KR20220160046A - 3 축 자기장 보정 코일, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 물리 패키지의 소형화 또는 가반화에도 대응 가능한 새로운 자기장 보정 코일을 실현하는 것에 있는데, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 원자가 배치된 시계 천이 공간을 통과하는 X축 방향에 대하여, 제1 코일군과 제2 코일군을 구비하고, 제1 코일군은 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성된 헬름홀츠형의 코일이며, 제2 코일군은 X축의 방향에 대해서, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점 대칭인 형상으로 형성되고, 제1 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 코일이다.

Description

3 축 자기장 보정 코일, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템

본 발명은 3 축 자기장 보정 코일, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템에 관한 것이다.

광격자 시계는 2001년에, 본 출원의 발명자 중 한 사람인 가토리 히데토시에 의해 제안된 원자 시계이다. 광격자 시계에서는 레이저광으로 형성한 광격자 내에 원자 집단을 가두고 가시광 영역의 공진 주파수를 계측하므로, 현행의 세슘 시계의 정밀도를 훨씬 능가하는 18자리 정밀도의 계측이 가능하다. 광격자 시계는 발명자들의 그룹에 의해 예의 연구 개발이 이루어지고 있는 한편, 일본 국내외의 여러 그룹에 의해서도 연구 개발이 이루어져 차세대 원자 시계로서 발전해 오고 있다.

최근의 광격자 시계의 기술에 대해서는 예를 들면, 하기 특허문헌 1~특허문헌 3을 들 수 있다. 특허문헌 1에는 중공의 통로를 갖는 광 도파로의 내부에 1차원의 이동 광격자를 형성하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 실효적 마법 주파수를 설정하는 형태에 대해서 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는 주위의 벽으로부터 방사되는 흑체 복사로부터의 영향을 저감하는 복사 실드에 대해서 기재되어 있다.

광격자 시계에서는 고정밀도로 시간 계측을 실시하므로, 중력에 의한 일반 상대성론적인 효과에 기초하는 지구상의 1 ㎝의 고도차를, 시간의 진행 방향의 오차로서 검출할 수 있다. 그래서, 광격자 시계를 가반화하여 연구실 밖의 필드에서 이용할 수 있게 되면 지하 자원 탐색, 지하 공동, 마그마 덩어리의 검출 등, 새로운 측지(測地) 기술에의 응용 가능성이 확대된다. 광격자 시계를 양산하여 각지에 배치하고, 중력 포텐셜의 시간 변동을 연속 감시함으로써, 지각 변동의 검출, 중력장의 공간 매핑 등의 응용도 가능해진다. 이와 같이, 광격자 시계는 고정밀도의 시간 계측의 틀을 넘어, 새로운 기반 기술로서 사회에 공헌하는 것이 기대되고 있다.

하기 비특허문헌 1∼비특허문헌 5에는 광격자 시계를 가반화(可搬化)하는 시도에 대해서 기재되어 있다. 예를 들어, 비특허문헌 4에는 길이 99 ㎝, 폭 60 ㎝, 높이 45 ㎝의 프레임에 격납된 광격자 시계의 물리 패키지가 기재되어 있다. 이 물리 패키지에서는 길이 방향으로 차례로 원자 오븐, 제만 감속기 및 진공 챔버가 나열되어 있다. 그리고, 진공 챔버의 외측에는 길이 방향, 폭 방향 및 높이 방향의 3 축에 대해 한 변이 30~40 ㎝ 정도의 한 쌍의 정사각형의 자기장 보정 코일이 설치되어 있다. 자기장 보정 코일은, 원자를 제로 자기장하의 기초에서 시계 천이 분광을 실시하기 위해, 분광시의 원자 주변의 영역에서의 자기장 분포를 균일하게 또한 제로값으로 보상하기 위해 사용된다.

자기장 보정 코일을 이용한 자기장의 균일화는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance 핵자기 공명)의 분야에서도 실시되고 있다. 예를 들어, 하기 특허문헌 4에는, 양자화 축 방향으로 복수의 동사이즈의 원형 코일을 배치하고, 시료가 놓이는 공간에서의 자기장의 균일화를 도모하는 것이 기재되어 있다. 여기에서는 양자화 축 방향의 자기장에 대하여, 양자화 축 방향의 공간 미분량을 고정밀도로 제어하여 균일화를 실시하고 있다. 또한, 최근의 NMR 장치에서는 양자화 축과는 직교하는 방향의 자기장 성분에 대해서도, 양자화 축 방향의 공간 미분량을 고정밀도로 제어하는 것이 행해지고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 제6206973호 공보 특허문헌 2: 일본 공표 특허 공보 제2018-510494호 특허문헌 3: 일본 공개 특허 공보 제2019-129166호 특허문헌 4: 일본 특허 제3083475호 공보

비특허문헌 1: Stefan Vogt 등 저 「A transportable optical lattice clock」Journal of Physics: Conference Series 723 012020, 2016년 비특허문헌 2: S. B. Koller 등 저 「Transportable Optical Lattice Clock with 7 × 10-17 Uncertainty」Physical review letters 118 073601, 2017년 비특허문헌 3: William Bowden 등 저 「A pyramid MOT with integrated optical cavities as a cold atom platform for an optical lattice clock」 Scientific Reports 9 11704, 2019년 비특허문헌 4: S. Origlia 등 저 「Towards an optical clock for space: Compact, high-performance optical lattice clock based on bosonic atoms」 Physical Review A 98, 053443, 2018년 비특허문헌 5: N. Poli 등 저 「Prospect for a compact strontium optical lattice clock」 Proceedings of SPIE 6673, 2007년

상술한 비특허문헌 1∼비특허문헌 5에 기재된 광격자 시계보다 더욱 소형화 또는 가반화를 진행함으로써, 광격자 시계의 반송, 설치 등이 용이해져 활용성도 향상되는 것이 된다.

특히, 종래의 자기장 보정 코일은 대형으로 형성되어 있고, 광 격자 시계의 물리 패키지를 소형화할 수 없는 요인의 하나가 되고 있다. 또한, 큰 자기장 보정 코일은 전력절감을 방해하는 것이 되기도 한다. 그러나, 가령 종래의 자기장 보정 코일을 단순히 소형화하고 원자가 포착되는 공간에 근접시켜 설치한 경우에는, 생성되는 자기장의 공간적인 변화가 커지고, 자기장의 균일화가 어려워지는 것으로 생각된다. 또한, 소형화된 광 격자 시계에서는, 상기 특허 문헌 4에 기재된 바와 같은 NMR 장치와는 달리, 보정 코일을 설치하는 공간을 충분히 확보하는 것은 어렵다.

또한, 가반화한 경우에는 빈번하게 다른 자기장 환경에서, 자기장의 균일화를 실시할 필요가 생긴다. 복잡한 자기장 환경에 놓인 경우에도, 자기장을 신속하고 고정밀도로 보정 가능한 자기장 보정 코일이 요구되고 있다. 자기장의 균일화는 소형화 및 가반화를 실시하지 않는 경우에 있어서도, 계측의 고정밀도화를 도모하는 상에서 중요하다. 소형화 또는 가반화는 광격자 시계에 한정되지 않고, 고정밀도의 양자 계측에 사용되는 디바이스에 있어서 널리 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 물리 패키지의 소형화 또는 가반화에도 대응 가능한 새로운 자기장 보정 코일을 실현하는 데에 있다.

본 발명에 관한 3 축 자기장 보정 코일은, 원자가 배치된 시계 천이 공간을 통과하는 제1 축 방향에 대하여, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성된 헬름홀츠형의 제1 코일군과, 상기 제1 축의 방향에 대해 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제1 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제2 코일군을 포함한다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 제1 코일군을 구성하는 각 코일에는 크기 및 방향이 다른 전류를 흘리는 것이 가능하다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 제2 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 상기 제1 축의 둘레의 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류가 흘려진다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 3 축 자기장 보정 코일에는, 상기 제1 축의 방향에 대해, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제1 코일군 및 제2 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제3 코일군이 포함되며, 제3 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 상기 제1 축의 둘레의 역방향으로 동일한 크기의 전류가 흘려진다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 3 축 자기장 보정 코일은 상기 시계 천이 공간을 통과하여 상기 제1 축에 수직인 제2 축의 방향과 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 수직인 제3 축의 방향과의 각각에 대해, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성된 헬름홀츠형의 제4 코일군과, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제4 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제5 코일군을 구비한다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 제4 코일군은 복수의 소형 코일로 이루어지는 2 개의 복합 코일이, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있고, 상기 제4 코일군의 상기 2 개의 복합 코일에 있어서는, 상기 복수의 소형 코일이 상기 제1 축의 방향으로 중심 위치를 어긋나게 하여 배치되어 있고, 상기 제4 코일군의 상기 2 개의 복합 코일은, 상기 복수의 소형 코일에 흘리는 전류를 조정한 경우에 헬름홀츠형과 등가가 되는 형상으로 형성되어 있다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 제5 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 해당 제5 코일군이 나열되는 축 둘레의 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류가 흘려진다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 상기 3 축 자기장 보정 코일은 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축 방향의 자기장 성분에 대해서, 상기 제1 축 방향에 있어서의 상수항, 공간 1계 미분항 및 공간 2계 미분항을 보정 가능한 형상으로 형성되어 있다.

본 발명에 관한 물리 패키지 시스템은 상기 3 축 자기장 보정 코일과, 상기 3 축 자기장 보정 코일에 흘리는 전류를 제어하는 제어 장치를 구비한다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 해당 물리 패키지가 구비하는 진공 챔버, 기기 또는 지지 부재에는, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭으로 형성된 부위를 포함하고, 상기 3 축 자기장 보정 코일의 적어도 일부의 코일은 플렉시블 프린트 기판에 형성되고, 상기 점대칭으로 형성된 부위에 부착된다.

본 발명에 관한 3 축 자기장 보정 코일은 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지에 있어서 이용 가능하다.

본 발명에 관한 물리 패키지는, 상기 3 축 자기장 보정 코일과, 상기 원자를 상기 시계 천이 공간으로 인도하는 제만 감속, 자기 광학 트랩 및 광격자 트랩 중 적어도 하나의 원자 레이저 냉각 기술 장치를 구비한다.

본 발명에 따르면, 물리 패키지의 소형화 또는 가반화에 대응 가능한 자기장 보정 코일을 실현할 수 있다.

도 1은 실시 형태에 관한 광격자 시계의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 광격자 시계의 물리 패키지의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 물리 패키지의 외관을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 물리 패키지의 내부를 부분적으로 투시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 3 축 자기장 보정 코일의 전체 형상을 도시한 도면이다.
도 6은 X축 자기장 보정 코일의 제1 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 X축 자기장 보정 코일의 제2 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 8은 Y축 자기장 보정 코일의 제1 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 Y축 자기장 보정 코일의 제2 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 10은 Z축 자기장 보정 코일의 제1 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 11은 Z축 자기장 보정 코일의 제2 코일군의 형상을 도시한 도면이다.
도 12는 3 축 자기장 보정 코일의 홀더의 형상을 도시한 도면이다.
도 13은 플렉시블 프린트 기판을 이용한 보정 코일의 예를 도시한 도면이다.
도 14는 플렉시블 프린트 기판을 이용한 원통형 보정 코일을 도시한 도면이다.
도 15는 보정 코일에 흘리는 전류의 예를 도시한 도면이다.
도 16은 도 15의 보정 코일과 등가인 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 17은 보정 코일에 흘리는 전류의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 18은 도 17의 보정 코일과 등가인 전류의 흐름을 도시한 도면이다.
도 19는 플렉시블 프린트 기판을 이용한 보정 코일의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 20은 구 형상의 진공 챔버를 구비하는 물리 패키지를 나타내는 도면이다.
도 21은 3 축 자기장 보정 코일의 다른 설치예를 나타내는 도면이다.
도 22는 도 21의 3 축 자기장 보정 코일의 지지 형태에 대해서 설명하는 도면이다.
도 23a는 자기장의 보정 형태에 대해서 도시한 모식도이다.
도 23b는 자기장의 보정 형태에 대해서 도시한 모식도이다.
도 24는 3 축 자기장 보정 코일의 캘리브레이션의 플로우차트이다.
도 25는 3 축 자기장 보정 코일의 보정 수순을 도시한 플로우차트이다.
도 26은 자기장의 보정 형태의 다른 예에 대해서 도시한 모식도이다.
도 27은 냉동기에서의 누설 자기장의 보상에 대해서 도시한 도면이다.
도 28은 제만 감속기와 MOT 장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 29는 코일의 보이드에 대해서 설명하는 단면도이다.
도 30은 도 28의 구성에 대응한 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 31a는 제만 감속기와 MOT 장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 31b는 제만 감속기와 MOT 장치의 구조를 도시한 단면도이다.
도 32는 도 31a, 도 31b의 구성에 대응한 자기장 분포를 도시한 도면이다.
도 33a는 도 31a, 도 31b의 변형 형태에 관한 구조를 도시한 도면이다.
도 33b는 도 31a, 도 31b의 변형 형태에 관한 구조를 도시한 도면이다.
도 34는 코일 외경이 일정해지는 제만 코일의 단면도이다.
도 35a는 제만 감속기용 코일의 캡슐화에 대해서 도시한 단면도이다.
도 35b는 제만 감속기용 코일의 캡슐화에 대해서 도시한 단면도이다.

(1) 물리 패키지의 개략적인 구성

도 1은 광격자 시계(10)의 전체 구성을 도시한 개략도이다. 광격자 시계는 물리 패키지(12), 광학계 장치(14), 제어 장치(16) 및 PC(Personal Computer)(18)를 조합하여 구성되어 있다.

물리 패키지(12)는 다음에 상술하는 바와 같이 원자 집단을 포착하여 광격자에 가두고 시계 천이를 일으키는 장치이다. 광학계 장치(14)는 레이저 발광 장치, 레이저 수광 장치, 레이저 분광 장치 등의 광학적 기기를 구비한 장치이다. 광학계 장치(14)는 레이저를 발광하여 물리 패키지(12)에 보내는 이외에, 물리 패키지(12)에 있어서 원자 집단이 시계 천이에 의해 발광한 광을 수광하여 전기 신호로 변환하고, 주파수대에서 분파하는 등의 처리를 실시한다. 제어 장치(16)는 물리 패키지(12) 및 광학계 장치(14)를 제어하는 장치이다. 제어 장치(16)는 광격자 시계(10)에 특화된 컴퓨터이며, 프로세서 및 메모리를 구비한 컴퓨터 하드웨어를 소프트웨어에 의해 제어함으로써 동작한다. 제어 장치(16)는 예를 들면, 물리 패키지(12)의 동작 제어, 광학계 장치(14)의 동작 제어 등의 외에, 계측에 의해 얻어진 시계 천이의 주파수 해석 등의 해석 처리도 실시하고 있다. 물리 패키지(12), 광학계 장치(14) 및 제어 장치(16)는 서로 밀접하게 제휴하여, 광격자 시계(10)를 형성하고 있다.

PC(18)는 범용적인 컴퓨터이고, 프로세서 및 메모리를 구비한 컴퓨터 하드웨어를 소프트웨어에 의해 제어함으로써 동작한다. PC(18)에는 광격자 시계(10)를 제어하는 어플리케이션 프로그램이 인스톨되어 있다. PC(18)는 제어 장치(16)에 접속되어 있고, 제어 장치(16) 뿐만 아니라 물리 패키지(12)와 광학계 장치(14)를 포함하는 광격자 시계(10)의 전체에 관한 제어를 실시하고 있다. 또한, PC(18)는 광격자 시계(10)의 UI(User Interface)로 되어 있고, 사용자는 PC(18)를 통하여 광격자 시계(10)의 기동, 시간 계측, 결과 확인 등을 실시할 수 있다. 본 실시 형태에서는 물리 패키지(12)를 중심으로 설명을 실시한다. 또한, 물리 패키지(12)와, 그 제어에 필요로 되는 구성을 포함하는 것을 물리 패키지 시스템이라고 부르는 경우가 있다. 제어에 필요로 되는 구성은 제어 장치(16) 또는 PC(18)에 포함되는 경우가 있지만, 물리 패키지(12) 자체에 내장되는 경우도 있다.

도 2는 실시 형태에 관한 광격자 시계의 물리 패키지(12)를 모식적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 3은 물리 패키지(12)의 외관의 예를 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시한 물리 패키지(12)의 내부 구조를 부분적으로 투시적으로 도시한 도면이다. 도 2~도 4(및 이후의 도면)에는, 후술하는 원자가 시계 천이 분광시에 존재할 수 있는 대상 공간(시계 천이 공간(52))을 원점으로 하는 XYZ 직교 직선 좌표계를 도시하고, 방향을 명시하고 있다.

물리 패키지(12)는 진공 챔버(20), 원자 오븐(40), 제만 감속기용 코일(44), 광학 공진기(46), MOT(Magneto-Optical Trap(자기 광학 트랩)) 장치용 코일(48), 저온조(54), 열 링크 부재(56), 냉동기(58), 진공 펌프 본체(60) 및 진공 펌프 카트리지(62)를 구비한다.

진공 챔버(20)는 물리 패키지(12)의 주요 부분을 진공으로 유지하는 용기이며, 대략 원기둥형으로 형성되어 있다. 상세하게는 진공 챔버(20)는 큰 대략 원기둥 형상으로 형성된 본체부(22)와, 본체부(22)로부터 돌기된 작은 대략 원기둥 형상으로 형성된 돌기부(30)를 구비한다. 본체부(22)는 내부에 후술하는 광학 공진기(46) 등을 격납한 부위이다. 본체부(22)는 원기둥의 측면을 이루는 원통벽(24)과, 원기둥의 원형의 면을 이루는 전부 원형벽(26) 및 후부 원형벽(28)을 구비한다. 전부 원형벽(26)은 돌기부(30)가 설치된 벽이다. 후부 원형벽(28)은 돌기부(30)와는 반대측의 벽이며, 원통벽(24)에 비하여 직경이 확대된 형상으로 형성되어 있다.

돌기부(30)는 원기둥의 측면을 이루는 원통벽(32)과, 전부 원형벽(34)을 구비한다. 전부 원형벽(34)은 본체부(22)로부터 먼 측의 원형의 면이다. 돌기부(30)에서의 본체부(22)의 측은, 대부분이 개구된 형상으로 이루어져 본체부(22)와 접속되어 있고, 벽부를 갖지 않는다.

진공 챔버(20)는 본체부(22)의 원기둥의 중심축(이 축을 Z축이라고 부름)이 거의 수평이 되도록 배치된다. 또한, 돌기부(30)의 원기둥의 중심축(이 축은 빔축이 됨)은 Z축의 연직 방향 상방에 있어서, Z축에 평행하게 연장되어 있다.

진공 챔버(20)는 예를 들면, Z축 방향으로 35 ㎝ 정도 이하, X축 방향 및 Y축 방향으로 20 ㎝ 정도 이하로 형성하는 것을 상정하고 있다. 또한 소형화를 진행하여 Z축 방향의 길이를 30 ㎝ 정도 이하, 25 ㎝ 정도 이하, 또는 20 ㎝ 정도 이하로 하는 것도 상정된다. 또한, X축 방향 및 Y 방향에 대해서도, 15 ㎝ 정도 이하, 또는 10 ㎝ 정도 이하로 하는 것도 충분히 가능하다고 상정된다. 또한, 빔축과 Z축의 거리는, 예를 들면 10~20 ㎜ 정도로 설정된다.

실시 형태에서는 진공 챔버(20)의 본체부(22) 하부에서의 네 모퉁이 부근에는 4 개의 다리(38)가 설치되어 있고, 진공 챔버(20)를 지지한다. 진공 챔버(20)는 내부가 진공이 된 경우의 기압차를 견딜 수 있도록, SUS(스테인리스) 등의 금속을 사용하여 충분히 견고하게 만들어져 있다. 진공 챔버(20)는 후부 원형벽(28)과 전부 원형벽(34)이 분리 가능하게 형성되어 있어, 보수 점검시 등에 분리된다.

원자 오븐(40)은 돌기부(30)의 선단 부근에 설치된 장치이다. 원자 오븐 (40)은 설치된 고체 금속을 히터로 가열하고, 열 운동에 의해 금속으로부터 튀어 나온 원자를 미세구멍으로부터 방출하여 원자 빔(42)을 형성한다. 원자 빔(42)이 통과하는 빔축은 Z축과 평행하게 설정되어 있고, X축과는 원점으로부터 약간 떨어진 위치에서 교차하도록 설정되어 있다. 교차하는 위치는, 후술하는 원자가 포착되는 미소한 공간인 포착 공간(50)에 상당한다. 원자 오븐(40)은 기본적으로는 진공 챔버(20)의 내부에 설치되어 있지만, 냉각을 위해, 방열부가 진공 챔버(20) 밖으로까지 연장되어 있다. 원자 오븐(40)에서는, 예를 들면 750 K 정도까지 금속이 가열된다. 금속으로서는 예를 들면, 스트론튬, 수은, 카드뮴, 이터븀 등이 선택되지만, 이들에 특별히 한정되는 것은 아니다.

제만 감속기용 코일(44)은 원자 오븐(40)의 빔축의 하류측에 있어서, 진공 챔버(20)의 돌기부(30)로부터 본체부(22)에 걸쳐 배치되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)은 원자 빔(42)의 원자를 감속하는 제만 감속기와, 감속한 원자를 포착하는 MOT 장치를 융합시킨 장치이다. 제만 감속기와 MOT 장치는 모두 원자 레이저 냉각 기술에 기초하는 장치이다. 도 2에 도시된 제만 감속기용 코일(44)에는 제만 감속기에서 사용되는 제만 코일과, MOT 장치에서 사용되는 한 쌍의 MOT 코일 중 한쪽이 일련의 코일로서 설치되어 있다. 명확한 구분은 할 수 없지만, 대략적으로는 상류측으로부터 하류측까지의 대부분이, 제만 감속법에 기여하는 자기장을 발생하는 제만 코일에 상당하고, 최하류측이 MOT법에 기여하는 구배 자기장을 생성하는 MOT 코일에 상당한다.

도시한 예에서는, 제만 코일은 상류측일수록 권회수가 많고 하류측일수록 권회수가 적은 디크리싱형으로 되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)은 제만 코일과 MOT 코일의 내측에 원자 빔(42)이 통과하도록, 빔축의 주위에 축 대칭으로 배치되어 있다. 제만 코일의 내측에는 공간적으로 구배가 형성된 자기장이 형성되고, 제만 감속 광빔(82)이 조사됨으로써 원자의 감속이 실시된다.

광학 공진기(46)는 Z축 둘레에 배치되는 원통형 부품이며, 내측에 광격자가 형성된다. 광학 공진기(46)에는 복수의 광학 부품이 설치되어 있다. X축 상의 한 쌍의 광학 미러와, 그것과 평행하게 또 한 쌍의 광학 미러를 구비하고, 총 4 매의 미러 사이에서 광격자 광을 다중 반사함으로써 보타이형의 광격자 공진기를 생성 한다. 포착 공간(50)에서 포착된 원자 집단은 이 광격자의 내부에 갇힌다. 또한, 광학 공진기(46)에서는 공진기에 입사시키는 2 개(우회전, 좌회전)의 광격자 광의 상대 주파수를 시프트시킨 경우, 광격자의 정재파가 이동하는 이동 광격자를 형성한다. 이동 광격자에 의해, 원자 집단은 시계 천이 공간(52)으로 이동된다. 실시 형태에서는 이동 광격자를 포함하는 광격자를 X축 상에 형성되도록 설정되어 있다. 또한, 광격자로서는 X축에 추가하여, Y축상과 Z축의 일방 또는 쌍방에도 격자가 나열되는 2차원, 또는 3차원의 것을 채용하는 것도 가능하다. 이와 같이, 광학 공진기(46)는 광격자를 형성하는 광격자 형성부라고 할 수 있다. 광학 공진기(46)도 원자 레이저 냉각 기술에 기초하는 장치이다.

MOT 장치용 코일(48)은 포착 공간(50)에 대하여 구배 자기장을 생성한다. MOT 장치에서는 구배 자기장을 형성한 공간에 XYZ의 3 축을 따라 MOT광이 조사된다. 이에 의해, MOT 장치는 포착 공간(50)에 원자를 포착한다. 포착 공간(50)은 X축상에 설정되어 있다. 도 2에 도시된 제만 감속기용 코일(44)에는 제만 감속기에서 사용되는 제만 코일과, MOT 장치에서 사용되는 한 쌍의 MOT 코일 중 한쪽이, 일련의 코일로서 설치되어 있다. 이 도면에서는, MOT법에 기여하는 구배 자기장은 MOT 장치용 코일(48)과, 제만 감속기용 코일(44)의 일부와 함께 생성된다.

저온조(54)는 시계 천이 공간(52)을 둘러싸도록 형성되고, 내측의 공간을 저온으로 유지한다. 이에 의해, 내측의 공간에서는 흑체 복사가 저감된다. 저온조(54)에는 지지 구조를 겸한 열 링크 부재(56)가 부착되어 있다. 열 링크 부재(56)는 저온조(54)로부터 냉동기(58)로 열을 전도한다. 냉동기(58)는 열 링크 부재(56)를 통하여 저온조(54)를 저온화하는 장치이다. 냉동기(58)는 펠티어 소자를 구비하고 있고, 저온조(54)를 예를 들면 190 K 정도로 냉각한다.

진공 펌프 본체(60)와 진공 펌프 카트리지(62)는 진공 챔버(20)를 진공화하기 위한 장치이다. 진공 펌프 본체(60)와 진공 펌프 카트리지(62)는, 그 후에 진공 챔버(20)의 진공화를 실시하는 장치이다. 진공 펌프 본체(60)는 진공 챔버(20)의 외측에 설치되어 있고, 진공 펌프 카트리지(62)는 진공 챔버(20)의 내측에 설치되어 있다. 진공 펌프 카트리지(62)는 기동 개시시에, 진공 펌프 본체(60)에 설치된 히터에 의해 가열되어 활성화된다. 이에 의해, 진공 펌프 카트리지(62)가 활성화되어 원자를 흡착함으로써 진공화를 실시한다.

진공 펌프 카트리지(62)는 본체부(22)에 있어서, 제만 감속기용 코일(44)과 병치하도록 설치되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)은 본체부(22)의 원기둥의 중심축에 대하여, X축 방향으로 편심된 빔축을 따라 배치되어 있다. 이 때문에, 제만 감속기용 코일(44)이 편심된 방향과는 반대측에는 비교적 큰 공간이 있다. 진공 펌프 카트리지(62)는 이 공간에 설치되어 있다.

물리 패키지(12)는 광학계의 부품으로서, 광격자 광용 내진공 광학창(64, 66), MOT광용 내진공 광학창(68), 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70, 72) 및 광학 미러(74, 76)를 구비한다.

광격자 광용 내진공 광학창(64, 66)은 진공 챔버(20)의 본체부(22)에 있어서의 마주보는 원통벽(24)에 대면하여 설치된 내진공의 광학창이다. 광격자 광용 내진공 광학창(64, 66)은 광격자 광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

MOT광용 내진공 광학창(68)은 MOT 장치에서 사용하는 3 축의 MOT광 중, 2축의 MOT광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70, 72)은 제만 감속광과 1축의 MOT광을 입사 및 출사하기 위해 설치되어 있다.

광학 미러(74, 76)는 제만 감속광과 1축의 MOT광의 방향을 변경하기 위해 설치되어 있다.

또한, 물리 패키지는 냉각용 부품으로서 원자 오븐용 냉각기(90), 제만 감속기용 냉각기(92) 및 MOT 장치용 냉각기(94)를 구비한다.

원자 오븐용 냉각기(90)는 원자 오븐(40)을 냉각하는 수냉 장치이다. 원자 오븐용 냉각기(90)는 진공 챔버(20)의 외부에 설치되어 있고, 원자 오븐(40) 중 진공 챔버(20)의 외부로 연장된 방열부를 냉각한다. 원자 오븐용 냉각기(90)는 냉각용 관인 금속제의 수냉관을 구비하고 있고, 내부에 액체 냉매인 냉각수를 흘림으로써 진공 챔버(20)를 냉각한다.

제만 감속기용 냉각기(92)는 진공 챔버(20)의 벽부에 설치되고 제만 감속기용 코일(44)을 냉각하는 장치이다. 제만 감속기용 냉각기(92)는 금속제의 파이프를 구비하고 있고, 내부에 냉각수를 흘림으로써, 제만 감속기용 코일(44)의 코일에서 발생하는 줄 열을 빼앗는다.

MOT 장치용 냉각기(94)는 진공 챔버(20)의 원벽부에 설치된 방열부이다. MOT 장치용 코일(48)에서는 제만 감속기용 냉각기(92)보다 작지만(예를 들면, 1/10 정도), 코일에 줄 열이 발생한다. 그래서, MOT 장치용 코일(48)로부터는, MOT 장치용 냉각기(94)의 금속이 진공 챔버(20)의 외부까지 연장되어 있고, 대기 중에 열을 방출한다.

또한, 물리 패키지(12)는 자기장을 보정하기 위한 부품으로서, 3 축 자기장 보정 코일(96), 내진공 전기 커넥터(98), 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102) 및 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)을 구비한다.

3 축 자기장 보정 코일(96)은 시계 천이 공간(52)에 있어서의 자기장을 균일하게 제로화하기 위한 코일이다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 XYZ의 3 축 방향의 자기장을 보정하도록 입체적인 형상으로 형성되어 있다. 도 4에 도시한 예에서는, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 전체적으로 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(96)을 구성하는 각 코일은 각 축 방향에 있어서, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있다.

내진공 전기 커넥터(98)는 진공 챔버(20) 내에 전력을 공급하기 위한 커넥터이며, 진공 챔버(20)의 원벽부에 설치되어 있다. 내진공 전기 커넥터(98)로부터는 제만 감속기용 코일(44), MOT 장치용 코일(48) 및 3 축 자기장 보정 코일(96)에 전력이 공급된다.

냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 저온조(54)를 냉각하는 냉동기(58)로부터의 누설 자기장을 보상하기 위한 코일이다. 냉동기(58)가 구비하는 펠티어 소자는 상대적으로 큰 전류가 흐르는 대전류 디바이스이며, 큰 자기장을 발생시킨다. 펠티어 소자의 주위는 고투자율재에 의해 자기장을 차폐하고 있지만, 완전하게는 차폐할 수 없어 일부의 자기장이 누설된다. 그래서, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 시계 천이 공간(52)에서의 이 누설 자기장을 보상하도록 설정되어 있다.

원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)은 원자 오븐(40)의 히터로부터의 누설 자기장을 보상하기 위한 코일이다. 원자 오븐(40)의 히터도 대전류 디바이스이고, 고투자율재에 의한 차폐에도 불구하고, 누설 자기장을 무시할 수 없는 경우가 있다. 예를 들면, 히터 회로를 무유도권(無誘導捲) 배선으로 구성했다고 해도, 배선 단말이나 절연층을 개재한 배선 등에서 현실적으로 유도 성분이 남는 경우가 있다. 또한, 예를 들면 원자 오븐을 고투자율재로 덮어 자기 차폐를 도모한 경우이어도, 원자 빔 개구부 등, 현실적으로 덮을 수 없는 부분이 존재하는 경우가 있다. 그래서, 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)은 시계 천이 공간(52)에서의 이 누설 자기장을 보상하도록 설정되어 있다.

(2) 물리 패키지의 동작

물리 패키지(12)의 기본적인 동작에 대해서 설명한다. 물리 패키지(12)에서는 진공 챔버(20)의 내부에 구비된 진공 펌프 카트리지(62)가 원자를 흡착함으로써 진공 챔버(20)의 내부가 진공화된다. 이에 의해, 진공 챔버(20)의 내부는, 예를 들면 10^-8 Pa 정도의 진공 상태가 되어 질소, 산소 등의 공기 성분의 영향이 배제된다. 사용하는 진공 펌프의 종류에 따라 미리 전처리를 실시해 둔다. 예를 들면, 비증발형 게터 펌프(NEG 펌프)나 이온 펌프 등에서는 이것을 가동하기 전에, 대기부터 어느 정도의 진공도로 러프 펌핑해 둘 필요가 있다. 이 경우, 진공 챔버에 러프 펌핑 포트를 구비해 두고 있고, 그 포트로부터 예를 들면 터보 분자 펌프 등을 이용하여 충분히 러프 펌핑해 둔다. 또한, 예를 들면 진공 펌프 본체(60)로서 NEG 펌프를 사용하는 경우에는, 미리 진공 중에서 고온으로 가열하는 활성화라는 공정을 실시해 둘 필요가 있다.

원자 오븐(40)에서는 금속이 히터에 의해 가열되어 고온화되고 원자 증기를 생성한다. 이 과정에서 금속으로부터 튀어 나온 원자 증기는 차례로 미세 구멍을 통과하여 집속되고 병진하여, 원자 빔(42)을 형성한다. 원자 오븐(40)은 원자 빔(42)이 Z축에 평행한 빔축 상에 형성되도록 설치되어 있다. 또한, 원자 오븐(40)에서는, 원자 오븐 본체는 히터에 의해 가열되지만 원자 오븐 본체와, 그것을 지지하는 이음매는 열 절연체를 통하여 단열되고, 또한 물리 패키지에 접속되는 이음매는 원자 오븐용 냉각기(90)에 의해 냉각되어 있으며, 물리 패키지(12)에 고온화의 영향이 미치는 것을 방지 내지는 저감하고 있다.

제만 감속기용 코일(44)은 빔축에 대하여 축 대칭이 되도록 설치되어 있다. 제만 감속기용 코일(44)의 내부에는 제만 감속광빔(82) 및 1축의 MOT광빔(84)이 조사되어 있다. 제만 감속광빔(82)은 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(70)으로부터 입사되고, MOT 장치용 코일(48)보다 빔의 하류에 설치된 광학 미러(74)에 의해 반사된다. 이에 의해, 제만 감속광빔(82)은 원자 빔(42)과 겹치면서 빔축에 거의 평행하게 빔축의 상류를 향한다. 이 과정에서, 자기장의 강도에 비례한 제만 분열에 의한 효과와 도플러 시프트에 의한 효과에 의해, 원자 빔(42) 중의 원자는 제만 감속광을 흡수하고, 감속 방향으로 운동량을 부여받아 감속한다. 제만 감속광은 제만 감속기용 코일(44)의 상류에서 빔축의 곁에 놓인 광학 미러(76)에 의해 반사되어 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(72)으로부터 출사된다. 또한, 제만 감속기용 코일(44)에서는 줄 열이 발생하지만, 제만 감속기용 냉각기(92)에 의한 냉각이 실시되므로 고온화가 방지된다.

충분히 감속된 원자 빔(42)은 제만 감속기용 코일(44)의 최하류측의 MOT 코일과, MOT 장치용 코일(48)에 의해 형성되는 MOT 장치에 이른다. MOT 장치 내에서는 포착 공간(50)을 중심으로 선형적인 공간 구배를 갖는 자기장이 형성되어 있다. 또한, MOT 장치에는 3 축 방향에 있어서 양의 측 및 음의 측으로부터 MOT광이 조사되고 있다.

Z축 방향의 MOT광빔(84)은 Z축의 음의 방향을 향하여 조사되고, 또한 제만 감속광 및 MOT광용 내진공 광학창(72)의 외부에서 반사됨으로써 Z축의 양의 방향을 향해서도 조사된다. 남은 2축의 MOT광빔(86a, 86b)은 MOT광용 내진공 광학창(68)과, 도시를 생략한 광학 미러에 의해 MOT 장치 내에 조사된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 2축은 Z축에 수직이고, 또한 X축과 Y축과 각각 45도를 이루는 2 개의 방향으로 조사된다. 2 개의 MOT광빔(86a, 86b)을 Z축에 수직으로 함으로써, 제만 감속기용 코일(44)과, MOT 장치용 코일(48)의 간격을 좁힐 수 있어, 진공 챔버(20)의 소형화에 기여하고 있다. MOT광빔을 조사하는 방향을 Z축 및 Y축과 각각 45도를 이루는 각도로 설정하는 경우, MOT광빔이 제만 감속기나 저온조와 간섭하지 않도록 빔축 방향의 거리를 크게 취할 필요가 있다. 이 경우에는 MOT광의 2축이 Z축에 수직이었던 경우에 비해 장치의 사이즈가 커진다.

MOT 장치 내에서는 원자 빔은 자기장 구배 때문에, 포착 공간(50)을 중심으로 복원력을 받도록 하여 감속된다. 이에 의해, 원자 집단은 포착 공간(50)에 포착된다. 또한, 포착 공간(50)의 위치의 미세 조정은, 3 축 자기장 보정 코일(96)의 발생 자기장의 오프셋값 조정에 의해 실시할 수 있다. 또한, MOT 장치용 코일(48)에서 발생하는 줄 열은 MOT 장치용 냉각기(94)에 의해 진공 챔버(20) 밖으로 배출된다.

광격자 광빔(80)은 광격자 광용 내진공 광학창(64)으로부터 광격자 광용 내진공 광학창(66)을 향하여 X축 상에 입사된다. X축 상에는 2 개의 광학 미러를 구비하는 광학 공진기(46)가 설치되어 반사를 일으킨다. 이 때문에, X축 상에서는 광학 공진기(46)의 내부에, X축 방향으로 정재파가 연속해 있는 광격자 포텐셜을 형성한다. 원자 집단은 광격자 포텐셜에 포획된다.

광격자는 파장을 약간 변화시킴으로써 X축을 따라 이동시킬 수 있다. 이 이동 광격자에 의한 이동 수단에 의해, 원자 집단은 시계 천이 공간(52)까지 이동된다. 이 결과, 시계 천이 공간(52)은 원자 빔(42)의 빔축으로부터 벗어나므로, 고온의 원자 오븐(40)이 발하는 흑체 복사의 영향을 제거할 수 있다. 또한, 시계 천이 공간(52)은 저온조(54)에 의해 둘러싸여 있고, 주위의 상온의 물질이 발하는 흑체 복사로부터 차폐되어 있다. 일반적으로, 흑체 복사는 물질의 절대 온도의 4승에 비례하므로, 저온조(54)에 의한 저온화는 흑체 복사의 영향 제거에 큰 효과가 있다.

시계 천이 공간(52)에서는 광 주파수를 제어한 레이저광을 원자에 조사하고, 시계 천이(즉 시계의 기준이 되는 원자의 공명 천이)의 고정밀도 분광을 실시하고, 원자 고유 또한 불변인 주파수를 계측한다. 이에 의해, 정확한 원자 시계가 실현된다. 원자 시계의 정밀도를 높이기 위해서는 원자를 둘러싸는 섭동(攝動)을 배제하고 주파수를 정확하게 읽어낼 필요가 있다. 특히 중요한 것은 원자의 열 운동에 의한 도플러 효과가 일으키는 주파수 시프트의 제거이다. 광격자 시계에서는 시계 레이저의 파장에 비해 충분히 작은 공간에, 레이저광의 간섭에 의해 만드는 광격자로 원자를 가둠으로써, 원자의 운동을 동결시킨다. 한편, 광격자 내에서는 광격자를 형성하는 레이저광에 의해 원자의 주파수가 어긋난다. 그래서, 광격자 광빔(80)으로서는, 「마법 파장」 또는 「마법 주파수」라고 불리는 특정의 파장·주파수를 선택함으로써, 광격자가 공명 주파수에 미치는 영향을 제거한다.

시계 천이는 또한 자기장에 의해서도 영향을 받는다. 자기장 중의 원자는 자기장의 강도에 따른 제만 분열을 일으키므로, 시계 천이를 정확하게 계측할 수 없게 된다. 그래서, 시계 천이 공간(52)에서는 자기장을 균일화하고 또한 0이 되도록 자기장의 보정이 실시된다. 우선, 냉동기(58)의 펠티어 소자에 기인하는 누설 자기장은, 누설 자기장의 크기에 따른 보상 자기장을 발생하는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 의해 동적으로 보상된다. 동일하게 하여, 원자 오븐(40)의 히터에 기인하는 누설 자기장은 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)에 의해, 동적으로 보상할 수 있도록 설정되어 있다. 또한, 제만 감속기용 코일(44) 및 MOT 장치용 코일(48)에 대해서는, 시계 천이의 주파수를 계측하는 타이밍에서 전류 신호를 OFF로 하여 통전하지 않고, 자기장의 영향이 미치지 않도록 하고 있다. 시계 천이 공간(52)의 자기장은 또한 3 축 자기장 보정 코일(96)에 의해 보정된다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 각 축의 방향으로 복수 설치되어 있고, 자기장의 균일한 성분뿐만 아니라, 공간적으로 변화되는 성분에 대해서도 제거할 수 있다.

이와 같이 하여, 요란(擾亂)을 제거한 상태에서 원자 집단은 레이저광에 의해 시계 천이를 촉진한다. 시계 천이의 결과 발광하는 광은 광학계 장치에 의해 수광되고, 제어 장치에 의해 분광 처리 등 되어 주파수가 구해진다. 이하에서는 물리 패키지(12)에 대한 실시 형태를 상세하게 설명한다.

(3) 자기장 보정 코일의 형상과 설치 형태

도 5 내지 도 11을 참조하여, 물리 패키지(12)에서의 3 축 자기장 보정 코일(96)에 대하여 설명한다. 여기에서는, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 구리 등의 도선의 주위에 폴리이미드 수지 등으로 절연 처리한 피복 도선을 권회하여 소정의 형상으로 형성하는 것을 상정하고 있다.

도 5는 3 축 자기장 보정 코일(96)의 전체 코일을 도시하는 사시도이다. 또한, 도 6 내지 도 11은 3 축 자기장 보정 코일을 구성하는 개개의 코일을 도시하는 사시도이다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 진공 챔버(20)의 본체부(22)의 내벽 부근에 부착된다. 이 때문에, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하는 대략 원통의 형상으로 형성되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 X축, Y축, Z축의 각 축 방향에 있어서, 각각 제1 코일군과 제2 코일군에 의해 형성되어 있다.

도 6은 X축 방향(1축의 광격자가 형성되는 방향이며, 이동 광격자가 이동하는 방향임)에서의 제1 코일군(120)에 대해서 도시한 도면이다. 제1 코일군(120)은 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여, X축 방향으로 거리 c만큼 이격되어 설치된 2 개의 코일(122, 124)로 이루어진다. 코일(122, 124)은 모두 Y축 방향의 변의 길이가 a, Z축 방향의 변의 길이가 b로 설정된 직사각형으로 형성되어 있다. 또한, 코일(122, 124)은 시계 천이 공간(52)에 대하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있다.

제1 코일군(120)은 중심부의 X축 방향의 자기장을 대략 균일하게 생성할 수 있도록, 코일(122, 124)을 정사각형의 헬름홀츠형의 코일로 형성하고 있다. 정사각형의 헬름홀츠형 코일이란 코일(122, 124)이 a=b의 정사각형으로 형성되고, 또한 c/2a=0.5445 정도인 것을 말한다. 코일(122, 124)은 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘렸을 때에는 X축 방향으로 균일도 높은 자기장을 형성하는 헬름홀츠 코일 페어가 된다. 단, 실시 형태에서는 코일(122, 124)에는 크기 및 방향이 다른 전류를 흘릴 수 있다. 또한, 코일(122, 124)은 a≠b로 한 경우에도 충분히 자기장의 균일성을 높이는 것이 가능하다. a＞b의 경우에는 Z축 방향의 자기장 분포에 비해, Y축 방향의 자기장 분포의 편차가 적어지는 경향에 있고, a＜b의 경우에는 Y축 방향의 자기장 분포에 비해, Z축 방향의 자기장 분포의 편차가 적어지는 경향에 있다. a≠b의 경우에서, c를 최적화한 것을 직사각형의 헬름홀츠형 코일이라고 부르는 것으로 한다. 제1 코일군(120)을 직사각형의 헬름홀츠형 코일로 하는 것도 가능하다.

제1 코일군(120)은 X축 방향의 자기장 성분에 대해서, 그 값과 X축 방향으로의 공간 1계 미분항을 조정하기 위해서 사용된다. 우선, 1) 코일(122, 124)에 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘린 경우에는, 시계 천이 공간(52)에 대하여 X축 방향으로 거의 구배가 없는 균일한 자기장을 생성한다. 한편, 2) 코일(122, 124)에 역방향으로 동일한 크기의 전류를 흘린 경우에는, 시계 천이 공간(52)에 대하여 X축 방향으로 거의 균일한 구배를 갖는 자기장을 형성한다. 그리고, 코일(122, 124)에 흐르는 전류의 크기와 방향을 적당히 변경한 경우에는, 1)과 2)의 선형 결합(線形和)으로 이루어지는 자기장이 형성된다. 이 때문에, 제1 코일군(120)은 시계 천이 공간(52)에서의 X축 방향의 자기장 성분(Bx)에 대해서, 상수항 성분의 보정과, X축 방향의 공간 1계 미분항의 보정을 실시할 수 있다.

도 7은 X축 방향에서의 제2 코일군(130)에 대해서 도시하는 도면이다. 제2 코일군(130)은 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여, X축 방향으로 이격되어 설치된 2 개의 코일(132, 134)로 이루어진다. 코일(132, 134)은 사각형의 코일을 반경(e)이 동일한 원통면을 타도록 곡률을 갖게 하여 변형한 형상으로 형성되어 있고, 중심각은 f, Z축 방향의 높이는 g로 설정되어 있다. 이 원통면은 도 6의 제1 코일군(120)이 고정되는 원통면과 거의 동일한 정도의 반경으로 형성되어 있으므로, e²≒(a/2)²+(c/2)²의 관계에 있다. 또한, 코일(132, 134)은 시계 천이 공간(52)에 대하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있다.

제2 코일군(130)은 헬름홀츠 코일의 형상과는 다른 비헬름홀츠형 코일이다. 제2 코일군의 코일(132, 134)은 전기적으로 접속되어 있고, 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류가 흐른다. 즉, 코일(132, 134)에는 모두 화살표(136) 방향으로 전류가 흘려지거나, 모두 화살표(138)의 방향으로 전류가 흘려진다. 제2 코일군(130)은 비헬름홀츠형 코일이므로, 중심인 시계 천이 공간(52)에서는 헬름홀츠 코일에 준한 균일한 성분에 추가하여, 비균일한 성분도 생성된다. 단, 전류의 크기 및 방향이 동일하므로, 비균일한 성분은 주로 공간 2계 미분항의 성분이 된다. 즉, 제2 코일군(130)은 시계 천이 공간(52)에서의 X축 방향의 자기장 성분(Bx)에 대해서, 상수항 성분의 보정과, X축 방향의 공간 2계 미분항의 보정을 실시할 수 있다.

3 축 자기장 보정 코일(96) 중, X축 방향의 자기장 성분(Bx)에 대해서 제어를 실시하는 것은, 기본적으로는 X축 방향의 제1 코일군(120)과 제2 코일군(130)이다. 그래서, 이들을 총칭하여 X축 자기장 보정 코일이라고 부르는 것으로 한다. 보정을 실시할 때에는 우선 제2 코일군(130)에 의해 X축 방향의 공간 2계 미분항의 값이 제로화된다. 계속해서, 제1 코일군(120)에 의해, X축 방향의 공간 1계 미분항의 값을 제로화함과 함께, X축 방향의 상수항의 값을 제로로 하는 조정을 실시한다.

도 8은 Y축 방향에서의 제1 코일군(140)에 대해서 도시한 도면이다. 제1 코일군(140)은 사각형의 코일이 곡률을 갖도록 변형되어 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하는 반경(h)의 원통면을 타도록 형성되어 있다. 제1 코일군은 코일(143)과 코일(144)로 이루어지는 복합 코일(142)과, 코일(146)과 코일(147)로 이루어지는 복합 코일(145)이 Y축 방향으로 이격되어 설치되어 있다. 코일(143, 144, 146, 147)은 중심각을 i, Z축 방향의 높이를 j로 설정되어 있다. 코일(143, 144)은 서로의 단을 중첩시키거나 또는 인접시켜 형성되어 있다. 동일하게, 코일(146, 147)은 서로의 단을 중첩시키거나 또는 인접시켜 형성되어 있다. 복합 코일(142)과 복합 코일(145)은 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점대칭으로 형성되어 있다. 또한, 코일(143)과 코일(146), 및 코일(144)과 코일(147)도, 각각 시계 천이 공간 (52)을 중심으로 하여 점대칭으로 형성되어 있다.

우선, 3) 코일(143, 144)에 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘린 경우를 생각한다. 이 경우, 중첩 또는 인접시킨 부분의 전류가 상쇄되어 복합 코일(142) 전체가 큰 하나의 코일과 같이 행동한다. 동일하게, 코일(146, 147)에도 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘린 경우에는, 복합 코일(145) 전체가 큰 하나의 코일과 같이 행동한다. 제1 코일군(140)은 복합 코일(142)과 복합 코일(145)이 한 쌍의 헬름홀츠형 코일이 되도록 설정되어 있다. 도 8에 도시한 원통면 상의 헬름홀츠형 코일(즉, 2 개의 사각형의 코일을 구부려 동일한 원통면 상에 배치한 헬름홀츠형 코일)은 중심각이 약 120 도로 설정되어 있는 것을 말한다. Z축 방향의 길이는 특별히 한정되지 않지만, Z축 방향의 길이가 원통의 반경에 비해 길수록, 중심부의 자기장 균일성이 높아지는 것이 알려져 있다. 제1 코일군(140)은 흘리는 전류의 방향 및 크기를 조정함으로써, 중심 부근에서 자기장의 Y축 방향의 성분을 균일화할 수 있다.

다음에, 4) 헬름홀츠 코일을 형성하는 경우의 전류로부터 약간 변경한다. 구체적으로는, 코일(143)과 코일(147)의 전류만을 동일한 방향으로 약간 크게 한다. 이 경우, 자기장의 Y축 방향의 성분이 X축 방향의 공간 1계 미분항의 값을 갖는 것이 된다. 또한, 엄밀하게는 코일(143)과 코일(147)이 만드는 자기장은 X축 방향의 성분도 갖고 있고, 제1 코일군(140)의 조정을 실시하는 경우에는 X축 자기장 보정 코일의 조정도 필요해진다.

도 9는 Y축 방향에서의 제2 코일군(150)에 대해서 도시하는 도면이다. 도 9에 도시된 제2 코일군(150)은 Y축 방향으로 마주보는 한 쌍의 코일(152, 154)로 이루어진다. 코일(152, 154)은 각각 반경 k의 원형 코일에 곡률을 갖게 하고, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하는 반경 l의 원통면 상에 얹힌 형상으로 형성된 비헬름홀츠형의 코일이다. 비헬름홀츠형 코일에서는, 자기장의 공간 2계 미분항의 성분도 형성된다. 그래서, 제2 코일군(150)은 Y축 방향의 자기장 성분(By)에서의 X축 방향의 공간 2계 미분항의 제어에 사용된다.

도 8에 도시된 Y축 방향의 제1 코일군(140)과 도 9에 도시된 Y축 방향의 제2 코일군(150)은 기본적으로는 Y축 방향의 자기장 성분(By)을 보정하는 Y축 자기장 보정 코일을 형성한다. Y축 자기장 보정 코일은, Y축 방향의 자기장 성분(By)의 상수항, X축 방향의 공간 1계 미분항, 및 X축 방향의 공간 2계 미분항을 보정할 수 있다.

도 10은 Z축 방향에서의 제1 코일군(160)을 도시한 도면이다. 제1 코일군(160)은 반경 m의 원형의 복합 코일(162, 165)이 거리 n을 떨어져 대면하여 배치되어 있다. 복합 코일(162, 165)은 중심에 대하여 점대칭 관계에 있다. 또한, 복합 코일(162)은, 반원형의 코일(163, 164)의 서로의 현을 중첩시키거나 또는 인접시킴으로써 형성되어 있다. 반원형 코일(163)은 X축의 양의 측에 배치되고, 반원형 코일(164)은 X축의 음의 측에 배치되어 있다. 동일하게, 복합 코일(165)은 X축의 양의 측에 있는 반원형의 코일(166)과, X축의 음의 측에 있는 반원의 코일(167)을 조합하여 형성되어 있다.

복합 코일(162, 165)은 헬름홀츠형의 코일이 되도록 사이즈 등이 설정되어 있다. 원형의 헬름홀츠 코일은 m=n의 관계에 있다. 복합 코일(162, 165)은 양자에 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘린 경우에, 중심 부근에서의 Z 방향의 자기장의 균일도가 헬름홀츠 코일과 실질적으로 등가가 되는 범위로 설정되어 있다. 단, 복합 코일(162)을 구성하는 코일(163, 164)에서는 전류의 방향 및 크기를 자유롭게 변경할 수 있다. 이 때문에, 도 8에 도시한 Y방향의 제1 코일군(140)과 동일하게 하여, 제1 코일군(160)은 Z방향의 자기장 성분(Bz)의 상수항과, X축 방향의 공간 1계 미분항에 대하여 보정할 수 있다.

도 11은 Z축 방향의 제2 코일군(170)을 도시한 도면이다. 제2 코일군(170)은 반경 p의 원형 코일(172, 174)이 Z축 방향으로 거리 q만큼 이격되어 대면 배치되어 있다. 제2 코일군(170)은 비헬름홀츠형 코일이다. 비헬름홀츠형 코일에서는 균일하지 않은 성분을 갖는다. 이 때문에, Z축 방향의 자기장 성분(Bz)의 X축 방향의 공간 2계 미분항에 대해서 보정할 수 있다.

도 10에 도시된 Z축 방향의 제1 코일군(160)과 도 11에 도시된 Z축 방향의 제2 코일군(170)은, 기본적으로는 Z축 방향의 자기장 성분(Bz)을 보정하는 Z축 자기장 보정 코일을 형성한다. Z축 자기장 보정 코일은 Z축 방향의 자기장 성분(Bz)의 상수항, X축 방향의 공간 1계 미분항 및 X축 방향의 공간 2계 미분항을 보정할 수 있다.

도 5에 도시된 3 축 자기장 보정 코일(96)은 X축 자기장 보정 코일, Y축 자기장 보정 코일 및 Z축 자기장 보정 코일을 조합하여 제어함으로써 형성되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 X축 방향의 자기장 성분(Bx)에 대해서는 상수항, X축 방향의 공간 1계 미분항, X축 방향의 공간 2계 미분항을 보정 가능하다. Y축 방향의 자기장 성분(By)에 대해서는 상수항, X축 방향의 공간 1계 미분항, X축 방향의 공간 2계 미분항을 보정 가능하다. 그리고, Z축 방향의 자기장 성분(Bz)에 대해서는 상수항, X축 방향의 공간 1계 미분항, X축 방향의 공간 2계 미분항을 보정 가능하다.

3 축 자기장 보정 코일(96)에서는, 시계 천이 공간(52)의 자기장의 값을 균일하게 제로로 하는 보정을 실시한다. 시계 천이 공간(52)은 1차원의 광격자에서는, 예를 들면 X축 방향(격자의 방향)으로 10 ㎜, Y축 및 Z축의 방향으로 1~2 ㎜ 정도의 크기로 설정된다. 이 공간을, 예를 들면 자기장의 오차가 3 μG 이내, 1 μG 이내 또는 0.3 μG 이내가 되도록 자기장을 제어한다. 3 축 자기장 보정 코일(96)에서 사용하는 헬름홀츠형 코일 및 비헬름홀츠형 코일은 이 자기장을 형성할 수 있도록 정밀도가 설정된다.

3 축 자기장 보정 코일(96)은 도 4에 도시한 바와 같이, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 점대칭성을 갖는 형상으로 형성되어 있고, 시계 천이 공간(52)의 자기장 보정을 정밀도 좋게 실시하는 것이 가능하다. 그러나, 거시적으로 보면, 포착 공간(50)도 3 축 자기장 보정 코일의 중심 부근에 존재한다. 이 때문에, MOT 장치에 의한 포착 공간(50)의 자기장을 보정하기 위해 이용하는 것도 가능해진다. 즉, MOT 장치를 기동하여 원자 빔(42)으로부터 원자를 포착하는 기간에는, 포착 공간(50)의 자기장 보정을 실시하도록 전류를 제어한다. 그리고, 포착이 끝난 후에는 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48)로의 송전을 정지함과 함께, 시계 천이 공간(52)의 자기장 보정을 실시하도록 하면 된다. 이렇게 함으로써, 포착 공간(50)의 위치를 고정밀도로 조정하여, 효율 좋게 광격자에 원자 집단을 가두는 것이 가능해진다.

도 12는 3 축 자기장 보정 코일(96)을 부착하는 원통형의 홀더(180)를 도시하는 도면이다. 홀더(180)는 원환형 프레임(182, 184) 사이를 8개의 직선형 프레임(186)으로 연결하여 형성되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(96)은 홀더(180)의 내벽 및 외벽에 부착된다. 그리고, 홀더(180)는 진공 챔버(20)의 본체부(22)의 후부 원형벽(28)에 고정된다. 3 축 자기장 보정 코일(96)을 홀더(180)에 부착함으로써, 물리 패키지(12)의 조립 및 유지보수 점검작업이 효율화된다.

홀더(180)는 3 축 자기장 보정 코일(96)이 만드는 자기장에 영향을 주지 않도록 저투자율재(低透磁率材)인 수지, 알루미늄 등을 사용하여 형성된다. 또한, 홀더(180)는 본체부(22)의 원기둥의 중심축과 동축으로 하여, 본체부(22)의 내부에 설치된다. 홀더(180)는 본체부(22)의 내경에 가까운 사이즈로 형성된다. 이 때문에, 3 축 자기장 보정 코일(96) 및 홀더(180)는 본체부(22)의 내부의 공간을 거의 점유하지 않는다. 단, X축 방향의 제1 코일군(120)인 코일(122, 124)에 대해서는 본체부(22)의 내측을 직선적으로 가로질러 부착된다.

홀더(180)는 프레임을 이용하여 성긴 구조로 형성되어 있다. 성긴 구조라는 것은 각 면에 많은 틈이 있는 구조를 말한다. 홀더(180)를 성긴 구조로 함으로써, 경량화되는 이외에, 진공 챔버(20)에 입출사되는 레이저광 등과의 간섭 방지가 용이해진다.

3 축 자기장 보정 코일(96)은 홀더(180)의 내벽 및 외벽에 분산하여 부착하는 대신, 예를 들면 모두 홀더(180)의 내벽에 부착해도 되고, 모두 홀더(180)의 외벽에 부착해도 된다. 이 경우에는, 예를 들면 3 축 자기장 보정 코일(96)을 외벽에 억압하는 원환 형상의 패스너, 또는 내벽에 억압하는 원환 형상의 패스너를 사용하여 간단히 고정하는 것이 가능해진다. 또한, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 홀더(180)를 사용하지 않고, 본체부(22)의 내벽에 고정하는 것도 가능하다.

이상에 도시한 3 축 자기장 보정 코일(96)은 피복 도선을 1 둘레 또는 복수 둘레 권회하여 형성하는 것을 상정했다. 그러나, 3 축 자기장 보정 코일(96)은 일부 또는 전부를, 플렉시블 프린트 기판으로 형성하는 것이 가능하다.

도 13은 평면 상에 전개된 플렉시블 프린트 기판을 도시하는 도면이다. 플렉시블 프린트 기판에는 보정 코일(190)이 형성되어 있다. 보정 코일(190)은 프린트된 구리 등의 전기 전도체로 이루어져 자기장 형성에 참가하는 전류로(192)와, 시트상의 플렉시블한 수지 등으로 형성된 절연부(194)로 이루어져, 플렉시블하게 구부릴 수 있다. 각 전류로(192)는 일단에 집중적으로 설치된 배선로(196)에 접속되어 있다. 배선로(196)도 전기 전도체의 프린트에 의해 형성되어 있다. 배선로는 전류가 왕복하는 페어를 인접 배치하여, 주위에 형성하는 자기장을 상쇄하고 있다. 배선로(196)는 터미널 커넥터(198)에 접속되어 있다.

도 14는 진공 챔버(20)의 본체부(22)에 맞추어, 원통 형상으로 절곡한 보정 코일(190)을 도시한 도면이다. 보정 코일(190)은 2 개의 단이 접속 또는 인접 배치된 경계부(199)를 구비한다. 또한, 도 14에서는 배선로(196)와 터미널 커넥터(198)는 생략하고 있다.

상술한 피복 도선을 권회한 3 축 자기장 보정 코일(96)과 동일하게, 플렉시블 프린트 기판으로 구성하는 3 축 자기장 보정 코일도, 본체부(22)의 원통 형상의 내벽 또는 원통 형상의 홀더(180)에 부착되는 것을 상정하고 있다. 단, 3 축 자기장 보정 코일(96)에서는, 원통면 상에 배치된 전류로 외에, 원통면으로부터 유리된 전류로가 존재했다. 구체적으로는, 도 6에 도시한 X축 방향의 제1 코일군(120)에서의 길이 a의 변과, 도 10에 도시한 Z축 방향에서의 제1 코일군(160)의 직선 부분은, 원통면으로부터 유리되어 있다. 그래서, 이하에서는 3 축 자기장 보정 코일 (96)을 구성하는 전류로 중, 원통면에 배치된 전류로를, 플렉시블 프린트 기판으로 형성하는 예에 대해서 설명한다.

도 15와 도 16은, 도 10에 도시한 Z축 방향에서의 제1 코일군(160)의 원형 부분의 코일을 플렉시블 프린트 기판에 의해 형성하는 예를 도시한 도면이다. 도 15에 도시한 바와 같이, 흑색선의 전류로(202)에 반시계 방향의 전류를 흘리고, 회색선의 전류로(200)에는 전류를 흘리지 않는다. 이 때, 인접하고 서로 반대 방향으로 흐르는 전류는, 서로 상쇄하는 것을 고려하면, 도 16에 도시한 가상적인 전류로(203)에 전류를 흘리는 경우와 등가라고 생각된다.

도 17과 도 18은 도 8에 도시된 Y축 방향에서의 제1 코일군(140)에서의 최외주의 코일을, 플렉시블 프린트 기판에 의해 형성하는 예에 대해서 도시한 도면이다. 도 17에서는 흑색선의 전류로(206)에 반시계 방향의 전류를 흘리고, 회색선의 전류로(204)에는 전류를 흘리지 않는다. 이 때, 인접하고 서로 반대 방향으로 흐르는 전류는 서로 상쇄하는 것을 고려하면, 도 18에 도시한 가상적인 전류로(208)에 전류를 흘리는 경우와 등가라고 생각된다.

이와 같이 하여, 플렉시블 프린트 기판에서는 원통면의 외주를 원통 중심축 둘레에 일주하여 환류하는 전류로, 원통면 내를 원통 중심축을 돌지 않고 환류하는 전류로 등, 다양한 전류로를 형성할 수 있다.

플렉시블 프린트 기판에서는 도 13에 도시한 바와 같이, 전개도에 있어서, 직사각형의 전류로로 이루어지는 패턴을 프린트할 수 있다. 또한, 도 19에 도시한 보정 코일(210)과 같이, 직사각형의 전류로(212)와 원형의 전류로(214)를 포함하는 복합적인 패턴도 프린트할 수 있다. 물리 패키지(12)에서는 진공 챔버(20)의 벽면 부근에는 레이저광의 경로, 내진공 광학창 등이 설치되므로, 원형의 전류로(214)를 설치하여 간섭을 방지하는 것이 유효해진다. 또한, 플렉시블 프린트 기판에서는 도 16, 도 18에 도시한 바와 같이 코일을 형성해도 된다. 또한, 플렉시블 프린트 기판은, 복수매를 겹쳐 이용하는 것이 가능하고, 복수매를 이용하여 3 축 자기장 보정 코일의 일부 또는 전부를 형성할 수 있다.

플렉시블 프린트 기판에서는, 절연부(194)의 수지로부터 미량의 가스가 방출되는 경우가 있다. 그래서, 절연부(194)는 폴리이미드계 수지 등, 가스의 방출량이 적은 재료를 선택한다. 또한, 제조 공정에서는 탈기 처리, 탈포 처리, 세정 처리 등을 실시하는 이외에, 적당한 온도에서의 소출(燒出) 처리를 실시하는 것이 생각된다.

플렉시블 프린트 기판에 의해 형성된 3 축 자기장 보정 코일은 다양한 형태로 진공 챔버(20)에 설치 가능하다. 예를 들면, 3 축 자기장 보정 코일을 원통 형상으로 구부린 상태로 본체부(22)에 내벽면 부근에 설치하고, 3 축 자기장 보정 코일을 본체부(22)에 억압하는 패스너로 고정하는 것을 생각할 수 있다. 또는 홀더(180)에 부착하여 설치해도 된다. 성긴 구조의 홀더(180) 대신에, 전체적으로으로 플렉시블 프린트 기판을 지지할 수 있도록, 면에 구멍이 없는 치밀 구조(密構造)의 홀더를 사용해도 된다.

한편, 원통면으로부터 유리된 전류로에 대해서는, 피복 도선을 이용하여 별도로 형성할 수 있다. 또는 홀더의 구조를 변경함으로써, 원통면으로부터 유리된 전류로에 대해서도, 플렉시블 프린트 기판을 사용하여 형성하는 것이 가능해진다.

플렉시블 프린트 기판을 이용한 3 축 자기장 보정 코일은 피복 도선을 권회한 3 축 자기장 보정 코일(96)에 비해, 진공 챔버(20)로의 장착이 용이해지는 이외에, 제조 재현성이 높음, 제품 수율 향상 등의 이점이 있다.

또한, 3 축 자기장 보정 코일의 코일 형상은, 그 밖에도 다양하게 설정 가능하다. 예를 들면, 3 축의 각각에 있어서, 2 개의 원형 코일의 중간에, 사이즈가 큰 원형 코일을 나열함으로써, 맥스웰형의 3 축 자기장 보정 코일을 형성할 수 있다. 맥스웰형의 3 축 자기장 보정 코일에서는 자기장의 상수항, 공간 1계 미분항 및 공간 2계 미분항의 성분에 대해서 보정을 할 수 있다.

또한, 3 축의 각각에 있어서, 소정의 크기와 간격으로 설치된 큰 한 쌍의 원형 코일의 외측에, 소정의 크기와 간격으로 설치된 작은 원형 코일을 배치함으로써, 테트라형의 축 자기장 보정 코일을 형성할 수 있다. 테트라형의 3 축 자기장 보정 코일에서는 상수항, 공간 1계 미분항, 공간 2계 미분항 및 공간 3계 미분항의 성분의 보정을 실시하는 것이 가능해진다.

이상에 도시한 축 자기장 보정 코일은 전체적으로 구 또는 구를 약간 왜곡한 형상을 갖는다. 이 때문에, 특히 대략 구 형상의 진공 챔버의 내벽 또는 내벽 부근에 부착함으로써, 진공 챔버의 내부 공간을 유효하게 활용하는 것이 가능해진다.

도 20은 도 4에 대응하는 도면으로, 물리 패키지(218)의 외관과 내부를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 4와 동일 또는 대응하는 구성에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 물리 패키지(218)의 진공 챔버(220)는 대략 구 형상의 본체부(222)와, 돌기부(30)에 의해 형성되어 있다.

본체부(222)의 내부에는 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여, 원형 코일에 의해 형성된 3 축 자기장 보정 코일(224)이 설치되어 있다. 도면의 간소화를 위해, 도 20에서는 각 축 방향으로 1 쌍의 헬름홀츠형 코일을 도시하고 있는 데에 지나지 않지만, 실제로는 각 축에는 또한 1 쌍 이상의 비헬름홀츠형의 코일도 설치하는 것을 상정하고 있다. 3 축 자기장 보정 코일(224)의 외연은 거의 구면이 되도록 설정할 수 있다. 이 때문에, 대략 구형의 본체부(222)의 내벽 부근에 설치함으로써, 본체부(222)의 내부 공간에 설치되는 다른 부품과의 간섭을 방지하는 것이 가능해지고, 설계 자유도도 높아진다.

동일하게 하여, 3 축 자기장 보정 코일은 정사각형 코일을 사용하여 구축하는 것도 가능하다. 원형 코일과 동일하게, 1 쌍의 정사각형 코일을 사용한 헬름홀츠형의 3 축 자기장 보정 코일, 3 개의 정사각형 코일을 사용한 맥스웰형의 3 축 자기장 보정 코일, 2 쌍의 정사각형 코일을 사용한 테트라형의 3 축 자기장 보정 코일 등을 채용할 수 있다. 이들 3 축 자기장 보정 코일은 전체적으로 입방체 또는 입방체를 약간 왜곡한 형상을 갖는다. 그래서, 대략 입방체 형상 또는 대략 직방체 형상의 진공 챔버의 내벽 또는 내벽면에 부착함으로써, 진공 챔버의 내부 공간을 유효하게 활용하는 것이 가능해진다.

3 축 자기장 보정 코일은 본체부(22)의 내벽보다 시계 천이 공간(52)에 가까운 위치에 부착하는 것도 가능하다. 도 21은 도 1에 도시한 광학 공진기(46)의 내측 부근을 간략적으로 도시하는 도면이다. 단, 도 21에서는, 도 1의 3 축 자기장 보정 코일(96)을 대신하여, 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48) 사이의 공간에, 입방체형의 3 축 자기장 보정 코일(230)을 설치하고 있다. 3 축 자기장 보정 코일(230)은 저온조(54) 내부의 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여 배치되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(230)은 3 축 방향 모두, 정사각형 코일로 이루어지는 2 쌍의 코일군에 의해 형성되어 있다. 2 쌍의 코일군 중 1 쌍은 헬름홀츠형 코일이고, 다른 1 쌍은 비헬름홀츠형 코일이다. 3 축 자기장 보정 코일(230)은 전류의 크기 및 방향을 특별히 제한하지 않는 경우에는, 공간 3계 미분항까지의 자기장 성분을 보상할 수 있다. 또는, 도 5∼도 11에 도시한 3 축 자기장 보정 코일(96)의 비헬름홀츠형 코일과 같이, 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류를 흘리도록 한 경우에는, 공간 2계 미분항까지의 자기장 성분을 간이하게 보상할 수 있다.

3 축 자기장 보정 코일(230)은 도 5~도 11에 도시된 3 축 자기장 보정 코일 (96)에 비해 매우 소형이고, 또한 시계 천이 공간(52)에 접근하고 있다. 이 때문에, 시계 천이 공간(52)에 형성되는 자기장은 비교적 작은 공간 스케일로 변화되는 것이 된다. 그러나, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 헬름홀츠형 코일에 의해 비교적 넓은 범위에 걸쳐 상수항 성분 및 공간 1계 미분항 성분을 보상할 수 있다. 또한, 비헬름홀츠형의 코일에 의해, 적어도 공간 2계 미분항의 자기장 성분도 보상할 수 있다. 따라서, 시계 천이 공간(52)의 자기장은 충분히 높은 정밀도로 균일하게 제로화된다. 또한, 3 축 자기장 보정 코일(230)은, 시계 천이 공간(52)에 가까운 위치에 있는 점에서, 자기장을 형성하기 위해 흘리는 전류를 매우 작게 하는 것이 가능하여, 전력절감성이 우수하다.

도 22는 도 21의 A 방향에서 본 측면도이다. 도 22에 도시한 바와 같이, 포착 공간(50)에는 Z축에 수직이고, 또한 X축과 Y축과 각각 45도의 각도를 이루는 2 개의 MOT 광빔(86a, 86b)이 조사되어 있다. 또한, 지면에 수직인 방향으로도 MOT 광빔(84)이 조사되고 있다. 이 포착 공간(50) 및 그 주위에 형성되는 구배 자기장을 조정하기 위해, 바이어스 코일(234)이 포착 공간(50)을 중심으로 하여 배치되어 있다. 바이어스 코일(234)은 빔축을 따라 마주보는 1 쌍의 헬름홀츠형의 원형 코일(234a), X축을 따라 마주보는 1 쌍의 헬름홀츠형의 정사각형 코일(234b), 및 Y축을 따라 마주보는 1 쌍의 헬름홀츠형의 정사각형 코일(234c)로 이루어진다. 바이어스 코일(234)은 각 축의 코일에 의해 상수항 성분 또는 공간 1계 미분항의 성분을 조정함으로써, 구배 자기장을 원하는 분포로 보정한다.

포착 공간(50)을 통과하는 X축에는 광격자 광빔(80)이 조사되고 있다. 시계 천이 공간(52)을 포함하는 저온조(54)는, 이 광격자 광빔(80) 상에 설치되어 있다. 그리고, 저온조(54)의 주위에는, 시계 천이 공간(52)을 중심으로 하여, 3 축 자기장 보정 코일(230)이 설치되어 있다. 3 축 자기장 보정 코일(230)은, 면의 법선이 Z축에 평행이 되는 코일군(230b)과, 면의 법선이 Z축에 수직 또한 X축 및 Y축과 45 도의 각도를 이루는 2 개의 코일군(230a, 230c)에 의해 구성되어 있다. 즉, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 X축, Y축, Z축을 따른 입방체 형상을, Z축 둘레에 45도 회전시킨 상태로 배치되어 있다.

3 축 자기장 보정 코일(230)은 MOT 장치를 지지하는 지지 부재인 플랜지(44a, 48a)로 지지되어 있다. 이 때문에, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 MOT 장치의 중심인 포착 공간(50)에 접근하여 배치될 필요가 있다. 한편, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 포착 공간(50)을 통과하는 MOT 광빔(86a, 86b)과의 간섭을 피하도록 배치할 필요가 있다. 그래서, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 Z축과 MOT 광빔(86a, 86b)을 따른 형상으로 배치되어 있다.

3 축 자기장 보정 코일(230)은 각 축 방향 모두 헬름홀츠형의 코일과 비헬름홀츠형 코일을 구비하고 있어, 공간 고계 미분항의 보정을 포함하는 넓은 공간의 자기장 균일화가 가능하다. 이 때문에, 광격자 광빔(80)의 방향인 X축 방향에 대해서도 고정밀도로 자기장을 보정하는 것이 가능해져 있다.

단, 3 축 자기장 보정 코일(230)은 포착 공간(50)을 둘러싸고 있지 않으므로, 포착 공간(50)의 자기장 보정을 실시할 수 없다. 이 때문에, 상술한 바와 같이, 포착 공간(50)에는 구배 자기장을 보정하는 바이어스 코일(234)이 설치되어 있다.

도 20 및 도 21에서는, 정사각형 코일로 이루어지는 3 축 자기장 보정 코일(230)을 예로 들었다. 그러나 예를 들어, 정사각형 코일 대신 원형 코일을 사용하는 등, 다른 형상의 코일을 사용하는 것도 가능하다. 또한 예를 들어, 도 5~도 11에 도시된 원통 형상의 3 축 자기장 보정 코일(96)을 채용해도 된다.

3 축 자기장 보정 코일은 시계 천이 공간(52)에 가까운 위치와, 본체부(22)의 내벽 부근의 양쪽에 설치하는 것도 가능하다. 예를 들면, 본체부(22)의 내벽 부근에는 헬름홀츠형의 코일을 설치하고, 시계 천이 공간(52)에 가까운 위치에는 비헬름홀츠형의 코일을 설치하는 것이 생각된다. 시계 천이 공간(52)에 가까운 위치에 비헬름홀츠형의 코일을 설치함으로써, 큰 곡률을 갖는 자기장의 보정을 용이하게 실시하는 것이 가능해진다.

(4) 자기장 보정 코일의 조정

3 축 자기장 보정 코일에 의한 자기장의 조정에 대하여 설명한다. 자기장의 보정은 시계 천이 공간(52)의 주변에 대해, 정기적인 자기장 분포를 관측하고, 불균일한 자기장 분포가 되어 있으면 이를 상쇄하도록 3 축 자기장 보정 코일(96)의 전류를 조작한다. 자기장 분포의 관찰은 광격자에 갇힌 원자 집단을, 이동 광격자에 의해 이동시킴으로써 실시한다. 이러한 조작에 의해 원자군에 포함되는 개개의 원자가 항상 동일한 제로 자기장 하에 놓이는 상황이 구현화된다.

도 23a와 도 23b는 3 축 자기장 보정 코일의 조정 과정을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 23a에는 이동 광격자에 갇힌 원자 집단(240)을 X축을 따라 이동시키고 있는 상태를 도시하고 있다. 또한, 도 23b는 형광 천이와 시계 천이의 관계에 대해서 도시하고 있다.

도 23a에 도시된 바와 같이, 원자 집단(240)은 X축 방향으로 이어지는 격자 중에, 어느 정도의 공간적인 확산을 갖고 가두어져 있다. 도면 중에서는, 원자 집단(240)이 이동하는 대표적인 X 좌표상의 위치를, 위치 X1, 위치 X2, 위치 X3, 위치 X4, 위치 X5라는 방식으로 나타내고 있다. 이들은 자기장의 보정용으로 설정된 보정용 공간(242) 내에 설정된 위치이다. 보정용 공간(242)은 실제의 계측을 실시하는 시계 천이 공간(52)을 포함하는 넓은 범위로 설정되어 있다. 실시 형태에서는, 광격자가 X축 방향으로 연장되는 1차원의 격자를 채용하고 있고, 원자 집단(240)이 X축 방향으로 확산되어 분포하고 있는 점에서, 특히 X축 방향의 자기장을 높은 정밀도로 균일하게 제로화하는 것을 목표로 하고 있다. 그래서, 보정용 공간 (242)은 X축 방향으로 확산을 갖고 설정되어 있다. 또한, 광격자를 2차원적으로 형성하는 경우에는 시계 천이 공간(52)을 2차원 방향으로 넓힌 보정용 공간을 설정하는 것이 바람직하고, 광격자를 3차원적으로 형성하는 경우에는 시계 천이 공간(52)을 3차원 방향으로 넓힌 보정용 공간을 설정하는 것이 바람직하다.

이동한 보정용 공간(242) 내의 각 위치에 있어서, 시계 천이를 여기하는 레이저광을 원자 집단(240)에 조사하여, 시계 천이를 여기한다. 레이저광의 주파수를 소인(掃引)하여 각 위치에서의 시계 천이의 주파수를 계측한다. 시계 천이의 여기율의 관측에는 일렉트론 쉘빙(Electron shelving)을 이용한다. 일렉트론 쉘빙에서는 시계 천이를 여기후, 원자를 형광 관측 공간(243)으로 이동시킨다. 도 23b에 도시한 바와 같이, 형광 천이의 광을 조사함으로써, 원자는 여기율에 따라 형광(244)을 발광하고, 수광기(246)에 의해 형광이 관측된다. 시계 천이는 각 위치에서의 자기장의 크기에 따라 제만 분열하고 있다. 이 때문에, 제만 분열의 정보로부터 각 위치에서의 자기장 분포가 구해진다. 도 23a의 하부에는 이렇게 하여 구해진 X축상의 주파수 분포를 도시하고 있다. 이 수법에 의해, 형광이 관측할 수 없는 장소(크라이오 헤드 내 등)에서도 자기장을 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 시계 천이의 여기율의 측정에는 일렉트론 쉘빙 이외에, 원자의 위상 시프트의 측정을 이용한 비파괴 측정법 등도 적용 가능하다.

도 24와 도 25는 3 축 자기장 보정 코일에 의한 자기장의 보정 수순을 설명하는 플로우차트이다. 우선, 도 24에 나타내는 수순에 따라 캘리브레이션(calibration)이 실시된다. 캘리브레이션에서는, 3 축 자기장 보정 코일을 구성하는 모든 코일의 전류가 멈추어지고(0A에 세팅됨), 3 축 방향의 자기장의 분포가 계측된다(S10). 이 자기장의 계측은, 예를 들면 소형의 코일, 홀 소자 등의 자기 센서를 이용하여 3 축 방향의 자기장을 계측한다. 계측된 자기장은 3 축 자기장 보정 코일을 사용하지 않는 상태에서의 백그라운드의 값을 나타낸다. 다음에, 모든 코일(n 개로 함)에 대하여 하나씩 동일한 크기의 전류(도 24에서는 1A로 하고 있음)를 흘리고, 3 축 방향의 자기장 분포를 자기장 센서 등에 의해 계측한다(S12~S18). 얻어진 자기장의 분포로부터, 백그라운드의 자기장을 뺌으로써, 각 코일이 1A의 전류로 형성하는 기본 자기장을 구할 수 있다.

이 캘리브레이션에서는 보정용 공간(242)의 자기장을 계측해도 된다. 그러나, 보정용 공간(242)은 저온조(54) 내에 있어, 자기 센서의 설치가 반드시 용이한 것은 아니다. 그래서, 보정용 공간(242)의 근방에서 자기장을 계측하고, 전자계 시뮬레이션의 결과에 맞추어 자기장을 추정하도록 해도 된다. 자기장의 계측은 진공이 아니고, 대기하에서 실시하는 것도 가능하다. 이에 의해, 3 축 자기장 보정 코일의 각 코일이 1A의 전류로 형성하는 기본적인 자기장 분포를 파악하는 것이 가능해진다. 이 캘리브레이션은 원칙적으로 물리 패키지(12)를 작성한 단계에서 한 번 실시하면 충분하다.

다음에, 도 25에 도시된 수순에 따라 자기장의 보정이 실시된다. 우선, 상술한 바와 같이, 원자 집단(240)을 이동 광격자에 의해 이동시키고, 보정용 공간(242)에서의 각 위치에서의 시계 천이의 주파수를 계측한다(S20). 그리고, 제만 분열의 효과를 추정함으로써, 보정용 공간(242)에서의 자기장 분포를 구한다(S22). 이 자기장 분포는 자기장의 절대값으로서 얻어진다.

계속해서, 각 코일이 보정하는 자기장에 대응한 전류를 최소 제곱법 등의 최적화 수법을 이용하여 결정한다(S24). 즉, 각 코일이 형성하는 기본적인 자기장을 중첩시킨 경우에, 보정용 공간(242)에 형성되는 자기장이 균일하게 제로가 되는 중첩의 계수가 구해진다. 또한, 상술한 바와 같이, 헬름홀츠형의 코일과 비헬름홀츠형의 코일 양쪽을 사용하는 경우에는, 우선 비헬름홀츠형의 코일이 생성하는 공간 고계 미분항에 대해서 최소 제곱법 등에 의해 최적인 중첩의 계수를 구한다. 다음에, 헬름홀츠형의 코일이 생성하는 상수항 및 공간 1계 미분항에 대해서, 최소 제곱법 등에 의해 최적의 중첩을 구한다. 이에 의해 계산이 간단화되고 또한, 계산 정밀도가 높아진다. 구해진 중첩의 계수는 개개의 코일에 흘리는 전류의 방향 및 크기가 된다. 구한 전류를 3 축 자기장 보정 코일에 흘림으로써, 3 축의 자기장을 보정할 수 있다(S26).

도 25에 도시한 보정은 자기장이 그다지 변동되지 않는 통상의 조건하에서는 반드시 빈번하게 실시하지 않아도 된다. 예를 들면, 시계 천이 공간(52)에서의 시계 천이의 계측을 반복하는 경우에서, 소정 횟수마다 도 25에 도시한 보정을 실시하면 충분하다. 또한, 시계 천이 공간(52)에서의 시계 천이를 계측한 경우에서, 제만 분열의 크기를 항상 확인하고, 소정 이상의 크기가 된 경우에, 도 25에 나타낸 보정을 실시하는 것도 생각할 수 있다.

3 축 자기장 보정 코일에서의 자기장의 보정을, 보정용 공간(242)의 범위에 대하여 실시한 경우에는, 시계 천이 공간(52)의 범위에 대하여 실시한 경우에 비해, 시계 천이 공간(52)의 자기장의 균일한 제로화를 안정적으로 실시하는 것을 기대할 수 있다. 이것은 예를 들면, 시계 천이 공간(52)과 같이 좁은 공간만을 대상으로 한 경우에는, 자기장의 약간의 요동, 자기장 계측의 오차, 각 코일의 기본 자기장의 오차 등 다양한 미세한 스케일의 혼란의 영향을 받기 때문이라고 생각된다. 실제로 실험적으로는, 보정용 공간(242)을 대상으로 하여 보정을 실시함으로써, 정밀도가 향상되는 결과가 얻어지고 있다.

도 23a 및 도 25에 도시한 예에서는, 이동 광격자를 이용하여, 원자 집단(240)을, 보정용 공간(242)의 각처로 이동시켰다. 이에 대하여, 도 26은 한번에 보정용 공간(242) 내의 자기장 분포를 계측하는 예를 모식적으로 도시한 도면이다.

도 26에서는 보정용 공간(242)의 전역에 걸쳐서, 원자 집단(250)이 광격자에 가두어져 있다. 원자 집단(250)의 형광(252a, 252b, 252c, 252d, 252e)은 CCD 카메라(254)에 의해, 공간 위치 정보를 남긴 채로 한번에 수광되어 주파수가 구해진다. 이에 의해, 바로 보정용 공간(242)의 자기장 분포가 구해진다.

(5) 개별 자기장 보상 코일

상기 (1)에서 설명한 바와 같이, 대전류 디바이스인 펠티어 소자(냉동기(58))에 대해서는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)을 설치하고, 시계 천이 공간(52)의 자기장의 보상을 실시하고 있다. 또한, 원자 오븐(40)의 히터에 대해서는 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일(104)을 설치하고, 시계 천이 공간(52)의 자기장의 보상을 실시하고 있다. 대전류 디바이스로부터의 큰 누설 자기장을 모두 3 축 자기장 보정 코일로 보상하는 경우에는, 3 축 자기장 보정 코일의 고차화, 전류 증대 등이 필요해진다. 그래서, 개별 자기장 보상 코일을 설치하여 자기장을 보상하는 것이 유효해진다. 여기에서는, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)을 예로 들어 상세히 설명한다.

도 27은 저온조(54), 열 링크 부재(56), 냉동기(58) 및 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)의 구성예를 모식적으로 도시한 도면이다. 저온조(54)는 시계 천이 공간(52)을 둘러싸는 중공의 부품이다. 도시를 생략했지만 저온조(54)의 벽부에는, 내부에 광격자 광을 통과시키기 위한 개구부가 X축을 따라 설치되어 있다. 저온조(54)는 열전도성이 높은 무산소 구리 등을 이용하여 만들어져 있다.

저온조(54)에는 열 링크 부재(56)가 부착되어 있다. 열 링크 부재(56)는 저온조(54)를 지지하는 지지 구조와, 저온조(54)로부터 열을 빼앗는 경로를 겸비한 부재이다. 열 링크 부재(56)도 열 전도성이 높은 무산소 구리 등을 사용하여 만들어진다.

냉동기(58)는 펠티어 소자(58a), 방열판(58b), 단열 부재(58c), 퍼멀로이 자기장 실드(58d, 58e)를 구비한다. 펠티어 소자(58a)는 열 링크 부재(56)에 접속되어 있고, 전류를 흐르게 함으로써, 열 링크 부재(56)로부터 열을 빼앗는다. 방열판(58b)은 열전도성이 높은 무산소 구리 등에 의해 만들어진 부재이다. 방열판(58b)은 진공 챔버(20)의 외벽에 설치되어 펠티어 소자(58a)로부터 전달되는 열을, 진공 챔버(20)의 외부에 방출한다.

단열 부재(58c)는 퍼멀로이 자기장 실드(58d)와 열 링크 부재(56)와의 사이의 단열성을 확보한다. 단열 부재(58c)는 열전도성이 낮은 실리카 등의 부재에 의해 만들어져 있고, 또한 퍼멀로이 자기장 실드(58d)와 열 링크 부재(56)와의 접점을 줄이기 위해 구형으로 형성되어 있다. 퍼멀로이 자기장 실드(58e)는 자기장 차폐체이며, 열전도성이 높고 투자율도 높은 퍼멀로이를 사용하여 만들어져 있다. 퍼멀로이 자기장 실드(58e)는 펠티어 소자(58a)와 방열판(58b) 사이에 설치되어 있고, 펠티어 소자(58a)로부터 방열판(58b)으로 열을 전도한다.

저온조(54)에는 열전대, 서미스터 등을 이용한 온도 센서(260)가 설치되어 있고, 계측한 온도 T1을 제어 장치(262)에 입력한다. 또한, 방열판(58b) 또는 그 주변에는 온도 센서(264)가 설치되어 있고, 계측한 온도 T2를 제어 장치(262)에 입력한다.

제어 장치(262)는, 저온조(54)의 온도 T1을 항상 일정한 저온(예를 들면 190K)으로 유지하도록 전류를 제어하고 있다. 제어는, 예를 들면 방열판(58b)의 측의 온도 T2도 고려한 PID(Proportional Integral Differential) 제어에 의해 실시된다. 결정된 전류는 전류로(266)를 통하여 펠티어 소자(58a)로 흘려진다.

펠티어 소자(58a)는 흘리는 전류에 따라 열을 이동시키는 열전 소자이다. 전류가 흘려짐으로써, 펠티어 소자(58a)는, 저온측의 열 링크 부재(56)(그리고 열 링크 부재(56)에 접속된 저온조(54))로부터 열을 빼앗아, 고온측의 퍼멀로이 자기장 실드(58e)(그리고 퍼멀로이 자기장 실드(58e)에 접속된 방열판(58b))으로 열을 방출한다.

펠티어 소자(58a)는, 예를 들면 수 암페어 정도의 큰 전류가 흘려진다. 이 때문에, 큰 자기장을 발생시킨다. 펠티어 소자(58a)는 고투자율재인 퍼멀로이 자기장 실드(58d)와 퍼멀로이 자기장 실드(58e)에 의해 대부분이 덮여 있다. 이 때문에, 발생한 자기장의 많은 부분은 이들 부재의 내부를 흘러, 외부로 누출되지 않는다. 그러나, 열 링크 부재(56)와 펠티어 소자(58a)와의 사이에는, 열전도 효율의 관점에서 자기장 실드를 설치할 수 없다. 이 때문에, 누설 자기장(270)이 발생하고 있다. 누설 자기장(270)은 저온조(54) 내부의 시계 천이 공간(52)에서의 자기장을 흐트러뜨리는 것이 된다.

그래서, 실시 형태에서는 자기장 실드가 불가능한 개구 부위가 되는 열 링크 부재 (56)의 주위에, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)이 설치되어 있다. 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 전류가 흘려진 경우에 보상 자기장(272)을 생성한다.

냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에는 전류로(266)로부터 분기한 전류로(268)에 의해 전류가 흘려진다. 즉, 펠티어 소자(58a)와 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 동일한 전류로에 병렬 접속된 관계에 있다. 펠티어 소자(58a)의 전기 저항과 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)의 전기 저항은 온도에 따라 약간 변화되지만, 계측을 실시하는 온도 환경에서는 어느 쪽도 거의 상수값이라고 간주해도 된다. 따라서, 제어 장치(262)로부터 전류로(266)에 흐르는 전류는 일정한 비율로, 펠티어 소자(58a)와 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 배분된다.

펠티어 소자(58a)에 흘리는 전류가 증가하는 경우에는, 그 전류의 증가분에 비례하여 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 흐르는 전류도 증가한다. 이 때문에, 펠티어 소자(58a)로부터의 누설 자기장(270)이 증대한 경우에는, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)이 생성하는 보상 자기장(272)도 동일한 만큼 증대된다. 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은, 전류로(266)에 어느 크기의 전류가 흘려지는 경우에, 저온조(54) 내부의 시계 천이 공간(52)에서의 누설 자기장(270)을 보상하도록(반대향으로 동일한 크기의 자기장을 생성하도록) 형성되어 있다. 이 때문에, 전류가 변화된 경우에도 자기장을 보상하는 것이 가능하다. 또한, 전류로(266, 268)에도 전류가 흐르지만, 전류로(266, 268)에서는 왕복하는 전류가 근접하여 흘려지므로, 생성되는 자기장은 작고 문제가 되지는 않는다.

전류로(266, 268)의 배치는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 흘리는 전류를 누설 자기장(270)에 따라 동적으로 변화시키는 보상 전류 제어 수단이라고 할 수 있다. 보상 전류 제어 수단은 다른 형태로 구축하는 것도 가능하고, 예를 들면 제어 장치(262)가 연산에 의해 구한 필요한 전류를 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)에 흘리는 형태를 들 수 있다.

도 27에 도시한 예에서는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은, 열 링크 부재(56)의 주위에 권회된 하나의 코일에 의해 형성되는 것으로 했다. 이 구성에서는 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은, 진공 챔버(20)의 벽 근처에 설치되므로, 저온조(54) 부근의 구성이 번잡화되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)의 설치 장소는 특별히 한정는 것은 아니고, 예를 들면 저온조(54)의 근방에 설치하는 것도 가능하다. 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)을 저온조(54)의 근방에 설치하는 경우에는, 냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)의 소형화 및 전력절감화를 도모하는 것이 가능해진다.

냉동기용 개별 자기장 보상 코일(102)은 하나의 코일이 아니라 복수의 코일에 의해 형성되어도 된다. 시계 천이 공간(52)에서의 누설 자기장의 분포가 복잡한 경우에는, 복수의 코일을 사용함으로써 비교적 간단하게 보상할 수 있을 가능성이 있다.

전류 디바이스와, 개별 자기장 보상 코일과, 보상 전류 제어 수단은 자기장 보상 모듈을 구성한다. 자기장 보상 모듈은 정밀한 자기장 보상을 가능하게 하므로, 광격자 시계(10)를 비롯한 각종 디바이스에 적용할 수 있다.

(6) 제만 감속기

도 28은 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48)의 단면도이다. 도시된 제만 감속기용 코일(44)에서는, 빔축과 동축에 배치된 긴 원통 형상의 보빈(280)의 둘레에 코일(282)이 권회되어 있다. 보빈의 중심 부근의 중공 부분은 빔축을 따라 원자빔(42)이 흘려지는 공간이다.

기능적인 관점에서 말하면, 코일(282)의 대부분은 빔축의 상류측으로부터 하류를 향하여 권회수가 거의 점감(漸減)되고 있는 디크리싱형의 제만 코일부(284)로 이루어져 있다. 그리고, 코일(282)의 빔축 방향의 최하류 부근은, 권회수가 많은 MOT 코일부(286)로 이루어져 있다. 제만 코일부(284)와 MOT 코일부(286)의 피복 도선은 연속되어 있고, 또한 제만 코일부(284)가 만드는 자기장은 MOT 코일부(286) 부근까지 확산되고, MOT 코일부(286)가 만드는 자기장은 제만 코일부(284)의 하류측에까지 확산된다. 따라서, 제만 코일부(284)와 MOT 코일부(286)의 경계는 명확하게는 정의할 수 없는 것에 주의 바란다.

보빈(280)의 빔축 상류측에는, 제만 코일부(284)의 최대 반경 부위보다 반경이 큰 원반 형상의 상류 플랜지(288)가 설치되어 있다. 상류 플랜지(288)는 진공 챔버(20)의 돌기부(30)에서의 원통벽(32)에 부착되어 있다. 또한, 상류 플랜지(288)의 전부에는, 도시를 생략한 미러 지지부가 부착되어 있다. 미러 지지부의 선단에는 광학 미러(76)가 부착되어 있다.

보빈(280)의 빔축 하류측에는, MOT 코일부(286)와 동일한 정도의 반경으로 형성된 2 매의 원환 형상의 하류 플랜지(290, 292)가 설치되어 있다. 하류 플랜지(290)는, 빔축 방향으로 비교적 두꺼운 원환 형상으로 형성되어 있고, 제만 코일부(284)와 MOT 코일부(286)의 경계 부근에 설치되어 있다. 하류 플랜지(292)는 빔축 방향으로 비교적 얇은 원환 형상으로 형성되어 있고, MOT 코일부(286)의 하류측에 설치되어 있다. 하류 플랜지(290, 292)는, 상부가 상부 지지 부재(312)에 부착되고, 하부가 하부 지지 부재(314)에 부착된다. 상부 지지 부재(312)와, 하부 지지 부재(314)는 각각 진공 챔버(20)의 본체부(22)에서의 후부 원형벽(28)에 부착되어 있다.

MOT 장치용 코일(48)은 제만 감속기용 코일(44)의 하류측에, 소정의 거리만큼 이격되어 배치되어 있다. MOT 장치용 코일(48)은 빔축에 동축으로 설치된 짧은 원통 형상의 보빈(300)의 둘레에, MOT 코일(302)이 권회되어 있다. 보빈(300)의 빔축 상류측에는 MOT 코일(302)과 동일한 정도의 반경을 갖는 얇은 원환상의 플랜지(304)가 설치되어 있다. 또한, 보빈(300)의 빔축 방향 하류측에는 MOT 코일(302)과 동일한 정도의 반경을 갖는 비교적 두꺼운 원환 형상의 플랜지(306)가 설치되어 있다. 플랜지(304, 306)의 상부는, 상부 지지 부재(312)에 부착되어 고정되어 있다.

제만 감속기용 코일(44)은 보빈(280), 상류 플랜지(288) 및 하류 플랜지(290, 292)가 열전도성이 높고, 저투자율인 구리 등을 이용하여 형성되어 있다. 또한, 보빈(280), 상류 플랜지(288) 및 하류 플랜지(290, 292)는 용접에 의해 고강도로 또한 밀착되어 결합되어 있다.

제만 감속기용 코일(44)에서는 빔축의 상류측에 많은 코일이 권회되어 있고, 하류측에 비해 상류측의 중량이 무겁다. 그래서, 상류 플랜지(288)를 진공 챔버(20)의 돌기부(30)에서의 원통벽(32)에 결합함으로써, 제만 감속기용 코일(44)은 안정적으로 진공 챔버(20) 내부에 배치된다.

또한, 제만 감속기용 코일(44)에서는, 코일(282)에 흐르는 전류에 의해 발열한다. 진공 챔버(20) 내는 진공이므로, 대기 중과 달리, 기체를 통한 열전도는 발생하지 않는다. 이 때문에, 제만 감속기용 코일(44)에서는 흑체 복사에 의한 약간의 냉각 작용도 생성되지만, 주로 코일(282)의 열을, 고체를 통한 열전도에 의해 제거할 필요가 있다. 보빈(280)은 코일(282)과 접촉하고 있고, 코일(282)로부터 열이 효과적으로 전도된다. 또한, 상류 플랜지(288)와, 하류 플랜지(290, 292)도, 코일(282)과의 접촉 면적이 크고, 코일(282)로부터의 열을 빼앗는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상류 플랜지(288)는 돌기부(30)의 원통벽(32)에서 제만 감속기용 냉각기(92)에 접속되어 있다. 제만 감속기용 냉각기(92)는 구리 등으로 만들어진 수냉관 중에 냉각수를 순환함으로써, 상류 플랜지(288)를 냉각한다. 이렇게 하여, 제만 감속기용 코일(44)의 과잉인 고온화가 방지된다.

MOT 장치용 코일(48)의 보빈(300), 플랜지(304, 306)도 열전도성이 높고, 저투자율인 구리 등을 이용하여 형성되어 있다. 또한, 보빈(300), 플랜지(304, 306)는 용접에 의해 고강도로 또한 밀착하여 결합되어 있다. MOT 장치용 코일(48)의 MOT 코일(302)은 제만 감속기용 코일(44)의 코일(282)에 비하여 소형이고 또한 경량이며, MOT 장치용 코일(48) 전체도 경량이다. 이 때문에, MOT 장치용 코일(48)은 플랜지(304, 306)가 고정된 상부 지지 부재(312)를 통하여 후부 원형벽(28)에 안정적으로 부착된다.

또한, MOT 장치용 코일(48)의 MOT 코일(302)에서는, 제만 감속기용 코일 (44)의 코일(282)에 비해 흐르는 전류가 작고 발열량도 작다. 또한, MOT 장치용 코일(48)에서는 MOT 코일(302)의 3방향의 주위를 보빈(300), 플랜지(304, 306)에 의해 둘러싸여 있다. 이 때문에, MOT 코일(302)에서 발생한 열은 상부 지지 부재 (312)를 통하여, MOT 장치용 냉각기(94)에 전달된다. MOT 장치용 냉각기(94)는 수냉 방식을 채용하는 것을 상정하고 있다. 그러나, 제거하는 열량이 작은 경우에는 공냉 방식으로 하는 것도 가능하다.

도 28의 예에서는 코일(282)의 권회수는 대략적으로는 단조롭게 감소하고 있지만, 상세하게는 빔축 방향으로 요철이 형성되어 있다. 요철을 갖게 하는 이유 중 하나는 빔축 상의 특정의 위치에서 원하는 자기장 강도를 얻기 위해서이다. 예를 들어, 원자를 포착하는 포착 공간(50)에서는 자기장을 0으로 할 필요가 있다. 또한, 다른 이유로는 전력절감의 관점에서, 자기장이 불필요한 위치에는 자기장을 발생시키지 않는 구성으로 하고 있는 것을 들 수 있다. 제만 감속기용 코일(44)에서는 원자를 감속하므로, 또는 원자를 구속하기 위해 필요한 자기장을 생성하면 충분하다. 또한, 요철을 갖게 하는 이유로서는 기계적 지지 또는 열적 방열로부터의 요청을 들 수 있다. 권회수가 많아지면 코일의 중량이 증가하므로 지지가 어려워진다. 또한, 코일로부터의 방열량이 증대된다. 이 때문에, 지지에 유리한 부위, 또는 방열 효율이 높은 부위에서 코일의 권회수를 증가시키는 것이 생각된다. 도 28에 도시한 예에서는, 제만 감속기용 코일(44)의 코일(282)은 상류 플랜지(288)와 접촉되는 부위에 있어서 권회수가 많은 상대적으로 볼록한 형상으로 형성되고, 그 하류측은 상대적으로 권회수가 적은 상대적으로 오목한 형상으로 형성되어 있다. 이 때문에, 제만 감속기용 코일(44)의 중심은 상류 플랜지(288) 측으로 이동하고 있어, 상류 플랜지(288)에 의한 고정을 안정화시키고 있다. 또한, 코일(282)과 상류 플랜지(288)의 접촉 면적도 커지므로, 코일(282)로부터 상류 플랜지(288)에 효율적으로 열전도를 실시할 수 있다.

여기에서, 도 29를 참조하여 코일 중의 보이드(void)에 대하여 설명한다. 도 29는 2 개의 제만 코일(320, 330)의 상부에 대한 단면도이다. 제만 코일(320)은, 부위(322)를 포함하여 코일 권회수는 빔축 방향으로 단조 감소하고 있다. 한편, 제만 코일(330)은 보이드라고 불리는 부위(332)에서 국소적으로 권회수가 적다. 그러나, 제만 코일(330)에서는 빔축 방향에서의 부위(332)의 전후에서 권회수가 국소적으로 많이 형성되어 있다. 이 때문에, 제만 코일(330) 전체에 의해 만들어지는 자계의 분포는 제만 코일(320)이 만들어 내는 자계의 분포와 실질적으로 동등해진다.

보이드와 그 주위의 코일 형상을 어떻게 형성하는지는 이론적으로 구할 수 있다. 단위 전류 성분이 발생하는 자기장 분포는 비오 사바르의 법칙에 따른다. 또한, 자기장 분포로부터 전류 분포로의 변환은 디콘볼루션법, 또는 넓게 역문제(逆問題)로서 취급할 수 있다. 역문제에 의해 최소 전류로의 해를 구하는 수법은 예를 들면, Mansfield P, Grannell PK. 저 「NMR diffraction in solids.」J Phys C: Solid State Phys 6: L422-L427 1973년에 기재되어 있다. 그러나, 최소 전류에 구애받지 않으면, 몇 가지 중해(重解)가 존재하는 것은 자명하다. 도 29에서, 원하는 자기장 분포를 만족하는 최소 전류로의 해가 제만 코일(320)이라고 하여, 보이드 주위의 전류 밀도를 증가시킨 제만 코일(330)도 또한, 원하는 자기장 분포를 형성하는 것이 가능해진다.

도 28에 도시한 코일(282)에서는, 코일(282)의 도중에 하류 플랜지(290)가 설치되었다. 이것은 하류 플랜지(290)는, 큰 보이드의 위치에 설치된 것에 상당한다. 그리고, 하류 플랜지(290)의 빔 방향 전후에서는, 하류 플랜지(290)를 설치하지 않는 경우에 비해 권회수를 많게 설정함으로써, 하류 플랜지(290)의 영향을 제거 또는 저감하고 있다.

도 30은 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48)에서의 자기장 분포를 도시한 도면이다. 횡축은 빔축상의 위치를 나타내고 있고, 원점은 포착 공간(50)에 상당한다. 종축은 빔축 상에서의 자기장의 크기를 나타내고 있다. 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48)은 빔축에 대해 대칭으로 형성되어 있으므로, 빔축 상의 자기장은 빔축 방향의 성분만을 갖는다. 빔축 상에는 제만 감속기 용 코일(44)의 코일(282)이 배치되는 위치와, MOT 장치용 코일(48)의 MOT 코일(302)이 배치되는 위치도 도시되어 있다. 그래프 중의 점은 계산에 의해 구한 자기장의 값을 나타내고, 그래프 중의 가는 선은 제만 감속에 의해 포착 공간(50)을 향하여 원자를 감속하는 상에서 이상적인 자기장의 값을 나타내고 있다.

자기장은 코일(282)의 상류측의 단부보다 약간 하류측에서 최대가 된다. 최대값을 취하는 위치보다 약간 상류측에서는 급격하게 자기장의 값이 감소하고, 또한 상류측에서 완만하게 제로에 접근한다. 이상적인 자기장은 코일(282)의 외측에서는 자기장이 0이 되고, 자기장이 외부로 누설되지 않는 분포이다. 그러나, 전류에 의한 자기장의 생성은 공간적으로 확산을 가지므로, 예를 들면 외부 자기장을 보상하는(없애는) 역방향의 코일을 설치하지 않는 경우에는, 코일(282)의 외측의 자기장을 모두 0으로 할 수는 없다.

자기장이 최대값을 취하는 위치보다 하류측에서는 자기장은 단조롭게 감소된다. 코일의 권회수는 상술한 바와 같이 약간의 요철을 갖지만, 주변의 코일의 영향에 의해 제만 감속을 실시하는 상에서 이상적인 단조 감소의 자기장이 만들어져 있다. 이 구배를 갖는 자기장은 제만 감속을 실시하는 상에서의 이상적인 자기장 분포와 거의 일치하고 있고, 원자를 포착 공간(50)을 향해 착실히 감속시킬 수 있는 것을 나타내고 있다.

자기장은 코일(282)의 하류측의 단부보다 자기앞에서 급격히 감소한다. 이 부근에 있는 MOT 코일부(286)는 권회수가 많지만, 또한 하류측에 코일이 존재하지 않는 점에서 자기장의 값이 급속히 감소한다.

자기장은 거의 일정한 기울기로 감소하고, 포착 공간(50)에서 0이 된다. 또한, 자기장은 동일한 기울기로 감소되고, MOT 장치용 코일(48)의 MOT 코일(302)의 부근에서 최소값(음의 값이 최대)이 된다. 이것은 MOT 코일(302)이 코일(282)과는 반대 방향으로 전류를 흘리고 있기 때문이다. 코일(282)의 MOT 코일부(286) 부근으로부터 MOT 코일(302)의 부근는, 근사적으로는 헬름홀츠형의 코일이 형성되어 있다. 이 때문에, MOT 코일(302)에 역방향의 전류를 흘림으로써, 기울기가 일정해지는 자기장을 형성할 수 있다. 또한, 도시를 생략하지만, 빔축에 수직인 방향에도 기울기가 일정해지는 자기장이 형성되어 있다. MOT 장치에서 형성되는 이 구배 자기장 중에는 3 축의 각각으로부터 MOT 광빔이 조사된다. 이에 의해, 원자를 원점인 포착 공간(50)에 포착하는 것이 가능해진다. MOT 코일(302)보다 하류측에서는 자기장은 서서히 0에 접근한다.

이와 같이, 제만 감속기용 코일(44)과 MOT 장치용 코일(48)을 조합하여 설치함으로써, 제만 감속기와 MOT 장치를 따로따로 설치하는 경우에 비해, 빔축 방향의 길이를 단축하는 것이 가능해진다. 또한, 전체의 코일 길이도 짧게 할 수 있으므로, 전력절감화와 발열량 저감을 도모할 수 있다.

또한, 백그라운드의 자기장이 존재하는 경우에는 자기장이 0이 되는 위치가 포착 공간(50)으로부터 어긋난다. 그래서, 원자를 포착하는 과정에서는 3 축 자기장 보정 코일(96), 또는 구배 자기장을 보정하는 바이어스 코일을 조정하여, 포착 공간(50) 부근의 백그라운드의 자기장을 없애는 보상 자기장을 생성할 수 있다.

다음에, 도 31a와 도 31b를 참조하여, 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(340)의 예를 나타낸다. 도 31a는 제만 감속기용 코일(340)을 진공 챔버(20)의 내부에 부착하기 전의 상태를 도시한 단면도이고, 도 31b는 부착 후의 상태를 도시한 단면도이다. 도 31a에 도시한 제만 감속기용 코일(340)의 코일(342)은 빔축의 상류측의 대부분이 제만 코일의 기능을 갖는 제만 코일부(344)로 되어 있다. 또한, 코일(342)의 최하류측은 제만 코일의 기능과 MOT 코일의 기능이 혼재한 MOT 코일부(346)로 되어 있다. 제만 코일부(344)에서는 상류측의 단부로부터 하류측을 향하여, 코일의 권회수가 단조 증가하고 있다. 그리고, 하류측의 단부 부근에서는 요철이 반복된 후, 최하류측에서 권회수가 최대가 된다. 권회수 최대의 부근을 편의적으로 MOT 코일부(346)라고 부르고 있지만, 상술한 바와 같이, 기능적으로는 제만 코일의 역할도 수행하고 있다.

제만 감속기용 코일(340)은 내측에 보빈을 구비하고 있다. 또한, 상류측의 단부에는 플랜지(350)가 설치되고, 하류측의 단부 부근에서는 코일(342)의 도중에 플랜지(352)가 설치되고, 하류의 단부에는 플랜지(354)가 설치되어 있다. 플랜지(350, 352, 354)는 보빈에 용접되어 있다.

최상류의 플랜지(350)에는, 도시를 생략한 미러 지지부가 부착되어 있고, 미러 지지부에는 광학 미러(76)가 고정되어 있다.

하류측의 플랜지(352, 354)는 보빈 이외의 부위에서도 서로 연결되어 강도를 높이고 있다. 플랜지(352)는 얇고 또한 반경이 큰 원반으로 이루어져 있다. 플랜지(352)는 링 형상으로 만들어진 원환 지지부(370)에 부착된다. 원환 지지부(370)의 링은 내부에 냉각수를 흘리는 수냉관(372)을 구비하고 있고, 플랜지(352)를 통하여 코일(342)을 냉각한다. 원환 지지부(370)에는 상부에 좌우 2 개의 빔(374)이 부착되고, 하부에 수냉관을 겸한 좌우 2 개의 빔(376)이 부착되어 있다. 빔(374, 376)은 진공 챔버(20)의 본체부(22)에서의 후방 원형벽(28)에 부착되어 있고, 제만 감속기용 코일(340)을 포함하는 전체를 지지하고 있다. 또한, 빔(374, 376)은 코일(342)의 열을 후부 원형벽(28)에 전달하는 배열 경로로 이루어져 있다. 또한, 빔(376)에 흐르는 냉각수는 냉동기(58)에 있어서의 방열판(58b)에도 순환시킬 수 있다.

이 구성에서는 MOT 장치용 코일(380)은, 별도로 설치된 지지 부재에 의해 후부 원형벽(28)에 부착되는 것을 상정하고 있다. 또한, 제만 감속기용 코일(340)은 위치 결정 기구에 의해, MOT 장치용 코일(380)과 위치 결정되는 것을 상정하고 있다.

도 32는 도 30에 대응하는 도면으로, 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(340)과 MOT 장치용 코일(380)을 사용한 경우의 자기 분포를 도시하고 있다. 자기는 제만 감속기용 코일(340)의 코일(342)보다 하류측으로부터 서서히 증가하여, MOT 코일부(346)의 자기앞 부근에서 최대의 값이 된다. 이 자기의 증가는 제만 감속을 실현하기 위해 필요로 되는 타겟의 곡선과 잘 일치하고 있다. 최대값을 취하는 위치보다 하류측에서 자기는 급속히 감소된다. 그리고, 원점인 포착 공간(50)의 전후에서는 거의 일정한 기울기로 플러스로부터 마이너스로 감소하고 있고, 포착 공간(50)에서 0이 되어 있다. 자기장은 MOT 장치용 코일(380) 부근에서 최소가 되고, 그 후는 서서히 0에 가까워진다.

포착 공간(50)의 전후의 MOT 장치를 구성하는 부위에서는, 도 30의 디크리싱 형의 경우에 비해, 자기장의 기울기가 급격하게 되어 있다. 이는 코일(342)에서의 MOT 코일부(346)의 권회수가 큰 것, 마주보는 MOT 장치용 코일(380)의 코일 권회수도 큰 것 등이 이유이다. 자기장의 기울기를 급하게 함으로써, 빔축 방향으로 짧은 거리에서 원자를 포착할 수 있다.

또한, 도 32에 도시한 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(340)은 도 30의 디크리싱형의 제만 감속기용 코일(44)에 비하여, 빔축 방향의 길이를 단축할 수 있다. 이것은 인크리싱형에서는, 효율적으로 원자를 감속할 수 있기 때문이다. 인크리싱형에서는 디크리싱형에 비해 원자의 감속에 필요한 자기장을 억제할 수 있기 때문에, 전력절감화할 수 있는 이점이 있다.

한편, 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(340)에서는 포착 공간(50)의 측 쪽이 무거우므로, 진공 챔버(20)의 내부에서 지지하는 것이 어려워진다. 또한, 인크리싱형에서는 포착 공간(50)측의 코일 권회수가 많으므로, 진공 챔버(20)의 중앙 부근에서의 발열량이 많아지고, 냉각이 어려워지는 과제가 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 제만 감속기용 코일(340)은 냉각 기능이 탑재된 원환 지지부(370)에 의해, 진공 챔버(20)의 중앙 부근에서 지지되어 있으므로, 이러한 문제는 발생하지 않는다.

도 31a 및 도 31b에 도시한 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(340)의 부착 형태는 일례에 지나지 않고, 다른 형태도 취할 수 있다. 도 33a와 도 33b를 참조하여 변형예에 대해서 설명한다.

도 33a는 제만 감속기용 코일(390)을 진공 챔버(20)의 내부에 부착하기 전의 상태를 도시한 사시도이고, 도 33b는 부착 후의 상태를 도시한 사시도이다. 제만 감속기용 코일(390)의 코일(392)은 제만 감속기용 코일(340)과 동일하게 권회되어 있고, 보빈 및 복수의 플랜지(394, 396, 398)를 구비하는 구성도 거의 동일하다. 단, 제만 감속기용 코일(390)에서는, 빔 방향의 하단 가까이에 설치된 플랜지(396)의 형상이 하반분 정도의 반원 형상으로 이루어져 있다. 또한, 플랜지(396)를 지지하는 부위도 원환를 반으로 한 대략 U자형의 반원환 지지부(400)로 되어 있다. 반원환 지지부(400)에는 수냉관(402)이 설치되어 있다.

도 33a와 도 33b에 도시한 형태에서는 플랜지(396)가 반원 형상이 됨으로써, 냉각수의 순환이 동일한 정도인 경우의 냉각 성능이 약간 저하된다. 한편, 제만 감속기용 코일(390)에서는 플랜지(396)의 상부에 공간이 있으므로, 진공 챔버 (20)의 내부에서 광학 공진기(46)의 측으로부터 원자 오븐(40)의 측으로 액세스하기 쉬워져 있다. 또한, 반원환 지지부(400)의 상부에 공간이 생김으로써, 광학 공진기(46)의 분리 등도 용이해져 있다. 또한, 수냉관의 상하 방향의 거리가 짧아짐으로써, 수냉관 내에서의 대류에 기인한 흐름의 흐트러짐을 방지하기 쉬워져 있다. 또한, 도 33a, 도 33b에 도시한 플랜지(396)에는, 면내에 적절히 구멍부를 설치할 수 있다. 구멍부를 설치하는 경우에는 열전도의 효율은 저하되지만, 경량화가 가능해진다. 동일하게 하여, 도 31a 및 도 31b에 도시된 플랜지(352)에도, 면 내에 구멍부를 설치하는 것이 가능하다.

도 34는 다른 형태에 관한 인크리싱형의 제만 감속기용 코일(410)의 단면도이다. 제만 감속기용 코일(410)에서는, 빔 방향으로 두께가 다른 보빈(412)을 사용하고 있다. 원통 형상의 보빈(412)은 내경은 일정하지만, 외경은 빔 방향의 상류로부터 하류를 향해 계단 형상으로 점감하고 있다. 그리고, 보빈(412)의 주위에 권회된 코일(414)은, 빔축 방향의 하류측일수록 많이 감겨져 있다. 이 때문에, 코일(414)의 외경은 빔 축 방향으로 거의 일정하다.

도 34에 도시한 구성에서는, 보빈(412)의 외경을 크게 함으로써, 보빈(412)과 코일(414)의 접촉 면적이 커지기 때문에, 코일(414)로부터 보빈(412)으로의 열전도 효율이 향상된다. 또한, 보빈(412)의 단차를 이용하여 피복 도선을 권회할 수 있으므로, 코일(414)의 설치가 용이해진다.

또한, 본 실시 형태에 한정되지 않지만, 코일(414)을 구성하는 피복 도선은 단면이 둥근 원선이 아니라, 단면이 방형상인 평각선을 사용함으로써, 보빈(412) 등과의 열전도 효율이 한층 향상된다. 또한, 다음에 도시한 바와 같이, 코일(414)의 주위를 열전도성의 커버로 덮는 경우에는, 코일(414)의 외경이 일정하므로, 커버를 코일(414)에 밀착시켜, 커버를 통한 열의 제거를 실시하는 것이 용이해진다.

지금까지 제만 감속기를 진공 챔버(20)의 내부에 설치하는 예에 대해서 설명해 왔다. 코일에서 발생하는 줄 열을 제거하는 냉각 기구를 설치함으로써, 제만 감속기를 진공 챔버(20) 내에 열적으로 안정시켜 설치할 수 있다. 이하에서는 다른 예로서 코일의 일부 또는 전부를 커버로 밀봉(즉, 캡슐화)하는 예에 대해서 설명한다.

도 35a 및 도 35b는 제만 감속기용 코일(420)과 커버(440)를 도시한 측단면도이다. 도 35a는 제만 감속기용 코일(420)에 커버(440)를 부착하기 전의 상태를 도시한 도면이고, 도 35b는 부착 후의 상태를 도시한 도면이다. 제만 감속기용 코일(420)은 빔축의 방향으로 코일의 권회수가 점감되는 디크리싱형이다.

제만 감속기용 코일(420)의 보빈(422)에는 빔축의 상류측의 단부에 플랜지(424)가 설치되고, 하류측의 도중 위치에도 플랜지(426)가 설치되어 있다. 보빈(422)과 플랜지(424, 426)는 상술한 예와 동일하게 구리 등으로 형성되어 높은 열전도성이 확보되어 있다. 플랜지(424, 426)의 외주에는, 모두 인듐으로 만들어진 시일 부재(428, 430)가 설치되어 있다. 시일 부재(428, 430)는 환상(링 형상이라고도 함)의 비교적 얇은 시트 형상으로 형성되거나, 또는 환상의 비교적 두꺼운 형상으로 형성된다. 인듐은 큰 온도 변화가 있는 경우에도 안정적으로 진공 시일을 가능하게 하는 특징이 있다. 또한, 플랜지(426)에는 내진공 커넥터인 허메틱 커넥터(432)가 설치되어 있다.

보빈(422)에는 플랜지(424)와 플랜지(426) 사이에 코일(434)이 권회되어 있고, 플랜지(426)의 하류측에 코일(436)이 권회되어 있다. 코일(434, 436)은 모두 구리를 수지로 절연한 피복 도선으로 형성되어 있다. 코일(434)과 코일(436)은 허메틱 커넥터(432)를 통해 전기적으로 접속되어 있다.

커버(440)는 원통형으로 형성되어 있다. 커버(440)는 보빈(422), 플랜지(424, 426) 및 코일(434, 436)과 동일한 구리를 사용하여 형성되어 있고, 열팽창에 의한 변형을 억제하고 있다.

커버(440)는 플랜지(424)로부터 플랜지(426)까지를 덮도록 설치된다. 즉, 커버(440)의 상류측 단부의 내주부의 일부는 플랜지(424)의 외주부의 일부를 둘러싸고 있고, 시일 부재(428)로 시일되어 있다. 또한, 커버(440)의 하류측 단부의 내주부의 일부는 플랜지(426)의 외주부의 일부를 둘러싸고 있고, 시일 부재(430)로 시일되어 있다. 커버(440)는 플랜지(424)로부터 플랜지(426)까지의 길이에 대해 플러스의 공차를 갖도록 만들어져 있어, 확실히 양자를 둘러쌀 수 있다.

커버(440)의 내측은 시일 부재(428, 430)가 확실하게 시일을 할 수 있는 것이면, 기압의 설정은 자유롭다. 예를 들어, 대기압의 공기를 봉입해도 되고, 러프 펌핑의 진공으로 할 수도 있다. 러프 펌핑의 진공이라는 것은 터보 펌프 등을 사용하여 희박화한 상태이며, 예를 들면 1 ㎩∼0.1 ㎩ 정도로 설정된다. 커버(440)의 내측을 러프 펌핑의 진공으로 한 경우에는, 진공 챔버(20)를 진공으로 한 상태에서, 커버(440)의 내외부에서의 압력차가 작아지므로, 시일 부재(428, 430)에 의한 시일면의 이탈을 강하게 방지할 수 있다.

커버(440)의 내측에 질소, 헬륨 등의 불활성 가스를 봉입하는 것도 가능하다. 불활성 가스는 코일(434)이 고온화된 경우에, 코일에서 사용되는 수지와의 반응성이 낮은 기체가 선택된다. 불활성 가스의 압력도 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 1 기압이어도 되고, 러프 펌핑의 진공 상태로 해도 된다. 또한, 커버(440)의 내측에는 예를 들면, 발포 우레탄 등의 경량의 수지를 충전하도록 해도 된다. 이 경우에는, 커버(440)의 강도를 높이는 것이 가능해진다.

제만 감속기용 코일(420)은 통전시에는, 줄 열에 의해 고온화된다. 줄 열은 권회수가 적은 코일(436)보다 권회수가 많은 코일(434)에서 많이 발생한다. 이 때문에, 코일(434)은 고온화되는 경향에 있다. 고온화가 진행된 경우, 코일(434)을 구성하는 피복 도선의 수지에 포함되는 미량의 가스가 수지로부터 방출된다(이 가스를 아웃 가스라고 함). 그러나, 제만 감속기용 코일(420)에서는, 코일(434)은 보빈(422), 플랜지(424, 426) 및 커버(440)로 밀폐되어 있고, 아웃 가스가 진공 챔버(20)의 내부로 누출되는 일은 없다. 이 때문에, 아웃 가스에 의한 시계 천이의 오차의 발생이 방지된다. 따라서, 커버(440)로 밀폐된 제만 감속기용 코일(420)은, 진공 중에서 설치할 때의 편리성이 높은 진공 설치용 코일로서 기능한다.

커버(440)는 플랜지(424)와 플랜지(426) 사이의 열전도 매체도 된다. 즉, 플랜지(424)와 플랜지(426) 사이는 보빈(422) 뿐만 아니라 커버(440)에 의해서도 열전도가 실시되므로, 코일(434, 436)의 냉각을 촉진하는 효과도 있다.

이상의 설명에서는, 커버(440)는 플랜지(424, 426)의 외주를 덮는 것으로 하고, 코일(434)에는 접촉되지 않는 것을 상정하였다. 그러나, 커버(440)를 코일(434)의 외표면의 일부 또는 전부에 접촉시키도록 해도 된다. 이 경우에는, 코일(434)로부터의 열은 커버(440)에 직접 열 전도되므로, 방열 효율이 높아진다. 특히, 도 34에 도시한 코일(414)과 같이, 코일(414)의 외경이 일정한 경우에는, 커버(440)의 내주에 밀착시키는 것이 용이해진다. 또한, 커버(440)를 코일(434)의 외표면과 접촉시키는 형상을 형성하는 것이 어려운 경우에는, 커버(440)와 코일(434) 사이에, 열전도성이 있는 부재를 삽입하도록 해도 된다.

도 35a와 도 35b에 도시한 실시 형태에서는, 커버(440)는 코일(434)을 덮고 있지 않다. 이는, 코일(434)의 권회수가 적고, 아웃 가스의 방출 대책을 실시할 필요성이 낮기 때문이다. 또한, 코일(434)은 MOT 장치를 구성하는 MOT 코일부를 포함하는 부분이고, 근방에는 광학 공진기(46) 등이 배치되는 점에서, 코일(434)을 커버로 덮어 대구경화하는 것을 피하고 있다. 그러나, 주위의 장치·부품과의 간섭을 회피 가능하면, 코일(434)을 포함하는 전체를 커버로 덮어 캡슐화하도록 해도 된다.

또한, 도 35a와 도 35b의 예에서는, 디크리싱형의 제만 감속기용 코일(420)을 예로 들었다. 그러나, 인크리싱형의 경우에도, 권회수가 많은 부분을 포함하는 일부 또는 전부를 캡슐화하는 것이 가능하다.

또한, 이상의 설명에서 커버(440)는 인듐의 시일 부재(428, 430)를 사용하여 플랜지(424, 426)와 밀착시켜, 내부를 기밀화하는 것으로 했다. 그러나, 인듐을 대신하여, 다른 재질로 형성된 시일 부재를 사용해도 된다. 시일 부재를 사용한 경우에는, 예를 들어 고정 나사를 이용하여 커버(440)를 플랜지(424, 426)에 착탈하는 것이 가능해진다. 그러나, 예를 들어 커버(440)와 플랜지(424, 426)를 용접, 진공 납땜 등의 반영구적인 밀폐 수법에 의해 밀착시켜 내부를 기밀화하도록 해도 된다.

이상의 설명에서는 광격자 시계를 예로 들었다. 그러나, 본 실시 형태의 각 기술은 당업자라면 광격자 시계 이외에도 적용 가능하다. 구체적으로는, 광격자 시계 이외의 원자 시계, 또는 원자를 사용한 간섭계인 원자 간섭계에도 적용 가능하다. 또한, 본 실시 형태는 원자(이온화된 원자를 포함)에 대한 각종의 양자 정보 처리 디바이스에도 적용 가능하다. 여기에서, 양자 정보 처리 디바이스란, 원자나 광의 양자 상태를 이용하여 계측, 센싱, 정보 처리를 실시하는 장치를 말하며 원자 시계, 원자 간섭계 외에, 자기장계, 전기장계, 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터, 양자 중계기 등을 예시할 수 있다. 양자 정보 처리 디바이스의 물리 패키지에서는 본 실시 형태의 기술을 이용함으로써, 광격자 시계의 물리 패키지와 동일하게, 소형화 또는 가반화를 달성할 수 있다. 또한, 이러한 디바이스에서는 시계 천이 공간은 시계 계측을 목적으로 하는 공간이 아니라, 단순히 시계 천이 분광을 일으키는 공간으로서 취급되는 경우가 있는 데에 주의 바란다.

이들 디바이스에서는 예를 들면, 본 실시 형태에 관한 3 축 자기장 보정 코일을 설치함으로써, 장치의 정밀도 향상을 달성할 수 있을 가능성이 있다. 또한, 본 실시형태에 관한 3 축을 진공 챔버 내에 설치함으로써, 물리 패키지의 소형화, 가반화, 또는 고정밀도화를 실현할 수 있을 가능성이 있다. 또한, 자기장 보상 모듈을 도입함으로써, 자기장 분포를 높은 정밀도로 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 진공 챔버를 이용한 물리 패키지에서 진공 설치용 코일을 설치하는 것이 효과적이다.

이상의 설명에서는 이해를 용이하게 하기 위해 구체적인 형태에 대해서 나타냈다. 그러나, 이들은 실시 형태를 예시하는 것이며, 그 밖에도 다양한 실시 형태를 취하는 것이 가능하다.

이하, 본 실시 형태의 부기를 나타낸다.

(부기 1)

원자가 배치된 시계 천이 공간을 둘러싸는 진공 챔버의 내부에 설치되고, 디바이스용의 전류가 흘려져 누설 자기장을 발생시키는 전류 디바이스와,

상기 전류 디바이스의 근방에 설치되고 코일용의 전류가 흘려지는 보상 코일과,

상기 보상 코일에 흘리는 상기 코일용 전류를 동적으로 변화시켜, 상기 시계 천이 공간에 대한 상기 누설 자기장을 보상하는 제어 수단;

을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기장 보상 모듈.

(부기 2)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈에 있어서,

상기 전류 디바이스는 상기 시계 천이 공간을 소정의 저온으로 유지하는 저온 항온조를 냉각하는 펠티어 소자이고,

상기 제어 수단은 상기 저온 항온조의 온도 또는 상기 펠티어 소자에 흘려지는 디바이스용의 전류에 따라, 상기 코일용의 전류를 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기장 보상 모듈.

(부기 3)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈에 있어서,

상기 전류 디바이스의 주위에는, 고투자율재로 형성된 자기장 차폐체가 설치되고,

상기 보상 코일은 상기 자기장 차폐체로부터 누출되는 상기 누설 자기장에 대하여 보상하는 것을 특징으로 하는 자기장 보상 모듈.

(부기 4)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 디바이스용 전류로부터 상기 코일용 전류를 분배하는 분배 전선을 구비하고, 상기 디바이스용 전류에 따라 상기 코일용 전류를 분배하는 것을 특징으로 하는 자기장 보상 모듈.

(부기 5)

부록 1에 기재된 자기장 보상 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 광격자 시계용 물리 패키지 시스템.

(부기 6)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 시계용 물리 패키지 시스템.

(부기 7)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 간섭계용 물리 패키지 시스템.

(부기 8)

부록 1에 기재된 자기장 보상 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 시스템.

(부기 9)

부기 1에 기재된 자기장 보상 모듈과,

상기 원자를 상기 시계 천이 공간으로 인도하는 제만 감속, 자기 광학 트랩 및 광격자 트랩 중 적어도 하나의 원자 레이저 냉각 기술 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지 시스템.

(부기 10)

진공 챔버와,

통 형상으로 형성되고 통 내에 빔축을 따라 원자 빔이 흘려지는 보빈과, 상기 보빈의 둘레에 권회된 일련의 코일을 구비하고, 상기 통 내에 공간적으로 구배가 형성된 자기장을 형성하는 제만 감속기,

를 구비하며,

상기 보빈에는 빔축 방향의 도중 위치에 있어서 통의 외면이 직경 확대된 플랜지가 설치되고,

상기 일련의 코일은, 상기 플랜지를 가로질러 상기 보빈에 권회되어 있으며,

상기 제만 감속기는, 상기 플랜지를 직접적으로 또는 간접적으로 상기 진공 챔버에 부착되고, 상기 진공 챔버 내에 설치되어 있는,

　것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 11)

부기 10에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 일련의 코일은 상기 원자 빔의 상류측에 비하여 하류측의 권회수가 많은 인크리싱형이며,

상기 플랜지는 상기 보빈의 하류측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 12)

부기 11에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 진공 챔버는 상기 빔축에 평행하게 중심축이 배치된 대략 원통 형상으로 형성되고,

상기 플랜지는 상기 진공 챔버에서의 상기 원자 빔의 하류측의 원통벽에, 지지 부재를 사용하여 간접적으로 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 13)

부기 12에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 플랜지는 대략 원형으로 형성되고,

상기 지지 부재는 상기 플랜지의 외연을 지지하는 대략 원환상의 지지부를 구비하며,

상기 대략 원환상의 지지부에는, 관에 액체 냉매를 흘려 상기 플랜지를 냉각하는 냉각 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 14)

부기 12에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 플랜지는 연직 하방향을 포함하는 방향으로 직경 확대된 대략 부채꼴 형상으로 형성되고,

상기 지지 부재는 상기 플랜지의 외연을 지지하는 대략 U자형의 지지부를 구비하며,

상기 대략 U자형의 지지부에는, 관에 액체 냉매를 흘려 상기 플랜지를 냉각하는 냉각 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 15)

부기 10에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 보빈 및 상기 플랜지는 금속으로 형성되어 있고,

해당 물리 패키지에는 상기 플랜지를 직접적 또는 간접적으로 냉각하는 냉각 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 16)

부기 10에 기재된 물리 패키지에 있어서,

또한, 상기 제만 감속기로부터 상기 원자 빔의 하류측으로 이격한 위치에, 상기 빔축의 둘레에 권회된 상대방 코일을 구비하고,

상기 일련의 코일과 상기 상대방 코일은 상기 일련의 코일과 상기 상대방 코일 사이에 MOT 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 17)

부기 10에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 광격자 시계용 물리 패키지.

(부기 18)

부기 10에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 시계용 물리 패키지.

(부기 19)

부기 10에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 간섭계 용 물리 패키지.

(부기 20)

부기 10에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지.

(부기 21)

진공 챔버 내에 설치되고, 원자 빔이 흘려지는 빔축의 둘레에 권회되어 공간적으로 구배가 형성된 자기장을 형성하는 코일과,

상기 코일의 일부 또는 전부를 기밀하게 둘러싸는 밀폐 부재,

를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 22)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재는 금속에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 23)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재는,

상기 코일의 내주측에 설치되고, 상기 코일이 권회되는 통 형상의 보빈과,

상기 보빈의 통의 외면이 직경 확대되어, 상기 코일에서의 상기 빔축의 방향의 측면을 둘러싸는 2 개의 플랜지와,

상기 2 개의 플랜지 사이에서 상기 코일의 외주측을 둘러싸는 커버,

를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 24)

부기 23에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 커버는 상기 2 개의 플랜지의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 25)

부기 23에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 커버는 상기 코일의 외주측의 일부 또는 전부와 직접적으로 접하고 있거나 또는 상기 밀폐 부재에 의해 둘러싸인 공간에 삽입된 열전도성 부재를 통하여 간접적으로 접하고 있는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 26)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 코일은, 빔축의 방향으로 권회수가 다르고,

상기 밀폐 부재에 의해 둘러싸인 범위에는, 상기 코일에서의 권회수 최대의 부위가 포함되는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 27)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재에 의해 둘러싸인 공간은, 대기중에 비하여 희박하게 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 28)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재에 의해 둘러싸인 공간에는 불활성 가스가 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 29)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재에 의해 둘러싸인 공간에는, 발포성의 수지가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 30)

부기 21에 기재된 광격자 시계의 진공 설치용 코일에 있어서,

상기 밀폐 부재는 내진공 커넥터를 구비하고,

상기 코일에서의 상기 밀폐 부재에 의해 기밀하게 둘러싸이는 부위와 둘러싸이지 않는 부위는, 상기 내진공 커넥터를 통하여 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 진공 설치용 코일.

(부기 31)

부기 21에 기재된 진공 설치용 코일과,

상기 진공 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 32)

부기 31에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 코일은, 상기 원자 빔의 하류측의 권회수가 상대적으로 적은 디크리싱형 코일이며,

해당 물리 패키지는, 상기 디크리싱형 코일로부터 상기 원자 빔의 하류측으로 이격한 위치에, 상기 빔축의 둘레에 권회된 상대방 코일을 구비하고,

상기 디크리싱형 코일과 상기 상대방 코일은, 상기 디크리싱형 코일과 상기 상대방 코일 사이에 MOT 장치용의 구배 자기장을 형성하며,

상기 밀폐 부재는, 상기 코일에서의 상기 빔축의 최상류측을 포함하는 부위를 기밀하게 둘러싸고, 최하류측을 포함하는 부위를 둘러싸지 않는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 33)

부기 31에 기재된 물리 패키지에 있어서,

상기 코일은 상기 원자 빔의 하류측의 권회수가 상대적으로 많은 인크리싱형 코일이며,

해당 물리 패키지는 상기 인크리싱형 코일로부터 상기 원자 빔의 하류측으로 이격한 위치에, 상기 빔축의 둘레에 권회된 상대방 코일을 구비하고,

상기 인크리싱형 코일과 상기 상대방 코일은, 상기 인크리싱형 코일과 상기 상대방 코일 사이에 MOT 장치용의 구배 자기장을 형성하며,

상기 밀폐 부재는 상기 코일에서의 상기 빔축의 최하류측을 포함하는 부위를 기밀하게 둘러싸는 것을 특징으로 하는 물리 패키지.

(부기 34)

부기 31에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 광격자 시계용 물리 패키지.

(부기 35)

부기 31에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 시계용 물리 패키지.

(부기 36)

부기 31에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 간섭계 용 물리 패키지.

(부기 37)

부기 31에 기재된 물리 패키지를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지.

(부기 38)

진공 챔버 내에 설치되어 원자 빔이 흐르는 빔축의 둘레에 권회되어 공간적으로 구배가 형성된 자기장을 형성하는 코일에 대하여, 밀폐를 실시하는 밀폐 부재로서,

상기 코일 측과의 사이를 환상의 시트 형상 또는 두꺼운 형상으로 형성된 인듐으로 시일하여, 상기 코일의 일부 또는 전부를 기밀하게 둘러싸는 것을 특징으로 하는 밀폐 부재.

10: 광격자 시계 12: 물리 패키지
14: 광학계 장치 16: 제어 장치
18: PC 20: 진공 챔버
22: 본체부 24: 원통벽
26: 전부 원형벽 28: 후부 원형벽
30: 돌기부 32: 원통벽
34: 전부 원형벽 38: 다리
40: 원자 오븐 42: 원자 빔
44: 제만 감속기용 코일 44a: 플랜지
46: 광학 공진기 48: MOT 장치용 코일
48a: 플랜지 50: 포착 공간
52: 시계 천이 공간 54: 저온조
56: 열 링크 부재 58: 냉동기
58a: 펠티어 소자 58b: 방열판
58c: 단열 부재 58d, 58e: 퍼멀로이 자기장 실드
60: 진공 펌프 본체 62: 진공 펌프 카트리지
64, 66: 광격자 광용 내진공 광학창 68: MOT 광용 내진공 광학창
70, 72: MOT 광용 내진공 광학창 74, 76: 광학 미러
80: 광격자 광빔 82: 제만 감속광빔
84, 86a, 86b: MOT 광빔 90: 원자 오븐용 냉각기
92: 제만 감속기용 냉각기 94: MOT 장치용 냉각기
96: 3 축 자기장 보정 코일 98: 내진공 전기 커넥터
102: 냉동기용 개별 자기장 보상 코일
104: 원자 오븐용 개별 자기장 보상 코일
120: 제1 코일군 122, 124: 코일
130: 제2 코일군 132, 134: 코일
136, 138: 화살표 140: 제1 코일군
142: 복합 코일 143, 144: 코일
145: 복합 코일 146, 147: 코일
150: 제2 코일군 152, 154: 코일
160: 제1 코일군 162: 복합 코일
163, 164: 코일 165: 복합 코일
166, 167: 코일 170: 제2 코일군
172, 174: 코일 180: 홀더
182, 184, 186: 프레임 190: 보정 코일
192: 전류로 194: 절연부
196: 배선로 198: 터미널 커넥터
199: 경계부
200, 202, 203, 204, 206, 208: 전류로
210: 보정 코일 212, 214: 전류로
218: 물리 패키지 220: 진공 챔버
222: 본체부 224, 230: 3 축 자기장 보정 코일
240: 원자 집단 242: 보정용 공간
243: 형광 관측 공간 244: 형광
246: 수광기 250: 원자 집단
252a, 252b, 252c, 252d, 252e: 형광 254: CCD 카메라
260: 온도 센서 262: 제어 장치
264: 온도 센서 266: 전류로
268: 전류로 270: 누설 자기장
272: 보상 자기장 280: 보빈
282: 코일 284: 제만 코일부
286: MOT 코일부 288: 상류 플랜지
290, 292: 하류 플랜지 300: 보빈
302: MOT 코일 304, 306: 플랜지
312: 상부 지지 부재 314: 하부 지지 부재
320: 제만 코일 322: 부위
330: 제만 코일 332: 부위
340: 제만 감속기용 코일 342: 코일
344: 제만 코일부 346: MOT 코일부
350, 352, 354: 플랜지 370: 원환 지지부
372: 수냉관 374, 376: 빔
380: MOT 장치용 코일 390: 제만 감속기용 코일
392: 코일 394, 396, 398: 플랜지
400: 반원환 지지부 402: 수냉관
410: 제만 감속기용 코일 412: 보빈
414: 코일 420: 제만 감속기용 코일
422: 보빈 424, 426: 플랜지
428, 430: 시일 부재 432: 허메틱 커넥터
434, 436: 코일 440: 커버

Claims (15)

1. 원자가 배치된 시계 천이 공간을 통과하는 제1 축 방향에 대해, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성된 헬름홀츠형의 제1 코일군과;
   상기 제1 축의 방향에 대해서, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제1 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제2 코일군
   을 포함하는 3 축 자기장 보정 코일.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 코일군을 구성하는 각 코일에는 크기 및 방향이 다른 전류를 흘리는 것이 가능한, 3 축 자기장 보정 코일.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 상기 제1 축 둘레의 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류가 흐르는, 3 축 자기장 보정 코일.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 3 축 자기장 보정 코일에는, 상기 제1 축의 방향에 대해, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제1 코일군 및 제2 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제3 코일군이 포함되며,
   제3 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 상기 제1 축의 둘레의 역방향으로 동일한 크기의 전류가 흘려지는, 3 축 자기장 보정 코일.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 3 축 자기장 보정 코일은, 상기 시계 천이 공간을 통과하여 상기 제1 축에 수직인 제2 축의 방향과 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 수직인 제3 축의 방향과의 각각에 대해서,
   상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성된 헬름홀츠형의 제4 코일군과,
   상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되고, 상기 제4 코일군과는 코일 사이즈, 코일 형상, 또는 코일간 거리가 다른 비헬름홀츠형의 제5 코일군
   을 구비하는, 3 축 자기장 보정 코일.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제4 코일군은, 복수의 소형 코일로 이루어지는 2 개의 복합 코일이, 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점대칭인 형상으로 형성되어 있고,
   상기 제4 코일군의 상기 2 개의 복합 코일에 있어서는, 상기 복수의 소형 코일이 상기 제1 축의 방향으로 중심 위치를 어긋나게 하여 배치되어 있으며,
   상기 제4 코일군의 상기 2 개의 복합 코일은, 상기 복수의 소형 코일에 흘리는 전류를 조정한 경우에 헬름홀츠형과 등가가 되는 형상으로 형성되어 있는, 3축 자기장 보정 코일.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제5 코일군을 구성하는 각 코일은 전기적으로 접속되어 있고, 해당 제5 코일군이 나열되는 축 둘레의 동일한 방향으로 동일한 크기의 전류가 흘려지는, 3 축 자기장 보정 코일.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 3 축 자기장 보정 코일은 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축의 방향의 자기장 성분에 대해서, 상기 제1 축의 방향에 있어서의 상수항, 공간 1계 미분항 및 공간 2계 미분항을 보정 가능한 형상으로 형성되어 있는, 3 축 자기장 보정 코일.
9. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일과,
   상기 3 축 자기장 보정 코일에 흘리는 전류를 제어하는 제어 장치
   를 구비하는, 물리 패키지 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    해당 물리 패키지가 구비하는 진공 챔버, 기기 또는 지지 부재에는 상기 시계 천이 공간을 중심으로 하여 점 대칭으로 형성된 부위를 포함하고,
    상기 3 축 자기장 보정 코일의 적어도 일부의 코일은 플렉시블 프린트 기판에 형성되고, 상기 점 대칭으로 형성된 부위에 부착되는, 물리 패키지 시스템.
11. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일을 구비하는, 광격자 시계용 물리 패키지.
12. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일을 구비하는, 원자 시계용 물리 패키지.
13. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일을 구비하는, 원자 간섭계용 물리 패키지.
14. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일을 구비하는, 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지.
15. 제 1 항에 기재된 3 축 자기장 보정 코일과,
    상기 원자를 상기 시계 천이 공간으로 인도하는 제만 감속, 자기 광학 트랩 및 광 격자 트랩의 적어도 하나의 원자 레이저 냉각 기술 장치를 구비하는, 물리 패키지.

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