JP2018137397A - 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】アルカリ金属が封入されている原子セルと、互いに同方向に円偏光して前記アルカリ金属を励起する共鳴光対を出射する第１光源部と、調整光を出射する第２光源部と、受光部とを備え、前記原子セルは、極性基を有する化合物を含む材料により形成され、前記内部空間を囲む内壁面と、前記内壁面に設けられ、前記極性基と脱離反応する官能基を有する第１化合物由来の化合物を含む第１層と、前記第１層上に設けられ、非極性のオレフィン系の高分子化合物である第２化合物由来の化合物を含む第２層と、を有することを特徴とする量子干渉装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。

長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping等）を利用した原子発振器が知られている。

量子干渉効果を利用した原子発振器は、一般的に、気体状のアルカリ金属を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属を共鳴させる共鳴光対を出射する光源と、ガスセルを透過した共鳴光対を検出する光検出器（受光部）と、を備えている。このような原子発振器では、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象に伴って発生するＥＩＴ信号を光検出器で検出して基準信号として用いている。そして、近年、ＥＩＴ信号の強度を向上させる目的で、円偏光している共鳴光対を用いた原子発振器が開発されている。これにより、短期周波数安定度を高めることができる。

また、アルカリ金属のスピンの偏極を長く保つことで光とアルカリ金属の相互作用時間を長くすることができ、その結果、ＥＩＴ信号の強度を向上させることができる。しかし、アルカリ金属は、ガスセルの内壁と衝突することで電子スピン状態（スピンの偏極）が緩和してしまう。そこで、従来、アルカリ金属の内壁との衝突による電子スピン状態の緩和を小さくするために、緩衝ガスの圧力（分圧）を高くしていた。しかし、緩衝ガスの圧力を高くすると、アルカリ金属の緩衝ガスとの衝突による電子スピン状態の緩和が大きくなり、その結果、相互作用時間が制限され、十分な特性が得られなかった。

そこで、近年、緩衝ガスの圧力を高くする方法とは別に、アルカリ金属の原子セルの内壁との衝突による電子スピン状態の緩和を低減する目的で内壁をコーティングする技術が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、ガスセルの内壁をパラフィン等でコーティングしている。これにより、緩衝ガスの圧力を低減することができるため、緩衝ガスとの衝突による電子スピン状態の緩和を低減することができ、相互作用時間を長くすることができる。

特開２０１３−１８１９４１号公報

しかし、円偏光している共鳴光対を用いた原子発振器において、相互作用時間が長くなると、円偏光の共鳴光対による光ポンピングによって磁気量子数の分布の偏り（磁気副準位の分布数の偏り）が生じ、実際にＥＩＴ現象を起こす準位の磁気量子数が少なくなる。その結果、ＥＩＴ信号の強度が低下してしまう。

また、特許文献１に記載のガスセルが備えるパラフィン層では、パラフィンの融点が７０℃程度と低いため、耐熱性が十分ではない。そのため、例えば製造時等においてパラフィン層を形成したガスセルがより高温（例えば１００℃以上）の条件下に置かれた場合、パラフィンが融解してしまい、パラフィン層の特性を発揮させるためには再度パラフィン層を形成し直さなければならない。

本発明の目的は、原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置を提供すること、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。

本発明は、上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、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。

本適用例の量子干渉装置は、アルカリ金属が封入されている内部空間を有する原子セルと、互いに同方向に円偏光して前記アルカリ金属を励起する共鳴光対を出射する第１光源部と、前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向に円偏光して前記アルカリ金属を励起する調整光を出射する第２光源部と、前記内部空間を通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、を備え、前記原子セルは、極性基を有する化合物を含む材料により形成され、前記内部空間を囲む内壁面と、前記内壁面に設けられ、前記極性基と脱離反応する官能基を有する第１化合物由来の化合物を含む第１層と、前記第１層上に設けられ、非極性のオレフィン系の高分子化合物である第２化合物由来の化合物を含む第２層と、を有する。

このような量子干渉装置によれば、第１層および第２層を有する原子セルを備えることで、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を低減または抑制して相互作用時間を長くすることができる。さらに、共鳴光対を出射する第１光源部に加えて調整光を出射する第２光源部を有することで、相互作用時間が長くなることによる磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。また、オレフィン系の高分子化合物である第２化合物で形成された第２層を備えることで、従来のパラフィンコーティングに比べて耐熱性を高めることができる。このようなことから、原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる。

本適用例の量子干渉装置では、前記第２化合物は、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ことが好ましい。

これにより、従来のパラフィンコーティングに比べて第２層の融点を高くすることができ、よって、原子セルの耐熱性を従来よりも優れたものとすることができる。

本適用例の量子干渉装置では、前記第１化合物は、アルキルシラン、アルコールまたはポリイミドであることが好ましい。

これにより、第１層の配向性を高くすることができ、さらに、第２層の配向性も高くすることができる。そのため、第１化合物の間や第２化合物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。そのため、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和をさらに低減することができる。

本適用例の量子干渉装置では、前記アルキルシランは、オクタデシルトリメトキシシランまたはオクタデシルトリクロロシランであることが好ましい。

これにより、内壁面を形成する材料の極性基と脱離反応をより容易かつ確実に起こすことができる。オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＤＳ）のメトキシ基が内壁面を形成する材料の極性基と脱離反応することができる。また、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）のクロロ基が内壁面を形成する材料の極性基と脱離反応することができる。

本適用例の量子干渉装置では、前記第１化合物は、オクタデシルトリメトキシシランであり、前記第２化合物は、ポリプロピレンであることが好ましい。

これにより、第１層および第２層を含むコーティングは、優れた配向性、高い被覆率および優れた耐熱性を有する。そのため、原子セルの耐熱性を特に高めることができるとともに、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を特に低減することができる。また、例えば第１化合物がＯＴＳであり第２化合物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。

本適用例の原子発振器は、上記適用例の量子干渉装置を備える。
これにより、原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置を備える原子発振器を提供することができる。

本適用例の電子機器は、上記適用例の量子干渉装置を備える。
これにより、原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置を備えることで、特性の高い電子機器を提供することができる。

本適用例の移動体は、上記適用例の量子干渉装置を備える。
これにより、原子セルの耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置を備えることで、特性の高い移動体を提供することができる。

実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の例を示す概略図である。 原子発振器が備える光源部を説明するための概略図である。 光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。 図２に示す原子セルの縦断面図である。 図２に示す原子セルの横断面図である。 セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。 ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、（ａ）は、σ_＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、（ｂ）は、σ₋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。 原子セルの内壁面およびコーティングを示す模式図である。 コーティングが形成される前の内壁面が有する極性基の一例を説明するための図である。 第１層の構造の一例を説明するための図である。 コーティングの構造の一例を説明するための図である。 原子セルの内部空間に封入された緩衝ガスと緩和レートとの関係を示すグラフである。 原子セルの製造方法を説明するフローチャートである。 図１３に示す容器準備工程を説明する図である。 図１３に示す第２層形成工程を説明する図である。 測位用衛星の例としてＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システムに実施形態に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。 実施形態に係る移動体の一例を示す図である。

以下、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本実施形態の原子発振器について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、例えば、磁気センサー、量子メモリー等のデバイスにも適用可能である。

まず、実施形態に係る原子発振器を簡単に説明する。
図１は、実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の例を示す概略図である。

図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。この原子発振器１は、図１に示すように、原子セル２（ガスセル）と、光源部３と、受光部４と、ヒーター５と、温度センサー６と、磁場発生部７と、制御部８と、を備えている。

まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光源部３が原子セル２に向けて光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した光ＬＬを受光部４が検出する。

原子セル２内には、ガス状のアルカリ金属が封入されている。アルカリ金属は、２つの基底準位（第１基底準位および第２基底準位）と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。ここで、第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー状態である。

光源部３から出射された光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光として第１共鳴光および第２共鳴光を含んでいる。これら第１共鳴光および第２共鳴光を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）に応じて、第１共鳴光および第２共鳴光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、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数に一致したとき、第１基底準位および第２基底準位から励起準位への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光および第２共鳴光は、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。

例えば、第１共鳴光の周波数ω_１を固定し、第２共鳴光の周波数ω_２を変化させていくと、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数ω_０に一致したとき、受光部４の検出強度は、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。この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、このようなＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。

以下、原子発振器１の各部を簡単に説明する。
［原子セル］
原子セル２内には、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が封入されている。また、原子セル２内には、必要に応じて、アルゴン、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ガスとともに封入されていてもよい。

後に詳述するが、原子セル２は、貫通孔を有する胴体部と、この胴体部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属が封入される内部空間が形成されている。

［光源部］
光源部３は、原子セル２内のアルカリ金属の原子（アルカリ金属原子）を共鳴させる共鳴光対を構成する前述した第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬを出射する機能を有する。

また、光源部３が出射する光ＬＬは、第１共鳴光および第２共鳴光に加えて、第３共鳴光を含んでいる。

第１共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属の原子を前述した第１基底準位から励起準位へ励起する光（probe光）である。一方、第２共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属の原子を前述した第２基底準位から励起準位へ励起する光（coupling光）である。ここで、第１共鳴光および第２共鳴光は、互いに同方向に円偏光している。また、第３共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属の原子の磁気量子数を調整する「調整光」（repump光）である。この第３共鳴光は、第１共鳴光および第２共鳴光とは逆方向に円偏光している。これにより、原子セル２内のアルカリ金属の原子の磁気量子数を調整することができる。なお、光源部３については、後に詳述する。なお、「円偏光」とは、光波の電場成分または磁場成分の、どちらか一方の振動に着目するとき、その振動方向が光の進行方向に対して垂直な面内で光波の周波数で回転し、振幅がその向きによらず一定である光であり、言い換えれば電場（または磁場）の振動が伝播に伴って円を描く光である。

［受光部］
受光部４は、原子セル２内を透過した光ＬＬ（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対）の強度を検出する機能を有する。

この受光部４としては、上述したような光ＬＬの強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、受光した光の強度に応じた信号を出力するフォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。

［ヒーター］
ヒーター５（加熱部）は、前述した原子セル２（より具体的には原子セル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、原子セル２中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。

このヒーター５は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。

より具体的には、例えば、発熱抵抗体を原子セル２に対して接触して設ける場合、原子セル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、原子セル２の窓部にアルカリ金属が結露することを防止することができる。その結果、原子発振器１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、光ＬＬに対する透過性を有する材料、具体的には、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。また、このような発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのようなＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、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。

また、発熱抵抗体を原子セル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体から原子セル２へ伝熱すればよい。

なお、ヒーター５は、原子セル２を加熱することができるものであれば、前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５に代えて、または、ヒーター５と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル２を温度調節してもよい。

［温度センサー］
温度センサー６は、ヒーター５または原子セル２の温度を検出する機能を有する。
この温度センサー６は、例えば、ヒーター５または原子セル２に接触して配置される。

温度センサー６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。

［磁場発生部］
磁場発生部７は、原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内のアルカリ金属の原子の縮退している異なる複数の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１の発振周波数の精度を高めることができる。

この磁場発生部７は、例えば、ソレノイド型を構成するように原子セル２の外周に沿って巻回して設けられたコイルで構成されていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。

また、磁場発生部７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。

［制御部］
制御部８は、光源部３、ヒーター５および磁場発生部７をそれぞれ制御する機能を有する。

この制御部８は、光源部３を制御する光源制御部８２と、原子セル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７からの磁場を制御する磁場制御部８３とを有する。

光源制御部８２は、前述した受光部４の検出結果に基づいて、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する機能を有する。より具体的には、光源制御部８２は、前述した周波数差（ω_１−ω_２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω_０となるように、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する。なお、光源制御部８２の構成については、後に詳述する。

また、温度制御部８１は、温度センサー６の検出結果に基づいて、ヒーター５への通電を制御する。これにより、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル２は、ヒーター５により、例えば、７０℃程度に温度調節される。

また、磁場制御部８３は、磁場発生部７が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部７への通電を制御する。

このような制御部８は、例えば、中央処理装置、メモリー、インターフェイス回路および発振器等を含んで構成されている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。

（光源部の詳細な説明）
図２は、原子発振器が備える光源部を説明するための概略図である。図３は、光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。図４は、図２に示す原子セルの縦断面図、すなわち窓部に平行な断面図である。図５は、図２に示す原子セルの横断面図、すなわち１対の窓部が並ぶ方向に垂直な断面図である。

図２に示すように、光源部３は、第１共鳴光および第２共鳴光を含む共鳴光対ＬＬ１を第１の光として出射する第１光源部３１と、第３共鳴光を含む調整光ＬＬ２を第２の光として出射する第２光源部３２と、を備えている。

第１光源部３１は、第１光源３１１と、１／２波長板３１２と、１／４波長板３１３と、を有している。

第１光源３１１は、直線偏光されている共鳴光対からなる第１光ＬＬ１ａを出射する機能を有する。この第１光源３１１は、第１光ＬＬ１ａを含む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、端面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザーである。なお、「直線偏光」とは、電磁波（光）の振動面が一平面内にある光であり、言い換えれば、電場（または磁場）の振動方向が一定な光である。

１／２波長板３１２は、直交する偏光成分間に位相差π（１８０°）を生じさせる複屈折素子である。したがって、１／２波長板３１２は、第１光源３１１からの直線偏光の第１光ＬＬ１ａの偏光方向を９０°変更して、共鳴光対ＬＬ１ｂを生成する。なお、第１光源３１１を光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置した場合には、第１光源３１１から出射した直線偏光の光が後述する第２光源３２１から出射した直線偏光の光の偏光方向と直交することとなるため、１／２波長板３１２を省略することができる。

１／４波長板３１３は、直交する偏光成分間に位相差π／２（９０°）を生じさせる複屈折素子である。この１／４波長板３１３は、１／２波長板３１２で生成した共鳴光対ＬＬ１ｂを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の共鳴光対ＬＬ１に変換する機能を有する。これにより、前述した第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対ＬＬ１を生成することができる。

一方、第２光源部３２は、第２光源３２１と、減光フィルター３２２と、前述した第１光源部３１と共通の１／４波長板３１３と、を有している。ここで、１／４波長板３１３は、前述したように第１光源部３１が備えているともいえるし、第２光源部３２が備えているともいえる。

第２光源３２１は、前述した第１光源３１１と同方向に直線偏光されている共鳴光からなる第２光ＬＬ２ａを出射する機能を有する。この第２光源３２１は、第２光ＬＬ２ａを含む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、端面発光レーザー、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザー、ＬＥＤ（light emitting diode）、有機エレクトロルミネッセンス素子等の発光素子である。

減光フィルター３２２は、例えばＮＤ（Neutral Density）フィルターであり、第２光源３２１からの第２光ＬＬ２ａの強度を減少させて共鳴光ＬＬ２ｂを生成する。これにより、第２光源３２１の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する調整光ＬＬ２を所望の光量とすることができる。なお、第２光源３２１の出力が第１光源３１１よりも小さい場合等は、減光フィルター３２２を省略することができる。

前述したように、１／４波長板３１３は、直交する偏光成分間に位相差π／２（９０°）を生じさせる複屈折素子である。この１／４波長板３１３は、減光フィルター３２２で生成した共鳴光ＬＬ２ｂを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の調整光ＬＬ２に変換する機能を有する。これにより、前述した第３共鳴光で構成された調整光ＬＬ２を生成することができる。ここで、直線偏光されている共鳴光ＬＬ２ｂの偏光方向（図３に示すｂ２方向）は、直線偏光されている共鳴光対ＬＬ１ｂの偏光方向（図３に示すｂ１方向）と異なる方向（直交する方向）である。したがって、共鳴光対ＬＬ１ｂおよび共鳴光ＬＬ２ｂを共通の１／４波長板３１３を通過させることにより、円偏光されている共鳴光対ＬＬ１と、この共鳴光対ＬＬ１とは逆方向に円偏光している調整光ＬＬ２とを生成させることができる。このように、第１光源部３１および第２光源部３２が共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方が通過する共通の１／４波長板３１３を有するため、第１光源部３１および第２光源部３２がそれぞれ個別に１／４波長板を備える場合に比べて、装置構成を簡単化することができる。

以上のように構成された光源部３は、第１光源３１１が光源制御部８２により前述した第１共鳴光および第２共鳴光を出射するように制御される。

（光源制御部の詳細な説明）
光源制御部８２は、周波数制御部８２１と、電圧制御型発振器８２２（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）と、位相同期回路８２３（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有している。

周波数制御部８２１は、受光部４の受光強度に基づいて原子セル２内のＥＩＴ状態を検出し、その検出結果に応じた制御電圧を出力する。これにより、周波数制御部８２１は、受光部４でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型発振器８２２を制御する。

電圧制御型発振器８２２は、周波数制御部８２１により所望の発振周波数となるように制御され、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度の周波数で発振する。また、電圧制御型発振器８２２の出力信号は、位相同期回路８２３に入力されるとともに、原子発振器１の出力信号として出力される。

位相同期回路８２３は、電圧制御型発振器８２２からの出力信号を周波数逓倍する。これにより、位相同期回路８２３は、前述したアルカリ金属の原子の２つの異なる２つの基底準位のエネルギー差ΔＥに相当する周波数の１／２の周波数で発振する。このように逓倍された信号（高周波信号）は、直流バイアス電流が重畳された上で駆動信号として第１光源部３１の第１光源３１１に入力される。これにより、第１光源３１１に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω_１−ω_２）がω_０となる２つの光である第１共鳴光および第２共鳴光を出射させることができる。ここで、直流バイアス電流の電流値は、図示しないバイアス制御部により所定値に制御される。これにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を所望に制御することができる。

なお、第１光源３１１および第２光源３２１は、それぞれ、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。また、第１光源３１１および第２光源３２１の温度を調整することにより、第１光源３１１および第２光源３２１からの光の中心波長を制御することもできる。

以上説明したように構成された第１光源部３１および第２光源部３２からの共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２は、原子セル２に照射される。

（原子セルの詳細な説明）
図４に示すように、原子セル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。この原子セル２では、胴体部２１が１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを胴体部２１および１対の窓部２２、２３が区画形成（構成）している。また、内部空間Ｓに臨む面、すなわち胴体部２１および窓部２２、２３の内壁面２１２には、コーティング２０が設けられている。

胴体部２１は、板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。

この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。

このような胴体部２１の一方の面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の他方の面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の一端開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１の他端開口が窓部２３により封鎖されている。

胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法、表面活性化接合法等を用いることができる。

このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光源部３からの光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、原子セル２の内部空間Ｓ内へ光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から光ＬＬが出射する出射側窓部である。また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。

窓部２２、２３の構成材料としては、それぞれ、前述したような光ＬＬに対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。

このような窓部２２、２３により封鎖された貫通孔２１１内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ内に収納されている気体状のアルカリ金属は、光ＬＬによって励起される。ここで、内部空間Ｓの少なくとも一部は、光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。本実施形態では、内部空間Ｓの横断面は、円形をなしていて、光通過空間の横断面は、内部空間Ｓの横断面と相似形状（すなわち円形）をなし、かつ、内部空間Ｓの横断面とほぼ同等または若干小さく設定されている。なお、内部空間Ｓの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

また、窓部２２には、内部空間Ｓと外部との間を貫通する貫通孔２３１が形成され、この貫通孔２３１は、封止材２４１により封止されている。同様に、窓部２３には、内部空間Ｓと外部との間を貫通している貫通孔２３２が形成され、この貫通孔２３２は、封止材２４２により封止されている。

封止材２４１、２４２の構成材料としては、貫通孔２３１、２３２を気密的に封止することができれば、特に限定されず、例えば、金属材料、ガラス材料等を用いることができるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、貫通孔２３１、２３２を簡単かつ確実に気密的に塞ぐことができる。また、封止材２４１、２４２がアルカリ金属の化学的特性に影響を与えることを低減することができる。

貫通孔２３１、２３２は、後に詳述するように、原子セル２を製造する際に、後述するコーティング２０を形成するためのコーティング材（第１化合物および第２化合物）を内部空間Ｓに導入等するために用いる。なお、本実施形態では、貫通孔２３１、２３２は、それぞれ、円錐台形をなしているが、貫通孔２３１、２３２はこれに限定されない。

胴体部２１および窓部２２、２３の内壁面２１２には、コーティング２０が設けられている。このコーティング２０は、アルカリ金属の内壁面２１２との衝突による電子スピン状態（スピンの偏極）の緩和を低減または抑制する機能を有する。

コーティング２０は、少なくとも内壁面２１２の一部に設けられていればよいが、少なくとも窓部２２、２３の内壁の表面に設けられていることが好ましく、図４に示すように内壁面２１２の全体に設けられていることがより好ましい。さらに、図示はしないが、コーティング２０は、貫通孔２３１、２３２を形成している内壁の全体、または内部空間Ｓに近い部分にも設けられていてもよい。なお、コーティング２０については後で詳述する。

以上説明したように構成された原子セル２内において、図３に示すように、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対して傾斜角度θで傾斜していて、光軸ａ２と交点Ｐにて交差している。また、図３では、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１が、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿った軸線ａと平行であり、一方、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が、軸線ａに対して傾斜角度θで傾斜している。なお、図３では、光軸ａ１が軸線ａと一致している。

ここで、原子セル２の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２が出射する側において、光軸ａ１またはその延長線上には、前述した受光部４が配置されており、原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１が受光部４で受光されるが、一方、光軸ａ２は、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２を受光部４が受光しないように配置されている。これにより、受光部４が調整光ＬＬ２を受光してしまうのを防止または低減することができる。

本実施形態では、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２は、迷光とならないように、図示しない反射防止部に入射する。なお、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２を受光素子で受光して、その受光素子の検出結果に応じて、第２光源部３２を制御してもよい。

また、図５に示すように、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の幅Ｗ２は、共鳴光対ＬＬ１の幅Ｗ１よりも大きい。これにより、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の通過領域は、調整光ＬＬ２の通過領域内に包含されている。
また、調整光ＬＬ２の幅Ｗ２は、原子セル２内の幅Ｗと同等であってもよい。

（アルカリ金属の原子のエネルギー状態と共鳴光対および調整光との関係）
図６は、セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。

例えば、原子セル２内にセシウム原子が封入されている場合、図６に示すように、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）としてσ_＋偏光（左円偏光）しているＤ１線を用い、第３共鳴光（調整光）としてσ₋偏光（右円偏光）しているＤ２線を用いる。なお、第１共鳴光および第２共鳴光がσ₋偏光、第３共鳴光がσ_＋偏光であってもよいし、また、第１共鳴光および第２共鳴光がＤ２線、第３共鳴光がＤ１線であってもよい。

アルカリ金属の原子の一種であるセシウム原子は、６Ｓ_１／２の基底準位と、６Ｐ_１／２および６Ｐ_３／２の２つの励起準位と、を有する。また、６Ｓ_１／２、６Ｐ_１／２、６Ｐ_３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した微細構造を有している。具体的には、６Ｓ_１／２準位はＦ＝３、４の２つの基底準位を有し、６Ｐ_１／２準位はＦ’＝３、４の２つの励起準位を有し、６Ｐ_３／２準位はＦ”＝２、３、４、５の４つの励起準位を有している。

６Ｓ_１／２のＦ＝３の第１基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２のＦ”＝２、３、４のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝５の励起準位に遷移することはできない。６Ｓ_１／２のＦ＝４の第２基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４、５のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝２の励起準位に遷移することはできない。これらは、電気双極子遷移を仮定した場合の遷移選択則による。逆に、６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して６Ｓ_１／２のＦ＝３またはＦ＝４の基底準位（元の基底準位または他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。このような６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位は、Ｄ２線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であることからΛ型３準位と呼ばれる。同様に、６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_１／２のＦ’＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位も、Ｄ１線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であるからΛ型３準位を形成する。

これに対し、６Ｐ_３／２のＦ”＝２の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_１／２のＦ＝３の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、６Ｐ_３／２のＦ”＝５の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_１／２のＦ＝４の基底準位（元の基底準位）に遷移する。したがって、６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２のＦ＝２またはＦ＝５の励起準位からなる３準位は、Ｄ２線の吸収・放出によるΛ型の遷移が不可能であることからΛ型３準位を形成しない。

このようなセシウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が８９４．５９３ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が８９２．３４７ｎｍであり、６Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が９．１９２６ＧＨｚである。

なお、セシウム原子以外のアルカリ金属の原子も、同様に、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有する。ここで、ナトリウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が５８９．７５６ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が５８９．１５８ｎｍであり、３Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が１．７７１６ＧＨｚである。また、ルビジウム（^８５Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が３．０３５７ＧＨｚである。また、ルビジウム（^８７Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が６．８３４６ＧＨｚである。

図７は、ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、（ａ）は、σ_＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、（ｂ）は、σ₋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。

例えば、図７に示すように、アルカリ金属の原子の一種であるナトリウム原子は、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有し、３Ｓ_１／２のＦ＝１の第１基底準位は、ｍ_Ｆ１＝−１、０、１の３つの磁気量子数を有し、３Ｓ_１／２のＦ＝２の第２基底準位は、ｍ_Ｆ２＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有し、３Ｐ_１／２の励起準位は、ｍ_Ｆ’＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有する。

Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ_＋円偏光の共鳴光対を照射すると、図７（ａ）に示すように、磁気量子数が１増えるという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が大きい方に分布が変化する。

一方、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ₋円偏光の共鳴光対を照射すると、図７（ｂ）に示すように、磁気量子数が１減るという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が小さい方に分布が変化する。

なお、図７では、説明の便宜上、簡単な構造のナトリウム原子を例に磁気量子数の分布を示しているが、他のアルカリ金属の原子においても、基底準位および励起準位のそれぞれは、２Ｆ＋１個の磁気量子数（磁気副準位）を有し、前述したような選択則をもって磁気量子数の分布が変化する。

セシウム原子の場合、共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射すると、第１基底準位にあるセシウム原子は、磁気量子数の分布の偏りが小さいものの、その数が少なく、また、第２基底準位にあるセシウム原子は、磁気量子数が大きい方へ分布が大きく偏っている。すなわち、従来の原子発振器（例えば特許文献１に係る原子発振器）では、金属に照射される共鳴光のすべてが一方向に円偏光しているため、例えば共鳴光が直線偏光している場合に比べて、ＥＩＴ信号の強度を向上させることができるものの、その効果が十分ではなかった。これは、共鳴光のすべてが一方向に円偏光していることにより、金属の磁気量子数の小さい方または大きい方のいずれかに分布が偏ってしまい、これにより、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属の原子の数が少なくなってしまうためであった。

これに対し、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射すると、第１基底準位および第２基底準位のそれぞれにあるセシウム原子は、磁気量子数の分布の偏りが比較的少なく、かつ、その数も比較的多くすることができる。すなわち、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射した場合、共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射した場合に比べて、第１基底準位および第２基底準位のそれぞれの準位において、各準位にあるセシウム原子の数を増やしつつ、セシウム原子の磁気量子数の分布を平均化することができる。

また、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射した場合（repump on）、共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射した場合（repump off）に比べて、半値全幅をほぼ同等としつつ、ＥＩＴ信号の信号強度を３倍程度に高めることができる。

以上説明したように、原子発振器１では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対ＬＬ１に加えて、その共鳴光対ＬＬ１とは逆方向に円偏光している調整光ＬＬ２をアルカリ金属に照射することにより、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により相殺または緩和させ、アルカリ金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属の原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対ＬＬ１を用いることによってＥＩＴ信号の強度の低下を抑制する効果を顕著に発現させ、よって、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる。

（内壁面およびコーティングの詳細な説明）
次に、原子セル２の内壁面２１２およびコーティング２０について詳述する。

図８は、原子セルの内壁面およびコーティングを示す模式図である。図９は、コーティングが形成される前の内壁面が有する極性基の一例を説明するための図である。図１０は、第１層の構造の一例を説明するための図である。図１１は、コーティングの構造の一例を説明するための図である。

前述したように、内壁面２１２上にはコーティング２０が設けられている。コーティング２０は、図８に示すように、内壁面２１２上に設けられた第１層２０２と、第１層２０２上に設けられた第２層２０３と、を有する。

［内壁面２１２］
内壁面２１２は、極性基を有する化合物を含む材料を用いて形成される。具体的には、前述したように、窓部２２、２３は、例えば石英ガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス材料を用いて形成される。ガラス材料は、珪素および酸素を含み、特に珪素および酸素を主成分として含む。ガラス材料を用いて形成された内壁面２１２は、図９に示すように、珪素に結合した極性基であるヒドロキシル基（水酸基）を有する化合物を含む材料を用いて形成される。

なお、窓部２２、２３は、前述したように、ガラス材料以外の材料で形成されていてもよい。また、極性基は、ヒドロキシル基（−ＯＨ）に限定されず、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ_２）、アミド基（−ＮＨ_２）等であってもよい。また、予め、酸処理、塩基処理、ＵＶ処理、オゾン処理、プラズマ処理等の官能基導入処理を施して内壁面２１２に極性基を導入してもよい。また、胴体部２１も、前述したように、窓部２２、２３と同じ材料により形成されている。なお、胴体部２１は、窓部２２、２３と異なる材料により形成してもよい。

［第１層２０２］
第１層２０２は、内壁面２１２を形成する材料の極性基（例えばヒドロキシル基）と脱離反応する官能基を有する第１化合物を用いて形成される。具体的には、第１層２０２は、第１化合物の官能基を、内壁面２１２を形成する材料のヒドロキシル基と化学反応（脱離反応）させることにより形成される。

第１化合物は、具体的には、アルキルシラン、アルコールまたはポリイミドであることが好ましい。これにより、第１層２０２の配向性を高くすることができ、さらに、それに伴って後述する第２層２０３の配向性も高くすることができる。そのため、第１化合物の間や第２化合物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。そのため、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を特に低減することができる。さらに、仮に、第２層２０３が融解したとしても、第１層２０２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２層２０３の配向性を復活させることができる。なお、ライプニングは、第１化合物を配向させるための熱処理である。

第１化合物の形態としては、直鎖状（線状）、コイル状、環状、分岐状および網状が挙げられ、これらの中でも直鎖状であることが好ましい。これにより、第１層２０２の配向性を高めることができる。この場合、直鎖の末端に脱離反応する官能基があることが特に好ましい。

〈アルキルシラン〉
前述したアルキルシランは、内壁面２１２を形成する材料の極性基（例えばヒドロキシル基）と脱離反応する官能基と、当該官能基に珪素を介して連結した非極性基（非極性のユニット）であるアルキル鎖（アルキル基）とを有する。当該非極性基は、後述する非極性である第２化合物との親和性に優れている。そのため、第１層２０２と第２層２０３との密着性を高めることができる。

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）であることが好ましい。ＯＤＳの化学式は、下記式（１）である。ＯＴＳの化学式は、下記式（２）である。

ＯＴＳまたはＯＤＳを用いることで、第１化合物との脱離反応をより容易かつ確実に起こすことができる。具体的には、ＯＤＳは、官能基であるメトキシ基（−ＯＣＨ_３）を有しており、メトキシ基が第１化合物と脱離反応する。ＯＴＳは、官能基であるクロロ基（−Ｃｌ）を有しており、クロロ基が第１化合物と脱離反応する。特に、ＯＤＳまたはＯＴＳを用いることは、内壁面２１２を形成する材料の極性基がヒドロキシル基である場合に有効である。

また、ＯＤＳの分解温度は、２００℃程度であり、ＯＴＳの分解温度は、２００℃程度である。そのため、ＯＤＳまたはＯＴＳを用いることで、第１層２０２の耐熱性を高めることができる。

例えば、ＯＤＳは、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、内壁面２１２上に塗布される。例えば、ＯＤＳが内壁面２１２を形成する材料のヒドロキシル基に到達すると、ＯＤＳのメトキシ基とヒドロキシル基の水素とが脱離し、ＯＤＳの珪素と内壁面２１２を形成する材料の酸素とが結合する（図１０参照）。これにより、第１層２０２が形成される。なお、ＯＴＳについても同様である。

また、ＯＤＳは、その末端に位置する官能基（メトキシ基）と、当該官能基に珪素を介して連結した直鎖状の非極性基（アルキル鎖）と、を有する。直鎖状の非極性基を有することで、立体障害が小さく、第１層２０２の配向性を高めることができる。図示の例では、ＯＤＳ由来の化合物が有する炭素原子は、内壁面２１２の垂線と平行に延びている。これにより、第１層２０２は、特に高い配向性を有する。なお、ＯＴＳについても同様である。

なお、ＯＤＳの珪素と内壁面２１２の酸素との結合の態様は、ＯＤＳのそれぞれで異なってもよく、例えば図１０に示すように、ＯＤＳの２つの珪素と、内壁面２１２の珪素から脱離した酸素とが結合する場合もある。

アルキルシランが有するアルキル鎖の炭素数は、特に限定されないが、例えば、５〜３０であることが好ましく、１０〜２５であることがより好ましい。

〈アルコール〉
アルコールは、内壁面２１２を形成する材料の極性基と脱離反応する（特に脱水縮合反応する）官能基であるヒドロキシル基と、非極性基としてのアルキル鎖（アルキル基）とを有する。当該非極性基は、後述する非極性である第２化合物との親和性に優れている。そのため、第１層２０２と第２層２０３との密着性を高めることができる。

アルコールとしては、例えば、デシルアルコール、オクタデシルアルコール等の直鎖アルコールが挙げられる。このような末端にヒドロキシル基を有する直鎖状のアルコールを用いることで、第１層２０２は高い配向性を有する。

〈ポリイミド〉
ポリイミドを用いた場合、ポリイミドにより形成された層にラビング処理を施すことにより第１層２０２を形成することが好ましい。また、ポリイミドを用いる場合には、内壁面２１２の極性基と脱離反応する官能基を導入してもよい。また、ポリイミドを用いる場合には、非極性基を導入してもよい。非極性基としては、例えば、アルキル基、アリール基等が挙げられる。

なお、前述した第１化合物が有する官能基は、内壁面２１２の極性基と脱離反応する基（脱水縮合反応する基を含む）であれば如何なる基であってもよい。
このような第１層２０２の厚さは、例えば、数ｎｍである。

また、第１層２０２は、前述した第１化合物の例として挙げた材料から２種以上を用いて形成されていてもよい。また、第１層２０２は、分子量の異なる同一種の第１化合物を複数用いて形成されていてもよい。

［第２層２０３］
前述したように、第２層２０３は、非極性のオレフィン系の高分子化合物である第２化合物を用いて形成される。第１化合物と第２化合物とは異なる化合物である。

非極性の第２化合物を用いて形成される第２層２０３を第１層２０２上に設けることで、コーティング２０は、優れた配向性および高い被覆率を有する。そのため、第２層２０３を設けることにより、内壁面２１２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２では、アルカリ金属は内壁面２１２と衝突せずに第２層２０３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。すなわち、第２層２０３を備えることで、衝突によるアルカリ金属の電子スピン状態（スピンの偏極）の緩和を軽減することができる。このように、第２層２０３は、原子セル２のアルカリ金属に対する非緩和特性に優れている。なお、仮に、第１層２０２のみの構成であると、配向性を高めることができても被覆率を高くすることが難しい。また、仮に、第１層２０２を複数積層した構成であると、被覆率を高くすることができるが、配向性を良くすることが難しい。

また、オレフィン系の高分子化合物は、一般的にパラフィンに比べて融点が高い。そのため、オレフィン系の高分子化合物である第２化合物を用いることで、従来のパラフィンを用いた構成に比べて第２層２０３の耐熱性を高めることができる。その結果、原子セル２の耐熱性を高めることができるので、より高温（例えば１００℃以上）の条件下でも、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。

第２化合物は、具体的には、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、（Ｃ_３Ｈ_６）_ｎ）、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、（Ｃ_２Ｈ_４）_ｎ）またはポリメチルペンテン（ＰＭＰ：ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔｅｎｅ、（Ｃ_６Ｈ_１２）_ｎ）であることが好ましい。なお、ｎは１以上の整数である。ＰＰの化学式は、下記式（３）である。ＰＥの化学式は、下記式（４）である。ＰＭＰの化学式は、下記式（５）である。ＰＰ、ＰＥ、ＰＭＰは、パラフィンと比べて融点が高い。そのため、従来のパラフィンコーティングに比べて第２層２０３の融点を高くすることができ、よって、原子セル２の耐熱性を従来よりも優れたものとすることができる。

ＰＰの融点は、例えば、１７０℃程度である。ＰＥの融点は、例えば、１２０℃程度である。ＰＭＰの融点は、例えば、２３０℃程度である。ＰＰの数平均分子量Ｍｎは、例えば、５０００程度である。ＰＰの重量平均分子量Ｍｗは、例えば、１２０００程度である。ＰＥのＭＩ（ｍｅｌｔ ｉｎｄｅｘ）は、例えば、２．２ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃／２．１６ｋｇ）程度である。

オレフィン系の高分子の重量平均分子量Ｍｗは、特に限定されないが、例えば、５０００〜５００００であることが好ましく、１００００〜３００００であることがより好ましい。

図１１は、第１化合物としてＯＤＳを用い、第２化合物として直鎖状の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、非極性であるが、分子量が大きいため、ＯＤＳの非極性基（アルキル基）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２層２０３が形成される。なお、第１化合物と第２化合物とは、化学結合していてもよい。

また、第２化合物の形態としては、直鎖状（線状）、コイル状、環状、分岐状および網状が挙げられ、こられの中でも直鎖状（わずかな分岐は含む）であることが好ましい。これにより、立体障害が小さく、よって、配向性に優れる第１層２０２の配向性の影響を受けて第２層２０３の配向性をより高めることができる。

また、第２化合物に対して電子線架橋を施すことが好ましい。電子線架橋を施すことで、第２化合物同士を架橋させ網目状の構造に改質することができる。これにより、第２層２０３の耐熱性を高めることができる。

また、第２化合物の立体規則性は、特に限定されない。例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）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。

また、第２化合物を複数回に渡って堆積することにより、第２層２０３の厚さを調整することができる。第２層２０３の厚さは、例えば、数百ｎｍであり、第１層２０２の厚さよりも厚い。

また、第２層２０３は、前述した第２化合物の例として挙げた材料から２種以上を用いて形成されていてもよい。また、第２層２０３は、分子量の異なる同一種の第２化合物を複数用いて形成されていてもよい。

このような構成のコーティング２０の形成に用いる化合物、すなわち第１化合物および第２化合物の組み合わせとしては、特に限定されないが、第１化合物は、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＤＳ）であり、第２化合物は、ポリプロピレン（ＰＰ）であることが特に好ましい。これにより、コーティング２０は、優れた耐熱性、優れた配向性および高い被覆率を有する。そのため、原子セル２の耐熱性を特に高めることができるとともに、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を特に低減することができる。また、例えば第１化合物がＯＴＳの場合は、内壁面２１２と脱離反応する際に取り扱いに注意が必要な塩化水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１化合物をＯＤＳとし、第２化合物をＰＰとすることで、原子セル２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。

図１２は、原子セルの内部空間に封入された緩衝ガスと緩和レートとの関係を示すグラフである。

図１２に示す線分Ｌ１は、コーティング２０を備えていない原子セルにおいて、緩衝ガスがある場合におけるセシウム原子の壁部（内壁面２１２）との衝突による緩和レート（セシウム原子のスピンの偏極の緩和）を示している。線分Ｌ２は、セシウム原子と緩衝ガスとのスピン交換相互作用による緩和レートを示している。線分Ｌ３は、コーティング２０を備えた原子セル２において、緩衝ガスがある場合におけるセシウム原子の壁部（コーティング２０の表面２０５）との衝突による緩和レートを示している。なお、緩和レートは、セシウム原子の拡散係数、内部空間Ｓのサイズおよび基準圧力（７６０Ｔｏｒｒ）等を基にして算出している。

図１２に示す線分Ｌ１と線分Ｌ３を比較して分かるように、コーティング２０を設けることで、コーティング２０を設けていない場合に比べて原子セル２の壁部との衝突による緩和レートを小さくすることができる。

また、原子セル２の壁部との衝突による緩和レートと、緩衝ガスとのスピン交換相互作用による緩和レートとの合計（緩和レートの合計）を小さくすることで、原子セル２内におけるセシウム原子の電子スピン状態の緩和を低減することができる。線分Ｌ１と線分Ｌ２との交点Ｐ１２よりも線分Ｌ２と線分Ｌ３との交点Ｐ２３が小さくなっている。したがって、コーティング２０を設けた場合には、コーティング２０を設けていない場合に比べて、緩和レートの合計を小さくすることができる。すなわち、コーティング２０を設けることで、原子セル２内におけるセシウム原子の電子スピン状態の緩和を低減することができる。

なお、コーティング２０の膜厚や材料等を変更しても、前述の傾向は同様であった。また、アルカリ金属同士のスピン破壊相互作用による緩和もあるが、これは、壁部と衝突による緩和レートや緩衝ガスとのスピン交換相互作用による緩和よりも十分に小さかった。

また、コーティング２０を備える原子セル２を用いることで、緩衝ガスの圧力（分圧）を２０〜９０［Ｔｏｒｒ］程度、より好ましくは２０〜７０［Ｔｏｒｒ］程度にすることができる。このように、コーティング２０を備える原子セル２を用いることで、原子セル２内におけるアルカリ金属の電子スピン状態の緩和を低減しつつ、従来よりも緩衝ガスの圧力を小さくすることができる。

以上説明したように、本発明の量子干渉装置を備える原子発振器１は、アルカリ金属（本実施形態ではセシウム原子）が封入されている内部空間Ｓを有する原子セル２を備える。また、原子発振器１は、互いに同方向に円偏光してアルカリ金属を励起する共鳴光対を出射する第１光源部３１と、内部空間Ｓにおいて共鳴光対とは逆方向に円偏光してアルカリ金属の原子（アルカリ金属原子）を励起する調整光を出射する第２光源部３２とを備える。また、原子発振器１は、内部空間Ｓを通過した共鳴光対を受光する受光部４を備える。そして、原子セル２は、極性基を有する化合物を含む材料により形成され、内部空間Ｓを囲む内壁面２１２と、内壁面２１２に設けられ、極性基と脱離反応する官能基を有する第１化合物由来の化合物を含む第１層２０２と、第１層２０２上に設けられ、非極性のオレフィン系の高分子化合物である第２化合物由来の化合物を含む第２層２０３と、を有する。

このような原子発振器１によれば、互いに同方向に円偏光している共鳴光対に加えて、共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光を調整光としてアルカリ金属（本実施形態ではセシウム原子）に照射することにより、共鳴光対による磁気量子数の分布の偏りを調整光により相殺または緩和させ、金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属の原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対を用いることによってＥＩＴ信号の強度の低下を抑制する効果を発現させることができる。

また、原子セル２が第１層２０２および第２層２０３を備えることで、コーティング２０の配向性と被覆率との両立を図ることができる。そのため、内壁面２１２との衝突によるアルカリ金属の電子スピン状態の緩和を低減または抑制することができ、光ＬＬとアルカリ金属の相互作用時間を長くすることができる。

ここで、仮に、互いに同方向に円偏光している共鳴光対のみを用いた構成である場合、コーティング２０を設けることで相互作用時間が長くなると、磁気量子数の分布の偏りが大きくなる。そこで、原子発振器１では、共鳴光対に加えて調整光（共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光）を用いている。そのため、相互作用時間が長くても磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。したがって、原子発振器１によれば、コーティング２０を備えた原子セル２を備え、かつ、共鳴光対を出射する第１光源部３１とともに調整光を出射する第２光源部３２とを有することで、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を低減して相互作用時間を長くすることでＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができるとともに、相互作用時間が長くなることによる磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる。

さらに、オレフィン系の高分子化合物で構成された第２化合物で形成された第２層２０３を備えることで、従来のパラフィンコーティングに比べて耐熱性を高めることができる。

以上のようなことから、原子発振器１によれば、原子セル２の耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる。

なお、第１層２０２に含まれる第１化合物由来の化合物は、第１化合物と構造が変わっていなくてもよい。同様に、第２層２０３に含まれる第２化合物由来の化合物は、第２化合物と構造が変わっていなくてもよい。

２．原子セルの製造方法
次に、本実施形態に係る原子発振器１が備える原子セル２の製造方法について説明する。以下では、胴体部２１および窓部２２、２３がガラスで構成されている場合を例に説明する。

図１３は、原子セルの製造方法を説明するフローチャートである。
原子セル２の製造方法は、図１３に示すように、［１］容器準備工程Ｓ１０と、［２］第１層形成工程Ｓ２０と、［３］第２層形成工程Ｓ３０と、［４］アルカリ金属導入工程Ｓ４０と、［５］封止工程Ｓ５０と、を有する。以下、各工程を順次説明する。

［１］容器準備工程Ｓ１０
図１４は、図１３に示す容器準備工程を説明する図である。

まず、図１４に示すように、容器２０ａを用意する。この容器２０ａは、前述した原子セル２において封止材２４１、２４２による封止、コーティング２０の形成およびアルカリ金属の封入がなされる前の状態であって、胴体部２１および１対の窓部２２、２３を有する構造体である。

胴体部２１および窓部２２、２３は、それぞれ、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いて基板（例えばガラス基板）を加工することで形成することができる。また、胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、例えば、接着剤による接合方法、直接接合方法等を用いる。

［２］第１層形成工程Ｓ２０
次に、貫通孔２３１、２３２を通じて第１化合物を内部空間Ｓに導入し、内壁面２１２上に第１層２０２を形成する。

第１層２０２は、例えば、塗布法、ＣＶＤ法等により形成される。塗布法で第１層２０２を形成する場合には、例えば、第１化合物を所定の溶剤に分散させ、該溶剤を貫通孔２３１、２３２を通して内壁面２１２上に塗布した後、乾燥させる。ＣＶＤ法で第１層２０２を形成する場合には、ガス状の第１化合物を貫通孔２３１、２３２を通して内壁面２１２上に堆積させる。

［３］第２層形成工程Ｓ３０
図１５は、図１３に示す第２層形成工程を説明する図である。

次に、貫通孔２３１、２３２を通じて第２化合物を内部空間Ｓに導入し、第１層２０２上に第２層２０３を形成する。これにより、コーティング２０を得ることができる（図１５参照）。

第２層２０３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２層２０３を形成する場合には、第２化合物を所定の溶剤に分散させ、該溶剤を貫通孔２３１、２３２を通して第１層２０２上に塗布した後、乾燥させる。真空蒸着法で第２層２０３を形成する場合には、ガス状の第２化合物を貫通孔２３１、２３２を通して第１層２０２上に堆積させる。

また、第２化合物を複数回に渡って堆積させることにより、第２層２０３の厚さを調整することができる。

［４］アルカリ金属導入工程Ｓ４０
次に、ガス状のアルカリ金属を貫通孔２３１、２３２を通して内部空間Ｓに導入（送入）する。アルカリ金属の導入は、コーティング２０が融解しない条件（温度および圧力）下で行う。

［５］封止工程Ｓ５０
次に、貫通孔２３１を封止材２４１で封止し、貫通孔２３２を封止材２４２で封止する。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、封止材２４１、２４２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２を製造することができる。

３．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。

以下、本発明の電子機器について説明する。
図１６は、測位用衛星の例としてＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システムに実施形態に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１６に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。

基地局装置３００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３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位用衛星信号を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位用衛星信号から取得した測位情報（位相データ等）をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。

ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位用衛星信号をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。ＧＰＳ受信装置４００は、測位情報と、衛星受信部４０２が受信した測位用衛星信号とを用いて、ＧＰＳ受信装置４００の位置を算出する。

以上のような測位システム１００が備える「電子機器」である受信装置３０２は、前述した本発明の量子干渉装置を備える原子発振器１を備えている。これにより、原子セル２の耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置の一例である原子発振器１を備えることで、特性の高い電子機器である受信装置３０２を提供することができる。

なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。

４．移動体
図１７は、実施形態に係る移動体の一例を示す図である。

この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。

以上のような移動体１５００は、前述した本発明の量子干渉装置を備える原子発振器１を備えている。これにより、原子セル２の耐熱性を高めることができるとともに、ＥＩＴ信号の強度の低下を抑制できる量子干渉装置の一例である原子発振器１を備えることで、特性の高い移動体１５００を提供することができる。

以上、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

また、前述した実施形態では、第１共鳴光および第２共鳴光を含む共鳴光対と第３共鳴光を含む調整光と出射方向が非平行であったが、共鳴光対および調整光の出射方向は平行であってもよい。また、前述した実施形態では、共鳴光対および調整光は原子セルに対し同じ側から入射していたが、共鳴光対および調整光は原子セルに対して互いに異なる側から入射してもよい。その場合には、原子セル内での共鳴光対と調整光との円偏光の方向を逆方向にすればよい。すなわち、第１共鳴光と第２共鳴光とを共にσ_＋円偏光またはσ₋円偏光とすればよい。

１…原子発振器、２…原子セル、３…光源部、４…受光部、５…ヒーター、６…温度センサー、７…磁場発生部、８…制御部、２０…コーティング、２０ａ…容器、２１…胴体部、２２…窓部、２３…窓部、３１…第１光源部、３２…第２光源部、８１…温度制御部、８２…光源制御部、８３…磁場制御部、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、２０２…第１層、２０３…第２層、２０５…表面、２１１…貫通孔、２１２…内壁面、２３１…貫通孔、２３２…貫通孔、２４１…封止材、２４２…封止材、３００…基地局装置、３０１…アンテナ、３０２…受信装置、３０３…アンテナ、３０４…送信装置、３１１…第１光源、３１２…１／２波長板、３１３…１／４波長板、３２１…第２光源、３２２…減光フィルター、４００…ＧＰＳ受信装置、４０１…アンテナ、４０２…衛星受信部、４０３…アンテナ、４０４…基地局受信部、８２１…周波数制御部、８２２…電圧制御型発振器、８２３…位相同期回路、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、Ｌ１…線分、Ｌ２…線分、Ｌ３…線分、ＬＬ…光、ＬＬ１…共鳴光対、ＬＬ１ａ…第１光、ＬＬ１ｂ…共鳴光対、ＬＬ２…調整光、ＬＬ２ａ…第２光、ＬＬ２ｂ…共鳴光、Ｐ…交点、Ｐ１２…交点、Ｐ２３…交点、Ｓ…内部空間、Ｓ１０…容器準備工程、Ｓ２０…第１層形成工程、Ｓ３０…第２層形成工程、Ｓ４０…アルカリ金属導入工程、Ｓ５０…封止工程、ａ…軸線、ａ１…光軸、ａ２…光軸、θ…傾斜角度、Ｗ…幅、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅

Claims (8)

1. アルカリ金属が封入されている内部空間を有する原子セルと、
   互いに同方向に円偏光して前記アルカリ金属を励起する共鳴光対を出射する第１光源部と、
   前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向に円偏光して前記アルカリ金属を励起する調整光を出射する第２光源部と、
   前記内部空間を通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、を備え、
   前記原子セルは、極性基を有する化合物を含む材料により形成され、前記内部空間を囲む内壁面と、
   前記内壁面に設けられ、前記極性基と脱離反応する官能基を有する第１化合物由来の化合物を含む第１層と、
   前記第１層上に設けられ、非極性のオレフィン系の高分子化合物である第２化合物由来の化合物を含む第２層と、を有することを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記第２化合物は、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請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記第１化合物は、アルキルシラン、アルコールまたはポリイミドである請求項１または２に記載の量子干渉装置。
4. 前記アルキルシランは、オクタデシルトリメトキシシランまたはオクタデシルトリクロロシランである請求項３に記載の量子干渉装置。
5. 前記第１化合物は、オクタデシルトリメトキシシランであり、
   前記第２化合物は、ポリプロピレンである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする移動体。

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