JP5475491B2

JP5475491B2 - 原子捕捉装置および原子捕捉方法

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Publication number: JP5475491B2
Application number: JP2010027350A
Authority: JP
Inventors: 哲哉向井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: JP2011165918A

Description

本発明は、原子干渉計、原子および超伝導固体素子の量子状態の変換、および記憶・制御手段としての応用が可能となる、中性原子を捕捉する原子捕捉装置および原子捕捉方法に関するものである。

中性原子は、内部状態を持つ複合粒子であり、電磁場を用いて内部状態を量子力学的に操作することが、比較的容易にできる。従って、将来の量子デバイスの材料として有力な候補となっているが、室温の原子は、時速千キロメートル程度で運動する非常に小さい粒子のため、この原子を冷却して限られた空間内に閉じ込める原子捕捉の技術が重要となっている。

ここで、磁気モーメントがゼロでない原子は、磁場の勾配から力を受ける。従って、磁場の強いところでエネルギーが高くなる状態の原子（中性原子）は、３次元的な極小点を持つ不均一磁場中に置くことで、空間的に閉じ込めることができる。例えば、固体の表面に微細な配線パターンを形成し、この配線を流れる電流の周りに発生する磁場により、原子を捕捉するマイクロ磁場トラップの技術が開発され、原子の捕捉を実現している（非特許文献１参照）。

特開２００８−１７３７４５号公報

R. Folman, et al. "MICROSCOPIC ATOM OPTICS: FROM WIRES TO AN ATOM CHIP", Advance in Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol.48, pp.263-356 ,2002. T.Mukai, et al. ,"Persistent Supercurrent Atom Chip", PHYSICAL REVIEW LETTERS 98,260407, pp.260407-1-260407-4, 2007.

しかしながら、上述したマイクロ磁場トラップでは、電流を駆動するための構造が必要となり、設計上の制約の１つとなっている（特許文献１，非特許文献２参照）。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電流を駆動するための構造を用いることなしに、原子の閉じ込めが行えるようにすることを目的とする。

本発明に係る原子捕捉装置は、超伝導材料から構成されて貫通孔を有する捕捉部と、この捕捉部を超伝導転移温度以下に冷却する冷却手段と、捕捉部に均一な第１磁場を印加する磁場印加手段とを少なくとも備える。ここで、磁場印加手段は、捕捉部の貫通孔を貫く第１磁場を印加する。

上記原子捕捉装置において、磁場印加手段は、第１磁場に加え、第１磁場とは逆向きの均一な第２磁場を捕捉部に印加する。磁場印加手段は、捕捉部の貫通孔を貫く第２磁場を印加する。

上記原子捕捉装置において、捕捉部の近傍に捕捉対象の原子を供給する原子供給手段を備える。上記原子捕捉装置において、第１磁場は、第２磁場が印加されて冷却手段により捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却され、第２磁場の印加が停止されてから原子供給手段により原子が捕捉部の近傍に供給された後で、印加されるものである。また、第２磁場は、第２磁場の印加が停止された後に、捕捉部近傍に不均一な磁場を形成するための永久電流を流すための磁場であり、第１磁場は、永久電流によるに不均一な磁場と作用することで、第１磁場の印加により捕捉部近傍に不均一な反転磁場を形成するための磁場である。

また、本発明に係る原子捕捉方法は、超伝導材料から構成されて貫通孔を有する捕捉部に、貫通孔を貫く第２磁場を印加する第１ステップと、捕捉部を超伝導転移温度以下に冷却する第２ステップと、捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で第２磁場の印加を停止する第３ステップと、捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で捕捉部の近傍に捕捉対象の原子を供給する第４ステップと、捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で、貫通孔を貫き、第２磁場とは逆向きの均一な第１磁場を、捕捉部に印加する第５ステップとを備える。

上記原子捕捉方法において、第２磁場は、第３ステップの後に、捕捉部近傍に不均一な磁場を形成するための永久電流を流すための磁場であり、第１磁場は、永久電流によるに不均一な磁場と作用することで、第５ステップの後に、捕捉部近傍に不均一な反転磁場を形成するための磁場である。

以上説明したように、本発明によれば、超伝導材料から構成されて貫通孔を有する捕捉部を超伝導転移温度以下に冷却し、この捕捉部の近傍に捕捉対象の原子を供給し、捕捉部に均一な第１磁場を印加するようにしたので、電流を駆動するための構造を用いることなしに、原子の閉じ込めが行えるようになるという優れた効果が得られる。

本発明の実施の形態における原子捕捉装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態における原子捕捉装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態における原子捕捉装置の一部構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における原子捕捉装置の一部構成を拡大して示す断面図である。本発明の実施の形態における原子捕捉装置の構成を示す構成図である。本発明の実施の形態における原子捕捉方法を説明するためのフローチャートである。冷却部１０２に冷却される捕捉部１０１近傍に形成される不均一磁場の状態を示す断面図である。冷却部１０２に冷却される捕捉部１０１近傍に形成される不均一磁場の状態を示す断面図である。本発明の実施の形態における他の原子捕捉装置の一部構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における他の原子捕捉装置の一部構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃは、本発明の実施の形態における原子捕捉装置の構成を示す構成図および平面図である。この原子捕捉装置は、超伝導材料から構成されて貫通孔１０１ａを有する捕捉部１０１と、捕捉部１０１を超伝導転移温度以下に冷却する冷却部１０２と、捕捉部１０１に均一な第１磁場１３１および第１磁場１３１とは逆向きの均一な第２磁場１３２を印加する磁場印加部１０３とを備える。

捕捉部１０１は、図１Ｃの平面図に例示するように、リング状に形成されて貫通孔１０１ａを備える。捕捉部１０１は、例えば、厚さ１μｍ、外径１ｍｍ，内径０．９ｍｍの閉ループ形状であればよい。また、捕捉部１０１の外形は、円形状および楕円形状であればよく、また、多角形状であってもよい。捕捉部１０１を構成する超伝導材料としては、ニオブ（Ｎｂ），窒化ニオブ（ＮｂＮ），ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ₂），アルミニウム（Ａｌ），および，鉛（Ｐｂ）など、超伝導性を有するものを用いることができる。

捕捉部１０１は、例えば、図２の断面図に示すように、酸化シリコンやコランダム（サファイア）などの絶縁性の材料からなる基板２０１の上に形成することで、他の構成に対し、超伝導電流に関して絶縁分離された状態とする。例えば、基板２０１の上に、スパッタ法や蒸着法などにより上述した超伝導材料の膜を形成することで、捕捉部１０１を形成することができる。このように構成した場合、冷却部１０２による捕捉部１０１の冷却は、基板２０１を介して行えばよい。また、基板２０１は、超伝導性を示さない金属材料から構成することも考えられる。

また、捕捉部１０１により原子を捕捉するためには、対象となる原子を捕捉部１０１の近傍にまで供給することになる。例えば図３に示すように、磁気光学トラップ３０１により予め室温（２０℃程度）から予備冷却（数百マイクロケルビン程度）した原子を、四重極磁場トラップ３０２中に保持し、四重極磁場トラップ３０２を移動させることで、保持した原子を捕捉部１０１の近傍にまで供給すればよい。なお、これらのことは、真空中で行う。

次に、原子捕捉装置による原子捕捉方法について、図４のフローチャートを用いて説明する。まず、磁場印加部１０３を動作させ、例えば、捕捉部１０１より磁場印加部１０３の方向に向かう均一な第２磁場１３２を、捕捉部１０１に印加する（ステップＳ４０１）。第２磁場１３２の印加は、捕捉部１０１の貫通孔１０１ａを貫く方向に印加する。この磁場印加を開始したら、冷却部１０２を動作させて捕捉部１０１の冷却を開始する（ステップＳ４０２）。この冷却により、捕捉部１０１を超伝導転移温度以下に冷却したら（ステップＳ４０３）、第２磁場１３２の印加を遮断（停止）する（ステップＳ４０４）。

第２磁場１３２の印加遮断に引き続き、捕捉部１０１の近傍に捕捉対象の原子を供給する（ステップＳ４０５）。例えば、捕捉部１０１が配置されている真空中で、原子を捕捉している四重極磁場トラップ３０２を、捕捉部１０１の中央部下部に移動させ、四重極磁場トラップ３０２の電流を遮断して四重極磁場トラップ３０２の閉じ込めポテンシャルを消去することで、原子の供給を行う。この後、磁場印加部１０３により捕捉部１０１に第２磁場１３２とは逆向きの均一な第１磁場１３１を印加する（ステップＳ４０６）。第１磁場１３１も、捕捉部１０１の貫通孔１０１ａを貫く方向に印加する。なお、四重極磁場トラップ３０２の電流を遮断すると同時に、第１磁場１３１の印加を開始する。

第１磁場１３１の印加により、供給された原子が捕捉部１０１の近傍に捕捉されるようになる。第１磁場１３１を印加し続ければ、原子の捕捉も継続される。また、第１磁場１３１の印加を遮断（停止）すれば、捕捉されていた原子は捕捉部１０１から解放された状態となり、例えば、重力により落下する。

なお、ステップＳ４０１の段階で、第１磁場１３１を捕捉部１０１に印加し、この印加を停止して原子を供給した後で、ステップＳ４０６の段階で、第２磁場１３２を捕捉部１０１に印加してもよい。

上述した各磁場の印加について説明すると、まず、ステップＳ４０１の段階で磁場を印加し、ステップＳ４０２で冷却されることで、超伝導状態とされた捕捉部１０１には、ステップＳ４０４で磁場を遮断されることで、フラクソイド保存則により閉ループ形状の超伝導体である捕捉部１０１の内側を貫く全磁束が保存されるように、閉ループ形状に沿って永久電流が流れ、不均一な磁場が形成されるようになる。

この状態で、ステップＳ４０１の場合とは逆向きの均一な反転磁場を、貫通孔１０１ａを貫くように捕捉部１０１に印加すると、捕捉部１０１の閉ループ形状に沿って流れる永久電流は、フラクソイド保存則により上述の状態から変化するが、この永久電流による不均一磁場と、この磁場とは逆向きで磁場印加部１０３が発生する均一な磁場とにより、不均一な反転磁場が捕捉部１０１の近傍に形成されるようになる。このように、ステップＳ４０６の反転磁場印加により、捕捉部１０１の近傍には、捕捉部１０１に流れる永久電流による不均一磁場と、磁場印加部１０３により印加された反転磁場による不均一な反転磁場とが形成されることになる。

上述した２つの磁場が重畳されることにより、図５に示すように、冷却部１０２の側とは反対側の捕捉部１０１の閉ループ形状中央部近傍の中心部５０１から、この外側に向けて３次元的に磁場の強さが増幅する３次元不均一磁場５０２が形成されるようになる。例えば、冷却部１０２に対して大地の側に捕捉部１０１を配置すれば、捕捉部１０１の中央部の大地側（下部）の中心部５０１を中心とした３次元不均一磁場５０２が形成される。なお、図５は、捕捉部１０１に流れる永久電流による磁場と磁場印加部１０３による反転磁場とにより、冷却部１０２に冷却される捕捉部１０１の近傍に形成される不均一磁場の形状を示す断面図である。図５では、捕捉部１０１の中心を通る平面によって切断して得られる断面形状を模式的に示し、不均一磁場の等磁場面を曲線で示している。

中心部５０１は、３次元不均一磁場５０２の磁場勾配によるポテンシャルの極小点（３次元的な極小点）であり、この領域に、供給された原子が捕捉されるようになる。捕捉部１０１を構成する超伝導体近傍の磁場から斥力を受ける原子は、磁場の強いところでエネルギーが高くなる量子状態にあり、これを冷却し、上述したように不均一な磁場が形成されている捕捉部１０１の近傍（中心部５０１）に配置すれば、３次元不均一磁場５０２の磁場勾配によるポテンシャルにより、中心部５０１に原子を３次元的に閉じ込める（捕捉する）ことができる。

磁場が高いところでエネルギーが高くなる量子状態の原子としては、例えば、⁸⁷Ｒｂ（｜Ｆ＝２，ｍＦ＝＋２〉）がある。また、アルカリ土類金属や希ガス原子でもよい。このような、磁場が高いところでエネルギーが高くなる量子状態の原子であれば、本実施の形態における原子捕捉装置による原子捕捉が可能である。

上述した本実施の形態における閉ループ形状の超伝導材料により形成される原子のトラップは、閉ループ形状の回路に電流を駆動する配線や電源等特別な構造が不要である。また、Ｚ型等の回路形状を必要としないため、本実施の形態の原子捕捉装置は、設計上の自由度が極めて高いものとなる。

ところで、印加する均一磁場の方向は、捕捉部１０１が成す平面に対して垂直な状態である必要はない。例えば、捕捉部１０１の閉ループを貫く磁場であれば、上述同様に、不均一な磁場を形成することは可能である。ただし、印加する磁場の方向を、捕捉部１０１が成す平面に対して垂直な方向とすることで、より安定した磁場の極小点が形成でき、より安定して原子を捕捉することが可能になるものと考えられる。

また、ステップＳ４０１で印加する磁場（第２磁場１３２）の強さは弱めることが可能であり、例えば、ステップＳ４０１で印加する磁場がゼロであっても良い。言い換えると、捕捉部１０１を超伝導転移温度以下に冷却し、捕捉対象の原子を捕捉部１０１の近傍に配置した後、閉プール状の捕捉部１０１の貫通孔１０１ａを貫く磁場（第１磁場１３１）を印加すれば、上記原子を捕捉部１０１の近傍に捕捉することができる。

ただしこの場合、不均一磁場の形状は、図５を用いて説明したように、１点を極小点として、その点から外側に向けて３次元的に磁場が強くなる形状とはならない。この場合、不均一磁場の形状は、図６に示すように、捕捉部１０１の閉ループの内側にできるドーナツ型の形状となる。

なお、図６は、捕捉部１０１に流れる永久電流による磁場により、冷却部１０２で冷却される捕捉部１０１の近傍に形成される不均一磁場の形状を示す断面図である。図６では、捕捉部１０１の中心を通る平面によって切断して得られる断面形状を模式的に示し、不均一磁場の等磁場面を曲線で示している。捕捉部１０１が円環状である場合、磁場の極小点は３次元的にドーナツ型となることを示している。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、図７の平面図に示すように、冷却部１０２に、複数の捕捉部１０１を配置し、複数の磁場極小点を形成するようにしてもよい。また、図８の平面図に示すように、複数の貫通孔８０１ａを備える捕捉部８０１を用いるようにしてもよい。

本発明は、高い設計自由度を有するので、高感度な原子干渉計を構成するための原子導波路として利用することが期待できる。また、本発明の原子捕捉装置は、原子の量子状態の変換、および記憶・制御手段としての応用も期待できる。

１０１…捕捉部、１０１ａ…貫通孔、１０２…冷却部、１０３…磁場印加部、１３１…第１磁場、１３２…第２磁場。

Claims

超伝導材料から構成されて貫通孔を有する捕捉部と、
この捕捉部を超伝導転移温度以下に冷却する冷却手段と、
前記捕捉部に均一な第１磁場を印加する磁場印加手段と、
前記捕捉部の近傍に捕捉対象の原子を供給する原子供給手段と
を少なくとも備え、
前記磁場印加手段は、前記捕捉部の貫通孔を貫く前記第１磁場を印加し、
前記磁場印加手段は、前記第１磁場に加え、前記第１磁場とは逆向きの均一な第２磁場を前記捕捉部に印加し、
前記磁場印加手段は、前記捕捉部の貫通孔を貫く前記第２磁場を印加し、
前記第１磁場は、前記第２磁場が印加されて前記冷却手段により前記捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却され、前記第２磁場の印加が停止されてから前記原子供給手段により前記原子が前記捕捉部の近傍に供給された後で、印加されるものであり、
前記第２磁場は、前記第２磁場の印加が停止された後に、前記捕捉部近傍に不均一な磁場を形成するための永久電流を流すための磁場であり、
前記第１磁場は、前記永久電流によるに不均一な磁場と作用することで、前記第１磁場の印加により前記捕捉部近傍に不均一な反転磁場を形成するための磁場である
ことを特徴とする原子捕捉装置。
超伝導材料から構成されて貫通孔を有する捕捉部に、前記貫通孔を貫く第２磁場を印加する第１ステップと、
前記捕捉部を超伝導転移温度以下に冷却する第２ステップと、
前記捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で前記第２磁場の印加を停止する第３ステップと、
前記捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で前記捕捉部の近傍に捕捉対象の原子を供給する第４ステップと、
前記捕捉部が超伝導転移温度以下に冷却された状態で、前記貫通孔を貫き、前記第２磁場とは逆向きの均一な第１磁場を、前記捕捉部に印加する第５ステップと
を備え、
前記第２磁場は、前記第３ステップの後に、前記捕捉部近傍に不均一な磁場を形成するための永久電流を流すための磁場であり、
前記第１磁場は、前記永久電流によるに不均一な磁場と作用することで、前記第５ステップの後に、前記捕捉部近傍に不均一な反転磁場を形成するための磁場である
ことを特徴とする原子捕捉方法。