光回路と回路素子およびそれらを形成する方法
【解決手段】 光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路および回路素子が、基板上に配置されたプラズモニック粒子および／または非プラズモニック粒子から作製され、前記プラズモニック粒子および／または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。このような粒子は、抵抗と、コンデンサと、インダクタと、これらの素子の組み合わせから作製された回路とを形成するよう、種々のプラズモニック材料および／または非プラズモニック材料でできた種々の形状およびサイズで基板上に堆積させてある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、出願日２００４年６月１８日の米国仮特許出願第６０／５８１，０１６号（参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする）に基づく利益を主張するものである。
【０００２】
連邦政府の資金援助を受けた研究開発の記載
本明細書に記載された本発明は、米国国防総省国防高等研究事業局（Ｄｅｆｅｎｓｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｇｅｎｃｙ：ＤＡＲＰＡ）助成金第ＨＲ００１１−０４−Ｐ−００４２号および米国空軍科学研究局（Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ：ＡＦＯＳＲ）助成金第Ｆ４９ＰＲＥ−０３−１−０４３８号の資金により一部もたらされたものであり、米国政府は本発明において一定の権利を有しうる。
【０００３】
本発明は、プラズモニックナノ構造および非プラズモニックナノ構造を使ったＩＲ（赤外線）および可視領域で作用する回路および回路素子と、それらを形成する方法とに関する。
【背景技術】
【０００４】
従来の回路は、低い周波数領域、すなわちＲＦ以下の周波数範囲で動作することが知られている。従来の回路は、明確に識別された周知の回路素子を有している。このような回路素子には動作波長よりはるかに小さいものも含まれるため、結果としてこのような小サイズの限界でマクスウェル方程式を「近似」した回路理論が応用されている。
【０００５】
ここで指摘すべきことは、ＲＦ以下の周波数で従来使用されている回路構成の成分概念を単にスケーリングしても遠赤外線以上の周波数には適用できないことである。ＲＦ以下の周波数における従来の回路は、集中素子および金属ワイヤーに沿って循環する伝導電流に依存している。しかしながら、赤外線および光の周波数サイズでは、導電性の金属材料は非常に異なる挙動を呈するため、金属材料をこの周波数まで単純にスケールダウンすることはできない。
【０００６】
このため、光（可視光）および赤外線領域で機能する回路および回路素子はいまだに必要とされている。さらに、例えば生物回路、ナノ光学装置、光情報ストレージ、バイオフォトニクス装置、分子シグナリング装置といった光回路および光回路素子を利用した製品も必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の幾つかの態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を含んでいる。これらの回路素子は、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を有し、当該プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。
【０００８】
本発明は、他の態様において、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を含み、このような回路は、複数のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を堆積させた基板を有する。また、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に当該粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されている。
【０００９】
並列共振回路は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている本発明の回路を使って提供され、プラズモニック材料で形成された第１の部分および非プラズモニック材料で形成された第２の部分を有した３次元融合粒子を有する。前記融合粒子は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面を有し、この界面は、適用される光または赤外線の周波数により生成される光場に平行である。当業者であれば、光場が電磁場の一種であること、またこれらの用語が、本発明の実施形態を説明する上でしばしば同義的に使用されることが理解されるであろう。例えば本明細書で説明するように、可能性として２若しくはそれ以上の粒子は「結合」し、より具体的には「光結合」し、あるいは「光結合」により接続されうる。通常、ＩＲ領域および可視領域（特に可視領域）において、電磁場は具体的に「光場」として認識されるものである。
【００１０】
直列共振回路も、光または赤外線の周波数で機能するようになっている本発明の回路を使って提供され、この直列共振回路も、プラズモニック材料で形成された第１の部分および非プラズモニック材料で形成された第２の部分を有した３次元融合粒子を有する。前記融合粒子は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面を有し、この界面は、適用される光または赤外線の周波数により生成される光場に垂直である。
【００１１】
本発明によると、光または赤外線の周波数で機能するようになっているナノスケール回路を提供でき、このような回路は、プラズモニック材料または非プラズモニック材料から成る複数のナノ粒子を含む。前記複数のナノ粒子は、隣接した当該ナノ粒子が光結合用に十分近接しあうよう基板上に堆積させてある。前記ナノスケール回路は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されている。例えば、この所定の回路機能は、右手系伝送線路機能または左手系伝送線路機能でありうる。
【００１２】
本発明の他の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法を含み、この方法は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有するプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の少なくとも一方を、基板に堆積させる工程と、光または赤外線の周波数において、プラズモニック粒子にインダクタとして機能させ、かつ非プラズモニック粒子にコンデンサ（キャパシタ）として機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程とを有する。他の特定の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法を含み、この方法は、回路素子を形成する工程と、追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜５を参照して本発明を詳しく説明する。当業者であれば、これらの図に関する本明細書の説明が例示目的のみのものであり、添付の請求項により決定される本発明の範囲を限定するよう意図されたものでは一切ないことが理解できるであろう。
【００１４】
定義
本明細書における用語「を有する」、「を含む」、またはこれらのいかなる類似表現も、非排他的な包含を意図したものである。例えば、要素リストを有する工程、方法、物品、または装置は、必ずしも記載された要素だけに限定されず、明示的に記載されなかった他の要素、または前記工程、方法、物品、または装置に固有の他の要素も含みうる。さらに、明示的に別段の断りがない限り、「または」は包含的ＯＲであり、排他的ＯＲではない。例えば、条件「ＡまたはＢ」は次のいずれかにより満たされる。Ａが真でＢは偽、Ａが偽でＢは真、およびＡもＢも真。
【００１５】
本明細書では、本発明の要素および構成要素を記述する際、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」を使用している。これは単に便宜上の措置で、本発明の全体的な感覚をつかむためのものである。この記述は１つまたは少なくとも１つを包含すると理解すべきであり、単数表記であっても、明らかに別段の文意がない限りは複数の場合が含まれる。
【００１６】
本発明の粒子サイズを説明する場合の接頭辞「ナノ」は、全般的にナノメートル（１０−９ｍ）範囲のサイズを指すが、本明細書における「ナノ」は、適用される光信号または赤外線信号の波長より粒子サイズが実質的に小さい限り、ナノ範囲より大きいミクロン（１０−６ｍ）範囲のサイズも含む。
【００１７】
本明細書における用語「光または赤外線の周波数で機能するようになっている」は、マイクロ波領域など、より低い周波数で動作する導電性モデルの回路または回路素子と同様な特性を有する回路または回路素子を指して使われる。また用語「光回路」または「光回路素子」は、光または赤外線の周波数で機能するようになっているこれらの回路または回路素子と同じものを指して使われる。
【００１８】
本明細書における用語「適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい」は、真空中および材料中での動作波長よりはるかに小さいサイズを有する光学回路素子を形成する粒子を指して使われる。例えば、粒子が球体である実施形態では、
【００１９】
【数１】
【００２０】
および
【００２１】
【数２】
【００２２】
で（ここで、λ０は約３８０ｎｍ〜約１０μｍ）、これは一般に光およびＩＲの範囲内と理解される。
【００２３】
本明細書における用語「プラズモニック」、「プラズモニック粒子」、または「プラズモニック材料」は、実数部が負の誘電率εを有する金属材料、好ましくは貴金属を指して使用する。この結果、光信号とプラズモニック粒子が相互作用して表面プラズモン共鳴（共振）が起こり、これによりプラズモニック粒子が実効インダクタンスを呈する。一般に、ＡｇやＡｕなど貴金属のプラズマ周波数は可視または紫外線（ＵＶ）の領域になり、このためこれらの金属は光周波数でプラズモニック材料として振る舞う（誘電率の実数部が負になる）ことが知られている。当業者であれば、可視領域の金より銀の方が低損失であることが理解されるであろう。結果として、光信号とプラズモニックナノ粒子の相互作用には表面プラズモン共鳴が伴う（例えば、Ｃ．Ｆ．ＢｏｈｒｅｎおよびＤ．Ｒ．Ｈｕｆｆｍａｎ、「Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」（Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８３）、Ｂ．Ｌａｍｐｒｅｃｈｔ，ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７９、５１（２００１）を参照）。
【００２４】
用語「実効インダクタンス」とは、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解されるインダクタのインダクタンスと同様な特性を指す。
【００２５】
本明細書における用語「非プラズモニック」、「非プラズモニック粒子」、または「非プラズモニック材料」は、実数部が正の誘電率εを有する非金属材料、例えばＡｕ２Ｓや、ＳｉＯ２などの酸化物を指して使用する。このような粒子では、光信号とプラズモニック粒子が相互作用しても表面プラズモン共鳴は起こらず、結果的に非プラズモニック粒子が実効容量を呈する。用語「実効容量」は、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解されるコンデンサの容量と同様な特性を指す。
【００２６】
光回路に使われる用語「実効抵抗」または「抵抗」は、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解される抵抗と同様な特性を指す。プラズモニック粒子も非プラズモニック粒子も、虚数部が正の誘電率、すなわち実効抵抗を呈する誘電率を有しうる。
【００２７】
用語「異なる別の粒子［若しくは異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子］と光結合できるよう、当該粒子に近接して」は、隣接しあった２つの粒子間の光結合を可能にする距離を指す。この距離は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さいことが好ましい。隣接しあった粒子は、互いに融合することにより界面を形成することもある。上限として１０μｍの遠赤外線信号を考慮すると、約１ミクロンサイズの粒子が考えられる。本明細書における用語「光結合」または「結合」は、１つの粒子が隣接する粒子に及ぼす場の影響力の現象を指して使われる。すなわち、粒子間の相互作用は互いに従属しあう場の源として呈されうる。その一例として、各従属電流源の値は図２の隣接しあった一対の球形粒子と見ることができ、これは他のナノスフェアにわたる電位差の観点から明示的に導出できる。
【００２８】
本明細書における用語「界面」は、１粒子の２つの部分の間の２次元交点、または２粒子の融合を指して使われる。粒子が球体である例の場合、界面は平面になる。
【００２９】
例示的な実施形態
本発明は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子に関する。これらの回路素子は、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を有し、当該プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。前記プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、実数部が負の誘電率を有することが好ましい。これらのプラズモニック粒子は、金属材料、好ましくは貴金属、より好ましくは銀または金から形成される。また、これらのプラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、虚数部が正の誘電率を有する。他方、前記非プラズモニック粒子は、非金属材料、好ましくはＡｕ２Ｓ、またはＳｉＯ２などの酸化物から形成される。また、これらの非プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の適用時、実数部が正の誘電率を有することが好ましい。
【００３０】
プラズモニック粒子により生じるインダクタンスなど、前記プラズモニックまたは非プラズモニック粒子から形成されるこの回路素子の特徴は、当該プラズモニックまたは非プラズモニック粒子を表すサイズ、形状、および材料により決定される。例えば、ある種の光インダクタが望ましい場合は、プラズモニック粒子の形成に貴金属を選択できる。さらに、望ましい回路素子特性がわかっている場合、前記プラズモニック粒子の形状およびサイズは、本明細書で提供する式により決定できる。また光または赤外線の光源の波長は、望ましい粒子に選択したサイズ、形状、および材料に対し、適宜選択される。
【００３１】
さらに異なる別の例において、ある種の光コンデンサが望ましい場合は、前記非プラズモニック粒子の形成に、Ａｕ２Ｓ、またはＳｉＯ２などの酸化物といった非金属材料を選択できる。次いで、望ましい光容量を達成するための計算結果を使って前記サイズおよび形状、また使用する光源の波長を決定することができる。選択された光または赤外線の光源の適用時、前記プラズモニック粒子は共鳴を呈し、また前記非プラズモニック粒子は共鳴を呈さないことが好ましい。
【００３２】
さらに、本発明のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、前記光または赤外線の周波数の光源の適用時、電気回路抵抗と同様に機能できる。前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の抵抗機能は、当該粒子の誘電率の正の虚数部に起因しうる。双方のタイプの粒子を形成する材料は不動態化した材料で、抵抗は不動態化した材料でもある。当業者であれば、誘電率の虚数部の符号は関連する科学分野で使用されている規則に依存することが理解されるであろう。例えば物理分野では、不動態化した材料の誘電率は正の虚数部を有するが、電気工学分野では、同じ材料の誘電率が負の虚数部を伴って記述される。本明細書で採用する記述は、物理分野の規則に従っている。
【００３３】
本発明は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路も含み、この回路は、複数のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を堆積させた基板から成る。これらの堆積粒子は、前記プラズモニック粒子または前記非プラズモニック粒子である。また、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に当該粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されている。一部の実施形態では、隣接しあった一対の粒子は、互いに融合されることにより、その間に界面を形成する。この界面は実質的に平面状であることが好ましい。
【００３４】
本発明の一部の態様では、光または赤外線の周波数で機能するようになっている並列共振回路が提供され、この並列共振回路は、プラズモニック材料でできた第１の部分と、非プラズモニック材料でできた第２の部分とから成る３次元融合粒子から成り、光または赤外線の周波数により生じる光場は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成される界面に平行である。前記３次元融合粒子は、楕円形の断面を有することが好ましく、球体であることがより好ましい。前記３次元融合粒子が球体である場合、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【００３５】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている直列共振回路も提供され、この直列共振回路は、プラズモニック材料でできた第１の部分と、非プラズモニック材料でできた第２の部分を有する３次元融合粒子を有し、光または赤外線の周波数により生じる光場は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成される界面に垂直である。前記３次元融合粒子は、楕円形の断面を有することが好ましく、球体であることがより好ましい。前記３次元融合粒子が球体である場合、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【００３６】
本発明の一部の実施形態において、前記複数の粒子は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されている。一部の実施形態は、所定の回路機能すなわち右手系伝送線路の機能を有し、別の一部の実施形態は、所定の回路機能すなわち左手系伝送線路の機能を有する。
【００３７】
本発明の他の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法を含み、この方法は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の少なくとも一方を、基板に堆積させる工程と、光または赤外線の周波数において、前記プラズモニック粒子にインダクタとして機能させ、かつ前記非プラズモニック粒子にコンデンサ（キャパシタ）として機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程とを有する。
【００３８】
他の特定の態様において、本発明は、上記のように光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法を含み、この方法は、回路素子を形成する工程と、追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程とを有する。一部の実施形態において、光結合した前記粒子は融合しあうことにより、その粒子間に界面を形成する。
【００３９】
以下のナノスフェアは、例示目的のためだけに使用されている。この３次元形状は、光および赤外線の周波数における光エネルギーへの前記ナノ粒子の応答を決定する上で全体的な数学計算を簡略化するなどのため選択されたものである。当業者であれば、いかなる３次元形状のナノ粒子の特性を決定するにも以下の計算を適合できるため、すなわちいかなる構造のナノ粒子であっても光および赤外線の範囲の波長に応答するため、上記の特定３次元構造の使用は本発明を限定するよう意図したものではない。
【００４０】
半径Ｒのナノスフェアは、一般に複素数である誘電関数ε（ω）を伴う均質な材料から作製することができる。この球体は、真空および材料内での動作波長よりはるかに小さく、すなわち
【００４１】
【数３】
【００４２】
かつ
【００４３】
【数４】
【００４４】
とできる。入射電磁波Ｅ０は、単色励起ｅ−ｉωｔ下でこの球体を照らす。当該粒子がこの波長より小さいため、この球体近傍の散乱電磁場と、この球体内部の合計場とは、周知の時間調和、準静的アプローチを使って非常に良好な近似値で得られる。これにより、この球体内外の場について、それぞれ以下の近似表現が導かれる（Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ、Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ&Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９９）などを参照）。
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
【００４７】
ここで、
【数７】
【００４８】
は外部領域の誘電率、
【００４９】
【数８】
【００５０】
は球体中心から観測点までの位置ベクトル、そして
【００５１】
【数９】
【００５２】
である。この球体表面の各点において、変位電流−ｉωＤｎの法線成分は連続的であるため、次が示唆される。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
ここで、
【００５５】
【数１１】
【００５６】
はこの球体表面に垂直な外方へ向いた局所的な単位ベクトルである。この方程式において、Ｅｒｅｓ≡Ｅｉｎｔ−Ｅ０は、入射場が合計内部場から減算される場合の、ナノスフェア内部の残留場を表す。
【００５７】
半径Ｒのナノスフェアを図１に例示する。図１では、光領域でナノコンデンサおよびナノ抵抗の機能を提供するものとして、ε>０の非プラズモニック球体１を示している。また図１では、光領域でナノインダクタおよびナノ抵抗の機能を提供するものとして、ε<０のプラズモニック球体２も示している。入射電場３は、この粒子に作用している状態で黒い実線矢印で示されている。各ナノスフェアにより生じた周辺双極子電場４は、灰色の矢印を伴った細い力線として見られる。
【００５８】
Ｅ０は、図１で黒い矢印により示した入射電場３のように配向できる。式（３）を上半球表面について積分すると、式（３）の各関連項について「合計」変位電流が得られる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
式(4)に含まれる３つの項は、それぞれの機能に基づき、「印加変位電流源」（ｉｍｐｒｅｓｓｅｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ）Ｉｉｍｐ５、「ナノスフェア内の変位電流循環」（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ）Ｉｓｐｈ６、および「周辺（双極子）場の変位電流」（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｎｇｅ （ｄｉｐｏｌａｒ） ｆｉｅｌｄ）Ｉｆｒｉｎｇｅ７とそれぞれ命名されている。これらは、すべてこのナノスフェア表面上の、励起により誘導された分極電荷に関係している。変位電流の各項間の上記の関係は、図１に示したように、並列回路１０のノードにおける分流として解釈することができる。実際、上記で定義されるこのような電流は、式（４）で表されるキルヒホッフの電流法則に従う。この準静的近似では
【００６１】
【数１３】
【００６２】
が局所的にゼロに近づくため、キルヒホッフの電圧法則も満たされる。
【００６３】
図１に示した「ナノスフェア」の等価インピーダンスおよび回路の「周辺」分岐は、この球体の上半球表面と下半球表面との間の（Ｅｒｅｓによる）「平均」電位差の比として計算できる。
【００６４】
【数１４】
【００６５】
また、実効電流は式（４）で評価される。従って次を得る。
【００６６】
【数１５】
【００６７】
式（６）から、図１に示した回路の２つの並列素子は、ナノスフェアの誘電率の符号に従い、互いに異なる挙動をしうることが明らかにわかる。以下、２つの場合を考慮する。
【００６８】
ナノコンデンサとしての非金属（非プラズモニック）球体
この場合、εの実数部が正数であるため式（６）のＺｓｐｈは容量性となり、同時に誘電率の虚数部に関係した抵抗部分も有する。外部領域の誘電率は正であると仮定されるため、外部周辺のインピーダンスは常に容量性となる。これにより、光波長と比べて小さい非プラズモニックナノスフェアに等価なナノ回路は、図１の左下のように示すことができる。ここで、等価回路素子は、当該ナノスフェアのパラメータにより次のように表せる。
【００６９】
【数１６】
【００７０】
容量性素子は２つあるため、この場合共振は起こらない。これは光波および非プラズモニックナノスフェアの相互作用に関する共鳴の不在と一貫した事実である。
【００７１】
ナノインダクタとしての金属（プラズモニック）球体
この場合、球体は可視またはＩＲの領域におけるプラズモニック材料（例えばＡｇやＡｕなどの貴金属）で作製でき、結果的にこれらの周波数帯域におけるこの材料の誘電率の実数部は負の値となる。したがって、このナノスフェアの等価インピーダンス（式（６））は「負の容量性」となり、Ｒｅ［ε］<０である与えられた任意の周波数において、等価容量は「負」になることが示唆される。これは、Ａ．Ｋ．Ｓａｒｙｃｈｅｖ、Ｄ．Ａ．Ｇｅｎｏｖ、Ａ．Ｗｅｉ、およびＶ．Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍｅｄｉｕｍｓ ＩＶ、８１（２００３）；Ｇ．Ｖ．Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ、Ａ．Ｋ．Ｉｙｅｒ、およびＰ．Ｃ．Ｋｒｅｍｅｒ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ、５０、２７０２（２００２）；およびＮ．Ｅｎｇｈｅｔａ、Ｎ．Ｂｌｉｚｎｙｕｋ、Ａ．Ａｌｕ、Ａ．Ｓａｌａｎｄｒｉｎｏ、Ｄｉｇ．ＵＳＮＣ−ＵＲＳＩ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ、Ｍｏｎｔｅｒｅｙ、ＣＡ、２７６（２００４）で説明されているように、正の実効「インダクタンス」として解釈できる。したがって、光波がプラズモニックナノスフェアと相互作用する場合の等価回路は、図１の右下のように表せる。
【００７２】
プラズモニック材料で形成された球体の等価回路素子は、次のように計算できる。
【００７３】
【数１７】
【００７４】
この場合、前記周辺コンデンサに並列したインダクタがあるため、この回路は共振を呈する。この共振は、Ａ．Ｋ．Ｓａｒｙｃｈｅｖ、Ｄ．Ａ．Ｇｅｎｏｖ、Ａ．Ｗｅｉ、およびＶ．Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍｅｄｉｕｍｓ ＩＶ、８１（２００３）で言及されているように、光波および金属ナノ粒子の相互作用に応答したプラズモニック共鳴に対応する。この回路の共振条件ＬｓｐｈＣｓｐｈ＝ω−２にナノスフェアＲｅ［ε］＝−２ε０に関する周知のプラズモン共鳴条件が必要なことは検証しうる（Ｃ．Ｆ．Ｂｏｈｒｅｎ、およびＤ．Ｒ．Ｈｕｆｆｍａｎ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ（Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８３））。
【００７５】
これにより、光（または赤外線）信号により励起されたナノスフェアは、この球体が非プラズモニック材料またはプラズモニック材料でそれぞれ作成されている場合、光周波数で「ナノコンデンサ」または「ナノインダクタ」として―導電回路で対応する各回路素子と同様に―効果的に振る舞いうる。材料誘電率の虚数部により等価ナノ抵抗が提供可能で、これらの抵抗は、誘電率に何らかの非ゼロ虚数部を有する限り、プラズモニック粒子であっても非プラズモニック粒子であってもよい。インダクタが通常「巻いたワイヤー（コイル）」の形態になる、より低周波数領域におけるインダクタの従来設計とは異なり、光および赤外線の領域で動作する本インダクタは、プラズモニック材料から成る単純構造で作製される。換言すると、光波長よりはるかに小さい寸法でワイヤーを巻く代わり、ここでは天然貴金属のプラズモニック特性が実効インダクタンスを提供し、その値は、ナノ構造のサイズ、形状、および材料含有量を適切に選択することで設計が可能である。これらパラメータを修正すると、望ましい実効インダクタンスの達成につながる。
【００７６】
以上で説明した光および赤外線の領域の回路素子は、回路の小型化に新しい可能性をもたらす。ＲＦ以下の周波数における従来の回路は、集中素子および金属ワイヤーに沿って循環する伝導電流に依存し、赤外線および光の周波数まで単純にスケールダウンすることはできない。これらの高周波では、導電性の金属材料が著しく異なる挙動を示すためである。ただし、光ナノ回路の基本素子としてプラズモニックナノ粒子および非プラズモニックナノ粒子を導入すると、その光ナノ回路内において事実上「変位」電流が同様に「循環」できるため、光周波数でも同様な機能を提供できるようになる。本質的には、光周波数で動作する３つの基本回路素子すなわちナノインダクタ、ナノコンデンサ、およびナノ抵抗を有することができ、これらは光波長でより複雑な回路をする際に設計の構成単位を形成する。
【００７７】
与えられた任意の波長および特定材料について、これらの光学回路素子の値は前記粒子のサイズおよび形状に直接依存し、例えばナノスフェアの場合はその半径から計算が行われる。ただし、設計に高い柔軟性（自由度）が望まれる場合、望ましい結果を達成するため操作できる３つの軸に対応して幾何学的パラメータが３つある場合は、インダクタンスであっても、容量であっても、抵抗であって、楕円形のナノ粒子など異なる構造のナノ粒子を使用することができる。
【００７８】
２つ以上のナノ粒子を有する本発明の態様、例えば半径Ｒ１およびＲ２、誘電率ε１およびε２で一定の距離ｄだけ離間された２つのナノスフェアの場合、場の分布を電磁解析すると、ここで考慮する準静的限界では、これらの構成は、それぞれが１つの球体を表す「結合された」ナノ回路１５として効果的に処理できることが示される。図２は、隣接しあった２つのナノスフェア間の光波相互作用を使って光領域で結合されたナノスケール回路を例示したものである。図の各回路には、所与のナノスフェアの容量性インピーダンスまたは誘導性インピーダンスと、周辺場に関係した容量性インピーダンスと、この球体への印加場を表す電流源とが含まれる。さらに、各回路は、１つの球体に隣接した他粒子の場の影響を表す従属電流源１６も必要とする。すなわち、これら粒子間の相互作用は、このような従属電流源１６により定義される。図２における各従属電流源の値は、上記の式と同様、他のナノスフェアにわたる電位差の観点から明示的に導出しうる。
【００７９】
これらのナノ粒子で並列または直列の回路素子を形成するには、それらを２つ（以上）非常に近接させ、照射電場に対し特定の配向で並置する必要がある。図３の上段は２つの融合粒子２０を示しており、これらは強固に対にされた、誘電率の異なる２つの半円筒から成るナノ粒子である。数学計算を簡略化するため、無損失の円筒を考慮する。電場照射時のこの融合構造の周囲の電位分布からは、複合回路素子としてのこの融合構造の挙動について有用な情報が得られる。図３の中段は、この構造内外の準静的電位分布および等電位面２１を示したものである。これらの等電位面２１は、実線で描かれている。この電位分布および等電位面２１は、２通りの電場を示しており、誘電率εおよび−εを有する２つの半円筒間の平面状界面に対し、一方は平行（左側）で、他方は垂直（右側）である（これら半円筒の直径は動作波長よりはるかに小さいと仮定されているため、ここでは電位分布の評価に近似時間調和準静的解析が行われ、より高次の項は考慮しなくともよい）。図３の中段左側で融合円筒付近にある前記等電位面２１は、当該融合円筒の外面に垂直になっており、この面での合計電場の法線成分がゼロになることを示唆している。しかし、実際にはこの円筒表面の頂部および底部の間に一定の電位差が存在する。この融合構造は、その外部からわかるように、周辺コンデンサに「並列」した並列共振ＬＣ回路（共振時、無限インピーダンスを有するため電流は正味ゼロになる）とみなすことができる。
【００８０】
同様に、図３中段右側の融合半円筒は２つの半円筒間の境界面に垂直な外部電場を有しており、外部から見た場合、「直列」共振ＬＣ回路とみなすことができる。しかし、この場合図の中段右側からわかるように、前記等電位面２１は前記融合円筒の表面と平行になるため、この構造の表面における電位差は事実上ゼロとなるが、変位電流はこの表面を出入りすることが示唆される。これらの例の共振動作は、（絶対値は等しいが）逆符号の誘電率を２つの半円筒として組み合わせた特定の選択によるものである。ただし異なるペアの場合は、組み合わせと、外部励起との配向に応じ、共振しない直列素子または並列素子として振る舞うことが考えられる。さらに、同様に組み合わせた他のナノ構造でも、類似した並列構成および直列構成に至りうる。
【００８１】
図の下段は、外部から見たこの融合構造を表す並列素子および直列素子を例示した等価回路を示している。前記並列共振ＬＣ回路２２は図３の回路図に示している（材料を無損失と仮定しているため等価抵抗は不在だが、追加は容易である）。前記直列共振ＬＣ回路２３も、図３の回路図に図示している。
【００８２】
図４は、３次元のプラズモニック材料または非プラズモニック材料いずれかの複数部分で形成されたナノスケール回路または光回路の２つの異なる実施形態を例示したものである。第１の実施形態である、矩形セグメント化した光回路２８は、プラズモニックセグメント３０および非プラズモニックセグメント３１の矩形ブロックとして図４に示している。第２の実施形態は、閉回路である同様なナノスケール回路、すなわち閉じたナノループ光回路２９を有し、図４のプラズモニックセグメント３０および非プラズモニックセグメント３１の弧状ブロックを有して示されている。この矩形セグメント化した光回路２８が（近接場走査型光学顕微鏡（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＮＳＯＭ）などの）光信号の局所電場により励起されると、前記プラズモニック「ブロック」３０および前記非プラズモニック「ブロック」３１は、（回路図の簡略化のため図示していない一部のナノ抵抗とともに）ナノインダクタ３２およびナノコンデンサ３３としてそれぞれ作用するため、この構造は、図４に示したより複雑な回路３４として動作する。このようなナノスケールの複雑な回路３４は、実際、プラズモニックナノバーコードおよびプラズモニックデータ格納システムとして振る舞う。ナノループ光回路２９がある時点でＮＳＯＭにより励起されるとこのループに沿った変位電流は等価なインダクタおよびコンデンサにより形成された回路内の電流として振る舞うことが推測される。また、光回路は分子などの生物素子とインターフェース連結でき、これら生物素子は回路内で前記プラズモニック素子３０または非プラズモニック素子３１の代わりになり、光または赤外線光に対するこの光回路の全体的な応答に寄与する。生物素子がその回路に与える効果を求めることにより、その特定の生物素子に関する情報を決定することができる。
【００８３】
光回路の一部の例では、光ナノ伝送線路を形成するため、光周波数におけるナノインダクタおよびナノコンデンサが適切に構成される。図５の上段は、分布（または集中）インダクタ素子および分布（または集中）コンデンサ素子を使った従来のＬＨ伝送線路４０およびＲＨ伝送線路４１を回路図として示したものである。図５の中段はナノスケールの複雑な回路を例示したもので、この回路は、左手系（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＬＨ）ナノスケール伝送線路４２または右手系（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＲＨ）ナノスケール伝送線路４３の伝送形態で、ナノインダクタおよびナノコンデンサとしてそれぞれ機能するプラズモニックナノ構造および非プラズモニックナノ構造を有する。この構成に直列ナノインダクタおよび分路ナノコンデンサが伴うと、優勢な遇モードの場合、光周波数における従来の（別称、右手系（ＲＨ））伝送線路４３がもたらされる。ただし、前記分路ナノインダクタおよび直列ナノコンデンサを使うと、負指数の（すなわち左手系（ＬＨ））伝送線路４２を光領域で合成することができる。これは、Ｇ．Ｖ．Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ、Ａ．Ｋ．Ｉｙｅｒ、およびＰ．Ｃ．Ｋｒｅｍｅｒ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ、５０、２７０２（２００２）およびＬ．Ｌｉｕら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、９２、５５６０（２００２）でのマイクロ波に関する説明と同様である。これは、光周波数におけるサブ波長を重視した興味深い効果につながりうる。平面状のＲＨ構造およびＬＨ構造は、アプローチこそ異なるが、Ｇ．Ｓｈｖｅｔｓ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．６７、０３５１０９（２００３）で提案されている平面状構造と一貫性がある。前記ナノ粒子間の距離は、隣接しあったナノ粒子間の距離がゼロで、本質的に融合したナノ粒子の層を形成するほぼ均一な層が存在する程度まで狭めることができる。これは結果的に、前方および後方への伝搬特性を伴う交互積層構造を形成したプラズモニック層および非プラズモニック層となる。図５の下段は、代表的なＬＨナノスケール伝送線路４４と、それに対応したＲＨナノスケール伝送線路４５とを示したものである。
【００８４】
実施例
以下の例は、本発明の態様の実施形態をより詳しく例示するため提供するものである。これらの例は例示的なものであって、本発明を限定するよう意図したものではない。
【実施例１】
【００８５】
ナノインダクタ光学回路素子
銀を使って半径Ｒ＝３０ｎｍを有する球体形状の３次元粒子を形成する。波長λ０＝６３３ｎｍにおいて、銀の誘電率はεＡｇ＝（−１９＋ｉ０．５３）ε０になることが知られている（Ｐ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、およびＲ．Ｗ．Ｃｈｒｉｓｔｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、６、４３７０（１９７２）を参照）。式（８）から、この粒子は、波長λ０＝６３３ｎｍを有する光の照射時、ナノインダクタＬｓｐｈ＝７．１２フェムトＨを呈することが決定される。
【実施例２】
【００８６】
ナノコンデンサ光学回路素子
Ａｕ２Ｓを使って半径Ｒ＝３０ｎｍを有する球体形状の３次元粒子を形成する。波長λ０＝６３３ｎｍにおいて、銀の誘電率は
【００８７】
【数１８】
【００８８】
になる。波長λ０＝６３３ｎｍを有する光の照射時、この球体が呈するナノコンデンサはＣｓｐｈ＝４．５３アトＦと決定される。
【実施例３】
【００８９】
左手系ナノスケール伝送線路
左手系（ＬＨ）ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まず非プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合が可能な十分小さい距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記非プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層上に、プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第１の均一な層と同様、隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一なプラズモニックナノ粒子の層の上に、非プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第１の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が分路ナノインダクタおよび直列ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する負指数の（すなわち左手系（ＬＨ））伝送線路を形成する。
【実施例４】
【００９０】
右手系ナノスケール伝送線路
右手系（ＲＨ）ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まずプラズモニックナノ粒子の第１の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層上に、非プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第１の均一な層と同様、隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一な非プラズモニックナノ粒子の層の上に、プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第１の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が直列ナノインダクタおよび分路ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する従来の（別称、右手系（ＲＨ））伝送線路を形成する。
【００９１】
特に別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての科学技術用語は、本発明が帰属する分野の当業者に一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で説明した方法および材料と類似した、または等価なものは、本発明の実施または試験に使用しうるが、以下では適切な方法および材料について説明する。この明細書で触れる刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、すべて参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする。何らかの競合が生じた場合は、本明細書（定義を含む）が最優先となる。また、材料、方法、および例は例示的なものであり限定を意図したものではない。
【００９２】
また当業者であれば、本発明には、本発明の範囲内で他に多くの変更（修正）形態が可能であることが理解されるであろう。例えば、ナノ粒子はプラズモニック材料および非プラズモニック材料の組み合わせを有することが可能である。ただし、これは複数セグメントのプラズモニック材料および非プラズモニック材料を伴ったナノ粒子を有することと同様である。このようなナノ粒子は、インダクタおよびコンデンサの組み合わせとして機能できる。このため、本発明の範囲は、上記の好適な実施形態にではなく、添付の特許請求の範囲にのみ限定されるよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
本発明は、添付の図面を参照することで、以下の発明に関する詳細な説明から明確に理解されるであろう。
【図１】図１は、光波と個々のナノスフェアとの相互作用を利用した、光（または赤外線）領域における基本的なナノスケール回路を例示したものである。
【図２】図２は、隣接しあった２つのナノスフェア間の光波相互作用を使って光領域で結合されたナノスケール回路を例示したものである。
【図３】図３は、並列および直列双方のナノ素子を例示したものである。
【図４】図４は、考えられる２つのバージョンのナノ回路を例示したものである。
【図５】図５は、右手系（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＲＨ）および左手系（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＬＨ）のナノ伝送線路の形態のナノ回路を例示したものである。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、出願日２００４年６月１８日の米国仮特許出願第６０／５８１，０１６号（参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする）に基づく利益を主張するものである。
【０００２】
連邦政府の資金援助を受けた研究開発の記載
本明細書に記載された本発明は、米国国防総省国防高等研究事業局（Ｄｅｆｅｎｓｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｇｅｎｃｙ：ＤＡＲＰＡ）助成金第ＨＲ００１１−０４−Ｐ−００４２号および米国空軍科学研究局（Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ：ＡＦＯＳＲ）助成金第Ｆ４９ＰＲＥ−０３−１−０４３８号の資金により一部もたらされたものであり、米国政府は本発明において一定の権利を有しうる。
【０００３】
本発明は、プラズモニックナノ構造および非プラズモニックナノ構造を使ったＩＲ（赤外線）および可視領域で作用する回路および回路素子と、それらを形成する方法とに関する。
【背景技術】
【０００４】
従来の回路は、低い周波数領域、すなわちＲＦ以下の周波数範囲で動作することが知られている。従来の回路は、明確に識別された周知の回路素子を有している。このような回路素子には動作波長よりはるかに小さいものも含まれるため、結果としてこのような小サイズの限界でマクスウェル方程式を「近似」した回路理論が応用されている。
【０００５】
ここで指摘すべきことは、ＲＦ以下の周波数で従来使用されている回路構成の成分概念を単にスケーリングしても遠赤外線以上の周波数には適用できないことである。ＲＦ以下の周波数における従来の回路は、集中素子および金属ワイヤーに沿って循環する伝導電流に依存している。しかしながら、赤外線および光の周波数サイズでは、導電性の金属材料は非常に異なる挙動を呈するため、金属材料をこの周波数まで単純にスケールダウンすることはできない。
【０００６】
このため、光（可視光）および赤外線領域で機能する回路および回路素子はいまだに必要とされている。さらに、例えば生物回路、ナノ光学装置、光情報ストレージ、バイオフォトニクス装置、分子シグナリング装置といった光回路および光回路素子を利用した製品も必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の幾つかの態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を含んでいる。これらの回路素子は、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を有し、当該プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。
【０００８】
本発明は、他の態様において、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を含み、このような回路は、複数のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を堆積させた基板を有する。また、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に当該粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されている。
【０００９】
並列共振回路は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている本発明の回路を使って提供され、プラズモニック材料で形成された第１の部分および非プラズモニック材料で形成された第２の部分を有した３次元融合粒子を有する。前記融合粒子は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面を有し、この界面は、適用される光または赤外線の周波数により生成される光場に平行である。当業者であれば、光場が電磁場の一種であること、またこれらの用語が、本発明の実施形態を説明する上でしばしば同義的に使用されることが理解されるであろう。例えば本明細書で説明するように、可能性として２若しくはそれ以上の粒子は「結合」し、より具体的には「光結合」し、あるいは「光結合」により接続されうる。通常、ＩＲ領域および可視領域（特に可視領域）において、電磁場は具体的に「光場」として認識されるものである。
【００１０】
直列共振回路も、光または赤外線の周波数で機能するようになっている本発明の回路を使って提供され、この直列共振回路も、プラズモニック材料で形成された第１の部分および非プラズモニック材料で形成された第２の部分を有した３次元融合粒子を有する。前記融合粒子は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面を有し、この界面は、適用される光または赤外線の周波数により生成される光場に垂直である。
【００１１】
本発明によると、光または赤外線の周波数で機能するようになっているナノスケール回路を提供でき、このような回路は、プラズモニック材料または非プラズモニック材料から成る複数のナノ粒子を含む。前記複数のナノ粒子は、隣接した当該ナノ粒子が光結合用に十分近接しあうよう基板上に堆積させてある。前記ナノスケール回路は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されている。例えば、この所定の回路機能は、右手系伝送線路機能または左手系伝送線路機能でありうる。
【００１２】
本発明の他の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法を含み、この方法は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有するプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の少なくとも一方を、基板に堆積させる工程と、光または赤外線の周波数において、プラズモニック粒子にインダクタとして機能させ、かつ非プラズモニック粒子にコンデンサ（キャパシタ）として機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程とを有する。他の特定の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法を含み、この方法は、回路素子を形成する工程と、追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜５を参照して本発明を詳しく説明する。当業者であれば、これらの図に関する本明細書の説明が例示目的のみのものであり、添付の請求項により決定される本発明の範囲を限定するよう意図されたものでは一切ないことが理解できるであろう。
【００１４】
定義
本明細書における用語「を有する」、「を含む」、またはこれらのいかなる類似表現も、非排他的な包含を意図したものである。例えば、要素リストを有する工程、方法、物品、または装置は、必ずしも記載された要素だけに限定されず、明示的に記載されなかった他の要素、または前記工程、方法、物品、または装置に固有の他の要素も含みうる。さらに、明示的に別段の断りがない限り、「または」は包含的ＯＲであり、排他的ＯＲではない。例えば、条件「ＡまたはＢ」は次のいずれかにより満たされる。Ａが真でＢは偽、Ａが偽でＢは真、およびＡもＢも真。
【００１５】
本明細書では、本発明の要素および構成要素を記述する際、不定冠詞「ａ」および「ａｎ」を使用している。これは単に便宜上の措置で、本発明の全体的な感覚をつかむためのものである。この記述は１つまたは少なくとも１つを包含すると理解すべきであり、単数表記であっても、明らかに別段の文意がない限りは複数の場合が含まれる。
【００１６】
本発明の粒子サイズを説明する場合の接頭辞「ナノ」は、全般的にナノメートル（１０−９ｍ）範囲のサイズを指すが、本明細書における「ナノ」は、適用される光信号または赤外線信号の波長より粒子サイズが実質的に小さい限り、ナノ範囲より大きいミクロン（１０−６ｍ）範囲のサイズも含む。
【００１７】
本明細書における用語「光または赤外線の周波数で機能するようになっている」は、マイクロ波領域など、より低い周波数で動作する導電性モデルの回路または回路素子と同様な特性を有する回路または回路素子を指して使われる。また用語「光回路」または「光回路素子」は、光または赤外線の周波数で機能するようになっているこれらの回路または回路素子と同じものを指して使われる。
【００１８】
本明細書における用語「適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい」は、真空中および材料中での動作波長よりはるかに小さいサイズを有する光学回路素子を形成する粒子を指して使われる。例えば、粒子が球体である実施形態では、
【００１９】
【数１】
【００２０】
および
【００２１】
【数２】
【００２２】
で（ここで、λ０は約３８０ｎｍ〜約１０μｍ）、これは一般に光およびＩＲの範囲内と理解される。
【００２３】
本明細書における用語「プラズモニック」、「プラズモニック粒子」、または「プラズモニック材料」は、実数部が負の誘電率εを有する金属材料、好ましくは貴金属を指して使用する。この結果、光信号とプラズモニック粒子が相互作用して表面プラズモン共鳴（共振）が起こり、これによりプラズモニック粒子が実効インダクタンスを呈する。一般に、ＡｇやＡｕなど貴金属のプラズマ周波数は可視または紫外線（ＵＶ）の領域になり、このためこれらの金属は光周波数でプラズモニック材料として振る舞う（誘電率の実数部が負になる）ことが知られている。当業者であれば、可視領域の金より銀の方が低損失であることが理解されるであろう。結果として、光信号とプラズモニックナノ粒子の相互作用には表面プラズモン共鳴が伴う（例えば、Ｃ．Ｆ．ＢｏｈｒｅｎおよびＤ．Ｒ．Ｈｕｆｆｍａｎ、「Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」（Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８３）、Ｂ．Ｌａｍｐｒｅｃｈｔ，ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７９、５１（２００１）を参照）。
【００２４】
用語「実効インダクタンス」とは、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解されるインダクタのインダクタンスと同様な特性を指す。
【００２５】
本明細書における用語「非プラズモニック」、「非プラズモニック粒子」、または「非プラズモニック材料」は、実数部が正の誘電率εを有する非金属材料、例えばＡｕ２Ｓや、ＳｉＯ２などの酸化物を指して使用する。このような粒子では、光信号とプラズモニック粒子が相互作用しても表面プラズモン共鳴は起こらず、結果的に非プラズモニック粒子が実効容量を呈する。用語「実効容量」は、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解されるコンデンサの容量と同様な特性を指す。
【００２６】
光回路に使われる用語「実効抵抗」または「抵抗」は、導電回路、例えばマイクロ波周波数で動作可能な回路の場で理解される抵抗と同様な特性を指す。プラズモニック粒子も非プラズモニック粒子も、虚数部が正の誘電率、すなわち実効抵抗を呈する誘電率を有しうる。
【００２７】
用語「異なる別の粒子［若しくは異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子］と光結合できるよう、当該粒子に近接して」は、隣接しあった２つの粒子間の光結合を可能にする距離を指す。この距離は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さいことが好ましい。隣接しあった粒子は、互いに融合することにより界面を形成することもある。上限として１０μｍの遠赤外線信号を考慮すると、約１ミクロンサイズの粒子が考えられる。本明細書における用語「光結合」または「結合」は、１つの粒子が隣接する粒子に及ぼす場の影響力の現象を指して使われる。すなわち、粒子間の相互作用は互いに従属しあう場の源として呈されうる。その一例として、各従属電流源の値は図２の隣接しあった一対の球形粒子と見ることができ、これは他のナノスフェアにわたる電位差の観点から明示的に導出できる。
【００２８】
本明細書における用語「界面」は、１粒子の２つの部分の間の２次元交点、または２粒子の融合を指して使われる。粒子が球体である例の場合、界面は平面になる。
【００２９】
例示的な実施形態
本発明は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子に関する。これらの回路素子は、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を有し、当該プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する。前記プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、実数部が負の誘電率を有することが好ましい。これらのプラズモニック粒子は、金属材料、好ましくは貴金属、より好ましくは銀または金から形成される。また、これらのプラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の照射時、虚数部が正の誘電率を有する。他方、前記非プラズモニック粒子は、非金属材料、好ましくはＡｕ２Ｓ、またはＳｉＯ２などの酸化物から形成される。また、これらの非プラズモニック粒子は、光および赤外線の周波数の適用時、実数部が正の誘電率を有することが好ましい。
【００３０】
プラズモニック粒子により生じるインダクタンスなど、前記プラズモニックまたは非プラズモニック粒子から形成されるこの回路素子の特徴は、当該プラズモニックまたは非プラズモニック粒子を表すサイズ、形状、および材料により決定される。例えば、ある種の光インダクタが望ましい場合は、プラズモニック粒子の形成に貴金属を選択できる。さらに、望ましい回路素子特性がわかっている場合、前記プラズモニック粒子の形状およびサイズは、本明細書で提供する式により決定できる。また光または赤外線の光源の波長は、望ましい粒子に選択したサイズ、形状、および材料に対し、適宜選択される。
【００３１】
さらに異なる別の例において、ある種の光コンデンサが望ましい場合は、前記非プラズモニック粒子の形成に、Ａｕ２Ｓ、またはＳｉＯ２などの酸化物といった非金属材料を選択できる。次いで、望ましい光容量を達成するための計算結果を使って前記サイズおよび形状、また使用する光源の波長を決定することができる。選択された光または赤外線の光源の適用時、前記プラズモニック粒子は共鳴を呈し、また前記非プラズモニック粒子は共鳴を呈さないことが好ましい。
【００３２】
さらに、本発明のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、前記光または赤外線の周波数の光源の適用時、電気回路抵抗と同様に機能できる。前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の抵抗機能は、当該粒子の誘電率の正の虚数部に起因しうる。双方のタイプの粒子を形成する材料は不動態化した材料で、抵抗は不動態化した材料でもある。当業者であれば、誘電率の虚数部の符号は関連する科学分野で使用されている規則に依存することが理解されるであろう。例えば物理分野では、不動態化した材料の誘電率は正の虚数部を有するが、電気工学分野では、同じ材料の誘電率が負の虚数部を伴って記述される。本明細書で採用する記述は、物理分野の規則に従っている。
【００３３】
本発明は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路も含み、この回路は、複数のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を堆積させた基板から成る。これらの堆積粒子は、前記プラズモニック粒子または前記非プラズモニック粒子である。また、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に当該粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されている。一部の実施形態では、隣接しあった一対の粒子は、互いに融合されることにより、その間に界面を形成する。この界面は実質的に平面状であることが好ましい。
【００３４】
本発明の一部の態様では、光または赤外線の周波数で機能するようになっている並列共振回路が提供され、この並列共振回路は、プラズモニック材料でできた第１の部分と、非プラズモニック材料でできた第２の部分とから成る３次元融合粒子から成り、光または赤外線の周波数により生じる光場は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成される界面に平行である。前記３次元融合粒子は、楕円形の断面を有することが好ましく、球体であることがより好ましい。前記３次元融合粒子が球体である場合、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【００３５】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている直列共振回路も提供され、この直列共振回路は、プラズモニック材料でできた第１の部分と、非プラズモニック材料でできた第２の部分を有する３次元融合粒子を有し、光または赤外線の周波数により生じる光場は、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成される界面に垂直である。前記３次元融合粒子は、楕円形の断面を有することが好ましく、球体であることがより好ましい。前記３次元融合粒子が球体である場合、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【００３６】
本発明の一部の実施形態において、前記複数の粒子は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されている。一部の実施形態は、所定の回路機能すなわち右手系伝送線路の機能を有し、別の一部の実施形態は、所定の回路機能すなわち左手系伝送線路の機能を有する。
【００３７】
本発明の他の態様は、光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法を含み、この方法は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の少なくとも一方を、基板に堆積させる工程と、光または赤外線の周波数において、前記プラズモニック粒子にインダクタとして機能させ、かつ前記非プラズモニック粒子にコンデンサ（キャパシタ）として機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程とを有する。
【００３８】
他の特定の態様において、本発明は、上記のように光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法を含み、この方法は、回路素子を形成する工程と、追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程とを有する。一部の実施形態において、光結合した前記粒子は融合しあうことにより、その粒子間に界面を形成する。
【００３９】
以下のナノスフェアは、例示目的のためだけに使用されている。この３次元形状は、光および赤外線の周波数における光エネルギーへの前記ナノ粒子の応答を決定する上で全体的な数学計算を簡略化するなどのため選択されたものである。当業者であれば、いかなる３次元形状のナノ粒子の特性を決定するにも以下の計算を適合できるため、すなわちいかなる構造のナノ粒子であっても光および赤外線の範囲の波長に応答するため、上記の特定３次元構造の使用は本発明を限定するよう意図したものではない。
【００４０】
半径Ｒのナノスフェアは、一般に複素数である誘電関数ε（ω）を伴う均質な材料から作製することができる。この球体は、真空および材料内での動作波長よりはるかに小さく、すなわち
【００４１】
【数３】
【００４２】
かつ
【００４３】
【数４】
【００４４】
とできる。入射電磁波Ｅ０は、単色励起ｅ−ｉωｔ下でこの球体を照らす。当該粒子がこの波長より小さいため、この球体近傍の散乱電磁場と、この球体内部の合計場とは、周知の時間調和、準静的アプローチを使って非常に良好な近似値で得られる。これにより、この球体内外の場について、それぞれ以下の近似表現が導かれる（Ｊ．Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ、Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ&Ｓｏｎｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９９）などを参照）。
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
【００４７】
ここで、
【数７】
【００４８】
は外部領域の誘電率、
【００４９】
【数８】
【００５０】
は球体中心から観測点までの位置ベクトル、そして
【００５１】
【数９】
【００５２】
である。この球体表面の各点において、変位電流−ｉωＤｎの法線成分は連続的であるため、次が示唆される。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
ここで、
【００５５】
【数１１】
【００５６】
はこの球体表面に垂直な外方へ向いた局所的な単位ベクトルである。この方程式において、Ｅｒｅｓ≡Ｅｉｎｔ−Ｅ０は、入射場が合計内部場から減算される場合の、ナノスフェア内部の残留場を表す。
【００５７】
半径Ｒのナノスフェアを図１に例示する。図１では、光領域でナノコンデンサおよびナノ抵抗の機能を提供するものとして、ε>０の非プラズモニック球体１を示している。また図１では、光領域でナノインダクタおよびナノ抵抗の機能を提供するものとして、ε<０のプラズモニック球体２も示している。入射電場３は、この粒子に作用している状態で黒い実線矢印で示されている。各ナノスフェアにより生じた周辺双極子電場４は、灰色の矢印を伴った細い力線として見られる。
【００５８】
Ｅ０は、図１で黒い矢印により示した入射電場３のように配向できる。式（３）を上半球表面について積分すると、式（３）の各関連項について「合計」変位電流が得られる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
式(4)に含まれる３つの項は、それぞれの機能に基づき、「印加変位電流源」（ｉｍｐｒｅｓｓｅｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ）Ｉｉｍｐ５、「ナノスフェア内の変位電流循環」（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ）Ｉｓｐｈ６、および「周辺（双極子）場の変位電流」（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｎｇｅ （ｄｉｐｏｌａｒ） ｆｉｅｌｄ）Ｉｆｒｉｎｇｅ７とそれぞれ命名されている。これらは、すべてこのナノスフェア表面上の、励起により誘導された分極電荷に関係している。変位電流の各項間の上記の関係は、図１に示したように、並列回路１０のノードにおける分流として解釈することができる。実際、上記で定義されるこのような電流は、式（４）で表されるキルヒホッフの電流法則に従う。この準静的近似では
【００６１】
【数１３】
【００６２】
が局所的にゼロに近づくため、キルヒホッフの電圧法則も満たされる。
【００６３】
図１に示した「ナノスフェア」の等価インピーダンスおよび回路の「周辺」分岐は、この球体の上半球表面と下半球表面との間の（Ｅｒｅｓによる）「平均」電位差の比として計算できる。
【００６４】
【数１４】
【００６５】
また、実効電流は式（４）で評価される。従って次を得る。
【００６６】
【数１５】
【００６７】
式（６）から、図１に示した回路の２つの並列素子は、ナノスフェアの誘電率の符号に従い、互いに異なる挙動をしうることが明らかにわかる。以下、２つの場合を考慮する。
【００６８】
ナノコンデンサとしての非金属（非プラズモニック）球体
この場合、εの実数部が正数であるため式（６）のＺｓｐｈは容量性となり、同時に誘電率の虚数部に関係した抵抗部分も有する。外部領域の誘電率は正であると仮定されるため、外部周辺のインピーダンスは常に容量性となる。これにより、光波長と比べて小さい非プラズモニックナノスフェアに等価なナノ回路は、図１の左下のように示すことができる。ここで、等価回路素子は、当該ナノスフェアのパラメータにより次のように表せる。
【００６９】
【数１６】
【００７０】
容量性素子は２つあるため、この場合共振は起こらない。これは光波および非プラズモニックナノスフェアの相互作用に関する共鳴の不在と一貫した事実である。
【００７１】
ナノインダクタとしての金属（プラズモニック）球体
この場合、球体は可視またはＩＲの領域におけるプラズモニック材料（例えばＡｇやＡｕなどの貴金属）で作製でき、結果的にこれらの周波数帯域におけるこの材料の誘電率の実数部は負の値となる。したがって、このナノスフェアの等価インピーダンス（式（６））は「負の容量性」となり、Ｒｅ［ε］<０である与えられた任意の周波数において、等価容量は「負」になることが示唆される。これは、Ａ．Ｋ．Ｓａｒｙｃｈｅｖ、Ｄ．Ａ．Ｇｅｎｏｖ、Ａ．Ｗｅｉ、およびＶ．Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍｅｄｉｕｍｓ ＩＶ、８１（２００３）；Ｇ．Ｖ．Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ、Ａ．Ｋ．Ｉｙｅｒ、およびＰ．Ｃ．Ｋｒｅｍｅｒ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ、５０、２７０２（２００２）；およびＮ．Ｅｎｇｈｅｔａ、Ｎ．Ｂｌｉｚｎｙｕｋ、Ａ．Ａｌｕ、Ａ．Ｓａｌａｎｄｒｉｎｏ、Ｄｉｇ．ＵＳＮＣ−ＵＲＳＩ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄｉｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ、Ｍｏｎｔｅｒｅｙ、ＣＡ、２７６（２００４）で説明されているように、正の実効「インダクタンス」として解釈できる。したがって、光波がプラズモニックナノスフェアと相互作用する場合の等価回路は、図１の右下のように表せる。
【００７２】
プラズモニック材料で形成された球体の等価回路素子は、次のように計算できる。
【００７３】
【数１７】
【００７４】
この場合、前記周辺コンデンサに並列したインダクタがあるため、この回路は共振を呈する。この共振は、Ａ．Ｋ．Ｓａｒｙｃｈｅｖ、Ｄ．Ａ．Ｇｅｎｏｖ、Ａ．Ｗｅｉ、およびＶ．Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍｅｄｉｕｍｓ ＩＶ、８１（２００３）で言及されているように、光波および金属ナノ粒子の相互作用に応答したプラズモニック共鳴に対応する。この回路の共振条件ＬｓｐｈＣｓｐｈ＝ω−２にナノスフェアＲｅ［ε］＝−２ε０に関する周知のプラズモン共鳴条件が必要なことは検証しうる（Ｃ．Ｆ．Ｂｏｈｒｅｎ、およびＤ．Ｒ．Ｈｕｆｆｍａｎ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ（Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８３））。
【００７５】
これにより、光（または赤外線）信号により励起されたナノスフェアは、この球体が非プラズモニック材料またはプラズモニック材料でそれぞれ作成されている場合、光周波数で「ナノコンデンサ」または「ナノインダクタ」として―導電回路で対応する各回路素子と同様に―効果的に振る舞いうる。材料誘電率の虚数部により等価ナノ抵抗が提供可能で、これらの抵抗は、誘電率に何らかの非ゼロ虚数部を有する限り、プラズモニック粒子であっても非プラズモニック粒子であってもよい。インダクタが通常「巻いたワイヤー（コイル）」の形態になる、より低周波数領域におけるインダクタの従来設計とは異なり、光および赤外線の領域で動作する本インダクタは、プラズモニック材料から成る単純構造で作製される。換言すると、光波長よりはるかに小さい寸法でワイヤーを巻く代わり、ここでは天然貴金属のプラズモニック特性が実効インダクタンスを提供し、その値は、ナノ構造のサイズ、形状、および材料含有量を適切に選択することで設計が可能である。これらパラメータを修正すると、望ましい実効インダクタンスの達成につながる。
【００７６】
以上で説明した光および赤外線の領域の回路素子は、回路の小型化に新しい可能性をもたらす。ＲＦ以下の周波数における従来の回路は、集中素子および金属ワイヤーに沿って循環する伝導電流に依存し、赤外線および光の周波数まで単純にスケールダウンすることはできない。これらの高周波では、導電性の金属材料が著しく異なる挙動を示すためである。ただし、光ナノ回路の基本素子としてプラズモニックナノ粒子および非プラズモニックナノ粒子を導入すると、その光ナノ回路内において事実上「変位」電流が同様に「循環」できるため、光周波数でも同様な機能を提供できるようになる。本質的には、光周波数で動作する３つの基本回路素子すなわちナノインダクタ、ナノコンデンサ、およびナノ抵抗を有することができ、これらは光波長でより複雑な回路をする際に設計の構成単位を形成する。
【００７７】
与えられた任意の波長および特定材料について、これらの光学回路素子の値は前記粒子のサイズおよび形状に直接依存し、例えばナノスフェアの場合はその半径から計算が行われる。ただし、設計に高い柔軟性（自由度）が望まれる場合、望ましい結果を達成するため操作できる３つの軸に対応して幾何学的パラメータが３つある場合は、インダクタンスであっても、容量であっても、抵抗であって、楕円形のナノ粒子など異なる構造のナノ粒子を使用することができる。
【００７８】
２つ以上のナノ粒子を有する本発明の態様、例えば半径Ｒ１およびＲ２、誘電率ε１およびε２で一定の距離ｄだけ離間された２つのナノスフェアの場合、場の分布を電磁解析すると、ここで考慮する準静的限界では、これらの構成は、それぞれが１つの球体を表す「結合された」ナノ回路１５として効果的に処理できることが示される。図２は、隣接しあった２つのナノスフェア間の光波相互作用を使って光領域で結合されたナノスケール回路を例示したものである。図の各回路には、所与のナノスフェアの容量性インピーダンスまたは誘導性インピーダンスと、周辺場に関係した容量性インピーダンスと、この球体への印加場を表す電流源とが含まれる。さらに、各回路は、１つの球体に隣接した他粒子の場の影響を表す従属電流源１６も必要とする。すなわち、これら粒子間の相互作用は、このような従属電流源１６により定義される。図２における各従属電流源の値は、上記の式と同様、他のナノスフェアにわたる電位差の観点から明示的に導出しうる。
【００７９】
これらのナノ粒子で並列または直列の回路素子を形成するには、それらを２つ（以上）非常に近接させ、照射電場に対し特定の配向で並置する必要がある。図３の上段は２つの融合粒子２０を示しており、これらは強固に対にされた、誘電率の異なる２つの半円筒から成るナノ粒子である。数学計算を簡略化するため、無損失の円筒を考慮する。電場照射時のこの融合構造の周囲の電位分布からは、複合回路素子としてのこの融合構造の挙動について有用な情報が得られる。図３の中段は、この構造内外の準静的電位分布および等電位面２１を示したものである。これらの等電位面２１は、実線で描かれている。この電位分布および等電位面２１は、２通りの電場を示しており、誘電率εおよび−εを有する２つの半円筒間の平面状界面に対し、一方は平行（左側）で、他方は垂直（右側）である（これら半円筒の直径は動作波長よりはるかに小さいと仮定されているため、ここでは電位分布の評価に近似時間調和準静的解析が行われ、より高次の項は考慮しなくともよい）。図３の中段左側で融合円筒付近にある前記等電位面２１は、当該融合円筒の外面に垂直になっており、この面での合計電場の法線成分がゼロになることを示唆している。しかし、実際にはこの円筒表面の頂部および底部の間に一定の電位差が存在する。この融合構造は、その外部からわかるように、周辺コンデンサに「並列」した並列共振ＬＣ回路（共振時、無限インピーダンスを有するため電流は正味ゼロになる）とみなすことができる。
【００８０】
同様に、図３中段右側の融合半円筒は２つの半円筒間の境界面に垂直な外部電場を有しており、外部から見た場合、「直列」共振ＬＣ回路とみなすことができる。しかし、この場合図の中段右側からわかるように、前記等電位面２１は前記融合円筒の表面と平行になるため、この構造の表面における電位差は事実上ゼロとなるが、変位電流はこの表面を出入りすることが示唆される。これらの例の共振動作は、（絶対値は等しいが）逆符号の誘電率を２つの半円筒として組み合わせた特定の選択によるものである。ただし異なるペアの場合は、組み合わせと、外部励起との配向に応じ、共振しない直列素子または並列素子として振る舞うことが考えられる。さらに、同様に組み合わせた他のナノ構造でも、類似した並列構成および直列構成に至りうる。
【００８１】
図の下段は、外部から見たこの融合構造を表す並列素子および直列素子を例示した等価回路を示している。前記並列共振ＬＣ回路２２は図３の回路図に示している（材料を無損失と仮定しているため等価抵抗は不在だが、追加は容易である）。前記直列共振ＬＣ回路２３も、図３の回路図に図示している。
【００８２】
図４は、３次元のプラズモニック材料または非プラズモニック材料いずれかの複数部分で形成されたナノスケール回路または光回路の２つの異なる実施形態を例示したものである。第１の実施形態である、矩形セグメント化した光回路２８は、プラズモニックセグメント３０および非プラズモニックセグメント３１の矩形ブロックとして図４に示している。第２の実施形態は、閉回路である同様なナノスケール回路、すなわち閉じたナノループ光回路２９を有し、図４のプラズモニックセグメント３０および非プラズモニックセグメント３１の弧状ブロックを有して示されている。この矩形セグメント化した光回路２８が（近接場走査型光学顕微鏡（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＮＳＯＭ）などの）光信号の局所電場により励起されると、前記プラズモニック「ブロック」３０および前記非プラズモニック「ブロック」３１は、（回路図の簡略化のため図示していない一部のナノ抵抗とともに）ナノインダクタ３２およびナノコンデンサ３３としてそれぞれ作用するため、この構造は、図４に示したより複雑な回路３４として動作する。このようなナノスケールの複雑な回路３４は、実際、プラズモニックナノバーコードおよびプラズモニックデータ格納システムとして振る舞う。ナノループ光回路２９がある時点でＮＳＯＭにより励起されるとこのループに沿った変位電流は等価なインダクタおよびコンデンサにより形成された回路内の電流として振る舞うことが推測される。また、光回路は分子などの生物素子とインターフェース連結でき、これら生物素子は回路内で前記プラズモニック素子３０または非プラズモニック素子３１の代わりになり、光または赤外線光に対するこの光回路の全体的な応答に寄与する。生物素子がその回路に与える効果を求めることにより、その特定の生物素子に関する情報を決定することができる。
【００８３】
光回路の一部の例では、光ナノ伝送線路を形成するため、光周波数におけるナノインダクタおよびナノコンデンサが適切に構成される。図５の上段は、分布（または集中）インダクタ素子および分布（または集中）コンデンサ素子を使った従来のＬＨ伝送線路４０およびＲＨ伝送線路４１を回路図として示したものである。図５の中段はナノスケールの複雑な回路を例示したもので、この回路は、左手系（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＬＨ）ナノスケール伝送線路４２または右手系（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＲＨ）ナノスケール伝送線路４３の伝送形態で、ナノインダクタおよびナノコンデンサとしてそれぞれ機能するプラズモニックナノ構造および非プラズモニックナノ構造を有する。この構成に直列ナノインダクタおよび分路ナノコンデンサが伴うと、優勢な遇モードの場合、光周波数における従来の（別称、右手系（ＲＨ））伝送線路４３がもたらされる。ただし、前記分路ナノインダクタおよび直列ナノコンデンサを使うと、負指数の（すなわち左手系（ＬＨ））伝送線路４２を光領域で合成することができる。これは、Ｇ．Ｖ．Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ、Ａ．Ｋ．Ｉｙｅｒ、およびＰ．Ｃ．Ｋｒｅｍｅｒ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ、５０、２７０２（２００２）およびＬ．Ｌｉｕら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、９２、５５６０（２００２）でのマイクロ波に関する説明と同様である。これは、光周波数におけるサブ波長を重視した興味深い効果につながりうる。平面状のＲＨ構造およびＬＨ構造は、アプローチこそ異なるが、Ｇ．Ｓｈｖｅｔｓ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．６７、０３５１０９（２００３）で提案されている平面状構造と一貫性がある。前記ナノ粒子間の距離は、隣接しあったナノ粒子間の距離がゼロで、本質的に融合したナノ粒子の層を形成するほぼ均一な層が存在する程度まで狭めることができる。これは結果的に、前方および後方への伝搬特性を伴う交互積層構造を形成したプラズモニック層および非プラズモニック層となる。図５の下段は、代表的なＬＨナノスケール伝送線路４４と、それに対応したＲＨナノスケール伝送線路４５とを示したものである。
【００８４】
実施例
以下の例は、本発明の態様の実施形態をより詳しく例示するため提供するものである。これらの例は例示的なものであって、本発明を限定するよう意図したものではない。
【実施例１】
【００８５】
ナノインダクタ光学回路素子
銀を使って半径Ｒ＝３０ｎｍを有する球体形状の３次元粒子を形成する。波長λ０＝６３３ｎｍにおいて、銀の誘電率はεＡｇ＝（−１９＋ｉ０．５３）ε０になることが知られている（Ｐ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、およびＲ．Ｗ．Ｃｈｒｉｓｔｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、６、４３７０（１９７２）を参照）。式（８）から、この粒子は、波長λ０＝６３３ｎｍを有する光の照射時、ナノインダクタＬｓｐｈ＝７．１２フェムトＨを呈することが決定される。
【実施例２】
【００８６】
ナノコンデンサ光学回路素子
Ａｕ２Ｓを使って半径Ｒ＝３０ｎｍを有する球体形状の３次元粒子を形成する。波長λ０＝６３３ｎｍにおいて、銀の誘電率は
【００８７】
【数１８】
【００８８】
になる。波長λ０＝６３３ｎｍを有する光の照射時、この球体が呈するナノコンデンサはＣｓｐｈ＝４．５３アトＦと決定される。
【実施例３】
【００８９】
左手系ナノスケール伝送線路
左手系（ＬＨ）ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まず非プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合が可能な十分小さい距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記非プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層上に、プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第１の均一な層と同様、隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一なプラズモニックナノ粒子の層の上に、非プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第１の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が分路ナノインダクタおよび直列ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する負指数の（すなわち左手系（ＬＨ））伝送線路を形成する。
【実施例４】
【００９０】
右手系ナノスケール伝送線路
右手系（ＲＨ）ナノスケール伝送線路の形態のナノ回路は、まずプラズモニックナノ粒子の第１の均一な層を基板に堆積させて形成する。隣接しあったプラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。この分離距離は、この層全体にわたり保つ。次いで、前記プラズモニックナノ粒子の第１の均一な層上に、非プラズモニックナノ粒子の均一な層を構成する。前記第１の均一な層と同様、隣接しあった非プラズモニックナノ粒子同士は、光結合を可能にする十分小さな距離だけ分離する。また、この分離距離は、この層全体にわたり保つ。この均一な非プラズモニックナノ粒子の層の上に、プラズモニックナノ粒子の異なる別の均一な層を堆積させる。この層の特性は、前記第１の均一な層の特性と同様なものである。これらの交互の層が直列ナノインダクタおよび分路ナノコンデンサを生成し、これにより光領域で作用する従来の（別称、右手系（ＲＨ））伝送線路を形成する。
【００９１】
特に別段の定義がない限り、本明細書で使用するすべての科学技術用語は、本発明が帰属する分野の当業者に一般に理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で説明した方法および材料と類似した、または等価なものは、本発明の実施または試験に使用しうるが、以下では適切な方法および材料について説明する。この明細書で触れる刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献は、すべて参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする。何らかの競合が生じた場合は、本明細書（定義を含む）が最優先となる。また、材料、方法、および例は例示的なものであり限定を意図したものではない。
【００９２】
また当業者であれば、本発明には、本発明の範囲内で他に多くの変更（修正）形態が可能であることが理解されるであろう。例えば、ナノ粒子はプラズモニック材料および非プラズモニック材料の組み合わせを有することが可能である。ただし、これは複数セグメントのプラズモニック材料および非プラズモニック材料を伴ったナノ粒子を有することと同様である。このようなナノ粒子は、インダクタおよびコンデンサの組み合わせとして機能できる。このため、本発明の範囲は、上記の好適な実施形態にではなく、添付の特許請求の範囲にのみ限定されるよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
本発明は、添付の図面を参照することで、以下の発明に関する詳細な説明から明確に理解されるであろう。
【図１】図１は、光波と個々のナノスフェアとの相互作用を利用した、光（または赤外線）領域における基本的なナノスケール回路を例示したものである。
【図２】図２は、隣接しあった２つのナノスフェア間の光波相互作用を使って光領域で結合されたナノスケール回路を例示したものである。
【図３】図３は、並列および直列双方のナノ素子を例示したものである。
【図４】図４は、考えられる２つのバージョンのナノ回路を例示したものである。
【図５】図５は、右手系（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＲＨ）および左手系（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ：ＬＨ）のナノ伝送線路の形態のナノ回路を例示したものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する回路素子。
【請求項２】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子と光結合できるよう、前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子に近接して基板上に配置されるものである。
【請求項３】
請求項２記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子、または前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、互いに融合することにより、双方間に界面を形成する。
【請求項４】
請求項３記載の回路素子において、前記界面は実質的に平面状である。
【請求項５】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、実数部が負の誘電率を有するものである。
【請求項６】
請求項１記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、実数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項７】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の挙動は、ＲＦまたはマイクロ波の周波数範囲における電気回路素子の挙動を表す関数と同様、光または赤外線の周波数範囲における関数で表される。
【請求項８】
請求項７記載の回路素子において、前記関数は、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子のサイズ、形状、または前記プラズモニック粒子若しくは非プラズモニック粒子を形成する材料により決定されるものである。
【請求項９】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてインダクタとして機能するものである。
【請求項１０】
請求項９記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は貴金属から成る。
【請求項１１】
請求項１０記載の回路素子において、前記貴金属は銀または金である。
【請求項１２】
請求項１０記載の回路素子において、前記貴金属は銀である。
【請求項１３】
請求項１０記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴（共振）を呈するものである。
【請求項１４】
請求項１記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてコンデンサ（キャパシタ）として機能するものである。
【請求項１５】
請求項１４記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
【請求項１６】
請求項１５記載の回路素子において、前記非金属材料はＳｉＯ２である。
【請求項１７】
請求項１４記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さないものである。
【請求項１８】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲において抵抗として機能するものである。
【請求項１９】
請求項１８記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項２０】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているインダクタであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子
を有するインダクタ。
【請求項２１】
請求項２０記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は貴金属から成るものである。
【請求項２２】
請求項２１記載のインダクタにおいて、前記貴金属は銀または金である。
【請求項２３】
請求項２０記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈するものである。
【請求項２４】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているコンデンサであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置された非プラズモニック粒子
を有するコンデンサ。
【請求項２５】
請求項２４記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
【請求項２６】
請求項２４記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さない。
【請求項２７】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっている抵抗であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する抵抗。
【請求項２８】
請求項２７記載の抵抗において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項２９】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路であって、
プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子である複数の粒子を堆積させた基板
を有し、
前記粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有し、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に前記粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されているものである、
回路。
【請求項３０】
請求項２９記載の回路において、前記隣接しあった前記粒子のペアは、双方間の界面を形成するよう互いに融合するものである。
【請求項３１】
請求項３０記載の回路において、前記界面は実質的に平面状である。
【請求項３２】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有するプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を、基板に堆積させる工程と、
光または赤外線の周波数において、プラズモニック粒子をインダクタとして機能させ、かつ非プラズモニック粒子をコンデンサとして機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程と
を有する方法。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法において、前記エネルギーを適用する工程により、プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数で抵抗として機能するものである。
【請求項３４】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法であって、
請求項３０記載の方法に従って回路素子を形成する工程と、
追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程と
を有する方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、前記距離は１μｍ未満である。
【請求項３６】
請求項３４記載の方法において、光結合した前記粒子は融合して当該粒子間に界面を形成するものである。
【請求項３７】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている並列共振回路であって、
プラズモニック材料の第１の部分および非プラズモニック材料の第２の部分から成る３次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面と平行な方向に適用されるものである
並列共振回路。
【請求項３８】
請求項３７記載の並列共振回路において、前記３次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
【請求項３９】
請求項３７記載の並列共振回路において、前記３次元融合粒子は球体である。
【請求項４０】
請求項３９記載の並列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【請求項４１】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている直列共振回路であって、
プラズモニック材料の第１の部分および非プラズモニック材料の第２の部分から成る３次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面に垂直な方向に適用されるものである、
直列共振回路。
【請求項４２】
請求項４１記載の直列共振回路において、前記３次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
【請求項４３】
請求項４１記載の直列共振回路において、前記３次元融合粒子は球体である。
【請求項４４】
請求項４３記載の直列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【請求項４５】
光または赤外線の周波数で機能するようになっているナノスケール回路であって、
プラズモニック材料または非プラズモニック材料から成る複数のナノ粒子であって、隣接する当該ナノ粒子が光結合用に十分近接しあうよう基板上に堆積させた複数のナノ粒子
を有し、
前記ナノ粒子は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されているものである、
ナノスケール回路。
【請求項４６】
請求項４５記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、右手系伝送線路機能である。
【請求項４７】
請求項４５記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、左手系伝送線路機能である。
【請求項１】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する回路素子。
【請求項２】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子と光結合できるよう、前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子に近接して基板上に配置されるものである。
【請求項３】
請求項２記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子、または前記異なる別のプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、互いに融合することにより、双方間に界面を形成する。
【請求項４】
請求項３記載の回路素子において、前記界面は実質的に平面状である。
【請求項５】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、実数部が負の誘電率を有するものである。
【請求項６】
請求項１記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、実数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項７】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子の挙動は、ＲＦまたはマイクロ波の周波数範囲における電気回路素子の挙動を表す関数と同様、光または赤外線の周波数範囲における関数で表される。
【請求項８】
請求項７記載の回路素子において、前記関数は、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子のサイズ、形状、または前記プラズモニック粒子若しくは非プラズモニック粒子を形成する材料により決定されるものである。
【請求項９】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてインダクタとして機能するものである。
【請求項１０】
請求項９記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は貴金属から成る。
【請求項１１】
請求項１０記載の回路素子において、前記貴金属は銀または金である。
【請求項１２】
請求項１０記載の回路素子において、前記貴金属は銀である。
【請求項１３】
請求項１０記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴（共振）を呈するものである。
【請求項１４】
請求項１記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲においてコンデンサ（キャパシタ）として機能するものである。
【請求項１５】
請求項１４記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
【請求項１６】
請求項１５記載の回路素子において、前記非金属材料はＳｉＯ２である。
【請求項１７】
請求項１４記載の回路素子において、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さないものである。
【請求項１８】
請求項１記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数範囲において抵抗として機能するものである。
【請求項１９】
請求項１８記載の回路素子において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項２０】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているインダクタであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子
を有するインダクタ。
【請求項２１】
請求項２０記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は貴金属から成るものである。
【請求項２２】
請求項２１記載のインダクタにおいて、前記貴金属は銀または金である。
【請求項２３】
請求項２０記載のインダクタにおいて、前記プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈するものである。
【請求項２４】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっているコンデンサであって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法を有する、基板上に配置された非プラズモニック粒子
を有するコンデンサ。
【請求項２５】
請求項２４記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は非金属材料から成る。
【請求項２６】
請求項２４記載のコンデンサにおいて、前記非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に共鳴を呈さない。
【請求項２７】
光または赤外線の周波数範囲で機能するようになっている抵抗であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有する、基板上に配置されたプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子
を有する抵抗。
【請求項２８】
請求項２７記載の抵抗において、前記プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、虚数部が正の誘電率を有するものである。
【請求項２９】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路であって、
プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子である複数の粒子を堆積させた基板
を有し、
前記粒子は、適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有し、隣接しあった前記粒子のペアは、光または赤外線の周波数のエネルギー適用時に前記粒子が光結合できるよう、十分小さい距離で互いから分離されているものである、
回路。
【請求項３０】
請求項２９記載の回路において、前記隣接しあった前記粒子のペアは、双方間の界面を形成するよう互いに融合するものである。
【請求項３１】
請求項３０記載の回路において、前記界面は実質的に平面状である。
【請求項３２】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路素子を形成する方法であって、
適用される光信号または赤外線信号の波長より実質的に小さい寸法をそれぞれ有するプラズモニック粒子または非プラズモニック粒子を、基板に堆積させる工程と、
光または赤外線の周波数において、プラズモニック粒子をインダクタとして機能させ、かつ非プラズモニック粒子をコンデンサとして機能させるよう、前記光または赤外線の周波数のエネルギーを適用する工程と
を有する方法。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法において、前記エネルギーを適用する工程により、プラズモニック粒子または非プラズモニック粒子は、光または赤外線の周波数で抵抗として機能するものである。
【請求項３４】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている回路を作製する方法であって、
請求項３０記載の方法に従って回路素子を形成する工程と、
追加粒子が光結合できるよう、当該追加粒子を十分小さい距離だけ離間してさらに前記基板上に堆積させる工程と
を有する方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、前記距離は１μｍ未満である。
【請求項３６】
請求項３４記載の方法において、光結合した前記粒子は融合して当該粒子間に界面を形成するものである。
【請求項３７】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている並列共振回路であって、
プラズモニック材料の第１の部分および非プラズモニック材料の第２の部分から成る３次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面と平行な方向に適用されるものである
並列共振回路。
【請求項３８】
請求項３７記載の並列共振回路において、前記３次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
【請求項３９】
請求項３７記載の並列共振回路において、前記３次元融合粒子は球体である。
【請求項４０】
請求項３９記載の並列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【請求項４１】
光または赤外線の周波数で機能するようになっている直列共振回路であって、
プラズモニック材料の第１の部分および非プラズモニック材料の第２の部分から成る３次元融合粒子
を有し、
光または赤外線の周波数により生成された光場が、前記第１の部分および前記第２の部分の間に形成された界面に垂直な方向に適用されるものである、
直列共振回路。
【請求項４２】
請求項４１記載の直列共振回路において、前記３次元融合粒子は楕円形の断面を有するものである。
【請求項４３】
請求項４１記載の直列共振回路において、前記３次元融合粒子は球体である。
【請求項４４】
請求項４３記載の直列共振回路において、前記界面は赤道であり、前記第１の部分は第１の半球で、前記第２の部分は第２の半球である。
【請求項４５】
光または赤外線の周波数で機能するようになっているナノスケール回路であって、
プラズモニック材料または非プラズモニック材料から成る複数のナノ粒子であって、隣接する当該ナノ粒子が光結合用に十分近接しあうよう基板上に堆積させた複数のナノ粒子
を有し、
前記ナノ粒子は、前記複数のナノ粒子の各々の特性に基づき所定の回路機能を果たすよう設計されているものである、
ナノスケール回路。
【請求項４６】
請求項４５記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、右手系伝送線路機能である。
【請求項４７】
請求項４５記載のナノスケール回路において、前記所定の回路機能は、左手系伝送線路機能である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００８−５０３７７６（Ｐ２００８−５０３７７６Ａ）
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５１６８２０（Ｐ２００７−５１６８２０）
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２１７８５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０９１２１５
【国際公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（５００４２９１０３）ザ・トラスティーズ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ペンシルバニア (102)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２０日（２００５．６．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０２１７８５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０９１２１５
【国際公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【出願人】（５００４２９１０３）ザ・トラスティーズ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ペンシルバニア (102)
【Ｆターム（参考）】
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