(57)【要約】【課題】プッシングレーザー光の進行方向と異なる方向に冷却原子線を進行させる冷却原子線生成技術を提供する。【解決手段】プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている原子から冷却原子線を生成する。次いで、２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線、または、ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向を利用して、冷却原子線を偏向する。【選択図】図１
2020020636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている原子から冷却原子線を生成する冷却原子線生成ステップと、
前記冷却原子線を偏向する原子線偏向ステップと
を有し、
原子線偏向ステップでは、２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線、または、ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向を利用して、前記冷却原子線を偏向する
冷却原子線生成方法。
【請求項２】
原子源と、
プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている前記原子源からの原子から冷却原子線を生成する冷却原子線生成器と、
前記冷却原子線生成器からの冷却原子線が入る原子線偏向器と
を含み、
前記原子線偏向器は、２次元磁気光学トラップ機構またはムービングモラセス機構を含み、
前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向は、前記プッシングレーザー光の進行方向と一致し、
前記原子線偏向器が２次元磁気光学トラップ機構である場合、前記２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差し、
前記原子線偏向器がムービングモラセス機構である場合、前記ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差する
冷却原子線生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却原子線生成装置において、
前記原子源は、
固体が昇華する構成、もしくは、液体が蒸発または揮発する構成を持つ
ことを特徴とする冷却原子線生成装置。
【請求項４】
原子干渉計であって、
冷却原子線を連続生成する冷却原子線生成装置と、
３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
を含み、
前記冷却原子線生成装置は、
原子源と、
プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている前記原子源からの原子から冷却原子線を生成する冷却原子線生成器と、
前記冷却原子線生成器からの冷却原子線が入る原子線偏向器と
を含み、
前記原子線偏向器は、２次元磁気光学トラップ機構またはムービングモラセス機構を含み、
前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向は、前記プッシングレーザー光の進行方向と一致し、
前記原子線偏向器が２次元磁気光学トラップ機構である場合、前記２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差し、
前記原子線偏向器がムービングモラセス機構である場合、前記ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差する
ことを特徴とする原子干渉計。
【請求項５】
請求項４に記載の原子干渉計において、
各前記進行光定在波は、ｎを２以上の正整数として、ｎ次Bragg条件を満たす
ことを特徴とする原子干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却原子線生成技術と、当該冷却原子線生成技術を用いる原子干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー技術の進展に伴い、種々の冷却原子線生成技術が開発されている。冷却原子線生成技術として例えば非特許文献１〜８に開示される技術が知られている。
【０００３】
非特許文献１〜３によると、ヘアピンワイヤ（hairpin wires）と呼ばれる磁場生成コイルと冷却用レーザー光対とを含む２次元磁気光学トラップ（two-dimensional magneto-optical trap; 2D-MOT）機構内で原子を冷却し、ムービングモラセス（moving-molasses）の原理を利用して冷却原子集団から冷却原子線を引き出している（例えば、非特許文献２の図１を参照）。
【０００４】
非特許文献４によると、磁場生成コイルと冷却用レーザー光対とを含む2D-MOT機構内で原子を冷却し、プッシングレーザー光を利用して冷却原子集団から冷却原子線を引き出している。
【０００５】
非特許文献５よると、３次元磁気光学トラップ（three-dimensional magneto-optical trap; 3D-MOT）機構における三つのレーザー光対のうち一つのレーザー光対を生成するためのレトロリフレクター（retroreflector）を穴開き１/４波長反射板に置換した構成において、当該一つのレーザー光対における非対称な散乱率を利用して冷却原子集団から冷却原子線を引き出している。この技術はLVIS（low-velocity intense source）と呼称される。
【０００６】
非特許文献６によると、２次元四重極磁場のゼロ磁場線に沿う一つのレーザー光対を2D-MOT機構に追加した構成において、当該一つのレーザー光対におけるビーム強度の違いを利用して冷却原子集団から冷却原子線を引き出している（例えば、非特許文献６の図１を参照）。この技術は2D+-MOTと呼称される。
【０００７】
非特許文献７によると、レーザー光とピラミッド型穴開き反射鏡を用いて原子を３次元冷却し、かつ、冷却原子集団から冷却原子線を引き出している。
【０００８】
非特許文献８によると、2D-MOT機構における四重極磁場のゼロ磁場線に沿って進行する２種類のレーザー光（プッシングレーザー光と中空レーザー光）を利用して、フラックスと速度分布が改善された冷却原子線が得られる（例えば、非特許文献８の図３を参照）。この技術は2D-HP MOTと呼称される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】E. Riis, D. S. Weiss, K. A. Moler, and S. Chu, “Atom Funnel for the Production of a Slow, High-Density Atomic Beam,” Phys. Rev. Lett. 64, 1658 (1990).
【非特許文献２】Swanson, T. B.; Silva, N. J.; Mayer, Shannon K.; Maki, J. J.; and McIntyre, D. H., “Rubidium atomic funnel,” (1996). Physics Faculty Publications and Presentations. 30.
【非特許文献３】T. B. Swanson, N. J. Silva, S. K. Mayer, J. J. Maki and D. H. McIntyre: “Rubidium atomic funnel,” J. Opt. Soc. Am. B, 13, 9, p.1833 (1996).
【非特許文献４】J. Schoser, A. Batar, R. Low, V. Schweikhard, A. Grabowski, Yu. B. Ovchinnikov, and T. Pfau, “Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap,” PHYSICAL REVIEW A, 66, 023410 2002.
【非特許文献５】Z. Lu, K. Corwin, M. Renn, M. Anderson, E. Cornell and C. Wieman: “Low-Velocity Intense Source of Atoms from a Magneto-optical Trap,” Phys. Rev. Lett., 77, 16, pp. 3331-3334 (1996).
【非特許文献６】K. Dieckmann, R. Spreeuw, M. Weidemuller and J. Walraven: “Two-dimensional magneto-optical trap as a source of slow atoms,” Phys. Rev. A, 58, 5, pp. 3891-3895 (1998).
【非特許文献７】J. Arlt, O. Marago, S. Webster, S. Hopkins and C. Foot: “A pyramidal magnetooptical trap as a source of slow atoms,” Opt. Commun., December, pp. 303-309 (1998).
【非特許文献８】Jia-Qiang Huang, Xue-Shu Yan, Chen-Fei Wu, Jian-Wei Zhang, and Li-Jun Wang, “Intense source of cold cesium atoms based on a two-dimensional magneto-optical trap with independent axial cooling and pushing,” Chin. Phys. B Vol. 25, No. 6 063701 (2016).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冷却原子線生成技術は様々な技術に用いられ、例えば、マッハ-ツェンダー型原子干渉計、ラムゼー-ボーデ型原子干渉計などの原子干渉計に利用される。原子干渉計において、冷却原子線は、周波数の異なるレーザー光を対向させて生成され且つ差周波数に応じたドリフト速度を持つ進行光定在波の作用を受ける。
【００１１】
ところで、冷却原子線生成技術によると、生成された冷却原子線の進行方向にレーザー光が進む場合がある。非特許文献４に開示される構成によると、プッシングレーザー光を利用して冷却原子集団から冷却原子線を引き出しているので、生成された冷却原子線の進行方向にプッシングレーザー光が進む。非特許文献５に開示される構成によると、前記一つのレーザー光対を構成する一方のレーザー光が実効的なプッシングレーザー光として働き、このプッシングレーザー光が冷却原子線と一緒に穴開き１/４波長反射板の穴から出る。非特許文献６に開示される構成によると、前記一つのレーザー光対を構成する一方のレーザー光が実効的なプッシングレーザー光として働き、他方のレーザー光を当該一方のレーザー光に対向させるために配置された穴開き反射板の穴から冷却原子線と一緒に出る。非特許文献７に開示される構成によると、前記レーザー光がプッシングレーザー光として働き、ピラミッド型穴開き反射鏡の穴から冷却原子線と一緒に出る。非特許文献８に開示される構成によると、前記２種類のレーザー光のうち一方がプッシングレーザー光であり、このプッシングレーザー光が前記２種類のレーザー光のうち他方（中空レーザー光）を反射させるための穴開き反射板の穴から冷却原子線と一緒に出る。
【００１２】
このような場合、冷却原子線とプッシングレーザー光が同時に原子干渉計に進入するので、プッシングレーザー光が原子干渉に影響を及ぼす可能性がある。
【００１３】
しかし、これらの冷却原子線生成技術は低速度と狭い速度広がりと高いフラックスを持つ冷却原子線を実現可能であり、これらの冷却原子線生成技術を原子干渉計で使用できることが望ましい。
【００１４】
したがって、本発明は、プッシングレーザー光の進行方向と異なる方向に冷却原子線を進行させる冷却原子線生成技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の冷却原子線生成技術は、プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている原子から冷却原子線を生成し、２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線、または、ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向を利用して、冷却原子線を偏向する。
【００１６】
本発明の原子干渉計は、冷却原子線を連続生成する冷却原子線生成装置と、３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、原子線と３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部とを含む。冷却原子線生成装置は、原子源と、プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている原子源からの原子から冷却原子線を生成する冷却原子線生成器と、冷却原子線生成器からの冷却原子線が入る原子線偏向器とを含む。原子線偏向器は、２次元磁気光学トラップ機構またはムービングモラセス機構を含む。冷却原子線生成器からの冷却原子線の進行方向は、プッシングレーザー光の進行方向と一致し、原子線偏向器が２次元磁気光学トラップ機構である場合、２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線は、冷却原子線生成器からの冷却原子線の進行方向と交差し、原子線偏向器がムービングモラセス機構である場合、ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向は、冷却原子線生成器からの冷却原子線の進行方向と交差する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、原子線偏向器によって、プッシングレーザー光の進行方向と異なる方向に冷却原子線を進行させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】冷却原子線生成装置を用いた原子干渉計の構成（例１）を説明するための図。
【図２】冷却原子線生成装置を用いた原子干渉計の構成（例２）を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図は実施形態の理解のためのものであり、図示される各構成要素の寸法は正確ではない。
【００２０】
例示の実施形態では、本発明による実施形態の冷却原子線生成装置１００と、冷却原子線生成装置１００を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、個々の原子が同じ状態にある冷却原子線１３１ａを連続生成する冷却原子線生成装置１００と、干渉部２００と、進行光定在波生成部３００と、観測部４００を含む（図１参照）。この実施形態では、冷却原子線生成装置１００と干渉部２００と観測部４００は図示しない真空容器内に収容されている。
【００２１】
冷却原子線生成装置１００は、真空容器の一区画１００ａ内に、原子源１１０と、空間中でトラップされている原子源１１０からの原子からプッシングレーザー光１２１を利用して冷却原子線を生成する冷却原子線生成器１３０と、冷却原子線生成器１３０からの冷却原子線１３１が入る原子線偏向器１４０を含む。この実施形態では、冷却原子線生成装置１００が2D+-MOT機構と2D-MOT機構を含む構成を持つことを想定しており、それ故、冷却原子線生成器１３０は2D+-MOT機構に相当し、原子線偏向器１４０は2D-MOT機構に相当する。
【００２２】
2D+-MOT機構は、その一例を簡単に述べると、２次元四重極磁場を形成するためのコイル（例えばヨッフェコイル（Ioffe coils））と、２次元四重極磁場の三つの対称軸に沿って配置される三つのレーザー光対と、で構成される。2D+-MOT機構は、三つのレーザー光対によって原子の速度に応じた減衰力を原子に与え（光モラセスの形成）、さらに、２次元四重極磁場による原子の位置に応じたゼーマンシフトとレーザー光対の遷移選択則とに起因するレーザー光対の輻射圧差によって原子の位置に応じた減衰力（２次元四重極磁場のゼロ磁場線に向かう力）を原子に与えることによって、原子を空間中にトラップして冷却原子集団を生成する。
三つのレーザー光対のうち二つのレーザー光対のそれぞれは、互いに対向して進み且つ同じ周波数（原子の共鳴周波数よりも少しだけ小さい周波数）を持つ円偏光σ+，σ-のペアである（σ+に対応するσ-は、σ+を1/4波長反射板で反射させることによって形成される）。当該二つのレーザー光対は互いに直交し（具体的に言えば、一方のレーザー光対における例えばσ+の進行方向と他方のレーザー光対における例えばσ+の進行方向が直交する）、さらに、当該二つのレーザー光対のそれぞれはコイルが形成する２次元四重極磁場のゼロ磁場線と直交する。当該二つのレーザー光対のそれぞれは、2D+-MOT機構内の空間に在る原子をゼロ磁場線と直交する方向にレーザー冷却する。
三つのレーザー光対のうち残りのレーザー光対は、２次元四重極磁場のゼロ磁場線に沿って互いに対向して進み且つ同じ周波数（原子の共鳴周波数よりも少しだけ小さい周波数）を持つ円偏光σ+，σ-のペアである。このレーザー光対は、2D+-MOT機構内の空間に在る原子をゼロ磁場線の方向にレーザー冷却する。ただし、このレーザー光対を構成する一方のレーザー光のビーム強度は他方のレーザー光のビーム強度よりも強く設定される。また、他方のレーザー光は、ゼロ磁場線の方向に対して４５度の角度で配置された穴開き反射板を利用してコイル内の空間に導入されるので、他方のレーザー光は穴開き反射板の穴に対応する「ゼロ磁場線の方向の影（暗部）」を含む。したがって、ビーム強度の差と非対称な散乱率によって一方のレーザー光が実効的なプッシングレーザー光１２１として働き、ゼロ磁場線付近にトラップされている冷却原子集団から冷却原子線１３１が穴開き反射板の穴を通して引き出される。また、上述したとおり、一方のレーザー光（実効的なプッシングレーザー光）は穴開き反射板の穴から冷却原子線と一緒に漏れ出る。
【００２３】
2D-MOT機構は、その一例を簡単に述べると、2D+-MOT機構から２次元四重極磁場のゼロ磁場線に沿った一つのレーザー光対を除外した構成を持つ。
【００２４】
このような冷却原子線生成装置１００では、冷却原子線生成器１３０からの冷却原子線１３１の進行方向（つまり、２次元四重極磁場のゼロ磁場線の方向）は、プッシングレーザー光１２１（つまり、２次元四重極磁場のゼロ磁場線に沿った一つのレーザー光対を構成する一方のレーザー光）の進行方向と一致する。
【００２５】
冷却原子線生成器１３０と原子線偏向器１４０は、原子線偏向器１４０の2D-MOT機構における四重極磁場のゼロ磁場線が冷却原子線生成器１３０からの冷却原子線１３１の進行方向（つまり、2D+-MOT機構における２次元四重極磁場のゼロ磁場線の方向）と交差する位置関係にある。2D-MOT機構における四重極磁場のゼロ磁場線の方向と2D+-MOT機構における２次元四重極磁場のゼロ磁場線の方向とがなす角度は、設計条件などに応じて決まるが、例えば、５度以上６０度以下を満たす所定の角度に設定される。
【００２６】
また、原子源１１０は、固体が昇華する構成、もしくは、液体が蒸発または揮発する構成を持つ。固体または液体は、好ましくは、高純度の単一元素からなる。
【００２７】
上述の冷却原子線生成装置１００では、まず、原子源１１０から気体原子を得る。ストロンチウムやカルシウムなどを使用する場合、加熱装置が必要であるが、ルビジウムやセシウムなどを使用する場合、室温（人間の活動に適した温度）での飽和蒸気圧が高い（つまり、気化し易い）ので、加熱装置を用いずに十分な気体原子を得ることができる。
【００２８】
真空容器の一区画１００ａ内に充満した気体原子（以下、単に原子と呼称する）は、2D+-MOT機構（この実施形態では、冷却原子線生成器１３０）に自然供給される。2D+-MOT機構では、上述したとおり、コイル内の空間中でトラップされている冷却原子集団からプッシングレーザー光１２１を利用して冷却原子線１３１が生成され、且つ、プッシングレーザー光１２１が冷却原子線１３１の進行方向に漏れ出る。
【００２９】
なお、現在の技術水準で達成される冷却原子線１３１のフラックスを考慮すると、真空容器の一区画１００ａ内に充満した原子と冷却原子線１３１との単位時間単位体積当たりの総衝突数は十分に小さい（つまり、平均自由行程が長い）。
【００３０】
冷却原子線１３１および漏れ出たプッシングレーザー光１２１は、2D-MOT機構を含む構成を持つ原子線偏向器１４０に入る。冷却原子線生成器１３０と原子線偏向器１４０の上述の位置関係から、冷却原子線１３１および漏れ出たプッシングレーザー光１２１は、原子線偏向器１４０の2D-MOT機構における四重極磁場のゼロ磁場線と斜めに交わる。そして、2D-MOT機構による原子の速度と位置に応じた減衰力によって、冷却原子線１３１の進路は2D-MOT機構における四重極磁場のゼロ磁場線の方向に変更される。しかし、プッシングレーザー光１２１は2D-MOT機構によって影響を受けないので、プッシングレーザー光１２１の進路は変更されない。したがって、原子線偏向器１４０によって、冷却原子線１３１はプッシングレーザー光１２１の進行方向と異なる方向に進行する。原子線偏向器１４０からの冷却原子線１３１に含まれる個々の原子は光ポンピングによって同じエネルギー準位に設定される。同じエネルギー準位の原子からなる冷却原子線１３１ａは、干渉部２００に入る。冷却原子線１３１（１３１ａ）の進行方向と異なる方向に進むプッシングレーザー光１２１は、適宜に終端処理され、干渉部２００に入らない。
【００３１】
干渉部２００の説明の前に、進行光定在波生成部３００を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、ｎ次（ただし、ｎは２以上の予め定められた正整数である）のBragg回折を利用する。進行光定在波生成部３００は、ｎ次Bragg条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）を生成する。第１の進行光定在波２０１ａは原子線のスプリッターとしての機能を、第２の進行光定在波２０１ｂは原子線のミラーとしての機能を、第３の進行光定在波２０１ｃは原子線のコンバイナーとしての機能をそれぞれ持つという条件も満たす。
【００３２】
このような諸条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）はそれぞれ、ガウシアンビーム（Gaussian Beam）のビームウェスト、波長、光強度、さらに、対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ガウシアンビームのビームウェストは光学的に設定でき（例えばレーザー光をレンズで集光する）、ガウシアンビームの光強度は電気的に設定できる（例えばガウシアンビームの出力を調整する）。つまり、進行光定在波の生成パラメータが従来の生成パラメータと異なるのであり、これら３個の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部３００の構成は従来の構成と異ならないから、進行光定在波生成部３００の構成の説明を省略する（図１では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、ＡＯＭなどが図示されている）。
【００３３】
干渉部２００では、冷却原子線１３１ａは３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを通過する。本実施形態における原子干渉計では、同じ内部状態における異なる２個の運動量状態|g, p0>と|g, p1>との間の光照射による遷移が利用される。
【００３４】
冷却原子線１３１ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、初期状態が|g, p0>にある個々の原子の状態は|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に変化する。第１の進行光定在波２０１ａと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第１の進行光定在波２０１ａを通過した直後の|g, p0>の存在確率と|g, p1>の存在確率の比は１対１になる。原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p0>から|g, p1>に遷移する際に光子２ｎ個分の運動量（=p1-p0）を得る。したがって、状態|g, p1>の原子の運動方向は、状態|g, p0>の原子の運動方向から大きくずれる。つまり、冷却原子線１３１ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、冷却原子線１３１ａは、１対１の割合で、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線に分裂する。状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向はｎ次のBragg条件に基づく方向である。０次光の方向（つまり、Bragg回折しなかった状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向）とｎ次のBragg条件に基づく方向とが成す角は、０次光の方向と１次のBragg条件に基づく方向とが成す角のｎ倍である。つまり、状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向の広がり（換言すると、乖離）を大きくできる。
【００３５】
分裂後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第２の進行光定在波２０１ｂを通過する。このとき、第２の進行光定在波２０１ｂと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第２の進行光定在波２０１ｂを通過することによって、状態|g, p0>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p1>の原子からなる原子線に反転し、状態|g, p1>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p0>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g, p0>から|g, p1>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p0>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p1>から|g, p0>に遷移する際に２ｎ個の光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|g, p1>から|g, p0>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|g, p1>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。
【００３６】
反転後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第３の進行光定在波２０１ｃを通過する。この通過時点にて、反転後の状態|g, p0>の原子からなる原子線と反転後の状態|g, p1>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、第３の進行光定在波２０１ｃと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に応じた冷却原子線１３１ｂが得られる。第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる冷却原子線１３１ｂの進行方向は、理論的には、０次光の方向とｎ次のBragg条件に基づく方向のいずれか一方または両方である。
【００３７】
マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００に、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路を含む平面内の角速度または加速度が加わると、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路に位相差が生じ、この位相差が第３の進行光定在波２０１ｃを通過した個々の原子の状態|g, p0>の存在確率と状態|g, p1>の存在確率に反映される。したがって、観測部４００は、干渉部２００からの冷却原子線１３１ｂ（つまり、第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる冷却原子線１３１ｂ）を観測することによって角速度または加速度を検出できる。例えば、観測部４００は、干渉部２００からの冷却原子線１３１ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|g, p1>の原子からの蛍光を光検出器４０９によって検出する。光検出器４０９としては、光電子増倍管、蛍光フォトディテクタなどを例示できる。また、本実施形態によると空間分解が向上する、つまり第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路（状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線）の間隔が広いので、光検出器４０９としてＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。あるいは、光検出器４０９としてチャンネルトロンを用いる場合は、第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路の一方の原子線を、プローブ光の替わりにレーザー等によってイオン化し、チャンネルトロンでイオンを検出してもよい。
【００３８】
＜他の実施形態＞
前記の実施形態では、冷却原子線生成器１３０は2D+-MOT機構を含む構成を持つ。しかし、冷却原子線生成器１３０はプッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている原子から冷却原子線を生成すればよいので、2D+-MOT機構を含む構成に限定されず、例えば、LVIS機構を含む構成、2D-MOT機構を含む構成、2D-HP MOT機構を含む構成、あるいは、レーザー光とピラミッド型穴開き反射鏡を用いて冷却原子線を生成する構成を持ってもよい。
【００３９】
また、前記の実施形態では、原子線偏向器１４０は2D-MOT機構を含む構成を持つ。しかし、原子線偏向器１４０は冷却原子線生成器１３０からの冷却原子線を偏向すればよいので、2D-MOT機構を含む構成に限定されず、例えば、ムービングモラセス機構を含む構成を持ってもよい（図２参照）。
【００４０】
ムービングモラセス機構は、その一例を簡単に述べると、少なくとも一つのレーザー光対を含む。レーザー光対は進行光定在波を形成する。進行光定在波はそのドリフト方向に原子に速度を与える。ムービングモラセス機構が二つのレーザー光対を含む場合、各レーザー光対は進行光定在波を形成する。二つの進行光定在波の交差領域に入った原子は、二つの進行光定在波のドリフト方向（具体的には、二つのドリフト方向の合成方向）に速度を与えられる。
原子線偏向器１４０がムービングモラセス機構を含む構成を持つ場合、冷却原子線生成器１３０と原子線偏向器１４０は、ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向が冷却原子線生成器からの冷却原子線の進行方向と交差する（好ましくは、直交する）位置関係にある。
冷却原子線１３１および漏れ出たプッシングレーザー光１２１は、ムービングモラセス機構を含む構成を持つ原子線偏向器１４０に入る。冷却原子線生成器１３０と原子線偏向器１４０の上述の位置関係から、冷却原子線１３１および漏れ出たプッシングレーザー光１２１は、原子線偏向器１４０のムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向と斜めに交わる。そして、ムービングモラセスの原理によって、冷却原子線１３１の進路は変更される。しかし、プッシングレーザー光１２１はムービングモラセス機構によって影響を受けないので、プッシングレーザー光１２１の進路は変更されない。したがって、原子線偏向器１４０によって、プッシングレーザー光１２１の進行方向と異なる方向に冷却原子線１３１は進行する。
【００４１】
また、上述の実施形態では、ｎ次（ｎ≧２）のBragg回折を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉を説明したが、このタイプに限定されず、例えば、進行光定在波による２光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉計であってもよい（参考文献１参照）。
（参考文献１）T. L. Gustavson, P. Bouyer and M. A. Kasevich, “Precision Rotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope,” Phys. Rev. Lett.78, 2046-2049, Published 17 March 1997.
【００４２】
また、例えば、上述の実施形態では、３個の進行光定在波を用いて、１回の分裂と１回の反転と１回の混合を行うマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このような実施形態に限定されず、本発明の原子干渉計は、例えば複数回の分裂と複数回の反転と複数回の混合を行う多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用した実施形態として実施することもできる。このような多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉については、参考文献２を参照のこと。
（参考文献２）Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A 63, 063611 (2001) - Published 16 May 2001.
【００４３】
また、本発明の原子干渉計は、マッハ-ツェンダー型原子干渉計に限らず、例えばラムゼー-ボーデ型原子干渉計であってもよい。
【００４４】
この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１００          冷却原子線生成装置
１００ａ        区画
１１０          原子源
１２１          プッシングレーザー光
１３０          冷却原子線生成器
１４０          原子線偏向器
１３１          冷却原子線
１３１ａ        冷却原子線
１３１ｂ        冷却原子線
２００          干渉部
２０１ａ        第１の進行光定在波
２０１ｂ        第２の進行光定在波
２０１ｃ        第３の進行光定在波
３００          進行光定在波生成部
４００          観測部
４０８          プローブ光
４０９          光検出器
５００          原子干渉計
【図１】
2020020636.tif 000003
【図２】
2020020636.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月30日(2019.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４】
原子干渉計であって、
冷却原子線を連続生成する冷却原子線生成装置と、
３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
前記冷却原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
を含み、
前記冷却原子線生成装置は、
原子源と、
プッシングレーザー光を利用して、空間中でトラップされている前記原子源からの原子から冷却原子線を生成する冷却原子線生成器と、
前記冷却原子線生成器からの冷却原子線が入る原子線偏向器と
を含み、
前記原子線偏向器は、２次元磁気光学トラップ機構またはムービングモラセス機構を含み、
前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向は、前記プッシングレーザー光の進行方向と一致し、
前記原子線偏向器が２次元磁気光学トラップ機構である場合、前記２次元磁気光学トラップ機構における四重極磁場のゼロ磁場線は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差し、
前記原子線偏向器がムービングモラセス機構である場合、前記ムービングモラセス機構における光定在波のドリフト方向は、前記冷却原子線生成器からの前記冷却原子線の進行方向と交差する
ことを特徴とする原子干渉計。