CN119452534A 冷却原子生成装置、冷却原子生成方法、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 （国立研究开发法人理化学研究所）

2024.12.27PCT/JP2023/0200332023.05.30WO2024/004487JA2024.01.04在通过第1光和磁场来捕获第1状态的原子的原子通过重力或第2光的辐射压从第1区域移光泵浦为对磁场不敏感的第3状态，原子被从磁2第2冷却单元，其通过对从所述第1区域移动到第2区域的所述第2状态的原子照射第2供应单元，其在所述第2区域中通过将原子光泵浦为对磁场不敏感的第3状所述磁阱单元通过形成所述3个轴之中的1个轴方向的磁场梯度比所述3个轴之中的其所述1个轴方向是所述第2光的辐射压作用所述第2区域是所述磁力与所述第2光的辐射压所述磁阱单元包含线圈和永久磁铁，通过来自所述线圈的磁场和来所述磁阱单元包含在由所述2个轴确定的平面上形成二维四极磁场的永久磁铁和在所述1个轴方向上形成磁场的线圈，通过来自所述永久磁铁的磁场和来自所述线圈的磁场形在所述第1区域中，以使得对所述第1状态的原子由所述第1冷却单元实现磁光阱的方在所述第2区域中，以使得作用于原子的重力与所述第2光的在所述第2区域形成的磁场分布是由非零的有限磁场形成、并在防止马约拉纳翻转的3所述第1区域与所述第2区域是在空间上分在所述第1区域产生的自然放出光向所述后级的装置的入射由所还包含将所述第1区域与所述后级的装置在光学上所述第2区域与所述后级的装置通过以非零的角度交叉的2个移动光晶格在光学上相所述供应单元通过所述2个移动光晶格将原子供应到所述在所述第1区域产生的自然放出光向所述后级的装置的入射由所还包含将所述第1区域与所述后级的装置在光学上所述第2区域与所述后级的装置通过共有交点而接连的多个移动光晶格在光学上相所述供应单元通过所述多个移动光晶格将原子供应到所述在所述第1区域产生的自然放出光向所述后级的装置的入射由所通过在激光冷却过程中产生的光泵浦使在所述第1区域被捕获的原子的状态向第2状第2冷却单元，其在所述第2区域中通过对所述第2状态的通过移动光晶格或光偶极子导向件从所述第2区域向后级的装置供应所述第3状态的输入到所述第1区域的所述第1状态的原子由所述第1冷却单元冷却而跃迁为所述第2移动到所述第2区域的原子的状态在由所述第2冷却单元冷却所述第3状态的原子被移动光晶格或光偶极子导向件捕获，并被从4供应步骤，在所述第2区域中通过将原子光泵浦为对磁场不在所述磁阱步骤中，通过形成所述3个轴之中的1个轴方向的磁场梯度比所述3个轴之5[0002]光晶格钟是本申请的发明人之一香取秀俊在2001年提出的原子钟。在光晶格钟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出高精度的时间计测的界限而作为新的基础6过将原子光泵浦为对磁场不敏感的第3状态，来利用移动光晶格或光偶极子导向件将原子塞曼能量下降的磁量子数mJ的原子，也就是说处于弱场寻求状态(weakfieldseeking被光泵浦为对磁敏感的第2状态后的原子被该四极磁场磁俘获。在不包含四极磁场为零的位置的第2区域(也就是说原子的移动目的地的区域)，原子由第2光(例如窄线宽冷却用的[0021]也可以是，所述磁阱单元包含在由所述2个轴确定的平面上形成二维四极磁场的永久磁铁和在所述1个轴方向上形成磁场的线圈，通过来自所述永久磁铁的磁场和来自所7与所述第2区域连结的直线和将所述第2区域与所述后级的装置连结的直线不在同一直线[0027]为了将所述第1区域与所述后级的装置相互在空间上分隔开，也可以利用以非零与所述后级的装置在空间上分隔开，或者能够抑制在所述第1区域产生的自然放出光子侵述后级的装置通过共有交点而接连的多个移动光晶格在学上阻断的遮光壁。在所述第1区域产生的自然放出光向所述后级的装置的入射由所述遮所述第1区域被捕获的原子的状态向第2状态弛豫的单元；通过作用于所述第2状态的原子状态的原子从所述第1区域向所述第2区域移动，移动到所述第2区域的原子的状态在由所中通过将原子光泵浦为对磁场不敏感的第3状态，来利用移动光晶格或光偶极子导向件将8的1个轴方向的磁场梯度比所述3个轴之中的其它2个轴方向的磁场梯度弱的磁场分布，来[0034]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，包含上述的物理封[0037]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9量子计测设备等计测物理量。列举具体例子的话，纵拉姆塞分光单元(HidetoshiKatori,“LongitudinalRamseyspectroscopyofatomsforcontinuousoperationof冷却到在第3工序中能处理的程度的冷却工序和将冷却原子引导到后考虑重力(在原子的质量有限的情况下有效的外力)、磁有效的外力)或激光辐射压(例如，用于激光减速、磁光阱(MOT)或移动黏团(moving[0073]图1示出了锶原子的能级。根据使用锶原子的研究(MasamiYasudaandHidetoshiKatori,“LifetimeMeasurementofthe3P2MetastableStateof态的原子的寿命足够长，根据使用锶原子的研究(S.B.Nagel,C.E.Simien,S.Laha,P.Gupta,V.S.Ashoka,andT.C.Killian,“Magnetictrappingofmetastable3P2[0075]作为增加3P2状态的原子的数量的方法，可举出执行利用了相当能量差的1S0_1P1间的激发的磁光阱和对于通过弛豫跃迁到3P2状态的原子利用了相当于496nm的波长的能量差的3P2_3D3间考虑执行利用了相当于2.9μm的波长的能量差的3P2_3D3间的激发的多普勒冷却。其间的跃迁线宽极窄，为57kHz，因此能够实现几个微开尔文的低的冷却到达温度(TomoyaAkatsuka,KojiHashiguchi,TadahiroTakahashi,NoriakiOhmae,MasaoTakamotoandHidetoshiKatori,“Three_stagelasercoolingofSratomsusingthe5s5p3P2metastablestatebelowDopplertemperatures”,PHYSICALREVIEWA103,023331S0状态的原子的使用准三维四极磁场的磁光阱(P2状态的原子的使用准三维四极磁场的磁阱P2状态的原子移动至磁力与重力或辐射压平衡的位置P2状态的原子进行窄线宽冷却lattice)或光偶极子导向件(opticaldP2状态的原子的Ioffe_PritchardP2状态的原子进行窄线宽冷却[0103]A3所示的准三维四极磁场具有1个轴方向的磁场梯度比其它2个轴方向的磁场梯YZ[0109]在A3中，通过上述的准三维四极磁场与在1S0_1P1状态间共振的461nm激光的相互P2状态的原子之中磁量子数mJ为1或2的原子，弱的磁场在能量上是作用势U在零磁场位置附近由以下的式[0113]g是g因子(在原子的状态为3P2状态的情况下，g＝3/2)，μB是玻尔磁子(Bohrmagmag[0118]在A5中，第2光的辐射压(FRad)在Y方向上作用于原子。当辐射压比零磁场位置的magF的Y分量大时，原子会通过辐射压从零磁场位置向_Y方向(也就是说第2光的行进方向)mag过重力使原子在Y轴上从零磁场中心移动至被捕获的位置(重力、磁力以及所述第2光的辐面，为了由磁光阱将1S0状态的原子充分冷却，对3P2状态的原子进行磁俘获(magnetic[0122]各向异性强的准三维四极磁场例如能够由棒状的永久磁铁与线圈的组合来实现。[0127]在B2中，通过磁场分布和激光对从原子炉在Y轴方向上出射的原子气体施加辐射[0133]生成从1P1状态经过1D2状态弛豫至3P2状态的原子。处于3P2状态具有喜欢弱的磁场的性质这一点来将原子向磁场为最小值该位置的磁场不是零。在第2实施方式中，始终在存在成为f(y)的有限磁场的区域处理原迁的塞曼频移使得以激发σ+跃迁的方式入射的激光冷却光相对于π跃迁或σ_跃迁充分成为Iysg'Bol»hy···(5)[0145]也可以将第1实施方式的构成及工序(工序A0～A7)与第2实施方式的构成及工序YZZ)})也可以用于针对1S0状态的原子的磁光阱、针对3P2状态的原子[0150]以下，参照图4至图7来说明第1实施方式的冷却原子生成装置和冷却原子生成方法。图4是示出第1实施方式的冷却原子生成装置的立体图。图5是示出磁光阱装置(MOT装[0151]第1实施方式的冷却原子生成装置10包含原子炉12、塞曼减速器14以及磁光阱装器用于向加热器供应电力。热辐射屏蔽件用于屏蔽从加热器和试样容器向外部的热辐射。越小的磁场。另外，共振激光14b从与原子束的行进方向相反的方向(_X方向)照射到膛孔[0155]多个光学元件例如包含光源、λ/4镜20等镜(mirror)以及射束分离器(beam26的长度(永久磁铁26延伸的方向的长度(也就是说Y方向的长度))相同程度的内径。线圈[0159]以使得线圈24在实现磁光阱的捕获空间的中心位置形成的磁场的强度的绝对值ZZ[0170]通过该准三维四极磁场以及频率被调整后的激光群18与从塞曼减速器14出射的[0174]移动到位置30的88Sr原子云通过与照射到位置30的激光28(波长为2.9μm的激光)速法的共振激光和用于磁光阱的激光沿着塞曼减速器的中心轴从原子炉侧向磁光阱装置生部14a是递减场(decreasingfield)型的磁场产生器，产生越远离原子炉12则强度越小分布成为以塞曼磁场的对称轴为基准从由变形例2的构成形成的准三维四极磁场的分布旋成包含λ/4镜90和包围相当于后级的时钟跃迁空间92的遮光壁94。遮光壁94是阻断机构的个例子，从第1区域向第2区域的第1移动方向与从第2区域向时钟跃迁空间92的第2移动方棒状的永久磁铁26形成的磁导向件上。3P2状态的原子通过窄线宽冷却用的激光28的辐射因此从第1区域向时钟跃迁空间92直接漏入的光或经过开口部94a从第1区域向时钟跃迁空结的直线和将第2区域与时钟跃迁空间92连结的直线不配置在同一直线上的方式形成第1迁空间92作为后级的构成，并形成第1区域(附图标记32指示的空间)和第2区域(附图标记[0189]以下，参照图10至图13来说明第2实施方式的冷却原子生成装置和冷却原子生成[0190]第2实施方式的冷却原子生成装置50包含原子炉52、塞曼减速器54以及磁光阱装[0191]原子炉52具有与第1实施方式的原子炉12相同的构成，通过由加热器对试样进行54的磁场产生部54a(也就是说塞曼线圈)和停止线圈6[0200]在3P2状态下磁量子数mJ为1或2的88Sr原子有喜欢弱的磁场的性[0203]图12示出了Y方向的磁场分量BY。BY从塞曼减速器54的[0204]移动到极小位置66的88Sr原子云通过与从光源69照射到极小位置66的激光68(波长为2.9μm的激光)相互作用而被进行多普勒冷却，88Sr原子云的温度下降至几个微开尔文[0207]用于在Y方向上施加辐射压的激光70从与用于塞曼减速法的激光54b相同的端口获的原子或被第1移动光晶格106捕获的一部分原子转移到第2移动光晶格108，被第2移动的蝴蝶结(bow_tie)谐振器来实现作为变形例9的构成要素之一的2个移动光晶格106、108(也就是说，以非零的角度交叉的2个移动光晶格)。为了实现蝴蝶结谐振器，配置入射镜[0214]如18所示，以使得第2区域(附图标记30指示的空间)和时钟跃迁空间92配置在蝴蝶结谐振器内的光路上的方式来配置各构成。当相互失谐的2个移动光晶格用的激光118、用的激光120透射过入射镜110，照射到时钟跃迁空间的另一个开口部94b(开口部94a的相反侧的开口部)。照射到开口部94a的激光118和照射到开口部94b的激光120穿过时钟跃迁空间92，分别从相反的开口部出来，在相反的光路上行进并由入射镜110反射而被循环利[0219]作为将在第2状态下充分被冷却的第3状态的原子从第2区域朝向后级的装置引导[0221]参照图19来说明使用各实施方式的冷却原子生成装置的光晶格钟200的概略构[0223]物理封装202包含第1或第2实施方式的冷却原子生成装置，是捕获原子集团并将其封闭在光晶格中引起时钟跃迁(clocktransition)的装置。光学系统装置204是具备原中由原子集团放出的荧光信号并将其转换为电信号且向激光源进行反馈以匹配原子的共振频率等的处理。控制装置206是控制物理封装202和光学系统装置204的装置。控制装置[0224]PC208是包含处理器和存储器的通用计算机。通过由包含处理器和存储器的硬件控制装置206，可以不仅对控制装置206进行控制，还对包含物理封装202和光学系统装置204在内的整个光晶格钟200进行控制。另外，PC208提供光晶格钟200的UI(User[0225]此外，有时将包含物理封装202以及物理封装202的控制所需的构成的系统称为磁光阱产生的自然放出光作用于时钟跃迁空间而在后级的装置产生