低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用物理封装以及物理封装系统的制作方法

本发明涉及低速原子束生成装置、物理封装、光晶格钟用物理封装、原子钟用物理封装、原子干涉仪用物理封装、量子信息处理设备用物理封装以及物理封装系统。

背景技术：

1、光晶格钟是本技术的发明人之一香取秀俊在2001年提出的原子钟。在光晶格钟中，将原子集团封闭在由激光形成的光晶格内，计测可见光区域的谐振频率，因此，能进行18位的精度的计测，远远超过现行的铯钟的精度。光晶格钟不仅由发明人团体进行了锐意研究开发，国内外的各种团体也进行了研究开发，正在发展为下一代原子钟。

2、关于最近的光晶格钟的技术，例如可举出下述专利文献1～3。在专利文献1中记载有在具有中空的通道的光波导的内部形成一维的移动光晶格。在专利文献2中记载有设定有效魔法频率的方案。另外，在专利文献3中记载有降低来自于从周围的壁放射出的黑体辐射的影响的辐射屏蔽件。

3、在光晶格钟中，由于以高精度进行时间计测，因此，能够将基于重力的广义相对论效应的地球上的1cm的高度差检测为时间进程上的偏离。因此，如果能够使光晶格钟小型化、便携化而在研究室外的现场使用，则可应用性会扩展到地下资源探测、地下洞穴、岩浆房检测等新的大地测量技术。通过将光晶格钟进行量产并配置在各地，连续监视重力势的时间变动，地壳变动检测、重力场的空间测绘等应用也成为可能。这样，光晶格钟被期待超出高精度的时间计测的界限而作为新的基础技术对社会做出贡献。

4、然而，近年来，正在推进使用了被激光冷却至绝对零度附近的低速原子的原子的精密计测装置的研究。在这样的精密计测装置中，高流量且高效地生成低速原子束是重要的。

5、作为可以考虑对生成低速原子束的装置即低速原子束生成装置进行使用的装置，可举出上述的光晶格钟。另外，冷却至极低温的中性原子近年来作为量子计算的量子比特(qubit：量子位)受到关注。在将冷却原子用作量子比特的量子计算机中，与使用固体或液体中的电子自旋或核自旋等其它量子比特的情况相比，不易受到周围的环境的影响。因此，能够长时间保持量子信息。另外，期待着能够使用玻色凝聚(bose condensation)技术增加量子比特数量等优点。

6、作为低速原子束生成装置的1个典型例子，可举出将原子束炉、塞曼减速器以及三维磁光阱组合而成的装置。

7、原子束炉通过热或光使试样从固相向气相转变，进而生成收敛的原子束。所生成的原子束的平均速度遵循由温度表征的麦克斯韦-玻尔兹曼(maxwell-boltzmann)分布，在典型的实验例中具有几百m/s。

8、塞曼减速器通过相对于原子束前进的方向形成梯度磁场，进而对原子束照射激光，来利用辐射压使原子束减速。

9、三维磁光阱例如通过在其阱区域的中心附近形成四极磁场，进而从6个方向对中心照射激光，来捕获(trap：俘获)原子。但是，在这种三维磁光阱中，需要使用用于从至少6个方向照射激光的构成以及用于形成跨越比较宽广的空间的梯度磁场的构成。这种构成会妨碍装置的小型化和省电力化。

10、作为其它装置，提出了在原子束炉和三维磁光阱的构成中组合了二维磁光阱的装置。二维磁光阱例如通过在其阱区域的中心附近形成二维四极磁场，进而从4个方向对中心照射激光，来捕获原子。所捕获的原子被推动激光取出，并被传输到三维磁光阱。

11、另外，在专利文献4中记载有在采用了二维磁光阱的构成中变更激光的方向，谋求流量的效率的改善。

12、另外，从减少入射的激光的数量、使装置的构成简单化的观点出发，提出了以下说明的装置。

13、在专利文献5中记载有一种低速原子束生成装置，具有：原子气体生成器；以及原子冷却装置，其与该原子气体生成器相邻，具有圆锥状镜来实现二维磁光阱法。

14、在专利文献6中记载有一种低速原子束生成装置，具有：原子气体生成器；以及原子冷却装置，其与该原子气体生成器相邻，具有四棱锥状镜来实现二维磁光阱法。

15、这些原子束生成装置是以碱金属(第1族元素)的原子为对象的装置，因此，难以得到蒸气压低的元素的充分的原子流量。

16、在此，在表1中示出各金属元素以及蒸气压为10-5pa时的温度(摄氏)。

17、[表1]

18、

19、各元素、以及表现出10-5pa的蒸气压的温度

20、属于碱金属的铯或铷熔点低，即使在室温(25℃)下蒸气压也高。因此，通过使放置在超高真空下的原子气体生成器在室温下运转，不使用加热装置就能够使原子的状态从固相转变为气相。

21、但是，锶等第2族元素或镱等熔点比较高，室温下的蒸气压低。因此，在专门用于第1族元素的现有的低速原子束生成装置中，难以得到蒸气压低的元素的充分的原子流量。

22、在专利文献7中记载有一种低速原子束生成装置，由原子冷却装置以及具备加热装置的原子单元构成。在该低速原子束生成装置中，通过使锶等碱土类金属被加热装置加热而生成气体原子。另外，用于从低速原子束生成装置的外部向内部入射激光的光学窗由蓝宝石或氧化硅铝酸盐玻璃构成，从而，使其相对于加热后的锶或锶气体原子具有耐腐蚀性。

23、现有技术文献

24、专利文献

25、专利文献1：日本专利第6206973号公报

26、专利文献2：特表2018-510494号公报

27、专利文献3：特开2019-129166号公报

28、专利文献4：美国专利第8,835,833号说明书

29、专利文献5：美国专利第6,303,928号说明书

30、专利文献6：美国专利第7,373,112号说明书

31、专利文献7：美国专利第9,117,563号说明书

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、在上述的专利文献7所记载的低速原子束生成装置中，装置的4个侧面或6个侧面(所有侧面)由光学窗构成。因此，从加热后的低速原子束生成装置经由光学窗向外部的热辐射变大，其结果是，会导致热释放，另外，可能会干扰精密测定。

3、本发明的目的在于，以在室温下饱和蒸气压低的原子为对象，提供低速且高流量的小型原子束生成装置。

4、用于解决问题的方案

5、本发明的1个方案是一种低速原子束生成装置，其特征在于，包含：高温槽，所述高温槽包含：原子源；光学窗，其设置在所述高温槽的一端并使激光通过；以及直角圆锥镜，其设置在所述高温槽的另一端且在顶点具有开口部，将从所述光学窗入射的激光在所述开口部以外的部分朝向所述一端反射；加热器，其通过加热所述高温槽，在所述高温槽内从所述原子源产生原子气体；磁场产生装置，其在由所述直角圆锥镜反射后的激光交叉的区域产生磁场；以及热辐射屏蔽件，其覆盖所述高温槽的开口部以外的部分，通过使用由激光和磁场实现的磁光阱而由原子气体形成原子束，使原子束从所述开口部出射到外部。

6、根据上述构成，即使是使用在室温(例如27℃)下饱和蒸气压低而无法得到充分的原子气体的元素的情况下，也能够通过由加热器加热高温槽而得到充分的原子气体。另外，通过由直角圆锥镜反射后的激光以及由磁场产生装置形成的磁场实现磁光阱，原子被捕获并冷却。冷却后的原子例如通过推动激光输出到低速原子束生成装置的外部。从而，形成低速原子束。另外，通过使用热辐射屏蔽件，即使是在由加热器加热了高温槽的情况下，也能够抑制向低速原子束生成装置的外部的热辐射。其结果是，能够抑制由于黑体辐射的电场而导致的精密测定的测定精度的下降。

7、也可以是，上述的原子源为锶。通过使用上述的构成，能生成锶的低速原子束。锶不过是一个例子，也可以使用在室温下饱和蒸气压低而无法得到充分的原子气体的其它元素。也可以根据所使用的元素改变加热器的设定温度。例如，通过将加热器的设定温度设定为可得到所使用的元素的原子气体的温度，能够得到这种元素的充分的原子气体。具体来说，也可以是，原子源为镱。

8、也可以是，所述磁场产生装置配置在被所述热辐射屏蔽件包围的空间内。这样一来，即使是在使用线圈作为磁场产生装置的情况下，也能够抑制从该线圈向外部的热辐射。

9、也可以是，所述磁场产生装置配置在被所述热辐射屏蔽件包围的空间的外侧。在这种情况下，通过不使用线圈而是使用永久磁铁作为磁场产生装置，可以不设置用于抑制来自该线圈的热辐射的进一步的热辐射屏蔽件。

10、也可以是，低速原子束生成装置还包含冷过滤光学窗，所述冷过滤光学窗在所述光学窗与所述直角圆锥镜之间设置在向所述光学窗入射的激光的光路上。通过设置冷过滤光学窗，即使是在由加热器加热了高温槽的情况下，也能够抑制向低速原子束生成装置的外部的热传递。

11、也可以是，线圈兼具所述磁场产生装置和所述加热器这两者。

12、也可以是，低速原子束生成装置还包含控制装置，所述控制装置通过控制流过所述线圈的电流，从所述线圈产生用于实现磁光阱的磁场，并且从所述线圈产生用于加热所述高温槽的热。

13、也可以是，所述磁场产生装置是具有覆盖所述高温槽的圆筒状的形状并在矢径方向上被磁化的永久磁铁。

14、也可以是，所述磁场产生装置是相对于中心点形成反对称的电流分布、并且总计包括4个电流带的反对称卷绕四线圈或者包括6个以上的偶数个电流带的反对称卷绕线圈。

15、也可以是，低速原子束生成装置还包含控制装置，所述高温槽具有2n(n＝2以上的整数)轴对称的形状，所述磁场产生装置是设置在所述高温槽的包围2n旋转对称轴的侧面上的、形状相等的2n(n＝2以上的整数)个长方形型或鞍型的线圈，所述控制装置通过使隔着2n旋转对称轴相互面对的线圈彼此的电流相互向相反方向流动，从所述磁场产生装置产生二维四极磁场。

16、也可以是，所述高温槽具有2n(n＝2以上的整数)轴对称的形状，所述磁场产生装置是设置在所述高温槽的包围2n旋转对称轴的侧面上的、形状相等的2n(n＝2以上的整数)个四棱柱状或圆弧柱状的永久磁铁，所述永久磁铁在与对称轴成角度的方向上被磁化，隔着2n旋转对称轴相互面对的所述永久磁铁彼此的磁化方向相互为相反方向，从而形成二维四极磁场。

17、也可以是，低速原子束生成装置还包含可拆卸的耐真空窗，拆卸所述耐真空窗，而将所述原子源设置于所述高温槽，或者从所述高温槽取出所述原子源。

18、也可以是，所述高温槽和所述直角圆锥镜由铝、涂敷有铝的金属、或涂敷有铝的绝缘体构成。

19、也可以是，所述高温槽和所述直角圆锥镜由银、涂敷有银的金属、或涂敷有银的绝缘体构成。

20、也可以是，所述高温槽和所述直角圆锥镜由涂敷有光学多层膜的玻璃构成。

21、也可以是，所述光学窗由蓝宝石构成。

22、本发明的1个方案是一种物理封装，其特征在于，包含：上述的低速原子束生成装置；以及真空腔，其包围配置原子的时钟跃迁空间。

23、本发明的1个方案是一种光晶格钟用物理封装，其特征在于，包含上述物理封装。

24、本发明的1个方案是一种原子钟用物理封装，其特征在于，包含上述物理封装。

25、本发明的1个方案是一种原子干涉仪用物理封装，其特征在于，包含上述物理封装。

26、本发明的1个方案是一种针对原子或离子化的原子的量子信息处理设备用物理封装，其特征在于，包含上述物理封装。

27、本发明的1个方案是一种物理封装系统，包含：上述的物理封装；以及控制装置，其控制所述物理封装的动作。

28、发明效果

29、根据本发明，能够以在室温下饱和蒸气压低的原子为对象，提供低速且高流量的小型原子束生成装置。