特許 7220226 物質波のための非相反フィルター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-01

(45)【発行日】2023-02-09

(54)【発明の名称】物質波のための非相反フィルター

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/00 20230101AFI20230202BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20230202BHJP

   H01L 29/66 20060101ALI20230202BHJP

   H01L 29/80 20060101ALI20230202BHJP

   H01L 33/06 20100101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

H01L43/00

H01L29/06 601L

H01L29/66 M

H01L29/80 A

H01L33/06

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020541903

(86)(22)【出願日】2019-02-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-06-17

(86)【国際出願番号】 EP2019052634

(87)【国際公開番号】W WO2019166187

(87)【国際公開日】2019-09-06

【審査請求日】2020-09-29

(31)【優先権主張番号】18159767.5

(32)【優先日】2018-03-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】301033396

【氏名又は名称】マックス－プランク－ゲゼルシャフト ツール フォーデルング デル ヴィッセンシャフテン エー．ヴェー．

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マンハルト ヨッヒェン

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－１３９９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４２４２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ４３／００

Ｈ０１Ｌ ２９／０６

Ｈ０１Ｌ ２９／６６

Ｈ０１Ｌ ２９／８０

Ｈ０１Ｌ ３３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０）であって、
第１の端子（Ａ）および第２の端子（Ｂ）と、
前記第１の端子と前記第２の端子の間に接続されており、かつ、微細粒子を、前記第１の端子から前記第２の端子に、および場合によっては前記第２の端子から前記第１の端子に、少なくとも部分的に位相コヒーレントに伝達するように構成されている、非相反伝達構造（non-reciprocal transmission structure）と、
を備えており、
前記非相反伝達構造の少なくとも一部に関して、前記微細粒子の伝達の時間反転対称性が破られ、
前記第２の端子から前記第１の端子への第２の方向に移動する微細粒子よりも、前記第１の端子から前記第２の端子への第１の方向に移動する微細粒子に対する、より高い伝達確率によって構成される非対称の電流の流れを提供するように、前記非相反伝達構造が構成されるという方法で、前記時間反転対称性が破られ、
前記量子デバイスは、周囲の熱浴から熱エネルギーを取り出し、前記熱エネルギーを前記微細粒子の移動に変換し、それにより、前記量子デバイスは、前記熱エネルギーを前記非対称の電流の流れに変換する、
量子デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０）。

【請求項2】

前記第１の端子および前記第２の端子の一方または両方に外部から電圧または電流を印加することなく、前記より高い伝達確率が存在する、
請求項１に記載の量子デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０）。

【請求項3】

前記非相反伝達構造が、少なくとも２つの伝達経路を備えており、
粒子波に関連付けられる微細粒子が、前記第１の端子および前記第２の端子の一方から発せられ、前記第１の方向および前記第２の方向に前記伝達経路を伝搬する部分波にそれぞれ分割され、
前記第１の方向に伝搬する第１の部分波が、前記第２の端子において合流して互いに干渉し、前記第２の方向に伝搬する第２の部分波が、前記第１の端子において合流して互いに干渉し、前記第１の部分波が、前記第２の部分波よりも強め合うように干渉する、
請求項１または請求項２に記載の量子デバイス（１０；３０；４０；６０；７０）。

【請求項4】

前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続されている第１の伝達経路（１１；３１；４２；７１）と、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続されている第２の伝達経路（１２；３２；４１；７２）と、
を備えており、
前記微細粒子の伝達の前記時間反転対称性が、前記第１の伝達経路において破られる、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子デバイス（１０；３０；４０；６０；７０）。

【請求項5】

前記第１および第２の伝達経路の長さｌが、選択的な位相コヒーレントな微細粒子の伝達が保証されるように選択される、
請求項４に記載の量子デバイス。

【請求項6】

磁気モーメントに関連付けられるスピンをそれぞれが有する前記微細粒子であって、第１の伝達経路（１１）において微細粒子の前記磁気モーメントが整列されている、前記微細粒子と、
前記磁気モーメントの方向に垂直でありかつ前記第１の伝達経路（１１）における微細粒子の伝達の方向に垂直な向きにある成分、を含む電界と、
第１の材料を含む前記第１の伝達経路（１１）であって、前記第１の材料が、第１のスピン軌道結合強度α_１および第１の粒子群速度ｖ_１を有する、前記第１の伝達経路（１１）と、
第２の材料を含む第２の伝達経路（１２）であって、前記第２の材料が、前記第１のスピン軌道結合強度α_１とは異なる第２のスピン軌道結合強度α_２と、前記第１の粒子群速度ｖ_１とは異なる第２の粒子群速度ｖ_２とを有する、前記第２の伝達経路（１２）と、
をさらに備えている、請求項４に記載の量子デバイス（１０）。

【請求項7】

第１の部分波が第２の部分波よりも強め合うように干渉するように、α_１，α_２，ｖ_１，およびｖ_２の値が選択される、
請求項６に記載の量子デバイス（１０）。

【請求項8】

前記第１の伝達経路の前記第１の材料において微細粒子の前記磁気モーメントを整列させる目的で印加される磁界、
をさらに備えている、請求項６または請求項７に記載の量子デバイス（１０）。

【請求項9】

前記磁界が、前記微細粒子の前記伝達の方向に垂直でありかつ前記電界の方向に垂直な向きにある成分を含む、
請求項８に記載の量子デバイス（１０）。

【請求項10】

前記電界が、前記第１の伝達経路の前記第１の材料において生成される、
請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の量子デバイス（１０）。

【請求項11】

前記微細粒子が、電子、中性子、陽子、原子、光子、またはイオン、のいずれか１種類から構成されている、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の量子デバイス（１０；２０；３０；４０；５０；６０；７０）。

【請求項12】

第１の伝達経路（４１）および第２の伝達経路（４２）に垂直な成分を含む磁界と、
前記伝達経路の一方（４２）の少なくとも一部に垂直でありかつ前記磁界の前記成分に垂直である成分を含む電界と、
をさらに備えている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子デバイス（４０）。

【請求項13】

前記非相反伝達構造が、トンネル障壁（７１Ａ）を有する少なくとも１つの伝達経路（７１）、を備えている、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の量子デバイス（７０）。

【請求項14】

粒子波に関連する微細粒子が、前記第１の端子および前記第２の端子の一方から発せられ、前記第１の方向および前記第２の方向に伝達経路を伝搬する部分波にそれぞれ分割され、
前記第１の方向に伝搬する第１の部分波が、前記第２の方向に伝搬する第２の部分波とは異なって、基本材料または印加された磁界による影響を受ける、
請求項４に記載の量子デバイス。

【請求項15】

請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の２つ以上の量子デバイス（１１０；２１０；３１０）のアレイ（１００；２００；３００）であって、
前記量子デバイスが、直列に、および／または、並列もしくは逆並列に、互いに接続されている、
量子デバイス（１１０；２１０；３１０）のアレイ（１００；２００；３００）。

【請求項16】

請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の量子デバイスまたは請求項１５に記載のアレイの使用であって、以下、すなわち、
－ 電流または電圧の１つまたは複数の形で電力を発生させる、
－ 微細粒子を、それらの群速度に従ってフィルタリングする、
－ 微細粒子を、それらの伝達方向に従ってフィルタリングする、
－ 微細粒子を、それらのスピン方向に従ってフィルタリングする、
－ 微細粒子を、それらの谷占有（valley occupancy）に従ってフィルタリングする、
のいずれか１つを目的とする使用。

【請求項17】

前記量子デバイスが、周囲の温度より低い温度または同じ温度で動作する、
請求項１６に記載の、量子デバイスの使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子デバイスと、複数の相互接続された量子デバイスのアレイと、さまざまな用途における量子デバイスまたは複数の相互接続された量子デバイスの使用とに関する。開示される量子デバイスは伝達の非対称性（transmission asymmetry）を備えており、伝達の非対称性とは、本質的には、特殊な種類の伝達構造の中の微細粒子の流れが、第１の方向において、反対の第２の方向におけるよりも起こる可能性が高いことを意味する。このことは、基本的には、伝達構造の一部において粒子の運動の時間不変対称性（time invariance symmetry）、さらに場合によっては空間不変対称性（spatial invariance symmetry）を破ることによって、達成することができる。１つの可能な実施形態としては、異なる特性（例えば、異なるスピン軌道結合（spin-orbit coupling）および異なる粒子速度、または、異なるベクトルポテンシャルおよび異なる粒子速度、のいずれか）を有する２つの伝達チャネル、を備えた構造、が挙げられる。本量子デバイス、または相互接続された量子デバイスのアレイは、信号・データ処理の用途、電力の発生、（例えば粒子の速度や運動方向に従っての）粒子のフィルタリング、に使用することができる。

【背景技術】

【0002】

背景技術を説明する目的で、以下の従来技術を参照する。

【0003】

［１］非特許文献１
［２］非特許文献２
［３］非特許文献３
［４］非特許文献４
［５］非特許文献５
［６］非特許文献６
［７］非特許文献７
［８］非特許文献８
［９］非特許文献９
［１０］非特許文献１０
［１１］非特許文献１１

【0004】

長い間、科学者や開発者の間では、自己作用式に（in a self-acting manner）所望の方向に状態を変化させることのできる（したがって例えばエネルギーを発生させたり、要素や粒子の方向を選別したりすることのできる）さまざまな種類のシステムや装置を開発する努力が続けられてきた。例えば、熱雑音電流（thermal noise currents）を自動的に整流できる電気デバイスを設計することが可能であるかという問いが、長年にわたり議論されてきた。このような電気デバイスは、例えば、「自己整流ダイオード（self-rectifying diode）」という用語の下で提案され、本質的には半導体のｐｎ接合に基づくものであった（例えば非特許文献１および非特許文献２を参照）。しかしながら、機能するデバイスが実証されたことはない。

【0005】

本発明は、上に説明した、所望の方向に自己作用式または自動的に状態を変化させることのできるデバイスの例を提示する新規の量子デバイスを提供するとともに、このデバイスが、さまざまな可能な用途の基礎となることを示す。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】L. Brillouin, Phys. Rev. 78, 627 (1950).

【文献】R. McFee, Am. Journ. Phys. 39, 814 (1971) and references therein.

【文献】A. Manchon et al., Nat. Mat. 14, 871 (2015).

【文献】D. Bercioux and P. Lucignano, Rep. Prog. Phys. 78(2015) 106001

【文献】L.D. Landau and E.M. Lifshitz, chap. XVII in “Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory”, vol. 3 of “Course of Theoretical Physics” (2nd ed.), Pergamon Press

【文献】H.R. Quinn, Journ. Phys.: Conf. Ser. 171, 012001 (2009).

【文献】S. Pascazio, Open Syst. Inf. Dyn. 21, 1440007 (2014).

【文献】A. Signoles, A. Facon, D. Grosso, I. Dotsenko, S. Haroche, J.-M. Raimond, M. Brune and S. Gleyzes, Nat. Phys. 10, 715 (2014).

【文献】A. Rycerz, J. Tworzydlo, and C. W. J. Beenakker, Nature Physics volume 3, pages 172-175 (2007).

【文献】A. M. Kuzmenko, V. Dziom, A. Shuarev, Anna Pimenov, M. Schiebl, A. A. Mukhin, V. Yu. Ivanov, I. A. Gudim, L. N. Bezmaternykh, and A. Pimenov, Phys. Rev. B 92, 184409 (2015).

【文献】R. Landauer and M. Buttiker, Phys. Rev. Lett. Vol.54, No. 18, 2049

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様によれば、量子デバイスは、第１の端子および第２の端子、ならびに、第１の端子と第２の端子の間に接続されており、かつ微細粒子を、第１の端子から第２の端子に、および場合によっては第２の端子から第１の端子に、少なくとも部分的に位相コヒーレントに伝達するように構成されている、伝達構造と、を備えており、伝達構造の少なくとも一部に関して、粒子の伝達の時間反転対称性（time-reversal symmetry）が破られ、伝達構造が、第２の端子から第１の端子への第２の方向に移動する粒子よりも、第１の端子から第２の端子への第１の方向に移動する粒子に対して、より高い伝達確率を有するように、時間反転対称性が破られる。

【0008】

本発明の第２の態様によれば、アレイは、第１の態様に係る複数の量子デバイスを備えており、これらの量子デバイスは、直列および／または並列に互いに接続されている。

【0009】

本発明の第３の態様によれば、第１の態様に係る量子デバイス、または第２の態様に係るアレイ、の使用は、電流または電圧の１つまたは複数の形で電力を発生させる、粒子の群速度に従って粒子をフィルタリングする、または粒子の伝達方向に従って粒子をフィルタリングする、のいずれか１つを含む。

【0010】

当業者には、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を考慮することにより、さらなる特徴および利点が認識されるであろう。

【0011】

添付の図面は、例を深く理解できるようにする目的で含まれており、本明細書に組み込まれており、本明細書の一部を構成している。これらの図面は、例を図解しており、明細書の説明と合わせて例の原理を説明する役割を果たす。別の例および例の意図された利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することによってこれらが深く理解されるにつれて、容易に認識されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A-1B】図１Ａおよび図１Ｂは、第１の態様の例による量子デバイスの概略上面図（Ａ）および断面側面図（Ｂ）を示している。この例は、ラシュバ効果（Rashba effect）に基づいており、第１の伝達経路は、量子井戸構造における２次元の電子ガスを含む。

【図2A-2C】図２Ａ－２Ｃは、外部からの磁界および電界のない状態の第１の伝達経路におけるスピン偏極電子のエネルギー分散関係（Ａ）、（Ａ）と同じ条件下で外部磁界を印加した後のエネルギー分散関係（Ｂ）、および（Ｂ）と同じ条件下で外部電界を印加した後のエネルギー分散関係を示している。

【図3A-3B】図３Ａおよび図３Ｂは、１つのスピン成分のｖ（ｋ）関係（Ａ）、および、１つのスピン成分のエネルギー分散関係と、分散曲線における速度ｖ１，ｖ２を示している。

【図4A-4B】図４Ａおよび図４Ｂは、第１の伝達経路における第１の材料（Ｉ）の場合のエネルギー分散関係（Ａ）、および、第２の伝達経路における第２の材料（ＩＩ）の場合のエネルギー分散関係（Ｂ）、を示している。

【図5】図５は、それぞれが（ラシュバ）スピン軌道結合を含む２つの伝達経路を含む例による量子デバイスの概略上面図を示している。

【図6A-6B】図６Ａおよび図６Ｂは、リング構造を貫通する磁束に基づいており、かつ第１の伝達経路および第２の伝達経路が２つの異なる材料から構成されている例による、量子デバイスの概略上面図（Ａ）、および、リング構造を貫通する磁束と、伝達経路の１つに印加される電気ゲート電位（electric gate potential）とに基づいており、かつ第１の伝達経路および第２の伝達経路が２つの同一材料から構成されている、本開示の第１の態様の例による量子デバイスの概略上面図（Ｂ）、を示している。

【図7】図７は、単一の材料を含むリングが磁界によって貫かれている例による、量子デバイスの概略上面図を示している。

【図8】図８は、粒子が光子であり、かつデバイス自体が光子干渉計として機能する例による、量子デバイスの概略上面図を示している。

【図9】図９は、第１の伝達経路が、スピン軌道結合を有するトンネル障壁を備えている、第１の態様の例による量子デバイスの概略上面図を示している。

【図10】図１０は、デバイスが直列に互いに接続されている、第２の態様に係る複数の量子デバイスのアレイを示している。

【図11A-11B】図１１Ａおよび図１１Ｂは、デバイスが並列に互いに接続されている、第２の態様に係る複数の量子デバイスのアレイ（Ａ）、および、デバイスが互いに直列および並列の両方に接続されている、第２の態様に係る複数の量子デバイスのアレイ（Ｂ）、を示している。

【図12A-12B】図１２Ａおよび図１２Ｂは、本開示の第３の態様に係る量子デバイスまたは複数の量子デバイスのアレイの使用を示しており、電流を発生させるための閉じた電気回路が構築されている（Ａ）、および、取り出した後にさまざまな目的に（例えばキャパシタを充電するために）使用できる定常電圧が生成される（Ｂ）。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下の説明では、用語「結合された」および「接続された」、ならびにその活用形が使用されている。なお、これらの用語は、２つの要素が物理的または電気的に直接接触しているか、あるいは物理的または電気的に直接には接触していないか（すなわち２つの要素の間に１つまたは複数の中間要素が存在し得るか）に関係なく、２つの要素が互いに連携または相互作用することを示すために使用されていることを理解されたい。

【0014】

なお、以下において量子デバイスを説明および特許請求するとき、用語「量子デバイス」は、広義かつ広範囲に理解されるべきであることに留意されたい。量子デバイスは、その機能に関しては、物質波（すなわち任意の種類の粒子波または準粒子波）に対して、基本的に非相反フィルターとして機能する。その構造に関しては、人工構造または人によって作製される構造（例えば電線や電気線が異なる技術的方法によって製造される）として理解することができる。しかしながら量子デバイスは、例えば、分子、分子化合物、分子環（例：ベンゼン環）などの化学成分からなる、または化学成分を含むものとして理解することもできる。さらに量子デバイスは、例えばデバイスの機能を作用させる結晶構造を有する固体化合物を指すこともある。

【0015】

さらに、用語「伝達経路」は、物体として理解することができるが、物体として理解しなくてもよい。デバイスによっては、物体（例：１本のワイヤ）が、１つの伝達経路を含む。別のデバイスでは、そのような物体が２つの伝達経路（すなわち、物体の中を伝播する粒子の２つの反対の方向）を含む。別のデバイスでは、用語「伝達経路」は、特定の材料から作製される有形物または物体として理解するべきではない。そうではなく、空間内の粒子の仮想経路として理解するべきであり、例えばガス雰囲気中に配置されることさえある。

【0016】

さらに、用語「位相コヒーレント」（phase coherent）は、位相を破壊する非弾性散乱がデバイス内で起こらないことを意味するものではない。実際、非特許文献１１に示されているように、ある種の（例えばフォノンとの）非弾性散乱、および／または位相破壊プロセスは、位相干渉性（phase coherency）と両立可能であり、恩恵のある場合がある、またはすべての場合ではないにせよ場合によってはデバイスが動作するのに必要でさえある。したがって、用語「位相コヒーレント」は、デバイス内の粒子の伝達の、位相を破壊する非弾性散乱が存在する場合または存在しない場合のいずれかを含むものと理解されたい。

【0017】

なお、以下に図示および説明する量子デバイスの例のいくつかでは、デバイス（特にデバイスの外部端子）に外部電圧または外部電流が印加されないことをさらに強調しておく。この場合、むしろデバイス自身が、特に電圧源、電流源、または順位の源として機能する、または無損失および／または非超伝導式および／または非ジョセフソン伝導式に、電流の導体として機能する。より一般的に言えば、この場合、温度Ｔ＞０Ｋを有する熱浴（heat bath）以外には、粒子をデバイス内に駆動する外力は必要ない。ただし、デバイスの１つに外部電圧または外部電流を印加することも可能である。以下に図示および説明する量子デバイスの例では、粒子は、自身の熱励起により移動する。さらに、以下に図示および説明する量子デバイスの例は、トポロジカルアイソレータ（topological isolator）に基づいていない、および／または、量子デバイスの機能にトポロジカルアイソレータが関与していない。

【0018】

以下では、本発明の一般的な原理について、図１Ａを参照しながら説明する。

【0019】

図１Ａは量子デバイス１０の上面図を示しており、量子デバイス１０は、第１の端子Ａおよび第２の端子Ｂ、ならびに、第１の端子と第２の端子の間に接続されている伝達構造、を備えている。伝達構造は２つの伝達経路１１，１２を備えており、伝達経路１１，１２それぞれは、例えば電子などの微細粒子を、少なくとも部分的に位相コヒーレントに、第１の端子から第２の端子に、および場合によっては第２の端子から第１の端子に、伝達するように構成されている。伝達構造の一部に関連して、特に伝達経路の少なくとも一方に関連して、粒子の伝達の時間反転対称性が破られ、この場合、伝達構造が、第２の端子から第１の端子への第２の方向に移動する粒子よりも、第１の端子から第２の端子への第１の方向に移動する粒子に対して、より高い伝達確率を有するように、時間反転対称性が破られる。

【0020】

一例によれば（可能な用途に関しておそらく最も興味深い例である）、微細粒子は電子である。この場合、第１および第２の端子（すなわちコンタクトリード）は、導電性材料（例えば金属または金属合金、あるいは（高濃度に）ドープされた半導体など）から作製されている。２つのコンタクトリードは、同じ材料から作製することができる。フェルミエネルギーまたはその付近の熱電子が、端子Ａおよび端子Ｂの両方から伝達経路に入る。

【0021】

伝達構造は、第１の端子と第２の端子との間に接続されている３つ以上の伝達経路を備えていてもよい。

【0022】

第１の伝達経路１１および第２の伝達経路１２は、等しい構造および等しい長さを有するように示してある。異なる構造および異なる長さの伝達経路を有するデバイスを構築することも可能である。

【0023】

上に示した伝達の非対称性を実現するためには、微細粒子が粒子波に関連付けられており、第１の端子および第２の端子の一方から粒子波が発せられるたびに、粒子波が、第１の方向に第１の伝達経路を伝播する部分波と第２の伝達経路を伝播する部分波とに分割され、第２の方向に第１の伝達経路を伝播する部分波と第２の伝達経路を伝播する部分波とに分割されることを理解することが重要である。第１の部分波は、ＡからＢの第１の方向に両方の伝達経路上を伝搬し、第２の端子Ｂで合流して互いに干渉し、第２の部分波は、ＢからＡの第２の方向に両方の伝達経路上を伝搬し、第１の端子Ａで合流して互いに干渉する。第１の部分波が第２の部分波よりも強め合うように干渉するときに、伝達の非対称性（電子の場合にはコンダクタンスの非対称性）に達することができる。理想的な場合、第１の部分波は完全に強め合うように干渉し、第２の部分波は互いを排除し、すなわち２つの伝達経路の場合、干渉しあう第１の部分波の間の位相差はπの偶数倍であり、干渉しあう第２の部分波の間の位相差はπの奇数倍である。

【0024】

上記のデバイスおよび本明細書に記載されている他のデバイスの基礎は、伝達構造の一部分に関連して、粒子の伝達の時間反転対称性が破られることである。より具体的には、図１Ａに描いた量子デバイスの例を考えると、伝達構造は、第１の端子と第２の端子との間に接続されている第１の伝達経路１１と、第１の端子と第２の端子との間に接続されている第２の伝達経路１２とを備えており、粒子の伝達の時間反転対称性が、第１の伝達経路１１において破られる。以下ではこの点についてさらに詳しく説明する。

【0025】

電子はそれぞれ、磁気モーメントに関連付けられるスピンを有する。時間反転対称性の破れは、基本的には、電子のスピン偏極を引き起こし（すなわち電子の磁気モーメントを第１の伝達方向において一方向に沿って部分的または完全に整列させ）、磁気モーメントの方向に垂直でありかつ第１の伝達経路における電子の伝達方向に垂直な向きにある成分を含む電界を印加することによって、達成することができる。部分的または完全なスピン偏極は、外部磁界によって引き起こすことができ、またはこれに代えて、部分的または完全に偏極した電子スピンを元来備えている物質（例えば特にハーフメタルまたは半金属）を使用することによって、もたらすことができる。しかしながら時間反転対称性の破れを、別の手段によって達成することもできる。例えば、グラフェンなどの２次元導体における２つの谷を占有する電子状態は、時間反転対称性の破れに関連付けられる（非特許文献９を参照）。

【0026】

第１の伝達経路１１は第１の材料Ｉを含み、第１の材料は、第１のスピン軌道結合強度α_１および第１の電子群速度ｖ_１を有し、第２の伝達経路１２は第２の材料ＩＩを含み、第２の材料は、第１のスピン軌道結合強度α_１とは異なる第２のスピン軌道結合強度α_２と、第１の電子群速度ｖ_１とは異なる第２の電子群速度ｖ_２を有する。

【0027】

以下では、上に説明した構造が、周知のラシュバ効果（非特許文献３を参照）を起こす（すなわちパラメータα_１，α_２がラシュバ（Ｒａｓｈｂａ）スピン軌道結合強度によって与えられる）ものと想定する。以下では、α_１＝α＞０、かつα_２＝０と想定する。最も単純なケースでは、第２の伝達経路１２の第２の材料ＩＩは、例えばＡｕ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属とすることができる。

【0028】

電子のラシュバハミルトニアン（Rashba Hamiltonian）は、次式によって与えられる。

【数1】

【0029】

【0030】

【数2】

等式（２）において、Ｅ_ｚは電界Ｅのｚ成分、ｃは光の速度である。

【0031】

【0032】

なお、完全なスピン偏極は必要ないことをここで述べておく。粒子の最終的な伝達方向を生み出す（したがってデバイスが機能する）ためには、わずか５１％～４９％（スピンアップ、スピンダウン）のスピン偏極率でも十分である。

【0033】

【0034】

【0035】

【数3】

かつ

【数4】

【0036】

【0037】

粒子のエネルギーに関連して起こりうる位相の変化を評価するため、等式（１）に対応する平面波動関数（planar wave function）を考える（説明を明瞭にするためゼーマン場を無視する）。

【数5】

【0038】

【0039】

電子の位相の変化を、従来の材料における波束の位相の変化に類似して記述できるものと想定すると、等式（３）および等式（４）から、Ａ（ｘ＝０）から出発して経路１１（経路Ｉ）上を移動してＢ（ｘ＝ｌ）に到着する電子の位相の変化が得られる。

【数6】

【0040】

Ｂから出発して経路１１上をＡまで移動する電子は、次式のように位相を変化させる。

【数7】

【0041】

次に、第２の伝達経路１２（経路ＩＩ）上を移動する波動関数を考える。本デバイスは、第２の伝達経路１２においてラシュバ効果が消えるように設計されている（例えばこの経路ではＥ＝０と設定することによる）。この場合、

【数8】

かつ

【数9】

【0042】

デバイスの長さｌは、ＡからＢまで２つの経路上を移動する電子がＢにおいて強め合うように自身と干渉するように選択される。

【数10】

ｎは整数である。これは次の場合に達成される。

【数11】

【0043】

ｌ＝ｌ’のデバイスでは、ＢからＡまで移動する電子の波の２つの部分が、以下の位相差を伴ってＡに到着する。

【数12】

【0044】

【0045】

結果として、ｌ＝ｌ’、Δυ＝α、かつΔυ≠０の場合、量子デバイス（電子の場合にはコンダクタンス）の透明性は、入ってくる粒子の方向に依存し、なぜなら元々ＢからＡまで移動する電子は反射されて端子Ｂからデバイス内に戻されるためであり、この場合に電子はデバイス内で散乱を受ける、および／または、端子Ａを介してデバイスから出る。

【0046】

なお、第１および第２の伝達経路の長さｌは、少なくとも部分的な位相コヒーレントな粒子の伝達が保証されるように選択されなければならないことを述べておく。このことは、実際には、長さｌが特定の材料における電子の一般的な非弾性散乱長より大幅には大きくないべきであることを意味する（一般的な散乱長は１００ｎｍのオーダーである）。

【0047】

ラシュバ結合を、別の形のスピン軌道結合に置き換えること、さらには、時間反転対称性を、スピン軌道結合以外の手段によって破ることも可能である。このような手段の例は、グラフェンなどの２次元導体において２つの谷を占有する電子状態（例えば時間反転対称性を破ることに関連付けられる）によって与えられる（非特許文献９を参照）。当業者には、時間不変対称性および時空不変対称性の破れ（breaking of time and space time invariance symmetries）を扱う関連する参考文献において、さらなる手段を容易に見つけることができるであろう。

【0048】

電界は、例えば材料内に適切に埋め込むことのできる、または元来存在し得るイオンまたは欠陥によって、第１の伝達経路の第１の材料において発生させることができる。

【0049】

なお、空間的に個別の２つの伝達経路を有する必要はないことをさらに述べておく。一体または単体の物体を提供することも可能である。このような物体は、互いに一体領域である２つの材料領域を備えることができる。さらに、２つの材料は同一であってもよく、なぜなら唯一必要なことは、第１の伝達経路においてラシュバ効果を作用させる（すなわち第１の伝達経路のみにおいて電界を印加し、第２の伝達経路では印加しない）ことであるためである。

【0050】

前にも説明したように、本発明は、原理的には、電子以外の粒子（例えば中性子などの中性の粒子）でも機能する。しかしながらラシュバ効果に基づく場合、粒子は磁気モーメントを持たなければならない。

【0051】

なお、ループまたはリングの孔の領域は、本デバイスの機能には関連せず、存在しなくてもよいことをさらに述べておく。重要なことは、粒子が移動するためのいくつかの経路が存在することである。

【0052】

磁界Ｂ_ａ中を移動する電子のホール効果に起因するアーチファクトは、例えばチャネルとして量子井戸内に存在する２次元の電子系を使用することによって、回避できる。このような例は図１Ｂに示してあり、図１Ｂは、第１の伝達経路および第２の伝達経路を切断した断面図を示している。図から理解できるように、第１の伝達経路は、従来の量子井戸の積層ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを備えており、ＧａＡｓ層に２次元電子系が存在する。なお、ラシュバ効果は、反転中心の存在しない材料においてのみ作用し、したがって量子井戸の場合、ＧａＡｓ量子井戸を囲むポテンシャルが非対称性である必要があり、このため量子井戸の両側に異なるＡｌＧａＡｓ材料が必要となることを述べておく。電界は、ＡｌＧａＡｓ層の一方に組み込まれたイオンまたは結晶欠陥によって発生させることができる。

【0053】

当然ながら、第１の伝達経路の第１の材料を、量子井戸の代わりにバルク材料から構成することもできる。

【0054】

なお、異なる量子デバイスを並列に動作させることも可能であることをさらに述べておく。例えば、第１の量子デバイスが、速度ｖ_１の遅い粒子をＡからＢに伝達するように構成されており、第１の量子デバイスに並列に接続されている第２の量子デバイスが、速度ｖ_２の速い粒子をＢからＡに伝達するように構成されている（ｖ_２＞ｖ_１）。

【0055】

量子デバイスの性能は、コンタクトから来る電子が、デバイスの性能に最適である速度で到着するように確保することによって、高めることができる。これは例えば、バンド構造が、所望の速度の多数の電子を提供するように、適切なバンド構造を有するコンタクト材料を使用することによって達成することができる。さらには、非対称性の導体を、速度フィルターと直列に動作させることができる。

【0056】

ラシュバ係数αがデバイス全体にわたり滑らかに変化するように、第１の伝達経路の第１の材料を構成することもできる。第１の材料が１本の経路より少ない領域をカバーすることも可能である。

【0057】

材料間の界面は、弾性的な電子伝達が可能であるようにする必要がある。理想的には、材料のバンド構造（分散関係）が、ほぼ一致しているべきである。界面は急激な界面である必要はない。これに代えて、トンネル接合を埋め込むことができる。

【0058】

すでに上に説明したように、第２の伝達経路が元素金属または合金金属を含むことが可能である。作製を容易にするため、この材料をコンタクトリードの材料と同一とすることができ、コンタクトリードと一体に形成することもでき、したがってデバイスは、２種類の材料（すなわち第１の伝達経路の第１の材料と、第２の伝達経路およびコンタクトリードの第２の材料）を含む。しかしながら、３種類以上の材料を使用することも可能である。例えばコンタクトリードを、第３の材料によって形成することができる。

【0059】

図５は、第１の態様に係る量子デバイスのさらなる例を示している。量子デバイス２０は、第１の伝達経路２１および第２の伝達経路２２を備えている。図１に示した量子デバイスの例では、第１の伝達経路１１のみがラシュバ効果を受け、第２の伝達経路はラシュバ効果を受けずに純粋な電気導体とすることができる。これとは対照的に図５の量子デバイス２０の例では、両方の伝達経路２１，２２がラシュバ効果を受け、ただし逆平行に受ける。これは、２つの逆平行な電界成分（第１の伝達経路２１に作用する第１の電界Ｅ_ａと、第２の伝達経路２２に作用する第２の電界Ｅ_－ａ）を印加することによって、達成することができ、この場合、両方の電界成分が伝達経路の平面に垂直な向きにあり、かつ互いに逆平行である。ｖおよびαの絶対値は、第１の伝達経路２１と第２の伝達経路２２とで等しくてもよい。結果は、デバイスの基底状態における循環電流Ｉ_ｃｉｒｃである。第１および第２の端子は図５には示していない。

【0060】

図６は、図６Ａおよび６Ｂを含み、第１の態様に係る量子デバイスのさらなる例を示している。

【0061】

図６Ａの量子デバイス３０は、第１の伝達経路３１および第２の伝達経路３２を備えている。図１～図５のラシュバベースのデバイスとは異なり、図６Ａに示した量子デバイス３０は、スピン偏極した粒子も、ラシュバ効果のようなスピン軌道結合も必要としない。代わりに図６Ａに示した量子デバイス３０は、第１および第２の伝達経路の平面に垂直な成分を少なくとも含む磁界Ｂ_ａと、第１の伝達経路および第２の伝達経路における電子の異なる速度ｖ_Ｉ，ｖ_ＩＩとを必要とする。さらに、電子の伝達に対する磁界Ｂ_ａのベクトルポテンシャルＡの影響（Ｂ＝ｒｏｔＡ）が、第１の伝達経路と第２の伝達経路とで異なるように、第１の伝達経路および第２の伝達経路の特性が異なっている必要がある。図６Ａは、ベクトルポテンシャルＡが第１の伝達経路３１における電子の移動にのみ影響し、第２の伝達経路３２における電子の移動には影響しないように材料が選択された、特殊な場合を示している。影響は、第１の伝達経路３１においては、両方向において電子の衝撃に係数ｑＡ／ｃ（ｑは電子電荷、ｃは光の速度）が加わるというものである。この係数は、ラシュバベースのデバイスにおけるラシュバ係数αに似ている。なお、周知のアハラノフーボーム効果（Aharonov-Bohm effect）におけるように、第１の伝達経路３１全体を通じて磁界Ｂ_ａを０とし得ることを付け加えておく。電子はベクトルポテンシャルＡの影響を受けさえすればよい。

【0062】

図６Ｂの量子デバイス４０は、第１の伝達経路４１および第２の伝達経路４２を備えている。この例では、ベクトルポテンシャルＡが両方の伝達経路における電子の移動に影響するように、第１の伝達経路の材料と第２の伝達経路の材料が同じである。しかしながら電界Ｖ_ｇが第２の伝達経路４２の一部に印加され、この電界は、ベクトルポテンシャルＡの影響が補正されると同時に速度がｖ_Ｉからｖ_ＩＩに変化する（したがって結果として、電子の衝撃に関して図６Ａのデバイス３０と同じ構造が提供される）ような値に、調整される。電界は、第２の伝達経路４２の両側に配置されたキャパシタプレートを備えたキャパシタによって、発生させることができる。

【0063】

なお、図６Ｂに示したようなデバイスは、固体として実施する必要はなく、したがって伝達経路も実体化する必要がないことをさらに述べておく。代わりに粒子は、自由空間（特に気体環境、さらには真空環境）の中を伝搬する。このようなデバイスは、実際に電界および磁界のみから構成される。このような干渉計は、例えば陽電子に対しても機能する。

【0064】

図７は、第１の態様に係る量子デバイスのさらなる例を示している。図７に示した量子デバイス５０は、導電性材料から作製されているリング５１を備えている。リング５１は、循環電流Ｉ_ｃｉｒｃがリング５１を流れるように磁界Ｂ_ａによって貫かれている。磁界Ｂ_ａは、リング５１の平面に垂直な向きにある成分である、またはそのような成分を含む。デバイス５０は、対向する位置においてリング５１に接続されている２本の導電性リード５２，５３をさらに備えている。電子の運動量の関数としてのリング５１における電子のエネルギーの依存関係は、運動量反転に関して非対称性である。したがってリード５２およびリード５３が、各リードが１つの運動量方向を優先的に調べるように取り付けられている場合、リング５１は非相反デバイスとして機能する。

【0065】

図８は、第１の態様に係る量子デバイスのさらなる例を示している。図８に示した量子デバイス６０は、本発明の原理に従って構築されている光子干渉計である。量子デバイス６０は、光学的方向異方性（optical directional anisotropy）を備えた材料をベースとしており、光学的方向異方性とは、例えば材料内の光の速度が、異なる光伝搬方向において異なり得ることを意味する。このような材料は、例えばマルチフェロイック材料であり、このような材料における光学的方向異方性は例えば非特許文献１０に記載されている。装置６０は、２つのビームスプリッター６１．１および６１．２を備えており、波長λ_ＩＩの光が２つの対向する側からこれらのビームスプリッターを通じて干渉計に入ることができる。デバイス６０は２つのミラー６２をさらに備えており、光はこれらのミラー６２で反射されて、それぞれビームスプリッター６１．１およびビームスプリッター６１．２に戻される（ビームスプリッター６１．１および６１．２を通って干渉計を出る光の部分はブロックされる）。ビーム経路は、ビームスプリッター６１．１とビームスプリッター６１．２の間の直通ラインのビーム経路を除き、真空中、または透明な材料内とすることができる。直通ラインのビーム経路は、光学的方向異方性を持つ材料内であり、すなわち光は、光ビームの方向に応じて異なる速度で伝搬し、この場合に材料内の光ビームの波長もλ_Ｉ，１およびλ_Ｉ，２に変化し、ただし光ビームの周波数は一定のままである。実際に、この材料の存在によって、このデバイスにおいて時間不変対称性が破られる。下から来る光はビームスプリッター６１．２によって２本のビームに分割され、そのうちの一方は材料の中を通り、他方はミラー６２によって反射され、これら２本のビームがビームスプリッター６１．１において干渉し、上から来る光にも同じことが起こり、光がビームスプリッター６１．１によって２本のビームに分割され、これらのビームがビームスプリッター６１．２において干渉する。例えば一方の方向から来る光が、別の方向から来る光よりもそれぞれのビームスプリッターにおいてより強め合うように干渉するように、光の経路の長さを選択することによって、材料の中ですれ違う光ビームの異なる速度を利用することができる。理想的な場合、一方の方向から来る光は完全に弱め合うように干渉し、したがって完全に遮断され、別の方向から来る光は完全に強め合うように干渉し、材料における光吸収による損失が生じるだけで干渉計を通過する。したがってビーム経路の長さが適切に選択される場合、このような干渉計は、干渉計の温度と比較して大きいエネルギーを有する光子用の非相反弁（non-reciprocal valve）として機能することができる。

【0066】

図９は、第１の態様に係る量子デバイスのさらなる例を示している。図９の量子デバイス７０は、図１の量子デバイス１０に類似しており、第１の端子Ａおよび第２の端子Ｂ、ならびに、第１の端子と第２の端子の間に接続されている第１の伝達経路７１および第２の伝達経路７２を備えている。図９の量子デバイス７０は、本質的に第１の伝達経路７１の構造において、図１の量子デバイス１０とは異なる。

【0067】

【0068】

【数13】

等式（１３）は、時間反転不変散乱ポテンシャル（time-reversal invariant scattering potentials）の相反定理から得られる（非特許文献５を参照）。したがって、電子が障壁を左から右に横切る確率が、時間を反転させたプロセスの確率とは異なる、すなわち、

【数14】

であるような散乱ポテンシャル（scattering potentials）を探すことが提案されている。

【0069】

このような障壁を横切るとき、電子は、右から障壁に近づく電子よりも高い確率で左から右に伝達され、したがって好ましい方向に物体を伝達するシステムの候補である。このことは、熱励起された電子にもあてはまる。

【0070】

さらなる可能な量子デバイスは、２つの経路の間の対称性が重力ポテンシャルＶ_Ｇ（ｒ）によって破られるように構築することができる。重力ポテンシャルは、例えば、伝達経路の一方に沿ってｙ方向に変化する（ｄＶ_Ｇ（ｒ）／ｄｙ≠０）ように構成される。このようなデバイスは、物質を半物質から区別する方向性薄膜（directional membrane）のように機能する。

【0071】

ここまでの説明は、主として本発明の基本ユニット（すなわち、第１の端子と第２の端子との間に接続されている２つ以上の伝達経路を備えた単一のリングまたはループ）を対象としている。以下では、実用的なデバイスのいくつかの例を提示し、各デバイスは、上に説明した複数の量子デバイスから構築されている。

【0072】

図１０は、複数の量子デバイス１１０が直列に互いに電気的に接続されている、量子デバイスのアレイ１００の例を示している。描いた例では、直列に接続された量子デバイス１１０の連鎖は、デバイス表面の利用可能な空間を最適に占有する目的で、蛇行形状を備えている。量子デバイス１１０は、互いに同一とすることができ、通常かつ周知の製造技術によって作製することができる。量子デバイス１１０のそれぞれにおいて、上に説明したように自己作用式に電流が流れ、したがってデバイスを流れる全電流は、１つの量子デバイス１１０を流れる単一電流に、量子デバイス１１０の総数を乗じた値に一致する。１つの量子デバイスの経路長ｌが一般には１００ｎｍ以下のオーダーであることを念頭に置き、例えば１ｃｍのデバイス縁部長さを想定すると、直列に接続された量子デバイスの総数は、１０^１０個のオーダー、場合によってはそれ以上となり得る。なお、量子コヒーレンスは、１つの量子デバイス１１０それぞれの中で要求されるのみであり、いくつかの直列に接続された量子デバイス、あるいは直列に接続された量子デバイスの連鎖全体においては要求されないことをさらに述べておく。

【0073】

図１１は、図１１Ａおよび図１１Ｂを含み、量子デバイスを電気的に相互接続するさらなる２つの例を示している。

【0074】

図１１Ａは、複数の量子デバイス２１０が並列に互いに電気的に接続されているデバイス２００を示している。

【0075】

図１１Ｂは、複数の量子デバイス３１０が並列および直列に互いに電気的に接続されているデバイス３００を示している。

【0076】

以下では、量子デバイス、または量子デバイスのアレイによってどのように電力を発生させることができるかを示す目的で、２つの単純な例を説明する。

【0077】

図１２は、図１２Ａおよび図１２Ｂを含む。図１２Ａは、電流発生器４１０を備えた電気回路４００を描いており、電流発生器４１０は、原理的には、図１～図９の１つにおいて上述した単一の量子デバイスとすることができ、実際には、例えば図１０または図１１において上述した量子デバイスのアレイである。電気回路４００は、負荷４２０（例えばランプとすることができる）をさらに備えている。電流発生器４１０は電流Ｉ_０を発生させ、電流Ｉ_０は、自己作用式に電気回路４００を流れ、したがって負荷４２０に送り込まれる。

【0078】

図１２Ｂは、電圧発生器５１０によって蓄積された電圧を利用するように構成されている電気回路５００の別の例を示している。電圧発生器５１０は、原理的には、図１～図９において説明した量子デバイス１０～６０の１つとすることができ、実際には、例えば図１０または図１１において上述した量子デバイスのアレイ１００～３００である。電気回路５００は、充電することのできるキャパシタ５２０をさらに備えていることができる。電気回路５００は、２つのスイッチ５３０をさらに備えていることができ、これらのスイッチ５３０は、電圧発生器５１０をキャパシタ５２０に周期的に接続する目的で、周期的に開閉することができる。電圧発生器５１０の中を自己作用式に電流が流れることによって電圧Ｕ_０が蓄積され、電圧Ｕ_０はやがて飽和するもの予測される。次に、蓄積した電荷をキャパシタ５２０に移す目的で、スイッチ５３０を閉じることができる。その後、スイッチ５３０を再び開き、したがって電圧の蓄積が再び開始される。キャパシタ５２０の静電容量の上限に達するまで、これらの動作を何度か繰り返すことができる。これに代えて、スイッチ５３０を省き、キャパシタ５２０を１回で完全に充電することも可能である。当然ながら、電圧発生器５１０の蓄積した電圧を別の目的に使用することもできる。

【0079】

なお、第１の態様に係る量子デバイスは、指向性の導通特性により、量子計算などの信号・データ処理における装置または装置要素に適していることにさらに留意されたい。これらの装置または装置要素では、入力チャネルからデバイスに信号を導くことができる一方で、出力からの望ましくないフィードバックから入力が分離される（これは増幅装置および論理ゲートにとっての重要な要件である）。

【0080】

さらに、上述した量子デバイスおよび電気回路は、温度Ｔ＞０Ｋを有する周囲媒体においてのみ機能できることを述べておく。このような媒体は、固体、液体、または気体とすることができ、量子デバイスの熱浴を形成する。量子デバイスは熱浴から熱エネルギーを取り出し、その熱エネルギーを、上述したように非対称の電流の流れに変換する。粒子は、その熱励起に起因して移動する。量子デバイスはＴ＝０では機能せず、なぜならこの場合、エネルギー保存則に違反するためである。しかしながら本デバイスは、周囲温度より低い温度、または同じ温度において動作できることをさらに述べておく。

【0081】

ここまで本発明について、１つまたは複数の実施形態に関連して図解および説明してきたが、図解した例には、添付の請求項の趣旨および範囲から逸脱することなく、置き換えおよび／または修正を行うことができる。特に、上述した要素または構造（アセンブリ、装置、回路、システムなど）によって実行されるさまざまな機能に関連して、そのような要素を説明するために使用されている用語（「手段」の言及を含む）は、特に明記しない限り、説明した要素の指定されている機能を実行する任意の（例えば機能的に等価である）要素または構造に対応するように意図されており、このことは、たとえ本明細書に説明されている本発明の例示的な実装形態においてこれらの機能を実行する開示された構造に構造的に等価ではない場合であっても、あてはまる。

【図1A-1B】

【図2A-2C】

【図3A-3B】

【図4A-4B】

【図5】

【図6A-6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A-11B】

【図12A-12B】