JP2023121985A - 原子セル、原子セルの製造方法および量子干渉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が高い原子セルおよびその製造方法、ならびに前記原子セルを備える量子干渉装置を提供すること。
【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、基材と、前記基材の内壁に設けられ、第１分子に由来する第１コーティング層と、前記第１コーティング層に設けられ、前記第１分子と脱離反応する反応性基、および、非極性基を有する第２分子に由来する第２コーティング層と、前記第２コーティング層に設けられ、非極性の第３分子に由来する第３コーティング層と、を含み、前記第３コーティング層は、結晶化度が７０％以上であることを特徴とする原子セル。
【選択図】図５

Description

本発明は、原子セル、原子セルの製造方法および量子干渉装置に関するものである。

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を備える。ガスセルの内壁には、アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制するため、コーティング層が設けられている。

特許文献１には、内壁をコーティングする第１コーティング層と、第１コーティング層をコーティングする第２コーティング層と、第２コーティング層をコーティングする第３コーティング層と、を含む原子セルが開示されている。また、特許文献１には、第１コーティング層が、アルカリ金属と置換反応しない金属酸化物により形成されること、第２コーティング層が、金属酸化物と反応するアルキルシランにより形成されること、および、第３コーティング層が、第３分子であるポリプロピレン、ポリエチレンまたはポリメチルペンテンにより形成されること、が開示されている。

このような３層のコーティング層を含む原子セルによれば、アルカリ金属がコーティング層に入り込んだとしても、コーティング層の剥離を抑制することができる。これにより、アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が得られる。

特開２０１７－１５２６７６号公報

特許文献１に記載の原子セルは、第３分子に由来する構造の第３コーティング層を含んでいるが、この第３コーティング層は結晶性が高くない。このため、アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が十分ではないという課題がある。

本発明の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、
基材と、
前記基材の内壁に設けられ、第１分子に由来する第１コーティング層と、
前記第１コーティング層に設けられ、前記第１分子と脱離反応する反応性基、および、非極性基を有する第２分子に由来する第２コーティング層と、
前記第２コーティング層に設けられ、非極性の第３分子に由来する第３コーティング層と、
を含み、
前記第３コーティング層は、結晶化度が７０％以上であることを特徴とする。

本発明の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、
基材の内壁に、第１分子を供給することにより、第１コーティング層を形成する工程と、
前記第１コーティング層に、前記第１コーティング層と脱離反応する反応性基、および、非極性基、を有する第２分子を供給することにより、第２コーティング層を形成する工程と、
前記第２コーティング層に、非極性の第３分子を供給することにより、第３コーティング層を形成する工程と、
を含み、
前記第３コーティング層は、結晶化度が７０％以上であることを特徴とする。

本発明の適用例に係る量子干渉装置は、
本発明の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、
を含むことを特徴とする。

実施形態に係る量子干渉装置である原子発振器を示す機能ブロック図である。 図１に示す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である。 図１に示す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である。 図１に示す原子セルを模式的に示す断面図である。 図４に示す領域Ａの拡大図である。 実施形態に係る原子セルを模式的に示す斜視図である。 図５のコーティング層を形成する前の基材の内壁を模式的に示す断面図である。 図７に示す内壁に形成された第１コーティング層および第２コーティング層を模式的に示す断面図である。 第２分子として長鎖アルキル基を含むシランカップリング剤を用い、第３分子としてパラフィンを用いた場合に、第３分子が第２分子に物理吸着している状態を示す模式図である。 図４に示す原子セルを製造する方法を説明するための工程図である。 図１０に示す原子セルの製造方法を説明するための断面図である。 図１０に示す原子セルの製造方法を説明するための断面図である。 原子発振器を備える、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星を利用した測位システムを説明するための図である。 原子発振器を備える自動車を説明するための図である。

以下、本発明の原子セル、原子セルの製造方法および量子干渉装置の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

１．量子干渉装置
まず、実施形態に係る量子干渉装置である原子発振器２００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２００の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー、原子ジャイロスコープ等にも適用可能である。

図１は、実施形態に係る量子干渉装置である原子発振器２００を示す機能ブロック図である。図２は、図１に示す原子発振器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３は、図１に示す原子発振器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。図４は、図１に示す原子セル１００を模式的に示す断面図である。

１．１．原子発振器
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べて、小型化を図ることができる。

原子発振器２００は、図１に示すように、原子セル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、を含む。

原子セル１００内には、気体状態のアルカリ金属が封入されている。アルカリ金属としては、例えば、ルビジウム、セシウム、ナトリウム等が挙げられる。

アルカリ金属は、図２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。

このような気体状態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を気体状態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３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、高精度な原子発振器２００を実現することができる。以下、原子発振器２００の各部を順次説明する。

１．１．１．光出射部
光出射部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、例えば発熱抵抗体、ペルチェ素子等により、所定温度に温度調節される。

１．１．２．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１に示す例では、光出射部２１０から原子セル１００に向かって、第１光学部品２２０、第２光学部品２２２、第３光学部品２２４および第４光学部品２２６がこの順に配置されている。

第１光学部品２２０は、コリメートレンズである。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。

１．１．３．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。

１．１．４．ヒーター
ヒーター２４０は、原子セル１００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気体状態に維持することができる。ヒーター２４０は、通電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図示しない２つの発熱抵抗体で構成されている。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る。

図４に示す原子セル１００は、後述するように、励起光Ｌが透過する窓部１４、１６を有する。一方の発熱抵抗体は、入射側窓部である窓部１４に設けられ、他方の発熱抵抗体は、出射側窓部である窓部１６に設けられている。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。

１．１．５．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、サーミスター、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。

１．１．６．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。これにより、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。

１．１．７．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の動作を制御する。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、を有する。

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周波数ω_１と周波数ω_２との差（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。また、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の温度を所望の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で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。

２．原子セル
次に、実施形態に係る原子セル１００について説明する。

図４は、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５は、図４に示す領域Ａの拡大図である。図６は、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。なお、本願の各図では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。各軸は、矢印で表され、先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」とする。また、Ｘ軸のプラス側およびマイナス側の両方向を「Ｘ軸方向」という。Ｙ軸方向およびＺ軸方向もそれぞれ同様である。

図４に示す原子セル１００は、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、図５に示すように、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、を有する。

２．１．基材
基材１０は、胴部１２と、胴部１２を挟んで設けられた一対の窓部１４、１６と、を有する。胴部１２は、図４に示すように、Ｚ軸方向に延在する軸を持つ円柱状の貫通孔１３を有する。貫通孔１３は、原子セル１００の内部空間Ｓの内壁の一部を構成している。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の構成材料としては、例えば、ガラス、水晶、金属、樹脂、シリコン等が挙げられる。

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は、Ｘ－Ｙ面に沿って広がる板状をなしている。窓部１４、１６は、内部空間Ｓの内壁の他部を構成している。つまり、胴部１２が有する貫通孔１３、および窓部１４、１６により、内部空間Ｓの内壁が構成されている。内部空間Ｓには、気体状態のアルカリ金属が充填されている。なお、内部空間Ｓに充填されているアルカリ金属は、一部が気体で存在し、残部が余剰分として液体または固体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は、内部空間Ｓと連通する貫通孔１７を有する。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の構成材料としては、例えば、銀ロウ、Ａｕ／Ｓｎ合金のような金属材料、バナジウム系ガラスのような低融点ガラス等が挙げられる。なお、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の構成材料は、原子発振器２００の光出射部２１０から出射された励起光Ｌを透過する材料である。励起光Ｌは、気体状のアルカリ金属を励起する。また、窓部１４、１６の構成材料は、極性基を有する化合物を含む。具体的には、窓部１４、１６の構成材料としては、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス等が挙げられる。極性基としては、例えば水酸基が挙げられる。

２．２．コーティング層
図７は、図５のコーティング層２０を形成する前の基材１０の内壁１０ａを模式的に示す断面図である。図８は、図７に示す内壁１０ａに形成された第１コーティング層２２および第２コーティング層２４を模式的に示す断面図である。

前述した極性基を有する化合物を含む材料で構成された内壁１０ａは、図７に示すように、例えば水酸基を有する。前述した窓部１４、１６の構成材料は、ケイ素と酸素とを含むため、このような水酸基を内壁１０ａに存在させやすく、コーティング層２０の形成において有用である。

コーティング層２０の膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下であるのが好ましく、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのがより好ましい。コーティング層２０の膜厚が前記下限値を下回ると、コーティング層２０の組成等によっては、アルカリ金属の電子スピン状態の緩和を十分に抑制することができないおそれがある。一方、コーティング層２０の膜厚が前記上限値を上回ると、コーティング層２０の組成等によっては、コーティング層２０の長期安定性が低下するおそれがある。

なお、コーティング層２０の膜厚は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の顕微鏡による観察結果に基づいて測定することができる。

２．２．１．第１コーティング層
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、内壁１０ａのうち、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４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。また、図示はしないが、第１コーティング層２２は、封止材１８の内壁に設けられていてもよい。第１コーティング層２２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのがより好ましい。

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。つまり、第１コーティング層２２は、第１分子に由来する化合物で構成されている。金属酸化物としては、任意の金属の酸化物が挙げられるが、特に、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）が好ましく用いられる。図８に示すように、第１分子の酸素は、内壁１０ａに存在する水酸基を置換し、第１分子の金属原子と、内壁１０ａに存在するケイ素と、を結合する。なお、図８では、金属原子の例としてタンタル原子を図示している。

上述した金属酸化物は、アルカリ金属とほとんど化学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の構成材料のケイ素と、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。

２．２．２．第２コーティング層
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１コーティング層２２に積層されている）。第２コーティング層２４の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましく、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのがより好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。

第２コーティング層２４は、第１コーティング層２２と脱離反応する反応性基と、および、非極性基、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分子の反応性基を、第１コーティング層２２と化学反応させることにより形成される。つまり、第２コーティング層２４は、第２分子に由来する化合物で構成されている。

第２コーティング層２４を形成する第２分子としては、例えば、カップリング剤、金属アルコキシド、アルコール、ポリイミド等が挙げられる。

第２分子としては、各種カップリング剤が好ましく用いられ、シランカップリング剤がより好ましく用いられる。カップリング剤は、一般に、反応性基と官能基とを有し、被処理物に官能基を導入する目的で用いられる。第２分子として用いられるカップリング剤は、官能基として非極性基を有する。カップリング剤を用いることにより、第２コーティング層２４に様々な非極性基を高密度に導入することができる。これにより、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との間で化学的な結合または物理的な吸着を生じさせることができ、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との間の剥離を特に抑制することができる。その結果、原子セル１００の耐熱性を高めることができ、例えば直射日光が当たるような高温環境下でも、高価な放熱機構を用いることなく安定して動作する原子発振器２００を実現することができる。

また、カップリング剤では、反応性基および非極性基が、分子鎖の互いに反対の端部に位置している。このため、反応性基を第１コーティング層２２に結合させたとき、非極性基は、第１コーティング層２２とは反対側に配向する確率が高くなる。これにより、第２コーティング層２４の表面に第３分子を供給したとき、第３分子の配向性および密着性を容易に高めることができる。その結果、最終的に結晶化度および密着力が高い第３コーティング層２６が得られる。

第２分子が例えばシランカップリング剤である場合、第２分子は、下記一般式（Ｉ）で表される。他のカップリング剤も、下記シランカップリング剤と同様である。

上記一般式（Ｉ）において、Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３は、それぞれ独立に、水素原子、アルコキシ基もしくはハロゲン原子、またはアルキル基である。Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３のうちの少なくとも１つは、反応性基であるアルコキシ基またはハロゲン原子である。Ｒ^１、Ｒ^２およびＲ^３は、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。ｎは、例えば１以上２０以下の整数であり、好ましくは４以上１８以下であり、より好ましくは６以上１２以下である。なお、－（ＣＨ_２）_ｎ－結合を、本明細書ではスペーサーという。また、Ｘは、非極性基である。

反応性基が例えばアルコキシ基である場合、脱水反応や脱アルコール反応等の脱離反応により、アルコキシ基は第１分子に由来の酸素に置換される。その結果、第１分子に由来の酸素は、図８に示すように、例えば、第１分子に由来の金属原子、および、第２分子のケイ素原子、と結合する。また、反応性基が例えばハロゲン原子である場合、ハロゲン原子が第１分子に由来の酸素に置換される。

１分子中に存在する反応性基の数は、２または３であるのが好ましく、３であるのがより好ましい。反応性基の数が多いほど、第２分子が第１コーティング層２２に結合するときの密着力が高くなる。これにより、第２コーティング層２４がより剥離しにくくなる。

非極性基Ｘとしては、例えば、直鎖アルキル基、シクロアルキル基、ビニル基、アルケニル基、フェニル基等が挙げられる。このうち、カップリング剤が有する非極性基は、直鎖アルキル基、ビニル基またはフェニル基が好ましい。これらは、非極性の第３分子に由来する第３コーティング層２６との間で特に強い分子間引力を生じさせる。これにより、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との密着力を特に高めることができる。

非極性基Ｘが長鎖アルキル基である場合、非極性基Ｘとスペーサーを長鎖アルキル基とみなすことができる。この場合、長鎖アルキル基の炭素数は、６以上２４以下であるのが好ましく、１０以上２０以下であるのがより好ましい。これにより、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になり、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができるので、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。その結果、原子セル１００に充填されるアルカリ金属の電子スピン状態が緩和されるのを効果的に抑制することができる。図８に示す第２コーティング層２４は、非極性基Ｘが長鎖アルキル基である例を図示したものである。

このような長鎖アルキル基を含むシランカップリング剤としては、例えば、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）等が挙げられる。

非極性基Ｘが長鎖アルキル基である場合、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９は、第２分子として長鎖アルキル基を含むシランカップリング剤を用い、第３分子として例えばパラフィンを用いた場合に、第３分子が第２分子に物理吸着している状態を示す模式図である。パラフィンは、非極性分子であるものの、分子量が大きいため、第２分子の長鎖アルキル基との間に強い分子間引力を生じる。これにより、図９に示すように、第３分子であるパラフィンが、第２分子の長鎖アルキル基に物理吸着する。

非極性基Ｘがビニル基である場合も、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になる。これにより、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができ、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。そして、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。

また、非極性基Ｘがビニル基である場合、例えばビニル基のグラフト反応により、第３コーティング層２６を形成する第３分子の少なくとも一部では、第２コーティング層２４を形成する第２分子に化学結合することもできる。第２分子と第３分子との間が化学的に結合していることで、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との密着力をさらに高めることができる。

なお、非極性基Ｘがビニル基である場合、スペーサーの炭素数は、２以上１４以下であるのが好ましく、６以上１２以下であるのがより好ましい。これにより、ビニル基の自由度が向上するため、ビニル基の反応性が特に高くなり、第３コーティング層２６の結晶化度および密着力を特に高めることができる。

非極性基Ｘがフェニル基である場合も、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になる。これにより、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができ、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。そして、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。

また、非極性基Ｘがフェニル基である場合、例えばＣＨ／π相互作用やπ／π相互作用により、第３コーティング層２６を形成する第３分子の少なくとも一部では、第２コーティング層２４を形成する第２分子に化学結合することもできる。これにより、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との密着力をさらに高めることができる。

なお、非極性基Ｘがフェニル基である場合、スペーサーの炭素数は、２以上１４以下であるのが好ましく、６以上１２以下であるのがより好ましい。これにより、フェニル基の自由度が向上するため、フェニル基の反応性が特に高くなり、第３コーティング層２６の結晶化度および密着力を特に高めることができる。

第２コーティング層２４を形成する第２分子が金属アルコキシドの場合、第２分子としては、例えば、チタンカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、ジルコニウムカップリング剤等が挙げられる。

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のような直鎖アルコール等が挙げられる。

２．２．３．第３コーティング層
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２コーティング層２４に積層されている）。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。つまり、第３コーティング層２６は、第３分子に由来する化合物で構成されている。第３コーティング層２６の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であるのが好ましく、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるのがより好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。

第３コーティング層２６は、第２コーティング層２４の作用により、結晶化度が７０％以上になっている。このような結晶化度を有する第３コーティング層２６によれば、アルカリ金属原子を特に吸着しにくいコーティング層２０を得ることができる。その結果、原子セル１００に充填されているアルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果を十分に高めることができる。

また、第３コーティング層２６の結晶化度は、７０％以上であればよいが、好ましくは７５％以上とされ、より好ましくは８０％以上とされる。

第３コーティング層２６の結晶化度は、Ｘ線回折法で取得した第３コーティング層２６のＸ線回折スペクトルから求めることができる。具体的には、まず、コーティング層２０について、Ｘ線回折法によりＸ線回折スペクトルを取得する。Ｘ線回折スペクトルには、第３コーティング層２６に含まれる結晶成分に由来する回折ピークと、非晶質成分に由来するハローパターンと、が混在している。そこで、標準試料のデータやデータベースに基づき、回折ピークやハローパターンにプロファイルフィッティングを行う。これにより、回折ピークやハローパターンを分離することができ、結晶成分に由来する回折ピークの面積と、非晶質成分に由来するハローパターンの面積を、それぞれ求めることができる。そして、下記計算式により、結晶化度［％］を求める。

なお、Ｘ線回折法においてＸ線の入射角度によっては、Ｘ線回折スペクトルが第２コーティング層２４や第１コーティング層２２の影響を受けてしまう場合がある。このような場合は、コーティング層２０の表面に対するＸ線の入射角度を小さくすることで、これらの影響を低減することができる。

第３コーティング層２６を形成する第３分子としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ：ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ：ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｐｅｎｔｅｎｅ）、パラフィン、ジアセチレン、ジエン等が挙げられる。これらは非極性の分子であるため、非極性基が外側に向かって配向している第２コーティング層２４に対して配列しやすくなる。その結果、結晶化度の高い第３コーティング層２６が得られる。また、第３分子が配列する方向は、内壁１０ａに対して交差する方向である。つまり、第３分子は、その長軸が内壁１０ａの表面と交差する方向に配列している。交差する方向に配列とは、第３分子の長軸の延在方向と、内壁１０ａの表面と、のなす角度が４５°以上９０°以下である状態を指す。また、この角度は、好ましくは６０°以上９０°以下とされる。

第３分子は、特に、パラフィンまたはジアセチレンであるのが好ましい。これらは、第２コーティング層２４の作用により、第３分子としてＰＰ、ＰＥ、ＰＭＰ等を用いた場合に比べて、特に結晶性が高い第３コーティング層２６の形成を可能にする。このため、これらの第３分子を用いることで、アルカリ金属原子を特に吸着しにくい第３コーティング層２６を形成することができる。

本明細書では、炭素数が２０以上のアルカンをパラフィンとする。パラフィンは、下記一般式（II）で表される。

Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２ （II）
上記一般式（II）中、ｎは、２０以上とされるが、２５以上１００以下であるのがより好ましい。

上記一般式（II）で表されるように、パラフィンは、非極性でかつ不活性な長鎖飽和炭化水素であるから、第２コーティング層２４の非極性基に対して特に緻密に整列しやすい。したがって、第３分子としてパラフィンを用いることにより、アルカリ金属原子を特に吸着しにくい第３コーティング層２６が得られる。このため、第３分子としてパラフィンを用いることにより、アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果がより顕著になる。

また、第３コーティング層２６がパラフィンに由来する場合、第３コーティング層２６のＸ線回折スペクトルから、パラフィン（１１０）面のロッキングカーブを取得することができる。このロッキングカーブの半値幅は、１０°以下であるのが好ましく、５°以下であるのがより好ましい。このとき、第３コーティング層２６におけるパラフィンの配向の度合いが高いといえる。このため、上記を満たす第３コーティング層２６は、アルカリ金属原子を特に吸着しにくいコーティング層２０の実現に寄与する。
ジアセチレンは、下記一般式（III）で表される。

上記一般式（III）中、Ｒ⁴およびＲ^５は、それぞれアルキル基であるのが好ましい。Ｒ⁴およびＲ^５は、互いに同じアルキル基であっても、互いに異なるアルキル基であってもよい。アルキル基は、分枝状であってもよいが、コーティング層２０の表面自由エネルギーをより小さくする観点から好ましくは直鎖状とされる。アルキル基の炭素数は、好ましくは６以上２４以下とされ、より好ましくは８以上２０以下とされ、さらに好ましくは１０以上１８以下とされる。炭素数をこの範囲内に設定することにより、第３コーティング層２６の結晶化度を高めやすくなる。

ジアセチレンが含む三重結合は、加熱等のエネルギー付与により開裂して固相重合を生じる。これにより、ポリジアセチレン化合物が得られる。ポリジアセチレン化合物は、隣り合うジアセチレンモノマー同士が重合し、架橋してなる重合体である。ポリジアセチレン化合物において、ジアセチレンの置換基に由来する部位は、架橋部から延びる側鎖となる。この側鎖は、第２コーティング層２４の非極性基に対して特に緻密に整列しやすい。これにより、架橋部に起因する優れた膜強度を有し、かつ、表面自由エネルギーが特に小さい第３コーティング層２６が得られる。その結果、剥離しにくく、かつ、アルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が特に顕著なコーティング層２０を実現することができる。

また、ジアセチレンに由来する第３コーティング層２６は、耐熱性にも優れる。つまり、固相重合によって膜化することで、高温下でも第２コーティング層２４から剥離しにくい第３コーティング層２６が得られる。これにより、高温下での耐性に優れる原子セル１００および原子発振器２００を実現することができる。

２．３．本実施形態が奏する効果
以上のように、本実施形態に係る原子セル１００は、内部にアルカリ金属が充填され、基材１０と、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、を含む。第１コーティング層２２は、基材１０の内壁１０ａに設けられ、第１分子に由来する。第２コーティング層２４は、第１コーティング層２２に設けられ、第１分子と脱離反応する反応性基、および、非極性基を有する第２分子に由来する。第３コーティング層２６は、第２コーティング層２４に設けられ、非極性の第３分子に由来する。そして、第３コーティング層２６は、結晶化度が７０％以上である。

このような構成によれば、第３コーティング層２６の結晶化度が高いため、第３コーティング層２６にはアルカリ金属原子が特に吸着しにくい。このため、内部に充填されているアルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が十分に高い原子セル１００を得ることができる。そして、このような原子セル１００を用いることにより、例えば原子発振器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。その結果、優れた周波数安定性を有する原子発振器２００が得られる。

また、前述したように、第３分子は、パラフィンまたはジアセチレンであるのが好ましい。パラフィンは、非極性でかつ不活性な長鎖飽和炭化水素であり、第２コーティング層２４の非極性基に対して特に緻密に整列しやすい。このため、第３分子がパラフィンであれば、アルカリ金属原子を特に吸着しにくい第３コーティング層２６が得られる。ジアセチレンは、固相重合により優れた膜強度の第３コーティング層２６を形成し、かつ、第２コーティング層２４の非極性基に対して特に緻密に整列しやすい。このため、第３分子がジアセチレンであれば、アルカリ金属原子が特に吸着しにくく、かつ、剥離しにくい第３コーティング層２６が得られる。

また、前述したように、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のが好ましい。これらの金属酸化物は、アルカリ金属とほとんど化学反応しないので、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。

また、前述したように、第２分子は、カップリング剤であるのが好ましい。第２分子としてカップリング剤を用いることにより、第２コーティング層２４に様々な非極性基を高密度に導入することができる。これにより、第２コーティング層２４と第３コーティング層２６との間の剥離を特に抑制することができる。また、カップリング剤の自己組織化を利用して、非極性基を第１コーティング層２２とは反対側に配向させることができるので、第３分子を容易に整列させることができる。これにより、結晶化度が特に高い第３コーティング層２６が得られる。

また、第２分子が有する非極性基は、直鎖アルキル基であるのが好ましい。これにより、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になる。その結果、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができ、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。

また、第２分子が有する非極性基は、ビニル基であるのが好ましい。これにより、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になる。その結果、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができ、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。また、ビニル基のグラフト反応により、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分子に結合することができる。

また、第２分子が有する非極性基は、フェニル基であるのが好ましい。これにより、第２コーティング層２４の非極性化が特に顕著になる。その結果、第２コーティング層２４は、第３分子に高い配向性を付与することができ、第３コーティング層２６の結晶性を特に高めることができる。また、フェニル基のＣＨ／π相互作用やπ／π相互作用により、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分子に結合することができる。

３．原子セルの製造方法
次に、原子セル１００の製造方法について説明する。

図１０は、図４に示す原子セル１００を製造する方法を説明するための工程図である。図１１および図１２は、それぞれ図１０に示す原子セル１００の製造方法を説明するための断面図である。

図１０に示す原子セル１００の製造方法は、第１コーティング層形成工程Ｓ１０２と、第２コーティング層形成工程Ｓ１０４と、第３コーティング層形成工程Ｓ１０６と、アルカリ金属充填工程Ｓ１０８と、貫通孔封止工程Ｓ１１０と、を含む。以下、各工程について説明する。

３．１．第１コーティング層形成工程
第１コーティング層形成工程Ｓ１０２では、図１１に示す基材１０の内壁１０ａに第１分子を供給する。これにより、図１２に示す第１コーティング層２２を形成する。第１分子の供給方法としては、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッター法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法等が挙げられる。このうち、ＣＶＤ法で第１コーティング層２２を形成する場合は、気体状態の第１分子を、貫通孔１７を通して内壁１０ａの表面に堆積させる。

３．２．第２コーティング層形成工程
第２コーティング層形成工程Ｓ１０４では、第１コーティング層２２に第２分子を供給する。第２分子は、第１分子と脱離反応する反応性基、および、非極性基、を有する。これにより、図１２に示す第２コーティング層２４を形成する。第２分子の供給方法としては、例えば、塗布法、ＣＶＤ法等が挙げられる。このうち、塗布法で第２コーティング層２４を形成する場合は、第２分子を所定の分散媒に分散させ、得られた分散液を、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。また、ＣＶＤ法で第２コーティング層２４を形成する場合は、気体状態の第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。

３．３．第３コーティング層形成工程
第３コーティング層形成工程Ｓ１０６では、第２コーティング層２４に第３分子を供給する。これにより、図１２に示す第３コーティング層２６を形成する。第３分子の供給方法としては、例えば、塗布法、真空蒸着法等が挙げられる。このうち、塗布法で第３コーティング層２６を形成する場合は、第３分子を所定の分散媒に分散させ、得られた分散液を、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。また、真空蒸着法で第３コーティング層２６を形成する場合は、気体状態の第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。以上のようにして、図１２に示すコーティング層２０が得られる。

なお、必要に応じて、供給された第３分子を、第３分子の融点以上の温度で加熱する。これにより、供給された第３分子が移動して配向し、自己組織化する。これにより、得られる第３コーティング層２６の結晶化度をより高めることができる。例えば第３分子がパラフィンである場合、パラフィンの融点が８０～１００℃程度である。したがって、１００℃超の温度で、好ましくは融点より１０℃以上高い温度で、第３分子を加熱するのが好ましい。なお、上限値は、加熱時間等の別の条件によっても異なるが、第３分子が熱によって変性しない温度、例えば２００℃程度に設定すればよい。

また、加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定され、また、配向の状況を確認しつつ設定されればよいが、一例として、３０秒以上６０分以下程度とされる。また、加熱雰囲気は、大気雰囲気であってもよいが、第３分子の酸化等を考慮して、不活性ガス雰囲気であるが好ましい。

一方、第３分子がジアセチレンである場合、第２コーティング層２４に第３分子を供給した後、第３分子を１００℃以上１２０℃以下の温度で加熱する加熱処理を行うことが好ましい。このような加熱処理により、第３分子を固相重合させることができ、結晶性が高い状態で容易にポリマー化を図ることができる。得られたポリジアセチレンは、結晶化度が特に高いものとなるため、特に高品質な第３コーティング層２６が得られる。

なお、加熱温度が前記下限値を下回ると、第３分子の固相重合が十分に進行せず、第３コーティング層２６の結晶化度を十分に高められないおそれがある。一方、加熱温度が前記上限値を上回ると、結晶化した第３分子が変性し、結晶化度が低下するおそれがある。

また、加熱処理の時間は、特に限定されないが、１分以上１８０分以下であるのが好ましく、５分以上１２０分以下であるのがより好ましい。

さらに、加熱処理の雰囲気は、特に限定されないが、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気のような不活性ガス雰囲気であるのが好ましい。これにより、第３コーティング層２６の結晶化度をより高めることができる。

３．４．アルカリ金属充填工程
アルカリ金属充填工程Ｓ１０８では、気体状態のアルカリ金属を、貫通孔１７を通して内部空間Ｓに充填する。アルカリ金属の充填は、コーティング層２０が融解しない条件下で行われる。

３．５．貫通孔封止工程
貫通孔封止工程Ｓ１１０では、貫通孔１７を封止材１８で封止する。具体的には、ボール状の封止材用部材を貫通孔１７に詰めた後、レーザー等で溶融させる。これにより貫通孔１７を封止する封止材１８を形成することができる。その結果、アルカリ金属が充填された内部空間Ｓを気密に封止することができる。
以上のようにして原子セル１００を製造することができる。

３．６．本実施形態が奏する効果
以上のように、本実施形態に係る原子セル１００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、第１コーティング層形成工程Ｓ１０２と、第２コーティング層形成工程Ｓ１０４と、第３コーティング層形成工程Ｓ１０６と、を含む。第１コーティング層形成工程Ｓ１０２では、基材１０の内壁１０ａに、第１分子を供給することにより、第１コーティング層２２を形成する。第２コーティング層形成工程Ｓ１０４では、第１コーティング層２２に、第１コーティング層２２と脱離反応する反応性基、および、非極性基、を有する第２分子を供給することにより、第２コーティング層２４を形成する。第３コーティング層形成工程Ｓ１０６では、第２コーティング層２４に、非極性の第３分子を供給することにより、第３コーティング層２６を形成する。第３コーティング層２６は、結晶化度が７０％以上である。

このような構成によれば、第３コーティング層２６の結晶化度が高いため、第３コーティング層２６にはアルカリ金属原子が特に吸着しにくい。このため、内部に充填されているアルカリ金属の電子スピン状態が緩和するのを抑制する効果が十分に高い原子セル１００を製造することができる。

また、第２コーティング層２４は、水の接触角が７０°以上１２０°以下であるのが好ましく、８０°以上１２０°以下であるのがより好ましい。第２コーティング層２４の水の接触角が前記範囲内であることは、第２分子の非極性基がより緻密に、かつ、より高度に整列した状態で配向していることを裏付けている。したがって、第２コーティング層２４の水の接触角が前記範囲内であれば、第３コーティング層２６の結晶化度を特に高めることができる。

なお、水の接触角が前記下限値を下回ると、第３コーティング層２６の結晶化度が低下するおそれがある。一方、水の接触角が前記上限値を上回る場合、第２コーティング層２４を効率よく形成することが困難になり、形成難易度が高くなるおそれがある。

第２コーティング層２４の水の接触角は、θ／２法により測定する。測定条件は、気温２５℃、相対湿度５０％±５％とする。水の滴下量は３μＬとし、着滴後５秒後に測定する。接触角の測定装置としては、例えば、協和界面科学株式会社製、接触角測定装置、ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ５００等が挙げられる。

また、第３分子がジアセチレンである場合、第３コーティング層形成工程Ｓ１０６は、第２コーティング層２４に第３分子を供給した後、第３分子を１００℃以上１２０℃以下の温度で加熱する加熱処理を含むことが好ましい。

このような第３コーティング層形成工程Ｓ１０６によれば、第３分子を固相重合させることができ、結晶性が高い状態で容易にポリマー化を図ることができる。得られたポリジアセチレンは、結晶化度が特に高いものとなるため、特に高品質な第３コーティング層２６が得られる。

また、前述したように、原子発振器２００（実施形態に係る量子干渉装置）は、原子セル１００と、光出射部２１０と、光検出部２３０と、を含む。光出射部２１０は、アルカリ金属を励起する励起光Ｌを出射する。光検出部２３０は、原子セル１００を透過した励起光Ｌを検出する。

このような構成によれば、原子セル１００が有する効果を享受できる原子発振器２００等の量子干渉装置が得られる。また、光検出部２３０において、より強度が大きく、かつ、線幅（ＥＩＴ信号の半値幅）が小さいＥＩＴ信号を検出することができる。これにより、優れた周波数安定性を有する原子発振器２００（量子干渉装置）が得られる。

４．電子機器
次に、原子発振器２００を備える電子機器について説明する。以下では、電子機器として原子発振器２００を備える測位システムについて説明する。図１３は、原子発振器２００を備える、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、を有する。

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、アンテナ３２６を介して受信装置３２４で受信した測位情報を送信する送信装置３２８と、有する。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、アンテナ３３２を介してＧＰＳ衛星３１０からの測位情報を受信する衛星受信部３３４と、アンテナ３３６を介して基地局装置３２０からの測位情報を受信する基地局受信部３３８と、を有する。

以上のような測位システム３００は、原子発振器２００を備えるため、優れた精度および信頼性を有するものとなる。

なお、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、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、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、魚群探知機、各種測定機器、計器類、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等であってもよい。

５．移動体
次に、原子発振器２００を備える移動体について説明する。以下では、移動体として原子発振器２００を備える自動車について説明する。図１４は、原子発振器２００を備える自動車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は、原子発振器２００を備える。

自動車４００は、原子発振器２００を備えるため、優れた精度および信頼性を有するものとなる。

なお、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、人工衛星等であってもよい。

以上、本発明の原子セル、原子セルの製造方法および量子干渉装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、本発明の原子セルおよび量子干渉装置は、前記実施形態の各部の構成を、同様の機能を有する任意の構成に置換したものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。

また、本発明の原子セルの製造方法は、前記実施形態に任意の目的の工程を追加したものであってもよい。

１０…基材、１０ａ…内壁、１２…胴部、１３…貫通孔、１４…窓部、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、Ｌ……励起光、Ｌ１…共鳴光、Ｌ２…共鳴光、Ｓ……内部空間、Ｓ１０２…第１コーティング層形成工程、Ｓ１０４…第２コーティング層形成工程、Ｓ１０６…第３コーティング層形成工程、Ｓ１０８…アルカリ金属充填工程、Ｓ１１０…貫通孔封止工程、ω_０…周波数、ω_１…周波数、ω_２…周波数

Claims (11)

1. 内部にアルカリ金属が充填される原子セルであって、
   基材と、
   前記基材の内壁に設けられ、第１分子に由来する第１コーティング層と、
   前記第１コーティング層に設けられ、前記第１分子と脱離反応する反応性基、および、非極性基を有する第２分子に由来する第２コーティング層と、
   前記第２コーティング層に設けられ、非極性の第３分子に由来する第３コーティング層と、
   を含み、
   前記第３コーティング層は、結晶化度が７０％以上であることを特徴とする原子セル。
2. 前記第３分子は、パラフィンまたはジアセチレンである請求項１に記載の原子セル。
3. 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請求項１または２に記載の原子セル。
4. 前記第２分子は、カップリング剤である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子セル。
5. 前記非極性基は、直鎖アルキル基である請求項４に記載の原子セル。
6. 前記非極性基は、ビニル基である請求項４に記載の原子セル。
7. 前記非極性基は、フェニル基である請求項４に記載の原子セル。
8. 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、
   基材の内壁に、第１分子を供給することにより、第１コーティング層を形成する工程と、
   前記第１コーティング層に、前記第１コーティング層と脱離反応する反応性基、および、非極性基、を有する第２分子を供給することにより、第２コーティング層を形成する工程と、
   前記第２コーティング層に、非極性の第３分子を供給することにより、第３コーティング層を形成する工程と、
   を含み、
   前記第３コーティング層は、結晶化度が７０％以上であることを特徴とする原子セルの製造方法。
9. 前記第２コーティング層は、水の接触角が７０°以上１２０°以下である請求項８に記載の原子セルの製造方法。
10. 前記第３分子は、ジアセチレンであり、
    前記第３コーティング層を形成する工程は、前記第２コーティング層に前記第３分子を供給した後、前記第３分子を１００℃以上１２０℃以下の温度で加熱する加熱処理を含む請求項８または９に記載の原子セルの製造方法。
11. 請求項１ないし７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、
    を含むことを特徴とする量子干渉装置。

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