JP6857977B2 - 電気永久磁石を使用する原子センサーに関する低電力磁場発生のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

[0001]今日の産業において、非常に低い電力消費で稼働することができるますます小さいセンサーを開発する要求が継続的に存在している。冷却原子センサーは、高度に安定した小型の原子クロックおよび高性能の慣性測定システムなどのような、そのような小さいセンサーに関して、サイズおよび電力の両方の要求を満足させる可能性を有する１つの開発中の技術を代表する。冷却原子センサーは、原子のレーザー冷却およびトラッピングによって動作する。次いで、アンチヘルムホルツ磁場が印加され得、トラッピングポテンシャルを生成させるようになっており、その最小は、トラップの中心を画定する。アンチヘルムホルツ磁場プロファイルは、通常、電気磁気コイルによって作り出され、コイルへの電流は、測定サイクルの間に、オンおよびオフに切り替えられ得る。しかし、これらの電気磁気コイルは、冷却原子センサーの中で大量の電力を消費する可能性がある。この構成は、原子トラップを維持するために、コイルが励磁されたままになることを必要とし、次いで、瞬間的に電源が切られ、トラップされる原子が、測定値を得るためにプロービングされ得るようになっている。

[0002]上記に述べられている理由のために、および、明細書を読んで理解すると当業者に明らかになることとなる、下記に述べられている他の理由のために、原子センサーに関する低電力磁場発生を提供するための代替的なシステムおよび方法に対する要求が当技術分野に存在している。

[0003]本発明の実施形態は、原子センサーに関する低電力磁場発生を提供するための方法およびシステムを提供し、以下の明細書を読んで検討することによって理解されることとなる。

[0004]電気永久磁石を使用する原子センサーに関する切り替え可能な低電力磁場発生のためのシステムおよび方法が提供される。１つの実施形態では、原子センサーに関する磁場発生のための方法は、チャンバーの中の原子のサンプルをレーザー冷却するステップと、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットを使用して、原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場を印加することによって、チャンバーの中の磁気光学トラップの中に原子のサンプルをトラップするステップとを含む。

[0005]好適な実施形態の説明および以下の図を考慮して考えると、本発明の実施形態がより容易に理解され得、そのさらなる利点および使用がより容易に明らかとなる。

[0006]本開示の１つの実施形態の電気永久磁石ユニットの概略図である。 本開示の１つの実施形態の電気永久磁石ユニットの概略図である。 [0007]本開示の１つの実施形態の電気永久磁石ユニットの硬質の磁気材料−対−半硬質の磁気材料を図示する磁気ヒステリシス概略図である。 [0008]本開示の１つの実施形態の冷却原子センサーの概略図である。 本開示の１つの実施形態の冷却原子センサーの概略図である。 本開示の１つの実施形態の冷却原子センサーの概略図である。 本開示の１つの実施形態の冷却原子センサーの概略図である。 [0009]本開示の１つの実施形態の方法を図示するフローチャートである。

[0010]一般的なやり方にしたがって、説明されているさまざまな特徴は、原寸で描かれていないが、本発明に関連する特徴を強調するように描かれている。参照文字は、図およびテキストの全体を通して、同様のエレメントを示している。

[0011]以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面が参照されており、その中には、本発明が実施され得る特定の例示目的の実施形態によって示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分に詳細に説明されており、他の実施形態が利用され得るということ、ならびに、本発明の範囲を逸脱することなく、論理的な、機械的な、および電気的な変化が行われ得るということが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定する意味でとられるべきではない。

[0012]本開示の実施形態は、電気永久磁石を利用することによって相対的に低い電力消費を示す冷却原子センサーに関して、切り替え可能なアンチヘルムホルツ状の磁場を作り出すためのシステムおよび方法を提供する。用語が本明細書で使用されるときに、電気永久磁石ユニットは、（すなわち、磁場を作り出すためにコイルの中への電流の印加を必要とする電磁石とは対照的に、）永久的な固有の磁性をそれぞれ持っており、外部刺激なしに磁場を作り出す磁気材料のアッセンブリを表している。しかし、電気永久磁石ユニットの中の磁気材料のうちの少なくとも１つによって作り出される磁場の極性は、十分な強度の外部磁場にその磁気材料を露出させることによって変更させられ得る。下記に説明されているように、電気永久磁石ユニットは、対になって配置されており、１対のレーザービームとともに、真空チャンバーまたは他の容器の中央に磁気勾配を生成させ、原子が冷却およびトラップされ得る場所で上手くポテンシャルを生成させる。原子が適切なスペースにおいて冷却および局在化されると、トラッピングポテンシャルは、閉鎖され得、原子が、（たとえば、レーザーを使用して）インテロゲートおよびプロービングされ、原子クロック、磁力計、および慣性センサーなどのようなデバイスを実装することが可能である。

[0013]１つの実施形態では、電気永久磁石ユニットは、本明細書で「半硬質の」磁石と称されるものと磁気的に整合している、本明細書で「硬質の」磁石と称されるものを含むことが可能である。磁石に関する「硬質の」および「半硬質の」という用語は、磁気学の当業者によく知られており、一般的に、磁気材料の保持力（Ｈ_ｃ）を表している。高い保持力の磁気材料は、飽和まで磁化されており、比較的強力な磁場の中で極性の逆転を経験する。したがって、材料の磁気硬度は、磁気材料の極性を外部から印加される磁場への露出によって反転させるために、その磁気材料がどの程度適しているかということを少なくとも部分的に表している。これは、さらに下記に説明されることとなる。半硬質の磁石は、硬質の磁石よりも相対的に小さいが、一般的に軟質の磁石と考えられるものよりも大きい保持力を有する磁石である。「硬質の」磁石材料の例は、ＮｄＦｅＢであり、「半硬質の」磁石材料の例は、ＡｌＮｉＣｏであるが、他の磁気材料も使用され得る。

[0014]図１および図１Ａは、本開示の１つの実施形態の電気永久（ＥＰ）磁石ユニット１０１を全体的に図示する概略図である。図１は、ＥＰ磁石ユニット１０１の分解図を提供しており、ＥＰ磁石ユニット１０１は、第１の磁気リング１１０および第２の磁気リング１２０、ならびに、磁石ワイヤー１３０のコイルを含み、第１の磁気リング１１０および第２の磁気リング１２０は、互いに隣に位置決めされており、それらの中心軸線が整合し、ＥＰ磁石ユニット１０１の中心軸線１１５を画定するようになっており、磁石ワイヤー１３０のコイルは、磁気リング１１０および１２０の周りに巻かれているということを図示している。図１Ａに示されているように、図１のエレメントが組み立てられると、第１の磁気リング１１０および第２の磁気リング１２０は、中心軸線１１５と整合させられた正味磁場を作り出し、それは、（ＥＰ）磁石ユニット１０１の第１の側部から延在する第１の極（Ｐ１）と、（ＥＰ）磁石ユニット１０１の反対側の第２の側部から延在する第２の極（Ｐ２）とを有している。認識されることとなるように、Ｐ１およびＰ２は、ＥＰ磁石ユニット１０１によって作り出される磁場のいずれかの側部に関連付けされる反対の磁気極性を示す。すなわち、Ｐ１がＮ磁極であるときは、Ｐ２がＳ磁極である。同様に、Ｐ１がＳ磁極であるときは、Ｐ２がＮ磁極である。この実施形態では、第１の磁気リング１１０は、ＥＰ磁石ユニット１０１の「硬質の」磁石を画定しており、一方、第２の磁気リング１２０は、「半硬質の」磁石を画定している。

[0015]それらの初期状態では、磁気リング１１０および１２０のそれぞれは、磁気モーメントを示す材料を含み、また、電流が磁石ワイヤー１３０に印加されていないときでも、それら自身の磁場をそれぞれ作り出す。１つの実施形態では、ＥＰ磁石ユニット１０１がその初期状態（本明細書では、その「オフ」状態とも称される）にあるときに、磁気リング１１０および１２０は、磁気リング１１０および１２０のそれぞれからの同じ磁気極性が互いに向かい合うように配置されている。すなわち、オフ状態では、リング１１０のＮ極がリング１２０のＮ極を向くか、または、リング１１０のＳ極がリング１２０のＳ極を向くかのいずれかである。この構成では、それぞれの磁気リングによって作り出されるそれらのそれぞれの磁場は、ユニット１００からの正味磁場がそれらの個々の磁場の大きさ同士の間の差の関数である大きさを有することとなるように相殺する。いくつかの実施形態では、磁気リング１１０および１２０を製作するために使用される寸法、幾何学形状、および材料は、オフ状態であるときに、磁場が完全にまたはほとんど完全に互いに相殺するように選択され、ＥＰ磁石ユニット１０１が実質的にゼロの正味磁場を作り出す。オフ状態では、リング１１０、１２０のそれぞれの磁場が相殺しており、オフ状態は、本明細書で、ＥＰ磁石ユニット１００の非活性化された状態とも称される。

[0016]オフ状態とは対照的に、ＥＰ磁石ユニット１０１は、本明細書で「オン」状態または「活性化された」状態と称される第２の状態にもセットされ得る。オフ状態からオン状態へＥＰ磁石ユニット１０１を切り替えるために、電流のパルスが、磁気ワイヤー１３０を通過させられ、第２の磁気リング１２０（すなわち、半硬質の磁石）の磁気分極ベクトルが、磁気リング１１０の分極と平行に反転させられるようになっている。すなわち、磁気リング１２０の極性は、リング１２０およびリング１１０の異種の磁極が互いに向き合うように反転させられる。この構成では、互いにオフセットするというよりも、磁気リング１１０および１２０によって作り出される２つの磁場は付加的であり、ユニット１００からの正味磁場が、累積的な大きさ（すなわち、それらの個々の磁場の大きさの総和の関数）を有することとなるようになっている。

[0017]もう一度、オン状態からオフ状態へ戻してＥＰ磁石ユニット１０１を非活性化させるために、電流の別の短パルスが、ＥＰ磁石ユニット１０１を活性化させるために印加された電流とは反対側方向に、磁気ワイヤー１３０を通過させられ得る。そのような電流が印加されると、磁気リング１２０の磁気分極ベクトルが磁気リング１１０のものと逆平行に反転させられ、それらの個々の磁場がもう一度相殺するようになっている。

[0018]ユニット１００の状態を反転させるために印加される電流のパルスは、マイクロ秒から数百マイクロ秒のオーダーであることが可能であり、また、磁気リング１２０の極性を反転させるのには十分であるが、磁気リング１１０の極性を反転させるのに十分ではない磁場を作り出すために、十分な大きさであることが可能である。同時に、リング１２０に関して選択される材料が、また、十分な磁気保持力を有するように選択され、それが、磁気リング１１０によって作り出される磁場に応答して、極性を反転させることとならず、または、消磁されることとならないようになっている。すなわち、磁気リング１２０は、磁気リング１１０からの磁場に応答して反転する極に抵抗するのに十分な磁気硬度を有しているが、電流が印加されるときに磁気ワイヤー１３０によって作り出される磁場に応答して反転することとなる。磁気リング１１０は、磁気リング１２０からの磁場に応答して反転する極に抵抗し、かつ、磁気ワイヤー１３０からの磁場に応答して反転する極に抵抗するのに十分な磁気硬度を有している。

[0019]図１Ｂは、例示的な磁化（Ｍ）−対−印加される磁場（Ｈ）のヒステリシス曲線１９０および１９２を提供しており、それは、「硬質の」磁気材料−対−「半硬質の」磁気材料の特性を図示している。一般的に言えば、磁気材料の「硬度」（すなわち、材料の極性が反転することを引き起こすために必要な印加される磁場のその保持力または大きさ）は、少なくとも部分的に、水平方向の「印加される磁場」（Ｈ）の軸線に沿った材料のヒステリシス曲線の幅の関数であり、任意の２つの磁気材料の相対的な硬度または半硬度が（それらの用語が本明細書で使用されるとき）、この軸線においてそれらのヒステリシス曲線の相対的な幅を比較することによって評価され得るようになっている。飽和磁化を引き起こすのに十分な駆動磁場（すなわち、印加される磁場）が、硬質の磁気材料（１９０において図示されている）に印加されるとき、それは、駆動磁場が除去されるときでも、飽和磁場のほんの一部を保持することとなる。比較すると、飽和磁化を引き起こすのに十分な同じ駆動磁場が、半硬質の磁気材料（１９２において図示されている）に印加されるとき、それは、駆動磁場が除去されるときに飽和磁場のより小さな一部を保持することとなる。そうであるので、外部から印加される磁場が除去された後に材料の中に存在する飽和磁場の差に少なくとも部分的に起因して、半硬質の磁気材料は、硬質の磁気材料よりも、外部から印加される磁場に応答して極性を逆転させるのに適している。

[0020]クロックまたは慣性センサーなどのような、冷却原子センサーを用いて、アンチヘルムホルツ磁場などのような原子トラッピング磁場が、原子（たとえば、それに限定されないが、原子ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、カルシウム（Ｃａ）、またはイッテルビウム（Ｙｂ）など）を高真空チャンバーの中にトラップするために印加される。図２は、そのような冷却原子センサー２００を図示する概略図であり、そのような冷却原子センサー２００は、対になったＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２のセットを含み、そのそれぞれは、ＥＰ磁石ユニット１０１に関して上記に説明されている構造および構成を有している。そうであるので、ＥＰ磁石ユニット１０１に関する上記の議論からの詳細は、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２のそれぞれに当てはまり、また、その逆も同様である。

[0021]ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２は、超高真空セルまたはチャンバー２２０の両側に位置決めされ、真空チャンバー２２０の中に原子トラッピング磁場（たとえば、アンチヘルムホルツ磁場または四重極磁場など）を導入する。すなわち、図２Ａにさらに図示されているように、２つのＥＰ磁石ユニット２０１−１（２１５−１において示されている）および２０１−２（２１５−２において示されている）のそれぞれの中心軸線は、互いに対して、および、真空チャンバー２２０の中に画定された磁気光学トラップ２２２の中心に対して、共線的となるように整合させられている。それらが両方ともオン状態に切り替えられるときに、それらのそれぞれの磁場の極性が、磁気光学トラップ２２２のちょうど中心で、逆平行となり、互いに相殺するように（すなわち反対側方向に配向されるそれらのそれぞれの極）、２つのＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２のそれぞれは、磁気光学トラップ２２２に対して配向させられており、アンチヘルムホルツ磁場構成などのような原子トラッピング磁気勾配２２５を結果として生じさせる。トラッピングが起こるためには、原子が、適当に離調されたレーザービーム２３０、２３２によってレーザー冷却される。原子トラッピング磁場は、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２をオン状態に切り替えることによって印加され得、トラッピングポテンシャル２２５を生成させるようになっており、その最小が、磁気光学トラップ２２２の中心を画定する。用語が本明細書で使用されるときに、離調されたレーザービームは、固有原子共振周波数からわずかに離れた周波数にチューニングされたレーザーを表している。赤方離調された光(Red-detuned light)は、それがレーザー供給源に向かって移動するときにはいつでも、摩擦力を原子に提供し、それによって、原子を遅くし、または「冷却する」ことが可能である。

[0022]図２に示されている実施形態では、離調されたレーザービーム２３０、２３２のそれぞれは、それぞれのレーザー供給源２３１および２３３によって発生させられている。レーザー供給源２３１および２３３は、それぞれのＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２のそれぞれの中心軸線１１５と整合させられており、レーザービーム２３０、２３２が、それぞれの中央リング孔１１２を通過し、トラップ２２２の中心で出会うようになっている。このように、レーザービーム２３０、２３２は、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２によってチャンバー２２０の中に作り出される磁気勾配にそれぞれ整合させられている。また、レーザー供給源２３１および２３３は、別々のものとして示されているが、レーザー供給源２３１および２３３は、典型的に（常にというわけではないが）、１つの単一のレーザー発生デバイスを使用して実装されることとなり、レーザービーム２３０、２３２が両方とも単一の共通のレーザービームから生じるようになっているということが認識されるべきである。

[0023]空間的に依存するトラップ２２２の中へ冷却された原子をロードするために、電流のパルスが印加され、原子トラッピング磁場勾配２２５を発生させるＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２を活性化させ、それは、アンチヘルムホルツ状の構成の正味磁場を結果として生じさせる（すなわち、トラップ２２２において）。より具体的には、原子トラッピング磁場２２５は、線形勾配を含み、それは、トラップ２２２のちょうど中心においてゼロであり、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２に向かって移動するにつれて大きさが増加する。原子は最低のポテンシャルのポイントにおいて静止することを求めるので、それらは、磁気光学トラップ２２２の中にトラップされることになる。

[0024]センサー２００の中の原子トラッピング磁場は、原子をトラップするために印加されるが、（たとえば、原子の内部状態をインテロゲートおよびプロービングすることによって）原子を特性評価するために、磁場は、瞬間的に非励磁にされる。磁気勾配を提供する磁場を非励磁にするために、電流パルスが、ＥＰ磁石ユニットのそれぞれに印加され、それらのそれぞれのＥＰ磁石ユニットをオフ状態に変化させる。次いで、原子は、当業者に知られている手段によって特性評価され得る。特性評価が完了されると、別の電流パルスが、ＥＰ磁石ユニットのそれぞれに反対側方向に印加され、それらのそれぞれのＥＰ磁石ユニットをそれらのオン状態に変化させ、トラップ２２２を再確立させる。

[0025]本明細書で説明されているＥＰ磁石ユニットは、従来の電磁コイルとは異なり、磁場を維持するための電力を使用することなく、一旦活性化されると磁化されたままになる能力を有している。図１および図１Ａに示されているＥＰ磁石ユニット１０１を利用することによって、本開示の実施形態は、切り替えを行うために低い電力および近道を提供する。その理由は、それぞれのＥＰ磁石ユニットは、オン状態とオフ状態との間でＥＰ磁石ユニットを切り替えるために瞬間的に励磁されることだけを必要とするが、ＥＰ磁石ユニットは、アンチヘルムホルツ磁場を維持するために励磁されたままである必要がないからである。

[0026]永久磁石を製作するために使用される磁気材料に伴う１つの問題は、それらが発生させる磁場が、時間の経過とともにドリフトする可能性があるということである。たとえば、いくつかの磁気材料は、温度に敏感であり、温度の変化の関数として変化する磁場を作り出すこととなる。したがって、いくつかの実施形態に関して、レーザー冷却された原子の内部状態を測定することによって、および、ＥＰ磁石ユニットに印加されるフィードバック信号へとそれらの状態を変換することによって、磁場バイアスは、随意的に、ＥＰ磁石ユニットからキャリブレートされ得る。ドリフトを軽減する１つのそのような実施形態が、図２Ｂに示されている。

[0027]図２Ｂは、冷却原子センサー２００を図示する概略図であり、対になったＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２のそれぞれが、シムコイル２８０をさらに含む。シムコイル２８０は、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２に関して議論されているが、それらは、他の幾何学形状に関しても同様に利用され得るということが認識されるべきである。１つの実施形態では、シムコイル２８０は、低い電流を流すコイルであり、それは、温度または他の環境影響によって引き起こされるＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２の永久磁石磁場の任意のドリフトを保証するために利用され得る。また、シムコイル２８０は、ＥＰ磁石ユニットがオフ状態になっているときにトラップ２２２の中に存在し得る任意の残留磁場をさらにゼロにするために使用され得る。すなわち、オフ状態においても、第１の磁気リング１１０および第２の磁気リング１２０の磁場は、ドリフトする可能性があり、それらは、オフ状態になっているときに、完全には相殺しないようになっており、それは、低い残留磁場が存在するままである可能性があるということを意味している。シムコイル２８０に電流を通すことによって、その低い残留磁場が軽減され得る。

[0028]１つの実施形態では、冷却原子センサー２００は、原子特性評価機能２８５をさらに含む。レーザー冷却された原子の内部状態は、残留磁場に敏感であり、磁力計に関するものと同じ様式でプロービングされ、それに対して作用する任意の磁場の大きさを決定することが可能である。１つの実施形態では、ゼーマン状態キャリブレーションまたは他の方法を使用して、アクティブ磁場をゼロにすることが、磁場の時間変化を補償するために使用され得る。たとえば、ゼーマン分光法が、原子特性評価機能２８５によって使用され、トラップ２２２の中の原子の原子状態をプロービングし、残留磁場を測定することが可能である。その測定から、原子特性評価機能２８５は、シムコイル２８０のうちの１つまたは両方の中へ比例電流を発生させ、残りの磁場をゼロにするために作用するキャリブレート磁場を作り出す。１つの実施形態では、周期的な再キャリブレーションが、シムコイル２８０を使用して実施され、時間の経過とともに起こり得る磁気ドリフトを補正する。シムコイル１８０に印加される電流は、実質的にエラー（誤差）信号、またはフィードバック信号であり、それは、磁場がゼロであるべきときに（すなわち、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２がオフ状態になっているときに）、原子トラップ２２２の中に測定されるような磁場をゼロまで駆動するために使用される。

[0029]いくつかの代替的な実施形態では、磁気リング１１０および１２０に関して使用される寸法、幾何学形状、および材料は、オフ状態であるときに、部分的にだけ相殺するように選択されており、ユニット１０１が非活性化されているときでも、ユニット１０１の周りの磁場の中に意図的なバイアスが存在したままとなるようになっているということが留意されるべきである。そのような実施形態は、いくつかのクロック用途において使用され得る。そのような代替的な実施形態では、シムコイル２８０は、原子特性評価機能２８５とともに利用され、ゼロの正味磁場というよりも、オフ状態において所望の意図的な相殺を有するように、ＥＰ磁石ユニットをキャリブレートすることが可能である。

[0030]図２、図２Ａ、および図２Ｂは、ＥＰ磁石ユニット２０１−１および２０１−２に整合させられている１対のレーザービームの利用を図示しているが、磁気光学トラップ２２２は、実際には、追加的なレーザービーム対を通して、すべての３つのデカルト方向に実装され得るということが認識されるべきである。たとえば、図２Ｃは、第２の対のレーザービーム２７０および２７２（２６２において示され、それぞれのレーザー供給源２７１および２７３によって作り出される）および第３の対のレーザービーム２７５および２７７（２６４において示され、それぞれのレーザー供給源２７６および２７８によって作り出される）とともに使用される、１対のレーザービーム２３０および２３２（２６０において示され、それぞれのレーザー供給源２３１および２３３によって作り出される）を図示しており、それは、それぞれ、互いに対して直交して配向されており、磁気光学トラップ２２２の中心において相互に交差する軸線を有している。

[0031]図３は、原子センサーのための低電力磁場発生に関する本開示の１つの実施形態の方法３００を図示するフローチャートである。いくつかの実施形態では、方法３００のエレメントは、上記の図に関して上記に説明されている実施形態のいずれかの１つまたは複数のエレメントを実装するように使用され得る。そうであるので、方法３００のエレメントは、上記に説明されている実施形態とともに、または、上記に説明されている実施形態と組み合わせて使用され得、上記の議論からの詳細は、方法３００にも当てはまり、また、その逆も同様である。

[0032]方法は、チャンバーの中の原子のサンプルをレーザー冷却することによって、３１０において開始する。トラッピングが起こるために、原子が、適切に離調されたレーザービームによってレーザー冷却される。原子トラッピング磁場（たとえば、アンチヘルムホルツ磁場または四重極磁場など）は、ＥＰ磁石ユニットをオン状態に切り替えることによって印加され、トラッピングポテンシャル勾配を生成させるようになっており、その最小が、磁気光学トラップの中心を画定する。

[0033]したがって、方法は、３２０に進み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットを使用して原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場を印加することによって、チャンバーの中の磁気光学トラップの中に原子のサンプルをトラップする。上記に説明されているように、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットの電気永久磁石ユニットのそれぞれは、第１の磁気材料の第１の磁気リングと、第２の磁気材料の第２の磁気リングと、第１の磁気リングおよび第２の磁気リングのうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤーのコイルとを含むことが可能である。そのケースでは、原子のサンプルを横切ってアンチヘルムホルツ磁場または他の原子トラッピング磁場を印加することは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流をコイルに印加することをさらに含み、そこでは、第１の磁気リングの極性を切り替えることなく、第２の磁気リングの磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替える。換言すれば、第１の磁気リングは、ＥＰ磁石ユニットの「硬質の」磁石を画定しており、一方、第２の磁気リングは、「半硬質の」磁石を画定している。オフ状態では、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、図１に関して上記に説明されているのと同じ様式で、反対側に分極され、互いに相殺している。同様に、オン状態では、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、同様に分極され、互いに付加し合う。

[0034]原子トラッピング磁場が、原子をトラップするために印加される。しかし、原子を特性評価するために（すなわち、原子の内部状態をプロービングするために）、磁場が瞬間的に非励磁にされる。そうであるのでいくつかの実施形態では、方法３００は、原子のサンプルを横切る原子トラッピング磁場を瞬間的に非励磁にしながら、所望の原子インテロゲーション（問いかけ）スキームを原子のサンプルに実施することによって、３３０に進むことが可能である。このインテロゲーションスキームは、原子サンプルの内部状態をプロービングすること、原子サンプルの外部運動状態をプロービングすること、または、いくつかの他の原子インテロゲーションを含むことが可能である。上記に説明されている様式では、磁気勾配を提供する磁場を非励磁にするために、第２の電流パルスが、（第１のパルスの反対側方向に）ＥＰ磁石ユニットのそれぞれに印加され、それらのそれぞれのＥＰ磁石ユニットをそれらのオフ状態に変化させる。次いで、原子は、当業者に知られている手段によって特性評価され得る。特性評価が完了されると、別の電流パルスが、ＥＰ磁石ユニットのそれぞれに反対側方向に印加され、それらのそれぞれのＥＰ磁石ユニットをそれらのオン状態に変化させ、磁気光学トラップを再確立させる。
例示的な実施形態
[0035]例１は、原子センサーに関する磁場発生のための方法を含み、方法は、チャンバーの中の原子のサンプルをレーザー冷却するステップと、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットを使用して、原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場を印加することによって、チャンバーの中の磁気光学トラップの中に原子のサンプルをトラップするステップとを含む。

[0036]例２は、例１の方法を含み、方法は、原子のサンプルを横切る原子トラッピング磁場を瞬間的に非励磁にしながら、原子のサンプルに対してインテロゲーションスキームを実施するステップをさらに含む。

[0037]例３は、例１〜２のいずれかの方法を含み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットのそれぞれの電気永久磁石ユニットは、第１の磁気材料の第１の磁気リングと、第２の磁気材料の第２の磁気リングと、第１の磁気リングおよび第２の磁気リングのうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤーのコイルとを含み、原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場を印加することは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流をコイルに印加することをさらに含み、そこでは、第１の磁気リングの極性を切り替えることなく、第２の磁気リングの磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替える。

[0038]例４は、例３の方法を含み、オフ状態では、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、反対側に分極され、互いに相殺しており、オン状態では、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、同様に分極され、互いに付加し合う。

[0039]例５は、例３〜４のいずれかの方法を含み、第１の磁気材料は、第１の磁気硬度を有しており、第１の磁気硬度は、第１のパルスの電流に応答して極性を変化させないために十分であり、第２の磁気材料は、第１の磁気材料よりも小さい第２の磁気硬度を有しており、第１のパルスの電流に応答して、第２の磁気材料が極性を変化させることとなるようになっているが、第２の磁気硬度は、第１の磁気リングの第１の磁場に応答して極性を変化させることはないために十分である。

[0040]例６は、例１〜５のいずれかの方法を含み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットは、第１の中央リング孔を有する第１の電気永久磁石ユニット、および、第２の中央リング孔を有する第２の電気永久磁石ユニットを含み、レーザー冷却することは、第１の中央リング孔を通して第２の中央リング孔に向けて第１のレーザービームを発射することと、第２の中央リング孔を通して第１の中央リング孔に向けて第２のレーザービームを発射することとをさらに含み、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共線的であり、磁気光学トラップにおいて交差する。

[0041]例７は、例１〜６のいずれかの方法を含み、レーザー冷却することは、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームを、アンチヘルムホルツ磁場の軸線にそれぞれ整合させられている磁気光学トラップの中へ適用することをさらに含む。

[0042]例８は、例１〜７のいずれかの方法を含み、原子のサンプルは、原子ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、原子カルシウム（Ｃａ）、または、原子イッテルビウム（Ｙｂ）のうちの１つを含む。

[0043]例９は、例１〜８のいずれかの方法を含み、方法は、正味磁場を測定するために原子のサンプルをプロービングすることと、プロービングすることによって測定された正味磁場に基づいて、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットの少なくとも第１の電気永久磁石ユニットをキャリブレートすることとをさらに含む。

[0044]例１０は、例９の方法を含み、第１の電気永久磁石ユニットは、少なくとも１つのシムコイルをさらに含み、少なくとも第１の電気永久磁石ユニットをキャリブレートすることは、プロービングすることによって測定された正味磁場に基づいて、少なくとも１つのシムコイルへのフィードバック電流を制御することを含む。

[0045]例１１は、冷却原子センサーを含み、センサーは、真空チャンバーの中にシールされている原子のサンプルを有する真空チャンバーと、真空チャンバーを横切って配置されている少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットであって、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットは、第１の中央リング孔を有する第１の電気永久磁石ユニット、および、第２の中央リング孔を有する第２の電気永久磁石ユニットを含む、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットと、第１の中央リング孔を通して第２の中央リング孔に向けて第１のレーザービームを発射するように構成されている第１のレーザー供給源、および、第２の中央リング孔を通して第１の中央リング孔に向けて第２のレーザービームを発射するように構成されている第２のレーザー供給源であって、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、共線的である、第１のレーザー供給源および第２のレーザー供給源とを含み、第１のレーザー供給源および第２のレーザー供給源は、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームが励磁されるときに、原子のサンプルをレーザー冷却するように構成されており、第１の電気永久磁石ユニットおよび第２の電気永久磁石ユニットは、原子のサンプルを磁気光学トラップの中に保持する原子トラッピング磁場を作り出すように構成されている。

[0046]例１２は、例１１のセンサーを含み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットのそれぞれの電気永久磁石ユニットは、第１の磁気材料の第１の磁気リングと、第２の磁気材料の第２の磁気リングと、第１の磁気リングおよび第２の磁気リングのうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤーのコイルとを含み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流をコイルに印加することによって、原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場を作り出すように構成されており、そこでは、第１の磁気リングの極性を切り替えることなく、第２の磁気リングの磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替える。

[0047]例１３は、例１２のセンサーを含み、冷却原子センサーは、第２の磁気リングの極性を切り替えることによって、原子のサンプルを横切る原子トラッピング磁場を瞬間的に非励磁にしながら、原子のサンプルに対してインテロゲーションを実施するように構成されている。

[0048]例１４は、例１２〜１３のいずれかのセンサーを含み、オフ状態に切り替えられたときには、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、反対側に分極され、互いに相殺しており、オン状態に切り替えられたときには、第１の磁気リングの第１の磁場および第２の磁気リングの第２の磁場は、同様に分極され、互いに付加し合う。

[0049]例１５は、例１２〜１４のいずれかのセンサーを含み、第１の磁気材料は、第１の磁気硬度を有しており、第１の磁気硬度は、第１のパルスの電流に応答して極性を変化させないために十分であり、第２の磁気材料は、第１の磁気材料よりも小さい第２の磁気硬度を有しており、第１のパルスの電流に応答して、第２の磁気材料が極性を変化させることとなるようになっているが、第２の磁気硬度は、第１の磁気リングの第１の磁場に応答して極性を変化させることはないために十分である。

[0050]例１６は、例１１〜１５のいずれかのセンサーを含み、第１のレーザービームおよび第２のレーザービームは、原子トラッピング磁場の軸線にそれぞれ整合させられている。

[0051]例１７は、例１１〜１６のいずれかのセンサーを含み、原子のサンプルは、原子ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、原子カルシウム（Ｃａ）、または、原子イッテルビウム（Ｙｂ）のうちの１つを含む。

[0052]例１８は、例１１〜１７のいずれかのセンサーを含み、センサーは、正味磁場を測定するために原子のサンプルをプロービングするように構成されている原子特性評価機能をさらに含み、原子特性評価機能は、プロービングすることによって測定された正味磁場に基づいて、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットの少なくとも第１の電気永久磁石ユニットをキャリブレートするように構成されている。

[0053]例１９は、例１１〜１８のいずれかのセンサーを含み、１対の電気永久磁石ユニットのうちの少なくとも１つは、シムコイルを含み、原子特性評価機能は、プロービングすることによって測定された正味磁場に基づいて、少なくとも１つのシムコイルへのフィードバック電流を制御するように構成されている。

[0054]例２０は、例１１〜１９のいずれかのセンサーを含み、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニットは、磁気光学トラップを横切って第１のアンチヘルムホルツ磁場勾配を作り出す第１の対の電気永久磁石ユニットを含む。

[0055]特定の実施形態が、本明細書で図示および説明されていきたが、同じ目的を実現するために計算される任意の配置が、示されている特定の実施形態と交換され得るということが当業者によって認識されることとなる。本出願は、本発明の任意の適応例または変形例をカバーすることが意図されている。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるべきであるということが明白に意図されている。
［形態１］
原子センサーに関する磁場発生のための方法であって、前記方法は、
チャンバー（２２０）の中の原子のサンプルをレーザー冷却するステップと、
少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）を使用して、前記原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場（２２５）を印加することによって、前記チャンバー（２２０）の中の磁気光学トラップ（２２２）の中に前記原子のサンプルをトラップするステップと、
前記原子のサンプルを横切る前記原子トラッピング磁場（２２５）を瞬間的に非励磁にしながら、前記原子のサンプルに対してインテロゲーションスキームを実施するステップと
を含む、原子センサーに関する磁場発生のための方法。
［形態２］
冷却原子センサーであって、前記センサーは、
真空チャンバー（２２０）の中にシールされている原子のサンプルを有する前記真空チャンバー（２２０）と、
前記真空チャンバー（２２０）を横切って配置されている少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）であって、前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）は、第１の中央リング孔を有する第１の電気永久磁石ユニット（２０１−１）、および、第２の中央リング孔を有する第２の電気永久磁石ユニット（２０１−２）を含む、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）と、
前記第１の中央リング孔を通して前記第２の中央リング孔に向けて第１のレーザービーム（２３０）を発射するように構成されている第１のレーザー供給源（２３１）、および、前記第２の中央リング孔を通して前記第１の中央リング孔に向けて第２のレーザービーム（２３２）を発射するように構成されている第２のレーザー供給源（２３３）であって、前記第１のレーザービームおよび前記第２のレーザービームは、共線的である、第１のレーザー供給源（２３１）および第２のレーザー供給源（２３３）と
を含み、
前記第１のレーザー供給源（２３１）および前記第２のレーザー供給源（２３３）は、前記第１のレーザービームおよび前記第２のレーザービームが励磁されるときに、前記原子のサンプルをレーザー冷却するように構成されており、前記第１の電気永久磁石ユニット（２０１−１）および前記第２の電気永久磁石ユニット（２０１−２）は、前記原子のサンプルを磁気光学トラップ（２２２）の中に保持する原子トラッピング磁場（２２５）を作り出すように構成されている、冷却原子センサー。
［形態３］
形態１に記載の方法または形態２に記載のセンサーであって、前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）のそれぞれの電気永久磁石ユニット（１０１）は、
第１の磁気材料の第１の磁気リング（１１０）と、
第２の磁気材料の第２の磁気リング（１２０）と、
前記第１の磁気リング（１１０）および前記第２の磁気リング（１２０）のうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤー（１３０）のコイルと
を含み、
前記原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場（２２５）を印加することは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流を前記コイルに印加することをさらに含み、そこでは、前記第１の磁気リング（１１０）の極性を切り替えることなく、前記第２の磁気リング（１２０）の磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替え、
前記オフ状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の第２の磁場が、反対側に分極され、互いに相殺しており、
前記オン状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の前記第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の前記第２の磁場が、同様に分極され、互いに付加し合う、方法またはセンサー。

１００ 電気永久磁石ユニット
１０１ 電気永久磁石ユニット
１１０ 第１の磁気リング
１１２ 中央リング孔
１１５ 中心軸線
１２０ 第２の磁気リング
１３０ 磁気ワイヤー
１８０ シムコイル
１９０ ヒステリシス曲線
１９２ ヒステリシス曲線
２００ 冷却原子センサー
２０１ 電気永久磁石ユニット
２０１−１ 第１の電気永久磁石ユニット
２０１−２ 第２の電気永久磁石ユニット
２１５−１ 中心軸線
２１５−２ 中心軸線
２２０ 真空チャンバー
２２２ 磁気光学トラップ
２２５ 原子トラッピング磁場勾配
２３０ 第１のレーザービーム
２３１ 第１のレーザー供給源
２３２ 第２のレーザービーム
２３３ 第２のレーザー供給源
２７０ 第２の対のレーザービーム
２７１ レーザー供給源
２７２ 第２の対のレーザービーム
２７３ レーザー供給源
２７５ 第３の対のレーザービーム
２７６ レーザー供給源
２７７ 第３の対のレーザービーム
２７８ レーザー供給源
２８０ シムコイル
２８５ 原子特性評価機能
３００ 方法

Claims (2)

1. 原子センサーに関する磁場発生のための方法であって、前記方法は、
   チャンバー（２２０）の中の原子のサンプルをレーザー冷却するステップと、
   少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）を使用して、前記原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場（２２５）を印加することによって、前記チャンバー（２２０）の中の磁気光学トラップ（２２２）の中に前記原子のサンプルをトラップするステップと、
   前記原子のサンプルを横切る前記原子トラッピング磁場（２２５）を瞬間的に非励磁にしている間に、前記原子のサンプルに対してインテロゲーションスキームを実施するステップと
   を含み、
   前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）のそれぞれの電気永久磁石ユニット（１０１）は、
   第１の磁気材料の第１の磁気リング（１１０）と、
   第２の磁気材料の第２の磁気リング（１２０）と、
   前記第１の磁気リング（１１０）および前記第２の磁気リング（１２０）のうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤー（１３０）のコイルと
   を含み、
   前記原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場（２２５）を印加することは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流を前記コイルに印加することをさらに含み、そこでは、前記第１の磁気リング（１１０）の極性を切り替えることなく、前記第２の磁気リング（１２０）の磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替え、
   前記第１の磁気材料は、前記第１のパルスの電流に応答して極性を変えないように十分な第１の磁気硬度を有し、前記第２の磁気材料は、第２の磁気硬度を有し、前記第２の磁気硬度は、前記第２の磁気材料が前記第１のパルスの電流に応答して極性を変えるが、前記第１の磁気リング（１１０）の第１の磁場に応答して極性を変えないのに十分であるように、前記第１の磁気硬度より小さく、
   前記オフ状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の第２の磁場が、反対側に分極され、互いに相殺しており、
   前記オン状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の前記第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の前記第２の磁場が、同様に分極され、互いに付加し合い、
   前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）の永久磁石ユニット（１０１）のそれぞれは、それらの両方がオン状態に切り替えられたとき、それらの各磁場の極性が、前記磁気光学トラップ（２２２）の中心において逆平行で互いに相殺されて原子トラッピング磁場勾配（２２５）を結果として生じさせるように、前記磁気光学トラップ（２２２）に関して方向付けられている、
   原子センサーに関する磁場発生のための方法。
2. 冷却原子センサーであって、前記センサーは、
   真空チャンバー（２２０）の中にシールされている原子のサンプルを有する前記真空チャンバー（２２０）と、
   前記真空チャンバー（２２０）を横切って配置されている少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）であって、前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）は、第１の中央リング孔を有する第１の電気永久磁石ユニット（２０１−１）、および、第２の中央リング孔を有する第２の電気永久磁石ユニット（２０１−２）を含む、少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）と、
   前記第１の中央リング孔を通して前記第２の中央リング孔に向けて第１のレーザービーム（２３０）を発射するように構成されている第１のレーザー供給源（２３１）、および、前記第２の中央リング孔を通して前記第１の中央リング孔に向けて第２のレーザービーム（２３２）を発射するように構成されている第２のレーザー供給源（２３３）であって、前記第１のレーザービームおよび前記第２のレーザービームは、共線的である、第１のレーザー供給源（２３１）および第２のレーザー供給源（２３３）と
   を含み、
   前記第１のレーザー供給源（２３１）および前記第２のレーザー供給源（２３３）は、前記第１のレーザービームおよび前記第２のレーザービームが励磁されるときに、前記原子のサンプルをレーザー冷却するように構成されており、前記第１の電気永久磁石ユニット（２０１−１）および前記第２の電気永久磁石ユニット（２０１−２）は、前記原子のサンプルを磁気光学トラップ（２２２）の中に保持する原子トラッピング磁場（２２５）を作り出すように構成されており、
   前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）のそれぞれの電気永久磁石ユニット（１０１）は、
   第１の磁気材料の第１の磁気リング（１１０）と、
   第２の磁気材料の第２の磁気リング（１２０）と、
   前記第１の磁気リング（１１０）および前記第２の磁気リング（１２０）のうちの１つまたは両方の周りに巻かれている磁石ワイヤー（１３０）のコイルと
   を含み、
   前記センサは、第１の持続時間および振幅を有する第１のパルスの電流を前記コイルに印加することにより、前記原子のサンプルを横切って原子トラッピング磁場（２２５）をを作り出すように構成されており、そこでは、前記第１の磁気リング（１１０）の極性を切り替えることなく、前記第２の磁気リング（１２０）の磁気極性を切り替えることによって、第１のパルスの電流が、それぞれの電気永久磁石ユニットをオフ状態からオン状態へ切り替え、
   前記第１の磁気材料は、前記第１のパルスの電流に応答して極性を変えないように十分な第１の磁気硬度を有し、前記第２の磁気材料は、第２の磁気硬度を有し、前記第２の磁気硬度は、前記第２の磁気材料が前記第１のパルスの電流に応答して極性を変えるが、前記第１の磁気リング（１１０）の第１の磁場に応答して極性を変えないのに十分であるように、前記第１の磁気硬度より小さく、
   前記オフ状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の第２の磁場が、反対側に分極され、互いに相殺しており、
   前記オン状態では、前記第１の磁気リング（１１０）の前記第１の磁場および前記第２の磁気リング（１２０）の前記第２の磁場が、同様に分極され、互いに付加し合い、
   前記少なくとも１つの対の電気永久磁石ユニット（２０１−１、２０１−２）の永久磁石ユニット（１０１）のそれぞれは、それらの両方がオン状態に切り替えられたとき、それらの各磁場の極性が、前記磁気光学トラップ（２２２）の中心において逆平行で互いに相殺されて原子トラッピング磁場勾配（２２５）を結果として生じさせるように、前記磁気光学トラップ（２２２）に関して方向付けられている、
   冷却原子センサー。

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