KR20230167364A - 저속 원자빔 생성 장치, 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

저속 원자빔 생성 장치, 물리 패키지, 광격자 시계용 물리 패키지, 원자 시계용 물리 패키지, 원자 간섭계용 물리 패키지, 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지 및 물리 패키지 시스템 Download PDF

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KR20230167364A KR1020237034052A KR20237034052A KR20230167364A KR 20230167364 A KR20230167364 A KR 20230167364A KR 1020237034052 A KR1020237034052 A KR 1020237034052A KR 20237034052 A KR20237034052 A KR 20237034052A KR 20230167364 A KR20230167364 A KR 20230167364A
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시게노리 츠지
마사오 다카모토
히데토시 가토리
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지올 리미티드
고쿠리쓰 겐큐 가이하쓰 호징 리가가쿠 겐큐소
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Abstract

고온조(116)는 일방단에 설치되어 레이저광(132)을 통과하는 광학창과, 타방단에 설치되어 정점에 개구부(106)를 갖고, 광학창으로부터 입사된 레이저광(132)을 개구부(106) 이외의 부분에서 일방단을 향해 반사하는 직각 원추 미러(102)를 포함하며, 자기장 발생 장치(112)는 직각 원추 미러(102)에 의해 반사된 레이저광이 교차하는 영역에 자기장을 발생시키고, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 개구부(106)에서 자기장 발생 장치(112)가 발생시키는 자기장의 구배를 완화시키는 완화 자기장을 발생시킨다.

Description

저속 원자빔 생성 장치, 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 저속 원자빔 생성 장치, 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 광도파로의 내부에 1차원의 이동 광격자를 형성하는 것이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 실효적 마법 주파수를 설정하는 형태에 대해서 기재되어 있다. 실제로, 스트론튬, 이터븀, 수은, 카드뮴 및 마그네슘 등에서, 마법 파장이 이론적으로 또한 실험적으로 결정되어 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 소형화, 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.
그런데, 최근 레이저광에 의해 절대 영도 부근으로 냉각된 저속 원자를 이용한 원자의 정밀 계측 장치의 연구가 진행되고 있다. 이러한 정밀 계측 장치에서는 고유량으로 효율적으로 저속 원자빔을 생성하는 것이 중요해진다.
저속 원자빔을 생성하는 장치인 저속 원자빔 생성 장치의 이용이 생각되는 장치로서, 상술한 광격자 시계를 들 수 있다. 또한, 극저온까지 냉각된 중성 원자는 최근 양자 계산의 큐비트로서 주목받고 있다. 냉각 원자를 큐비트로서 사용하는 양자 컴퓨터에서는 고체나 액체 중의 전자 스핀이나 핵 스핀 등의 다른 큐비트를 사용하는 경우와 비교하여, 주위 환경의 영향을 받기 어렵다. 그 때문에, 오랜 시간 양자 정보를 유지할 수 있다. 또한, 보즈 응축 기술을 이용하여 큐비트 수를 늘릴 수 있는 등의 이점이 기대되고 있다.
그런데, 최근 원자에 대하여, 복수의 다른 에너지 준위간에 대하여 자기 광학 트랩법(Magneto-Optical Trap: MOT)을 적용하는 것이 시도되고 있다.
비특허문헌 1에는 칼슘(Ca) 원자에 대하여, 기저 상태 1S0에서 여기 상태 1P1로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩과, 1P1로부터 준안정 상태인 3P2로 전이한 원자에 대하여, 3P2에서 3D3로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩을 병용한 실험이 기재되어 있다. 준안정 상태인 3P2 준위에서 3D3 준위로의 전이는 좁은 자연폭을 가지며, 장수명으로 낮은 온도로의 냉각을 기대할 수 있다.
비특허문헌 2에는 이터븀(Yb) 원자에 대하여, 기저 상태 1S0에서 여기 상태 1P1로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩과, 1S0에서 3P1로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩을 병용한 실험이 기재되어 있다. 전자의 전이의 자연폭은 넓고 후자의 전이의 자연폭은 좁으며, 이들을 병용함으로써 단일 전이를 이용하는 경우와 비교하여, 비교적 낮은 자기장 구배로 원자를 포획하는 것이 가능해져, 장치의 단순화 및 저비용화를 기대할 수 있다.
비특허문헌 3에서는 넓은 포획 속도 범위와 낮은 냉각 온도를 달성하는 2단계 냉각에서는, 각각의 자기 광학 트랩의 최적 자기장이 다르므로, 동일한 MOT 장치에 의해 2단계 냉각을 실현하는 것은 곤란한 것이 논의되어 있다.
여기에서, 2 단계 냉각에 대하여 설명한다.
각 준위에 있는 원자를, 자기 광학 트랩에 의해 포획할 때, 포획할 수 있는 원자의 가속도 a0은 단열 조건에 따라 이하에 나타내는 식 (1)과 같이 기술된다.
Δμ는 실효적인 자기 모멘트를 나타내고 dB/dz는 자기 구배를 나타낸다. 포획된 원자의 도플러 온도 TD는 이하에 나타내는 식 (2)와 같이 기술된다.
가속도 a0와 도플러 온도 TD는, 이하에 나타내는 식 (3)과 같이 기술된다.
식 (1)과 식 (3)으로부터, 이하에 나타내는 식 (4)가 유도된다.
원자 냉각이나 원자 포획에 이용하는 전이를 선정하면, 전이의 자연폭(γ)이 결정된다. 그 자연폭으로부터, 식 (2)로부터 도플러 온도 TD가, 식 (3)으로부터 최대 가속도가, 또한 식 (1)로부터 자기장 구배가 일의적으로 부여된다. 예를 들면, 자기장 구배를 크게 하여 감속 거리를 짧게 하고 싶으면, 자연폭이 큰 전이를 사용하게 되고, 그 결과, 도플러 온도는 높아지지 않을 수 없다. 또한, 예를 들어 도플러 온도를 낮게 하고 싶으면, 자연폭이 작은 전이를 사용하게 되어, 자기장 구배는 작아지지 않을 수 없다.
최대 가속도가 전이에 따라 다른 것에 주목하면, 복수의 준위에 대하여 자기 광학 트랩을 적용하면서, 상기 (1)의 내용과 (2)의 내용을 각각 별도의 공간에서 실현하고, 각 원자의 준위에 따른 적절한 자기장 구배를 부여할 수 있으면, 한층 더 냉각된 상태의 원자빔을 효율 좋게 생성하는 것을 기대할 수 있다.
특허문헌 1 : 특허 제6206973호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공표 제2018-510494호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2019-129166호 공보
비특허문헌 1 : J.Grunert et.al "Sub-Doppler magneto-optical trap for calcium" Phys.Rev.A 65(2002)041401 비특허문헌 2 : A.Kawasaki et.al "Two-color magneto-optical trap with small magnetic field for ytterbium" J.Phys.B Mol Opt.Phys.48(2015)155302. 비특허문헌 3 : Hidetoshi Katori. Tetsuya Ido. Yoshitomo Isoya. and Makoto Kuwata-Gonokami. "Magneto-Optical Trapping and Cooling of Strontium Atoms down to the Photon Recoil Temperature".Phys.Rev.Lett.82.1116.1999
상기 비특허문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 종래의 MOT 장치의 구성에서는 2 단계 냉각을 동일한 MOT 장치에 의해 실현하는 것은 곤란했다.
본 발명의 목적은 어느 준위에 있는 원자에 대한 자기 광학 트랩과, 그 준위와는 다른 준위에 있는 원자에 대한 다른 자기 광학 트랩을, 동일한 장치로 실현하는 데에 있다.
본 발명의 일 형태는 원자원과, 일방단에 설치되어 레이저광을 통과하는 광학창과, 타방단에 설치되어 정점에 개구부를 갖고, 상기 광학창으로부터 입사한 레이저광을 상기 개구부 이외의 부분에서 상기 일방단을 향하여 반사하는 미러를 포함하는 고온조와, 상기 고온조를 가열함으로써 상기 원자원으로부터 상기 고온조 내에 원자 기체를 발생시키는 히터와, 상기 미러에 의해 반사된 레이저광이 교차하는 영역에 자기장을 발생시키는 자기장 발생 장치와, 상기 개구부에서, 상기 자기장 발생 장치가 발생시키는 자기장의 구배를 완화시키는 완화 자기장을 발생시키는 자기장 구배 완화 모듈을 포함하고, 레이저광과 자기장에 의해 실현되는 자기 광학 트랩을 이용함으로써 원자 기체로부터 원자빔을 형성하고, 상기 개구부로부터 원자빔을 외부로 출사시키는 것을 특징으로 하는 저속 원자빔 생성 장치이다.
상기의 구성에 따르면, 자기장 발생 장치에 의해 형성된 자기장의 구배가, 개구부에서 자기장 구배 완화 모듈에 의해 완화된다. 이에 의해, 강한 자기장 구배와 약한 자기장 구배가 형성되고, 각각의 자기장 구배에 따라 다른 자기 광학 트랩이 실현된다. 즉, 어느 준위에 있는 원자에 대한 자기 광학 트랩과, 그 준위와는 다른 준위에 있는 원자에 대한 다른 자기 광학 트랩이 실현된다. 상기의 구성에 의하면, 동일한 저속 원자빔 생성 장치에 의해 이를 실현할 수 있다.
상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하는 반헬름홀츠 코일이고, 상기 완화 모듈은 상기 반헬름홀츠 코일과 서로 유사한 형상을 갖고, 상기 반헬름홀츠 코일과는 반대 방향으로 전류가 흐르는 코일이어도 된다.
상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하는 통 형상의 영구 자석이고, 상기 완화 모듈은 상기 통 형상의 영구 자석과 서로 유사한 형상을 가지며, 상기 통 형상의 영구 자석과는 반대 방향으로 착자되어 있어도 된다.
상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하고, 상기 완화 모듈은 소프트 자석으로 이루어지며, 그 내부의 자속을 흡수함으로써 내부의 자기장 구배를 완화해도 된다.
상기 개구부는 레이저광의 축상 이외의 장소에 형성되어 있어도 된다.
상기 원자원은 예를 들면, 스트론튬이나 이터븀이다. 상기의 구성을 사용함으로써, 스트론튬이나 이터븀의 저속 원자빔을 생성하는 것이 가능해진다. 스트론튬이나 이터븀은 일례에 지나지 않고, 실온에서는 포화 증기압이 낮고 충분한 원자 기체가 얻어지지 않는 다른 원소가 사용되어도 된다. 사용되는 원소에 대응하여 히터의 설정 온도를 변경해도 된다. 예를 들면, 사용되는 원소의 원자 기체가 얻어지는 온도에 히터의 설정 온도를 설정함으로써, 이러한 원소에 대하여 충분한 원자 기체를 얻을 수 있다.
상기 고온조는 예를 들면, 2n(n=2 이상의 정수)축 대칭의 직각 원추상의 형상 또는 직각 사각추상의 형상을 갖는다. 즉, 고온조는 원추상의 형상을 가져도 되고, 다각추상의 형상을 가져도 된다.
본 발명의 일 형태는 상기의 저속 원자빔 생성 장치와, 원자가 배치되는 시계 전이 공간을 둘러싸는 진공 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 패키지이다.
본 발명의 일 형태는 이 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광격자 시계용 물리 패키지이다.
본 발명의 일 형태는 이 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 시계용 물리 패키지이다.
본 발명의 일 형태는 이 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 간섭계용 물리 패키지이다.
본 발명의 일 형태는 이 물리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지이다.
본 발명의 일 형태는 이 물리 패키지와, 상기 물리 패키지의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하는 물리 패키지 시스템이다.
본 발명에 의하면, 어느 준위에 있는 원자에 대한 자기 광학 트랩과, 그 준위와는 다른 준위에 있는 원자에 대한 다른 자기 광학 트랩을, 동일한 장치에서 실현하는 데에 있다.
도 1은 실시 형태에 관한 광격자 시계의 전체 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 고온조와 자기장 구배 완화 모듈을 도시하는 사시도이다.
도 5는 고온조와 자기장 구배 완화 모듈을 도시하는 사시도이다.
도 6은 자기장 분포의 계산 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은 자기장 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 8은 자기장 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 에너지 전이를 도시하는 도면이다.
도 11은 제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
<광격자 시계의 구성>
도 1을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치가 사용되는 광격자 시계(10)의 개략 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 광격자 시계(10)의 전체 구성을 도시하는 블럭도이다. 여기에서는, 저속 원자빔 생성 장치가 사용되는 장치의 일례로서 광격자 시계(10)를 예로 들어 설명하지만, 물론 본 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치는 광격자 시계(10) 이외의 장치에 사용되어도 된다.
광격자 시계(10)는 예를 들면, 물리 패키지(12), 광학계 장치(14), 제어 장치(16) 및 PC(Personal Computer)(18)를 포함한다.
물리 패키지(12)는 원자 집단을 포획하여 광격자에 가두고, 시계 전이를 일으키게 하는 장치이다. 광학계 장치(14)는 원자 포획용 레이저 광원, 시계 전이 여기 레이저 광원, 레이저 주파수 제어 장치 등의 광학적 기기를 구비한 장치이다. 광학계 장치(14)는 레이저광을 물리 패키지(12)에 보내는 이외에, 물리 패키지(12)에 있어서 원자 집단이 방출한 형광 신호를 수광하여 전기 신호로 변환하고, 원자의 공명 주파수에 맞도록 레이저 광원에 피드백하는 등의 처리를 실시한다. 제어 장치(16)는 물리 패키지(12) 및 광학계 장치(14)를 제어하는 장치이다. 제어 장치(16)는 예를 들면, 물리 패키지(12)의 동작 제어, 광학계 장치(14)의 동작 제어, 및 계측에 의해 얻어진 시계 전이의 주파수 해석 등의 해석 처리를 실시한다. 물리 패키지(12), 광학계 장치(14) 및 제어 장치(16)가 서로 제휴함으로써 광격자 시계(10)의 기능이 실현된다.
PC(18)는 프로세서와 메모리를 포함하는, 범용적인 컴퓨터이다. 프로세서와 메모리를 포함하는 하드웨어에 의해 소프트웨어가 실행됨으로써, PC(18)의 기능이 실현된다. 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) 전체를 제어해도 된다. 또한, PC(18)는 광격자 시계(10)의 UI(User Interface)를 제공한다. 사용자는 PC(18)를 통하여 광격자 시계(10)의 기동, 시간 계측 및 결과 확인 등을 실시할 수 있다.
또한, 물리 패키지(12)와 물리 패키지(12)의 제어에 필요로 되는 구성을 포함하는 시스템을, 「물리 패키지 시스템」이라고 부르는 경우가 있다. 제어에 필요로 되는 구성은 제어 장치(16) 또는 PC(18)에 포함되어도 되고, 물리 패키지(12)에 포함되어도 된다. 또한, 제어 장치(16)의 기능의 일부 또는 전부가 물리 패키지(12)에 포함되어도 된다.
이하, 본 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
<제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성>
도 2를 참조하여, 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 2는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(100)의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 이하에서는, 저속 원자빔 생성 장치(100)의 길이 방향에 평행한 축을 Z축이라고 칭하는 것으로 한다.
저속 원자빔 생성 장치(100)는 크게 나누어 고온부와 실온부를 포함하고, 국소적으로 구배가 다른 자기장을 형성함으로써, 어느 준위에 있는 원자에 대한 자기 광학 트랩과, 그 준위와는 상이한 준위에 있는 원자에 대한 다른 자기 광학 트랩을 실현하는 장치이다.
고온부는 직각 원추 미러(102), 광학창(104), 개구부(106), 히터(108), 시료(110), 자기장 발생 장치(112), 온도계(114) 및 고온조(116)를 포함한다.
실온부는 플랜지(118), 열복사 실드(120), 단열 지지봉(122), 냉각 필터창(124), 내진공창(126) 및 내진공 전기 커넥터(128)를 포함한다.
고온부는 또한 자기장 구배 완화 모듈(130)을 포함한다.
고온조(116)는 Z축에 대하여 축대칭의 형상을 갖는다. 고온조(116)는 예를 들면, Z축에 대하여 2n(n=2 이상의 정수)축 대칭의 형상을 갖는다. 구체적으로는, 고온조(116)는 2n(n=2 이상의 정수)축 대칭의 직각 원추상의 형상을 갖는다. 고온조(116)는 원통상의 형상을 가져도 되고, 다각추상의 형상을 가져도 된다.
고온조(116)는 원자원이 되는 시료(110)와, 일방단에 설치되어 레이저광을 통과시키는 광학창(104)과, 타방단에 설치된 직각 원추 미러(102)를 포함한다. 고온조(116)의 내부에는 Z축에 대하여 축대칭인 공간이 형성되어 있고, 그 내면에 있어서, 일방단에 설치된 광학창(104)에 대향하도록 직각 원추 미러(102)가 설치되어 있다. 또한, 고온조(116)가 Z축에 대하여 4회 축대칭의 형상을 갖는 경우, 직각 원추 미러(102) 대신에 직각 사각추 미러가 설치된다. 직각 원추 미러(102)는 광학창(104)으로부터 고온조(116)의 내부의 공간 내에 입사된 레이저광(후술하는 레이저광(130))을 광학창(104)을 향하여 반사한다. 또한, 직각 원추 미러(102)의 정점에 개구부(106)가 형성되어 있다. 개구부(106)는 그 정점에 형성된 구멍이다. 정점은 Z축 상에 배치되어 있으므로, 개구부(106)는 Z축 상에 배치된다. 후술하는 바와 같이, 원자빔이 개구부(106)로부터 고온조(116)의 외부로 출사된다.
온도계(114)는 고온조(116)의 측면에 설치되어, 고온조(116)의 온도를 계측한다. 온도계(114)는 예를 들면, 열전대 온도계나 백금 등을 이용한 저항 온도계 등이다.
고온조(116)의 외주면에는 고온조를 가열하는 히터(108)와, 자기장을 발생시키는 자기장 발생 장치(112)가 설치되어 있다. 자기장 발생 장치(112)의 내측에는 자기장 구배 완화 모듈(130)이 설치되어 있다. 자기장 구배 완화 모듈(130)에 대해서는 후에 상세하게 설명한다.
자기장 발생 장치(112)는 자기 광학 트랩(MOT)법을 이용하여 원자를 포획(트랩)하기 위한 자기장을 고온조(116)의 내부에 발생시킨다. 자기장 발생 장치(112)는 고온조(116)의 외주면에 설치되어도 되고, 열복사 실드(120)의 내면에 설치되어도 된다.
자기장 발생 장치(112)는 예를 들면 코일이다. 코일은 예를 들면, Z축에 대하여 축대칭의 형상을 갖고, 그 중심축에 대하여 반대칭으로 전류가 흐르는 반헬름홀츠 코일이다. 코일에 전류를 흐르게 함으로써 균일한 구배 자기장이 형성된다. 큰 구배 자기장을 형성하기 위해서는 예를 들어, 큰 전류를 흐르게 하도록 굵은 직경을 갖는 선을, 많은 권취수로 감을 필요가 있다. 물론, 이 이외의 코일이 사용되어도 된다.
고온조(116)의 설정 온도가 250 ℃ 이하인 경우, 그 온도에 견딜 수 있는 피복 구리선 등이 코일로서 사용된다.
고온조(116)의 설정 온도가 270 ℃ 등과 같이, 고온의 환경에서 저속 원자빔 생성 장치(100)가 사용되는 경우, 예를 들면 피복이 없는 구리선이 코일로서 사용된다. 예를 들면, 알루미나제 세라믹 등에 의해 구성되는 보빈을 사용하고, 인접하는 구리선끼리가 접촉되지 않도록 보빈에 홈을 형성하고, 그 홈을 가이드로 하여 구리선을 보빈에 감는다.
다른 예로서, 자기장 발생 장치(112)는 영구 자석이어도 된다. 영구 자석은 예를 들면, 축대칭의 링 형상을 갖고, 그 중심축에 대하여 반대칭으로 착자된 페어의 영구 자석이다. 다른 예로서, 영구 자석은 고온조(116)를 덮는 축대칭의 원통상의 형상을 갖고, 동경(動徑) 방향으로 착자된 영구 자석이어도 된다. 물론, 이들 이외의 영구 자석이 사용되어도 된다. 영구 자석은 균일한 구배 자기장이 형성된다.
또한, 설정 온도에 비하여 충분히 큰 퀴리 온도를 갖는 영구 자석이 사용된다. 예를 들어, 사마륨 코발트 자석, 알니코 자석, 또는 스트론튬 세라믹 자석 등이 본 실시 형태에 관한 영구 자석으로서 사용된다.
자기장 발생 장치(112)는 직각 원추 미러(102)에 적합한 4 중극 자기장 분포를 형성한다. 고온조(116)는 직각 원추상의 형상 대신 직각 사각추상의 형상을 가져도 된다. 즉, 직각 원추 미러(102) 대신에 직각 사각추 미러를 사용해도 된다.
다른 예로서, 자기장 발생 장치(112)는 고온조(116)의 2n(n=2 이상의 정수) 회전 대칭축을 둘러싸는 측면상(고온조(116)의 외주면 상)에 설치된, 형상이 동일한 2n(n=2 이상의 정수)개의 직사각형형 또는 안장형 코일이어도 된다. 예를 들면, 제어 장치(16)는 2n 회전 대칭축을 끼고 마주하는 코일끼리의 전류를 서로 역방향으로 흐르게 함으로써, 자기장 발생 장치(112)로부터 2차원 4중극 자기장을 발생시킨다.
또 다른 예로서, 자기장 발생 장치(112)는 고온조(116)의 2n 회전 대칭축을 둘러싸는 측면(고온조(116)의 외주면 상)에 설치된, 형상이 동일한 2n 개의 사각 기둥 형상 또는 원호 기둥 형상의 영구 자석(단면이 사각 또는 원호의 형상을 갖는 기둥 형상의 영구 자석)이어도 된다. 영구 자석은 대칭축에 대하여 각도 방향(대칭축을 둘러싸는 둘레 방향)으로 착자된다. 또한, 2n 회전 대칭축을 사이에 두고 마주하는 영구 자석끼리의 착자 방향이 서로 역방향이다. 이에 의해, 4중극 자기장이 형성된다.
히터(108)는 고온조(116)가 설정 온도에 도달하도록 고온조(116)를 가열한다. 예를 들어, 히터(108)는 고온조(116)의 일부 또는 전체를 가열한다. 히터(108)에 의한 가열에 의해, 원자원의 상태가 고상으로부터 기상으로 전이(轉移)되고, 이에 의해 원자 기체가 생성되어, 고온조(116)의 내부의 공간에 방출된다. 또한, 히터(108)의 가열에 의해, 원자 기체가 광학창(104)이나 고온조(116)의 내벽 등에 충돌했을 때에 재응축하는 것을 방지할 수 있다. 원자원의 상태를 고상으로부터 기상으로 전이시키는 역할은 히터(108)뿐만 아니라, 레이저를 이용한 어블레이션에 의해서도 가능하다.
시료(110)는 원자원을 함유하고, 고온조(116)의 내벽의 측면에 설치된 작은 방에 수용된다. 개구부(106)를 통하여 시료(110)를 출입해도 되고, 저속 원자빔 생성 장치를 분해하여 광학창을 분리함으로써 시료(110)를 출입해도 된다.
고온조(116)의 재료는 설정 온도에서 고온조(116)가 원자 기체와 화학 반응하지 않고, 원자 기체와 합금화하지 않는 재료가 사용된다.
고온조(116)의 온도는 시료(110)의 포화 증기압이, 시료(110)가 설치된 환경의 진공도에 비해 충분히 커지고, 고온조(116) 등의 가열되는 부위의 포화 증기압이 충분히 작아지도록 설정된다. 예를 들어, 원자원이 스트론튬(Sr)인 경우, 고온조(116)의 설정 온도는 270 ℃로 설정된다.
직각 원추 미러(102) 및 고온조(116)의 재료는 예를 들면 알루미늄, 알루미늄으로 코팅된 금속, 알루미늄으로 코팅된 절연체, 은, 은으로 코팅된 금속, 은으로 코팅된 절연체, SUS(스테인리스), 또는 광학 다층막 코팅이 이루어진 유리 등이다. 절연체는 예를 들어 세라믹(예를 들어, 고순도 알루미나 등) 또는 유리이다.
직각 원추 미러(102)의 재료는 고온조(116)의 재료와 동일한 재료이어도 되고, 다른 재료이어도 된다. 예를 들어, 직각 원추 미러(102)의 재료가 고온조(116)의 재료와 동일한 경우, 직각 원추 미러(102)로서 기능하는 표면을 기계 연마함으로써, 그 표면을 거울면으로 마무리할 수 있다. 직각 원추 미러(102)의 재료가 고온조(116)의 재료와 다른 경우, 직각 원추 미러(102)로서 기능하는 표면을, 알루미늄 도금이나 은 도금 등에 의해 코팅할 수 있다. 또는, 직각 원추 미러 (102)로서 기능하는 표면을, 광학 다층막 코팅할 수도 있다.
직각 원추 미러(102) 및 고온조(116)의 재료로서 예를 들면, 설정 온도로 가열된 상태에서 증기압이 낮고, 초고진공하에서 방출 가스량이 억제되는 재료가 사용된다. 직각 원추 미러(102) 및 고온조(116)의 재료로서, 설정 온도로 가열된 상태에서, 입사하는 레이저광(후술하는 레이저광(130))에 대하여 직각 원추 미러(102)가 충분한 반사율을 갖고, 또한 직각 원추 미러(102)의 표면이 원자 기체와 화학 반응하지 않고, 원자 기체와 합금화되지 않고, 충분한 반사율을 유지할 수 있는 재료가 사용되어도 된다. 또한, 직각 원추 미러(102)의 표면 거칠기가, 입사되는 레이저광의 파장에 대하여 충분히 작아지도록 직각 원추 미러(102)의 표면이 연마된다.
광학창(104)의 재료로서, 설정 온도에서 투과성을 유지하는 재료(예를 들면, 사파이어)가 사용된다. 사파이어로 이루어지는 광학창(104) 상에, 설정 온도에서 투과성을 유지할 수 있는 막이 형성되어도 된다. 예를 들어, 전자빔 증착법을 이용함으로써, 광학창(104) 상에 산화티탄 합금/실리카계 다층 적층막이 형성되어도 된다.
열복사 실드(120)는 저속 원자빔 생성 장치(100)의 주변에 배치된 부품으로의 열 방사를 방지하기 위해 설치된다. 열복사 실드(120)는 히터(108), 자기장 발생 장치(112) 및 고온조(116)를 덮도록 설치된다. 즉, 히터(108), 자기장 발생 장치(112) 및 고온조(116)는 열복사 실드(120)에 의해 둘러싸인 공간 내에 배치된다. 예를 들면, 표면의 복사율이 낮은 재료(예를 들면, 거울면 마무리의 알루미늄, 거울면 마무리의 스테인리스)가 사용된다. 또한, 복수매의 열복사 실드(120)를 겹쳐 설치해도 된다. 예를 들어, 이중 시트가 사용되는 경우, 외측의 시트를 퍼멀로이와 같은 높은 투자율을 갖는 물질에 의해 구성함으로써, 열복사 실드와 전자 실드를 겸할 수 있다.
Z축 상에 광학창(104), 냉각 필터창(124) 및 내진공창(126)의 순서로, 각 창이 배치되어 있다. 광학창(104)은 직각 원추 미러(102)에 대향하여 고온조(116)의 일방단에 설치된다.
내진공창(126)의 재료는 예를 들면, 파이렉스(등록상표) 유리나 석영 유리 등이다. 또한, 내진공창(126)의 표면에 반사방지코팅 등의 투과성을 유지할 수 있는 막이 설치되어도 된다.
냉각 필터창(124)은 고온부로부터의 복사 스펙트럼의 중심 파장에서의 반사율을 높이는 코팅이 실시되고, 광학창(104)과 내진공창(126) 사이에서 광학창(104)에 입사하는 레이저광의 광로상에 설치되어, 광학창(104)으로부터 내진공창(126)으로의 열의 유입을 방지한다. 또한, [광학창(104)에 입사하는 레이저광에 대한] 반사 방지 코팅이 냉각 필터창(124)에 실시되어도 된다. 냉각 필터창(124)의 재료는 예를 들어 내진공창(126)와 동일한 재료이다. 또한, 냉각 필터창(124) 대신, 열선 차단 필터가 사용되어도 된다.
단열 지지봉(122)은 고온조(116)로부터 플랜지(118)에 걸쳐서 설치되어 있다. 단열 지지봉(122)의 재료로서, 고온부로부터 실온부로의 열의 유출을 방지하고, 고온부의 히터의 열효율을 향상시키고, 실온부 온도의 안정성을 유지하기 위해서, 열전도도가 낮은 재료가 사용된다. 예를 들면, 마그네시아나 스테아타이트 세라믹 등이, 단열 지지봉(122)의 재료로서 사용된다.
내진공 전기 커넥터(128)는 진공의 공간과 대기의 공간 사이에서 전기 신호를 송수신하기 위한 허메틱 커넥터이다. 내진공 전기 커넥터(128)는 예를 들면, 온도계(114)의 신호의 입출력, 히터(108)에의 전류의 공급, 및 자기장 발생 장치(112)에의 전류의 공급 등에 사용된다. 또한, 설명의 편의상, 도 2에는 배선은 도시되어 있지 않다.
플랜지(118)는 저속 원자빔 생성 장치(100)를, 광격자 시계(10) 등의 원자 시계 장치나 원자 간섭계 장치 등의 물리 패키지, 또는 원자를 큐비트로서 사용하는 양자 컴퓨터 장치의 물리 패키지에 부착하기 위한 부재이다. 물리 패키지는 진공 용기를 포함하고, 저속 원자빔 생성 장치(100)의 고온조(116)는 초고진공의 환경하에서 사용되고, 고온조(116)의 내부는 초고진공으로 유지된다. 그 때문에, 플랜지(118)는 예를 들어, 메탈 가스켓 방식 등과 같이 진공을 봉하기 위한 시일 기구를 갖는다. 또한, 열이 고온부로부터 플랜지(118)로 전달될 가능성이 있다. 이에 대처하기 위해, 플랜지(118)에 수냉 기구를 설치해도 된다.
이하, 자기장 구배 완화 모듈(130)에 대하여 설명한다. 자기장 구배 완화 모듈(130)은 자기장 발생 장치(112)보다 내측의 위치(즉, 자기장 발생 장치(112)보다 개구부(106)에 가까운 위치), 또한 Z축 방향에 있어서 자기장 발생 장치(112)보다 좁은 범위에 설치되고, 개구부(106) 및 그 주변에서, 자기장 발생 장치(112)가 발생시키는 자기장의 구배를 완화시킨다. 또한, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 고온조(116)로 둘러싸인 영역, 즉 직각 원추 미러(102)가 형성되어 있는 영역에는 배치되지 않고, 고온조(116)에 배치되어 있다. 이렇게 함으로써, 레이저광(132)은 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 차단되지 않고 직각 원추 미러(102)에 입사하고 직각 원추 미러(102)에 의해 반사된다.
고온조(116)의 내부에는 Z축에 대하여 축대칭인 공간이 형성되어 있다. 도 2에 도시된 예에서는 파선으로 도시된 영역 A, B가 형성되어 있다. 영역 A, B는 고온조(116)에 의해 둘러싸인 영역이다. 영역 B는 영역 A보다 개구부(106)에 가까운 영역이고, 영역 A는 영역 B보다 개구부(106)로부터 떨어진 영역이다.
자기장 발생 장치(112)는 고온조(116)의 내부의 공간(즉, 영역 A, B를 포함하는 공간)에 가능한 균일한 자기장 구배를 형성하도록 설계되어 있다. 자기장 구배 완화 모듈(130)은 영역 A에는 자기장의 영향을 주지 않고, 영역 B에 국소적으로 자기장 구배를 형성하도록 설계되어 있다. 즉, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 자기장 발생 장치(112)에 의해 자기장이 형성되는, 영역 A, B를 포함하는 전체의 영역보다 좁고, 그 전체 영역의 내측의 영역 B에 자기장 구배를 형성하도록 설계된다. 예를 들어, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 Z축을 축 중심으로 하여 개구부(106)의 주위에 설치되어 영역 B에 자기장 구배를 형성한다.
자기장 구배 완화 모듈(130)은 예를 들면, 자기장 발생 장치(112)와 유사한 형상을 갖고, 자기장 발생 장치(112)에 의해 형성되는 자극과 반대의 부호를 갖는 자극을 실현하도록 설계된다.
예를 들어, 자기장 발생 장치(112)가 Z축을 축 중심으로 한 반헬름홀츠 코일인 경우, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 그 반헬름홀츠 코일과 유사한 형상을 갖는 반헬름홀츠 코일이며, Z축을 축 중심으로 하여 개구부(106) 주위에 설치된다. 자기장 발생 장치(112)의 반헬름홀츠 코일과 자기장 구배 완화 모듈(130)의 반헬름홀츠 코일에 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 각 코일에 흐르는 전류의 방향이 설정된다. 즉, 자기장 구배 완화 모듈(130)의 반헬름홀츠 코일에, 자기장 발생 장치(112)의 반헬름홀츠 코일에 흐르는 전류의 방향과는 반대 방향으로 전류가 흐르도록 각 코일의 전류의 방향이 설정된다.
다른 예로서, 자기장 발생 장치(112)가 동경 방향으로 착자된 통 형상의 영구 자석인 경우, 자기장 구배 완화 모듈(130)은 그 통 형상의 영구 자석과 서로 유사한 형상을 갖는 통 형상의 영구 자석이며, 자기장 발생 장치(112)의 영구 자석과는 반대 방향으로 착자된 영구 자석이다.
또 다른 예로서, 자기장 구배 완화 모듈은 퍼멀로이 등의 투자율이 높은 소프트 자석이다. 도 3에는 소프트 자석이 사용되는 저속 원자빔 생성 장치가 도시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 자기장 구배 완화 모듈(130a)은 소프트 자석이다. 투자율이 높은 소프트 자석은 그 주변의 자속을 흡수한다. 흡수된 부분의 자속은 완화되는 것이 된다. 예를 들면, 자기장 구배 완화 모듈(130a)은 환상의 소프트 자석으로 이루어지고, 자기장 발생 장치(112)가 형성하는 4중극 자기장의 중심에 대하여, 그 반경과 동일한 정도의 거리만큼 떨어져 배치된다. 환상의 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈은, 그 축이 자기장 발생 장치(112)의 중심축에 평행이고, 또한 서로의 중심점이 일치하도록 배치되어도 된다.
도 4에는, 자기장 구배 완화 모듈을 고온조(116)에 부착하는 구체예가 나타나 있다. 도 4는 고온조(116) 및 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130a)을 도시하는 사시도이다. 고온조(116)에는 개구부(106) 주위에 개구부(106)를 둘러싸는 홈(116a)이 형성되어 있다. 그 홈(116a)에, 링 형상의 자기장 구배 완화 모듈(130a)이 끼워 넣어진다. 링 형상의 영구 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130)이 홈(116a)에 끼워 넣어져도 된다.
도 5에는 다른 구체예가 도시되어 있다. 도 5는 고온조(116) 및 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130a)을 도시하는 사시도이다. 고온조(116)에는, 개구부(106)의 주위에 개구부(106)를 둘러싸는 돌기부(116b)가 형성되어 있다. 그 돌기부(116b)에, 링 형상의 자기장 구배 완화 모듈(130a)이 끼워 넣어진다. 링 형상의 영구 자석으로 이루어진 자기장 구배 완화 모듈(130)이 돌기부(116b)에 끼워 넣어져도 된다.
도 6에는 자기장 발생 장치(112) 및 자기장 구배 완화 모듈(130)이 형성하는 자기장 분포의 계산 결과가 도시되어 있다. 계산 결과 A1, A2는 자기장 발생 장치(112)가 형성하는 자기장 분포의 계산 결과이다. 계산 결과(B1, B2)는, 나열된 링 형상의 2 개의 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130)을 이용한 경우의 계산 결과로서, 자기장 발생 장치(112)와 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 형성되는 자기장 분포의 계산 결과이다. 계산 결과 C1, C2는, 통 형상의 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130)을 이용한 경우의 계산 결과로서, 자기장 발생 장치(112)와 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 형성되는 자기장 분포의 계산 결과이다.
계산 결과 A1, B1, C1은 자기장 강도를 색조(농담)로 표현하는 자기장 맵을 나타내고 있다. 계산 결과 A2, B2, C2는 자기장의 등고선을 나타내고 있다.
계산 결과 A1, A2에서는, 예를 들면 Z=0(종축)에 있어서 반경 방향(횡축)으로, 간격이 균일한 등고선이 형성되고, 균일한 자기장 구배가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 계산 결과 B1, B2, C1, C2에서는, 중심으로부터 떨어진 위치에서는, 계산 결과 A1, A2와 변함없는 등고선이 형성되지만, 중심 부근에서 등고선이 성긴 영역, 즉 자기장 구배가 완화된 영역이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 7에는 계산 결과 B1, B2에 대응하는 자기장 프로파일이 도시되어 있다. 도 8에는 계산 결과 C1, C2에 대응하는 자기장 프로파일이 도시되어 있다. 도 7, 도 8의 (a) 및 (c)에서 종축은 자기장을 나타내고, (b) 및 (d)에서 종축은 자기장의 구배를 나타낸다. 도 7, 도 8의 (a) 및 (b)에서, 횡축은 반경 방향의 거리를 나타내고, (c) 및 (d)에서 횡축은 Z 축 방향의 거리를 나타낸다.
도 7, 도 8 중의 프로파일 D1은 자기장 발생 장치(112)와 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 형성되는 자기장 프로파일이다. 프로파일 D2는 자기장 구배 완화 모듈(130)을 사용하지 않고 자기장 발생 장치(112)만에 의해서 형성되는 자기장 프로파일이다. 자기장 구배 완화 모듈(130)을 사용함으로써, 국소적으로 자기장 구배가 완화되는 것을 이해할 수 있다.
이상과 같이, 자기장 발생 장치(112)와 자기장 구배 완화 모듈(130)을 설치함으로써, 영역 A에 강한 자기장 구배가 형성되고, 영역 B에 약한 자기장 구배가 형성된다. 즉, 영역 B에서는 자기장 발생 장치(112)에 의해 형성된 강한 자기장 구배가, 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 완화됨으로써, 국소적으로 약한 자기장 구배가 형성된다.
이하, 도 2, 도 9 및 도 10을 참조하여 저속 원자빔 생성 장치(100)의 동작에 대해서 설명한다. 도 9는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 10은 에너지 전이를 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 9에 도시한 바와 같이, 레이저광(132)이 저속 원자빔 생성 장치(100)의 외부로부터 내진공창(126)을 투과하여 저속 원자빔 생성 장치(100) 내에 입사한다. 레이저광(132)은 원편광(예를 들면, σ+)을 갖는다. 저속 원자빔 생성 장치(100) 내에 입사한 레이저광(132)은 냉각 필터창(124)과 광학창(104)을 투과하고, 고온조(116) 내에서 직각 원추 미러(102)에 의해 2 회 반사된다(부호 136 참조). 반사된 레이저광(132)은 왕로와는 반대의 원편광(예를 들면 σ-)을 갖고, 광학창(104), 냉각 필터창(124) 및 내진공창(126)을 투과하여 저속 원자빔 생성 장치(100)의 외부로 출사한다.
도 2에 도시되어 있는 레이저광(134)은 푸시 레이저광이며, X축을 따라 저속 원자빔 생성 장치(100)의 외부로부터 내진공창(126)을 투과하여 저속 원자빔 생성 장치(100) 내에 입사한다.
히터(108)에 의해 고온조(116)가 가열됨으로써 원자원이 가열되고, 이에 의해 원자가 증발하여 고온조(116)의 내부의 공간으로 방출된다. 원자 기체는 고온 조(116)의 내부에서 자기 광학 트랩을 이용하여 포착되어 냉각된다.
자기장 발생 장치(112)에 의해 고온조(116)의 내부의 공간(영역 A, B를 포함하는 영역)에 구배 자기장이 형성되고, 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 영역 B의 자기장 구배가 완화된다. 예를 들어, 도 7 또는 도 8에 도시되어 있는 자기장 프로파일 D1이 나타내는 자기장 및 자기장 구배가 형성된다.
반사된 레이저광(132)과; 자기장 발생 장치(112) 및 자기장 구배 완화 모듈(130)에 의해 형성된 자기장;에 의해, 원자를 포획하는 포획 공간이 고온조(116)의 내부에 형성되고, 이에 의해 원자를 포획하는 자기 광학 트랩(MOT)이 실현된다.
도 10을 참조하여, 이 자기 광학 트랩에 대하여 상세하게 설명한다. 우선, 부호 "140"이 가리키는 에너지 전이를 이용한 자기 광학 트랩에 의해, 도 2에 도시되어 있는 영역 A의 중심축 상에 원자가 속박된다. 영역 A에 속박된 원자의 일부는 푸시 레이저광인 레이저광(134)에 의해 영역 B에 도달하고, 도 10 중의 부호 "142"가 가리키는 에너지 전이를 이용한 자기 광학 트랩에 의해 속박되고, 또한 저온으로 냉각된다.
즉, 기저 상태 1S0에서 여기 상태 1P1로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩과, 1P1으로부터 준안정 상태인 3P2로 전이한 원자에 대해서, 3P2에서 3D3으로의 전이를 이용한 자기 광학 트랩이 동일한 저속 원자빔 생성 장치(100)에서 실현된다. 준안정 상태인 3P2 준위로부터 3D3 준위로의 전이는 좁은 자연폭을 갖고, 장수명이고 낮은 온도로의 냉각을 기대할 수 있다.
이와 같이 하여 자기 광학 트랩을 이용하여 포획되어 냉각된 원자는, 푸시 레이저광인 레이저광(134)에 의해, 개구부(106)로부터 고온조(116)의 외부로 출력된다. 이와 같이 하여 출력된 원자에 의해 저속 원자빔이 형성된다. 또한, 열복사 실드(120)에는 Z축 상에 개구부가 형성되어 있고, 고온조(116)로부터 외부로 출사된 저속 원자빔은, 열복사 실드(120)에 형성된 개구부로부터 열복사 실드(120)의 외부에 출사한다.
또한, 저속 원자빔 생성 장치(100)에 의하면, 시료(110) 외에 광학창(104)을 포함하여 고온조(116)의 전체가 가열된다. 그 때문에, 실온에서는 포화 증기압이 낮고 충분한 원자 기체를 얻을 수 없는 원소이어도, 가열에 의해 포화 증기압을 높게 함으로써, 충분한 원자 기체를 얻을 수 있다. 예를 들어, 원자원으로서 스트론튬이 사용된다. 고온조(116)를 270 ℃ 정도로 가열됨으로써, 스트론튬이 원자원으로서 사용되는 경우라도 충분한 원자 기체를 얻을 수 있다. 또한, 자기 광학 트랩을 이용함으로써 고유량의 냉각 원자빔을 생성할 수 있다. 또한, 실온에서는 포화 증기압이 낮은 원소로서, 스트론튬 이외의 원소가 사용되어도 된다. 예를 들어, 이터븀이 원자원으로서 사용되어도 된다.
또한, 가열된 고온조(116)의 주위가, 저속 원자빔이 출력되는 개구부(106)를 제외하고, 열복사 실드(120)나 냉각 필터창(124)에 의해 덮여 있으므로, 고온부가 발하는 열복사를 억제할 수 있다.
저속 원자빔 생성 장치의 소형화에 관하여, 고온부와 실온부 사이에서 주된 열전도를 담당하는 단열 지지봉(122)의 길이가 중요한 파라미터가 된다. 단열 지지봉(122)의 재료로서, UHV 환경에서 아웃가스의 적음을 고려하면, 마그네시아(MgO)가 적합하다. 단열 지지봉(122)의 개수는 열방출의 관점에서 3 개가 바람직하다. 물론, 이 개수는 일례에 지나지 않고, 3 개 이외의 개수이어도 된다. 고온조(116)의 재료로서 고반사율이며, 원자 기체와 화학 반응하기 어려운 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 경금속인 알루미늄을 재료로서 사용함으로써, 저속 원자빔 생성 장치의 경량화가 가능해지고, 또한 지주 변형의 리스크를 경감하는 것이 가능해진다.
<제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성>
도 11을 참조하여, 제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 11은 제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(200)의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(200)는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(100)의 고온조(116) 대신, 고온조(202)를 포함한다. 저속 원자빔 생성 장치(200)의 고온조(202) 이외의 구성은 저속 원자빔 생성 장치(100)의 구성과 동일하므로, 이하에서는 고온조(202)의 구성에 대하여 설명하고, 고온조(202) 이외의 구성에 대한 설명은 생략한다. 또한, 도 11에는 자기장 구배 완화 모듈로서, 소프트 자석으로 이루어지는 자기장 구배 완화 모듈(130a)이 도시되어 있지만, 자기장 구배 완화 모듈(130)이 이용되어도 된다.
고온조(202)의 내면에는, 제1 실시 형태와 동일하게 직각 원추 미러(102)가 설치되어 있다. 제2 실시 형태에서는, 직각 원추 미러(102)의 정점에 개구부 (106)가 형성되어 있지 않고, 그 정점 부근에서 Z축에 직교하는 X축으로 연장되는 통로(204)가 형성되어 있다. 통로(204)는 X축으로 연장되어 고온조(202)를 관통하고 있다.
제1 실시 형태와 동일하게, 자기장 발생 장치(112)에 의해 고온조(202)의 내부 공간(영역 A, B를 포함하는 영역)에 구배 자기장이 형성되고, 자기장 구배 완화 모듈(130a)(또는 자기장 구배 완화 모듈(130))에 의해, 영역 B의 자기장 구배가 완화된다.
광격자 광빔을 통로(204) 내에 조사하고 광격자 광빔의 파장을 약간 변화시킴으로써, 광격자를 광격자 광빔의 진행 방향으로 하게 할 수 있다. 이 이동 광격자에 의한 이동 수단에 의해, 영역 B에서 포획된 원자를, 통로(204) 내에서 이동시킬 수 있다. 통로(204) 내에서 이동하게 된 원자는 개구부(206)로부터 외부로 출력된다. 이와 같이 하여 출력된 원자에 의해 저속 원자빔이 형성된다.
제2 실시 형태에 의하면, 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(100)와 동일하게, 2 단계 냉각을 동일한 저속 원자빔 생성 장치(200)에서 실현할 수 있다. 또한, 제2 실시 형태에 의하면, 자기 광학 트랩에 사용되는 레이저광(132)이 개구부(106)로부터 외부로 누설되지 않는 이점이 있다.
<물리 패키지(12)의 구성>
이하, 본 실시 형태에 관한 광격자 시계의 물리 패키지(12)에 대하여 설명한다. 물리 패키지(12)는 제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(100)와, 원자가 배치되는 시계 전이 공간을 둘러싸는 진공 챔버와, 진공 챔버(6) 내에서 자기 광학 트랩 및 시계 전이를 실현하는 기구를 포함한다. 이하, 물리 패키지(12)의 동작에 대해서 설명한다.
물리 패키지(12)에서는 진공 챔버의 내부가 진공화된다. 저속 원자빔 생성 장치(100)에 의해 충분히 감속된 저속 원자빔은 저속 원자빔 생성 장치(100)로부터 출사되어 진공 챔버 내의 자기 광학 트랩 장치(MOT 장치)에 이른다. MOT 장치 내에서는 원자가 포착되는 포착 공간을 중심으로, 선형적인 공간 구배를 갖는 자기장이 형성되고, 또한 MOT광이 조사된다. 이에 의해, 포착 공간에서 원자가 포획된다. MOT 장치에 이른 저속 원자빔은 포획 공간에서 감속되고, 이에 의해 원자 집단은 포획 공간에서 포획된다. 또한, 광격자 광빔이 포획 공간에 입사하고, 진공 챔버 내에 설치된 광학 공진기에 의해 반사되고, 이에 의해 광격자 광빔의 진행 방향으로 정재파가 이어진 광격자 포텐셜이 형성된다. 원자 집단은 광격자 포텐셜에 포획된다.
파장을 약간 변화시킴으로써, 광격자를 광격자 광빔의 진행 방향으로 이동시킬 수 있다. 이 이동 광격자에 의한 이동 수단에 의해, 원자 집단은 시계 전이 분광 영역까지 이동하게 된다. 그 결과, 시계 전이 공간은 저속 원자빔의 빔축으로부터 벗어난다.
시계 전이 공간에서는, 광 주파수를 제어한 레이저광을 원자에 조사하고, 시계 전이(즉 시계의 기준이 되는 원자의 공명 전이)의 고정밀도 분광을 실시하여, 원자 고유 또한 불변인 주파수를 계측한다. 이에 의해, 정확한 원자 시계가 실현된다. 또한, 원자 집단을 포획 공간으로부터 시계 전이 공간까지 이동시킬 필요가 없는 경우에는, 포획 공간에서 분광을 실시해도 된다.
원자 시계의 정밀도를 높이기 위해서는 원자를 둘러싸는 섭동을 배제하고 주파수를 정확하게 읽을 필요가 있다. 특히 중요한 것은 원자의 열운동에 의한 도플러 효과가 야기하는 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 광빔으로서는, 「마법 파장」 또는 「마법 주파수」라고 불리는 특정의 파장 및 주파수를 선택함으로써, 광격자가 공명 주파수에 주는 영향을 제거한다.
시계 전이의 결과, 발광하는 광은 광학계 장치(14)에 의해 수광되고, 제어 장치(16)에 의해 분광 처리 등 되어 주파수가 구해진다.
제1 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(100) 대신, 제2 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치(200)가 사용되어도 된다.
이상의 설명에서는 광격자 시계를 예로 들었다. 그러나, 각 실시 형태의 기술은 당업자라면 광격자 시계 이외에도 적용 가능하다. 구체적으로는, 광격자 시계 이외의 원자 시계, 또는 원자를 사용한 간섭계인 원자 간섭계에도 적용 가능하다. 예를 들어, 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치와 진공 챔버를 포함하는 원자 시계용 물리 패키지나 원자 간섭계용 물리 패키지가 구성되어도 된다. 본 실시 형태는 원자 또는 이온화된 원자에 대한 각종의 양자 정보 처리 디바이스에도 적용 가능하다. 양자 정보 처리 디바이스란, 원자나 광의 양자 상태를 이용하여 계측, 센싱 및 정보 처리를 실시하는 장치를 말하며 원자 시계, 원자 간섭계 외에, 자기장계, 전계계, 양자 컴퓨터, 양자 시뮬레이터, 양자 중계기 등을 예시할 수 있다. 양자 정보 처리 디바이스의 물리 패키지에서는, 실시 형태의 기술을 이용함으로써 광격자 시계의 물리 패키지와 동일하게, 소형화 또는 가반화를 달성할 수 있다. 또한 이러한 디바이스에서는, 시계 전이 공간은 시간 계측을 목적으로 하는 공간이 아니라 단순히 시계 전이 분광을 일으키는 공간으로서 취급되는 경우가 있는 것에 주의 바란다.
이들 디바이스에서는 각 실시 형태에 관한 저속 원자빔 생성 장치를 사용함으로써, 실온에서는 포화 증기압이 낮고 충분한 원자 기체를 얻을 수 없는 원소를 사용할 수 있다. 또한, 이들 디바이스의 소형화 및 가반화를 도모할 수 있다.
이상의 설명에서는 이해를 용이하게 하기 위해 구체적인 형태에 대해 나타내었다. 그러나, 이들은 실시 형태를 예시하는 것이며, 그 밖에도 다양한 실시예를 취하는 것이 가능하다.
10: 광격자 시계 12: 물리 패키지
14: 광학계 장치 16: 제어 장치
100, 200: 저속 원자빔 생성 장치 102: 직각 원추 미러
104: 광학창 106: 개구부
108: 히터 110: 시료
112: 자기장 발생 장치 116: 고온조
120: 열복사 실드 130, 130a: 자기장 구배 완화 모듈
132, 134: 레이저광

Claims (15)

  1. 원자원과, 일방단에 설치되어 레이저광을 통과하는 광학창과; 타방단에 설치되어 정점에 개구부를 갖고, 상기 광학창으로부터 입사한 레이저광을 상기 개구부 이외의 부분에서 상기 일방단을 향하여 반사하는 미러를 포함하는 고온조,
    상기 고온조를 가열함으로써 상기 원자원으로부터 상기 고온조 내에 원자 기체를 발생시키는 히터,
    상기 미러에 의해 반사된 레이저광이 교차하는 영역에 자기장을 발생시키는 자기장 발생 장치, 및
    상기 개구부에서, 상기 자기장 발생 장치가 발생시키는 자기장의 구배를 완화시키는 완화 자기장을 발생시키는 자기장 구배 완화 모듈
    을 포함하고,
    레이저광과 자기장에 의해 실현되는 자기 광학 트랩을 이용함으로써 원자 기체로부터 원자빔을 형성하고, 상기 개구부로부터 원자빔을 외부로 출사시키는, 저속 원자빔 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하는 반헬름홀츠 코일이며,
    상기 자기장 구배 완화 모듈은 상기 반헬름홀츠 코일과 서로 유사한 형상을 갖고, 상기 반헬름홀츠 코일과는 반대 방향으로 전류가 흐르는 코일인, 저속 원자빔 생성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하는 통 형상의 영구 자석이고,
    상기 자기장 구배 완화 모듈은 상기 통 형상의 영구 자석과 서로 유사한 형상을 가지며, 상기 통 형상의 영구 자석과는 반대 방향으로 착자되어 있는, 저속 원자빔 생성 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 발생 장치는 자기장 구배를 형성하고,
    상기 자기장 구배 완화 모듈은 소프트 자석으로 이루어지며, 그 내부의 자속을 흡수함으로써 내부의 자기장 구배를 완화하는, 저속 원자빔 생성 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부는 레이저광의 축 상 이외의 장소에 형성되어 있는, 저속 원자빔 생성 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자원은 스트론튬인, 저속 원자빔 생성 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원자원은 이터븀인, 저속 원자빔 생성 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온조는 2n(n=2 이상의 정수)축 대칭의 직각 원추상의 형상을 갖는, 저속 원자빔 생성 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온조는 직각 사각추상의 형상을 갖는, 저속 원자빔 생성 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 저속 원자빔 생성 장치와,
    원자가 배치되는 시계 전이 공간을 둘러싸는 진공 챔버
    를 포함하는, 물리 패키지.
  11. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 광격자 시계용 물리 패키지.
  12. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 시계용 물리 패키지.
  13. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 간섭계용 물리 패키지.
  14. 제 10 항에 기재된 물리 패키지를 포함하는, 원자 또는 이온화된 원자에 대한 양자 정보 처리 디바이스용 물리 패키지.
  15. 제 10 항에 기재된 물리 패키지와,
    상기 물리 패키지의 동작을 제어하는 제어 장치
    를 포함하는 물리 패키지 시스템.
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