JP3540935B2 - Improved logical unit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、向上した論理装置に関するものである。本発明の向上した論理装置は、以下スピン系と称する相互作用又は非相互作用スピン−1/2の集合の磁気共鳴に基づく高速論理の実現を提供する。このような高速論理装置は、新規のスピンコンピュータ又は混成スピンコンピュータの主な特徴を形成する。
【0002】
【従来の技術】
基本的なレベルでは、論理システムは、実質的には双状態スイッチのアレイに基づくものである。従来の論理装置はシリコン半導体技術に基づくものである。システムの2状態は、「ハイ」状態及び「ロー」状態と称され、これらは通常5Vの電圧及び0Vの電圧にそれぞれ対応する。
【0003】
コンピュータは、図1に図示した論理システムに基づくものであり、演算論理装置1、中央処理装置2及びメモリ3を具える。メモリ3は、演算論理装置1で動作するに当たり、中央処理装置2によって迅速にアクセスすることができる情報を「記憶」するように作用する。近年のコンピュータメモリは、通常、「揮発性」のダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)として実現され、この場合、メモリセルは周期的にリフレッシュされる。一般的なコンピュータは、データが「直列に」処理される装置である。「並列な」アーキテクチャも非常に関心があり、その結果、著しく速い動作速度となる。並列アーキテクチャは、現在では半導体−コンピュータに基づくノードのアレイに基づいて実現される。
【0004】
半導体に基づく論理及びコンピュータシステムにおける複数の開発は別にして、主に分子スイッチに基づく「分子用コンピュータ」が、あり得る特定の用途に対する代案として近年開発されている。特に、「蛋白質用コンピュータ」及び「DNA用コンピュータ」が、最近の多数の研究から特に大きな関心が寄せられている。ここでは、これらのような他のアーキテクチャの開発によって、現在考察することができない用途さえも導きうると言及することができる。
【0005】
L.M.Adleman (Science 266, 1021, 1994) ,R.J.Lipton (Science, 268, 542, 1995) 及びR.R.Birge (Scientific American, 272, 66, 1995)によって報告されているように、二分子用コンピュータの開発における現在の甚大な努力は、特にバクテリオロドプシンを用いた蛋白質用コンピュータに向けられており、最近ではむしろDNA用コンピュータに向けられている。
【0006】
分子用コンピュータにおいて、情報は分子切替中に記憶され、これは、分子結合エネルギー及び相互作用エネルギーの目安のエネルギー量を要求する分子結合を形成し、切り離し又は再配向することを意味する。論理装置の再使用可能は、通常のシリコン装置のものに比べて著しく短い。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
各スピンエコーの発見から5年後、Proctor 等(Journal of Applied Physics,26, 170, 1955) 及びHahn等(Journal of Applied Physics, 26, 1324 1955: Scientific American, 251, 42,1984)は、記憶装置として各スピン系のあり得る用途を提示した。これは、スピン系の線形応答管理中に「登録」された一連の事象をスピンエコーによって逆の順序で又は刺激(stimulated)されたエコーによって通常の順番で呼び出されるエコー現象を採用する。多分これは比較的低速な装置であるという理由で、これに関する他の開発はこれまで報告されていない。各スピン系を用いるこのような記憶装置のブロック図を図2に示す。図2において、4はRF(共鳴周波数)源を示し、5は変調装置/ドライバを示し、6はパルサを示し、7はパワーアンプを示し、8はプリアンプ/レシーバを示し、9はオシロスコープを示し、10は磁石の極を示し、11はプローブを示す。
【0008】
本発明の目的は、論理装置/記憶ユニットとしてスピン系を利用する向上した論理装置を提供することである。
【0009】
本発明の他の目的は、分子用コンピュータに比べて情報を記憶し及び読み出すエネルギーを減少させることである。
【0010】
本発明の更に別の目的は、一般的な分子用コンピュータに比べて再使用可能性(寿命)を増大させることである。
【0011】
本発明の更に別の目的は、情報の記憶及び処理を単一装置に統合し、混成半導体兼スピンコンピュータの開発における主な特徴として作用することができるようにすることである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明による向上した論理装置は、連続波形(CW)RF出力を有する共鳴無線周波数(RF)源を具え、このCW RF出力を、直流ゲーティングパルスを発生させるパルサに接続した変調装置/ドライバに供給し、その結果得られたRFパルスをパワーアンプに接続し、前記パワーアンプの出力部を、磁界の中心のスピン系を収容するプローブヘッドに接続し、このプローブヘッドの出力部を、前記RF源から基準入力を得るプリアンプ/レシーバに接続し、前記プリアンプ/レシーバの出力部を、アナログ−デジタルコンバータを通じて、タイミング及びパフォーマンス制御を行うことができる通常のコンピュータ装置に接続し、前記プローブの他の入力部を、前記スピン系の記憶素子をアドレス指定する直交勾配パルスを発生させることができる勾配制御ユニットに接続することを特徴とするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
図3において、12はRF源を示し、これを、一般的な固定周波数又は可変周波数発振器又はシンセサイザとすることができる。これは、所定の周波数で連続波形(CW)RF出力を発生させる。
【0014】
13は変調装置/ドライバを示し、これは、19からの直流ゲーティングパルスによって12からのCW RF入力を変調することによって要求されるRFパルスを発生させるとともに、それをパワー増幅のために緩衝する。
【0015】
14はパワーアンプを示し、これは、13からのRFパルスを増幅し、その出力部に可変コンピュータ制御された減衰器を有する。
【0016】
15はプリアンプ/レシーバを示し、これは、12からの基準信号を基準にして18からのアナログ信号を受信し、増幅し及び位相検出する。
【0017】
16はアナログ−デジタルコンバータ(ADC)を示し、これは、15のアナログ出力をデジタルデータに変換する高速かつ高分解能ユニットである。
【0018】
17は磁石の極を示し、これは、スピン系の双安定状態をセットアップする。
【0019】
18はプローブヘッドを示し、これは、一つ以上の共鳴周波数に同調した一つ以上の無線周波数(R.F.)コイルによってスピン系を包囲する磁界の中心にスピン系を収容し、14からのRFパワーを伝送するとともに15に信号のルーティングを行う。
【0020】
19はパルサを表し、これは、ハードウェアで直接発生させることによって又はソフトウェア制御の下で要求される直流ゲーティングパルスパターンを発生させる。
【0021】
20は標準的なコンピュータ装置を示し、これは、ハードウェアの残りのリセットのタイミング及びパフォーマンスを制御する。
【0022】
図4において、21は、RF源を示し、これを、一般的な固定周波数又は可変周波数発振器又はシンセサイザとすることができる。これは、所定の周波数で連続波形(CW)RF出力を発生させる。
【0023】
22は変調装置/ドライバを示し、これは、21からの直流ゲーティングパルスによって29からのCW RF入力を変調することによって要求されるRFパルスを発生させるとともに、それをパワー増幅のために緩衝する。
【0024】
23はパワーアンプを示し、これは、22からのRFパルスを増幅し、その出力部に可変コンピュータ制御された減衰器を有する。
【0025】
24はプリアンプ/レシーバを示し、これは、27からの基準信号を基準にして21からのアナログ信号を受信し、増幅し及び位相検出する。
【0026】
25はアナログ−デジタルコンバータ(ADC)を示し、これは、24のアナログ出力をデジタルデータに変換する高速かつ高分解能ユニットである。
【0027】
26は磁石の極を示し、これは、スピン系の双安定状態をセットアップする。
【0028】
27はプローブヘッドを示し、これは、一つ以上の共鳴周波数に同調した一つ以上の無線周波数コイルによってスピン系を包囲する磁界の中心にスピン系を収容し、23からのRFパワーを伝送するとともに24に信号のルーティングを行うとともに、勾配コイルと共同して28の制御の下で磁界勾配を発生させる。
【0029】
28は勾配制御ユニットを示し、これによって、スピン系の「記憶素子」をアドレス指定する際に三つの直交する勾配パターンの任意の結合をセットアップし及び放出することができる。
【0030】
29はパルサを表し、これは、ハードウェアで直接発生させることによって又はソフトウェア制御の下で要求される直流ゲーティングパルスパターンを発生させる。
【0031】
30は標準的なコンピュータ装置を示し、これは、ハードウェアの残りのリセットのタイミング及びパフォーマンスを制御する。
【0032】
本発明は、
a) 磁界中に十分長い緩和時間を有し、双安定状態を提供するスピン系と、
b) 磁気共鳴励起及び検出を用いてシステムが双安定状態にアクセスすることができるプローブヘッド、コンソール及びレシーバと、
c) スピン系の個別のメモリ「セル」の「アドレス指定」を許容する磁界勾配からなる向上した論理装置を提供する。
【0033】
したがって、本発明は、連続波形(CW)RF出力を有する共鳴無線周波数(RF)源を具え、このCW RF出力を、直流ゲーティングパルスを発生させるパルサ(29)に接続した変調装置/ドライバ(22)に供給し、その結果得られたRFパルスをパワーアンプ(23)に接続し、前記パワーアンプの出力部を、磁界(26)の中心のスピン系を収容するプローブヘッド(27)に接続し、このプローブヘッド(27)の出力部を、前記RF源(12)から基準入力を得るプリアンプ/レシーバに接続し、前記プリアンプ/レシーバ(24)の出力部を、アナログ−デジタルコンバータ(ADC)を通じて、タイミング及びパフォーマンス制御を行うことができる通常のコンピュータ装置(30)に接続し、前記プローブ(27)の他の入力部を、前記スピン系の記憶素子をアドレス指定する直交勾配パルスを発生させることができる勾配制御ユニット(28)に接続することを特徴とする向上した論理装置を提供する。
【0034】
本発明の実施の形態において、本発明に用いられるスピン系は、最大1MHzのESR(電子スピン共鳴)線幅及び/又は最大1MHzのENDOR(電子核二重共鳴)線幅及び/又は最大1MHzのNMR線幅を有することができる。
【0035】
本発明の他の実施の形態において、外部磁界を、永久磁石、電磁石、超伝導電磁石又は超伝導電磁石のフリンジ磁界によって発生させる。このスピン系は、プローブヘッドとしても既知のプローブから取り出し、一つ以上の共鳴周波数に同調され、外部磁界に配置される。システムは、この状況の下で、各スピンが二つのあり得るスピン配向−上向き及び下向きの半分を有する双安定状態のシステムとして振る舞う。「上向き」スピン状態を論理レベル「ハイ」と称するのに対して、他方、すなわち、「下向き」スピン状態を論理レベル「ロー」と称する。
【0036】
データは、スピンの配向を制御することによって「書き込まれ」、これは、磁界パルス、共鳴RFパルス又はマイクロ波パルスの印加又は一様でない磁界の通過のような適切な手段によって適切なシステムコンソールを用いて制御される。データ、すなわち、スピンの配向状態は、以前の方法のうちの任意のものを適用することによって又は超伝導量子干渉計(SQUID)によって再び読み出される。共鳴パルスを用いることによって電子スピン配向を書込み又は読み出すのに要求されるタイムスケールは、1〜10nsの目安である。
【0037】
共鳴RFパルスを用いて、放射のバーストが適切な「共鳴」周波数v0 のときにスピンの配向を変更させることができる。この共鳴周波数は、以下の式
2v0 =νB0
によって加えられる磁界B0 の強度に関して与えられる。ここで、νを磁気回転比とし、これは特定のスピン系に対して一定である。
【0038】
図3及び4に図示したシステムコンソールは、安定した固定周波数RF源を具え、その出力は、パルサの直流パルス出力によってゲートされた変調装置に供給される。RF源の動作の周波数は、プローブが配置された磁界の強度及び論理装置に用いられるスピン系の同一性によって決定される。磁界の強度を、図3及び4の極によって示す。変調装置/ドライバの出力を、その出力部に可変のコンピュータ制御された減衰器を有するパワーアンプに供給する。パルサを、簡単な標準的な有線装置とし、又は、後に論理形態で説明するような複雑な励起/検出パルスの自動化された実行を許容するコンピュータによって励起された複雑な標準的な装置とする。この増幅器からのRFパルス出力は、単一コイル又は交差コイル励起/検出プーロブヘッドに供給され、このプローブヘッドは、スピン系を収容するとともに磁界中に配置される。プローブヘッドからの信号出力は、位相検知広帯域レシーバに供給され、その復調された出力は、高速(約10MHz)のデジタイザ又は300MHz〜2GHzの範囲のサンプリング周波数を有する信号サンプラによってサンプルされ、最後にコンピュータ/周辺装置に記憶される。
【0039】
以下の基本的なパルス回転形態は、熱平衡中にスピン系を用いて開始するデータ「書込み」中に用いられる。スピン系は、双安定系の特定の論理状態の確立に対応して、長手方向軸線のスピンを磁界に対して平行又は反平行に所定の角度回転する。
【0040】
他の180°の回転は、他の論理状態の回転に対応する。これは、既に説明した共鳴手段によって達成される。
【0041】
それに対して、データを「読み出す」ために、以下のパルス回転形態を用いる必要がある。
【0042】
スピンは、交差面に「傾斜され」、自由誘導減衰(FID)の「開始」点は、1ns〜100msの範囲の時間注にサンプルされ、パルス回転を反転することによって元の状態に再配向される。
【0043】
結果的に得られるFIDの「開始点」の「極性」は、関連の情報を有する。
【0044】
既に説明したような「読出し」手順は、系の論理状態を変更しない「読出し」動作に対応するスピンの初期状態の回復で終了する。
【0045】
プローブヘッドからの信号は、パルス検知レシーバ及び高速信号サンプラによって検出され及び復調される。これは、「データ」の読出し方法である。プローブヘッドは、x,y及びz方向と称される三つの相互に直交する方向の任意の組合せでサンプルに対して所望のパルス/一定の磁界勾配を加える磁界内に配置され、その結果、メモリアドレス指定が可能になる。パルス形成機能を有するRFパワーアンプを、アドレス指定のために任意に用いる。論理形態の実現を、スピンのパルス回転の所望のパターンを発生させるパルサ及び変調装置を用いた共鳴RFの適切な変調手段によって達成する。
【0046】
以下の例を、本発明によって与えるが、これらは本発明の範囲を制限するものではない。
【0047】
例 1
導電性ポリマとして、ヘキサフルオリン酸フルオランテンの結晶を、スピン系として選択する。このポリマは、狭い(20KHz)ESR線幅を有する耐久性のある常磁性の種類のものである。それは、長い電子スピン「緩和時間」である。このポリマサンプルを、プローブヘッドに取り出し、可変磁界電磁石の磁界に配置して電子スピン共鳴状態をセットアップする。磁石は、0.0107Tの公称磁界強度で作動し、これは、300MHzの電子スピン共鳴周波数に対応する。電磁石の電源の電流安定性を約1ppmとし、それに対して1cm2 に亘る磁界の一様性を約10〜20ppmとする。スピン系の共鳴励起を、システムデカプラの低電力出力チャネルによる低電力励起を用いたブルカ(Bruker)社のMSL300 P FT NMR分光計によって実行し、アッセンブラレベルプログラミングを用いて、あり得る最小パルス持続時間(約400〜500ns)を発生させる。パルス振幅はこの一定のパルス持続時間で変動されて、種々の所望の傾斜(「フリップ」)角にする。スピン共鳴は、10MHzデジタイザを用いて捕獲される。以下の基本的なパルス回転形式は、データ「書込み」中に用いられ、熱平衡中にスピン系で開始する。
論理状態「0」に対応する360°パルス回転
論理状態「1」に対応する180°パルス回転
それに対して、データを読み出すために、以下のパルス回転形式を用いる。
結果的に得られるFIDの「開始点」の「極性」は、関連の情報、例えば、
論理状態「0」に対応する’+ve’極性
論理状態「1」に対応する’−ve’極性
【0048】
上記装置を用いることによって、1ビットの情報を記憶し、その後読み出すことができる。
【0049】
例 2
水、すなわち、狭い(3Hz)のNMR(核磁気共鳴)の線幅を有する反磁性の種類のものをスピン系として選択する。それも、長い核スピン「緩和時間」の特性を保持する。このサンプルをプローブヘッドに取り出し、7Tの強度の固定された磁界の超伝導電磁石の磁界に配置して、300MHzの核磁気スピン共鳴をセットアップする。1cm3 の磁界の一様性を約0.01ppmとする。スピン系の共鳴励起を、システムデカプラの低電力出力チャネルによる低電力励起を用いたブルカ社のMSL 300 P FT NMR分光計によって実行し、アッセンブラレベルプログラミングを用いて、あり得る最小パルス持続時間(約128μs)を発生させる。パルス振幅はこの一定のパルス持続時間で変動されて、種々の所望の傾斜(「フリップ」)角にする。スピン共鳴は、125KHzデジタイザを用いて捕獲される。以下の基本的なパルス回転形式は、データ「書込み」中に用いられ、熱平衡中にスピン系で開始する。
論理状態「0」に対応する360°パルス回転
論理状態「1」に対応する180°パルス回転
それに対して、データを読み出すために、以下のパルス回転形式を用いる。
結果的に得られるFIDの「開始点」の「極性」は、関連の情報、例えば、
論理状態「0」に対応する’+ve’極性
論理状態「1」に対応する’−ve’極性
【0050】
上記装置を用いることによって、1ビットの情報を記憶し、その後読み出すことができる。
【0051】
アドレス指定を、0.0007Tcm−1の振幅勾配の勾配増幅システムを用いたプローブヘッドで発生させたパルス磁界勾配を用いて行う。
【0052】
例 3
固体ポリメタクリル酸メチルの陽子(PMMA)をスピン系として選択する。PMMAをプローブヘッドに取り出し、約2.75Tのフリンジ磁界強度の固定された磁界の超伝導電磁石の磁界のフリンジに配置して、118MHzの核磁気スピン共鳴状態にセットアップする。磁界の一様性は約30Tm−1に対応する。
【0053】
システム系の共鳴励起を、システムの高電力の送信ユニットによる高電力励起を用いたブルカー社のMSL 300 P FT NMR分光計コンソールで実行し、アッセンブラレベルプログラミングを用いて約400〜500nsのあり得る最小パルス持続時間を発生させる。パルス振幅をこの一定のパルス持続時間で変動させて、種々の所望の傾斜(「フリップ」)角にする。スピン共鳴は、125KHz/10MHzデジタイザによって捕獲される。
【0054】
以下の基本的なパルス回転形式は、データ「書込み」中に用いられ、熱平衡中にスピン系で開始する。
論理状態「0」に対応する360°パルス回転
論理状態「1」に対応する180°パルス回転
それに対して、データを読み出すために、以下のパルス回転形式を用いる。
結果的に得られるFIDの「開始点」の「極性」は、関連の情報、例えば、
論理状態「0」に対応する’+ve’極性
論理状態「1」に対応する’−ve’極性
【0055】
上記装置を用いることによって、1ビットの情報を記憶し、その後読み出すことができる。
【0056】
本発明の向上した論理装置の主な利点は次の通りである。
1.装置は、スピン系のパルス回転によって規定されたデータを「書き込み」すなわち「記憶し」及び「読み出す」ことができる。
2.スピン記憶装置の順次記憶装置と異なり、メモリのアクセスが任意及び/又は並列モードで可能となる。
3.標準的な分子用システムに比べてより高い再使用可能性となる。
4.情報の記憶及び処理の統合が可能となる。
5.固有の並列処理が可能となる。
6.分子用コンピュータと異なり、半スピン系は完全な双安定システムとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】標準的な半導体に基づくコンピュータのブロック図である。
【図2】スピンエコー及び刺激されたエコーを発生させる標準的な磁気共鳴装置を示す図である。
【図3】アドレス指定機能のない本発明の装置の一実施の形態のブロック図である。
【図4】メモリアドレス指定機能のある本発明の向上した論理装置の他の実施の形態のブロック図である。
【符号の説明】
1 演算論理装置
2 中央処理装置
3 メモリ
4,12,21 RF源
5,13,22 変調装置/ドライバ
6,19,29 パルサ
7,14,23 パワーアンプ
8,15,24 プリアンプ/レシーバ
9 オシロスコープ
10,17,26 磁石の極
11 プローブ
16,25 アナログ−デジタルコンバータ
18,27 プローブヘッド
20,30 コンピュータ装置
28 勾配コイル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improved logic device. The improved logic device of the present invention provides an implementation of fast logic based on magnetic resonance of a set of interacting or non-interacting spin-1 / 2, hereinafter referred to as a spin system. Such a high speed logic device forms the main feature of a novel spin computer or a hybrid spin computer.
[0002]
[Prior art]
At a basic level, the logic system is essentially based on an array of bi-state switches. Conventional logic devices are based on silicon semiconductor technology. The two states of the system are referred to as the “high” state and the “low” state, which usually correspond to a voltage of 5V and a voltage of 0V, respectively.
[0003]
The computer is based on the logic system shown in FIG. 1 and includes an arithmetic logic unit 1, a
[0004]
Apart from several developments in semiconductor-based logic and computer systems, “molecular computers”, mainly based on molecular switches, have recently been developed as an alternative to the possible specific applications. In particular, “computers for proteins” and “computers for DNA” are of particular interest from many recent studies. It can be mentioned here that the development of other architectures such as these can lead to applications that cannot currently be considered.
[0005]
L. M.M. Adleman (Science 266, 1021, 1994), R.A. J. et al. Lipton (Science, 268, 542, 1995) and R.C. R. As reported by Birge (Scientific American, 272, 66, 1995), the current tremendous efforts in the development of bimolecular computers have been directed specifically to protein computers using bacteriorhodopsin. Rather it is aimed at DNA computers.
[0006]
In a molecular computer, information is stored during molecular switching, which means that molecular bonds that require a measure of the amount of molecular binding energy and interaction energy are formed, detached or reoriented. The reusability of a logic device is significantly shorter than that of a normal silicon device.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Five years after the discovery of each spin echo, Proctor et al. (Journal of Applied Physics, 26, 170, 1955) and Hahn et al. (Journal of Applied Physics, 26, 1324 1955: Scientific 42A, Memory 42). The possible uses of each spin system as a device were presented. This employs an echo phenomenon in which a series of events “registered” during the linear response management of a spin system are called in reverse order by a spin echo or in a normal order by a stimulated echo. No other development has been reported so far, perhaps because it is a relatively slow device. A block diagram of such a storage device using each spin system is shown in FIG. In FIG. 2, 4 indicates an RF (resonance frequency) source, 5 indicates a modulator / driver, 6 indicates a pulser, 7 indicates a power amplifier, 8 indicates a preamplifier / receiver, and 9 indicates an oscilloscope. 10 indicates a pole of the magnet, and 11 indicates a probe.
[0008]
It is an object of the present invention to provide an improved logic device that utilizes a spin system as a logic device / storage unit.
[0009]
Another object of the present invention is to reduce the energy to store and retrieve information compared to molecular computers.
[0010]
Yet another object of the present invention is to increase reusability (lifetime) compared to common molecular computers.
[0011]
Yet another object of the present invention is to integrate information storage and processing into a single device so that it can serve as a key feature in the development of hybrid semiconductor and spin computers.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
An improved logic device according to the present invention comprises a resonant radio frequency (RF) source having a continuous waveform (CW) RF output, and this CW RF output is connected to a modulator / driver connected to a pulser that generates a DC gating pulse. And the resulting RF pulse is connected to a power amplifier, the output of the power amplifier is connected to a probe head containing a spin system at the center of the magnetic field, and the output of the probe head is connected to the RF amplifier A preamplifier / receiver that obtains a reference input from a source, and the output of the preamplifier / receiver is connected to a normal computer device capable of timing and performance control through an analog-to-digital converter; The input may generate an orthogonal gradient pulse that addresses the spin-based storage element. It connects to the gradient control unit which can be.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In FIG. 3,
[0014]
13 represents a modulator / driver that generates the required RF pulse by modulating the CW RF input from 12 with the DC gating pulse from 19 and buffers it for power amplification. .
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
17 shows the pole of the magnet, which sets up the bistable state of the spin system.
[0019]
[0020]
19 represents a pulsar, which generates the DC gating pulse pattern required by generating directly in hardware or under software control.
[0021]
[0022]
In FIG. 4, 21 denotes an RF source, which can be a typical fixed frequency or variable frequency oscillator or synthesizer. This generates a continuous waveform (CW) RF output at a predetermined frequency.
[0023]
22 shows the modulator / driver, which generates the required RF pulse by modulating the CW RF input from 29 with the DC gating pulse from 21 and buffers it for power amplification .
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
26 shows the pole of the magnet, which sets up the bistable state of the spin system.
[0028]
[0029]
[0030]
29 represents a pulsar, which generates the DC gating pulse pattern required by generating directly in hardware or under software control.
[0031]
[0032]
The present invention
a) a spin system having a sufficiently long relaxation time in a magnetic field and providing a bistable state;
b) a probe head, console and receiver that allow the system to access the bistable state using magnetic resonance excitation and detection;
c) To provide an improved logic device comprising a magnetic field gradient that allows “addressing” of individual memory “cells” of the spin system.
[0033]
Accordingly, the present invention provides a modulator / driver comprising a resonant radio frequency (RF) source having a continuous waveform (CW) RF output and connecting this CW RF output to a pulser (29) for generating a DC gating pulse. 22), and the resulting RF pulse is connected to a power amplifier (23), and the output of the power amplifier is connected to a probe head (27) that houses the spin system at the center of the magnetic field (26). The output part of the probe head (27) is connected to a preamplifier / receiver that obtains a reference input from the RF source (12), and the output part of the preamplifier / receiver (24) is connected to an analog-digital converter (ADC). Connected to a normal computer device (30) capable of controlling timing and performance through the probe (27) An improved logic device is provided, characterized in that the input is connected to a gradient control unit (28) capable of generating orthogonal gradient pulses addressing the spin-based storage elements.
[0034]
In an embodiment of the present invention, the spin system used in the present invention has an ESR (electron spin resonance) line width of up to 1 MHz and / or an ENDOR (electron nuclear double resonance) line width of up to 1 MHz and / or a maximum of 1 MHz. It can have an NMR line width.
[0035]
In another embodiment of the invention, the external magnetic field is generated by a fringing magnetic field of a permanent magnet, electromagnet, superconducting electromagnet or superconducting electromagnet. This spin system is taken from a probe, also known as a probe head, tuned to one or more resonance frequencies and placed in an external magnetic field. Under this circumstance, the system behaves as a bistable system where each spin has two possible spin orientations—up and down halves. The “up” spin state is referred to as logic level “high” while the other, ie, the “down” spin state is referred to as logic level “low”.
[0036]
Data is “written” by controlling the orientation of the spin, which can be done by appropriate means such as application of a magnetic field pulse, resonant RF pulse or microwave pulse or the passage of a non-uniform magnetic field. Controlled. The data, ie the spin orientation, is read again by applying any of the previous methods or by a superconducting quantum interferometer (SQUID). The time scale required to write or read the electron spin orientation by using a resonant pulse is a measure of 1 to 10 ns.
[0037]
Resonant RF pulses can be used to change the orientation of the spin when the burst of radiation is at the appropriate “resonance” frequency v 0 . This resonance frequency is expressed by the following equation 2v 0 = νB 0
Given in terms intensity of the magnetic field B 0 applied by. Here, ν is a gyromagnetic ratio, which is constant for a specific spin system.
[0038]
The system console illustrated in FIGS. 3 and 4 comprises a stable fixed frequency RF source whose output is fed to a modulator gated by the DC pulse output of the pulsar. The frequency of operation of the RF source is determined by the strength of the magnetic field in which the probe is located and the identity of the spin system used in the logic device. The strength of the magnetic field is indicated by the poles in FIGS. The output of the modulator / driver is supplied to a power amplifier having a variable computer controlled attenuator at its output. The pulser can be a simple standard wired device, or a complex standard device excited by a computer that allows automated execution of complex excitation / detection pulses as will be described later in logical form. The RF pulse output from this amplifier is fed to a single coil or cross coil excitation / detection probe head, which houses the spin system and is placed in a magnetic field. The signal output from the probe head is fed to a phase sensitive broadband receiver, whose demodulated output is sampled by a high speed (about 10 MHz) digitizer or signal sampler having a sampling frequency in the range of 300 MHz to 2 GHz, and finally a computer / Stored in peripheral device.
[0039]
The following basic pulse rotation forms are used during data “writing” starting with the spin system during thermal equilibrium. The spin system rotates the spin of the longitudinal axis by a predetermined angle parallel or anti-parallel to the magnetic field in response to the establishment of a specific logic state of the bistable system.
[0040]
Other 180 ° rotations correspond to rotations of other logic states. This is achieved by the resonance means already described.
[0041]
On the other hand, in order to “read” data, it is necessary to use the following pulse rotation mode.
[0042]
The spin is “tilted” in the cross plane, and the “start” point of free induction decay (FID) is sampled at a time note ranging from 1 ns to 100 ms and reoriented to its original state by reversing the pulse rotation. The
[0043]
The “polarity” of the “starting point” of the resulting FID has relevant information.
[0044]
The “read” procedure as described above ends with the recovery of the initial spin state corresponding to a “read” operation that does not change the logical state of the system.
[0045]
The signal from the probe head is detected and demodulated by a pulse detection receiver and a high speed signal sampler. This is a method of reading “data”. The probe head is placed in a magnetic field that applies the desired pulse / constant magnetic field gradient to the sample in any combination of three mutually orthogonal directions, referred to as the x, y and z directions, resulting in a memory Allows addressing. An RF power amplifier having a pulse forming function is arbitrarily used for addressing. The realization of the logical form is achieved by means of suitable modulation of the resonant RF using a pulsar and modulation device that generates the desired pattern of spin pulse rotation.
[0046]
The following examples are given by the present invention and are not intended to limit the scope of the invention.
[0047]
Example 1
As the conductive polymer, a crystal of fluoranthene hexafluorate is selected as the spin system. This polymer is of the durable paramagnetic type with a narrow (20 KHz) ESR linewidth. It is a long electron spin “relaxation time”. This polymer sample is taken out to the probe head and placed in the magnetic field of the variable magnetic field electromagnet to set up the electron spin resonance state. The magnet operates with a nominal magnetic field strength of 0.0107 T, which corresponds to an electron spin resonance frequency of 300 MHz. The current stability of the electromagnet power supply is about 1 ppm, while the magnetic field uniformity over 1 cm 2 is about 10-20 ppm. Resonant excitation of the spin system is performed by a Bruker MSL300 P FT NMR spectrometer using low power excitation by the low power output channel of the system decoupler, and possible minimum pulse duration using assembler level programming Generate time (approximately 400-500 ns). The pulse amplitude is varied with this constant pulse duration to achieve various desired tilt (“flip”) angles. Spin resonance is captured using a 10 MHz digitizer. The following basic pulse rotation format is used during data “writing” and starts in the spin system during thermal equilibrium.
360 ° pulse rotation corresponding to logic state “0” 180 ° pulse rotation corresponding to logic state “1” On the other hand, in order to read data, the following pulse rotation format is used.
The “polarity” of the “starting point” of the resulting FID is related information, eg,
'+ Ve' polarity corresponding to logic state '0''-ve' polarity corresponding to logic state '1'
By using the above device, 1-bit information can be stored and then read out.
[0049]
Example 2
Water, ie, a diamagnetic type having a narrow (3 Hz) NMR (nuclear magnetic resonance) linewidth is selected as the spin system. It also retains the characteristics of long nuclear spin “relaxation time”. This sample is taken out into the probe head and placed in the magnetic field of a 7T fixed magnetic field superconducting electromagnet to set up a 300 MHz nuclear magnetic spin resonance. The uniformity of a 1 cm 3 magnetic field is about 0.01 ppm. Resonant excitation of the spin system is performed by a Bruca MSL 300 P FT NMR spectrometer using low power excitation by the low power output channel of the system decoupler, and using assembler level programming, the minimum possible pulse duration ( About 128 μs). The pulse amplitude is varied with this constant pulse duration to achieve various desired tilt (“flip”) angles. Spin resonance is captured using a 125 KHz digitizer. The following basic pulse rotation format is used during data “writing” and starts in the spin system during thermal equilibrium.
360 ° pulse rotation corresponding to logic state “0” 180 ° pulse rotation corresponding to logic state “1” On the other hand, in order to read data, the following pulse rotation format is used.
The “polarity” of the “starting point” of the resulting FID is related information, eg,
'+ Ve' polarity corresponding to logic state '0''-ve' polarity corresponding to logic state '1'
By using the above device, 1-bit information can be stored and then read out.
[0051]
Addressing is performed using a pulsed magnetic field gradient generated with a probe head using a gradient amplification system with an amplitude gradient of 0.0007 Tcm- 1 .
[0052]
Example 3
Solid polymethyl methacrylate protons (PMMA) are selected as the spin system. The PMMA is removed from the probe head and placed in the magnetic field fringe of a fixed field superconducting electromagnet with a fixed fringe field strength of about 2.75 T and set up in a 118 MHz nuclear magnetic spin resonance state. The uniformity of the magnetic field corresponds to about 30 Tm −1 .
[0053]
Resonant excitation of the system is performed on a Bruker MSL 300 P FT NMR spectrometer console using high power excitation by the high power transmitter unit of the system, and a possible minimum of about 400-500 ns using assembler level programming Generate a pulse duration. The pulse amplitude is varied at this constant pulse duration to achieve various desired tilt (“flip”) angles. Spin resonance is captured by a 125 KHz / 10 MHz digitizer.
[0054]
The following basic pulse rotation format is used during data “writing” and starts in the spin system during thermal equilibrium.
360 ° pulse rotation corresponding to logic state “0” 180 ° pulse rotation corresponding to logic state “1” On the other hand, in order to read data, the following pulse rotation format is used.
The “polarity” of the “starting point” of the resulting FID is related information, eg,
'+ Ve' polarity corresponding to logic state '0''-ve' polarity corresponding to logic state '1'
By using the above device, 1-bit information can be stored and then read out.
[0056]
The main advantages of the improved logic device of the present invention are as follows.
1. The device can “write” or “store” and “read” the data defined by the pulse rotation of the spin system.
2. Unlike sequential storage of spin storage, memory access is possible in arbitrary and / or parallel modes.
3. Higher reusability compared to standard molecular systems.
4). Information storage and processing can be integrated.
5. Intrinsic parallel processing is possible.
6). Unlike molecular computers, half-spin systems are completely bistable systems.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a standard semiconductor-based computer.
FIG. 2 illustrates a standard magnetic resonance apparatus that generates spin echoes and stimulated echoes.
FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of the device of the present invention without an addressing function.
FIG. 4 is a block diagram of another embodiment of an improved logic device of the present invention with memory addressing capability.
[Explanation of symbols]
1
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