JP2017152676A - 原子セルおよびその製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器、ならびに移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】コーティング層の剥離の可能性を低減することができる原子セルを提供する。
【解決手段】内部にアルカリ金属が充填される原子セルであって、内壁をコーティングし、第１分子により形成された第１コーティング層と、前記第１コーティング層をコーティングし、前記第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子により形成された第２コーティング層と、前記第２コーティング層をコーティングし、非極性の第３分子により形成された第３コーティング層と、を含み、前記第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である、原子セル。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子セルおよびその製造方法、量子干渉装置、原子発振器、電子機器、ならびに移動体に関する。

長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。

一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した方式と、に大別されるが、いずれの原子発振器も、アルカリ金属を封入したガスセル（原子セル）を備える。

例えば特許文献１には、ガスセルの内壁にＯＴＳ層を形成することにより、ガスセルの内壁表面の極性基の露出が軽減され、かつ、ＯＴＳ層の上にパラフィン層を形成することにより、ガスセル内壁の非緩和特性を高くすることができ、このようなガスセルを原子発振器に用いることが記載されている。

特開２０１３−１８１９４１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたガスセルでは、アルカリ金属がＯＴＳ層（コーティング層）に入り込み、該アルカリ金属によって内壁を構成する分子とコーティング層を構成する分子との結合が切れて、コーティング層が剥離することがあった。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、コーティング層の剥離の可能性を低減することができる原子セルを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、コーティング層の剥離の可能性を低減することができる原子セルの製造方法を提供することにある。本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記原子セルを含む、量子干渉装置、原子発振器、電子機器、移動体を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本適用例に係る原子セルは、
内部にアルカリ金属が充填される原子セルであって、
内壁をコーティングし、第１分子により形成された第１コーティング層と、
前記第１コーティング層をコーティングし、前記第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子により形成された第２コーティング層と、
前記第２コーティング層をコーティングし、非極性の第３分子により形成された第３コーティング層と、
を含み、
前記第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である。

このような原子セルでは、アルカリ金属がコーティング層に入り込んだとしても、該アルカリ金属によって内壁を形成する材料の分子と第１分子との結合が切れることを抑制することができる。したがって、このような原子セルでは、コーティング層の剥離の可能性を低減することができる。

［適用例２］
本適用例に係る原子セルにおいて、
前記第１分子は、タンタル酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、またはチタン酸化物であってもよい。

このような原子セルでは、第１分子が、アルカリ金属と置換反応することを抑制することができる。

［適用例３］
本適用例に係る原子セルにおいて、
前記第２分子は、アルキルシラン、アルコール、またはポリイミドであってもよい。

このような原子セルでは、第２コーティング層の配向性を高くすることができ、さらに、第３コーティング層の配向性も高くすることができる。したがって、このような原子セルでは、第２分子の間や第３分子の間にアルカリ金属が入り込むことを抑制することができる。

［適用例４］
本適用例に係る原子セルにおいて、
前記第３分子は、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはポリメチルペンテンであってもよい。

このような原子セルでは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテンは、パラフィンと比べて融点が高いため、第３分子がパラフィンである場合に比べて、第３コーティング層の融点が高く、高い耐熱性を有することができる。

［適用例５］
本適用例に係る原子セルにおいて、
前記第１分子は、タンタル酸化物であり、
前記第２分子は、オクタデシルトリメトキシシランであり、
前記第３分子は、ポリプロピレンであってもよい。

このような原子セルでは、例えば第２分子がオクタデシルトリクロロシランであり第３分子がポリエチレンである場合に比べて、取扱いが容易で、より高い耐熱性を有することができる。

［適用例６］
本適用例に係る原子セルの製造方法は、
内部にアルカリ金属が充填される原子セルの製造方法であって、
基材の内壁を、第１分子でコーティングすることによって第１コーティング層を形成する工程と、
前記第１コーティング層を、前記第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有
する第２分子でコーティングすることによって第２コーティング層を形成する工程と、
前記第２コーティング層を、非極性の第３分子でコーティングすることによって第３コーティング層を形成する工程と、
を含み、
前記第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である。

このような原子セルでは、コーティング層の剥離の可能性を低減することができる原子セルを製造することができる。

［適用例７］
本適用例に係る量子干渉装置は、
本適用例に係る原子セルと、
前記アルカリ金属を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記原子セルを透過した前記励起光を検出する光検出部と、
を含む。

このような量子干渉装置は、本適用例に係る原子セルを含むので、優れた信頼性を有することができる。

［適用例８］
本適用例に係る原子発振器は、
本適用例に係る原子セルと、
前記アルカリ金属を励起する励起光を出射する光出射部と、
前記原子セルを透過した前記励起光を検出する光検出部と、
を含む。

このような原子発振器は、本適用例に係る原子セルを含むので、優れた信頼性を有することができる。

［適用例９］
本適用例に係る電子機器は、
本適用例に係る原子セルを含む。

このような電子機器は、本適用例に係る原子セルを含むので、優れた信頼性を有することができる。

［適用例１０］
本適用例に係る移動体は、
本適用例に係る原子セルを含む。

このような移動体は、本適用例に係る原子セルを含むので、優れた信頼性を有することができる。

本実施形態に係る原子セルを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子セルを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子セルを模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る基材の内壁近傍の状態を説明するための図。 ＯＤＳとタンタル酸化物と基材の内壁との反応を説明するための図。 ポリプロピレンとＯＤＳとの反応を説明するための図。 本実施形態に係る原子セルの製造方法を説明するためのフローチャート。 本実施形態に係る原子セルの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子セルの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。 本実施形態に係る原子発振器の原子セル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図。 本実施形態に係る原子発振器において、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される検出強度と、の関係を示すグラフ。 本実施形態に係る電子機器を説明するための図。 本実施形態に係る移動体を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 原子セル
まず、本実施形態に係る原子セルについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子セル１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る原子セル１００を模式的に示す断面図であって、図１に示す領域Ａの拡大図である。図３は、本実施形態に係る原子セル１００を模式的に示す斜視図である。

原子セル１００は、図１〜図３に示すように、基材１０と、コーティング層２０と、を含む。コーティング層２０は、第１コーティング層２２と、第２コーティング層２４と、第３コーティング層２６と、を有している。原子セル１００は、例えば、原子発振器に用いられる。

基材１０は、胴部１２と、胴部１２を挟んで設けられた１対の窓部１４，１６と、を有している。胴部１２には、円柱状の貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３によって、原子セル１００の内部空間Ｓが形成されている。なお、貫通孔１３の断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形や五角形等の多角形、楕円等であってもよい。胴部１２の材質は、例えば、ガラス、水晶、金属、樹脂、シリコン等である。

窓部１４，１６は、貫通孔１３を塞ぐように、胴部１２を挟んで設けられている。窓部１４，１６の形状は、例えば、板状である。胴部１２および窓部１４，１６によって原子セル１００の内部空間Ｓが形成されている。内部空間Ｓには、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。内部空間Ｓには、ガス状のアルカリ金属が充填されている。なお、内部空間Ｓに封入されているアルカリ金属は、一部が気体状（ガス状）で存在し、残部が余剰分として液体状または固体状で存在していてもよい。また、内部空間Ｓには、必要に応じて、アルゴンやネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属とともに封入されていてもよい。

窓部１４，１６には、内部空間Ｓと連通する貫通孔１７が設けられている。貫通孔１７は、封止材１８によって封止されている。これにより、内部空間Ｓを気密に封止することができる。封止材１８の材質は、例えば、銀ロウ、Ａｕ／Ｓｎ合金等の金属、バナジウム系（Ｖ−Ｐ−Ｏ）等の低融点ガラスである。なお、図示はしないが、貫通孔１７は、窓部１４，１６のいずれか一方にのみ設けられていてもよい。

窓部１４，１６は、後述する原子発振器の光出射部から出射された励起光を透過する材
料で形成されている。該励起光は、気体状のアルカリ金属を励起する。窓部１４，１６は、極性基を有する化合物を含む材料により形成される。具体的には、窓部１４，１６は、石英ガラスやホウケイ酸ガラス等の材料により形成される。これらの材料は、珪素および酸素を含み（例えば珪素および酸素を主成分とし）、表面の珪素に極性基である水酸基が結合されている（図４参照）。すなわち、窓部１４，１６は、極性基を有する化合物を含む材料により形成されている。なお、胴部１２は、窓部１４，１６と同じ材料で形成されてもよい。

第１コーティング層２２は、基材１０の内壁１０ａの表面に設けられている。第１コーティング層２２は、少なくとも窓部１４，１６の内壁に設けられていればよいが、図１に示すように、窓部１４，１６の内壁および胴部１２の内壁に設けられていることが好ましい。さらに、図示はしないが、第１コーティング層２２は、封止材１８の内部空間Ｓ側の面に設けられていてもよい。第１コーティング層２２は、内壁１０ａをコーティングしている。第１コーティング層２２の厚さは、例えば、数十ｎｍである。

第１コーティング層２２は、金属酸化物である第１分子により形成される。第１分子は、例えば、タンタル酸化物（ＴａＯ_ｘ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ_ｘ）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ_ｘ）、またはチタニウム酸化物（ＴｉＯ_ｘ）である。図５に示すように、第１分子の酸素は、内壁１０ａを形成する材料の水酸基を置換し、第１分子の金属原子（図示の例ではタンタル）と、内壁１０ａを形成する材料の珪素と、を結合する。

第１コーティング層２２を形成する第１分子は、アルカリ金属と化学反応しない（具体的には置換反応しない）金属酸化物である。すなわち、第１分子の金属原子と、内壁１０ａを形成する材料の珪素と、を結合する第１分子の酸素は、アルカリ金属によって置換されない。これにより、コーティング層２０が内壁１０ａから剥離する可能性を小さくすることができる。

第２コーティング層２４は、第１コーティング層２２の表面に設けられている。第２コーティング層２４は、第１コーティング層２２をコーティングしている。第２コーティング層２４の厚さは、例えば、数ｎｍである。

第２コーティング層２４は、第１コーティング層２２を形成する第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子により形成される。具体的には、第２コーティング層２４は、第２分子の官能基を、第１分子と化学反応させることにより形成される。

第２コーティング層２４を形成する第２分子は、アルキルシラン、アルコール、またはポリイミドである。第２分子がアルキルシランである場合、アルキルシランは、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＤＳ：ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１７Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_３）、またはオクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ：ｏｃｔａｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ、ＣＨ_３（ＣＨ_２）_１７ＳｉＣｌ_３）である。ＯＤＳの化学式は、下記式（１）である。ＯＤＳの分解温度は、２００℃程度である。ＯＴＳの化学式は、下記式（２）である。ＯＴＳの分解温度は、２００℃程度である。

第２コーティング層２４を形成する第２分子としてＯＤＳを用いた場合、ＯＤＳのメトキシ基は、第１コーティング層２２を形成する第１分子の酸素に置換されて、図５に示すように、第１分子の酸素は、第１分子の金属原子（図示の例ではタンタル）と、ＯＤＳの珪素と、を結合する。これにより、第２コーティング層２４が形成される。ＯＤＳは、例えば、シクロロヘキサン、ヘキサン、クロロホルム等の溶剤に分散した状態で、第１コーティング層２２の表面に塗布される。

第２コーティング層２４を形成する第２分子としてＯＴＳを用いた場合は、ＯＴＳの塩素が第１コーティング層２２を形成する第１分子の酸素に置換される。

第２コーティング層２４を形成する第２分子の炭化水素（非極性基）は、図５に示すように、直鎖構造を有している。図示の例では、第２分子の各々を形成する炭素原子は、内壁１０ａの垂線と平行に延びている。これにより、第２コーティング層２４は、高い配向性を有する。

なお、第２コーティング層２４を形成する第２分子がアルコールの場合、第２分子は、例えば、デシルアルコール、オクダデシルアルコール等の直鎖アルコールである。

第３コーティング層２６は、第２コーティング層２４の表面に設けられている。第３コーティング層２６は、第２コーティング層２４をコーティングしている。第３コーティング層２６は、非極性の第３分子により形成される。

第３コーティング層２６を形成する第３分子は、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、またはポリメチルペンテン（ＰＭＰ：ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔｅｎｅ）である。第３分子として用いられるポリプロピレンは、アイソタクチックポリプロピレンでもよいし、シンジオタクチックポリプロピレンでもよい。第１分子は、タンタル酸化物であり、第２分子は、ＯＤＳであり、第３分子は、ＰＰであってもよい。

ＰＰの化学式は、下記式（３）である。ＰＰの融点は、１７０℃程度である。ＰＰの数平均分子量Ｍｎは、５０００程度であり、ＰＰの重量平均分子量Ｍｗは、１２０００程度である。ＰＥの化学式は、下記式（４）である。ＰＥの融点は、１２０℃程度である。ＰＰおよびＰＥは、例えば、電子線照射によって架橋され、高い融点を有することができる。ＰＥのＭＩ（ｍｅｌｔ ｉｎｄｅｘ）は、２．２ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃／２．１６ｋｇ）程度である。ＰＭＰの化学式は、下記式（５）である。ＰＭＰの融点は、２３０℃程度である。

第３コーティング層２６を形成する第３分子は、第２コーティング層２４を形成する第２分子に物理吸着する。図６は、第２分子としてＯＤＳを用い、第３分子としてＰＰを用いた場合に、ＰＰがＯＤＳに物理吸着した状態を示す図である。ＰＰは、非極性分子であるが、分子量が大きいため、ＯＤＳの非極性基との間に強い分子間引力を生じる。そして、ＰＰは、該分子間引力によってＯＤＳの非極性基に物理吸着する。これにより、第３コーティング層２６が形成される。

第３コーティング層２６を形成する第３分子を複数回に渡って堆積することにより、第３コーティング層２６の厚さを調整することができる。第３コーティング層２６の厚さは、例えば、数百ｎｍである。第３コーティング層２６により、内壁１０ａの露出を軽減することができる。これにより、コーティング層２０は、内壁１０ａに対して高い被覆率を有する。さらに、第３コーティング層２６は、第２コーティング層２４の配向性の影響を受け、高い配向性を有する。第３コーティング層２６は、アルカリ金属が内壁１０ａと衝突することによってアルカリ金属の電子スピン状態が緩和することを抑制することができる。すなわち、第３コーティング層２６は、原子セル１００のアルカリ金属に対する非緩和特性を高くすることができる。

原子セル１００は、例えば、以下の特徴を有する。

原子セル１００では、内壁１０ａをコーティングし、第１分子により形成された第１コーティング層２２と、第１コーティング層２２をコーティングし、第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子により形成された第２コーティング層２４と、第２コーティング層２４をコーティングし、非極性の第３分子により形成された第３コーティング層２６と、を含み、第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である。そのため、原子セル１００では、アルカリ金属がコーティング層２０に入り込んだとしても、該アルカリ金属によって内壁１０ａを形成する材料の分子と第１分子との結合が切れることを抑制することができる。したがって、原子セル１００では、コーティング
層２０の剥離の可能性を低減することができる。

原子セル１００では、第１分子は、タンタル酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、またはチタン酸化物である。そのため、原子セル１００では、第１分子が、アルカリ金属と置換反応することを抑制することができる。

原子セル１００では、第１分子は、アルキルシラン、アルコール、またはポリイミドである。そのため、原子セル１００では、第２コーティング層２４の配向性を高くすることができる。すなわち、原子セル１００では、第２コーティング層２４を形成する第２分子の炭化水素（非極性基）の各々は、同じ方向に延びている。これにより、原子セル１００では、第３コーティング層２６の配向性も高くすることができる。したがって、原子セル１００では、第２分子の間や第３分子の間にアルカリ金属が入り込むことを抑制することができる。さらに、仮に第３コーティング層２６が融解したとしても、第２コーティング層２４が配向しているため、ライプニングせずに、一度冷やすだけで第３コーティング層２６の配向性を復活させることができる。

原子セル１００では、第３の分子は、ＰＰ、ＰＥ、またはＰＭＰである。ＰＰ、ＰＥ、ＰＭＰは、パラフィンと比べて融点が高い（パラフィンの融点は８０℃程度）。そのため、原子セル１００では、第３分子がパラフィンである場合に比べて、第３コーティング層２６の融点が高く、高い耐熱性を有することができる。さらに、原子セル１００では、第３コーティング層２６により、内壁１０ａが露出することを抑制することができる。したがって、原子セル１００では、より高温（例えば１００℃以上）の条件下でも、アルカリ金属は内壁１０ａと衝突せずに第３コーティング層２６と衝突する可能性が高く、衝突によるアルカリ金属の量子的な状態に及ぼす影響を小さくすることができる。具体的には、原子セル１００では、より高温の条件下でも、衝突によるアルカリ金属の電子スピン状態の緩和を軽減することができる。

原子セル１００では、第１分子は、タンタル酸化物であり、第２分子は、ＯＤＳであり、第３分子は、ＰＰである。例えば第２分子がＯＴＳの場合は、第１分子と脱離反応する際に取り扱いに注意が必要な塩素が発生する場合があるが、ＯＤＳでは、このような注意をする必要がなく、容易に取り扱うことができる。さらに、ＰＰは、ＰＥよりも融点が高い。したがって、第２分子をＯＤＳとし、第３分子をＰＰとすることで、原子セル１００は、取扱いが容易で、より高い耐熱性を有することができる。

２． 原子セルの製造方法
次に、本実施形態に係る原子セルの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態に係る原子セル１００の製造方法を説明するための示すフローチャートである。図８および図９は、本実施形態に係る原子セル１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

図８に示すように、胴部１２に窓部１４，１６を接合して、基材１０を形成する（ステップＳ１）。胴部１２と窓部１４，１６の接合方法としては、例えば、接着剤による接合方法、直接接合方法、陽極接合方法等を用いる。

図９に示すように、基材１０の内壁１０ａを第１分子でコーティングすることによって第１コーティング層２２を形成する（ステップＳ２）。第１コーティング層２２は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタ法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法等によりにより形成される。例えばＣＶＤ法で第１コーティング層２２を形成する場合は、ガス状の第１分子を、貫通孔１７を通して内壁１０ａの表面に堆積させ
る。

次に、第１コーティング層２２を、第２分子でコーティングすることによって第２コーティング層２４を形成する（ステップＳ３）。第２コーティング層２４は、例えば、塗布法、ＣＶＤ法等により形成される。塗布法で第２コーティング層２４を形成する場合は、第２分子を所定の溶剤に分散させ、該溶剤を、貫通孔１７を通して第１コーティング層２２の表面に塗布した後、乾燥させる。ＣＶＤ法で第２コーティング層２４を形成する場合は、ガス状の第２分子を、貫通孔１７を通して第１コーティング層２２の表面に堆積させる。

次に、第２コーティング層２４を、第３分子でコーティングすることによって第３コーティング層２６を形成する（ステップＳ４）。これにより、コーティング層２０を形成することができる。第３コーティング層２６は、例えば、塗布法、真空蒸着法等により形成される。塗布法で第３コーティング層２６を形成する場合は、第３分子を所定の溶剤に分散させ、該溶剤を、貫通孔１７を通して第２コーティング層２４の表面に塗布した後、乾燥させる。真空蒸着法で第３コーティング層２６を形成する場合は、ガス状の第３分子を、貫通孔１７を通して第２コーティング層２４の表面に堆積させる。

図２に示すように、ガス状のアルカリ金属を、貫通孔１７を通して内部空間Ｓに送入する（ステップＳ５）。アルカリ金属の送入は、コーティング層２２，２４，２６が融解しない条件（温度および圧力）下で行われる。

次に、貫通孔１７を封止材１８で封止する（ステップＳ６）。例えばボール状の封止材（図示せず）をレーザー等で溶融させることにより、貫通孔１７を封止する封止材１８を形成することができる。これにより、アルカリ金属が封入された内部空間Ｓを気密に封止することができる。

以上の工程により、原子セル１００を製造することができる。

原子セル１００の製造方法では、コーティング層２０の剥離の可能性を低減することができる原子セル１００を製造することができる。

３． 原子発振器
次に、本実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）について、図面を参照しながら説明する。本発明に係る量子干渉装置は、本発明に係る原子セルを含む。以下では、本発明に係る原子セルとして原子セル１００を含む原子発振器について説明する。なお、本発明に係る量子干渉装置は、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。

図１０は、本実施形態に係る原子発振器２００の機能ブロック図である。図１１は、本実施形態に係る原子発振器２００の原子セル１００内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図１２は、本実施形態に係る原子発振器２００において、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される検出強度と、の関係を示すグラフである。

原子発振器２００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。量子干渉効果を利用した原子発振器２００は、二重共鳴効果を利用した原子発振器に比し、小型化を図ることができる。

原子発振器２００は、図１０に示すように、原子セル（ガスセル）１００と、光出射部
２１０と、光学部品２２０，２２２，２２４，２２６と、光検出部２３０と、ヒーター２４０と、温度センサー２５０と、磁場発生部２６０と、制御部２７０と、を有している。

まず、原子発振器２００の原理を簡単に説明する。

原子発振器２００では、原子セル１００内に、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。

アルカリ金属は、図１１に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１，２）と、励起状態と、の３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。

このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光Ｌ１，Ｌ２をガス状のアルカリ金属に照射すると、共鳴光Ｌ１の周波数ω_１と共鳴光Ｌ２の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）に応じて、共鳴光Ｌ１，Ｌ２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光Ｌ１の周波数ω_１と共鳴光Ｌ２の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１，２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光Ｌ１，Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。

ここで、例えば、共鳴光Ｌ１の周波数ω_１を固定し、共鳴光Ｌ２の周波数ω_２を変化させていくと、共鳴光Ｌ１の周波数ω_１と共鳴光Ｌ２の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω_０に一致したとき、光検出部２３０の検出強度は、図１２に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。ＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、ＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を実現することができる。

以下、原子発振器２００の各部を順次詳細に説明する。なお、原子セル１００については、上述した「１． 原子セル」および「２． 原子セルの製造方法」で説明したとおりである。

［光出射部］
光出射部（光源）２１０は、原子セル１００内のアルカリ金属を励起する励起光Ｌを出射する。具体的には、光出射部２１０は、励起光Ｌとして、上述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）を出射する。

共鳴光Ｌ１は、原子セル１００内のアルカリ金属を上述した基底状態１から励起状態へ励起する。一方、共鳴光Ｌ２は、原子セル１００内のアルカリ金属を上述した基底状態２から励起状態へ励起する。

光出射部２１０としては、上述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いる。

光出射部２１０は、後述する制御部２７０の励起光制御部２７２に接続され、光検出部２３０の検出結果に基づいて駆動制御される。光出射部２１０は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。

［光学部品］
光学部品２２０，２２２，２２４，２２６は、光出射部２１０と原子セル１００との間における励起光Ｌの光路上に設けられている。図１０に示す例では、光出射部２１０側から原子セル１００側へ、第１光学部品２２０、第２光学部品２２２、第３光学部品２２４、第４光学部品２２６の順に配置されている。

第１光学部品２２０は、レンズである。第１光学部品２２０は、励起光Ｌを無駄なく原子セル１００へ照射させることができる。第１光学部品２２０は、励起光Ｌを平行光とする機能を有する。そのため、励起光Ｌが原子セル１００の内壁で反射するのを簡単に防止することができる。これにより、原子セル１００内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器２００の発振特性を高めることができる。

第２光学部品２２２は、偏光板である。第２光学部品２２２は、光出射部２１０からの励起光Ｌの偏光を所定方向に調整することができる。

第３光学部品２２４は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。第３光学部品２２４は、原子セル１００に入射する励起光Ｌの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部２１０の出力が大きい場合でも、原子セル１００に入射する励起光を所望の光量とすることができる。

第４光学部品２２６は、λ／４波長板である。第４光学部品２２６は、光出射部２１０からの励起光Ｌを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。

［光検出部］
光検出部２３０は、原子セル１００を透過した励起光Ｌ（共鳴光Ｌ１，Ｌ２）の強度を検出する。光検出部２３０としては、励起光Ｌを検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いる。光検出部２３０は、後述する制御部２７０の励起光制御部２７２に接続されている。

［ヒーター］
ヒーター（加熱部）２４０は、原子セル１００（具体的には原子セル１００内のアルカリ金属）を加熱する。これにより、原子セル１００内のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。ヒーター２４０は、通電（直流）により発熱するものであり、例えば、原子セル１００の外表面上に設けられた２つの発熱抵抗体（図示せず）で構成されている。ヒーター２４０は、後述する制御部２７０の温度制御部２７４に電気的に接続され、通電される。

ここで、一方の発熱抵抗体は、原子セル１００の窓部１４（入射側窓部）に設けられ、他方の発熱抵抗体は、原子セル１００の窓部１６（出射側窓部）に設けられている。窓部１４，１６のそれぞれに発熱抵抗体を配置することにより、窓部１４，１６にアルカリ金属が結露するのを防止することができる。その結果、原子発振器２００の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。

このような発熱抵抗体は、励起光Ｌに対する透過性を有する材料、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ_３Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｓｂ含有ＳｎＯ_２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。

発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのようなＣＶＤ法、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾルゲル法等を用いて形成することができる。

なお、ヒーター２４０は、原子セル１００を加熱することができるものであれば、上述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター２４０は、原子セル１００に対して非接触であってもよい。また、ヒーター２４０に代えて、または、ヒーター２４０と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル１００を加熱してもよい。

［温度センサー］
温度センサー２５０は、ヒーター２４０または原子セル１００の温度を検出する。そして、この温度センサー２５０の検出結果に基づいて、ヒーター２４０の発熱量が制御される。これにより、原子セル１００内のアルカリ金属を所望の温度に維持することができる。なお、温度センサー２５０の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター２４０上であってもよいし、原子セル１００の外表面上であってもよい。

温度センサー２５０としては、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。温度センサー２５０は、図示しない配線を介して、後述する制御部２７０の温度制御部２７４に電気的に接続されている。

［磁場発生部］
磁場発生部２６０は、原子セル１００内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる。磁場発生部２６０は、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器２００の発振周波数の精度を高めることができる。

磁場発生部２６０は、例えば、原子セル１００を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル１００を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、原子セル１００内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。なお、磁場発生部２６０が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。磁場発生部２６０は、後述する制御部２７０の磁場制御部２７６に電気的に接続され、通電制御される。

［制御部］
制御部２７０は、光出射部２１０、ヒーター２４０、および磁場発生部２６０を制御する。制御部２７０は、光出射部２１０の共鳴光Ｌ１，Ｌ２の周波数を制御する励起光制御部２７２と、原子セル１００内のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部２７４と、磁場発生部２６０からの磁場を制御する磁場制御部２７６と、を有している。

励起光制御部２７２は、光検出部２３０の検出結果に基づいて、光出射部２１０から出射される共鳴光Ｌ１，Ｌ２の周波数を制御する。具体的には、励起光制御部２７２は、光検出部２３０によって検出された（ω_１−ω_２）が上述したアルカリ金属固有の周波数ω_０となるように、光出射部２１０から出射される共鳴光Ｌ１，Ｌ２の周波数を制御する。さらに、励起光制御部２７２は、光出射部２１０から出射される共鳴光Ｌ１，Ｌ２の中心周波数を制御する。さらに、励起光制御部２７２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部２３０の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器２００の出力信号として出力する。

温度制御部２７４は、温度センサー２５０の検出結果に基づいて、ヒーター２４０への
通電を制御する。これにより、原子セル１００を所望の温度範囲内に維持することができる。

磁場制御部２７６は、磁場発生部２６０が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部２６０への通電を制御する。

このような制御部２７０は、例えば、基板上に実装されたＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップに設けられている。

原子発振器２００では、コーティング層２０の剥離の可能性を低減することができる原子セル１００を含む。そのため、原子発振器２００は、優れた信頼性を有することができる。

原子発振器２００では、より高温の条件下でも、衝突によるアルカリ金属の電子スピン状態の緩和を軽減することができる原子セル１００を含む。そのため、原子発振器２００では、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、かつ、ＥＩＴ信号の線幅（ＥＩＴ信号の半値幅）を小さくすることができる。これにより、原子発振器２００は、優れた周波数安定性を有することができる。

４． 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。本発明に係る電子機器は、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、本発明に係る電子発振器として原子発振器２００を含む測位システムについて説明する。図１３は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星を利用した測位システム３００を説明するための図である。

測位システム３００は、図１３に示すように、ＧＰＳ衛星３１０と、基地局装置３２０と、ＧＰＳ受信装置３３０と、を含む。

ＧＰＳ衛星３１０は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。

基地局装置３２０は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３２２を介してＧＰＳ衛星３１０からの測位情報を高精度に受信する受信装置３２４と、受信装置３２４で受信した測位情報をアンテナ３２６を介して送信する送信装置３２８と、有している。受信装置３２４は、基準周波数発振源として原子発振器２００を有している。受信装置３２４で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３２８により送信される。

ＧＰＳ受信装置３３０は、ＧＰＳ衛星３１０からの測位情報をアンテナ３３２を介して受信する衛星受信部３３４と、基地局装置３２０からの測位情報をアンテナ３３６を介して受信する基地局受信部３３８と、を有している。

測位システム３００では、優れた信頼性を有することができる原子発振器２００を含む。そのため、測位システム３００は、優れた信頼性を有することができる。

なお、本発明の原子発振器を含む電子機器は、測位システムに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、
電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。

５． 移動体
次に、本実施形態に係る移動体について、図面を参照しながら説明する。本発明に係る移動体は、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、本発明に係る原子発振器として原子発振器２００を含む自動車について説明する。図１４は、本実施形態に係る自動車４００を説明するための図である。

自動車４００は、図１４に示すように、車体４１０と、４つの車輪４２０と、を有しており、車体４１０に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４２０を回転させるように構成されている。自動車４００には、原子発振器２００が内蔵されている。

自動車４００では、優れた信頼性を有することができる原子発振器２００を含む。そのため、自動車４００は、優れた信頼性を有することができる。

なお、本発明の原子発振器を含む移動体は、自動車に限定されず、例えば、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等に適用することができる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…基材、１０ａ…内壁、１２…胴部、１３…貫通孔、１４，１６…窓部、１７…貫通孔、１８…封止材、２０…コーティング層、２２…第１コーティング層、２４…第２コーティング層、２６…第３コーティング層、１００…原子セル、２００…原子発振器、２１０…光出射部、２２０…第１光学部品、２２２…第２光学部品、２２４…第３光学部品、２２６…第４光学部品、２３０…光検出部、２４０…ヒーター、２５０…温度センサー、２６０…磁場発生部、２７０…制御部、２７２…励起光制御部、２７４…温度制御部、２７６…磁場制御部、３００…測位システム、３１０…ＧＰＳ衛星、３２０…基地局装置、３２２…アンテナ、３２４…受信装置、３２６…アンテナ、３２８…送信装置、３３０…ＧＰＳ受信装置、３３２…アンテナ、３３４…衛星受信部、３３６…アンテナ、３３８…基地局受信部、４００…自動車、４１０…車体、４２０…車輪

Claims (10)

1. 内部にアルカリ金属が充填される原子セルであって、
   内壁をコーティングし、第１分子により形成された第１コーティング層と、
   前記第１コーティング層をコーティングし、前記第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子により形成された第２コーティング層と、
   前記第２コーティング層をコーティングし、非極性の第３分子により形成された第３コーティング層と、
   を含み、
   前記第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である、原子セル。
2. 請求項１において、
   前記第１分子は、タンタル酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、またはチタン酸化物である、原子セル。
3. 請求項１または２において、
   前記第２分子は、アルキルシラン、アルコール、またはポリイミドである、原子セル。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記第３分子は、ポリプロピレン、ポリエチレン、またはポリメチルペンテンである、原子セル。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第１分子は、タンタル酸化物であり、
   前記第２分子は、オクタデシルトリメトキシシランであり、
   前記第３分子は、ポリプロピレンである、原子セル。
6. 内部にアルカリ金属が充填される原子セルの製造方法であって、
   基材の内壁を、第１分子でコーティングすることによって第１コーティング層を形成する工程と、
   前記第１コーティング層を、前記第１分子と脱離反応する官能基と、非極性基と、を有する第２分子でコーティングすることによって第２コーティング層を形成する工程と、
   前記第２コーティング層を、非極性の第３分子でコーティングすることによって第３コーティング層を形成する工程と、
   を含み、
   前記第１分子は、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物である、原子セルの製造方法。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子セルと、
   前記アルカリ金属を励起する励起光を出射する光出射部と、
   前記原子セルを透過した前記励起光を検出する光検出部と、
   を含む、量子干渉装置。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子セルと、
   前記アルカリ金属を励起する励起光を出射する光出射部と、
   前記原子セルを透過した前記励起光を検出する光検出部と、
   を含む、原子発振器。
9. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子セルを含む、電子機器。
10. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子セルを含む、移動体。

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