であることが要求される。図３ではω（０２）＜ω（０３）、ω（１２）＜ω（１３）となっているが、不等号の向きが逆であっても、以下で説明する読み出し操作は同様に可能である。
【００３０】
記憶素子の記憶内容の読み出しは次のようにして行う。
記憶素子の状態が｜０〉にあるか｜１〉にあるかを読み出すためには、記憶素子に周波数ω（０３）の電磁波を照射する。初期状態が｜０〉にある場合、状態はいったん｜３〉に遷移する。その後再び状態｜０〉へと遷移するが、同時に周波数ω（０３）の蛍光を放出する。一方、初期状態が｜１〉にある場合は、遷移は起こらず、状態｜１〉が保持される。したがって、電磁波照射後に周波数ω（０３）の蛍光が放出されるか否かを測定することにより、記憶状態を読み出すことができる。また、読み出し後の状態も読み出し前と同じに保たれている。
【００３１】
この一実施形態においては、上記の２値記憶素子を構成するのに必要な３準位系（読み出しに必要な中間状態を含めると４準位系）を実現するために、光アンテナ機能を有する有機分子組織体を利用する。光合成の初期過程に携わる色素分子と蛋白質との複合体（いわゆるアンテナ系）の立体構造が１９９０年代中期にＸ線解析により明らかにされた。アンテナ系は、効果的な光エネルギー捕集および反応中心へのエネルギー移動機能（いわゆる光アンテナ機能）を有するが、こうした機能と構造との関係について研究が進められている。また、アンテナ系の構造に動機を得て、人工的に光機能を有する有機分子組織体を合成する試みも多く行われている。
【００３２】
上記のアンテナ機能を有する有機分子組織体としては、例えば、バクテリオクロロフィルあるいはクロロフィル等の色素分子と、これを支持する蛋白質とにより構成されたものを用いる。色素分子はポルフィリンを基本としている。ポルフィリンは正方形様の骨格を有する有機分子であり、面内で互いに直交する２つの遷移双極子モーメントを有する。原初的な光合成系である紅色光合成細菌においては、複数のバクテリオクロロフィルより構成される２種類の環状構造が存在する。そのひとつはＬＨＩとよばれ、反応中心を囲んでいる。もうひとつはＬＨIIとよばれ、ＬＨＩの周辺に衛星状に配列している。ＬＨIIはさらに内外２種類の環状構造から成る。ＬＨIIの内側の環状構造においては、１８個のバクテリオクロロフィルが円周上にほぼ等間隔で並んでいる（非特許文献１）。各々のバクテリオクロロフィルは、ポルフィリン部分の法線が円周の動径方向を向くように配列されており、遷移双極子モーメントの一方は円の接線に平行である。これらの遷移双極子モーメントの間には双極子相互作用が働くため、ＬＨII内環の励起状態は、個々のポルフィリンの独立な励起状態とはならず、これらの線形結合（いわゆる励起子状態）となる。
【００３３】
上記の円周状に配列された遷移双極子モーメントより成る系で、どのような励起子状態が実現するかを説明する。図４Ａはこの系の模式図であり、図中の各矢印は円周上に等間隔に並んだ遷移双極子モーメントを表す。これらの遷移双極子モーメントは互いに大きさが等しく、それらの向きは円周の接線に平行である。図４Ａは８個の遷移双極子モーメントの系を表しているが、以下に述べることは、任意の個数（以下、Ｎとする）の遷移双極子モーメントの系に対して成立する。
【００３４】
ここでは、簡単のため、隣接遷移双極子モーメント間の相互作用のみを考慮する。双極子相互作用の大きさは双極子間の距離の６乗に反比例するので、励起状態の形成に最も寄与するのは最近接遷移双極子モーメント間の相互作用である。このとき、励起状態は次式のように、個別の励起状態の線形結合で表現される。
【数１】
0004670231.tif 000002
ここに、
【数２】
0004670231.tif 000003
はそれぞれｊ番目の遷移双極子の励起状態、μ番目の励起子状態および係数である。上で述べたように、最近接の遷移双極子モーメント間の相互作用のみを考慮すると、問題は周期境界条件下での連成振動子の問題と等価となり、上式の係数は、円周方向に離散的な波数を持つ正弦関数あるいは余弦関数で表される。離散的な波数に由来する節の数に対応して、励起状態のエネルギー準位および光学的性質も変化する。節の数が多くなるほど、エネルギー準位が高くなる。以下、便宜のため、エネルギー準位の低い励起子状態から順に第１励起子状態、第２励起子状態、…と名づける。また、基底状態から励起子状態への遷移双極子モーメントは、環状組織体のサイズは数十〜数百オングストロームのオーダーであり、照射する電磁波の電磁場は全ての遷移双極子と同位相で相互作用するため、次式で与えられる。
【数３】
0004670231.tif 000004
ここに、
【数４】
0004670231.tif 000005
は、それぞれｊ番目の遷移双極子モーメント、μ番目の励起子状態の遷移双極子モーメントである。
【００３５】
励起子状態のいくつかの例を図４Ｂ〜図４Ｆに示す。図４Ｂは節のない励起子状態である。これは第１励起子状態である。また、基底状態からの遷移双極子モーメントはゼロである。第２励起子状態は２状態が縮退している。これらを図４Ｃおよび図４Ｄに示す。節の数は２個である。また、互いに直交する有限の大きさの遷移双極子モーメントを持つ。
【００３６】
図４Ｅおよび図４Ｆの励起子状態は、それぞれ節の数が４つと８つであり、ともに遷移双極子モーメントはゼロである。同様に遷移双極子モーメントを計算することにより、一般に、有限の大きさの遷移双極子モーメントを持つ励起子状態は第２励起子状態のみであることが明らかである。
【００３７】
この一実施形態においては、上で述べた環状組織体の基底状態および励起子状態を用いて記憶素子を構成し、この記憶素子を複数配列して演算素子を構成する。すなわち、上記の記憶素子の説明における状態｜０〉を基底状態、状態｜１〉を第１励起状態、状態｜２〉を第２励起状態のどちらか、あるいはそれらの線形結合として用いればよい。また、読み出しに関しては、さらに別の励起子状態を中間状態（第２中間状態）として利用することができる。
上記のアンテナ機能を有する有機分子組織体の具体例を挙げると、図５に示すような、合成されたポルフィリン環状組織体である（非特許文献２）。
【００３８】
以上のように、この一実施形態によれば、柔軟性に優れ、環境負荷も少ない有機分子組織体により記憶素子を構成し、この記憶素子を複数配列して演算素子を構成していることにより、可撓性や環境親和性を併せ持つ記憶素子および演算素子を得ることができる。また、この記憶素子は、光などの電磁波の照射によって記憶内容の入出力を容易に行うことができる。また、この演算素子は、同じく光などの電磁波の照射によって演算を容易に行うことができる。これらの記憶素子および演算素子は情報処理に好適に用いることができる。
【００３９】
以上、この発明の一実施形態につき具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値や構成などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値や構成などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための３準位系を示す略線図である。
【図２】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための隣接する２個の３準位系を示す略線図である。
【図３】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための４準位系を示す略線図である。
【図４Ａ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図４Ｂ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図４Ｃ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図４Ｄ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図４Ｅ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図４Ｆ】この発明の一実施形態による記憶素子の動作原理を説明するための円環状に配列した遷移双極子モーメントより成る系を示す略線図である。
【図５】この発明の一実施形態による記憶素子において用いられるアンテナ機能を有する有機分子組織体の具体例としてのポルフィリン環状組織体を示す略線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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