(57)【要約】量子ナノワイヤは、イオン、ドーパント、および自由電子を含む媒体で作られ、該自由電子は、イオンおよびドーパントの複合体によって溶媒和される。量子ナノワイヤの電導性は、従来の金属伝導体よりも高くなりうる。量子ナノワイヤは、線形または環状の形式で作られることができ、またトランジスタ、センサ、モータ、およびトランジスタ、センサ、モータ、ならびに他のナノスケール受動的あるいは能動的装置を含む他のナノスケール電気コンポーネントを製造するために使用されうる。ナノスケールデバイスは、流体、半固体、または固体の媒体で作られうる。量子ナノワイヤ、およびそこから作られるデバイスの製造方法が提供される。該デバイスは、コンピュータ、電子回路、生物学的移植および他の製品の製造に使用されうる。
2004527880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１の量子ナノワイヤを有する組成物であって、該量子ナノワイヤが、
（ａ）高分子マトリックス、
（ｂ）双極子のソース、
（ｃ）ドーパント、及び
（ｄ）少なくとも１の自由電子
を含むことを特徴とする組成物。
【請求項２】
少なくとも１の量子ナノワイヤを有する組成物であって、該量子ナノワイヤが、
（ａ）双極子を含む高分子マトリックス、
（ｂ）ドーパント、及び
（ｃ）少なくとも１の自由電子
を含むことを特徴とする組成物。
【請求項３】
前記組成物の少なくとも一部が、少なくとも１のイオン及び少なくとも１の溶媒和自由電子を含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
前記量子ナノワイヤが、約１０7Ａ／ｃｍ2より大きい電流容量を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
媒体中で量子ナノワイヤを製造する方法であって、
（ａ）双極子を含む高分子物質を含む粘性媒体を形成する工程、
（ｂ）ドーパントを添加する工程、
（ｃ）電荷移動反応を、該高分子物質と該ドーパントとの間に生じさせて、少なくとも１のイオンおよび少なくとも１の自由電子を生成する工程、及び
（ｄ）該高分子物質、該イオン、該電子及び該ドーパントに、該媒体中で量子ナノワイヤを形成させる工程
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
マトリックス中で量子ナノワイヤを製造する方法であって、
（ａ）高分子物質を含む粘性媒体を形成する工程、
（ｂ）該媒体に双極子のソースを添加する工程、
（ｃ）該媒体にドーパントを添加する工程、
（ｄ）電荷移動反応を生じさせて、該媒体中で、少なくとも１のイオン及び少なくとも１の自由電子を生成する工程、及び
（ｅ）該マトリックス中で、該媒体及び該量子ナノワイヤを可能にする工程
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記電荷移動反応が、前記双極子のソースと前記ドーパントとの間で生じる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記媒体を凝固させる工程を追加的に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
量子ナノワイヤを製造する方法であって、
（ａ）低分子量物質を含む粘性媒体を形成する工程、
（ｂ）ドーパントを添加する工程、
（ｃ）電荷移動反応を、該低分子量物質と該ドーパントとの間で生じさせて、少なくとも１のイオン及び少なくとも１の自由電子を生成する工程、及び
（ｄ）該少なくとも１のイオン、該少なくとも１の電子及び該媒体に、高分子物質及び該量子ナノワイヤを形成させる工程
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
更に、双極子のソースを添加する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記媒体中の前記低分子物質の重量パーセントが約５％以上である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
（ａ）絶縁マトリックス及び
（ｂ）約１０7Ａ／ｃｍ2より大きい電流容量を有する複数の量子ナノワイヤ
を含むことを特徴とする素材。
【請求項１３】
前記電流容量が、約０ケルビン乃至前記マトリックスの分解温度の温度範囲において、約１０7Ａ／ｃｍ2より大きい、請求項１２に記載の素材。
【請求項１４】
前記工程（ｄ）において、前記電流容量が約１０7Ａ／ｃｍ2より大きい、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００１年１月２３日出願、米国特許仮出願第６０／２６３，３８６号に基づく優先権を主張する。この仮特許出願は、参照によって完全にここに組み込まれている。
発明の背景
発明の分野
本発明は、導電性ポリマー素材、および有機イオン、ドーパント、ならびに溶媒和自由電子を有する導電性ポリマー素材に関する。本発明は、マイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および生体臨床医学において使用される導電性ポリマー素材にも関する。
関連技術の説明
導電体は、現代技術の多くの側面で、根本的な役割を果たす。コンピュータにおける技術的進歩は、低抵抗性を有する導電体に依存している。電流を、導電体を通して動かすために必要なエネルギは、抵抗と関連している。動作温度を維持するために、熱を含む抵抗エネルギ損失は、導電体を含むデバイスによって消散されなければならない。必要とされるエネルギおよび必要なエネルギ消散を最小限にするために、大変高い導電率および低い抵抗性を有する導電体を提供することが望ましい。多くの応用は室温に近い温度で見られるので、室温に近い温度で、大変高い導電性を有する導電体を提供することが特に望ましい。
【０００２】
金属および合金は、半導体応用を含む、多くの応用において、導電体として幅広く使用されている。金属導体は、金属と他の原子との間に化学結合を有しない結晶格子の存在を特徴とする。金属および合金は、多くの応用に使用できるだけの十分に低い抵抗と、十分に高い導電性（およそ１０6Ｓ／ｃｍ）を有する。しかしながら、これらの素材の抵抗は、それらのオペレーションのために相当なエネルギを必要とするほど十分高く、およびそれらの使用の結果、大幅な電力損失が生じる。
特定の臨界温度より低い場合、一定の金属は超伝導体となりえ、すなわちゼロに到達する、直流（ＤＣ）への抵抗性を有しうるという、Ｏｎｎｅｓによる１９１１年の発見に伴って、導電における大きな進歩があった。低抵抗性は、およそ１０6Ｓ／ｃｍより大きい導電性と関連している。残念ながら、ほとんどの金属の臨界温度は大変低く、典型的には数ケルビン（Ｋ）である。この低い温度要件は、室温での適用に関する金属超伝導体の応用を厳しく制約する。
【０００３】
一定のセラミック酸化物が、およそ１００Ｋの臨界温度より下で、超伝導体となりうるという発見とともに、１９８７年に、別の大幅な進歩があった。臨界温度は、金属伝導体よりも、セラミック酸化物超伝導体のほうが大幅に高いが、該温度は、室温応用を高価に、かつ困難にするほど低い。
米国特許第４，３２５，７９５号（参照により、ここに完全に含まれている）は、製造方法および重量で１０％多い、エポキシ樹脂に懸濁した粉末ビスマス金属を含む素材、誘電ポリマーを開示している。このプロセスにおいて、ビスマスおよびエポキシは、およそ１０Åないしおよそ１０００Åの範囲の直径を有する小さいフィラメントを形成する。前記フィラメントの導電性は、室温で、金属のそれ（すなわち、１０6Ｓ／ｃｍ）を超える。
【０００４】
Ｗ．Ａ．Ｌｉｔｔｌｅによる論理的解析（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ１３４：Ａ１４１６（１９６４）、参照により完全にここに含まれている）は、準１次元を有する超伝導ポリコンジュゲーテッドポリマーの形成に関する基礎を提供した。Ｌｉｔｔｌｅの理論は、ポリアセチレンを含む一定の高導電ポリマーシステムの発見につながった。ドープ処理をされると、ポリアセチレンは、金属のそれ（すなわち、およそ１０5Ｓ／ｃｍ）に近い導電性を示しうる。別の種類の高導電性ポリマーが、Ｇｒｉｇｏｒｏｖらによって発見された（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ３５：（１１）：１６２５−１６３３（１９９３）、参照によって完全にここに含まれている）。これらのポリマーは、１０11Ｓ／ｃｍより大きい導電性を有する構造を提供すると報告されている、ドープ処理されていない酸化アタクチックポリプロピレンおよびポリジメチルシロキサンを含む。
【０００５】
米国特許第５，７７７，２９２号（参照によって完全にここに含まれている）は、１０6Ｓ／ｃｍより高い導電性を有する導電スレッドを含む有機高分子マトリックスを開示している。
発明の要約
【０００６】
本発明は、製造方法および“量子ナノワイヤ”として知られている導電性構造が形成することができる環境または“マトリックス”を形成するポリマー素材を提供する。有用なポリマーは、有機イオンおよび自由電子を形成することができるイオン化可能部分を有するシロキサンおよび有機ポリマーを含む。本発明は、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を含むドーパントも含みうる。マトリックス、ドーパント、およびイオン化可能部分は、溶媒和電子を含む、マトリックスにおいて“スーパーポラロン”とここでは称される、ナノスケールの構造を形成しうる。溶媒和電子は、分子イオンに密接に結合する必要が無いので、室温に近い温度で大変低い電気的抵抗で該構造を通過しうる。電気の流れに対する抵抗は、従来の金属導体のそれよりも小さくなりうるので、“高い導電性”素材として特徴付けることができる。実際に、電気的伝導構造は、金属導体に典型的なものよりも何桁も低い電気的抵抗値を有しうる。
【０００７】
本発明の量子ナノワイヤは、大変制約された空間およびエネルギ消費の条件における高い性能が、最も重要な検討事項である、マイクロエレクトロニクス、オプト‐エレクトロニクス、生体臨床医学、その他、様々な分野における実践的応用を提供することができる。さらに、本発明の構造の巨視的応用は、電気モータ、送電、エネルギ貯蔵、遠隔通信、航空宇宙システム、および超低抵抗電流から利益を享受することができる他のデバイスの、大幅な改良を提供することができる。
このように、一定の実施態様、ナノスケールにおいて、トランジスタ、スイッチ、ダイオード等を含む、小型半導体デバイスを製造するために、高導電性構造が使用されうる。一定の他の実施態様においては、安定した、持続性のある電流が、環状ナノスケール構造で生成されうる。環状構造は、光スイッチ、圧電デバイス、ナノスケール・センサ、３進法コンピュータデバイス、および光学検出器に関する基礎を形成することができる。
発明の詳細な説明
【０００８】
Ｉ  ポリマーマトリックス
本発明の高い導電性素材を製造するのに使用されるポリマーは、それらの初期状態において、後に定義されるように、スーパーポラロンの形成を促進することができる一定の属性を望ましく有することができる。
Ａ  ポリマーマトリックスの分子および構造属性
本発明の導電性ポリマーを作るのに有用なポリマーは、いくつかの異なる化学分類を含む。有用なポリマーは、ポリ（炭化水素）分子鎖、ポリ（シロキサン）、ポリ（ウレタン）鎖およびその他を含む。ポリマーマトリックスの主部の特異的化学組成物は限定的ではなく、各特定の応用の特異的な要件に従って選択することができる。しかしながら、有用なポリマーは、その初期形状において、良い誘電体であり、その結果、共役（または導電）ポリマーの分類に属さないことが望ましい。
【０００９】
例示のみの目的で、高分子イオンを含む有機ポリマーを準備することができる。ここで使用される、用語“高分子”とは、およそ２０００原子質量単位（“ａｍｕ”）より大きい分子量を有する分子を意味する。高分子で作られたポリマーマトリックスは、より小さい分子量素材で作られたマトリックスよりも高い粘性を有することができる。
本発明の他の実施態様において、有機小分子はイオン化種として使用することができる。低分子素材を使用することによって、結果物であるマトリックスの粘性は、より低く、すなわちより簡単に流れることができる。
本発明の他の実施態様において、容易に流れるマトリックスの中にある順番がある、メソゲン基を含み、液晶形状を与えるポリマーを選択することができる。望ましい物理的および／または化学的属性を与える様々な種類のポリマー素材の組み合わせを使用することができることが理解されうる。所望の物理的および／または化学的属性にかかわらず、分子イオン、双極子および／またはドーパントを使用することによって、量子ナノワイヤを有するポリマー素材を製造することができる。
【００１０】
導電性ポリマー構造の形成に望ましい物理的属性を提供することができるポリマーのいくつかの特徴を定義することができる。
１．ポリマーマトリックスは、無定形であるか、または低いレベルの全体あるいはバルク結晶度を有することが望ましいだろう。それらのガラス転移温度（Ｔｇ）より上では、無定形素材は、弾性マトリックスを提供することができる。ガラス転移温度は、化学設計の関数であり、および典型的には、およそマイナス１００セルシウス度とおよそ１８０セルシウス度の間になるように選択することができる。Ｔ＞Ｔｇの温度では、そのようなポリマーマトリックスは、前記マトリックスの中の素子の移動を可能にし、それは導電性構造の自己組織化に望ましい。
２．ポリマーは、望ましくは、双極子モーメントを有するある量の化学基を含む。これらの化学基の高い可動性は、無定形ポリマーマトリックスにある場合、該基に、電荷を溶媒和し、それから安定的にそれらを分離する能力を提供することができる。これは、概念的には、塩の溶解、例えば水中のＮａＣｌに類似している。極性水分子は、ＮａおよびＣｌイオン（それぞれ陽電荷および陰電荷を有する）を別個に溶媒和し、そして該イオンは溶液中で自由になる。
３．ポリマーは、望ましくは、相対的に容易に電子を失うことができる、ある濃度の特異的化学構造を含むべきであり、陽分子イオンを形成する。該分子イオンは、ポリマー鎖に化学的に付着することができ、および安定化することができ、溶媒和殻は、ポリマーにおける可動双極子群によって形成される。システム全体が電気的に中性のままなので、安定した陽イオンの形成は、双極子群による自由電子の即座の発現および溶媒和につながる。溶媒和された電子（双極子殻および捕獲された陰電荷）はここでは“自由ポラロン”と呼ばれる。
【００１１】
３つすべての要素、すなわちポリマー分子鎖と結合した自由ポラロン、安定イオンおよび双極子群は、その後の、スーパーポラロンと呼ばれる特異的な量子力学的構造の形成に積極的に関与する。
本発明の特定の実施態様において、ドーパントが該ポリマーマトリックスに添加される。ドーパントは、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属を含みうる。イオン化部分および双極子を含むマトリックスに添加されると、該金属は溶解し、および双極子ならびにイオン化基との複合体を形成しうる。イオン化する部分がイオン化されると、該金属原子は、双極子および分子イオンの安定化を助けることができ、それによってより安定した導電構造、量子ナノワイヤを形成する。これらの実施態様において、該金属原子は、超伝導構造の電気的伝導属性を担う構造の一部になる。
【００１２】
Ｂ  ポリマーの力学的および物理的属性
上述された化学的双極子およびイオン部分の濃度は、ポリマー鎖におけるモノマーの濃度より小さくなることが望ましいかもしれない。特に、双極子群の濃度は、モノマーの濃度よりおよそ１０乃至およそ１００倍小さくなることが望ましいかもしれない。特に、イオン化群の濃度は、ポリマー鎖のモノマーの濃度より、およそ１０００倍小さいことも特に望ましいかもしれない。これらの相対的に低濃度な双極子およびイオン部分を提供することは、該マトリックスに導入されるドーパントが、ポリマーマトリックスの望ましい物理的属性を変えるのに十分高い濃度である必要が無いことを意味する。
【００１３】
該ポリマー素材は、近赤外線範囲におけるおよそ３．２μｍから始まり、可視範囲における少なくともおよそ０．５５乃至０．６μｍの、幅広い波長の幅に対して光学的に透過的であることが望ましいかもしれない。短い波長における光透過性の限界は、特定の種類のポリマーの特異的化学的組成に依存するかもしれず、また技術要件に従って選択されてもよい。いくつかの望ましい素材は、遠紫外線領域までの光透過性のウィンドウを有しうる。
一定の実施態様において、屈折率はおよそ１．４乃至１．５に近いことも望ましいかもしれない。他の一定の実施態様においては、ポリマーマトリックスは、およそ０．２乃至およそ１ＭＶ／ｃｍの範囲の場強度までのじゅうぶんな電気絶縁体になることが望ましいかもしれない。
Ｔｇよりも上の温度では、無定形ポリマーのマトリックスは、ここではおよそ０．１乃至およそ１０Ｋｇ／ｃｍ2の範囲にある“Ｙｐｏｌ”と称される、ポリマーに関する低ヤング率（“Ｙ”）を特徴とする、ここでは“高弾性状態”（“ＨＥＳ”）と称される状態にある。この範囲は、通常の金属に典型的なヤング率（“Ｙｍｅｔ”）またはおよそ１０6Ｋｇ／ｃｍ2のガラスよりもおよそ６桁小さい。
【００１４】
一定の実施態様において、該素材の密度は、およそ０．８乃至およそ１ｇ／ｃｍ3の範囲であることが望ましいかもしれない。高い弾性と高い割合の自由体積（ＨＥＳの不定形ポリマーに典型的なのはおよそ１０％）との組み合わせで、該密度は低い機械的圧力であっても１０％まで簡単に変化することができる。
ＨＥＳのポリマーの特性は、それらのＴｇより上では、マトリックスが交差結合されない限り、それらは粘性のある流体として流れる能力と高い弾性とを結びつけることができることである。この属性により、大幅な巨視的あるいは局所的構造再組織化が、むしろ低い力で制御されることができる。その結果、ポリマーマトリックスの内部での分離された電荷の間のクーロン相互作用によって生じる内部の局所的緊張の場合、そのような相互作用は、内部の自己組織化のための主な駆動力となりうる。
それは、所望であれば、あらゆる点において内部自己組織化を作動させ、および／またはＴｇより上または下の局所温度の単純な変化により、またはポリマーマトリックスの局所的な交差結合により、それらを停止させることができることも意味する。
【００１５】
ＩＩ  スーパーポラロンおよび量子ナノワイヤ
上述された第一節に従ってポリマー素材が選択されると、自由ポラロン、双極子群、および陽イオンは、マトリックスにおいて不作為に分配される。特に望ましい特性は、一定の条件下で、これらの素子が、スーパーポラロンと呼ばれる短い量子ナノワイヤ（典型的には、およそ０．０３μｍ乃至およそ１０μｍの長さ、およびおよそ０．００３μｍ乃至およそ０．００５μｍの範囲の直径）の形成を生じうる構造的自己組織化を開始することである。図１に概略的に示されているスーパーポラロンは、量子導電構造の基本的な素子である。該量子構造は、おおよそ円筒形の形状であり、およびいくつかの要素を含む。
【００１６】
第一に、粘性マトリックスにおける自由ポラロンは動くことができ、および互いに結合することができ、図１に示されたイオンおよび極性双極子殻に囲まれた薄い導電性“電子スレッド”を徐々に形成する。スーパーポラロンの形成に関与するイオンおよび双極子群は、イオンおよび双極子の可動性を制限する、任意の方向を向いたポリマー鎖に付着する。このように、自己組織化が終わった後、すべてのイオンおよび双極子群の位置は、マトリックスの機械的強度によって固定されることができ、および構造全体に加えられる外力がこの強度を超える場合にのみ変えられることができる。
【００１７】
スーパーポラロンの中心軸に沿って集中した電子は自由であり、ポリマー分子によって制約されない。量子力学的法則に従って、これらの電子は持続的に、スーパーポラロンの１の端部から別の端部へと前後して動くことができる。それは、自由電子が分子鎖の中で簡単に電流を運ぶことができるが、分子鎖の間を“ホッピング”することだけによって１の分子から別の分子へと移動することができる、共役ポリマーからスーパーポラロンの伝導“スレッド”を区別する。
図１に示されたように、この基本的スーパーポラロンは、イオンが陽の最外殻を形成し、電子が内側の陰の“スレッド”を形成し、および放射方向を向いた双極子群（矢印）が、陽（＋）と陰（−）電荷の間の絶縁体として機能する、小型円筒形キャパシタのように見える。ある理論によれば、そのような構造の形成は、純粋に量子力学的であり、また単純化された従来の用語では理解することができない。
実施された実験は、量子理論に一致しており、およびスーパーポラロンのいくつかの電子的および磁気的属性を確立した。
【００１８】
１  電子属性
本発明のポリマーマトリックスおよび超伝導スーパーポラロンは、望ましい電子および磁気属性を有することができる。特に望ましくなりうる電気属性は、相対的に温度から独立しうる高い導電性を含む。そのように、本発明の一定の実施態様において、量子ナノワイヤは、室温に近い温度で超伝導体となりうる。
ｉ．スーパーポラロンの“電子スレッド”は、金属電極がその端部に接続され、かつある低電圧Ｖが加えられる場合、電流の完全な導電体である（図２参照）。図２は、スーパーポラロン、金属接点（斜線部分）、電圧ソース（Ｖ）、抵抗器（Ｒ）および電流検出器（Ａ）を含む完全な電気回路を示す。電圧を加えると、最高（“臨界”）電流、ＪC，は、およそ１０μＡ／スレッドになると概算される。およそ３乃至５ｎｍの直径を有するスーパーポラロンに関して、該電流はおよそ１０8Ａ／ｃｍ2に近い、またはそれより高い電流容量（current carrying capacity）に対応する。
【００１９】
ｉｉ．スーパーポラロンの導電属性は、およそ１Ｋ乃至およそ７００Ｋの幅広い温度範囲において、温度独立性であることがわかっており、およびスーパーポラロンの導電性は少なくともＨ＝０．９テスラ（９０Ｋガウス）（およそ４．２Ｋの室温で）までの外部磁界から独立する。
ｉｉｉ．電流Ｊ＜ＪCにおいて様々な方法で測定されるスーパーポラロンの特異的導電性は、技術的には無限である。例えば、特異的導電性は、電気的方法によって概算される場合は１０11Ｓ／ｃｍを超えることがあり、および特異的導電性が磁気的方法によって概算される場合には少なくとも１０21Ｓ／ｃｍを超えうる。このように、“電子スレッド”の導電性は、銅または銀のそれより少なくとも５桁高く、一定の実施態様においては、１５桁高くなりうる。
ｉｖ．電流ＪをＪC（“臨界”電流）より高くすることによって、高抵抗状態への迅速な（＜１０-8ｓ）遷移を生じる。外部条件によって、この遷移は、可逆的および不可逆的方式の両方において見られる。
【００２０】
ｖ．スーパーポラロンの導電性は、０ＭＨｚ乃至およそ４００ＭＨｚの範囲の周波数にわたり、周波数から独立している。
ｖｉ．電導性に関与する電子は、実際には熱伝達に寄与しない。実験では、これは、少なくとも７桁、ヴィーデマン・フランツの法則の違反を生じる。
ｖｉｉ．Ｊ＜ＪCにおけるスーパーポラロンの無限大の導電性は、０の熱電能を生じる。それは、幅広い温度範囲において、およそ１μＶ／Ｋよりも小さいＳｅｅｂｅｃｋ係数Ｓを導く。
ｖｉｉｉ．“電子スレッド”が通常の金属からできた電極と接触している場合、ある程度の接点抵抗（“Ｒｃｏｎｔ”）が見られ、それは該電子スレッドと該金属との間の電荷キャリアをトンネリングすることによって制御される。これは、電流電圧（Ｊ−Ｖ）特性の非線形性を生じる。トンネリングバリアの属性の変化は、ＪＶ曲線の対応する変形を生じうる。
ｉｘ．低温実験により、電子スレッドと超伝導電極との間の接点の場合に、その結果のＪ−Ｖ曲線が、トンネリングバリアによって分離される２の超伝導体の間のＪｏｓｅｐｈｓｏｎ接点に典型的な特異的特性を示すことがわかった。
ｘ．自己組織化処理の間、それらが大幅な距離で離れていない場合、スーパーポラロンは、ここでは“マイクロワイヤ”と称される、およそ１乃至３μｍの直径を有する、安定した導電アレイまたはバンドルを形成するために、互いに結合することができる（図３）。
【００２１】
２  磁気属性
上述された電気的属性に加え、本発明の電子スレッドは、望ましい磁気属性を有することができる。磁気属性のいくつかは、超導電性を有する構造と関連しているので、実際に、電気属性は、ポリマーの磁気属性の観察を用いて評価することができる。
ｉ．量子理論の予測と一致して、スーパーポラロンの導電電子が、ここでは“強磁性磁区”と呼ばれる特異的な磁気構造であることが実験的に示された。強磁性磁区においては、電子は電子スピンが同じ方向になるように並べられる。これらの磁区は、それらの保磁力がおよそ０．００５テスラ（５０ガウス）より小さく、一定の実施態様においては０に近くなりうるので、大変弱いまたは“弱強磁性体”に対応する。
ｉｉ．マイクロワイヤの形成中、隣接するスーパーポラロンの間の距離は小さくなり（図３参照）およびそれらの間の磁気相互作用は大きくなる。この段階では、マイクロワイヤは、強磁性から反強磁性への順番で自然遷移の傾向を示す。この中間段階で加えられる外磁界は、この傾向を逆転させるかもしれず、そして強磁性状態に戻る遷移を生じさせるかもしれない。そのような遷移に対応する場強度は、スーパーポラロンの間の距離に依存し、および数百ガウスから少なくとも２テスラまで変化してもよい。
【００２２】
興味深い磁気特性が、図４に示されたように、成長しているスーパーポラロンが導電性閉ループを形成する場合、一定の実験条件下で現れうる。そのような閉ループにおいて、内側部分の双極子は、放射状に外側に向いている一方で、外側部分の双極子は、放射状に内側に向いている。
そのような閉ループは、大変高い導電性を有することができ、そのため理想的な反磁性体として振舞うことができ、ループの領域での磁束の変化を避ける。その結果、外磁界の変化は、そのような閉ループにおける持続的電流を誘導することができ、そのような場合、該ループは永久磁石になりうる。そのような磁石の強度は、ループのサイズと、およびＪCの値のみによって制約される。閉ループスーパーポラロンのもう一つの特性は、ループの巨視的サイズによって、その電流および磁気モーメントが徐々に変化することができず、いくつかの離散値によって定量化されるべきであることである。
【００２３】
３  超伝導スーパーポラロンの応用
本発明の超伝導スーパーポラロンは、多くの応用を有しうる。例えば、それぞれ１μｍ（１ミクロン）の長さを有するたった１０10素子の平行アレイが、長さ１０キロメートルの超伝導ワイヤを提供する。そのような高分子ワイヤは、自己絶縁であり、１０μｍ（１０ミクロン）より小さいか、あるいはおよそ１０μｍ（１０ミクロン）の直径を有し、およびマイナス２７３セルシウス度乃至およそプラス２００セルシウス度の温度範囲における実質的なエネルギ損失なく、５０アンペアまでの電流を運ぶことができる。顕著な特性は、そのようなワイヤが、たったおよそ１ｃｍ3のポリマー素材から製造されることができ、その重量は１グラムを超えないことである。
【００２４】
周辺温度で抵抗を有しない電気ワイヤの出現は、効率を向上させることができ、電気産業へのコストを低くすることができる。効果のいくつかは後述される。
１．電気生成、送信および消費におけるエネルギ損失の低減は、一年に原油を何百万バレルも節約することに等しい。その商業的および生態学的結果は明らかであり、十分に説明されている。
２．巨大な、または分散型エネルギ貯蔵システム（持続性電流で荷電された磁気コイル）が、電気消費におけるピーク過負荷および昼夜の不規則性を回避するために使用されてもよい。
３．電力送信において、抵抗損失が存在しないために、電圧を低から高へ、および元に戻す変換の必要性はないかもしれない。現在宙に浮いている高電圧電線の代わりに、低電圧地中線が使用されるだろう。
４．この低電圧電気は、中間変成器を使用することなく、直接顧客の間に分配することができる。
５．上述の第３のポイントを考慮すると、電力送信ＤＣ電流が、静電容量損失を回避し、かつ多くの他の技術的効果を提供するので、代替的高電圧電流の代わりに、新しい発電所は低電圧ＤＣ電流のみを製造することができる。
６．現在の古くなってきた電気基盤のさらなる改良は、高効率性ＤＣモータ、電力スイッチ、幅広い電気機器、低容量かつ高静電容量の磁気エネルギ貯蔵デバイス（バッテリ）、電力送信と通信システムの両方のための様々なケーブル等を含む、超伝導ワイヤ周辺に構築されうる。
【００２５】
ＩＩＩ  スーパーポラロンに基づいた超小型電気素子
一定のデバイスにおいて、電気機器は、２の異なる種類の基本的素子：１）受動的２点素子；２）少なくとも３点を有する能動素子の一定の組み合わせから構築されうる。受動素子は、導電性スーパーポラロン、電流の流れを開始し、磁界を生成し、近くの構造に電流を誘発するのに有用な金属接点、その他、相対的に単純な素子を含む。能動素子は、エネルギをある状態から別の状態へ変換するために互いに相互作用することができる能動素子の組み合わせ、例えば圧電デバイス、光スイッチ、機械的センサ、および論理デバイスを含む。
【００２６】
Ａ  受動素子
第一群の受動素子は、図５に示されたものを含む設計を使用する。図５は、陽（＋）ならびに陰（−）電荷、双極子（矢印）、金属接点（斜線部分）、電圧ソース（Ｖ）、接点抵抗を含む抵抗器（Ｒcont）、および接続された素子あるいはシステム（楕円で示されている）を有するスーパーポラロンを示す。単一のスーパーポラロン（または代替的にはマイクロワイヤ）が２の金属電極の間に配置され、スーパーポラロンの端部と１の電極との間に絶縁ギャップｄがある。スーパーポラロンまたはマイクロワイヤの幅（Ｄ）は、およそ５ｎｍ乃至およそ１μｍの間である。
常伝導金属で作られた電極の場合、図５に示された接点抵抗Ｒcontは常に存在し、および金属特異抵抗Ｐｍ、接点直径Ｄ、および該ギャップを通るトンネリングの効率を反映するギャップ（ｄ）に依存する絶縁係数β（ｄ）に依存する。あらゆる常伝導金属で作られた電極は、直径Ｄを有する接点領域の接点抵抗Ｒcontの２の主な要素を常に提供する。第一の要素は、金属の隣接する円錐空間に直接置かれる。第一の要素は、金属特異抵抗Ｐｍおよび接点直径Ｄの逆数にのみ依存し、および以下のように概算されてもよい
【００２７】
【数１】
2004527880.tif 000003
【００２８】
第二の要素は、あらゆる常伝導金属に適用される。一定の領域および一定の狭いエネルギ帯域に関連する電子流は、Ｆｅｒｍｉ分布に従って制限される。
この要素は、ＦｅｒｍｉエネルギＥFに近い電子状態の既知の密度から概算することができる。
【００２９】
【数２】
2004527880.tif 000004
第一の係数２は、両方の電子スピン方向が考慮されることによる。領域πＤ2／４を有するダイヤフラムを通して電流が流れ、かつ小電圧Ｖが該ダイヤフラムに対して加えられる場合、該電子のみが、次のものを有するＥFに近い狭帯域ｅＶに集中するエネルギを有するダイヤフラム領域を越えることができる。
【００３０】
【数３】
2004527880.tif 000005
平均はπステラジアンのすべての角に対して取られるべきである。その結果、電流が生じ、およびダイヤフラム抵抗Ｒdiaは次のように表すことができる
【００３１】
【数４】
2004527880.tif 000006
【００３２】
該ダイヤフラムを通るトンネリングが関与し、およびその能動的部分が低いトンネリング可能性によりβ（ｄ）＜１倍狭くなると、電流の流れある部分が反映され、抵抗が増す。そのため、両方の要素を考慮した最終式は、次のように表すことができる：
【００３３】
【数５】
2004527880.tif 000007
実践的な目的で、この公式は次のように単純化することができる：
【００３４】
【数６】
2004527880.tif 000008
そのため、第二項は、Ｄ＜＜１００ｎｍである大変小さい接点直径では、あるいはβ（ｄ）＜＜１である大変低いトンネリング可能性の場合には重要になり、支配的でさえある。
素子の導電性が該ギャップを通したトンネリングによって制御されている場合、導電性は主に、ｄの値に依存する。いくつかの異なる素子が、この状況を利用するように作られうる。
【００３５】
１  およそ０．１ｎｍより小さい距離ｄを有する素子
ギャップｄがおよそ０．１ｎｍより小さい状況において、そのような素子は、送電または信号送信のための電気コネクタとしての使用のための単純なナノワイヤとして使用されてもよい。ｄが低いと、抵抗Ｒcontは、０に大変近くなる。そのような素子の電流‐電圧曲線は十分に精密な線形のものである。そのようなナノワイヤの直径は、５ｎｍほどの小ささかもしれず、およびおよそ１０μＡより小さい電流を伴う低電力信号を搬送することができる。直径をおよそ５μｍに増やすことで、およそ２０乃至およそ３０Ａまでのより高い電流パルスを提供することができる。
同じ素子が、およそ４乃至およそ５０Ａより上の破壊電流に対して保護するために、不可逆的電流リミッタまたは“フューズ”として使用されてもよい。そのようなリミッタの遷移時間は、およそ１０-8ｓを超えない。
【００３６】
２  およそ０．５ｎｍ乃至およそ１ｎｍの範囲の距離ｄを有する素子
およそ０．５ｎｍとおよそ１ｎｍとの間のギャップ寸法ｄを有する素子が、ＪCを超える高すぎる電流に対して回路を保護するための可逆的電流リミッタと、およそ１０ｍＡの中電力ＤＣまたはＡＣ電流、Ｊを搬送するナノワイヤとの組み合わせとして使用することができる。図６は、およそ０．５ｎｍ乃至およそ１ｎｍの範囲でギャップｄを有するナノワイヤに関する、電圧Ｖと電流Ｊの間の関係を示す。ｄおよびＤの寸法は、−ＶCおよびＶCの間の電圧の範囲で、図６に示された曲線の直線部分の傾斜を決定する。この関係により、そのような素子は、１乃至１０，０００オームの範囲の可変的抵抗器として使用されることができる。
さらに、ＶCにおけるＪ−Ｖ曲線の急落を考慮すると、同じ素子が電流安定器として使用されうる。
【００３７】
３  およそ１．５乃至およそ２ｎｍの範囲で距離ｄを有する素子
およそ１．５ｎｍ乃至およそ２ｎｍの間のｄの範囲において、トンネリング係数はβ（ｄ）＜＜１と大変小さくなるので、Ｊ−Ｖ特性は、図７に記載されたように、上述の図６に示されたもととは実質的に異なる特徴を有する。この種の素子に関して、Ｊ−Ｖ曲線の直線部分は、相対的に高い抵抗に対応する。
図７は、およそ１．５ｎｍ乃至およそ２ｎｍの間のｄを有する受動素子に関する電流電圧の関係を示す。−ＶCより低い、およびＶCより高い電圧において、加えられた電圧Ｖとその結果の電流Ｊとの間には直線関係がある。しかしながら、−ＶCよりもやや高い電圧においては、電流に急激な変化があり、ＶがＶCに戻ると該電流が減る。−ＶCからＶCまで、電流は流れないが、ＶCにおいては、電流が増え、Ｖがさらに増えると、電流は直線的に増える。
【００３８】
その結果、このＪ−Ｖ関係を有する素子は、いくつかの効果によって強化された低電力信号転送のために使用されうる。この種のＪ−Ｖ関係を有する素子は、低電圧ノイズサプレッサまたは信号弁別器と組み合わせた、およそ１０，０００オームより上の高い抵抗を有する低電力ナノワイヤまたは非線形抵抗器として、マイクロエレクトロニクスにおいて使用されうる。
この種の素子の追加的属性は、ギャップｄを通した電子トンネリングの間に現れる、抵抗性質の特異性と、相対的高電圧範囲０．３乃至６Ｖの組み合わせによる。金属の電子スペクトルの特徴を考慮すると、電圧落下Ｖは、熱生成の代わりに、近赤外線から遠紫外線波長までの幅広いスペクトル範囲で、光量子の放出を生じさせるかもしれない。
この特徴は、これらの素子が、電気信号から光への、ナノスケール広域スペクトル光‐電子変成器として使用されうる。巨視的レベルでのこれらのプロセスの可逆性により、同じ素子が、光‐電子レシーバとして機能してもよく、および光を電気信号に変換してもよい。
【００３９】
４  単色光‐電子変成器
上述の番号３の素子とは対照的に、スーパーポラロン‐金属接点に基づき、かつ幅広い波長範囲において、非選択的光‐電気変換“信号対光”ならびに“光対信号”を提供して、やや異なる素子が、光‐電子変換の高い選択性を占有するスーパーポラロン‐スーパーポラロントンネル接点（図８）の特性に基づきうる。
図８は、幅広い波長の範囲で、単色量子と動作する調節可能な光‐電子変成器を示す。２のスーパーポラロンが二重スーパーポラロンを形成するために同軸にそろえられ、金属接点（斜線部分）が、二重スーパーポラロンの向かい合う端部にある。ギャップｄは、単一のスーパーポラロンのギャップの２倍であり、および光量子ｈｗは、ギャップに衝突するように図示されている。該概念は、論理的予測および実験結果の両方と一致する特徴である、すべての自由電子が同じエネルギレベルで対になり、かつ凝縮するスーパーポラロンの量子特性に基づいている。
外部電圧Ｖが、２のスーパーポラロンのトンネル接点を含む図８に記載のシステムに加えられると、光吸収および放出が、図９に示されたエネルギ図によって示される。図９は、光の量子の吸収または該二重スーパーポラロンに加えられた電気エネルギの、放出された光の量子への変換による電気信号の生成のプロセスを示す。該金属接点は、それらの間で加えられた電圧ｅＶを有する。入射量子（“光吸収”）は、スーパーポラロンの間のエネルギレベルを上げる。放出された量子（“光放出”）は、該スーパーポラロンの間の電位エネルギバリアにより非ゼロ値を有する、電圧Ｖに依存するエネルギを有する。
【００４０】
量子力学的視点から、そのようなシステムは、Δが、超伝導体と考えられる従来の低温素材のスペクトルにおけるエネルギーギャップである
【００４１】
【数７】
2004527880.tif 000009
である、著名なジョセフソン接点（“ＪＣ”）と類似している。そのようなジョセフソン接合は、ｈがプランクの定数である場合の、特異的周波数（ω）ω＝２ｅＶ／ｈを有するコヒーレントな電波を放出することができる。このプロセスは逆でもよく、また同じ周波数の電波が接点に落ちると量子が吸収される。そのような場合、Ｊ−Ｖ曲線の大きな変化が、いわゆるフィスクあるいはシャピロステップの形式で現れ、ＶとＪとの間の関係は、Ｖが増えるときにＪにおける階段状増加を特徴とする。
このように、従来のＪＣならびに図８に記載されたシステムの物理的性質ならびに作用は、類似しうる。同時に、それらの間には顕著な相違がある。従来のＪＣシステムは、マイクロ波の非光帯域のみを含んでもよく、また超低温でのみ動作する（例えば、流体ヘリウム）一方で、本発明のスーパーポラロン素子は、波長の光範囲全体を含むことができ、かつ周辺温度（すなわち、室温）で動作することができる。
【００４２】
図８および９に示された素子は、およそ０．１Ｖの範囲の加えられる電圧Ｖを、およそ１０Ｖより低く変えることにより、近赤外線から遠紫外線までの波長を有する単色量子に関して、ナノ秒で電子的に調整されることができる。他に、該Ｖは、およそ０．２Ｖ乃至およそ５Ｖの範囲になりえ、さらに他の実施態様においては、およそ０．３Ｖ乃至およそ３Ｖの範囲になりうる。より小さい電圧では、光の波長はより長く、より高い電圧では、光の波長はより短い。３Ｖの電圧は、およそ６ｅＶの量子を作ることができ、それは遠紫外線範囲でおよそ２００ｎｍの波長に対応する。
上に列挙されたような受動素子は、情報信号（すなわち、電磁放射線）、および数ボルトの範囲の電力供給の電圧の両方の、いかなる極性でも作動することができる。
そのような受動素子が高周波数で作動する能力は、上述された典型的抵抗Ｒ，および容易に概算されることができるその静電容量Ｃの両方に依存しうる。例えば、およそ１ｎｍのトンネリングギャップｄにおいて、そのような概算は、およそ１０4オームの抵抗Ｒを有する、およそ１０００ｎｍの寸法Ｄを持つ高電力素子の場合、およそ１０-14ファラッド（“Ｆ”）の静電容量Ｃを超えない。そのような素子に関して、典型的な時間‐定数ＲＣは、およそ１０-10ｓであり、それはおよそ２ギガＨｚの基礎周波数に対応する。
およそ１０ｎｍの寸法Ｄおよびおよそ１０7オームまでの抵抗を有する低電力素子の場合、ＣならびにＲＣの対応する概算は、それぞれおよそ１０-8Ｆおよび１０-11ｓであり、それはおよそ２０ギガＨｚの基本周波数に対応し、および抵抗をおよそ１０6オームに減らすことにより、２００ギガＨｚまで、さらに増やすことができる。該速度は、さらにＲを減らすことによって増やされる。基本周波数の限界は、およそ１０15ｓ-1のω近くなることがあり、電気信号の波長は、スーパーポラロンのサイズに近い。
【００４３】
５  誘導性および長期メモリ電磁素子
上述の１乃至４節は、純粋にスーパーポラロンの電気的特徴に基づいた属性を有する素子を説明した。この節においては、電磁的特徴を含むいくつかの実施態様を検討する。第一の素子は、高いインダクタンスを有することができ、および上述され、かつ閉ループの形式でスーパーポラロンの相対的に近くに配置されるナノワイヤの使用によって組み立てることができる（図１０）。
図１０は、本発明の高インダクタンス素子を示す。左側の素子は、２の金属接点（斜線部分）を有する上述されたような線形スーパーポラロンである。電圧は、金属接点の間に加えられ、それによって電流Ｊｏを生成する。該スーパーポラロンを流れる電流は、スーパーポラロンの周囲に磁界（Ｈ）を作る。右の素子は、環状スーパーポラロンである。線形および環状、両方のスーパーポラロンは、直線電流Ｊ0（ｔ）によって時間ｔにおいて作られた時間依存磁界Ｈが、閉ループの領域を越えて、円形電流Ｊind（ｔ）を誘導するので、磁気的に結合される。そのようなシステムは、環状スーパーポラロンの磁界において、相当なエネルギを蓄積することができ、およびそのインダクタンスは、単一のナノワイヤのそれよりもずっと高くなる。
【００４４】
増加したインダクタンスを有する、図１０に示されたような素子は、時間的に遅れた電気信号の形成のため、高周波ジェネレータを作るため、および高いインダクタンスが有用であるマイクロエレクトロニクス回路において知られているあらゆる他の応用のために使用することができる。
図１０に示されたように、従来のインデューサとナノインデューサの作用の間には、いくつかの特異的量子力学的相違が存在する。閉ループにおける持続性電流Ｊind（ｔ）は、ループ領域を貫通する磁束量子の数ｎ０と関連しうる。磁束への、Ｊindの依存性は、図１１に示されている。
図１１は、基準状態（φ0）における磁気量子の数で割られた一定の条件下での磁気量子（φ）の比φ／φ0として表される、磁気量子φと、環状スーパーポラロンにおいて誘導される電流（Ｊind）との間の関係を示す。磁気量子の数が増えると、Ｊindも比例して増える。臨界電流−ＪCおよびＪCも図１１に示されており、その上では、磁気量子の数のさらなる増加は、増加した誘導電流の流れを生じない。
【００４５】
上述の誘導素子は、長期メモリ素子（“ＬＴＭＥ”）の製造を可能にする（図１２）。長期メモリ素子は、超伝導環状スーパーポラロンが、長期にわたり誘導電流を維持する能力に基づく。一種類の実施態様において、ＬＴＭＥは、図１０に示されたような素子を含むが、環状スーパーポラロンの完成前である（図１２ａ）。ＬＴＭＥに論理状態“１”を書き込むために、以下のステップが使用される：１）ＤＣ磁界が、直線電流Ｊ0≠０によって左の素子に作られるが、環状スーパーポラロンは、最終的にまだ形成されていないので、誘導電流はない；２）一定の磁界があると、閉ループの形成が完了する（図示されていない）；３）持続性電流Ｊind≠０が、磁界ｄＨ／ｄｔ≠０における変化によってループに誘導される一方で、書き込み電流Ｊ0は切られている。Ｊ0＝０で取られる同じステップは、論理“０”を意味する、０の誘導電流を生じる。Ｊindは、図１０のそれとは逆の方向で示されていることが留意される。これは、Ｊindが、線形スーパーポラロンを取り巻く磁界の崩壊により誘導されるからである。
【００４６】
閉ループにおける電流の持続特性により、それに書き込まれた情報は、直線電流が再度励起されるか、電力供給がオフになるか、ということからは独立してセーブされる。
図１２ｂに示された最終的構造の論理状態は、線形スーパーポラロンを通す直線電流Ｊ0の適用によって読み取ることができる。論理状態“１”を有する該デバイスにおける誘導電流は、その最大値ＪCである一方で、論理状態“０”を有する該デバイスにおける誘導電流は、図１１に示された図の０点に対応する。論理状態“０”は、電流Ｊ0と加えられる電圧との間の遅延（または位相シフト）を作り出す高インダクタンス素子の状態に等しい。対照的に、論理状態“１”に関しては、ループにおける誘導電流はすでに最大値を有しており、その結果、線形スーパーポラロンにおける電流（Ｊ0）の適用は、さらにＪindを変えない。それは、論理状態“１”における素子のインダクタンスが、単純なナノワイヤのそれと同じくらい低く、かつ遅延は作られていないことを意味する。これは、ＬＴＭＥの２の異なる論理状態を電子的に区別する単純な方法を提供する。
１のＬＴＭＥの特徴的なサイズは、環状スーパーポラロンの直径によってのみ制限され、それはおよそ５００ｎｍ乃至およそ１０００ｎｍの範囲になりうる。磁束量子の既知の値であるΦ0＝２・１０-11ｃｍ2テスラ（２・１０-7ｃｍ2ガウス）を用いて、必要な書き込み‐読み取り電流Ｊ０は、上述の番号２の素子に適しているおよそ１ｍＡ乃至およそ１０ｍＡであり、かつおよそ０．０２テスラ（２００ガウス）乃至およそ０．２テスラ（２０００ガウス）の範囲の局所的磁界を作るのに十分である。
【００４７】
Ｂ  能動素子
特性が技術的に固定されており、将来的に変えることができない特性を有する受動素子とは対照的に、能動素子ははるかに柔軟である；それらは、外部電気あるいは磁気信号の使用に従って、選択され、かつ将来的に変えることができる少なくとも２（一定の実施態様においては、それ以上）の異なる離散状態を有することができる。そのような実施態様は、それらの量子力学的作用を変えるため、および外部電界あるいは磁界によって、それらの環境が将来的に変わる場合には、１の離散状態から別の状態へジャンプするための、ナノワイヤの中をコヒーレントに流れる電子の能力によって可能である。
以下は、説明の目的のみの、能動素子のいくつかの例である。
【００４８】
１  場制御スイッチ
この種の実施態様において、能動素子は、追加のゲート電極がスーパーポラロンに近くにあるが、それとの直接電気接点はない場合、電流搬送ナノワイヤを基本にして作ることができる。図１３は、スーパーポラロン、金属接点（斜線部分）、電圧ソースＶ，接続された素子あるいはシステム（楕円）、および抵抗ＲCを含む本発明の場制御スイッチ示す。さらに、幅Ｌおよびゲート制御信号Ｇを有するゲート電極が図示されている。この電極の幅Ｌは、ギャップｄよりも大きいことが望ましいかもしれない。例えば、ｄは、およそ０．１ｎｍ乃至およそ２ｎｍの範囲でありえ、およびＬはおよそ１００ｎｍでありうる。
そのような場制御スイッチの機能が、図１４に示されている。ゲート電極に加えられる、陰のゲート制御電圧Ｇは、ナノワイヤの中の電位差における局所的な変化（“バンプ”）を作る。局所的バンプは、バンプの高さによって、電子の作用に影響を与えうる。ナノワイヤにおける電子の動きの量子的特徴によって、２の異なる状況が存在し、それらの間には離散遷移がある：
【００４９】
ａ．Ｇ0より低いゲート電圧
この状況において、電位“バンプ”はスーパーポラロンの電荷キャリアが圧縮されるレベルの下のみにある（図１４ａ）。この体制において、スイッチの導電性は、ギャップ寸法ｄによってのみ制御され、および電子が電位障壁より上を行くことができるまで、ゲート電圧Ｇに依存しない。
ｂ．Ｇ0より高いゲート電圧
この状況において、該電位障壁は、電荷キャリアレベルを超える（図１４ｂ）。この場合、そのようなバリアを取る遅いトンネリングでさえも、幅Ｌによって起こりそうにならないので、電子流は停止する。この状態では、電子ナノワイヤは壊れ、さらに２の短い、電子的に独立した、スーパーポラロンが、１の長い初期スーパーポラロンの代わりに現れる。上述の導電状態に戻る遷移は、ゲート電圧がＧ０より下に戻ると生じうる。
そのようなナノスイッチは、現在の半導体マイクロエレクトロニクスで使用される著名なフィールドトランジスタに似ている。ナノスイッチおよびフィールドトランジスタは、この種の素子を用いて作ることができ、およびおよそ１００ｎｍほどの小ささの寸法を有しうる。
【００５０】
従来のものと、本発明の電界効果スイッチの間の、機能に関する顕著な相違がいくつかある。従来の電界トランジスタにおける非コヒーレント電子移動は、その開ならびに閉状態の間のむしろ滑らかな遷移を生じる（図１５における点線曲線）が、ナノワイヤの量子特性に基づいた該スイッチは、少なくとも１００倍著しい遷移を示す（図１５における実線曲線）。図１５において、本発明のナノスイッチに関して（実線曲線）、−Ｇ０より小さいゲート制御電圧Ｇは、電流Ｊを作らない。しかしながら、ゲート電圧が−Ｇ０に到達すると、電流Ｊは電圧とともに突然増加する。対照的に、従来の電解効果トランジスタ（点線曲線）は、それを超えると電流束が変化する、より幅広い電圧の範囲を有する。その結果は、本発明のナノスイッチが、論理回路で使用されると、遷移中に少なくともおよそ１００倍少ないエネルギを消費することができ、通常の電界トランジスタよりも少なくともおよそ１００倍迅速に動くことができるということである。
【００５１】
２  電磁高速ランダムアクセスメモリデバイス
ゲート制御電圧がＧ＞Ｇ０であるときに、ゲート電極がナノワイヤでの電子流を止め、およびＧ＜Ｇ０の時には即座にそれを回復させる能力により、長期メモリ素子のいくつかの属性を、所望であればこの情報を書き直す能力と組み合わせるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に関する電磁素子の製造を可能にする。環状スーパーポラロンにおける電流は持続性になりうるので、エネルギ消費は最小化される一方で、長期にわたり、書き込まれた情報を維持する。
例示的な目的のみで、そのような素子は、図１０に示された高インダクタンス素子に類似している。それらの間の１の機能的な相違は、線形スーパーポラロンの近くのゲート電極Ｇ１および環状スーパーポラロンの近くのＧ２の存在である。そのようなＲＡＭ素子のすべての必要な特性は、これら両方のゲートの電位を設定する結果として現れる。
【００５２】
図１６ａ乃至１６ｄは、論理状態“１”に対応する環状スーパーポラロンにおける持続性電流を誘導するために必要なステップを示す。図１６ａにおいて、論理状態“０”（Ｇ２＜Ｇ０であっても円形電流はない）は、Ｇ１＞Ｇ０であるために直線電流がない開始点である；２）信号Ｇ２＞Ｇ０が加えられ、ループを壊す（図示されていない）；３）直線電流は、ゲート制御信号Ｇ１＜Ｇ０によってスイッチを入れられるが、円形電流は壊れたループには現れない；４）図１６ｃにおいては、該ループは磁界の存在において、Ｇ２＜Ｇ０により回復される；５）図１６ｄにおいては、ゲート制御信号Ｇ１＞Ｇ０は直線電流を停止し、および磁界の変化は、環状スーパーポラロンにおける持続性電流を誘導し、論理状態“１”は、図１６ａで示された開始点にあったように、同じゲート電圧Ｇ２＜Ｇ０およびＧ１＞Ｇ０において固定される。
第二のステップ中の信号Ｇ２＞Ｇ０はループを壊すので、循環電流は、その前の状態から独立して、０の値に到達する。論理状態“０”を書くために、類似のシーケンスが使用されることができ、唯一の相違は、第三ステップ中に、ゲートＧ１の電圧がＧ０よりも大きいままであること、および直線電流は流されないことである。そのような場合においては、ループにおいて持続性電流は存在せず、論理状態“０”は固定される。
【００５３】
そのようなＲＡＭ素子の状態を読み取ることは、上述の長期メモリ素子からの読み取りプロシージャに類似しているかもしれない。しかしながら、そのようなＲＡＭ素子の状態を読み取るための他の方法を使用することができる。
能動素子のサイズは、従来の半導体マイクロエレクトロニクスにおいて達成されるものと同等か、またはそれより小さくなりうる。スーパーポラロンに基づいたＲＡＭ素子の１の効果は、それらが、書き込み‐読み取りプロセス中にのみ、エネルギ消費を必要としうることである。誘導されると、環状スーパーポラロンにおける持続性電流（論理状態“０”には０、および論理状態“１”には非０）は、外部エネルギを必要とすることなく、十分な時間、維持されうる。他の効果は、より高い作動周波数でのより少ないエネルギ消費、および隣接する素子の間の非接触情報転送の能力を含む。
【００５４】
３  マルチゲート制御を持つスイッチまたは高速メモリ素子に基づいた論理素子
基本ユニット（スイッチおよび／または高速メモリ素子）は、１より多いゲートが対応するナノワイヤの近くにある場合、容易に論理ブロックに変換されうる。そのようなブロックの実施例は、図１７に示されている。個別の素子のオペレーションの原理が説明される。
図１７は、本発明の量子ナノワイヤを含む論理ブロックを示す。“ＡＮＤ”タイプの論理ブロックは、ゲート番号１とゲート番号２の両方への入力信号が同時発生する場合にのみ開く、場制御スイッチを基礎にして作られる（図１７ａ）。右側に図示された高速メモリ素子（図１７ｂ）は、ゲートＧ２乃至Ｇ６のいずれかが、必要な入力信号Ｇｎ＞Ｇ０を提供する場合に、必要な論理状態に到達する論理ブロック“ＯＲ”として使用されうる。
【００５５】
４  ３重論理メモリ素子
基本的な電磁メモリセルにおける環状持続性電流は、発達したコンピュータ技術の創造に新しい機会を提供する。３の異なる論理状態“１”、“０”、“−１”を使用する三重論理システム（ここでは“三進法論理システム”と称される）により、望ましい特性を有するコンピュータを開発することができることは、よく知られている。論理状態“０”および“１”を持つ二進法論理を使用する従来のコンピュータは、２より多い安定した状態を有する単純な論理素子を作る技術的困難を解決することができない。
しかしながら、本発明の電磁メモリセルは、同じループにおける持続性電流が、２の異なる時間に２の異なる方向で誘導されうるので、この問題を解決するために使用されうる。この場合、論理状態“１”の状態は、時計回りの電流によって表されてもよく、論理状態“−１”は反時計回りの電流によって表され、および論理状態“０”は０の電流によって表されてもよい。３重論理メモリセルを構築するために、図１６に示された二進法メモリセルは、図１８に示されているように、１の追加ナノスイッチのみを供給されることができ、それによって三進法メモリセルを作る。
【００５６】
図１８ａおよび１８ｂは、２の書き込みナノスイッチを有する三重論理メモリ素子を示す。書き込みプロシージャが終わった後の、最終的な状態が図示されている：誘導電流の方向から観察されるように、論理状態“１”は、縦方向のスイッチがアクティブであった場合に書き込まれることができ（図１８ａ）、論理状態“−１”は、水平方向スイッチの動作の後に生じる（図１８ｂ）。論理状態“０”（図示されていない）は、書き込みプロシージャが実行されている間、両方のスイッチが非アクティブのままである場合に作られる。記号“＋”および“−”は、電極の極性を示しており、太い白い矢印は、各場合における書き込み電流の方向を示す。
上で検討された、むしろ単純ないくつかの実施例でさえ、スーパーポラロンを用いて形成されるナノエレクトリック基本ユニットが、どのように異なる論理関数を満足させることができるかを示す。ここに示された実施例は包括的なものではなく、様々な組み合わせでこれらの素子の接続が、より複雑な論理構造を構築するためにどのように使用されうるかを説明することだけを意図している。
【００５７】
５  ナノプロセッサ
量子ナノワイヤおよび他の素子から作られたデバイスを用いて、低減した寸法のプロセッサを作ることができる。これらの小さいプロセッサは、ここでは“ナノプロセッサ”と称される。ナノプロセッサの製造は、本発明の量子素子によって与えられるいくつかの効果により、達成されうる。特異的に、超低電力消費および小さいサイズは、従来の半導体で可能であったものよりも小さいプロセッサを可能にすることができる。
論理状態の変化中、大変少ない時間だけ、エネルギを消費する電磁ＲＡＭ素子を作ることができ、および論理状態が安定を保っている間はエネルギを消費する必要がない。半導体に基づいた現在のものと比較して、本発明の素子を用いて作られたコンピュータのエネルギ的および他の効果を評価することができる。
【００５８】
比較の目的で、周波数ｆnow＝１ギガＨｚを伴う半導体ベースのプロセッサは、常に、１エネルギ単位毎秒を消費し、および情報を記憶し、および処理するＮ＝１０7までの素子を含むと仮定する。その結果、最善の現在のプロセッサにおいては、合計電力少子（ＣＰＣ）＝１（エネルギ単位）／ｓであり、および素子当たりの平均電力消費（ＡＰＣＥ）は、１／Ｎ＝１０-7エネルギ単位毎素子毎秒になると推測することができる。
従来の半導体コンピュータに関して、論理情報処理の最大速度は、プロセッサが、内部情報交換のために１２８並行ラインを使用する場合、１０11ビット／ｓを超えない。実際にそれは、自然数１０7の０．００１％に相応するたった１２８の素子が、およそ１０-9ｓに等しい一定のサイクルでそれらの論理状態を変えることができることを意味する。そのため、１０-9ｓで起こるこれら１２８素子の論理状態の同時変化は、以下の関係式によって推測されるエネルギを必要とする。
論理状態の変化の瞬間エネルギ価
【００５９】
【数８】
2004527880.tif 000010
【００６０】
従来の半導体ベースのコンピュータに必要なエネルギとは対照的に、本発明の量子ＲＡＭ素子に基づいたプロセッサにおけるエネルギ状況は、大幅に異なる。そのような素子における遷移時間は、現在の半導体素子におけるものより、少なくともおよそ１００倍短く（図１５参照）、類似の１２８素子の論理状態の各変化は、少なくとも１００倍少ないエネルギ、すなわち１０-16エネルギ単位を必要とする。
ｆnew＝２０ギガＨｚまでの本発明のプロセッサの基本周波数の増加および１２８からおよそ５０，０００への並行レーンの数の同時増加は、プロセッサ全体における合計電力消費（ＣＰＣ）が、次の関係式によって推測されうることを意味する。
【００６１】
【数９】
2004527880.tif 000011
【００６２】
このように、電力消費は、およそ８・１０-4（エネルギ単位）／ｓの値まで減らすことができる。この減少は、１層で１０7素子を有する現存のプロセッサより、およそ１２５０倍少ない電力が必要とされることを表す。上述の新しい素子に基づいたプロセッサは、１０11ビット／ｓから８・１０14ビット／ｓへ、情報処理の増加した速度を提供することができ、コンピュータ速度においておよそ９０００倍の増加を表している。減少した電力消費と増加した速度の組み合わせは、およそ５００乃至１０００倍、プロセッサにおける素子の合計数を増やすことを可能にすることができる。この増加があっても、合計エネルギ消費はまだ現在のプロセッサにおけるエネルギ消費より少なく、および本発明のプロセッサの温度は、所望の限界の中で維持されうる。
上述の性能特性は、最善の現在のものにおける１０7の代わりに、およそ１０10論理セルを含む新種のプロセッサの開発を可能にすることができる。論理セル数の増加に関する一つの理由は、１セル当たりの熱の生成が減少したことが、図１９に図示された多層アーキテクチャを設計することを実践的にすることである。
【００６３】
図１９は、同じエネルギおよび温度体制を有する２のプロセッサ：１）本発明の量子ＲＡＭセルに基づいた多層体制（左）、および２）半導体に基づいた現在の、単層体制（右）を示す。本発明の量子プロセッサにおいて、同じ数の並行レーン（１２８）が従来の半導体プロセッサのように各層において使用されうるが、５００乃至１０００層すべての並行配列により、並行レーンの合計数は、およそ１０００倍大きくなる。
従来の平面アーキテクチャと比較した、本発明の量子プロセッサの使用の効果は、平面アーキテクチャにおいては、論理素子の間の接続が、電気ワイヤを介した直接接続によることである。２の電気レーンの相互交差を回避すること、またはｚ方向に、あるレベルから別のレベルへの信号の転送を回避することのいずれかを望む場合、この特性はいくつかの問題を作り出す。
【００６４】
電磁ＲＡＭ素子の使用はこの問題を低減することができ、および各層は絶縁素材によって隣接する層から絶縁されてもよいという事実にもかかわらず、複数の層を通したｚ方向への信号の転送を可能にすることができる。そのような“縦方向”の非接触信号転送の概念は、図２０に示されている。
図２０は、図１９に示された多層ナノプロセッサの層の間の電磁パルス情報の送信を示す。底層においては、環状スーパーポラロンにおける持続性電流は、上層におけるスーパーポラロンを通過する磁界（Ｈ）を生成する。そのように生成された磁界は、上の環状スーパーポラロンにおいて電流を誘導し、それは同様に、該上位レベルにおける他の素子に情報を提供することができる。そのような縦方向信号転送は、上述のように、電極を制御することにより制御されうる。
【００６５】
本発明のプロセッサの多層アーキテクチャに基づいて、図１９に図示された量子プロセッサ（左）は、真に３次元プロセッサになりうる。上述の情報処理の増加した速度を考慮すると、信号処理の速度は、およそ８×１０14ビット／ｓくらい高いか、それより高くなると推測することができる。例えば、本発明の多レベルナノプロセッサを用いることによって、１０10ビットのアレイにおける情報のビットの探索は、およそ１０マイクロ秒（μｓ）の小ささで達成されうる。
速度を増し、およびエネルギ消費を減少させることに加えて、本発明の量子プロセッサは、従来のプロセッサよりも大幅に小さくなりうる。例えば、１の環状様ＲＡＭ素子の直径がおよそ５００ｎｍで、かつその制御電極がそれぞれさらに５００ｎｍの空間を占有する場合、素子のアレイは、平面に配置されることができ、およびおよそ２ミクロンかそれより小さくしか必要としないかもしれない。そのような解決法は、現存のフォトリソグラフィ技術の使用によって達成されうる。それは、ＲＡＭ素子の平面密度が、少なくとも２．５×１０7ｃｍ-2かそれより高いことを意味し、よって、およそ１０7素子を有するプロセッサは、およそ０．４ｃｍ2よりも小さい領域を必要とする。
多層プロセッサにおいて、隣接する平面の間のｚ周期性は、およそ１ミクロンになりうる。この場合、１０００層の合計厚さは、０．１ｃｍを超えない。それは、１０10メモリ素子を有するプロセッサは、およそ０．０４ｃｍ3より小さい容量で配置されうることを意味する。プロセッサの素子のあらゆる対の間の、そのような小さな距離（あらゆる方向におよそ０．５ｃｍまたはそれより小さい）により、電気信号はこの距離を、およそ１０-11ｓほどの短い平均時間で移動することができる。
【００６６】
ＩＶ  センサおよびピエゾ磁気変成器ならびにアクチュエータ
コンピュータのための固定素子としてのそれらの直接的使用とは別に、受動および能動両方の特異的機能的ユニットが、センサおよびアクチュエータの製造において使用されうる。本発明の導電性ポリマー構造の使用の、いくつかの非制限的実施例は：
１．局所圧および温度センサ
２．ナノアクチューエタとしての、または光‐電子デバイスにおける使用のための、電気信号から局所的機械的変形（静的および／または動的なものの両方）への、およびその逆の高効率変成器
３．局所的機械的ストレスまたは超音波（ＵＳＷ）から電力を提供する高効率ナノジェネレータ
を含む。
【００６７】
Ａ  圧力および温度センサ
上述のように、特別に設計された受動素子が、主にトンネリングギャップｄの物理的特性によって、高い抵抗Ｒcontを有するにように作られてもよい。トンネリングギャップｄは、マイクロエレクトロニクス回路の中で使用される場合には、ほぼ一定になりうる。それは、ギャップを埋める絶縁ポリマーが、大変高い値のヤング率を特徴とするガラス状態である間の場合である。同様の結果は、ポリマーマトリックスの中の高密度交差結合を用いて得られうる。
ギャップを埋めているポリマーが、動作条件下で、高い弾性状態（ＨＥＳ）になるように選択され、およびむしろ低いヤング率を有する場合、状況は変わる。ポリマーに関するヤング率、Ｙpolは、ガラス状態（上述を参考）におけるＹpolよりもおよそ６桁小さい。この場合、ギャップ幅ｄは、外圧Ｐが加えられる場合、機械的加圧に敏感になる。これらの変数の間の関係式は、次の方程式によって与えられる：
ｄ＝ｄ0（１−Ｐ／Ｙpol）  ｄ0は圧力のないギャップの幅である。
ｄでのトンネル接触抵抗の強い指数関数的依存性により、次のように書くことができる：
【００６８】
【数１０】
2004527880.tif 000012
式中、ｋｄ0＞＞１は定義により高いＲcontからの結果である。
【００６９】
ＨＥＳにおいては、抵抗は、指数関数的に圧力に依存することが、この式からわかる
【００７０】
【数１１】
2004527880.tif 000013
式中、Ｒ(0)contは、圧力変化のない抵抗であり、およびＰ＜＜Ｙpolの小さな変化さえ、抵抗の大幅な変化を生じさせるかもしれないので、そのようなセンサの感度は、むしろ高くなければならない。
ＨＥＳ状態におけるポリマーは、温度拡張の高い係数を有しうるので、外圧がないと、同じ素子が温度センサとして使用されてもよい。
ｄ＝ｄ0（１＋αΔＴ）。
その結果、高温感度に関する最終式を生じる
【００７１】
【数１２】
2004527880.tif 000014
【００７２】
２  電子機械的トランスフォーマ
マイクロあるいはナノスケールの機械的な動きを生じさせるために電気信号を用いる現在のデバイスは、通常、大変深刻な自然の制約を持つ一定の固相圧電素材に基づいている。例えば、そのような素材の最大非破壊的変形ΔＬ／Ｌは、典型的には０．０２％を超えず、静的体制であっても、高強度電界の応用が、常に、非０変形を保持することを必要とする。
ＨＥＳポリマーマトリックスで適切に形成されたスーパーポラロンユニット（ここでは“ピエゾ磁気スーパーポラロン”と呼ばれる）は、電気信号の、機械的な力へのより効率的な変換を提供することができる。その効果を説明するために、図２１に示された２の閉ループスーパーポラロンを含むシステムを検討する。図２１は、２の持続的電流の磁気相互作用を、該閉ループスーパーポラロンの間の距離Ｌの変化に誘因力を与えることができる力Ｆａｔｔｒへの変換のためのピエゾ磁気ユニットを示す。
【００７３】
図２１に示されるように、両方のループは、ＨＥＳポリマー媒体に存在し、および２のループの間の距離Ｌは、それらの直径Ｄより小さいか、またはそれに近い。この場合、両方のループは磁気的に相互作用しうる。そのような相互作用は、両方の電流が一緒に作る磁界Ｈと相互作用する各ループにおいて、電流によって持続されうる。この相互作用は、両方の電流が同じ方向を有する場合に誘引力Ｆattrの発現を導き、およびこれら２のスーパーポラロンを分離するポリマー媒体の弾性変形（すなわち、圧縮）を生じる。
生成される力は、次のように表すことができる。電流Ｊ1は、直径Ｄを有する導電環を流れる。電子の速度ｖおよび前記環におけるそれらの数ｎは、次のように、電子λの間の平均距離と関連しうる。
【００７４】
【数１３】
2004527880.tif 000015
式中、ｅは電子の電荷である。
前記環が、環の平面に対して垂直の磁界Ｈ0にある場合、次の関係式に従って、その軸に沿って前記環を押すローレンツ力Ｆが作られうる。
【００７５】
【数１４】
2004527880.tif 000016
式中、ｃは光の速度である。
【００７６】
界Ｈ0は、Ｌ＜Ｄのような相対的に小さい距離で第一の環から分離されている第二の環において流れる類似の円形電流Ｊ0によって作られうる。この場合、Ｈ0は実質的にＬに依存せず、およびＨ0の大きさは、次の関係式によって表すことができる、第二の環の中心における界強度にむしろ近い。
【００７７】
【数１５】
2004527880.tif 000017
場強度Ｈ０は、それらの電流が同じ方向に流れる場合に、２の環の間の誘因ローレンツ力を生じうる。他に、反対方向に２の環における電流の流れを作ることによって、所望であれば、斥力を作ることができる。
各導電環が、周辺の弾性ポリマーマトリックスと機械的に関連している環境においては、力は、環そのものの領域よりもおよそ数倍大きいポリマーにおける一定の有効領域Ｓに沿って分散し、および次の関係式に従っておおよそ推測することができる。
【００７８】
【数１６】
2004527880.tif 000018
それは、２の電流の間の電磁的相互作用によって生じるこの領域内での有効平均圧力Ｐの推測値を導き、および両方の環を分離するポリマー層Ｌの弾性変形（圧縮または拡張）を生じうる。該圧力の大きさは、次の関係式によって表すことができる。
【００７９】
【数１７】
2004527880.tif 000019
圧力Ｐによって生じる圧縮Ｃｏｍｐは、次の関係式によって表すことができる。
【００８０】
【数１８】
2004527880.tif 000020
【００８１】
およそ１０％の非破壊的変形ΔＬ／Ｌは、ＨＥＳポリマーの特性であり、および２のループの間の容量における圧力が、Ｐ＜およそ０．１Ｙpol＜およそ０．１Ｋｇ／ｃｍ2という条件を満たす場合、可逆的になりうる。この関係は近似であり、およそ１桁の中での他の値も、満足のいく変形特性を提供することができる。上述の公式から、ポリマー変形を達成するために必要なＰの大きさは、環の直径Ｄがおよそ１０００ｎｍであり、かつ両方の持続性電流、Ｊ0およびＪ1がおよそ０．１Ａである時に達成されうる。所望であれば、およそ１０ｍＡの範囲内のより小さい電流が、環の直径Ｄがおよそ１００ｎｍに減少した場合に十分な力を提供することができる。
局所的ピエゾ磁気変換に依存するデバイスの有効期限は、前記環における円形電流、Ｊ0およびＪ1の持続性に依存しうる。より長い持続性があると、デバイスが、磁力エネルギを機械的力に変換するためのより長い能力がある。与えられた公式は、あらゆる種類の変形（並行電流の場合には収縮、反並行の場合には拡張）が、Ｊ0が一定であり、時間とともに変化しない場合、Ｊ1に比例する。そのため、Ｊ１がおよそ１０ｍＡより小さくなるように選択することによって、０乃至１０％の変形の細かい制御を可能にすることができる。
前記素材のヤング率における変化は、ＦattrとΔＬ／Ｌとの間の関係にも影響を与えうることは、容易に理解されうる。このように、より弾性の高いポリマーは、より低い弾性を有するポリマーよりも大きな変形を示しうる。
【００８２】
いくつかの異なる体制が望まれるかもしれない。例示的な目的のみで、準静的なものが作られることができ、要求される変形は、所望の一定期間、安定したままで維持することができる。この体制は、いくつかの光‐電子応用、および相対的に遅い機械的デバイスにおいて効果的となりうる。例えば、人工筋肉はこれを基礎にして作られうる。
他に、動的なものを使用することができ、局所変形は振動するように作られうる。いくつかの実施態様において、該振動は、高周波数になりうる。そのような動的な体制は、高速光‐電子デバイスに望ましいかもしれない。例えば、ナノコンピュータならびに生体臨床医学応用において、ナノコンピュータにおけるワイヤレス信号やエネルギ移行のために使用されうる、局所的超音波ジェネレータおよびレシーバを作るための他の実施態様が使用されうる。動的体系の概念は、後述される簡単な説明から理解することができる。共鳴周波数ｆresを評価するために、２の環状スーパーポラロンの間で振動する弾性ポリマーマトリックスの有効容量
【００８３】
【数１９】
2004527880.tif 000021
は、２の質量が次の式で関連付けられる、以下の機械的体系で表されうる。
【００８４】
【数２０】
2004527880.tif 000022
各質量は、同等の弾性係数ｋを有するばねと関連している。
【００８５】
図２２は、互いに近接し、および円が平行であることを定義する平面を有する本発明の２の環状スーパーポラロンの間の関係を示す。用語Ｌ／２は、振動質量に関連する各シリンダの高さを意味する（図２２の下、参照）。スーパーポラロンは直径Ｄを有し、および電流がなければ、Ｌの分離距離を有する。環状スーパーポラロンを分離するポリマー素材は弾力を有し、およびらせんで示されている。環状スーパーポラロンの中での電流の生成時に、スーパーポラロンの間に斥力が生成され、ΔＬの量だけ、２のスーパーポラロンが互いに離れるように動く。２の環状スーパーポラロンの間の容量の弾性係数は、次の関係式によって表すことができる。
【００８６】
【数２１】
2004527880.tif 000023
係数ｋを有するばねの上の質量ｍの共鳴周波数ｆresは、次の関係式によって表すことができる。
【００８７】
【数２２】
2004527880.tif 000024
例えば、０．８ｇ／ｃｍ3の密度を有するポリマーおよび１０6ｄｙｎ／ｃｍ2である前記ポリマーに関するヤング率、Ｙpolは、ループ間の距離Ｌが１０００ｎｍである場合は、ｆresはおよそ４Ｍｈｚであり、および距離Ｌがおよそ１００ｎｍの場合、ｆresはおよそ４０ＭＨｚであると推測することができる。
【００８８】
上で使われた１０6ｄｙｎ／ｃｍ3であるＹpolの値は、振動の期間が、ポリマー緩和の特性時間を越えるまでだけ有効である。より高い周波数では、Ｙpol（ｆ）は、一定のポリマーの特定の化学的構造に従って、次第に増加する。高周波数では、上で推測されたよりも高い共鳴周波数を生じてもよい、超越方程式を用いなければならない。超越関数を推測する方法は、当業界では公知である。
電流Ｊ１の方向が、周波数ｆとともに周期的に反転する場合、２のループの間の少量の弾性ポリマーπＤ2Ｌが、同じ周波数ｆでの振動に関与するようになるのは、圧縮および拡張の両方のパルスが周期的に反復するからである。そのような振動の最高の効率（および振幅）は、外的に加えられた周波数ｆが、共鳴周波数ｆresと同時発生であるか、またはそれに近い場合に達成されうる。ｆresの大きさは、高弾性状態率Ｙｐｏｌが、この周波数範囲で応用可能なままである場合には、およそ４ＭＨｚ乃至およそ４０ＭＨｚの間になると、上で推測される。弾性率が増加する周波数とともに増加する場合、振動の振幅は減少するだろうが、共鳴周波数は増加しうる。共鳴動的体制は、非共鳴体制よりもずっと少ないエネルギを消費しうる。依存性Ｙｐｏｌ（ｆ）は、異なる化学構造を持つポリマーに関して変化しうる。
上述の素子は、力学的な動きが望まれるあらゆる状況において使用されうる。これらの応用は、ここでは“ナノモータ”と呼ばれる、小さいサイズのモータを含むが、それに限定されない。ナノモータは、様々な所望のサイズのロボットデバイスを製造するために使用されうる。大変小さいデバイスに関しては、少数のナノモータが配置されうる。より大きなモータに関しては、より多くのナノモータが連続して配置されうる。
【００８９】
３  電気への、機械的変形の変換
機械的変形から直接電気を作ることができる一定の実施態様が作られうる。図２０および２１において、上述された構成と類似した環状スーパーポラロンの２ループ構成が作られる。持続性電流Ｊ0は、１ループで形成される。ループを含むポリマーの機械的変形は、２ループの間の距離Ｌにおいて変化を生じさせうる。２のループの相対的な動きは、第二のループを通して磁束の変化を生じさせることができ、およびそれにおいて誘導された電流Ｊ1の生成を生じうる。制御回路の使用により、この電流のエネルギは、バッテリを充電するため、または他の用途に使用されうる。
加えて、この種の装置は、多くの様々な生体臨床医学的応用に応用を有する。例示の目的で、埋め込まれたマイクロエレクトロニクスデバイスは、内部的に電気エネルギを生成することができるので、電気エネルギの外部ソースから独立することができる。電流は、患者の肉体の動きから直接生成されうる。そのように生成された電気信号は、心臓ペースメーカを含む装置を制御し、かつ操作するために使用されうる。
【００９０】
４  準静的光‐電子スイッチ
本発明の他の実施態様において、スーパーポラロンを含むポリマーマトリックスの圧縮は、媒体の屈折率を変えうる。屈折率の変化は、デバイスが、ポリマーの圧縮に対する電子的制御に基づいて、入射電磁放射を反射するか、または送るかのいずれかをする能力に基づいたスイッチング（“光‐電子スイッチ”）を提供するために使用されうる。そのような光‐電子スイッチの基礎は、誘導電流Ｊ1と屈折率ηとの間の、次の関係式によって説明される：
【００９１】
【数２３】
2004527880.tif 000025
１０％の変形ΔＬ／Ｌは、該装置が、完全な内部屈折の現象を用いて、準静的光‐電子スイッチ（図２３ａおよび２３ｂ）として使用されるようにするのに十分である、屈折率ｎの５％の変化を生じうる。
【００９２】
図２３は、本発明に従った準静的光‐電子スイッチの２の状態を示す。該スイッチは、より密度の高いポリマーを持つ１の下層と、およびそれらの間にインターフェースを作り出す、より密度の低いポリマーを有する、隣接する上層を有する、二層素材を含む。電磁放射の入射ビームＢ0は、屈折率Ｎを有するより密度の高い媒体を移動し、およびより低い密度を有する層とのインターフェースに落ちる。より密度の低い媒体における屈折率、ｎは、環状スーパーポラロンにおける局所電流Ｊ1に依存しうる。Ｊ1＝０である場合の、屈折率がｎ＜ｎcrit＜Ｎである状況において、入射光ビームＢ0は、境界を越えることができず、完全には反射されない。この状況において、スイッチは閉じている（図２３ａ）。電流Ｊ1が、より低い密度の媒体の圧縮を生じさせるのに十分高いために、ｎ＞ｎcritである状況において、ビームＢ0は、境界を通過することができ、新しい媒体を移動する。この状況では、スイッチは開いている（図２３ｂ）。
そのようなピエゾ磁気素子の静的体制の１の効果は、超伝導スーパーポラロンに関連するより低エネルギ散逸により、信号励起持続性電流Ｊ１が、ほんの短い時間だけ、加えられてもよいことである。ポリマーマトリックスの適切な選択により、スイッチ時間は、およそ１０-7ｓくらい短くなりうる。誘導されると、持続性電流Ｊ0およびＪ1の両方は長時間相互作用するかもしれず、またポリマーマトリックスの弾性変形を安定したままにすることができる。上で述べられた光‐電子スイッチの上の体系は、唯一の可能なものではなく、インターフェースにおいてポリマーの屈折率を変える原理に基づいて、他のものが提案されうる。
【００９３】
Ｖ  導電スーパーポラロンの製造
本発明の高い導電性を有するスーパーポラロンを製造することは、３の要素：ドーパント、有機分子、および素材がスーパーポラロンを形成するように反応すること、を含む。一定の有機化合物は、およそ１０−１１ｅＶの範囲の高いイオン化電位を有しうる。イオン化電位は、真空において有機イオンと自由電子を作るのに必要なエネルギを反映しうる。そのような有機化合物に関して、単一の分子の真空イオン化電位は：ＥChemの典型的な値が
【００９４】
【数２４】
2004527880.tif 000026
である、Ｉvac＝ＥChem＋ＥVac-sep’として表される２の主な成分の和として大まかに表すことができる（図２４、ケースａ参照）。ＥChemのこの値は、イオン化の間、化学結合を分解するのに必要な平均エネルギの推定値であり、
【００９５】
【数２５】
2004527880.tif 000027
である。ＥVac-sepは、真空においてイオンから１の電子を分離するのに必要な静電エネルギである。前の式において、Ｒionは、およそ
【００９６】
【数２６】
2004527880.tif 000028
の典型的なイオン半径である。他のイオンに関しては、Ｒionは異なりうる。
【００９７】
分子のイオン化が、凝縮した有機物で生じる場合、エネルギ的な考えは異なりうる。このプロセスはここでは“内部イオン化”と呼ばれる。内部イオン化に関して、用語ＥChemは、真空イオン化と同じく、およそ２ｅＶのままでありうる（例えば、図２４ｂ参照）が、第二の静電成分は、一定の凝縮した媒体に固有である高周波絶縁定数により、低減されうる。通常、高周波絶縁定数ε∞は、特異的な化学組成に依存するかもしれず、および一定の有機絶縁体に関しては、およそ２乃至およそ２．４の範囲にある。これらの条件下において、凝縮した媒体における内部イオン化の第二の成分ＩMedは、次の関係式によって表すことができる：
【００９８】
【数２７】
2004527880.tif 000029
内部イオン化の対応する電位は、次の関係式で表すことができる：
【００９９】
【数２８】
2004527880.tif 000030
上述の値は、純粋な電子プロセスを含むいわゆる垂直イオン化のみのエネルギ論を表しており、電荷分離に続く媒体の中の構造再編成の追加的プロセスは考慮していない。イオン化の後に生じてもよい１の可能性のある第二のプロセスは、陽および陰、両方の分離された電荷周辺の極液媒体において徐々に現れうる溶媒和殻の形成である。そのような溶媒和は、エネルギゲインを与えるのであれば、エネルギ的に好ましくなりうる。一定の条件下では、そのようなエネルギゲインは、典型的には、極性グループの適度な濃度を含む有機媒体において、１乃至２ｅＶを超えない。
【０１００】
上の、熱力学的検討の結果、２の重要な結論が生まれうる：
ａ）典型的な有機的凝縮流体の内部イオン化に必要な５．３乃至６．５ｅＶのエネルギは、およそ０．２３ｎｍ乃至およそ０．１９ｎｍの波長を有する遠紫外線範囲内に入る数種類の有機絶縁体の透過性の既知のウィンドウの中にある。明らかに、この低くなったエネルギでさえ、およそ１乃至２ｅＶの追加的ゲインが考慮される場合でさえも、安定有機イオンおよび自由電子の自発的生成には高すぎるままである。一時的外部イオン化因子（紫外線光、電子ビーム、または宇宙線など）による、そのような媒体における偶発的発現を有する自由電子は、むしろ制約された寿命を有してもよく、またイオン化エネルギソースが終了した直後、再結合しうる。
ｂ）外部ドーピング剤が、自由電子のソースとして使用される場合、熱力学的検討は異なりうる。ドーパントから生じる電子は、有機凝縮物質の中のエネルギ位置を有するシステムの空レベルにのみ配置されうる。上述のように、類似の熱力学原理が、有機媒体においてドーパントの安定したイオン化を維持するのに必要なエネルギを推測するために使用されうる。当業者は、自由電子に利用できる非占有レベルが、次の方程式に従って、図２４、ケースｂに図示されたような、真空での自由電子のレベルの下に移動されることを理解することができる：
【０１０１】
【数２９】
2004527880.tif 000031
【０１０２】
外部ドーピング剤からの安定イオンおよび自由電子の形成は、２の工程を含みうる。第一は、前記ドーピング剤の中のレベルから、空レベルへの、電子の高速垂直遷移である；第二は、構造的緩和を伴う分離された電荷の、相対的に遅い溶媒和である。そのようなプロセスは、ＥFree＋ＥSol＞ＩDopであり、ＩDopがドーピング剤のイオン化電位である場合、熱力学的に好ましくなりうる。上に示された定量化推定値を考慮すると、およそ４．５乃至およそ７．７ｅＶかそれより小さいＩDopの値は、有機絶縁マトリックスにおける安定イオンおよび自由電子の生成を促進しうる。ここで示されている特定の推定値は、説明だけの目的であり、その他の推定値が、他のドーピング剤、有機物質、および／または他の変数に関して得られうることが選択される。さらに、上述のアプローチは、流体または固体のいずれかで、分子量から独立して、様々な異なる有機物質に応用可能でありうる。
【０１０３】
Ａ  ドーパント
一般的に、イオン化電位が、ドーパントのイオン化を可能にする場合は、本発明の超伝導スーパーポラロンを製造するために、あらゆるドーパントが使用されうる。特に有用なドーパントは、およそ７ｅＶより小さいイオン化電位を有する。この範囲のイオン化電位を有するいくつかの元素が、表１において後述される。（ハンドブック：化学結合のエネルギ、イオン化電位および電子親和性（Ｅｎｅｒｇｉｅｓ  ｏｆ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｂｏｎｄｓ．Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ，ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ａｆｆｉｎｉｔｉｅｓ）、Ｅｄ．Ｖ．Ｋｏｎｄｒａｔｙｅｖ，Ｍｏｓｃｏｗ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９７４から取ったデータ）、が、参照によってここに完全に含まれる。
表１  元素およびそれらのイオン化電位
【０１０４】
【表１】
2004527880.tif 000032
上の表１に記載された元素に加えて、他の無機分子およびラジカルが使用されうる。適切な分子およびラジカルの実施例は、下の表２に示されている。
【０１０５】
表２  無機分子およびラジカル
【０１０６】
【表２】
2004527880.tif 000033
無機分子およびラジカルに加えて、一定の他の、より複雑な有機分子および有機／元素化合物が、有用なドーパントとなりうる。該物質の実施例は、下の表３に示されている。
【０１０７】
表３  有機および有機元素化合物
【０１０８】
【表３】
2004527880.tif 000034
上の表１、２および３に示されたドーパントの実施例は説明だけのものである。多くの他の種類のドーパントが使用されることができ、かつ本発明の範囲内である。
【０１０９】
Ｂ  有機分子
本発明の一定の超伝導スーパーポラロンは、一定の熱力学的条件下で、ある有機流体において自己組織化することができる。多くの通常の有機物質では、価電子は化学結合の中で強く結合することができ、およびいくつかの自由電子が存在してもよい。
一定の実施態様において、有機分子が簡単にドーパント電子を受け取ることができる有機分子およびドーパントを選択することが望ましいかもしれない。有機分子がドーパントから電子を受け取る場合、荷電されていない種を作り出す副反応の傾向が減少しうる。可能性のある理論によれば、ドーピング剤の化学的不安定は、自由電子になるのと同様に、副反応に関与するために潜在的に利用される、同じ価電子から生じうる。ドーパントが荷電されていない生成物を形成する傾向を減少するために、電子アクセプタとして機能させる化学的構造を有する基礎有機化合物を選択することができる。より容易にドーパントから電子を受け取る有機部分は、副反応の可能性を減らしうる。ドーピング剤からアクセプタへの電子濃度のそのようなシフトは、必ずしも、ドーピング剤の完全なイオン化を示すものではない。むしろ、ある実施態様においては、ここでは“予備”または“準イオン化”として知られる不完全なイオン化でさえも、副反応の荷電していない生成物の形成の可能性を減少させうる。
【０１１０】
さらに、一定の実施態様において、有機組成は、その準イオン化の後に、ドーピング剤分子に残る捕獲された電子と陽電荷の両方の、十分に大きな予備的空間分離を提供することが望ましいかもしれない。一定の状況では、分離した電荷が、溶媒和によって安定化される前に、空間電荷分離が生じるのが効果的かもしれない。ドーピング剤と有機化合物との間の相互作用が、最終的な自由電子を提供するかもしれないし、提供しないかもしれない電荷移動錯体を作り出すことが望ましいかもしれない。一定の実施態様においては、電荷移動錯体は、迅速に形成されることが特に望ましいかもしれない。電荷移動錯体は、自由電子と安定有機イオンの両方の、中間前駆体でありうる。さらに、該前駆体は、高分子化学構造の一部として、または相対的に低分子量の化合物として凝集した媒体内に存在しうる。
上の検討によれば、本発明の一定の実施態様に関して、選択された基礎有機化合物は、２の異なる種類の官能基：増加した電子親和性を有する電子‐アクセプタ基（ＥＡ）およびここでは“陽イオン親和性基”（“ＰＩＡ”）と呼ばれる、増加した密度の陽電荷に対する高い親和性を有する分離基を含みうる。例えば、プロトン‐アクセプタ基は、ＰＩＡの一例となりうる。ドーピング剤ＤがＥＡおよびＰＩＡ基の両方を含む媒体に導入される場合、前記ドーピング剤との相互作用は、次の関係によって示されるように、基礎有機分子の少なくとも一部を、電荷移動錯体に変換しうる：
（ＥＡ）δ-・・・・［Ｄ・・・ＰＩＡ］δ+で
【０１１１】
【数３０】
2004527880.tif 000035
であり、δは、価電子密度である。
【０１１２】
ＥＡおよびＰＩＡ基の間に適切な距離がある場合、この種の電荷移動錯体は、陽および陰、両方の電荷がクーロン力によって結合されうるにもかかわらず、望ましい電荷の予備的空間分離に対応しうる。ドーピング剤Ｄの化学的活性は、ドーパントが、陽に荷電された錯体形式［Ｄ・・・ＰＩＡ］δ+の中に取り込まれた後、落ちうる。そのような環境では、ドーパントは、価電子密度の一部を失いうる
【０１１３】
【数３１】
2004527880.tif 000036
これらの状況において、副反応の可能性は、ＰＩＡ基が、１に近いδに関する陽電荷親和性を有する場合には減少しうる。これらの条件は、特定の電荷移動錯体の強度の量子的推定値を提供しうる。
電荷移動錯体前駆体の形成の後、両方の予備的分離電荷を取り囲む２の空間的に分離された溶媒和殻を形成しうる。溶媒和プロセスは、エネルギー論的に好ましくなりえ、および存在する場合、より強い電荷分離を生じうる。溶媒和プロセスは、動力学的に制御されることができ、および時間と温度の両方に依存しうる。ドーパントと有機分子との、特に好ましい組み合わせにおいて、電荷移動錯体前駆体の迅速な形成の後、電荷分離が安定有機イオンと自由電子の緩やかな形成を生じる、相対的にゆっくりした時間帯が続く。下に示された可能性のある体系によれば：
ＥＡδ-・・・Ｄ・・・δ+ＰＩＡ  ⇒ＥＡδ-＋δ+ＤＰＩＡ＋（ｈω任意）⇒  ＥＡ＋ｅ-＋+ＤＰＩＡ
である。
【０１１４】
このプロセスは、非０、陽活性化エネルギを占有しており、そのため適切な波長帯域の中の光量子を伴う物質の加熱または照射のいずれかにより促進されうる。さらに、該反応は、周辺温度での長期アニーリングにより、加えられた熱または照射のいずれかがなくても、進みうる。
最終電荷分離と同様に、前駆体形成は、分子のある化学的および構造的再構成と関連しうる。再編成は、媒体の中に双極子群の十分な可動性がある場合に生じうる。一定の実施態様において、流体または粘性流体媒体のいずれかにおいて起こることが望ましいかもしれない。媒体の流動度が相対的に高い場合、基礎有機物質の分子および／または低量の溶媒分子の両方が、エネルギ論的に好ましい状態を提供して、イオンおよび自由電子を溶媒和するように振舞うことができる。該分子は、高い双極子モーメントを有する群を含むことが特に望ましいかもしれない。
【０１１５】
一定の他の状況において、δ＜＜１を生じる相対的に低い陽電荷親和性を有するか、またはＥＡとＰＩＡ基の間の短い距離による、低い空間電荷分離を提供するＰＩＡ基が選択されうる。そのようなＰＩＡ基に関して、検討された価電子軌道の密度は、ドーピング剤を“去ら”ないが、ＥＡ基と、ＥＡを結合するドーピング剤分子の残りの両方に対して分散したままである。この電子は、非対電子のスピンの方向が均等に起こりうる、いわゆる“ラジカル‐アニオン＋カチオン”対を作りうる。同じ種類の２のラジカルが接触する場合、それらは再結合して新しい安定した化学結合を形成し、それによって強い電荷分離を回避する。イオン化の代わりに、ラジカルの再結合は、下に示されたように、双極子群に類似する構造を有する非荷電分子生成物を生じうる：
Ｄδ+‐（ＥＡ）‐↓δ-＋↑δ-‐（ＥＡ）‐Ｄδ+  −  Ｄδ+‐（ＥＡ）‐δ-↓↑δ-‐（ＥＡ）‐δ+
例えば、顕著な電子親和性を有するエステル（‐ＣＯＯ）‐またはケトン（＞Ｃ＝Ｏ）基は、電気的に中性のジケトン構造へさらに変換されうるラジカル‐イオン生成物の形成を伴う、上昇した温度での不活性溶媒におけるアルカリ金属との化学反応に関与しうる。Ｍｕｅｌｌｅｒら、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ４５：３８０（１９３９）；Ｍｏｒａｎｔｚら、Ｔｒａｎｓ−Ｆａｒａｄａｙ  Ｓｏｃ．５１：１３７５（１９５５）、の両方の参照は、参照により完全にここに含まれている。
【０１１６】
ラジカル‐アニオン＋カチオン対の形成の可能性は、十分に高い陽電荷に対して親和性を有する基礎素材においてＰＩＡ基を提供することにより、低くなりうる。ＥＡおよびＲＩＡ基が同じ分子に含まれる場合、適切な長さのスペーサーの導入は、電荷の間に十分な距離を与えうる。
本発明のスーパーポラロンの形成に適した多くの前駆体は、電荷移動錯体とラジカル‐アニオン＋カチオン対の両方の特性を同時に組み合わせることができる。前駆体分子がラジカル‐アニオン＋カチオン対を形成する傾向にありうる状況において、副反応が好ましくない反応条件を選ぶことが望ましくなりうる。
該問題に取り組むための１の方法は、荷電しない種および最終電荷分離への、ラジカルの再結合のプロセスが、少なくとも部分的に、動力学的に制御されていることを考慮することである。２種類の反応が起こりうる相対的速度は、化学反応の速度定数、化学反応の順番、および関与する化学物質の濃度に依存しうる。
【０１１７】
最終電荷分離は、電荷移動錯体の前駆体濃度に比例する速度を有する一次的反応としての、電荷移動錯体前駆体のモノ分子崩壊として説明することができる。該崩壊反応は、通常は分子成分の長距離移動を必要とはせず、よってその速度定数は、通常は媒体の巨視的粘性に依存しない。
電荷分離反応とは対照的に、ラジカル‐アニオン＋カチオン対再結合は、典型的には、２のラジカルの相互作用を伴い、そのため二次的反応である。二次的化学反応の速度は、前駆体の濃度の二乗に比例しうる。低濃度では、２のラジカルの平均距離が高くてもよいので、それらは、媒体の中を長距離移動した後にのみ互いに接触し、そのため、そのような接触は相対的に珍しくなりえ、またその結果の反応の速度は相対的に遅くなりうる。
そのため、望ましくない副反応が生じうる状況において、最終電荷分離を作るために、相対的に低濃度の反応物質が選択されるのが望ましくなりえるので、電荷移動錯体のアニオンとカチオンの濃度は相対的に低くなる。前駆体の濃度は、それでもマトリックスにおける自由電子の望ましい最終濃度を提供するのに十分高いラジカルアニオン＋カチオン対再結合を退けるには十分低くなりうる。
【０１１８】
媒体の巨視的粘度は、再結合反応の速度を制御することもできる。そして、ラジカルアニオン＋カチオン対再結合は、二次反応の速度を所望の低レベルに下げるのに十分高い粘性を有する有機ポリマー素材の使用によって、退けられる。二次反応速度の、媒体の粘性に対する依存性は、高分子種のそれよりずっと低い粘性を有する低分子量有機化合物の場合にも適用することができる。対照的に、一次反応として説明されている望ましい電荷分離反応は、粘性にそれほど依存していない。そのため、増加する粘性は、望ましくない二次反応の速度を大幅に下げることによって、および望ましい一次反応の速度を少しだけ下げることによって利益になりうる。
上述の実施例において説明されたように、選択された有機素材は、１の分子内にＥＡおよびＰＩＡ基の両方を含みうる。さらに、本発明の望ましいスーパーポラロンは、２の異なる種類の分子の混合体を含む流体の有機媒体に関して得られうる。第一の種類は、ＥＡ基を含むことができ、第二の種類はＰＩＡ基を含みうる。これらの状況において、電荷移動錯体は、ドーピング剤Ｄが２種類の分子の各々の、少なくとも１と相互作用するときに形成されうる。
【０１１９】
いくつかの化学的に異なる基が、適切なＥＡおよびＰＩＡ基として考えられてもよい。例えばＥＡ基の、第一の基は、‐＞Ｃ＝Ｏ、‐ＣＯＯ、‐ＣＨＯ、＞Ｃ＝Ｓ、＞ＣＣｌ、＞ＣＦ等の酸素‐およびハロゲン‐含有部分を含みうる。例えばＰＩＡ基の、第二の基は、＞ＮＨ、‐ＮＨ2、‐ＮＨＲ、‐ＮＲ2等（Ｒは有機ラジカルである）を含みうる。これらのＥＡおよびＰＩＡ基は、幅広い様々な脂肪族、芳香族、および／または有機元素化合物に存在することができ、上述の電子‐化学プロセスに積極的に関与することができ、および幅広い有機素材を作るために同時に使用されうる。適切な有機素材は、重合可能な二重結合を有するもの、および／または重合化、重縮合、あるいは量子ナノワイヤが作られうる高分子量化合物の形成を生じる他の重合体相似反応を可能にする官能基を含む。ポリマー高分子において、ＥＡおよびＰＩＡ基は、ポリマー主鎖または側鎖のいずれかに挿入されうる。ＥＡおよびＰＩＡ基は、互いの近くか、または相対的に互いに離れて配置されうる。ポリエステル、ポリアミド、ポリケトンが、側鎖アクリレートベースポリマー、ポリシロキサン、およびポリビニルエステルと同様に、ナノワイヤを作るために使用される特に望ましいポリマー素材となりうる。
【０１２０】
例示だけの目的で、本発明の量子ナノワイヤを形成するのに適している他の有機素材が下に含まれる。‐ＣＯＯおよびＮＲ2などの２の官能基が１の分子に存在しうる場合、アルカリ金属がドーピング剤として使用されうる。下の実施例において、アミノ（ＮＲ2）基は、ＰＩＡ基として考えられ、ＰＩＡ基を有さず、かつエステル（‐ＣＯＯ）‐またはケトン（＞Ｃ＝Ｏ）基（ＥＡ基）を含む溶媒有機化合物は、アルカリ金属ドーパントとも反応しうる。しかしながら、これらの種は、ラジカル‐イオン形成を通して電気的に中性のジケトン構造を作ってもよい（ここに含まれている、Ｅ．Ｍｕｅｌｌｅｒら、およびＤ．Ｍｏｒａｎｔｚらを参照）。これらの状況において、ラジカル‐アニオン＋カチオン対の形成の可能性を減少させるために、ＥＡ  ＣＯＯまたはＣ＝Ｏ基とともに同じ分子においてＰＩＡアミノ基を提供することが望ましいかもしれない。同じ分子内の活性基のそのような選択は、アルカリ金属イオンの陽電荷との、アミノ基の強い相互作用によって望ましくなりうる一方で、金属原子によって与えられる電子は、電荷分離および自由電子形成がその後に続く電荷移動錯体を形成するために、カルボニル酸素原子と強く相互作用しうる。
【０１２１】
Ｃ．高分子イオンを有する量子ナノワイヤ
本発明の一定の実施態様において、量子ナノワイヤは、有機高分子を用いて作られうる。これらの生成物は、それらで作られた構造を安定させるのに十分高い粘性を有しうる。高分子のサイズによって、粘性および他の属性は、望ましい物理的および化学的属性を提供するように選択されうる。より高い分子量の分子を用いることによって、該粘性は、より低い分子量の高分子または小さい有機モノマーのいずれかを用いて作られるポリマー素材の粘性よりも高くなりうる。
実施例
以下に続く実施例において、有機分子それ自身は高い導電性はない。むしろ、低いおよび高い分子量の分子は、絶縁状態のままである。その代わり、そのような有機媒体の中で形成された電子スレッドは、超伝導になりうる。
【０１２２】
実施例１：高い粘性ポリ（ジメチル‐アミノ‐エチル‐メタクリレート）における超伝導ナノワイヤ
ポリ（ジメチル‐アミノ‐エチル‐メタクリレート）で作られた超伝導ナノ構造を含む高い粘性媒体を形成するために、次の一連の工程が実行された。各工程は、示されたような個別のサブ工程を含む。
工程１：高分子物質およびドーパントを含む流体媒体を形成する
（ａ）１００，０００原子質量単位（ａｍｕ）の平均分子量を有するポリ（ジメチル‐アミノ‐エチル‐メタクリレート）の２グラムサンプルが、およそ２０重量％ポリマーを有する溶解液を作るために、８グラムのトルエンに溶解された。この溶解液は透明で、無色であった。トルエンは、あったとしても、大変小さな極性を有する。該ポリマーは、それぞれが高い双極子モーメントを有するアミノ基およびエステル基の両方を有する。この溶解液の１滴が、その磁気属性を分析するために採取された。
（ｂ）工程（ａ）で形成された溶液を含む小型開放フラスコは、１５分間、６５乃至７０セルシウス度の温度に加熱された。この工程の間、空気は実質的に環境から除去され、トルエンと置換され、また微量の分子の水および酸素が、該溶液から除去された。
（ｃ）金属カリウムの小片（およそ０．０４グラム）が、該フラスコの溶液に入れられた。カリウムの融点は６３セルシウス度なので、該金属は溶けた。カリウムが溶けると、それは溶液中に分散するので、およそ３０分後、溶けたカリウムは、やや赤茶色をした、等質の、透明な流体媒体を形成した。カリウムと溶解されたポリマーとの間の相互作用が、前のカリウム‐ポリマー電荷移動錯体を形成するにつれて、該色は進展した。該プロセスは、３０分後に完了した。この媒体の１滴が、その磁気属性を分析するために採取された。
【０１２３】
工程２：高分子イオンおよび自由電子を生成する
この工程は、高分子イオンと自由電子を生成するために高い双極子モーメントを有する化学基があるところで、高分子物質とドーピング剤との間の、より完全な電荷移動反応を誘導するために実行された。
（ｄ）工程（ｃ）で作られたおよそ０．５グラムの媒体がフラスコから採取され、平面のガラスの表面で、０．０２５乃至０．０５ｇのアセトンと混合された。これは、媒体において容易に移動する極性化学基の強度と濃度の両方を増加するために実行された。最終的に該ガラス上で得られたこの液滴によって占有された領域は、およそ５ｃｍ2であるので、流体媒体層の平均の厚みはおよそ１ｍｍであった。この層は、可視および近紫外線に関して透過性があるくらい十分に薄かった。該媒体のさらに一滴が、照射の前のその磁気属性を分析するために採取された。
（ｅ）工程（ｄ）で形成された流体層は、１００乃至１２０ワットの電力と、および３乃至４ｃｍのバルブ長を有する高電力マーキュリーランプからの、ろ過していない光を用いて、１０乃至１５分間照射された。該ランプは、広いスペクトルの電磁照射を作り出し、およびバルブと液層の表面との間の距離は、およそ１０ｃｍであった。
【０１２４】
ランプの高電力により、サンプルの温度はやや上昇した。照射への暴露中の推測される温度は、およそ４０セルシウス度であった。照射の後、該媒体は以前よりも少しだけ多くの粘性を持つようになった。
工程２が完了した後、残りの媒体は、高い双極子モーメントを有する化学基がある媒体において、より完全な電荷移動反応がこの工程２の間に誘導されたこと、および安定した陽高分子イオン（“高分子イオン”）ならびに自由電子が形成されたことを示す、淡い黄色になった。
【０１２５】
工程３：量子ナノワイヤを形成する
この工程は、前記自由電子に前記量子ナノワイヤを形成させるために、高分子物質の含有量が、５重量％を超える相を媒体に形成させるために実行された。
（ｆ）照射が完了した後、粘性流体媒体の５のサンプルが、それらの磁気属性を測定するために準備された。各サンプルは、ガラスナイフによりガラス表面から採取され、銅箔で作られた小さいかごに配置された媒体の滴であった。すべてのかごの磁気属性は、磁気計にそれらを置くことにより、磁気夾雑物を含まないことを確認するために、前もって測定された。夾雑物を有するかごは廃棄された。
サンプルの初期質量は、０．０２５乃至０．０５グラムの範囲内で変化し、サンプルの質量は、低分子量の溶媒のゆっくりとした蒸発のため、時間とともにゆっくりと変化した。サンプルの準備、およびそれらの慎重な重み付けは、およそ４０分かかった。各サンプルの室温磁気測定は、０．００１テスラ（０．０１Ｋガウス）乃至０．６８テスラ（６．８Ｋガウス）の範囲であり、およそ２５分乃至３０分かかった。
【０１２６】
（ｇ）ポイント（ａ）、（ｃ）および（ｄ）の終わりに採取された中間サンプルは、成分の既知の磁気属性と一致した、正常の低反磁性反応を示した。よって、使用された化学物質のすべては、媒体への磁気汚染には寄与していなかった。
ポイントｆ）の終わりに測定された５すべての最終サンプルは、強い強磁性反応を示した。強磁性反応は、媒体の密度がおよそ１グラム×ｃｍ-3であると仮定して算出された、１グラム当たり１．３×１０18、またはおよそ１．３×１０18ｃｍ-3の範囲内の集中した電子スピン濃度（すなわち自由電子濃度）に対応する。異常に高い自由電子密度は、量子ナノワイヤの特有の特徴である。そのような高い電子密度の存在は、工程３のポイントｆ）の間に媒体におけるそれらの形成を証明する。
【０１２７】
（ｈ）翌日、同じサンプルの測定が実行され、および粘性流体媒体からの溶媒の継続した蒸発により、平均１０乃至１５％の、強磁性のしるしのわずかな増加が見られる。強磁性のしるしの増加は、４０％を超える質量（または容量）と関連する集中したスピン濃度における増加と相関関係を持っていた。
最後の素材は粘性流体であり、媒体において相分離はなく、よってヤング率はない。さらに、この素材は、安定した量子ナノワイヤと、および少なくとも３０乃至３５重量％の高分子物質濃度を含む。
以下に続くさらなる説明において、本発明の別の実施態様を説明する。しかしながら、詳細は、上述されたものと明らかに異なる場合のみ与えられる。
【０１２８】
実施例２：低粘性ポリ（Ｎ，Ｎ‐ジメチルアミノエチルメタクリレート）での超伝導ナノワイヤ
別の実施態様において、ポリマーマトリックスは、そうでない記載がなければ実施例１と同じであり、唯一の相違は、トルエンの初期量である。この実施例においては、トルエンの量は４８グラムであり、および溶液中のポリマーの初期濃度はおよそ２重量％である。
最終サンプルの分析（工程３、ｇ）は、量子ナノワイヤの強磁性特徴を示した。溶媒が蒸発させられるにつれて、特徴的な強磁性属性を与えるナノワイヤが現れ、および媒体における高分子の濃度は、５乃至６重量％を超えた。実施例１のように、実施例２は流体であり、よってヤング率はない。
実施例１および２は、使用される有機溶媒（トルエン）の初期量において相違があるが、流体である。そのため、同様の方法だが、実施例１および２で使用されるものの中間の量の溶媒を用いて作られる生成物も流体になることは明らかである。
【０１２９】
実施例３：液晶Ｓポリマーでの超伝導ナノワイヤ
実施例３において、ジメチルアミノエチル‐メタクリレート（またはジメチルアミノエチル‐アクリレート）と、下に図示されたメゾゲン基（ｘ）との結合をつなげるコポリマーが使用される。
【０１３０】
【化１】
2004527880.tif 000037
特定の実施態様において、上述の一般式から、次のような４の特異種を選択した。
表４  実施態様１乃至４に関する超伝導スーパーポラロンの有機分子
【０１３１】
【表４】
2004527880.tif 000038
【０１３２】
メゾゲン基の化学構造は、指数ｎおよび置換基Ｙ，ＺおよびＭの選択によって変わってもよい。ポリマー鎖に含まれるそのような基は、ポリマー液晶構造を形成することが知られている。比Ｑ＝ｘ：（ｘ＋ｍ）で表されるメゾゲン基の濃度が十分高い場合には、同じ能力がコポリマーおいても保存される。
実施例３において、該コポリマーは、０．０１乃至およそ１のメゾゲン基の幅広い範囲の濃度（“Ｑ”）に対して、量子ナノワイヤを形成するために、実施例１および２と同じ方法で処理される。Ｑ＞２５％の濃度範囲内で、室温近くで分析された最終素材は、溶媒の部分的蒸発後、高分子物質の含有量が５０重量％を超える場合、該素材の容量の８５乃至９０％より多くを占めるポリマー液晶状態と安定したナノワイヤとを結合することがわかる。
【０１３３】
実施例４：他の共重合ポリマーでの超伝導ナノワイヤ
実施例４において、使用されるコポリマーは、ジメチルアミノエチル‐メタクリレート（またはジメチルアミノエチル‐アクリレート）の結合と、ヘキシルアクリレートの結合を含む。ナノワイヤの形成は、ヘキシルアクリレート結合の含有量が８０％を超えても生じる。
実施例４において得られた素材は、２点において前のものとは異なる：ａ）無定形であること、およびｂ）Ｑ＞８０％においては、室温より低いガラス転移温度を有することである。よって、室温では、それは流体であって固体ではなく、よってヤング率はない。
溶液中の低濃度（＜５重量％）の高分子物質で作られた一定の量子ナノワイヤの製造の特徴は、生成された自由電子の濃度が、磁気計で検出されるくらい十分な数の量子ナノワイヤを形成するのに十分ではないかもしれないことかもしれない。
よって、以下の方法のうち少なくとも１が、自由電子の濃度を増やすために使用されうる。第一に、実施例１乃至４で説明された、超伝導素子を作るためと同様に、過剰な溶媒の蒸発が実行されうる。第二に、高分子物質の溶解性は、ポリマー分子の沈殿剤を添加することによって、減らすことができる。そのような沈殿剤の化学的性質は場合によって変わり、また使用されるポリマーの特定の化学構造に従って個別に選択されるべきである。一般的に、相対的貧溶媒が使用されうる。例えば、トルエンの代わりに、アルコール、例えばメタノールが、ポリ（アクリレート）ベースのポリマーおよびコポリマーの沈殿剤として適しているかもしれない。
【０１３４】
沈殿は溶液中で生じるので、高分子イオンおよび自由電子を含む沈殿物は、フラスコの底にあり、および量子ナノワイヤが現れる別のサブフェーズを形成する。磁気計を用いて検出可能なかなりの量のナノワイヤが、サブフェーズにおける高分子物質の濃度がおよそ５重量％を超えるときに得られうる。
さらなる生成物において、ナトリウム金属が、カリウムの代わりにドーパントとして使用されうる。量子ナノワイヤを製造する方法での唯一の相違点は、ナトリウムが９７．８セルシウス度で溶けるので、工程１、ポイントｃ）が、１００セルシウス度より高い温度で実行されるべきであることである。
【０１３５】
Ｄ．低分子量有機イオンで作られた量子ナノワイヤ
後述される素材において、製造方法は、実施例１乃至４で説明されたものとかなり類似している。よって、次の説明において、異なる詳細だけが説明される。それとは反対である特異的な情報がないことは、対応する工程が、実施例１乃至４に関するものと同じであることを意味する。
一般的に、実施例５乃至７に説明される量子ナノワイヤを製造するために、上の工程１に従って媒体が形成され、および工程１（ｃ）に従ってアルカリ金属でドープ処理され、工程２に従って処理されるが、自由電子を形成する工程の間は、高分子物質を含まない。高分子物質は、工程３の後に形成される。
【０１３６】
実施例５乃至７：
これら３種類の実施態様および方法の説明は、それらの唯一の相違点が、異なる有機モノマーが、流体媒体を形成するための開始物質として使用されることであるので、一緒に提供される。中間体および／または最終生成物の属性に関する相違は、開始物質の間の相違が顕著である適切な場所において指摘される。
工程１：低分子量物質およびドーパントを含む流体媒体を形成する
（ａ）実施例５，６または７に説明された実施態様の各々に関する溶液は、トルエン、および下に列挙された対応する低分子量モノマーＮｏ：１（＃１；ＭＷ＝４３１ａｍｕ），Ｎｏ：２（＃２；ＭＷ＝１５７ａｍｕ）およびＮｏ：３（＃３；ＭＷ＝２２６ａｍｕ）を添加することによって、イオン形成種として、番号１，２、および３として下に図示された有機モノマーから作られた。該溶液の濃度はそれぞれ、８重量％、２．９重量％、および４．２重量％であったので、すべての溶液のモル濃度は、ほぼ等しかった。これらのモノマーおよびトルエンの溶液は、６５セルシウス度で作られた。
【０１３７】
【化２】
2004527880.tif 000039
（ｂ）各溶液は、ナトリウム金属でドープ処理された。ナトリウムの最終濃度は、０．１乃至０．５重量％の間であった。モノマー番号１および２の溶液は、ナトリウムを完全に、かつ容易に、およそ６０セルシウス度（ナトリウムの融点より低い）でも溶解したが、モノマー番号３の溶液では、ナトリウムは、温度がナトリウムの融点より高く上昇した後でも、部分的にのみ溶解した。工程１の最後で、３すべての溶液は、ナトリウムドーパントおよびモノマーの複合体の形成を示す、類似した淡い赤茶色を示した。
【０１３８】
工程２：低分子量イオンおよび自由電子を生成する
工程２は、実施例１乃至４と同様に実行される。工程２は、高い双極子モーメントを持つ化学基を有する有機モノマーと、およびドーパントとの間で、媒体におけるより完全な電荷移動反応を誘導し、それが低分子量有機イオンおよび自由電子を生成した。
（ｃ）モノマー番号１、２および３は、上に示されたそれらの化学構造における極性基を含んでいた。該極性基は、モノマー番号１におけるエステル、ケト、ならびにアミノ基、およびモノマー番号２におけるエステルならびにアミノ基、およびモノマー番号３におけるエステル基である。モノマー番号１におけるケト基により、この混合体にアセトンを添加する必要はなかった。少量（およそ０．１重量％）のアセトンが、溶液番号２および３に添加された。
（ｄ）攪拌中、該溶液は、ガラスフラスコで直接マーキュリーランプによって照射された。該フラスコは、放射スペクトルの遠紫外線部分を除去し、かつ未熟な重合化を防ぐ光学フィルタとして機能した。照射の他のすべての条件は、上の実施例１乃至４と同じであった。
工程２が完了した後、フラスコ内の流体の色は、低分子量化学物質のイオン化および溶媒和された形式での自由電子の発現につながる、より完全な電荷移動反応が起こったことを示す淡い黄色であった。
【０１３９】
工程３：量子ナノワイヤを形成する
工程３は、低分子量イオンに由来するイオン化した化学基を含む高分子物質を含む相を形成するために実行された。５重量％より大きい相の含有量は、自由電子に量子ナノワイヤを形成させる。
（ｅ）石英は、大量重合化を開始するのに使用される紫外線放射に透過的なので、溶液はガラスフラスコから石英フラスコに移された。該溶液をフラスコに加える前に、少量のトルエンを蒸発させ、かつ微量の空気および／または水を除去するため、該フラスコは１５分間加熱された。
電磁放射での溶液の照射は、同じマーキュリーランプを用いる前のように、攪拌で実行された。重合化プロセスは、溶液の粘性を明らかに増加させるために、１５乃至１８時間かかった。結果物である粘流体媒体は、工程２で生成された低分子量イオンに由来するイオン化ユニットを含む、溶媒、少量の非重合化分子量成分および高分子物質を含んでいた。
溶液の全体の電気的中性の要件により、自由電子は、高分子物質によって溶媒和されたものとして存在していた。
【０１４０】
（ｆ）磁気測定は、実施例５乃至７で説明された３すべての素材に関する各工程から収集された粘性相のサンプルから実行された。モノマーの開始含有量が５重量％より大きいとき、モノマー番号１で作られたポリマー媒体において量子ナノワイヤに特有の強磁性特徴が見られた。モノマー番号２で作られたポリマー媒体のサンプルは、溶媒が、明らかに蒸発させられた後、および高分子物質の含有量が、６乃至８重量％よりも大きくなった後、量子ナノワイヤの類似の特徴を示した。いずれの場合も、集中した電子スピン（すなわち自由電子）の濃度は、溶媒の完全な蒸発前でも、１乃至２×１０１８ｃｍ-3であった。モノマー番号３で作られたサンプルの場合、量子ナノワイヤの特有の特徴は、分析された媒体における高分子物質の含有量が４０重量％を超えた後にのみ現れた。その結果は、工程１の間にナトリウムドーパントを溶解するための、モノマー番号３の低減した能力と相関関係にある。
対応する、素材番号５、６および７に関する最終無定形ポリマーは、異なるガラス転移温度を有し、Ｔｇ1＞Ｔｇ2＞Ｔｇ3である。これらの生成物の各々は、粘性流体であり、よってヤング率はない。
ここに示された特異的な実施態様の説明が、説明だけの目的であることが理解されうる。本発明の教示を用いて、他の実施態様が可能であり、および容易に製造されることができ、また本発明の範囲内にとどまる。さらに、提案された動作のメカニズムおよび操作可能性の理論は制限的なものを意図していない。むしろ、他のメカニズムおよび理論が、本発明の操作可能性を説明してもよく、また該メカニズムおよび理論も、本発明の範囲内に含まれるかもしれない。ここに引用されたすべての参照は、参照によってここに完全に含まれる。
【０１４１】
本発明の量子ナノワイヤは、エレクトロニクス、半導体製造、バイオセンサ、スイッチ、モータ、および小型サイズならびに低電力消費が望ましい特徴である他の装置の分野において、幅広い応用性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】図１は、本発明のスーパーポラロンを示す。
【図２】図２は、ナノ回路における本発明のスーパーポラロンを示す。
【図３】図３は、マイクロワイヤとして構成された本発明のスーパーポラロンの束を示す。
【図４】図４は、閉導電ループの形状での、本発明の環状スーパーポラロンを示す。
【図５】図５は、接続された素子またはシステムを含む回路における、本発明のスーパーポラロンを示す。ギャップｄは、スーパーポラロンと金属接点（斜線のついた素子）との間の絶縁ギャップを表す。
【図６】図６は、およそ１ナノメートルの範囲でのギャップ寸法を有する、図５に示されたような回路に典型的な電圧／電流（Ｊ／Ｖ）曲線を示す。
【図７】図７は、およそ１．５乃至２ナノメートルの範囲でのギャップ寸法を有する、図５にしめされたような回路に典型的な、電圧／電流（Ｊ／Ｖ）曲線を示す。
【図８】図８は、２のスーパーポラロンを含み、および入射電磁フォトンｈωを示す、本発明の光‐電子変換装置を示す。
【図９】図９は、図８に示された、本発明の光‐電子変換装置のエネルギ図を示す。
【図１０】図１０は、そこに電子流が流れている線形スーパーポラロンと、および前記線形ポラロンにおける前記電子流によって誘導される磁界によってそこに誘導される電流を伴う環状スーパーポラロンを含む、本発明の高インダクタンス素子を示す。
【図１１】図１１は、図１０に示された、高インダクタンス素子のスーパーポラロンにおける磁束量子と誘導された電流との間の関係を示す。
【図１２ａ】図１２ａは、本発明の環状スーパーポラロンにおける持続的電流の生成におけるステップを示す。図１２ａは、前記環状スーパーポラロンが完成されておらず、および線形スーパーポラロンにおける電流が、前記不完全な環状スーパーポラロンの中で磁界を誘導する段階を示す。
【図１２ｂ】図１２ｂは、本発明の環状スーパーポラロンにおける持続的電流の生成におけるステップを示す。図１２ｂは、前記環状スーパーポラロンを完成させた後の、本発明のスーパーポラロンにおける持続性電流の生成における段階を示す。
【図１３】図１３は、スーパーポラロンナノワイヤおよびゲート電極を含む本発明の場制御スイッチを示す。
【図１４ａ】図１４ａは、図１３に示された、場制御スイッチの２の状態を示す。図１４ａは、低電位の“段差”が、図１３に示されたスーパーポラロンを分離せず、それによって電流の流れにバリアを与えない状態を示す。
【図１４ｂ】図１４ｂは、図１３に示された、場制御スイッチの２の状態を示す。図１４ｂは、高電位“段差”が、図１３に記載のスーパーポラロンを、２のより小さいスーパーポラロンに分離するのに十分であり、それによって電流の流れにバリアを与える状態を示す。
【図１５】図１５は、図１３に示された、本発明の場制御スイッチを通してゲート信号と出力電流との間の関係を示す。
【図１６ａ】図１６ａは、本発明のランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）の電磁素子における論理状態を生成するステップを示す。図１６ａは、２の接点ならびにゲート（Ｇ１）を有する線形スーパーポラロン、およびゲート（Ｇ２）を有する環状スーパーポラロンを示す。環状スーパーポラロンには電流はなく、この状態は論理状態０と考えることができる。
【図１６ｂ】図１６ｂは、本発明のランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）の電磁素子における論理状態を生成するステップを示す。図１６ｂは、線形スーパーポラロンにおける電流が磁界を作る不完全な環状スーパーポラロンを示す。
【図１６ｃ】図１６ｃは、本発明のランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）の電磁素子における論理状態を生成するステップを示す。図１６ｃは、完全な環状スーパーポラロンを有する、図１６ａに示された素子を示す。
【図１６ｄ】図１６ｄは、本発明のランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）の電磁素子における論理状態を生成するステップを示す。図１６ｄは、図１６ｃに示された素子であるが、線形スーパーポラロンにおける直線電流が切られた後、環状スーパーポラロンに持続性電流が生じることを示す。この状態は、論理状態１であると考えることができる。
【図１７ａ】図１７ａは、本発明の“ＡＮＤ”論理ブロックおよび“ＯＲ”論理ブロックを示す。
【図１７ｂ】図１７ｂは、本発明の“ＡＮＤ”論理ブロックおよび“ＯＲ”論理ブロックを示す。
【図１８ａ】図１８ａは、本発明の３進法論理素子を示す。図１８ａは、書かれた後の３進法素子であり、１方向の持続性電流が、環状スーパーポラロンにおいて生成されることを示す。この状態は、論理状態＋１と考えられる。
【図１８ｂ】図１８ｂは、本発明の３進法論理素子を示す。図１８ｂは、図１８ａに示された３進法論理素子であるが、環状スーパーポラロンにおける持続性電流が、図１８ａに示されたそれとは反対の方向であることを示す。この状態は、論理状態−１であると考えられる。
【図１９】図１９は、ＲＡＭセルの複数の層を有する本発明の多層プロセッサを示す。
【図２０】図２０は、図１９に示された本発明の多層プロセッサのうちの１層からの、電磁パルス情報の転送を示す。
【図２１】図２１は、近くの環状スーパーポラロンにおける２の持続性円形電流の磁気相互作用を、環状スーパーポラロンの間の力に変換することができる、本発明のピエゾ磁気ユニットを示す。
【図２２】図２２は、図２１に示された、本発明の２の環状ピエゾ磁気ユニットの間のポリマー素材の発振量であり、磁界における発振は、２の環状スーパーポラロンの間の距離における発振変化を作り出すことを示す。
【図２３ａ】図２３ａは、本発明の準静的光‐電子スイッチの２の状態を示す。図２３ａは、スイッチの底位相の密度Ｎが、上位相の密度ｎよりも高い状態を示す。密度の差は、電磁放射の入射ビームが、濃厚媒体に反射し戻されるようにし、光は前記スイッチを通過しない。
【図２３ｂ】図２３ｂは、本発明の準静的光‐電子スイッチの２の状態を示す。図２３ｂは、底位相の密度Ｎに近づくために、上位相の密度ｎが増やされた状態を示す。この状態では、光はスイッチを通過することができる。
【図２４】図２４は、化学的部分と真空における異なる状態の間での、電位および電子の遷移の関係を示す。
【図１】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１７ａ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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