CN117136476A - 低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用物理封装以及物理封装系统 - Google Patents

低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用物理封装以及物理封装系统 Download PDF

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CN117136476A CN202280026652.5A CN202280026652A CN117136476A CN 117136476 A CN117136476 A CN 117136476A CN 202280026652 A CN202280026652 A CN 202280026652A CN 117136476 A CN117136476 A CN 117136476A
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辻成悟
高本将男
香取秀俊
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Jeol Ltd
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
Jeol Ltd
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers
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Abstract

高温槽(116)包含：光学窗，其设置在高温槽(116)的一端并使激光(132)通过；以及直角圆锥镜(102)，其设置在高温槽(116)的另一端且在顶点具有开口部(106)，将从光学窗入射的激光(132)在开口部(106)以外的部分朝向一端反射。磁场产生装置(112)在由直角圆锥镜(102)反射后的激光交叉的区域产生磁场。磁场梯度缓和模块(130)在开口部(106)产生使磁场产生装置(112)所产生的磁场的梯度缓和的缓和磁场。

Description

低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子 钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用 物理封装以及物理封装系统
技术领域
本发明涉及低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用物理封装以及物理封装系统。
背景技术
光晶格钟是本申请的发明人之一香取秀俊在2001年提出的原子钟。在光晶格钟中，将原子集团封闭在由激光形成的光晶格内，计测可见光区域的谐振频率，因此，能进行18位的精度的计测，远远超过现行的铯钟的精度。光晶格钟不仅由发明人团体进行了锐意研究开发，国内外的各种团体也进行了研究开发，正在发展为下一代原子钟。
关于最近的光晶格钟的技术，例如可举出下述专利文献1～3。在专利文献1中记载有在具有中空的通道的光波导的内部形成一维的移动光晶格。在专利文献2中记载有设定有效魔法频率的方案。实际上，利用锶、镱、汞、镉和镁等在理论上和实验上确定了魔法波长。另外，在专利文献3中记载有降低来自于从周围的壁放射出的黑体辐射的影响的辐射屏蔽件。
在光晶格钟中，由于以高精度进行时间计测，因此，能够将基于重力的广义相对论效应的地球上的1cm的高度差检测为时间进程上的偏离。因此，如果能够使光晶格钟小型化、便携化而在研究室外的现场使用，则可应用性会扩展到地下资源探测、地下洞穴、岩浆房检测等新的大地测量技术。通过将光晶格钟进行量产并配置在各地，连续监视重力势的时间变动，地壳变动检测、重力场的空间测绘等应用也成为可能。这样，光晶格钟被期待超出高精度的时间计测的界限而作为新的基础技术对社会做出贡献。
此外，近年来，正在推进使用了被激光冷却至绝对零度附近的低速原子的原子的精密计测装置的研究。在这样的精密计测装置中，高流量且高效地生成低速原子束是重要的。
作为可以考虑对生成低速原子束的装置即低速原子束生成装置进行使用的装置，可举出上述的光晶格钟。另外，冷却至极低温的中性原子近年来作为量子计算的量子比特(qubit：量子位)受到关注。在将冷却原子用作量子比特的量子计算机中，与使用固体或液体中的电子自旋或核自旋等其它量子比特的情况相比，不易受到周围的环境的影响。因此，能够长时间保持量子信息。另外，期待着能够使用玻色凝聚(Bose condensation)技术增加量子比特数量等优点。
此外，近年来，针对原子尝试了对多个不同的能量能级之间应用磁光阱法(Magneto-Optical Trap：MOT)。
在非专利文献1中记载了一种实验，其中同时使用针对钙(Ca)原子利用了从基态1S0向激发态1P1的跃迁的磁光阱、以及针对从1P1向作为亚稳态的3P2跃迁的原子利用了从3P2向3D3的跃迁的磁光阱。从作为亚稳态的3P2能级向3D3能级的跃迁具有狭窄的自然宽度，能够期待长寿命且冷却至低温。
在非专利文献2中记载了一种实验，其中同时使用针对镱(Yb)原子利用了从基态1S0向激发态1P1的跃迁的磁光阱、以及利用了从1S0向3P1的跃迁的磁光阱。前者的跃迁的自然宽度宽，后者的跃迁的自然宽度窄，通过同时使用它们，与使用单一跃迁的情况相比，能以比较低的磁场梯度捕获原子，能够期待装置的简单化和低成本化。
在非专利文献3中论述了在达成宽捕获速度范围和低冷却温度的两阶段冷却中，由于各个磁光阱的最佳磁场不同，因此难以通过同一MOT装置实现两阶段冷却。
在此，说明两阶段冷却。
在通过磁光阱捕获处于各能级的原子时，能够捕获的原子的加速度a0按照隔热条件如以下所示的式(1)那样记述。
[数学式1]
Δμ表示有效的磁矩，dB/dz表示磁梯度。所捕获的原子的多普勒温度TD如以下所示的式(2)那样记述。
[数学式2]
加速度a0和多普勒温度TD如以下所示的式(3)那样记述。
[数学式3]
由式(1)和式(3)导出以下所示的式(4)。
[数学式4]
当选定了用于原子冷却或原子捕获的跃迁时，跃迁的自然宽度(γ)即被确定。根据该自然宽度，由式(2)唯一地给出多普勒温度TD，由式(3)唯一地给出最大加速度，由式(1)唯一地给出磁场梯度。例如，如果想增大磁场梯度来缩短减速距离，则会使用自然宽度大的跃迁，其结果是，多普勒温度不得不变高。另外，例如，如果想降低多普勒温度，则会使用自然宽度小的跃迁，磁场梯度不得不变小。
当关注到最大加速度根据跃迁而不同时，如果在对多个能级应用磁光阱的同时，能够分别在不同的空间实现上述的(1)的内容和(2)的内容，并给出与各原子的能级相应的适当的磁场梯度，则能够期待高效地生成进一步冷却了的状态的原子束。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6206973号公报
专利文献2：特表2018-510494号公报
专利文献3：特开2019-129166号公报
非专利文献
非专利文献1：J.Grunert et.al“Sub-Doppler magneto-optical trap forcalcium”Phys.Rev.A 65(2002)041401
非专利文献2：A.Kawasaki et.al“Two-color magneto-optical trap withsmall magnetic field for ytterbium”J.Phys.B Mol Opt.Phys.48(2015)155302.
非专利文献3：Hidetoshi Katori.Tetsuya Ido.Yoshitomo Isoya.and MakotoKuwata-Gonokami.“Magneto-Optical Trapping and Cooling of Strontium Atoms downto the Photon Recoil Temperature”.Phys.Rev.Lett.82.1116.1999
发明内容
发明要解决的问题
如上述的非专利文献3所记载的那样，在现有的MOT装置的构成中，难以通过同一MOT装置实现两阶段冷却。
本发明的目的在于，在同一装置中实现针对处于某一能级的原子的磁光阱和针对处于与该能级不同的能级的原子的别的磁光阱。
用于解决问题的方案
本发明的1个方案是一种低速原子束生成装置，其特征在于，包含：高温槽，所述高温槽包含：原子源；光学窗，其设置在所述高温槽的一端并使激光通过；以及镜，其设置在所述高温槽的另一端且在顶点具有开口部，将从所述光学窗入射的激光在所述开口部以外的部分朝向所述一端反射；加热器，其通过加热所述高温槽，在所述高温槽内从所述原子源产生原子气体；磁场产生装置，其在由所述镜反射后的激光交叉的区域产生磁场；以及磁场梯度缓和模块，其在所述开口部产生使所述磁场产生装置所产生的磁场的梯度缓和的缓和磁场，通过使用由激光和磁场实现的磁光阱而由原子气体形成原子束，使原子束从所述开口部出射到外部。
根据上述构成，由磁场产生装置形成的磁场的梯度在开口部被磁场梯度缓和模块缓和。从而，形成强磁场梯度和弱磁场梯度，并由各个磁场梯度实现不同的磁光阱。也就是说，实现针对处于某一能级的原子的磁光阱和针对处于与该能级不同的能级的原子的别的磁光阱。根据上述构成，能够由同一低速原子束生成装置来实现这一点。
也可以是，所述磁场产生装置是形成磁场梯度的反亥姆霍兹线圈，所述缓和模块是具有与所述反亥姆霍兹线圈相似的形状且电流向与所述反亥姆霍兹线圈相反的朝向流动的线圈。
也可以是，所述磁场产生装置是形成磁场梯度的筒状的永久磁铁，所述缓和模块具有与所述筒状的永久磁铁相似的形状，在与所述筒状的永久磁铁相反的朝向上被磁化。
也可以是，所述磁场产生装置形成磁场梯度，所述缓和模块包括软磁铁，通过吸收其内部的磁通来缓和内部的磁场梯度。
也可以是，所述开口部形成在激光的轴上以外的场所。
也可以是，所述原子源例如为锶或镱。通过使用上述的构成，能生成锶或镱的低速原子束。锶或镱不过是一个例子，也可以使用在室温下饱和蒸气压低而无法得到充分的原子气体的其它元素。也可以根据所使用的元素改变加热器的设定温度。例如，通过将加热器的设定温度设定为可得到所使用的元素的原子气体的温度，能够得到这种元素的充分的原子气体。
所述高温槽例如具有2n(n＝2以上的整数)轴对称的直角圆锥状的形状、或者直角四棱锥状的形状。也就是说，高温槽可以具有圆筒状的形状，也可以具有多棱锥状的形状。
本发明的1个方案是一种物理封装，其特征在于，包含：上述的低速原子束生成装置；以及真空腔，其包围配置原子的时钟跃迁空间。
本发明的1个方案是一种光晶格钟用物理封装，其特征在于，包含该物理封装。
本发明的1个方案是一种原子钟用物理封装，其特征在于，包含该物理封装。
本发明的1个方案是一种原子干涉仪用物理封装，其特征在于，包含该物理封装。
本发明的1个方案是一种针对原子或离子化的原子的量子信息处理设备用物理封装，其特征在于，包含该物理封装。
本发明的1个方案是一种物理封装系统，包含：该物理封装；以及控制装置，其控制所述物理封装的动作。
发明效果
根据本发明，在同一装置中实现针对处于某一能级的原子的磁光阱和针对处于与该能级不同的能级的原子的别的磁光阱。
附图说明
图1是示出实施方式的光晶格钟的整体构成的框图。
图2是示意性地示出第1实施方式的低速原子束生成装置的构成的图。
图3是示意性地示出第1实施方式的低速原子束生成装置的构成的图。
图4是示出高温槽和磁场梯度缓和模块的立体图。
图5是示出高温槽和磁场梯度缓和模块的立体图。
图6是示出磁场分布的计算结果的图。
图7是示出磁场曲线的图。
图8是示出磁场曲线的图。
图9是示意性地示出第1实施方式的低速原子束生成装置的构成的图。
图10是示出能量跃迁的图。
图11是示意性地示出第2实施方式的低速原子束生成装置的构成的图。
具体实施方式
＜光晶格钟的构成＞
参照图1来说明使用本实施方式的低速原子束生成装置的光晶格钟(opticallattice clock)10的概略构成。图1是示出光晶格钟10的整体构成的框图。在此，作为对低速原子束生成装置进行使用的装置的一个例子，以光晶格钟10为例进行说明，但本实施方式的低速原子束生成装置当然也可以用于光晶格钟10以外的装置。
光晶格钟10例如包含：物理封装(physics package)12、光学系统装置14、控制装置16以及PC(Personal computer；个人计算机)18。
物理封装12是捕获原子集团并将其封闭在光晶格中引起时钟跃迁(clocktransition)的装置。光学系统装置14是具备原子捕获用激光源、时钟跃迁激发激光源、激光频率控制装置等光学设备的装置。光学系统装置14除了将激光发送到物理封装12之外，还进行接收在物理封装12中由原子集团释放出的荧光信号并将其转换为电信号且向激光源进行反馈以匹配原子的共振频率等的处理。控制装置16是控制物理封装12和光学系统装置14的装置。控制装置16例如进行物理封装12的动作控制、光学系统装置14的动作控制、以及通过计测而得到的时钟跃迁的频率解析等解析处理。通过物理封装12、光学系统装置14以及控制装置16相互协作，实现光晶格钟10的功能。
PC18是包含处理器和存储器的通用计算机。通过由包含处理器和存储器的硬件执行软件，实现PC18的功能。在PC18中安装有控制光晶格钟10的应用程序。PC18连接到控制装置16，可以不仅对控制装置16进行控制，还对包含物理封装12和光学系统装置14在内的整个光晶格钟10进行控制。另外，PC18提供光晶格钟10的UI(User Interface；用户接口)。用户能够经由PC18来进行光晶格钟10的启动、时间计测以及结果确认等。
此外，有时将包含物理封装12以及物理封装12的控制所需的构成的系统称为“物理封装系统”。控制所需的构成可以包含在控制装置16或PC18中，也可以包含在物理封装12中。另外，控制装置16的功能的一部分或全部也可以包含在物理封装12中。
以下，详细说明本实施方式的低速原子束生成装置。
＜第1实施方式的低速原子束生成装置的构成＞
参照图2来说明第1实施方式的低速原子束生成装置的构成。图2是示意性地示出第1实施方式的低速原子束生成装置100的构成的图。以下，将与低速原子束生成装置100的长边方向平行的轴称为Z轴。
低速原子束生成装置100大致包含高温部和室温部，是通过局部地形成梯度不同的磁场，实现针对处于某一能级的原子的磁光阱和针对处于与该能级不同的能级的原子的别的磁光阱的装置。
高温部包含：直角圆锥镜(mirror)102、光学窗104、开口部106、加热器108、试样110、磁场产生装置112、温度计114以及高温槽116。
室温部包含：凸缘(flange；法兰)118、热辐射屏蔽件120、隔热支撑杆122、冷却过滤窗124、耐真空窗126以及耐真空电连接器128。
高温部还包含磁场梯度缓和模块130。
高温槽116具有关于Z轴而成轴对称的形状。高温槽116例如具有关于Z轴而成2n(n＝2以上的整数)轴对称的形状。具体来说，高温槽116具有2n(n＝2以上的整数)轴对称的直角圆锥状的形状。高温槽116可以具有圆筒状的形状，也可以具有多棱锥状的形状。
高温槽116包含：成为原子源的试样110；光学窗104，其设置在高温槽116的一端并使激光通过；以及直角圆锥镜102，其设置在高温槽116的另一端。在高温槽116的内部形成有关于Z轴而成轴对称的空间，在其内表面上，以与设置在一端的光学窗104相对的方式设置有直角圆锥镜102。此外，在高温槽116具有关于Z轴而成4次轴对称的形状的情况下，设置直角四棱锥镜来代替直角圆锥镜102。直角圆锥镜102使从光学窗104入射到高温槽116的内部的空间内的激光(后述的激光132)朝向光学窗104反射。另外，在直角圆锥镜102的顶点形成有开口部106。开口部106是在其顶点开设的孔。由于顶点配置在Z轴上，因此，开口部106配置在Z轴上。如后所述，原子束从开口部106出射到高温槽116的外部。
温度计114设置在高温槽116的侧面，计测高温槽116的温度。温度计114例如是热电偶温度计或者是使用铂等的电阻温度计等。
在高温槽116的外周面设置有加热高温槽的加热器108以及产生磁场的磁场产生装置112。在磁场产生装置112的内侧设置有磁场梯度缓和模块130。关于磁场梯度缓和模块130将在后面详细说明。
磁场产生装置112使用磁光阱(MOT)法使高温槽116的内部产生用于捕获(trap：俘获)原子的磁场。磁场产生装置112可以设置在高温槽116的外周面，也可以设置在热辐射屏蔽件120的内表面。
磁场产生装置112例如是线圈。线圈例如是具有关于Z轴而成轴对称的形状并且电流相对于其中心轴反对称地流动的反亥姆霍兹线圈。通过使电流流过线圈，形成一样的梯度磁场。为了形成较大的梯度磁场，例如需要以较多的匝数卷绕具有粗直径的线以使较大的电流流过。当然，也可以使用这以外的线圈。
在高温槽116的设定温度为250℃以下的情况下，能耐受该温度的包覆铜线等被用作线圈。
当像高温槽116的设定温度为270℃等那样在高温的环境下使用低速原子束生成装置100的情况下，例如，无包覆的铜线被用作线圈。例如，使用由氧化铝制陶瓷等构成的线轴(bobbin)，在线轴上形成沟槽以使相邻的铜线彼此不接触，以该沟槽为引导件将铜线缠绕在线轴上。
作为另一例子，磁场产生装置112也可以是永久磁铁。永久磁铁例如是具有轴对称的环状且相对于其中心轴反对称地被磁化的成对的永久磁铁。作为另一例子，永久磁铁也可以是具有覆盖高温槽116的轴对称的圆筒状的形状并在矢径方向上被磁化的永久磁铁。当然，也可以使用它们以外的永久磁铁。由永久磁铁形成一样的梯度磁场。
另外，使用具有与设定温度相比足够大的居里温度的永久磁铁。例如，钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或锶陶瓷磁铁等被用作本实施方式的永久磁铁。
磁场产生装置112形成适合于直角圆锥镜102的四极磁场分布。高温槽116也可以具有直角四棱锥状的形状来代替直角圆锥状的形状。也就是说，也可以使用直角四棱锥镜来代替直角圆锥镜102。
作为另一例子，磁场产生装置112也可以是设置在高温槽116的包围2n(n＝2以上的整数)旋转对称轴的侧面上(高温槽116的外周面上)的、形状相等的2n(n＝2以上的整数)个长方形型或鞍型的线圈。例如，控制装置16通过使隔着2n旋转对称轴相互面对的线圈彼此的电流相互向相反方向流动，从磁场产生装置112产生二维四极磁场。
而且，作为又一例子，磁场产生装置112也可以是设置在高温槽116的包围2n旋转对称轴的侧面(高温槽116的外周面上)的、形状相等的2n个四棱柱状或圆弧柱状的永久磁铁(截面具有四边或圆弧形状的柱状的永久磁铁)。永久磁铁在与对称轴成角度的方向(包围对称轴的周向)上被磁化。另外，隔着2n旋转对称轴相互面对的永久磁铁彼此的磁化方向相互为相反方向。从而，形成四极磁场。
加热器108加热高温槽116以使高温槽116达到设定温度。例如，加热器108加热高温槽116的一部分或整体。通过加热器108的加热，原子源的状态从固相向气相转变，从而生成原子气体并释放到高温槽116的内部的空间。另外，通过加热器108的加热，能够防止原子气体碰撞到光学窗104或高温槽116的内壁等时再凝聚。使原子源的状态从固相向气相转变的作用不仅能通过加热器108实现，也能通过使用激光的烧蚀来实现。
试样110含有原子源，收纳在设置于高温槽116的内壁的侧面的小室中。可以通过开口部106放入和取出试样110，也可以通过拆开低速原子束生成装置、取下光学窗，从而放入和取出试样110。
高温槽116的材料使用在设定温度下高温槽116不与原子气体发生化学反应、不与原子气体合金化的材料。
高温槽116的温度被设定为使得试样110的饱和蒸气压与设置有试样110的环境的真空度相比足够大，高温槽116等被加热的部位的饱和蒸气压足够小。例如，在原子源为锶(Sr)的情况下，高温槽116的设定温度被设定为270℃。
直角圆锥镜102和高温槽116的材料例如是铝、涂敷有铝的金属、涂敷有铝的绝缘体、银、涂敷有银的金属、涂敷有银的绝缘体、SUS(不锈钢)、或者是涂敷有光学多层膜的玻璃等。绝缘体例如是陶瓷(例如高纯度氧化铝等)或玻璃。
直角圆锥镜102的材料可以是与高温槽116的材料相同的材料，也可以是与高温槽116的材料不同的材料。例如，在直角圆锥镜102的材料与高温槽116的材料相同的情况下，通过对作为直角圆锥镜102发挥功能的表面进行机械研磨，能够将其表面加工成镜面。在直角圆锥镜102的材料与高温槽116的材料不同的情况下，能够通过镀铝或镀银等对作为直角圆锥镜102发挥功能的表面进行涂敷。或者，也能够对作为直角圆锥镜102发挥功能的表面涂敷光学多层膜。
作为直角圆锥镜102和高温槽116的材料，例如使用在被加热至设定温度的状态下蒸气压低、在超高真空下释放气体量受到抑制的材料。作为直角圆锥镜102和高温槽116的材料，也可以使用在被加热至设定温度的状态下使直角圆锥镜102对于入射的激光(后述的激光132)具有充分的反射率、而且直角圆锥镜102的表面不与原子气体发生化学反应、不与原子气体合金化、能够保持充分的反射率的材料。另外，直角圆锥镜102的表面被研磨至使得直角圆锥镜102的表面粗糙度相对于入射的激光的波长足够小。
作为光学窗104的材料，使用在设定温度处维持透射性的材料(例如蓝宝石)。也可以在包括蓝宝石(sapphire)的光学窗104上形成能够在设定温度处维持透射性的膜。例如，也可以通过使用电子束蒸镀法在光学窗104上形成氧化钛合金/二氧化硅系多层层叠膜。
热辐射屏蔽件120是为了防止向配置在低速原子束生成装置100的周边的部件的热放射而设置的。热辐射屏蔽件120被设置为覆盖加热器108、磁场产生装置112以及高温槽116。也就是说，加热器108、磁场产生装置112以及高温槽116配置在被热辐射屏蔽件120包围的空间内。例如，使用表面的辐射率低的材料(例如，加工成镜面的铝、加工成镜面的不锈钢)。另外，也可以重叠设置多片热辐射屏蔽件120。例如，在使用双层片的情况下，通过由坡莫合金那样的具有高透磁率的物质构成外侧的片，能够兼作热辐射屏蔽件和电磁屏蔽件。
在Z轴上按光学窗104、冷却过滤窗124以及耐真空窗126的顺序配置有各窗。光学窗104与直角圆锥镜102相对地设置在高温槽116的一端。
耐真空窗126的材料例如是派莱克斯(Pyrex；注册商标)玻璃或石英玻璃等。另外，也可以在耐真空窗126的表面施以防反射涂层等能够维持透射性的膜。
冷却过滤窗124被施以提高来自高温部的辐射的光谱的中心波长处的反射率的涂层，并在光学窗104与耐真空窗126之间被设置在向光学窗104入射的激光的光路上，防止热从光学窗104向耐真空窗126流入。另外，也可以对冷却过滤窗124施以“针对向光学窗104入射的激光的”防反射涂层。冷却过滤窗124的材料例如是与耐真空窗126相同的材料。另外，也可以使用热射线截止过滤器(heat ray cutting filter)来代替冷却过滤窗124。
隔热支撑杆122设置为从高温槽116到凸缘118。作为隔热支撑杆122的材料，使用热传导度低的材料，以防止热从高温部向室温部流出，提高高温部的加热器的热效率，维持室温部的温度的稳定性。例如，氧化镁或滑石陶瓷等被用作隔热支撑杆122的材料。
耐真空电连接器128是用于在真空空间与大气空间之间收发电信号的气密连接器(hermetic connector)。耐真空电连接器128例如用于温度计114的信号的输入输出、向加热器108的电流的供应、以及向磁场产生装置112的电流的供应等。此外，为了便于说明，在图2中未示出配线。
凸缘118是用于将低速原子束生成装置100装配到光晶格钟10等原子钟装置或原子干涉仪(atominterferometer)装置等的物理封装、或者是装配到将原子用作量子比特的量子计算机装置的物理封装的构件。物理封装包含真空容器，低速原子束生成装置100的高温槽116在超高真空的环境下使用，高温槽116的内部被维持为超高真空。因此，凸缘118例如具有像金属垫圈方式等那样用于封闭真空的密封机构。此外，热有可能从高温部传到凸缘118。为了应对这一情况，也可以在凸缘118设置水冷机构。
以下，说明磁场梯度缓和模块130。磁场梯度缓和模块130设置在比磁场产生装置112靠内侧的位置(即，比磁场产生装置112更接近开口部106的位置)、且在Z轴方向上比磁场产生装置112窄的范围内，在开口部106及其周边使磁场产生装置112所产生的磁场的梯度缓和。另外，磁场梯度缓和模块130不配置在被高温槽116包围的区域、即形成有直角圆锥镜102的区域，而是配置在高温槽116。这样一来，激光132会不被磁场梯度缓和模块130遮挡地入射到直角圆锥镜102，并被直角圆锥镜102反射。
在高温槽116的内部形成有关于Z轴而成轴对称的空间。在图2所示的例子中，形成有虚线所示的区域A、B。区域A、B是被高温槽116包围的区域。区域B是比区域A更接近开口部106的区域，区域A是比区域B更远离开口部106的区域。
磁场产生装置112被设计为在高温槽116的内部的空间(即包含区域A、B的空间)形成尽可能一样的磁场梯度。磁场梯度缓和模块130被设计为不对区域A产生磁场的影响，在区域B局部地形成磁场梯度。也就是说，磁场梯度缓和模块130被设计为：比由磁场产生装置112形成磁场的、包含区域A、B的整个区域窄，在该整个区域的内侧的区域B形成磁场梯度。例如，磁场梯度缓和模块130以Z轴为轴中心设置在开口部106的周围，在区域B形成磁场梯度。
磁场梯度缓和模块130例如被设计为：具有与磁场产生装置112相似的形状，实现具有与由磁场产生装置112形成的磁极相反的符号的磁极。
例如，当磁场产生装置112是以Z轴为轴中心的反亥姆霍兹线圈的情况下，磁场梯度缓和模块130是具有与该反亥姆霍兹线圈相似的形状的反亥姆霍兹线圈，并以Z轴为轴中心设置在开口部106的周围。流过各线圈的电流的朝向被设定为使得电流在磁场产生装置112的反亥姆霍兹线圈与磁场梯度缓和模块130的反亥姆霍兹线圈中向彼此相反的朝向流动。也就是说，各线圈的电流的朝向被设定为使得在磁场梯度缓和模块130的反亥姆霍兹线圈中，电流向与流过磁场产生装置112的反亥姆霍兹线圈的电流的朝向相反的朝向流动。
作为另一例子，当磁场产生装置112是在矢径方向上被磁化的筒状的永久磁铁的情况下，磁场梯度缓和模块130是具有与该筒状的永久磁铁相似的形状的筒状的永久磁铁，并且是在与磁场产生装置112的永久磁铁相反的朝向上被磁化的永久磁铁。
而且，作为又一例子，磁场梯度缓和模块是坡莫合金等透磁率高的软磁铁。在图3中示出了使用软磁铁的低速原子束生成装置。图3所示的磁场梯度缓和模块130a是软磁铁。透磁率高的软磁铁吸收其周边的磁通(magnetic flux)。被吸收的部分的磁通会被缓和。例如，磁场梯度缓和模块130a包括环状的软磁铁，相对于磁场产生装置112所形成的四极磁场的中心，隔开与其半径相同程度的距离而配置。包括环状的软磁体的磁场梯度缓和模块也可以被配置为使得其轴平行于磁场产生装置112的中心轴并且彼此的中心点一致。
在图4中示出了将磁场梯度缓和模块装配到高温槽116的具体例子。图4是示出高温槽116和包括软磁铁的磁场梯度缓和模块130a的立体图。在高温槽116，在开口部106的周围形成有包围开口部106的槽116a。在该槽116a嵌入环状的磁场梯度缓和模块130a。也可以是，包括环状的永久磁铁的磁场梯度缓和模块130被嵌入到槽116a。
在图5中示出了另一具体例子。图5是示出高温槽116和包括软磁铁的磁场梯度缓和模块130a的立体图。在高温槽116，在开口部106的周围形成有包围开口部106的突起部116b。在该突起部116b嵌入环状的磁场梯度缓和模块130a。也可以是，包括环状的永久磁铁的磁场梯度缓和模块130被嵌入到突起部116b。
在图6中示出了磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130所形成的磁场分布的计算结果。计算结果A1、A2是磁场产生装置112所形成的磁场分布的计算结果。计算结果B1、B2是使用了包括并排的环状的2个软磁铁的磁场梯度缓和模块130的情况下的计算结果，并且是由磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130形成的磁场分布的计算结果。计算结果C1、C2是使用了包括筒状的软磁铁的磁场梯度缓和模块130的情况下的计算结果，并且是由磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130形成的磁场分布的计算结果。
计算结果A1、B1、C1示出了用色调(浓淡)表现磁场强度的磁场映射。计算结果A2、B2、C2示出了磁场的等高线。
在计算结果A1、A2中可知，例如在Z＝0(纵轴)处在半径方向(横轴)上形成间隔一样的等高线，形成有一样的磁场梯度。相对于此，在计算结果B1、B2、C1、C2中可知，虽然在远离中心的位置形成与计算结果A1、A2没有变化的等高线，但在中心附近形成有等高线稀疏的区域，即形成有磁场梯度得到了缓和的区域。
在图7中示出了与计算结果B1、B2对应的磁场曲线(profile)。在图8中示出了与计算结果C1、C2对应的磁场曲线。在图7、图8中的(a)以及(c)中，纵轴示出磁场，在(b)和(d)中，纵轴示出磁场的梯度。在图7、8中的(a)和(b)中，横轴示出半径方向的距离，在(c)和(d)中，横轴示出z轴方向的距离。
图7、图8中的曲线D1是由磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130形成的磁场曲线。曲线D2是不使用磁场梯度缓和模块130而仅由磁场产生装置112形成的磁场曲线。能够理解，通过使用磁场梯度缓和模块130，得以局部地缓和磁场梯度。
如上所述，通过设置磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130，在区域A形成强磁场梯度，在区域B形成弱磁场梯度。即，在区域B中，由磁场产生装置112形成的强磁场梯度被磁场梯度缓和模块130缓和，从而局部地形成弱磁场梯度。
以下，参照图2、图9和图10来说明低速原子束生成装置100的动作。图9是示意性地示出第1实施方式的低速原子束生成装置的构成的图。图10是示出能量跃迁的图。
如图2和图9所示，激光132从低速原子束生成装置100的外部透射过耐真空窗126向低速原子束生成装置100内入射。激光132具有圆偏振(例如σ+)。入射到低速原子束生成装置100内的激光132透射过冷却过滤窗124和光学窗104，在高温槽116内被直角圆锥镜102反射2次(参照附图标记136)。反射后的激光132具有与去路相反的圆偏振(例如σ-)，透射过光学窗104、冷却过滤窗124以及耐真空窗126，出射到低速原子束生成装置100的外部。
图2所示的激光134是推动(push)激光，沿着X轴从低速原子束生成装置100的外部透射过耐真空窗126入射到低速原子束生成装置100内。
通过由加热器108加热高温槽116，原子源被加热，从而，原子蒸发并释放到高温槽116的内部的空间。原子气体在高温槽116的内部使用磁光阱被捕获并冷却。
由磁场产生装置112在高温槽116的内部的空间(包含区域A和B的区域)形成磁场梯度磁场，并且由磁场梯度缓和模块130缓和区域B的磁场梯度。例如，形成图7或图8所示的磁场曲线D1所示的磁场和磁场梯度。
通过反射后的激光132以及由磁场产生装置112和磁场梯度缓和模块130形成的磁场，在高温槽116的内部形成捕获原子的捕获空间，从而实现捕获原子的磁光阱(MOT)。
参照图10来详细说明该磁光阱。首先，通过利用了附图标记140所指示的能量跃迁的磁光阱，原子被束缚在图2所示的区域A的中心轴上。被束缚于区域A的原子的一部分通过作为推动激光的激光134抵达区域B，被利用了图10中的附图标记142所指示的能量跃迁的磁光阱束缚，进而被冷却至低温。
也就是说，利用了从基态1S0向激发态1P1的跃迁的磁光阱、以及针对从1P1向作为亚稳态的3P2跃迁的原子利用了从3P2向3D3的跃迁的磁光阱在同一低速原子束生成装置100中被实现。从作为亚稳态的3P2能级向3D3能级的跃迁具有狭窄的自然宽度，能够期待长寿命且冷却至低温。
像这样使用磁光阱而被捕获并冷却后的原子通过作为推动激光的激光134从开口部106被输出到高温槽116的外部。由像这样输出的原子形成低速原子束。另外，热辐射屏蔽件120在Z轴上形成有开口部，从高温槽116出射到外部的低速原子束从形成于热辐射屏蔽件120的开口部向热辐射屏蔽件120的外部出射。
另外，根据低速原子束生成装置100，除了试样110之外，包括光学窗104在内的高温槽116的整体也被加热。因此，即使是在室温下饱和蒸气压低而无法得到充分的原子气体的元素，也能够通过利用加热提高饱和蒸气压而得到充分的原子气体。例如，使用锶作为原子源。通过使高温槽116被加热到270℃左右，即使是在锶被用作原子源的情况下，也能够得到充分的原子气体。另外，通过使用磁光阱，能够生成高流量的冷却原子束。此外，作为在室温下饱和蒸气压低的元素，也可以使用锶以外的元素。例如，也可以是镱(ytterbium)被用作原子源。
另外，由于加热后的高温槽116的周围除了输出低速原子束的开口部106以外都被热辐射屏蔽件120或冷却过滤窗124覆盖，因此，能够抑制高温部发出的热辐射。
关于低速原子束生成装置的小型化，在高温部与室温部之间承担主要热传导的隔热支撑杆122的长度是重要的参数。作为隔热支撑杆122的材料，若考虑到在UHV环境下脱气(outgas)的多少，则氧化镁(MgO)是适合的。从热释放的观点出发，优选隔热支撑杆122的根数为3根。当然，该根数不过是一个例子，也可以是3根以外的根数。作为高温槽116的材料，优选使用反射率高且不易与原子气体发生化学反应的铝。通过将作为轻金属的铝用作材料，能实现低速原子束生成装置的轻量化，另外，能减轻支柱的变形风险。
＜第2实施方式的低速原子束生成装置的构成＞
参照图11来说明第2实施方式的低速原子束生成装置的构成。图11是示意性地示出第2实施方式的低速原子束生成装置200的构成的图。
第2实施方式的低速原子束生成装置200包含高温槽202来代替第1实施方式的低速原子束生成装置100的高温槽116。低速原子束生成装置200的高温槽202以外的构成与低速原子束生成装置100的构成相同，因此，以下说明高温槽202的构成，省略关于高温槽202以外的构成的说明。此外，在图11中，作为磁场梯度缓和模块，示出了包括软磁体的磁场梯度缓和模块130a，但也可以使用磁场梯度缓和模块130。
在高温槽202的内表面，与第1实施方式同样地设置有直角圆锥镜102。在第2实施方式中，在直角圆锥镜102的顶点没有形成开口部106，在该顶点附近形成有在与Z轴正交的X轴上延伸的通道204。通道204在X轴上延伸并贯通高温槽202。
与第1实施方式同样，由磁场产生装置112在高温槽202的内部的空间(包含区域A、B的区域)形成梯度磁场，由磁场梯度缓和模块130a(或磁场梯度缓和模块130)缓和区域B的磁场梯度。
通过将光晶格光束照射到通道204内并使光晶格光束的波长略微变化，能够使光晶格在光晶格光束的行进方向上进行。通过由该移动光晶格形成的移动单元，能够使在区域B被捕获的原子在通道204内移动。在通道204内移动的原子从开口部206被输出到外部。由像这样输出的原子形成低速原子束。
根据第2实施方式，与第1实施方式的低速原子束生成装置100同样，能够在同一低速原子束生成装置200中实现两阶段冷却。另外，根据第2实施方式，具有用于磁光阱的激光132不会从开口部106泄漏到外部的优点。
＜物理封装12的构成＞
以下，说明本实施方式的光晶格钟的物理封装12。物理封装12包含：第1实施方式的低速原子束生成装置100、包围配置原子的时钟跃迁空间的真空腔、以及在真空腔6内实现磁光阱和时钟跃迁的机构。以下，说明物理封装12的动作。
在物理封装12中，真空腔的内部被真空化。由低速原子束生成装置100充分减速后的低速原子束从低速原子束生成装置100出射，并抵达真空腔内的磁光阱装置(MOT装置)。在MOT装置内，以捕获原子的捕获空间为中心，形成具有线性空间梯度的磁场，另外，照射MOT光。从而，原子在捕获空间被捕获。抵达MOT装置后的低速原子束在捕获空间被减速，从而，原子集团在捕获空间被捕获。另外，光晶格光束入射到捕获空间，被设置在真空腔内的光学谐振器反射，从而，形成在光晶格光束的行进方向上驻波绵延而成的光晶格势。原子集团被光晶格势捕获。
通过使波长略微变化，能够使光晶格在光晶格光束的行进方向上移动。通过由该移动光晶格形成的移动单元，原子集团被移动至时钟跃迁分光区域。其结果是，时钟跃迁空间从低速原子束的射束轴偏离开。
在时钟跃迁空间中，对原子照射光频受控的激光，进行时钟跃迁(即，成为时钟的基准的原子的共振跃迁)的高精度分光，计测原子固有且不变的频率。从而，实现准确的原子钟。此外，在无需使原子集团从捕获空间移动至时钟跃迁空间的情况下，也可以在捕获空间进行分光。
要想提高原子钟的精度，需要排除围绕着原子的扰动、准确读出频率。特别重要的是，除去由原子的热运动导致的多普勒效应所引起的频移。在光晶格钟中，通过利用由激光的干涉产生的光晶格将原子封闭在与时钟激光的波长相比足够小的空间内，来使原子的运动冻结。另一方面，在光晶格内，原子的频率会由于形成光晶格的激光而发生偏离。因此，通过选择被称为“魔法波长”或“魔法频率”的特定的波长和频率作为光晶格光束，来除去光晶格对共振频率造成的影响。
时钟跃迁的结果是，发出的光被光学系统装置14接收，并由控制装置16进行分光处理等，而求出频率。
也可以使用第2实施方式的低速原子束生成装置200来代替第1实施方式的低速原子束生成装置100。
在以上的说明中，将光晶格钟举作了例子。但是，若是本领域技术人员，则也能将各实施方式的技术应用于光晶格钟以外。具体来说，也能应用于光晶格钟以外的原子钟或者是作为使用了原子的干涉仪的原子干涉仪。例如，也可以构成包含实施方式的低速原子束生成装置和真空腔的原子钟用的物理封装、或原子干涉仪用的物理封装。另外，本实施方式也能应用于针对原子或离子化的原子的各种量子信息处理设备。量子信息处理设备是指使用原子或光的量子状态来进行计测、传感以及信息处理的装置，除了原子钟、原子干涉仪之外，还能够例示出磁场仪、电场仪、量子计算机、量子模拟器、量子中继器等。在量子信息处理设备的物理封装中，通过使用实施方式的技术，与光晶格钟的物理封装同样地能够达成小型化或便携化。此外，需要注意的是，在这种设备中，时钟跃迁空间有时不是以时间计测为目的的空间，而是仅仅被当作引起时钟跃迁分光的空间。
在这些设备中，通过使用各实施方式的低速原子束生成装置，能够使用在室温下饱和蒸气压低而无法得到充分的原子气体的元素。另外，能够实现这些设备的小型化和便携化。
在以上的说明中，为了容易理解，示出了具体的方案。但是，这些只是例示出实施方式，除此之外也能采取各种实施方式。
附图标记说明
10光晶格钟；12物理封装；14光学系统装置；16控制装置；100、200低速原子束生成装置；102、直角圆锥镜；104光学窗；106开口部；108加热器；110试样；112磁场产生装置；116高温槽；120热辐射屏蔽件；130、130a磁场梯度缓和模块；132、134激光。

Claims (15)

1.一种低速原子束生成装置，其特征在于，包含：
高温槽，所述高温槽包含：原子源；光学窗，其设置在所述高温槽的一端并使激光通过；以及镜，其设置在所述高温槽的另一端且在顶点具有开口部，将从所述光学窗入射的激光在所述开口部以外的部分朝向所述一端反射；
加热器，其通过加热所述高温槽，在所述高温槽内从所述原子源产生原子气体；
磁场产生装置，其在由所述镜反射后的激光交叉的区域产生磁场；以及
磁场梯度缓和模块，其在所述开口部产生使所述磁场产生装置所产生的磁场的梯度缓和的缓和磁场，
通过使用由激光和磁场实现的磁光阱而由原子气体形成原子束，使原子束从所述开口部出射到外部。
2.根据权利要求1所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述磁场产生装置是形成磁场梯度的反亥姆霍兹线圈，
所述缓和模块是具有与所述反亥姆霍兹线圈相似的形状且电流向与所述反亥姆霍兹线圈相反的朝向流动的线圈。
3.根据权利要求1所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述磁场产生装置是形成磁场梯度的筒状的永久磁铁，
所述缓和模块具有与所述筒状的永久磁铁相似的形状，在与所述筒状的永久磁铁相反的朝向上被磁化。
4.根据权利要求1所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述磁场产生装置形成磁场梯度，
所述缓和模块包括软磁铁，通过吸收其内部的磁通来缓和内部的磁场梯度。
5.根据权利要求1至权利要求4中的任意一项所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述开口部形成在激光的轴上以外的场所。
6.根据权利要求1至权利要求5中的任意一项所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述原子源为锶。
7.根据权利要求1至权利要求5中的任意一项所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述原子源为镱。
8.根据权利要求1至权利要求7中的任意一项所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述高温槽具有2n(n＝2以上的整数)轴对称的直角圆锥状的形状。
9.根据权利要求1至权利要求7中的任意一项所述的低速原子束生成装置，其特征在于，
所述高温槽具有直角四棱锥状的形状。
10.一种物理封装，其特征在于，包含：
权利要求1至权利要求9中的任意一项所述的低速原子束生成装置；以及
真空腔，其包围配置原子的时钟跃迁空间。
11.一种光晶格钟用物理封装，其特征在于，
包含权利要求10所述的物理封装。
12.一种原子钟用物理封装，其特征在于，
包含权利要求10所述的物理封装。
13.一种原子干涉仪用物理封装，其特征在于，
包含权利要求10所述的物理封装。
14.一种针对原子或离子化的原子的量子信息处理设备用物理封装，其特征在于，
包含权利要求10所述的物理封装。
15.一种物理封装系统，其特征在于，包含：
权利要求10所述的物理封装；以及
控制装置，其控制所述物理封装的动作。
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