2005 Fiscal Year Annual Research Report
反応拡散ダイナミクスを利用して情報処理を行う結合量子ドット集積デバイス
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16360162
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
雨宮 好仁 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (80250489)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福井 孝志 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (30240641)
浅井 哲也 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 助教授 (00312380)
廣瀬 哲也 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 助手 (70396315)
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| Keywords | 反応拡散系 / 量子ナノ / 単電子 / 非線形振動 / 散逸構造 / パターン / 自己組織化 / 生命ダイナミクス |
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| Research Abstract |
反応拡散系とは、反応現象と拡散現象が混在した非平衡な化学反応系のことである。自然界で見られる生き生きとしたダイナミクス-たとえば秩序やリズムの発生,いろいろな形や模様の成長,生命現象に現れる各種の自己組織化-などは反応拡散系が示す挙動の典型例である。秩序ある時空間パターンの自律生成という反応拡散系の性質を電子デバイス上で模倣して画像情報処理や自律分散制御を行うために、以下の提案と確認を行った。
反応拡散系の構成要素は「非線形振動を発生する反応セル集合体」と「反応セル間に働く相互作用」である。これを電子回路で模倣するために、量子ドット集積構造を利用した単電子回路の非線形振動セルを用いることを提案した。すなわち量子ドットと基板との間にトンネル接合をつくり、その量子ドット回路に多重トンネル接合でバイアス電流を流す。クーロンブロッケードが成立する温度のもとで、量子ドット回路は単電子トンネル振動を生じて非線形振動セルとなる。そして、トンネル待ち時間による遅れを利用したキャパシタ結合により拡散に類似した振動セル間相互作用を発生させる。
以上の構成による二次元の量子ドット反応拡散デバイスを設計し、その上に現れる電位の時空間パターンをシミュレーションで確認した。回路パラメータと初期条件に依存して様々なパターン、たとえば細胞性粘菌が描く螺旋パターンや細胞の分裂に類似した増殖パターンなどが見られた。これらのダイナミクスは、化学的な反応拡散系のダイナミクス、さらには生命現象の中に現れるダイナミクスに類似したところがある。らせんや分裂増殖などのパターンの成長は、動作途中に外から操作を受けることなくデバイス自身が作り出すものである。これは生命現象における自己組織化などの挙動に類似している。したがって、量子ドット反応拡散デバイスは生体機能を模した新しい情報処理デバイスへの応用が期待できる。
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Research Products
(6 results)
