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与流程

本发明涉及冷却原子生成装置、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。

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。实际上，利用锶、镱、汞、镉和镁等在理论上和实验上确定了魔法波长。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、现有技术文献

5、专利文献

6、专利文献1：日本专利第6206973号公报

7、专利文献2：日本专利第6635608号公报

8、专利文献3：日本专利第7189588号公报

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、然而，在原子钟、原子干涉仪等装置中，希望连续地供应被冷却的原子气体，连续地执行计测。但是，当使原子气体滞留在相同的场所时，不能对原子气体实施多个不同的处理，其结果是，将原子气体连续地供应到后级的装置变得困难。

3、本发明的目的在于将原子连续地冷却并连续地供应到后级的装置。

4、用于解决问题的方案

5、本发明的1个方案是一种冷却原子生成装置，其特征在于，包含：第1冷却单元，其在第1区域中通过第1光和磁场来冷却并捕获第1状态的原子；磁阱单元，其通过磁力捕获被光泵浦为第2状态的原子；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光，来冷却所述第2状态的原子；以及供应单元，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状态，来利用移动光晶格或光偶极子导向件将原子供应到后级的装置。在此，第2状态的原子是指总轨道角动量j不为零、具有对于弱的磁场而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(weak field seekingstate)的原子。

6、在上述的构成中，第1状态的原子在第1区域中被冷却、捕获，被光泵浦后的第2状态的原子被磁俘获，并被移动到与第1区域不同的第2区域。在该第2区域通过对第2状态的原子照射第2光，原子被冷却。这样，通过在不同的状态、场所进行原子的捕获和冷却，能够连续地进行原子的捕获和冷却。其结果是，能将原子连续地冷却并供应到后级的装置。例如，上述的磁场是四极磁场。第1状态的原子在四极磁场为零的位置或其周边被磁光俘获。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激光)冷却。

7、也可以是，确定有相互正交的3个轴，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个轴之中的其它2个轴方向的磁场梯度弱的磁场分布，来使原子从所述第1区域移动到所述第2区域。

8、也可以是，所述1个轴方向是重力作用的方向，所述第2区域是所述磁力、重力以及所述第2光的辐射压平衡的位置。

9、也可以是，所述1个轴方向是重力不作用的方向，所述第2区域是所述磁力与所述第2光的辐射压平衡的位置。

10、也可以是，所述1个轴方向是所述第2光的辐射压作用的方向，所述第2区域是所述磁力与所述第2光的辐射压平衡的位置。

11、也可以是，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自所述永久磁铁的磁场形成所述磁场分布。也可以是，所述磁阱单元包含永久磁铁，通过所述永久磁铁在所述第1区域形成所述磁场分布。

12、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述线圈的磁场形成所述磁场分布。

13、也可以是，所述原子是锶原子，所述原子的能级是3p2能级。也可以是，所述原子是钙(ca)原子或镱(yb)原子。

14、也可以是，所述第1光是波长为461nm的激光，所述第1状态是5s21s0状态。

15、也可以是，所述第2光是波长为2.9μm的激光，所述第2状态是5s5p3p2状态。

16、也可以是，所述线圈和所述永久磁铁在所述第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式，以零磁场位置为中心产生四极磁场，在所述第2区域中，以使得作用于原子的重力与所述第2光的辐射压之和、与作用于原子的磁力平衡的方式，形成磁场分布，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同时实现磁阱的磁场分布。

17、也可以是，所述第1区域与所述第2区域是相互在空间上充分分隔开的。也可以是，所述第2区域与所述后级的装置是相互在空间上充分分隔开的。也可以是，将所述第1区域与所述第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上。根据需要，也可以在所述第1区域与所述后级的装置之间设置遮挡光的要素(例如，不透射光的壁等遮光壁)。通过阻断将设置于所述第1区域的磁光阱与所述后级的装置相连的直线路径，能够避免在磁光阱产生的自然放出光作用于原子干涉仪、原子钟等后级的装置而产生时钟跃迁的光频移。

18、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，也可以利用以非零的角度交叉的2个移动光晶格。在此，一个移动光晶格经过所述第2区域，另一个移动光晶格经过所述后级的装置。将前者称为第1移动光晶格，将后者称为第2移动光晶格。

19、在所述第2区域中，原子被光泵浦为对磁场不敏感的第3状态，被所述第1移动光晶格捕获。被捕获的原子被所述第1移动光晶格引导，移动到以非零的角度与所述第2移动光晶格交叉的点。在交叉的点处，被所述第1移动光晶格捕获的原子或被所述第1移动光晶格捕获的一部分原子转移到所述第2移动光晶格，被所述第2移动光晶格捕获。被所述第2移动光晶格捕获的原子被所述第2移动光晶格引导，移动至后级的装置。作为结果，所述第1区域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入到后级的装置。也可以是，移动光晶格由蝴蝶结谐振器形成。也可以是，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连。

20、另外，也可以是，冷却原子生成装置还包含将所述第1区域与所述后级的装置在光学上阻断的遮光壁。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光壁抑制。

21、本发明的1个方案是一种冷却原子生成装置，包含：第1冷却单元，其在第1区域中通过第1光和磁场来冷却并捕获第1状态的原子；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状态弛豫的单元；通过作用于所述第2状态的原子的磁力、重力、以及照射到所述第2状态的原子的第2光的辐射压的平衡，使原子移动到磁场为非零的第2区域的单元；第2冷却单元，其在所述第2区域中通过对所述第2状态的原子照射第2光，来冷却所述第2状态的原子；在所述第2区域中，将原子光泵浦为对磁场不敏感的第3状态的单元；以及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状态的原子的单元，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状态，通过所述磁力、重力以及所述第2光的辐射压的平衡，所述第2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述第2冷却单元冷却之后，通过进行光泵浦的操作而变为第3状态，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，并被从所述第2区域向所述后级的装置供应。

22、本发明的1个方案是一种冷却原子生成方法，其特征在于，包含：第1冷却步骤，在第1区域中，通过第1光和磁场来冷却并捕获第1状态的原子；磁阱步骤，通过磁力捕获被光泵浦为第2状态的原子；使原子从所述第1区域移动到第2区域的步骤；第2冷却步骤，通过对所述第2状态的原子照射第2光，来冷却所述第2状态的原子；以及供应步骤，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供应到后级的装置。

23、也可以是，确定有相互正交的3个轴，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个轴之中的其它2个轴方向的磁场梯度弱的磁场分布，来利用重力或所述第2光的辐射压使原子从所述第1区域移动到所述第2区域。

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

25、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，包含上述的物理封装。

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

27、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，包含上述的物理封装。

28、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，包含上述的物理封装。

29、本发明的1个方案是一种物理封装系统，其特征在于，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。

30、发明效果

31、根据本发明，能将原子连续地冷却并连续地供应到后级的装置。