WO2002080193A1 - Élément optique de réflexion atomique - Google Patents
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Classifications
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- G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
Definitions
- the present invention relates to an atomic optical element, and more particularly to a reflective optical element for manipulating coherent atoms.
- cryogenic atoms trapped by laser cooling and trapping are used as a radiation source, the atoms can be holographically manipulated.
- This type of atomic beam holography is also discussed, for example, in Naytiya 1996, Vol. 380, No. 657, pp. 691-694. It is expected to have the ultimate resolution and its application to microfabrication technology at the level of manipulating atoms.
- the application technology for industry using atomic beams has become very important, such as the realization of pause-Einstein condensation of diluted atoms and the demonstration of atomic lasers.
- the accuracy of an atomic clock and an atomic interferometer using atomic resonance can be dramatically improved.
- a gravimeter using a high-precision atomic interferometer it is possible to identify highly accurate locations of oil fields and ore deposits by remote sensing from the ground or from the sky.
- it is possible to detect gravitational waves and absolute measurement of gravitational force G verify basic physical constants such as geophysics and astrophysics, and construct theories that go back to the roots of physical theories. It is expected to be applied in a wide range of fields over the next generation electronics.
- An object of the present invention is to provide an atomic reflection optical element capable of reflecting coherent light while suppressing energy loss at the time of reflection based on the above findings.
- a specific object of the present invention is to provide an atomic reflection optical element in which coherent reflection of an atomic wave (de Broglie wave) is performed and whose reflection intensity is enhanced. Disclosure of the invention
- the following atomic reflection optical elements can be obtained.
- a reflecting portion for reflecting incident atoms wherein the reflecting portion includes: a reflecting base layer; and a reflecting surface provided on an atom incident side of the reflecting base layer.
- the main direction for defining the atom density is a normal direction of the incidence and reflection of atoms. can get.
- the main direction for defining the molecular density is a normal direction of incidence and reflection of atoms. can get.
- the atomic reflection optical element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflective surface layer has a porous portion.
- the size of the hole in the porous portion is equal to or less than a component perpendicular to the reflection surface at the de Broglie wavelength (atomic wavelength: ⁇ ) of the incident atom.
- An atomic reflection optical element having a size is obtained.
- the reflective surface layer is formed of a porous silicon film, and the reflective base layer is a silicon layer. Is obtained.
- the reflective surface layer has a structure in which a thin film is supported on the reflective base layer by pillars and is maintained. Is obtained.
- the reflecting portion includes a grating structure in which the reflecting surface layer has a plurality of islands and grooves on the reflecting base layer.
- the atomic reflection optical element characterized by having the following.
- the width w of each island-shaped portion is substantially LZ100000 ⁇ w with respect to the grating period L.
- An atomic reflection optical element characterized by being configured to satisfy ⁇ L / 2 is obtained.
- the grating structure is characterized in that a plurality of islands are formed within one grating period.
- the characteristic atomic reflection optical element is obtained.
- the atomic reflection optical element according to any one of the first to fourteenth aspects, wherein the reflective portion has a curved surface structure.
- a holographic atomic reflection optical element including the atomic reflection optical element according to any one of the first to fifteenth aspects as a reflection pixel.
- the atomic reflection optical element according to the present invention has a stronger atomic coherent reflection intensity than the conventional one.
- the width w of the island-shaped portion does not become smaller than 1 Z 100 000 of the grating period L.
- the depth of the groove is desirably selected so that the phase difference between the reflection from the island (reflection surface) and the bottom of the groove is 1 ⁇ or more. It is necessary that the depth of the groove is such that the incident atoms do not feel the Casimir force with respect to the atom reflecting surface. Furthermore, it is desirable that the depth of the groove is selected so that the phase difference between the atoms reflected from the bottom of the groove and the island (reflection surface) is at least 2 ⁇ or more.
- FIG. 1 is a sectional view showing an example of the atomic reflection optical element according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a sectional view showing an example of the atomic reflection optical element according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 5 is a graph obtained by measuring the reflection intensity in order to confirm the effect of the atomic reflection optical element according to the third embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a sectional view showing a modification of the atomic reflection optical element according to the third embodiment of the present invention.
- the atomic reflection optical element according to the third embodiment of the present invention is an example in which the concept of the present invention is applied to a reflection grating.
- the results plotted with squares relate to the reflection from the Si substrate with a flat mirror surface, and the results plotted with inverted triangles show the width w of the islands as a function of the grating period (basic pitch).
- Reflection intensity in the case of having a grating structure in which L is 1 Z 2 that is, a grating structure in which the ratio of the width of the island portion to the width of the groove portion is 1: 1).
- the result plotted with a circle is the reflection intensity when the island structure has a grating structure in which the width w of the island is 1/9 of the grating period (basic pitch) L.
- a strong atomic coherent reflection intensity can be obtained by reducing the effective atomic density of a reflection surface.
- the atomic reflection optical element according to the present invention can be applied to an atomic clock, an atomic interferometer, a gravimeter, and the like.
- verification of basic physical constants such as geophysics and astrophysics, and construction of a theory that goes back to the root of the physical theory Applications are expected in a wide range of fields, including next-generation electronics such as aerospace engineering and quantum computing computers.
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Description
明 細 書 原子反射光学素子 技術分野
本発明は原子光学素子に関し、 特にコヒーレント原子を操作するための反射光 学素子に関する。 背景技術
近年、 レーザー冷却技術が発展し、 原子の波動性が実際に見えるようになって きた。 レーザー冷却された極低温原子のドブロイ波長は、 オングストロームォ一 ダーであり、 可視光の波長に迫るほど長い。 そのため、 レーザ一冷却 · トラップ した極低温原子を線源として用いれば、 原子をホログラフィックに操作すること も可能となる。 この種の原子線ホログラフィは、 例えば、 ネィチヤ一誌 1 9 9 6 年、 V o l . 3 8 0、 N o . 6 5 7 6、 6 9 1〜 6 9 4ページにおいても論じら れており、 究極の解像度と、 原子を操作するレベルでの極微細加工技術への応用 とにおいて期待されている。 さらに、 希釈原子のポーズ ·アインシュタイン凝縮 が実現し、 原子レーザーも実証されるなど、 原子ビームを用いた産業への応用技 術も非常に重要となってきている。
また、 このような冷却原子を用いることで、 原子の共鳴を用いた原子時計や原 子干渉計の精度も飛躍的に改良される。 高精度の原子干渉計を用いた重力計によ れば、 地上や上空からのリモートセンシングで、 油田や鉱床位置の高精度な場所 を特定することが可能となる。 さらには重力波の検出、 万有引力 Gの絶対測定な ども可能となり、 地球物理や宇宙物理などの基礎物理定数検証や物理理論の根本 に遡った理論構築から、 航空宇宙工学、 量子演算コンピュータなどの次世代エレ クトロニクスに亘る広範囲な分野での応用が期待される。
このようなコヒ一レント原子を扱うための光学系におけるキーデバイスの一つ として、 反射干渉素子があるが、 現実には解決しなくてはならない多くの問題が
あった。 即ち、 原子という粒子性の強い物体が反射面で反射する過程は、 いわゆ る剛体の非弾性散乱過程であり、 そこではエネルギーのロスが生じ、 コヒーレン スもなくなる。
しかしながら、 本発明者等の研究によれば、 ある条件のもとは、 原子の波とし ての性質と位相が保持されたコヒーレント反射が起こることを見出した。 更に、 本発明者等は、 この知見に基づき研究を重ねた結果、 原子波 （ドブロイ波） のコ ヒーレント反射の条件でその反射強度を強めることができることも判明した。 本発明の目的は、 上記した知見に基づき、 反射時のエネルギーロスを抑える一 方、 コヒーレントな光を反射可能な原子反射光学素子を提供することである。 本発明の具体的な目的は、 原子波 （ドブロイ波） のコヒーレント反射の条件で、 かつ、 その反射強度の強められた原子反射光学素子を提供することである。 発明の開示
具体的には、 本発明によれば、 以下に掲げる原子反射光学素子が得られる。 本発明の第 1の態様によれば、 入射される原子を反射するための反射部を有し、 前記反射部は、 反射基部層と、 該反射基部層の原子入射側に設けられた反射表面 層とを備えており、 前記反射表面層は、 前記反射基部層よりも実効的に少ない原 子密度を有することを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 2の態様によれば、 第 1の態様において、 前記原子密度を定義する ための主たる方向は、 原子の入射と反射の法線方向であることを特徴とする原子 反射光学素子が得られる。
本発明の第 3の態様によれば、 入射される原子を反射するための反射部を有し、 前記反射部は、 反射基部層と、 該反射基部層の原子入射側に設けられた反射表面 層とを備えており、 前記反射表面層は、 前記反射基部層よりも実効的に少ない分 子密度を有することを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 4の態様によれば、 第 3の態様において、 前記分子密度を定義する ための主たる方向は、 原子の入射と反射の法線方向であることを特徴とする原子 反射光学素子が得られる。
本発明の第 5の態搽によれば、 第 1乃至第 4の態様のいずれかにおいて、 前記 反射表面層は、 多孔質部を有することを特徴とする原子反射光学素子が得られる。 本発明の第 6の態様によれば、 第 5の態様において、 前記多孔質部における穴 の大きさは、 入射される原子のドブロイ波長 （原子波長： λ ) の反射面に対する 面垂直成分以下のサイズであることを特徴とする原子反射光学素子が得られる。 本発明の第 7の態様によれば、 第 5又は 6の態様において、 前記反射表面層は 多孔質シリコン膜からなり、 前記反射基部層はシリコン層であることを特徴とす る原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 8の態様によれば、 第 1乃至 4のいずれかにの態様において、 反射 表面層は、 薄膜が前記反射基部層上に支柱で支えられて維持された構造を備える ことを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 9の態様によれば、 第 8の態様において、 前記薄膜はシリコン窒化 膜であることを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 1 0の態様によれば、 第 1乃至 4のいずれかの態様において、 前記 反射部は、 前記反射表面層が前記反射基部層上に複数の島状部及び溝部を有する グレーティング構造を有することを特徴とする原子反射光学素子が得られる。 本発明の第 1 1の態様によれば、 第 1 0の態様において、 前記グレーティング 構造は、 そのグレーティング周期 Lに対して各島状部の幅 wが実質的に L Z 1 0 0 0 0≤w≤L / 2を満たすようにして構成されていることを特徴とする原子反 射光学素子が得られる。
本発明の第 1 2の態様によれば、 第 1 0又は第 1 1の態様において、 グレーテ ィング構造における溝部の深さは、 前記島状部の表面と前記溝部の底面とからの 原子反射の位相差が入射される原子のドブロイ波長以上となるようにして、 選択 されていることを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 1 3の態様によれば、 第 1乃至 1 2 4のいずれかの態様において、 グレーティング構造は、 一つのグレーティング周期内に複数の島状部が形成され てなるものであることを特徴とする原子反射光学素子が得られる。
本発明の第 1 4の態様によれば、 第 1乃至 1 3のいずれかの態様において、 反
射表面層の島状部及び前記反射基部層はシリコンからなることを特徴とする原子 反射光学素子が得られる。
本発明の第 1 5の態様によれば、 第 1乃至 14のいずれかの態様において、 前 記反射部が曲面構造を有することを特徴とする原子反射光学素子が得られる。 本発明の第 16の態様によれば、 第 1乃至第 1 5のいずれかの態様に係る原子 反射光学素子を反射ピクセルとして備えるホログラフィック原子反射光学素子が 得られる。
このような構造を有することにより、 原子反射光学素子の反射表面においては、 原子波長程度の深さ部位で、 原子波にとってインピーダンスミスマッチ、 あるい は屈折率の段差が増大させられることとなる。 そのため、 本発明による原子反射 光学素子は、 従来のものより強い原子コヒーレント反射強度を有することとなる。 本発明の実施の形態による原子反射光学素子について図面を用いた具体的な説 明を行う前に、 まず、 本発明の原理及び概念について説明する。
原子は、 固体表面に近づくと、 通常、 ファン ·デァ ·ワールスカによる引力を 受け、 固体表面に衝突後、 その固体表面に吸着されるか、 もしくは散乱される。 ところが、 極低温にレーザー冷却された原子では、 lZr3で寄与するファン -デ ァ 'ワールスカによるポテンシャルは十分に急峻であり、 この急峻なポテンシャ ル変化は原子波に対するインピーダンス不整合を起こして、 原子波は固体表面で 衝突 *散乱される前に反射する。 すなわち、 固体表面で原子の量子反射が起こる。 この固体表面での反射が起こる原子の速度は、 表面垂直方向の速度で数ミリから 数十ミリ Z秒程度である。 ポーズ凝縮を起こした原子集団の速度がこのオーダ一 をとるため、 このような原子集団のコヒーレント原子反射光学素子として固体を 用いることが可能である。 さらに、 サーマルな原子 （熱励起されている原子） で あっても、 入射角度の浅い場合の全反射を考え、 その速度を 2m/s e cと仮定 すると （重力落下を仮定すると約 40 cm程度の落下に相当）、 入射角度にして数 十ミリラジアンのオーダーで全反射が起こることに相当する。 このような量子反 射は理論的に予測されており (C. Henkel, C. I. Westbrook, A. Aspect Quantum reflect ion: atomic matter wave optics in an attractive exponential poten
t i al J . Opt . Soc. Am. B 13， 233-243 (1996) )、 超流動ヘリウム表面で観測され ている。
原子波の反射はインピーダンスミスマッチ、 あるいは屈折率の段差による反射 であるから、 この段差の大きさで反射率が決まる。 段差が一番大きくなる位置 (固体表面からの距離） は、 原子の法線速度や反射係数 Cの大きさで変わる。 反 射率を決めるには、 段差が最大になる位置での段差の大きさを求める必要がある。 この段差の最大値を概算すると、 ほぼ C 1 / 2に比例する。 反射係数 Cが固体を 構成する原子 （あるいは分子） の密度に比例するから、 表面から数ミクロンの位 置までの部分を、 密度の極めて小さい固体で構成すれば、 非常に反射率の高い鏡 を形成することができる。 ここで、 原子 （或いは分子） 密度を定義するための主 たる方向は、 原子の入射と反射の法線方向である。
このような原理に基づく原子反射鏡を実現するためには、 原子が入射される側 となる反射表面層を、 例えば、 多孔質 （ポーラス） 材料で構成することとすれば 良い。 多孔質材における穴の大きさは、 原子波の波長程度以下であればよい。 詳 しくは、 ポーズ ·アインシュタイン ·凝縮 （B E C ) した原子の原子波は、 数ミ クロンメートルの波長であるから、 数百ナノメートルのポーラスな材料、 例えば 表面をポ一ラスシリコンに加工した S i板や、 ランダムもしくは周期的な配置で 微小穴を形成した S i基板などが、 原子反射鏡 （具体的には、 反射部の反射表面 層） として機能する。
さらに、 きわめて薄い薄膜、 例えば炭化珪素 （シリコン力一バイト） や窒化珪 素の膜を適当な支柱で支え、 それを反射表面層として、 原子反射光学素子を構成 することも可能である。
また、 上述した原子反射光学素子の設計指針は反射型回折格子にも適用できる。 原子が浅い入射角で均一な固体表面及びグレーティングに入射する状態を考える。 幾何学的にはグレーティングの溝部の底には原子が当たらないので、 フラッ卜な 固体表面よりも回折格子の方が反射率が低いとも考えらる。 しかし、 もし入射角 度が浅く原子が平均的な表面を見ているとすると結論は異なると予測される。 つ まり、 回折格子で溝部の幅と島状部 （反射面） の幅 （山幅） が等しいとき、 かつ
溝部が十分深くて溝部の底面からのポテンシャルを感じないとすると、 均一面か らの鏡面反射と比べて実効的なポテンシャル係数 Cが半分になったことになり、 反射率があがる。 同様に、 山の幅がグレーティングピッチの 1 Z 9ならば、 平均 密度が 1ノ 9となるので、 反射率はほぼ 3倍となる。
このことから明らかなように、 反射部における反射表面層と反射基部層とを同 一の材質 （例えば、 S i ) で構成した反射回折格子において、 島状部 （反射面） の幅を細くすると、 反射率を上げることができる。 即ち、 島状部 （反射面） の面 積 （反射方向の単位面積） を減らすことにより、 実効的な反射係数 Cを少なくし、 高い反射ピーク強度を得ることができる。
但し、 コヒーレント原子反射を考えると、 島状部の幅 wがグレーティング周期 Lの 1 Z 1 0 0 0 0より小さくならないことが望ましい。 島状部の幅 wが L Z 1 0 0 0 0より小さいということは原子波波長とほぼ同じオーダ一であるというこ とであり、 コヒーレント反射が起こらなくなるからである。 また、 溝部の深さは、 島状部 （反射面） と溝部の底面とからの反射の位相差が 1 λ以上となるように、 選択されていることが望ましい。 溝部の深さは原子反射面に対して入射原子が C a s i m i r力を感じない程度にする必要がある。 更に、 溝部の底面からと島状 部 （反射面） からの反射原子の位相差が少なくとも 2 π以上となるように、 溝部 の深さが選択されていることが望ましい。
また、 次のような変形も可能である。 上述したように、 原理的には、 反射を起 こしているポテンシャル— CZ r ηの実効的な Cを小さくすればよい。 この観点か らすれば、 グレーティングの 1周期内の反射面幅を単純に小さくする方法や、 面 積を小さくするとともにいくつかの小片に分割する方法などが考えられる。 また、 この原理は、 グレーティングに限らず、 例えば原子反射ホログラムを構成する反 射ピクセルの形状などについても、 同様に適用可能である。 この場合、 ホロダラ ムの反射強度を上げるために、 周期的配列をなすピクセルに対してピクセルの反 射方向のサイズを小さくしたり、 ピクセルを複数の矩形に分割縮小したりして、 実効的な反射係数 Cを小さくすれば良い。 但し、 入射原子からみて島状部 （反射 面） を小さくしすぎると、 平均的な反射面とみなし得なくなり、 反射強度が低下
する。 このような反射強度低下を防止するためには、 個々の島状部の幅 （反射面 幅） は小さくしつつも、 一群の島状部を平均的な反射面とみなし得る程度に配列 することとすれば良い。
なお、 上述した原子反射光学素子の表面は、 平面に限られず、 曲面であっても 良い。 すなわち、 原子反射光学素子表面を、 曲率を持った凹面もしくは凸面とす ることもできる。
更に、 上述した原子反射光学素子の概念は、 ホログラフィック原子反射光学素 子にも適用可能である。 具体的には、 ホログラフィック原子反射光学素子は、 そ の反射面を構成するピクセルをグレーティングに分割し、 各ピクセル表面の実効 的な原子密度を低くすることによって構成できる。 この場合、 原子密度を低くす るための手法としては、 上述した原子反射光学素子におけるものが適用可能であ る。 このような構成とすることにより、 原子反射ホログラムの輝度を高めること が可能である。 図面の簡単な説明
図 1は本発明の第 1の実施の形態による原子反射光学素子の一例を示す断面図 である。
図 2は本発明の第 2の実施の形態による原子反射光学素子の一例を示す断面図 である。
図 3は本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子の一例を示す断面図 である。
図 4は本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子の一例を示す断面図 である。
図 5は本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子の効果を確認するた めに、 反射強度の測定して得られたグラフである。
図 6は本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子の変形例を示す断面 図である。
図 7は本発明の第 1の実施の形態による原子反射光学素子の変形例を示す断面
図である。
図 8は本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子の変形例を示す断面 図である。
図 9は本発明の概念を適用した反射型原子線ホログラムを示す図である。 発明を実施するための最良の形態
(第 1の実施の形態）
本発明の第 1の実施の形態による原子反射光学素子は、 図 1に示された断面構 造の反射部 1 0を備えている。 反射部 1 0は、 反射基部層 1 1と、 反射基部層 1 1の原子入射側に設けられた反射表面層 1 2とを備えている。 前述したように、 原子波の入射する面、 すなわち反射表面層 1 2の平均的な原子密度を従来よりも 低くすることで高い反射率を得ることができる。 この反射面における平均的原子 密度の低レベル化を達成するために、 本実施の形態による原子反射光学素子にお いては、 反射表面層 1 2を多孔質材としている。
ここで、 多孔質層の表面は、 必ずしも原子レベルで平坦である必要はなく、 反 射させようとする原子波の波長、 ドブロイ波長レベル程度での平坦性があればよ い。
本実施の形態による効果を確認するために、 原子反射光学素子の反射部 （基 板） として S i基板を用い、 その表面を処理して、 表面に多孔質層 （反射表面層 1 2 ) を形成した。 即ち、 本実施の形態においては、 反射部 1 0の材料たる S i 基板のうち、 多孔質化されなかった部分が反射基部層 1 1である。 表面処理に関 して、 具体的には、 沸酸とエタノールの混合溶液中で白金を対向電極とした陽極 酸化を行った。 これにより、 約 1 0ミクロンの厚みを有する多孔質層を得た。 こ のようにして形成された原子反射光学素子を用いると、 ポーズ ·アインシュタイ ン凝縮 （B E C ) した R b原子を量子反射させることができた。 フオトン圧で押 しだした R b原子は、 約 3 mmZ s e cの速度でほぼ垂直に反射面に入射し、 約 5 0 %の反射率を得た。
(第 2の実施の形態）
本発明の第 2の実施の形態による原子反射光学素子は、 反射表面の構造として、 極めて薄い膜、 たとえばシリコンカーバイド （S i C) 薄膜ゃ窒化珪素 （S i 3 N 4) 薄膜を用いたものである。 この場合、 このような極薄の薄膜を大面積で保持す ることは難しいことから、 適当な位置に薄膜保持のための支柱を設けることとし ても良い。
このような原子反射光学素子の例は、 図 2に示される。 反射部 2 0を構成する のは、 反射光学素子の基板の一部であり、 その一部分が図 2右の円内に拡大して 描かれている。 拡大図を参照すると、 反射表面層 2 2は、 極薄膜が反射基部層 2 1上に支柱で支持された構造を備えている。 具体的には、 図 2に示された例では、 S i基板上に C V Dで厚さ 1 0 0 n mの S i N膜を形成し、 その後、 S i基板の 背面から S iをバックエッチングして得られたメンブレンを用いている。 また、 図示された例においては、 1 0 0ミクロンピッチで幅 1 0ミクロンの支柱が設け られている。 この極薄の薄膜による反射率を測定した結果、 極低温のポーズ ·ァ インシュタイン ·凝縮 （B E C ) した R b原子波に対する反射率として、 第 1の 実施の形態による原子反射光学素子 （ポーラスシリコンを採用したもの） と同程 度の反射率を得ることができた。
(第 3の実施の形態）
本発明の第 3の実施の形態による原子反射光学素子は、 本発明の概念を反射型 グレーティングに適用した例である。
図 3を参照すると、 第 3の実施の形態による原子反射光学素子の反射部 3 0は、 反射基部層 3 1の表面に複数の島状部 （反射面） 及び溝部からなる反射表面層 3 2を有するグレーティング構造を備えている。 グレーティングからの反射は、 あ る臨界角度までは全反射による反射であるが、 臨界角以上では、 ドブロイ波長を λとすると s i n 0 = n λ / Lで与えられる角度 0に反射がおこる。 このような グレーティングに対する原子波の反射強度も、 本発明の基本原理である反射面で の原子密度に依存する。 つまり、 反射表面層 3 2における島状部 （反射面） の幅 と溝部の幅との比が 1 ： 1のグレーティングよりも、 図 4に示されるように、 溝 部の幅の割合が大きいグレーティング構造の方が、 平均的な表面の原子密度が低
くなり、 反射強度が強くなる。 島状部の幅と溝部の幅との比を 1 ： 1としたグレ 一ティング構造と比して、 島状部の幅と溝部の幅の比を 1 ： 9としたグレーティ ング構造とすれば約 3倍の反射強度が得られ、 島状部の幅と溝部の幅の比を 1 ： 1 0 0にすると約 1 0倍の反射強度が得られる。
このような知見に基づき反射率を測定した結果を図 5に示す。 図 5に示される グラフは、 原子として約 5 0 // Kの N e原子を用い、 自由落下の条件で測定した 時の原子反射強度を示している。 なお、 図示されたグラフの横軸は反射面垂直方 向の速度であり、 この場合、 原子の入射角度 Θは、 t a n 0 = (法線方向の速度
(横軸)） / (反射面平行方向の速度） で与えられる。 図示されたグラフにおいて、 四角でプロットした結果は、 平坦な鏡面をもつ S i基板からの反射に関するもの であり、 逆三角でプロットした結果は、 島状部の幅 wをグレーティング周期 （基 本ピッチ） Lの 1 Z 2としたグレーティング構造 （即ち、 島状部の幅と溝部の幅 の比が 1 ： 1であるグレーティング構造） を有する場合の反射強度である。 また、 丸でプロットした結果は、 島状部の幅 wをグレーティング周期 （基本ピッチ） L の 1 / 9としたグレーティング構造を有する場合の反射強度であり、 菱形でプロ ットした結果は、 島状部の幅 wをグレーティング周期 （基本ピッチ） Lの 1 1 0 0としたグレーティング構造を有する場合の反射強度である。 図示されたダラ フから明らかなように、 グレーティング構造を有する反射部からの反射の強度は、 wZL = 1 Z 2である場合と比較して、 wZL = 1 Z 9の場合で約 3倍、 wZL = 1 / 1 0 0の場合で約 1 0倍となっている。
このようなグレーティング構造を有する場合、 入射原子のドブロイ波からみて、 反射面となる面が平均的に見える必要がある。 すなわち、 反射面法線方向の速度 成分に対応するドブロイ波長とグレーティング周期は、 同程度である必要がある。 このような条件を満たさない反射角度に対応させるためには、 たとえば図 6に示 されるように、 一つのグレーティング周期内に複数の島状部を形成することとす れば良い。 この場合、 一のグレーティング周期に属する複数の島状部間のピッチ
(すなわち、 島状部の幅 wと第 2の溝部の幅との和） は、 グレーティングの基本 ピッチ （L) より小さなピッチである。
以上、 第 1乃至第 3の実施の形態を用いて説明したように、 原子反射光学素子 の見かけ上の表面原子密度が少なくなるように設計すれば、 原子波 （ドブロイ 波） の反射強度を上げることができる。
なお、 第 1乃至第 3の実施の形態を用いて上述した本発明の概念は、 凹面ゃ凸 面のミラーを構成する上でも有効である。 例えば、 図 7は、 反射基部層 4 1上に 曲面構造を持つようにして反射表面層 4 2が形成されてなる反射部 4 0を有する 原子反射光学素子であり、 具体的には、 第 1の実施の形態の応用として、 凹面に 多孔質面を形成した集光ミラーの例を示すものである。 また、 図 8は、 反射基部 層 5 1上に曲面状の反射表面として動作する反射表面層 5 1を形成してなる反射 部 5 0を有する原子反射光学素子であり、 具体的には、 第 3の実施の形態の応用 として、 グレーティングと曲面反射面とを組み合わせたシリンドリカルミラーの 例を示すものである。 両者とも、 単純な従来の光学反射ミラーと比較して、 強い 反射強度を得ることができた。
更に、 上述した本発明の概念は、 例えば、 図 9に示すような反射型原子線ホロ グラムにも適用することができる。 具体的には、 計算機シミュレーションで設計 された反射型ホログラムの反射面を形成する画素 （ピクセル） に対して、 そのホ ログラムの基本周期よりも短い周期で、 反射面を分割形成する。 このようにして 分割縮小されたピクセルの表面の見かけ上の原子密度は小さくなつており、 強い 反射強度を得ることができる。
なお、 上述した実施の形態においては、 原子反射光学素子の反射部として原子 密度に着目し説明してきたが、 反射部をモレキュラーウェイ卜の小さい分子で構 成し、 その反射表面層を反射基部層よりも実効的に少ない分子密度となるように 構成することとしても良い。 なお、 分子密度を少なくするためには、 上述した 種々の手法を適用することができる。
以上説明したように、 本発明によれば、 原子ビームの量子反射を利用した原子 反射光学素子において、 反射表面の実効的な原子密度を少なくすることにより、 強い原子コヒ一レント反射強度を得ることができる。
産業上の利用の可能性
本発明に係る原子反射光学素子は、 原子時計や原子干渉計、 重力計等に適用で き、 この結果、 地球物理や宇宙物理などの基礎物理定数検証や物理理論の根本に 遡った理論構築から、 航空宇宙工学、 量子演算コンピュータなどの次世代エレク トロニクスに亘る広範囲な分野での応用が期待される。
Claims
1 . 入射される原子を反射するための反射部を有し、 前記反射部は、 反射基部 層と、 該反射基部層の原子入射側に設けられた反射表面層とを備えており、 前記 反射表面層は、 前記反射基部層よりも実効的に少ない原子或いは分子密度を有し ていることを特徴とする原子反射光学素子。
2 . 前記原子或いは分子密度を定義するための主たる方向は、 原子の入射と反 射の法線方向であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の原子反射光学素 子。
3 . 前記反射表面層は、 多孔質部を有することを特徴とする請求の範囲第 1項 に記載の原子反射光学素子。
4. 前記多孔質部における穴の大きさは、 入射される原子のドブロイ波長の反 射面に対する面垂直成分以下のサイズであることを特徴とする請求の範囲第 3項 に記載の原子反射光学素子。
5 . 前記反射表面層は多孔質シリコン膜からなり、 前記反射基部層はシリコン 層であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の原子反射光学素子。
6 . 前記反射表面層は、 薄膜が前記反射基部層上に支柱で支えられて維持され た構造を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の原子反射光学素子。
7 . 前記薄膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求の範囲第 6項に記 載の原子反射光学素子。
8 . 前記反射部は、 前記反射表面層が前記反射基部層上に複数の島状部及び溝 部を有するグレーティング構造を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記 載の原子反射光学素子。
9 . 前記グレーティング構造は、 そのグレーティング周期 Lに対して各島状部 の幅 wが実質的に L Z 1 0 0 0 0≤w L Z 2を満たすようにして構成されてい ることを特徴とする請求の範囲第 8項に記載の原子反射光学素子。
1 0 . 前記グレーティング構造における溝部の深さは、 前記島状部の表面と前
記溝部の底面とからの原子反射の位相差が入射される原子のドブロイ波長以上と なるようにして、 選択されていることを特徴とする請求の範囲第 8項に記載の原 子反射光学素子。
1 1 . 前記グレーティング構造は、 一つのグレーティング周期内に複数の島状 部が形成されてなるものであることを特徴とする請求の範囲第 8項に記載の原子 反射光学素子。
1 2 . 前記反射表面層の島状部及び前記反射基部層はシリコンからなることを 特徴とする請求の範囲第 8項に記載の原子反射光学素子。
1 3 . 前記反射部が曲面構造を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記 載の原子反射光学素子。
1 4 . 入射される原子を反射するための反射部を有し、 前記反射部は、 反射基 部層と、 該反射基部層の原子入射側に設けられた反射表面層とを備えており、 前 記反射表面層は、 前記反射基部層よりも実効的に少ない原子或いは分子密度を有 する原子反射光学素子を反射面に備えていることを特徴とするホログラフィック 原子反射光学素子。
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