JP7417550B2 - 極低温原子の準備および統合された光導波路のエバネッセント場トラップへの充填のための原子チップ - Google Patents
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本出願は、３５ ＵＳＣ １１９の下で２０１８年６月１５日に出願された米国特許仮出願第６２／６８５６３１号「Ａｔｏｍ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｃｏｌｄ ａｔｏｍ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｔｒａｐ」の恩恵およびこの米国特許仮出願に対する優先権を請求し、この米国特許仮出願の内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている。
本出願は、３５ ＵＳＣ １１９の下で２０１８年６月１５日に出願された米国特許仮出願第６２／６８５６３１号「Ａｔｏｍ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｃｏｌｄ ａｔｏｍ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｔｒａｐ」の恩恵およびこの米国特許仮出願に対する優先権を請求し、この米国特許仮出願の内容は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている。
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本特許出願の開示の一部は、著作権保護の対象になる題材（material）を含んでいる。著作権の所有者は、米国特許商標庁の特許ファイルおよび特許記録に現れるとき、ソフトウェアエンジンおよびそのモジュールのいずれかによる完全な複写に対して異議がないが、それ以外のいかなるものであっても、すべての著作権を留保する。
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実施形態は、一般に、モード整合法で中性原子をトラップし、冷却し、充填するためのシステムに関連している。より詳細には、実施形態の態様は、磁気トラップおよび光導波路を統合原子チップに統合し、極低温原子を高品質の光導波路トラップに効率的に充填するシステムに関連している。
標準的技法では、光導波路の近くに位置する磁気光学トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ）を使用することができるが、導波路へのＭＯＴの最短近接には本質的限界がある。さらに、従来の方法は、熱分散の不足および導波路の欠陥に起因して、導波路内の光強度能力が不十分となっていた。
本明細書では、原子のトラップのためのさまざまな方法、装置、およびシステムを、提供することができる。実施形態では、統合原子チップが原子を測定する。統合原子チップに刻み込まれた光導波路と統合された１つまたは２以上の磁気トラップは、原子を測定するために、光導波路のエバネッセント場光学トラップへの原子の充填を促進する。冷却の２以上の段階は、モード整合されて光導波路のエバネッセント場光学トラップに充填されるときに、原子の初期温度から最終的な温度に、原子を徐々に冷却する。
これらおよび多くのその他の特徴が説明される。
本設計は、さまざまな変更、同等のもの、および代替の形態の影響を受けるが、それらのうちの特定の実施形態が、図面において例として示されており、ここで詳細に説明される。本設計が開示された特定の実施形態に限定されず、反対に、特定の実施形態を使用して、すべての変更、同等のもの、および代替の形態を対象にすることが意図されるということが、理解されるべきである。
以下の説明では、本設計を十分に理解するために、特定のデータ信号、名前を付けられた構成要素、ワイヤの数の例などの、多数の具体的な詳細が示されることがある。しかし、それらの具体的な詳細がなくても本設計を実施できるということが、当業者にとって明らかであろう。他の例では、周知の構成要素または方法は詳細に説明されず、むしろ、本設計を不必要に曖昧にするのを防ぐためにブロック図で示される。さらに、第１のワイヤなどの、特定の数字の参照が行われることがある。しかし、特定の数字の参照は、文字通りの連続的順序として解釈されるべきではなく、むしろ、第１のワイヤが第２のワイヤと異なっていると解釈されるべきである。したがって、示される具体的な詳細は、例にすぎないことがある。具体的な詳細は、変化することがあるが、それでも本設計の思想および範囲に含まれるよう企図され得る。「結合された」という用語は、構成要素に直接接続されているか、または別の構成要素を介して構成要素に間接的に接続されていることを意味しているとして定義される。
図１Ａ～図２は、１つまたは複数の磁気トラップおよび統合原子チップに刻み込まれた光導波路を統合する、原子を測定するための例示的な統合原子チップの一部の実施形態を示している。統合原子チップは、原子を測定するために、磁気構成要素および光学的構成要素を、例えば２つの分離したチップ上で統合する。例示的な磁気トラップは、光導波路と連携して、同じ統合チップ上の導波路のエバネッセント場での直接的な原子のトラッピングを実現する。過去の取り組みは、最良の形態では、原子を光導波路の表面近くに局在させるために、外部のトラッピング場を利用していたが、導波路のエバネッセント場によって直接トラッピングしていなかった。
例示的な統合原子チップは、原子を測定するために、２つ以上の磁気トラップおよび統合原子チップ上に刻み込まれた光導波路を統合し、光導波路のエバネッセント場光学トラップ（ＥＦＯＴ：ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ）への原子の効率的な充填を促進する。
図１Ａは、原子を測定するために、１つまたは複数の磁気トラップおよび統合原子チップ１００に刻み込まれた光導波路を統合する例示的な統合原子チップ１００の実施形態の図を示している。構造的に、統合原子チップ１００は、原子を測定するために、磁気構成要素および光学的構成要素を、異なるチップなどの２つの分離した層上で統合する。平面状のチップは、導電ワイヤおよび窒化ケイ素導波路を、多層の積み重ねに統合する。
まず、支持構造物は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）が原子を最初にトラップしてレーザー冷却するためのコイルを有してよい。次に、支持構造物上のベース層には、原子の深く緊密な磁気トラッピングのための導電金属トレース（例えば、金線または銀線）のパターンが形成され得る。金線または銀線は、電流を搬送し、ベースチップ上に磁場を生成する。ベース層は、高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）原子冷却段階のための金属トレースを含んでもよい。次に、導波路（ＷＧ：ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）チップ上の最上層は、光導波路のためのパターンを、光導波路のエバネッセント場光学トラップへの原子の磁気充填に使用される磁気トラップと同一平面上の構造に含む。最上層は、光導波路のパターンと共に、高反射率被覆光学面も有する。光導波路は、例えば、ベースＳｉ基板上のＳｉＯ２の上に、Ｓｉ３Ｎ４を使用して構築されてよい。最上層は、ＥＦＯＴモード整合ワイヤを含んでもよい。これらの磁気トラップおよび光導波路のすべては、連携してモード整合法で原子を充填する。したがって、統合原子チップ１００は、モード整合法で中性原子をトラップし、冷却し、充填するために、磁気トラップ、高反射率被覆光学面、導電金属トレース、および光導波路のパターンを、同一平面上の構造に統合する。
多層統合チップアーキテクチャは、光導波路のエバネッセント場光学トラップに充填されるときに、原子の周囲温度などの初期温度から極低温などの最終的な温度に原子を冷却するために使用される、冷却の少なくとも２つの段階を含むことができる。
極低温原子は、絶対温度１×１０－７などの絶対温度０度に極めて近い温度での８７Ｒｂ原子などの原子の集合であることができるということに留意されたい。統合原子チップ１００は、絶対温度１×１０－３～１×１０－１２の範囲内の温度で原子を捕捉することができる。
冷却の第１の段階は、ミラー磁気光学トラップ（ｍ－ＭＯＴ：ｍｉｒｒｏｒ－ｍａｇｎｅｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ）などにおけるレーザー冷却であってよい。冷却の第１の段階は、初期原子トラッピングおよび冷却が、ＭＯＴコイルの緩い磁気トラップにおいて発生する。次に、トラッピングの第２の段階は、Ｚ形のワイヤトラップなどの磁気トラップを作成するために、統合原子チップ１００の１つまたは複数の層に形成された電気トレースのパターンを使用してよい。各磁気トラップは、磁気モーメントを有する原子をトラップするために、磁場勾配を使用することができる。磁位は、原子チップ上でリソグラフィによってＺ形などにパターン形成された金属トレースを流れる電流によって、形成される。次に、冷却のもう１つの段階は、原子に対する、高周波（ＲＦ）に基づく冷却段階であってよい。冷却のこの段階において、統合原子チップの１つまたは複数の層に形成された電気トレースのパターンによって生成された磁場内にトラッピングされた原子を冷却するために、高周波が使用される。ＲＦ冷却段階では、物質波の生成のための強制ＲＦ蒸発原子冷却が発生してよい。金属トレースは、光導波路のエバネッセント場光学トラップに充填される磁気的にトラッピングされた残りのより冷たい原子を残して、より熱い原子をトラップから放出するために、ＲＦ信号を搬送することができる。他の例示的なＲＦ冷却段階は、外部ＲＦホーンまたはその他の外部ＲＦコイルを使用してよい。ＲＦ冷却は、磁気トラップのためにチップ上にパターン形成された電気トレースを補完することができ、かつ／またはこの電気トレースの冷却段階を置き換えることができる。最後に、光導波路のエバネッセント場光学トラップへの極低温原子の効率的な充填のために、トラップモード整合が発生する。
統合チップの構造全体は、超高真空システムに収容される。原子チップの統合の性質のため、この系全体は、必然的に小さい形状因子での動作につながる。したがって、設計された一連の原子チップのトラップ（磁気および光学）を含む、圧縮された磁気トラップを使用することによって、エバネッセント場光学トラップを充填することは、小さい形状因子での動作につながることができ、さらに、熱酸化物層を含む半導体基板上で製造されているチップも、小さい形状因子に寄与することができる。この設計は、導波路にパターン形成され得る屈折率コントラストを有する誘電体の層を成膜するか、成長させることができる基板を主に必要とする。導波路のエバネッセント場光学トラップにトラッピングされた冷却された原子は、さまざまな目的で測定されてよい。
原子を測定するための例示的な多層統合チップアーキテクチャは、次のように形成されてよい。支持構造物上に初期磁気トラップを形成するために、界磁コイル内の例示的な一連の四重極、ｍｍ規模の銅線が、ミラー磁気光学トラップに使用されてよい。第１のパターン形成された一連のワイヤは、Ｚ形のワイヤトラップを含んでよいが、磁気トラッピングおよびボーズアインシュタイン凝縮体（ＢＥＣ：Ｂｏｓｅ－Ｅｉｎｓｔｅｉｎ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ）の形成のために、ベースチップ上で他のパターンが使用されてもよい。また、一連のワイヤにおけるμｍ規模の金線または銀線のうちの１つまたは複数は、追加の冷却のために、ＲＦ信号を搬送してよい。最上層チップは、金属または誘電体の高反射率（ＨＲ）被覆面、ナノ加工された窒化ケイ素光導波路（Ｓｉ上のＳｉＯ２の上のＳｉ３Ｎ４）、および追加の導電ワイヤを含んでよい。導波路（ＷＧ）チップ上のＥＦＯＴモード整合ワイヤは、エバネッセント場光学トラップと最終的な磁気トラップの間をモード整合するために使用され得る。この例では、ベースチップ上のワイヤのうちの非常に大きい金線のすぐ左から始まって右側から来る各光導波路の線が、ＷＧチップ上に刻み込まれている。
図１Ａは、ベース層および最上層の両方における導電ワイヤをすべて多層の積み重ねに統合する多層統合チップアーキテクチャを示しており、最上層の上面は、窒化ケイ素などの１つまたは複数の導波路を含んでいる。
統合原子チップ１００上で統合された磁気トラップおよび光導波路は、原子トラップおよび導波路の未解決の制限に対処するために、すなわち、高品質の光導波路トラップへの極低温原子の効率的な充填を実現するために、原子物理学の分野の２つの手法を統合する。
例示的な原子チップ設計は、光導波路のエバネッセント場光学トラップへの効率的な原子の充填のために、ｉ）ミラー磁気光学トラップにおける初期原子トラッピングおよび冷却、ｉｉ）物質波の生成のためのさらなる強制ＲＦ蒸発原子冷却、およびｉｉｉ）最後に極めて重要なトラップモード整合を可能にする。この統合原子チップ１００は、加速度計およびジャイロスコープなどのセンサにおいて、１人で持ち運べる小型のＤｏＤプラットフォーム内の統合を可能にする平面状の設計を使用して、非常に動的な参照フレーム内の正確な原子検出のための手段を提供することができる。さらに、ＥＦＯＴは、中性原子の量子情報処理に必要な強い原子－光結合を提供する。この設計の特徴は、ウエハーレベルのバッチ製造につながる。
図１Ａ、図２、および図３に示されているプロセスの実施形態では、基本的に、ミラー磁気光学トラップにおいて原子が最初に捕捉されて冷却される。次に、これらの原子は、磁気的にトラップ可能な状態に光学的に送られ、原子チップ上のリソグラフィによってパターン形成された金属トレース（Ｚ形のワイヤトラップなど）を流れる電流によって形成された磁位に捕捉される。原子は、強制高周波蒸発によってさらに冷却され、ボーズアインシュタイン凝縮体を形成できる。次に、磁位は、光導波路内を伝搬する赤色および青色に離調された光のバランスによって生成されたエバネッセント場光学トラップと重なり、このトラップの体積および湾曲に整合するように、空間的に圧縮されてシフトされる（図２および図５を参照）。次に、磁位を消滅させ、導波路内の光をオンにすることによって、原子がエバネッセント場光学トラップに充填される。
図１Ｂは、導波路チップに刻み込まれた例示的な導波路パターン１０２およびＥＦＯＴモード整合ワイヤの実施形態を示している。図１Ｂは、図１Ａに示された破線の正方形領域の拡大図を示しており、光導波路の刻み込まれた線および導波路チップ上のＥＦＯＴモード整合ワイヤ１０５の斜めの垂直な金線を示している。最上層に刻み込まれたＷＧ線で示されている光導波路パターンは、例えば、干渉法に使用され得る。最上部のＷＧチップは、刻み込まれた光導波路およびＥＦＯＴモード整合ワイヤ１０５、ならびに高反射率被覆面を含む。
また、図１Ｂは、導波路チップに刻み込まれた例示的な導波路パターン１０２の実施形態を示している。例えば、光導波路には、ジャイロスコープに使用できる楕円形パターン（例えば、サニャックリング）が存在する。線形パターンは、Ｙ形の交点で結合および／または分割される長い平行な経路を有し、加速度計などのセンサに使用され得る。
適切な導波路の屈折率プロファイルおよび下層のシリコンへの最小限に抑えられた結合のために、低損失（約ｄＢ／ｃｍ以下）、高品質な光導波路を、μｍ厚の熱成長二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の中間層を含むシリコンウエハー上の窒化ケイ素リブとして製造できるということに留意されたい（図５を参照）。
再び図１Ｂを参照すると、一実施形態では、光導波路の断面の寸法が、望ましい波長での導波光の単一モード伝搬に対して選択される。これらの波長は、原子に対するバランスのとれたトラッピングの引力および斥力を達成するように選択される。導波路のパターンは、特定の原子の測定に合わせて調整され得る。
ＥＦＯＴ充填ワイヤの幅は、ＥＦＯＴ充填ワイヤとＥＦＯＴ光導波路の間の距離と同程度にするべきである。したがって、磁気トラップは、統合原子チップ上に刻み込まれた光導波路と統合原子チップ上に形成された第１の電気トレースの間の物理的間隔と寸法において類似している（すなわち、幅の狭い部分に近い）、最終的な磁気トラップのための第１の電気トレースの幅を有することによって、原子を緊密に磁気的にトラッピングし、光導波路のエバネッセント場光学トラップに充填される原子を準備するように構成された第１の電気トレースを少なくとも含む（例えば、図１Ｂおよび図４を参照）。じ
統合された磁気的および光学的原子チップは、磁気的原子チップおよび光導波路の利点を組み合わせ、光導波路の原子の充填問題を解決し、原子の充填を容易にするための適度な原子数（～１０５）、方位の感度をほぼ取り除くための緊密な高品質のトラップ、重力の約１０３を超えるトラップの湾曲、強い原子－光結合、適度な原子の物質波のパケット分離（ｃｍ）、および平面状のアーキテクチャを実現する。
標準的なＭＯＴ再捕捉およびその場での高解像度の蛍光画像化方式を使用することによって、チップの表面近くでの緊密なトラップにおける原子信号検出が実現され得るということに留意されたい。この設計は、光導波路内の近共鳴光から原子信号を抽出するために、ＥＦＯＴ内の原子と光導波路の導波光学モードの間の強い結合を利用することができる。
図２Ａ～図２Ｃは、統合原子チップにおける、完全に閉じ込められた物質波の生成、導波路の充填、および干渉法シーケンスの間の例示的なトラップの進行のグラフを示している。図３も、この進行を視覚的に示している。図３は、トラッピングされている徐々に低温になる原子に対するより緩い磁気結合からより緊密な磁気閉じ込めまで、左から右に進む例示的な一連の統合された磁気トラッピング構造の実施形態の図を示している。
一番上のグラフ（図２Ａ）２１０は、ＭＯＴトラップが、初期原子トラッピングのための非常に緩いトラップであることを示している。説明したように、最初に、原子のレーザー冷却およびトラッピングがＭＯＴ３３０において発生する。例示的なミラー磁気光学トラップにおいて原子が捕捉され、冷却される。
中央のグラフ（図２Ｂ）２１２は、ベース層上のパターン形成された金属トレースの磁気トラップを示している。原子トラッピングおよび冷却が発生している。原子がＭＯＴ３３０においてトラッピングされる。このプロセスは、外部レーザービームおよびチップの支持構造物内のＭＯＴコイルを使用する。次に、原子は、磁気的にトラップ可能な状態に光学的に送られ、Ｚ形のワイヤによって形成された磁気トラップに充填される。Ｚ形ワイヤトラップ内の原子は、強制ＲＦ蒸発によって冷却される。原子は、Ｚ形ワイヤトラップから、ＥＦＯＴ充填ワイヤによって形成された次の磁気トラップに転送される。ＥＦＯＴ充填トラップは、圧縮され、光導波路の上のＥＦＯＴの位置にシフトされる。原子は、磁気的ＥＦＯＴ充填トラップから光学的ＥＦＯＴに渡される。次に、ＥＦＯＴ内の原子を測定することができる。原子の冷却は、ＭＯＴ段階３３０およびＲＦ冷却段階の間に発生する。
一番下のグラフ（図２Ｃ）２１４は、原子を効率的に充填するための、ＥＦＯＴに対するモード整合を介した光学トラップへの原子の充填を示している。磁気的ＥＦＯＴ充填トラップは、光導波路内を伝搬する赤色および青色に離調された光のバランスによって生成されたエバネッセント場光学トラップ（ＥＦＯＴ）と重なり、このトラップの体積および湾曲に整合するように、空間的に圧縮されてシフトされる。次に、磁位を消滅させ、導波路内の光をオンにすることによって、原子がエバネッセント場光学トラップに充填される。チップの設計は、エバネッセント場の減衰長を最大化して、ＥＦＯＴを導波路の表面からさらに遠くに押すように変更され得る。
物質波 － ＥＦＯＴ充填
光導波路デバイスにおける原子トラッピングの分野に関する１つの極めて重要な、まだ進行中の課題は、エバネッセント場光学トラップの充填プロセスである。統合原子チップの方法は、原子チップによって生成された動的に再構成可能な非消散的な磁位を活用することによって、大幅に改善されたモード整合を実現する。
光導波路デバイスにおける原子トラッピングの分野に関する１つの極めて重要な、まだ進行中の課題は、エバネッセント場光学トラップの充填プロセスである。統合原子チップの方法は、原子チップによって生成された動的に再構成可能な非消散的な磁位を活用することによって、大幅に改善されたモード整合を実現する。
ＷＧ充填トラップ
最適化されたトラップ形状：初期トラップおよび最終的トラップの体積が十分にモード整合されており、空間的に重複している場合に、効率的な充填が実現される。ここでチップは、βによってモード整合を定量化することができる。幾何学的比率
は、トラップ周波数
を意味する。ＢＥＣが生成された後に、外部の磁気バイアス場を回転させてその大きさを増やすことによって、最終的な原子チップの磁位がＳｉＮ導波路の表面の近くに配置される。これによって、妥当なシステムパラメータを使用して、横断するトラップ周波数を
に増やしながら、磁気トラップを導波路のより近くにシフトする。
遠くに制限される単独のＭＯＴ３３０とは対照的に、導波路の近くにトラップを任意に配置することができる。ＥＦＯＴのトラップの体積は、導波光学モードのエバネッセント減衰長
によって主に決定され、ここで、λは波長であり、ｎは導波路の実効屈折率である。提案された導波路の初期モデルは、
、および深さ
で、導波路の表面から約１００～２００ｎｍに位置するＥＦＯＴを示す。図６は、β値を含むシミュレーションの詳細のグラフを示している。一般的な単独のＭＯＴのみから充填する従来の方法に対して、原子チップのＥＦＯＴ充填の方法を比較することができる。一番上のグラフに示されているＭＯＴ３３０の磁場勾配は、通常、数１０Ｇ／ｃｍであり、この値は、一番下のグラフに示されている最終的な磁気トラップよりも約１０５倍弱い。さらに、ＢＥＣの温度は、サブドップラー冷却において通常達成される温度よりも約１００倍小さい。これらの２つの要因を組み合わせて、原子チップ充填手法は、ＥＦＯＴに対するモード整合において、劇的な（例えば約１０６倍の）改善を可能にする。
最適化されたトラップ形状：初期トラップおよび最終的トラップの体積が十分にモード整合されており、空間的に重複している場合に、効率的な充填が実現される。ここでチップは、βによってモード整合を定量化することができる。幾何学的比率
トラップモード整合は、量αＬ＝ＬＤ，ｒｅｄ／ＬＤ，ｂｌｕｅ－１を最大化してＥＦＯＴを緩めることによって、さらに最適化することができ、この量は、赤色および青色のトラップ光の相対的なエバネッセント減衰長を定量化する。これは、ＳｉＮリブの高さを減らし、赤色および青色の光源の理想的な波長を選択することによって、実現される。
磁気からＥＦＯＴへの受け渡し
エバネッセント場光学トラップおよび磁気トラップがモード整合され、空間的に重複した後に、次の方法のうちの１つで、原子が最終的な磁気トラップからエバネッセント場光学トラップに転送される。（ｉ）磁位（光学ポテンシャル）の断熱的な同時の減少（増加）、（ｉｉ）磁気的にトラッピングされた原子｜Ｆ＝１，ｍＦ＝－１＞からトラッピングされない状態｜Ｆ＝１，ｍＦ＝０＞への二光子光学ラマン遷移、（ｉｉｉ）二光子光学マイクロ波状態転送、および（ｉｖ）これら３つの任意の組み合わせ。トラップモード整合は、本質的に、充填効率において、おおよそ１０６倍の改善をもたらす。
エバネッセント場光学トラップおよび磁気トラップがモード整合され、空間的に重複した後に、次の方法のうちの１つで、原子が最終的な磁気トラップからエバネッセント場光学トラップに転送される。（ｉ）磁位（光学ポテンシャル）の断熱的な同時の減少（増加）、（ｉｉ）磁気的にトラッピングされた原子｜Ｆ＝１，ｍＦ＝－１＞からトラッピングされない状態｜Ｆ＝１，ｍＦ＝０＞への二光子光学ラマン遷移、（ｉｉｉ）二光子光学マイクロ波状態転送、および（ｉｖ）これら３つの任意の組み合わせ。トラップモード整合は、本質的に、充填効率において、おおよそ１０６倍の改善をもたらす。
ＢＥＣの物質波の特性を維持するために、受け渡しプロセスがコヒーレントであり、最小限の加熱を引き起こさなければならない。方法（ｉ）はトラップ自体のみを必要とし、傾斜方式を最適化したが、受け渡しプロセス中に最適に達しないモード整合をもたらすことが予想される。方法（ｉｉ）および（ｉｉｉ）は、両方とも追加のレーザー源またはマイクロ波源を必要とするが、原子チップの磁場に対する（二次）感度を最小限に抑えて原子をゼーマン副準位にコヒーレントに転送することによって、原子を光学ポテンシャル（磁位）に（から）直接充填する。方法（ｉｉｉ）は、最小限の摂動およびトラップの最良の受け渡し効率を実現することが期待され、方法（ｉ）および（ｉｉ）は、リスクを軽減するための代替手段を提供する。
ＥＦＯＴのトラップ品質は、光導波路において達成可能な小さい表面粗さおよび散乱に起因して、近赤外線波長での損失
で、磁気平面トラップをはるかに上回ることができる。
物質波干渉法
ＥＦＯＴにおいて、ＢＥＣを物質波慣性感知測定に利用できる。線形慣性測定と回転慣性測定の両方を実現するための導波路パターンの実施形態が、図４に示されている。エバネッセント場光学トラップは、原子の堅牢な閉じ込め、および原子と光学場の間の強い結合を同時に提供する。光導波路は、干渉法シーケンスの間に利用できるトラッピングされた原子との強い光結合を可能にし、アトムトロニクスおよび量子情報科学（ＱＩＳ：ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ）における将来の研究のための有益なツールを提供する。
ＥＦＯＴにおいて、ＢＥＣを物質波慣性感知測定に利用できる。線形慣性測定と回転慣性測定の両方を実現するための導波路パターンの実施形態が、図４に示されている。エバネッセント場光学トラップは、原子の堅牢な閉じ込め、および原子と光学場の間の強い結合を同時に提供する。光導波路は、干渉法シーケンスの間に利用できるトラッピングされた原子との強い光結合を可能にし、アトムトロニクスおよび量子情報科学（ＱＩＳ：ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ）における将来の研究のための有益なツールを提供する。
平面状の導波路の形状の特定の設計は、このようにして、複数の検出方式および計測方式に合わせて調整することができ、導波路の形状は、複数の応用に適合するように設計され得る（例えば、加速度計を実現するための線形パターンの導波路、ジャイロスコープを実現するためのリングパターンの導波路）。さらに、強い原子－光結合には、開発中の分野への直接的応用、および量子情報処理の関連する応用（例えば、量子リピーターおよび量子もつれセンサ）がある。
統合チップの製造
図１Ａを再び参照すると、統合原子チップ１００は、熱酸化物層を含むシリコン基板上に製造することができ、したがって、ウエハーレベルのバッチ製造プロセスにつながる。標準的な電子ビーム蒸着手法に従って、高反射率被覆面が成膜され得る。パターン形成されたフォトレジストおよび電子ビーム蒸着手法または電気めっき手法を使用して、金属トレースが成膜される。光導波路は、Ｓｉ設計上のＳｉＯ２の上のＳｉ３Ｎ４であることができ、フォトレジスト、化学蒸着手法、および電子ビームリソグラフィ手法を使用して、標準的技法に従ってパターン形成され、成膜され得る。
図１Ａを再び参照すると、統合原子チップ１００は、熱酸化物層を含むシリコン基板上に製造することができ、したがって、ウエハーレベルのバッチ製造プロセスにつながる。標準的な電子ビーム蒸着手法に従って、高反射率被覆面が成膜され得る。パターン形成されたフォトレジストおよび電子ビーム蒸着手法または電気めっき手法を使用して、金属トレースが成膜される。光導波路は、Ｓｉ設計上のＳｉＯ２の上のＳｉ３Ｎ４であることができ、フォトレジスト、化学蒸着手法、および電子ビームリソグラフィ手法を使用して、標準的技法に従ってパターン形成され、成膜され得る。
統合原子チップは、２つの主要なチップで構成される。ベースチップは、ＡＩＮまたはＳｉウエハー上に選択的にパターン形成された金線または銀線で構成される。大きい熱伝導率を有するウエハー材料が選択され得る。導波路チップは、１μｍを超える厚さのＳｉＯ２のクラッド層を得るようにウェット酸化されたシリコンウエハーであることができる。次に、導波路のコア層のＳｉＮが成膜され得る。このコアは、直接書き込み電子ビームリソグラフィおよび反応性イオンエッチングによってパターン形成され得る。次に、高反射率金属または１／４波長スタックの光学コーティングのワイヤおよびパッチが、電子ビーム蒸着によって連続的に成膜され、リフトオフによってパターン形成され得る。組み立てを完了するために、導波路チップをベースチップに接着することができ、その後、ファイバー結合することができる。
真空システムおよび統合チップ
統合原子チップ１００の機能は、チップを含んでいる１つの専用「科学室」と、２次元ＭＯＴ（２Ｄ－ＭＯＴ：ｔｗｏ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＯＴ）および固体アルカリ金属ディスペンサー用の第２の室との、２つの主室を備えるベンチトップ型超高真空（ＵＨＶ：ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ、約１ｅ－１０トール）システムにおいて特徴付けられ得る。真空システムは、平面状の統合チップの材料に適合する、シリコンおよびガラスのＵＨＶ室製造技術における実績のある小型化方針を使用することができる。
統合原子チップ１００の機能は、チップを含んでいる１つの専用「科学室」と、２次元ＭＯＴ（２Ｄ－ＭＯＴ：ｔｗｏ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＯＴ）および固体アルカリ金属ディスペンサー用の第２の室との、２つの主室を備えるベンチトップ型超高真空（ＵＨＶ：ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ、約１ｅ－１０トール）システムにおいて特徴付けられ得る。真空システムは、平面状の統合チップの材料に適合する、シリコンおよびガラスのＵＨＶ室製造技術における実績のある小型化方針を使用することができる。
導波路チップ設計
導波路チップは、ＥＦＯＴの品質および原子の充填を制御する。適切な導波路の屈折率プロファイルおよび下層のシリコンへの最小限に抑えられた結合のために、低損失（約ｄＢ／ｃｍ以下）、高品質な光導波路を、μｍ厚の熱成長二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の中間層を含むシリコンウエハー上の窒化ケイ素リブとして製造できる（図５を参照）。導波路材料の外部を伝搬する光の一部を最大化することによって、ポテンシャルの光強度損失および波形の両方が最小限に抑えられる。これは、単一モードＴＥまたはＴＭのような、最低次の導波モードを維持しながら、リブ型導波路の高さを減らすことによって実現される。導波路の面での反射および散乱光に起因する定常波パターンは、ＥＦＯＴの粗さに寄与する。これらの影響は、チップの反射防止被覆面およびファイバー結合に加えて、コヒーレンス長が縮小されたトラッピング光源（
の帯域幅）を実装することによって、十分に軽減され得る。最後に、線形パターンおよびリングパターンの両方の導波路において、完全な３次元の原子の閉じ込めが考慮される。
導波路チップは、ＥＦＯＴの品質および原子の充填を制御する。適切な導波路の屈折率プロファイルおよび下層のシリコンへの最小限に抑えられた結合のために、低損失（約ｄＢ／ｃｍ以下）、高品質な光導波路を、μｍ厚の熱成長二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の中間層を含むシリコンウエハー上の窒化ケイ素リブとして製造できる（図５を参照）。導波路材料の外部を伝搬する光の一部を最大化することによって、ポテンシャルの光強度損失および波形の両方が最小限に抑えられる。これは、単一モードＴＥまたはＴＭのような、最低次の導波モードを維持しながら、リブ型導波路の高さを減らすことによって実現される。導波路の面での反射および散乱光に起因する定常波パターンは、ＥＦＯＴの粗さに寄与する。これらの影響は、チップの反射防止被覆面およびファイバー結合に加えて、コヒーレンス長が縮小されたトラッピング光源（
図３～図５は、トラッピングおよび物質波干渉法のための導波路方式を含む、多層チップ設計の実施形態および機能図を示している。導波路構造は、線形ポテンシャルに対するエンドキャップを提供する。
説明したように、図３は、トラッピングされている徐々に低温になる原子に対するより緩い磁気結合からより緊密な磁気結合まで、左から右に進む例示的な一連の統合された磁気トラッピング構造の実施形態の図を示している。左から始めると、ｍ－ＭＯＴ３３０のＣｕワイヤが、支持構造物上の初期磁気トラップとして使用され得る。ＢＥＣ形成のために、ベース層上のＺ形のワイヤトラップが中央にある。最上層の上のＥＦＯＴモード整合ワイヤおよび最上層内に刻み込まれた導波路が、右側にある。
チップの機能は、初期のレーザー冷却および磁気トラッピングから、極低温の例えば８７Ｒｂ原子の集合の準備、さらに最終的に、高品質の光導波路のポテンシャルにおける物質波のトラッピングに及ぶ。チップ上の電流および光を搬送する構造への電気的接続および光学的接続は、ワイヤの接着および表面格子またはモード整合されたエンドファイアファイバー結合を使用して実現される。
図５は、ベースＳｉＯ２上に形成されたＳｉＮ導波路の上に均一に形成されたハーフドーム形のＥＦＯＴ５５０のポテンシャルの実施形態の図を示している。ＥＦＯＴのポテンシャルは、ＳｉＮ導波路の上に存在する。ハーフドーム形のＥＦＯＴ５５０は、平坦な底部を有しておらず、ＳｉＮ導波路内の導波モードの形状を反映している。図５は、ＳｉＮ導波路の表面から１００ｎｍ以上上にあるＥＦＯＴのポテンシャルを使用した、１μｍのＳｉＯ２層上の３００ｎｍ×８００ｎｍのＳｉＮリブ型導波路における青色および赤色のＴＥ０モードの例示的な有限要素解析を示している。この特定の例では、導波路内の青色および赤色の両方に離調された導波光のバランスのとれた光双極子力によって、エバネッセント場光学トラップが形成される。
図４は、線形慣性測定と回転慣性測定の両方を実現するための、最上層に刻み込まれた一連の導波路パターンの実施形態を示している。導波路パターン１０２の線形ポテンシャルおよびリングポテンシャルは、両方とも完全な干渉法シーケンスに必要な構成要素（すなわち、分割、伝搬、および再結合）を含んでいる。リング状または線形にパターン形成された導波路のいずれにおいても、隣接する導波路にエバネッセント結合する（図４のリングの上の）追加の導波路内の対向伝搬の近共鳴光を使用して、ブラッグパルス方式で物質波が分割され得る。導波路の線形パターンおよびリングパターンは、両方とも周期的ポテンシャルを作成する。つまり、一定時間の後に、原子が元の位置に戻る。したがって、干渉法サイクルは、トラップ周期によって分離された２つのブラッグパルスで構成され、その後に検出が続く。
導波路は、リング導波路と隣接する線形導波路の間の光学モードを結合することができる。導波路の結合は、ＥＦＯＴの形状および位置、ならびにブラッグ分割光の光位相コヒーレンスを考慮に入れる。
図４は、刻み込まれた光導波路の多くの流れ方向矢印およびＹ形の交点の周囲の円形を含む、図１Ｂの反時計回りの図であると考えることができる。導波路構造は、線形ポテンシャルに対するエンドキャップを提供する。線形導波路のキャップを含む導波路の形状は、おおよそ「Ｙ」形の形状で構築される。
図４は、異なる波長の光を投入および抽出できるようにするために、波長（ラムダ）が、チップに刻み込まれた導波路の異なるパターンに分離されることを示している。例えば、黒色ラムダ（λ０）で示された共鳴光は、ある導波路内を通ることができ、青色ラムダ（λＢ）および赤色ラムダ（λＲ）の光波長は、別のパターンの導波路内を通ることができる。
磁気構成要素および光学的構成要素のアーキテクチャを有する統合原子チップは、トラッピングされた原子の慣性感知用に設計された形状を有するナノ加工された光導波路のエバネッセント場光学トラップに原子を充填するために、原子チップ上に生成された高度に制御可能な磁気トラップを活用する。したがって、このチップは、ナノ加工された光導波路のパターンが、トラッピングされた原子の慣性感知のための形状で設計されることに加えて、原子チップの層にやはり刻み込まれたナノ加工された光導波路のエバネッセント場光学トラップに原子を充填するために、原子チップ上に生成された少なくとも１つまたは複数の制御可能な磁気トラップを有する（例えば、図４を参照）。
統合原子チップの応用
統合原子チップは、極低温原子を準備し、対象の形状を有する高品質の光導波路に充填することができる。統合原子チップは、周知の慣性感知方式から、新たに出現した量子情報科学およびアトムトロニクスの分野に及ぶ応用のために、小型デバイスの将来の統合を可能にする。
統合原子チップは、極低温原子を準備し、対象の形状を有する高品質の光導波路に充填することができる。統合原子チップは、周知の慣性感知方式から、新たに出現した量子情報科学およびアトムトロニクスの分野に及ぶ応用のために、小型デバイスの将来の統合を可能にする。
従来手法は、ＥＦＯＴにおける原子トラッピングをまだ示しておらず、小さいトラップの体積（約１００ｎｍ２の断面積）によって主に制限される。しかし、統合原子チップによって形成された深い緊密な磁位において原子を最初にトラッピングして冷却する本設計は、トラップの充填効率において従来の方法を６桁上回る改善を行うことができ、フォトニック集積回路（ＰＩＣ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）に直接結合された原子センサの進歩を可能にする。
磁気構成要素および光学的構成要素のアーキテクチャを有する統合原子チップは、最先端の原子慣性センサのトラップの主要な制限に対処する。ＥＦＯＴは緊密（
）であり、方位における変化に対して堅牢であり、ハイダイナミックレンジ動作をサポートする。さらに、平面状の構造および導波路のアーキテクチャを有する統合原子チップは、チップ規模の精密センサへの道筋を示しながら、拡張可能なセンサのサイズおよび感度の向上を可能にする。慣性感知の応用を超えて、統合チップシステムは、本質的に、成長しているアトムトロニクスおよび量子情報科学の分野においてすぐに応用できる強い原子－光結合を提供する。
統合原子チップは、コヒーレントな原子の物質波を使用する慣性感知のための、小型の堅牢なプラットフォームを可能にする。統合原子チップは、ＤｏＤおよび学術研究対象に幅広く適用できる技術および方法を発展させる。応用には、電磁場感知、慣性感知（例えば、加速度計およびジャイロスコープ）に加えて、重力定数、等価原理、およびジオイドの精密測定などがある。重力センサは、センサを含んでいるデバイスに対する地球の重力の加速度効果を測定する。慣性センサは、慣性に基づいて測定を行う。電磁場は、電場または磁場に基づいて測定を行う。ジオイドセンサは、ＧＰＳなどの、地球の形状に基づいて測定を行う。
統合原子チップは、小型プラットフォームでの超精密な中性原子検出および時間管理に加えて、極低温原子の量子状態と光子の間の堅牢な結合を可能にする。
応用例として、以下が挙げられる。
－ 水中車両などの長時間ＧＰＳのないナビゲーションのための十分な精度を有するポインティング、ナビゲーション、およびタイミング（ＰＮＴ：Ｐｏｉｎｔｉｎｇ， ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｉｎｇ）測定。
－ 正確な光クロック時間管理および光学的時間同期。
－ 加速度計およびジャイロスコープなどの、重量測定、磁気測定、および電位測定を含む、正確な計測。
－ 水中車両などの長時間ＧＰＳのないナビゲーションのための十分な精度を有するポインティング、ナビゲーション、およびタイミング（ＰＮＴ：Ｐｏｉｎｔｉｎｇ， ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｉｍｉｎｇ）測定。
－ 正確な光クロック時間管理および光学的時間同期。
－ 加速度計およびジャイロスコープなどの、重量測定、磁気測定、および電位測定を含む、正確な計測。
説明したように、統合原子チップは、ウエハー規模のリソグラフィおよびシリコンフォトニクスプロセスを使用して製造され得る。統合原子チップは、光導波路のトラッピングされたＢＥＣおよびその後の物質波干渉法測定を可能にする。
原子を測定するために、２つ以上の磁気トラップおよび統合原子チップに刻み込まれた光導波路を統合する統合原子チップは、（光学トラップのポテンシャルが、重力よりも１０００倍強いため）プラットフォームの動きを検知しないシステムにおける正確なＰＮＴおよび計測を可能にする。つまりこのソリューションは、ＵＡＶおよびＵＵＶにおいて使用され得る。
図６は、トラップの中心からの距離と共に変化する、導波路充填トラップおよびエバネッセント場光学トラップのモード整合されたトラップエネルギーを含む、統合原子チップに関するシミュレーションの詳細の実施形態のグラフを示している。
図６は、ＥＦＯＴモード整合の場合の、原子チップの磁気トラップおよびＥＦＯＴトラップの湾曲に関する、初期シミュレーションモデルの結果のグラフを示している。原子チップの最適化されたトラップは、初期トラップおよび最終的トラップの体積が十分にモード整合されており、空間的に重複している場合に、効率的な原子の充填を実現する。図６は、ミリメートルの目盛りを示す図２Ｃに示されている一番下のＥＦＯＴへの転送のグラフの一部の拡大図であり、図６は、ナノメートルの目盛りを示している。図６は、トラップからの距離と共に、導波路充填トラップおよびエバネッセント場光学トラップのトラップエネルギー値６１４を含む、統合原子チップに関するシミュレーションの詳細の実施形態のグラフを示している。
図６のグラフは、例示的なチップの磁気トラップ（破線）およびＥＦＯＴトラップ（実線）の湾曲に関する、初期モデルの結果を示している。このグラフは、導波路充填トラップおよびＥＦＯＴトラップのエネルギーと位置を示している。これらの構造では、β＝０．６２のモード整合値が達成される。パラメータ：充填ワイヤにおける０．２５Ａ、ベースチップのＺ形ワイヤにおける２Ａ、および４０Ｇのバイアス場、４ｍＷ、７６０ｎｍの光、２０ｍＷ、１０６４ｎｍの光。参考までに、ＭＯＴは約５ｅ－７のβしか達成しない。
統合原子チップは、ナノ加工された導波路において、エバネッセント場トラッピングを実現する。現在の方法は、ＥＦＯＴと導波路の表面の間の小さい（約１００ｎｍの）空間分離によって制限される。統合原子チップは、最先端の技術を超えてデバイスの能力を伸ばす複数の固有の特徴を有する。特に、原子チップによって形成される緊密な磁気トラップは、ＥＦＯＴの充填効率において、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）からの直接の充填を試みる現在の方法に対して、６桁上回る改善を可能にする。また、外部の磁気バイアス場を回転させてその大きさを増やすことによって、統合原子チップの磁位がＳｉＮ導波路の表面の近くに配置される。これによって、横断するトラップ周波数を増やしながら、磁気トラップを導波路のより近くにシフトする。
また、原子チップの設計は、初期トラップおよび最終的トラップの体積が十分にモード整合されており、空間的に重複している場合に、最適化されたトラップの形状を使用して、効率的な原子の充填を実現する。ＥＦＯＴの充填のためのモード整合は、エバネッセント場光学トラップの磁気トラップの充填を介して発生する。
原子チップのアーキテクチャは、極低温原子を準備し、同じチップ上に生成された高品質の原子導波路に充填することができる、平面トラップ構造を使用する。この高品質の導波路は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）リブ型導波路内の青色および赤色の両方に離調された導波光のバランスのとれた光双極子力によって形成されたエバネッセント場光学トラップである。原子を導波路トラップに充填するための手順を確立して最適化した後に、統合原子チップは、誘導物質波干渉法を実行するための導波路のアーキテクチャを実装する（例えば、図４を参照）。
前述の設計およびその実施形態はかなり詳細に提供されているが、本明細書において提供される設計および実施形態の応用を制限することは意図されていない。追加の適応および／または変更が可能である、より広い態様において、それらの適応および／または変更も包含される。したがって、以下の特許請求の範囲によって提供される範囲から逸脱することなく、前述の設計および実施形態からの逸脱が行われてよく、この範囲は、適切に解釈された場合に、特許請求の範囲のみによって制限される。
Claims (18)
- 原子を測定するための統合原子チップであって、
前記原子を測定するために光導波路のエバネッセント場光学トラップへの前記原子の充填を促進するために、前記統合原子チップに刻み込まれた前記光導波路と統合された１又は２以上の磁気トラップと、
前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに充填されるときに、前記原子の初期温度から最終的な温度に、前記原子を徐々に冷却するように構成された、冷却の２以上の段階とを備え、前記冷却の２以上の段階が、ｉ）磁気光学トラップを使用して前記原子を冷却するように構成された冷却の第１の段階、ｉｉ）前記統合原子チップの１又は２以上の層に形成された電気トレースのパターンによって生成された磁場内にトラッピングされた原子に対して、高周波に基づく冷却を使用するように構成された冷却の第２の段階である、統合原子チップ。 - 前記統合原子チップの第２の層に刻み込まれた前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに原子を充填するために、第１の制御可能な磁気トラップを生成するように構成された前記統合原子チップの第１の層上の金属トレースのパターンをさらに備え、前記光導波路のパターンが、トラッピングされた原子の慣性感知のための形状を使用して設計される、請求項１に記載の統合原子チップ。
- 前記統合原子チップが、光学的構成要素および磁気構成要素を、前記統合原子チップの複数の層に統合するように構築され、前記複数の層が、
前記光導波路を、前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップへの前記原子の磁気充填に使用される第１の磁気トラップと同一平面上の構造に含む、最上層を含み、前記最上層が、前記光導波路と共に反射被覆光学面も含み、前記最上層が、前記エバネッセント場光学トラップと前記第１の磁気トラップの間をモード整合するためのモード整合ワイヤも含む、請求項１に記載の統合原子チップ。 - 前記原子の磁気トラップを作成するために使用されるパターン形成された導電金属トレースを含むベース層をさらに備え、前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに前記原子をトラッピングし、冷却し、充填するために、前記光導波路、前記第１の磁気トラップ、および前記パターン形成された導電金属トレースがすべて統合される、請求項３に記載の統合原子チップ。
- 熱酸化物層を含む半導体基板上に製造される、請求項１に記載の統合原子チップ。
- 前記磁気光学トラップは前記原子を最初に捕捉して冷却するように構成され、次に前記原子が、磁気的にトラップ可能な状態に光学的に送られ、前記統合原子チップのベース層上のリソグラフィによってパターン形成された金属トレースを流れる電流によって形成された磁位に捕捉され、前記リソグラフィによってパターン形成された金属トレースを流れる前記電流によって形成された前記磁位が、前記磁気光学トラップに最初に捕捉された前記原子と比較して、トラッピングされている徐々に低温になる原子に対するより緊密な磁気閉じ込めである、請求項１に記載の統合原子チップ。
- 最終的な磁気トラップおよび前記エバネッセント場光学トラップをモード整合し、空間的に重複させることによって、前記原子を前記エバネッセント場光学トラップに充填するように構成された導波路充填構成要素をさらに備える、請求項１に記載の統合原子チップ。
- （ｉ）磁位の断熱的な同時の減少または増加、（ｉｉ）磁気的にトラッピングされた前記原子からトラッピングされない状態への二光子光学ラマン遷移、（ｉｉｉ）二光子光学マイクロ波状態転送、およびｉｖ）これら３つの任意の組み合わせのうちの１つの方法で、前記導波路充填構成要素によって、前記原子が前記最終的な磁気トラップから前記エバネッセント場光学トラップに転送される、請求項７に記載の統合原子チップ。
- 原子を測定するための統合原子チップを備えるセンサであって、
前記統合原子チップは、前記原子を測定するために光導波路のエバネッセント場光学トラップへの前記原子の充填を促進するために、前記統合原子チップに刻み込まれた前記光導波路と統合された２以上の磁気トラップを含み、前記統合原子チップの層に刻み込まれた前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに原子を充填するために、第１の制御可能な磁気トラップが前記統合原子チップ上に生成され、前記光導波路のパターンが、トラッピングされた原子の測定のための形状を使用して設計される、センサ。 - 前記センサが、ｉ）慣性センサ、ｉｉ）重力定数センサ、ｉｉｉ）ジオイドセンサ、ｉｖ）電磁場センサ、およびｖ）これらのセンサの任意の組み合わせから成る群から選択される、請求項９に記載のセンサ。
- 原子を測定するために使用される統合原子チップのための方法であって、
前記原子を測定するために光導波路のエバネッセント場光学トラップへの前記原子の充填を促進するために、前記統合原子チップに刻み込まれた前記光導波路と統合された１又は２以上の磁気トラップを製造することと、
前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに充填されるときに、前記原子の初期温度から最終的な温度に、前記原子を徐々に冷却するために使用される冷却の２以上の段階を製造することと、を含み、前記冷却の２以上の段階が、ｉ）磁気光学トラップを使用して前記原子を冷却するように構成された冷却の第１の段階、ｉｉ）前記統合原子チップの１つまたは複数の層に形成された電気トレースのパターンによって生成された磁場内にトラッピングされた原子に対して、高周波に基づく冷却を使用するように構成された冷却の第２の段階である、統合原子チップのための方法。 - 前記統合原子チップの第２の層に刻み込まれた前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに原子を充填するために、第１の制御可能な磁気トラップを生成する前記統合原子チップの第１の層上の金属トレースのパターンを製造することをさらに含み、前記光導波路のパターンが、トラッピングされた原子の慣性感知のための形状を使用して設計される、請求項１１に記載の統合原子チップのための方法。
- 光学的構成要素および磁気構成要素を、前記統合原子チップの複数の層に統合するための前記統合原子チップを製造することをさらに含み、前記複数の層が、
前記光導波路を、前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップへの前記原子の磁気充填に使用される第１の磁気トラップと同一平面上の構造に含む、最上層を含み、前記最上層が、前記光導波路と共に反射被覆光学面も含み、前記最上層が、前記エバネッセント場光学トラップと前記第１の磁気トラップの間をモード整合するためのモード整合ワイヤも含む、請求項１１に記載の統合原子チップのための方法。 - 前記原子の磁気トラップを作成するために使用されるパターン形成された導電金属トレースを含むベース層を製造することさらに含み、前記光導波路の前記エバネッセント場光学トラップに前記原子をトラッピングし、冷却し、充填するために、前記光導波路、前記第１の磁気トラップ、および前記パターン形成された導電金属トレースがすべて統合される、請求項１３に記載の統合原子チップのための方法。
- ウエハー製造プロセスを使用して、熱酸化物層を含む半導体基板上に前記統合原子チップを製造する、請求項１４に記載の統合原子チップのための方法。
- 前記原子を最初に捕捉して冷却するための前記磁気光学トラップを製造することをさらに含み、次に前記原子が、磁気的にトラップ可能な状態に光学的に送られ、前記統合原子チップのベース層上のリソグラフィによってパターン形成された金属トレースを流れる電流によって形成された磁位に捕捉され、前記リソグラフィによってパターン形成された金属トレースを流れる前記電流によって形成された前記磁位が、前記磁気光学トラップに最初に捕捉された前記原子と比較して、トラッピングされている徐々に低温になる原子に対するより緊密な磁気閉じ込めである、請求項１１に記載の統合原子チップのための方法。
- 最終的な磁気トラップおよび前記エバネッセント場光学トラップをモード整合し、空間的に重複させることによって、前記原子を前記エバネッセント場光学トラップに充填するように構成された導波路充填構成要素を製造することをさらに含む、請求項１１に記載の統合原子チップのための方法。
- 前記エバネッセント場光学トラップおよび最終的な磁気トラップがモード整合され、空間的に重複した後に、（ｉ）磁位の断熱的な同時の減少または増加、（ｉｉ）磁気的にトラッピングされた前記原子からトラッピングされない状態への二光子光学ラマン遷移、（ｉｉｉ）二光子光学マイクロ波状態転送、およびｉｖ）これら３つの任意の組み合わせのうちの１つの方法で、前記原子が前記磁気トラップから前記エバネッセント場光学トラップに転送される、請求項１６に記載の統合原子チップのための方法。
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