(57)【要約】【課題】原子間衝突による可干渉性の損失問題を解消した単一モード原子導波路による高感度な原子干渉計を提供する。【解決手段】例えばサファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板１０１の上に、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる配線より構成された原子導波路１０２および原子導波路１０３を備える。原子導波路１０２および原子導波路１０３は、超伝導による閉ループ回路を構成している。また、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、互いに対向する領域を備えて近設されている。原子導波路１０２および原子導波路１０３が対向している領域において、この一端側に原子捕捉領域１１１が配置され、他端側に原子観測領域１１６が配置され、これらの間に干渉領域が配置されている。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成されて超伝導電流が流れる超伝導閉回路から構成され、互いに対向する対向領域を備えて近設された第１原子導波路および第２原子導波路と、
前記対向領域の一端側の少なくとも前記第１原子導波路に設けられ、前記対向領域が延在する方向に対して異なる方向に延在する捕捉部導波路を備える原子捕捉領域と、
前記対向領域の他端側の少なくとも前記第２原子導波路に設けられた原子観測領域と、
前記対向領域の前記原子捕捉領域および前記原子観測領域の間に設けられた前記第１原子導波路および前記第２原子導波路からなる干渉領域と、
前記第１原子導波路および第２原子導波路を貫く互いに異なる向きの第１磁場および第２磁場を印加する電流駆動磁場発生手段と、
前記捕捉部導波路が延在する方向に垂直な第３磁場を前記捕捉部導波路に対して印加する捕捉用磁場発生手段と、
前記対向領域が延在する方向に垂直な第４磁場を前記対向領域の前記第１原子導波路および前記第２原子導波路に対して印加する導波用磁場発生手段と、
前記原子観測領域を導波する原子を観測する原子観測手段と
を少なくとも備え、
前記干渉領域は、前記第１原子導波路および前記第２原子導波路が近接する２つの近接領域と、これら２つの近接領域の間で前記第１原子導波路および前記第２原子導波路が離間している分岐領域とを備える
ことを特徴とする原子干渉計。
【請求項２】
請求項１記載の原子干渉計において、
前記捕捉用磁場発生手段および前記導波用磁場発生手段は、同一の磁場発生手段から構成され、発生する磁場の方向を変更することで、前記第３磁場および前記第４磁場を印加する
ことを特徴とする原子干渉計。
【請求項３】
請求項１または２記載の原子干渉計において、
超伝導電流が流れる前記第１原子導波路および前記第２原子導波路に前記第４磁場が印加されている状態で、
前記近接領域では、前記基板の上側の前記第１原子導波路および前記第２原子導波路の中央部上部に１つの磁場の極小点が形成され、
前記分岐領域では、前記基板の上側の前記第１原子導波路の上部および前記第２原子導波路の上部の各々に磁場の極小点が形成される
ことを特徴とする原子干渉計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子干渉計を用いた原子干渉測定方法であって、
前記基板を、前記原子観測領域の側が前記原子捕捉領域の側より地面に近くなるように配置する第１ステップと、
前記第１原子導波路および前記第２原子導波路に前記第１磁場および前記第２磁場を印加することで、前記第１原子導波路および前記第２原子導波路に互いに異なる向きに流れる超伝導永久電流が流れる状態とする第２ステップと、
前記第３磁場を前記捕捉部導波路に対して印加することで前記原子捕捉領域に原子を捕捉する第３ステップと、
前記第３磁場の代わりに前記第４磁場の印加を開始して前記原子捕捉領域に捕捉された原子を前記第１原子導波路の前記干渉領域の側に導波させる第４ステップと、
前記第４磁場の印加を開始した後で、前記原子観測領域を導波する原子を観測する第５ステップと
を少なくとも備えることを特徴とする原子干渉測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電流の周りに発生する安定な磁場により中性原子を捕捉して導波する原子導波路による原子干渉計および原子干渉測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気モーメントがゼロでない原子は、磁場の勾配から力を受ける。従って、磁場の強いところでエネルギーが高くなる量子状態にある中性原子は、３次元的な極小点を持つ不均一磁場中に置くことで、空間的に閉じ込めることができる。例えば、固体（基板）の表面に微細な配線パターンを形成し、この配線を流れる電流の周りに発生する磁場により、原子を捕捉するマイクロ磁場トラップの技術が開発され、原子の捕捉を実現している（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、上述したようなマイクロ磁場トラップにより原子をガイドする原子導波路が作製され、この原子導波路による原子干渉計の作製が試みられている（非特許文献２参照）。
【０００４】
原子干渉計の開発においては、コヒーレントな原子源で分類すると、単一原子を用いる１原子干渉計と、ボース・アインシュタイン凝縮体を用いる多数原子による原子干渉計が試みられている。特に、ボース・アインシュタイン凝縮体は、多数の原子が干渉に寄与するため、観測が容易になるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、原子は光子と異なり、原子間の相互作用があることが問題となる。ボース・アインシュタイン凝縮体の中では、原子間の相互作用が極めて大きいため、原子は、原子干渉計を通過しているあいだに、原子間相互作用により可干渉性を失う可能性がある。このような原子間衝突（原子間相互作用）による可干渉性の損失の問題は、原子導波路を用いる大きなサイズのより高感度を目指した原子干渉計においては、顕著となる。
【０００６】
上述したような問題を考慮すると、高感度原子干渉計の実現には、多数の原子による干渉ではなく、原子間相互作用の問題が起きない１原子干渉を用いる１原子干渉計に利点が存在する。ただし、１原子干渉計を実現するためには、可干渉性を維持して原子を導く単一モードの原子導波路の開発が重要となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１７３７４５号公報
【非特許文献１】R. Folman, et al. ,"MICROSCOPIC ATOM OPTICS:FROM WIRES TO AN ATOM CHIP", Advances in Atomic,Molecular,and Optical Physics, Vol.48, pp.263-264,2002.
【非特許文献２】Y-J.Wang, et al., "Atom Michelson Interferometer on a Chip Using a Bose-Einstein Condensate", Physical Review Letters, PRL 94,090405,2005.
【非特許文献３】T.Mukai, et al. ,"Persistent Supercurrent Atom Chip", PRL 98,260407, 2007.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、原子間衝突による可干渉性の損失問題が解消できる、単一モードの原子導波路としてのマイクロ磁場トラップを用いる原子導波路は、有効な手段として考えられる。しかしながら、単一モードを実現するためには、原子と電流との距離を小さくした強い閉じ込めが重要となる。しかしながら、原子と電流との距離を小さくした場合、常伝導電流を用いるマイクロ磁場トラップは、電流からのノイズの影響が大きく、単一モードの実現が容易ではないという問題がある。このように、従来の方法では、高感度な原子干渉計が得られていないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子間衝突による可干渉性の損失問題を解消した単一モード原子導波路による高感度な原子干渉計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】
【００１０】
本発明に係る原子干渉計は、基板の表面に形成されて超伝導電流が流れる超伝導閉回路から構成され、互いに対向する対向領域を備えて近設された第１原子導波路および第２原子導波路と、対向領域の一端側の少なくとも第１原子導波路に設けられ、対向領域が延在する方向に対して異なる方向に延在する捕捉部導波路を備える原子捕捉領域と、対向領域の他端側の少なくとも第２原子導波路に設けられた原子観測領域と、対向領域の原子捕捉領域および原子観測領域の間に設けられた第１原子導波路および第２原子導波路からなる干渉領域と、第１原子導波路および第２原子導波路を貫く互いに異なる向きの第１磁場および第２磁場を印加する電流駆動磁場発生手段と、捕捉部導波路が延在する方向に垂直な第３磁場を捕捉部導波路に対して印加する捕捉用磁場発生手段と、対向領域が延在する方向に垂直な第４磁場を対向領域の第１原子導波路および第２原子導波路に対して印加する導波用磁場発生手段と、原子観測領域を導波する原子を観測する原子観測手段とを少なくとも備え、干渉領域は、第１原子導波路および第２原子導波路が近接する２つの近接領域と、これら２つの近接領域の間で第１原子導波路および第２原子導波路が離間している分岐領域とを備えるようにしたものである。
【００１１】
上記原子干渉計において、捕捉用磁場発生手段および導波用磁場発生手段は、同一の磁場発生手段から構成し、発生する磁場の方向を変更することで、第３磁場および第４磁場を印加してもよい。
【００１２】
上記原子干渉計において、超伝導電流が流れる第１原子導波路および第２原子導波路に第４磁場が印加されている状態で、近接領域では、基板の上側の第１原子導波路および第２原子導波路の中央部上部に１つの磁場の極小点が形成され、分岐領域では、基板の上側の第１原子導波路の上部および第２原子導波路の上部の各々に磁場の極小点が形成される。
【００１３】
また本発明に係る原子干渉測定方法は、上述した原子干渉計を用いた原子干渉測定方法であって、基板を、原子観測領域の側が原子捕捉領域の側より地面に近くなるように配置する第１ステップと、第１原子導波路および第２原子導波路に第１磁場および第２磁場を印加することで、第１原子導波路および第２原子導波路に互いに異なる向きに流れる超伝導永久電流が流れる状態とする第２ステップと、第３磁場を捕捉部導波路に対して印加することで原子捕捉領域に原子を捕捉する第３ステップと、第３磁場の代わりに第４磁場の印加を開始して原子捕捉領域に捕捉された原子を第１原子導波路の干渉領域の側に導波させる第４ステップと、第４磁場の印加を開始した後で、原子観測領域を導波する原子を観測する第５ステップとを少なくとも備える方法である。
ことを特徴とする原子干渉測定方法。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導電流が流れる超伝導閉回路から構成され、互いに対向する対向領域を備えて近設された第１原子導波路および第２原子導波路により構成し、第１原子導波路の原子捕捉領域で捕捉した原子を、干渉領域を導波させた後、原子観測領域を導波する原子を観測するようにしたので、原子間衝突による可干渉性の損失問題を解消した高感度な原子干渉計が提供できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施の形態における原子干渉計の構成例を示す構成図である。図１Ａは平面図，図１Ｂは側面から見た構成図である。なお、図１Ｂにおいて、紙面の下方が地面の側であり、紙面の下方の側に重力が作用する状態となっている。
【００１６】
この原子干渉計は、例えばサファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板１０１の上に、例えばニオブ（Ｎｂ）からなる配線より構成された原子導波路１０２および原子導波路１０３を備える。原子導波路１０２および原子導波路１０３は、超伝導による閉ループ回路を構成している。また、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、互いに対向する領域を備えて近設されている。なお、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、Ｎｂに限らず、窒化ニオブ（ＮｂＮ），ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）などの超伝導性を有する材料から構成されていればよい。
【００１７】
まず、原子導波路１０２は、原子導波路１０３と対向している領域において、原子捕捉領域１１１を備える。原子捕捉領域１１１は、上部に原子を捕捉する捕捉部導波路１１１ａを備える。また、原子捕捉領域１１１は、捕捉部導波路１１１ａの一端に接続して捕捉部導波路１１１ａの延在方向とは異なる方向に延在する導波路部分１１１ｂを備える。加えて、原子捕捉領域１１１は、捕捉部導波路１１１ａの他端に接続して捕捉部導波路１１１ａの延在方向および導波路部分１１１ｂの延在方向とは異なる方向に延在する導波路部分１１１ｃを備えている。
【００１８】
また、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、互いに対向している領域において、捕捉側近接領域１１２を備える。また、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、互いに対向している領域（分岐領域）において、各々分岐部１１３および分岐部１１４を備える。また、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、互いに対向している領域において、観測側近接領域１１５を備える。これらの、２つの近接領域と分岐領域により、干渉領域が構成されている。また、原子導波路１０３は、原子導波路１０３と対向している領域において、原子観測領域１１６を備える。
【００１９】
原子捕捉領域１１１，捕捉側近接領域１１２，分岐部１１３および分岐部１１４，観測側近接領域１１５，原子観測領域１１６は、この順に並んで、原子導波路１０２および原子導波路１０３が対向している領域に配置されている。従って、原子導波路１０２および原子導波路１０３が対向している領域において、この一端側に原子捕捉領域１１１が配置され、他端側に原子観測領域１１６が配置され、これらの間に上述した干渉領域が配置されている。
【００２０】
なお、原子導波路１０３においても、原子導波路１０２の原子捕捉領域１１１と対向する領域は、原子捕捉領域１１１と同じ形状とされている。また、原子導波路１０２においても、原子導波路１０３の原子観測領域１１６と対向する領域１１７は、原子観測領域１１６と同じ形状とされている。ここで、本実施の形態では、原子導波路１０２の原子捕捉領域１１１も含め、原子導波路１０２と原子導波路１０３とを、これらが対向している対向領域の延在する方向の直線に線対称な形状としている。このようにすることで、製造などが容易にできる。しかしながら、例えば、原子導波路１０３においては原子捕捉領域１１１は必要なものではなく、原子導波路１０２と原子導波路１０３とが、線対称な状態である必要はない。
【００２１】
また、本実施の形態における原子干渉計は、捕捉部導波路１１１ａの延在方向に対して垂直な方向と、この方向より基板１０１の平面内で異なる方向に磁場を加える磁場発生部１０４を備える。また、原子観測領域１１６を通過する原子の存在を検出（観測）する原子観測部１０５を備える。また、原子導波路１０２および原子導波路１０３を各々貫く駆動用磁場（第１磁場）１３３および駆動用磁場（第２磁場）１３４を印加する電流駆動磁場発生部１０６を備える。駆動用磁場１３３および駆動用磁場１３４は、互いに異なる向き（逆向き）の磁場である。例えば、図１Ａにおいて、駆動用磁場１３３は、紙面奥より紙面手前に向かう磁場であり、駆動用磁場１３４は、紙面手前より紙面奥に向かう磁場である。
【００２２】
また、原子干渉計は、例えば液体ヘリウムなどを用いるクライオスタットなどの冷却部（冷却手段）１４１に取り付けて用いられ、原子導波路１０２および原子導波路１０３を構成している材料（Ｎｂ）の超伝導転移温度（Ｔｃ）以下まで冷却可能とされている。また、原子干渉計は、原子導波路１０２および原子導波路１０３が形成されている測定面１０１ａを、重力が作用する（地面）方向に向けて冷却部１４１に取り付けられている。加えて、原子干渉計は、原子観測領域１１６（領域１１７）の側が原子捕捉領域１１１の側より地面に近くなるように傾けて配置されている。
【００２３】
次に、本実施の形態における原子干渉計の動作について説明する。
【００２４】
まず、電流駆動磁場発生部１０６を動作させ、原子導波路１０２の内側を貫くように駆動用磁場１３３を印加し、原子導波路１０３の内側を貫くように駆動用磁場１３４を印加する。前述したように、駆動用磁場１３３と駆動用磁場１３４とは、互いに逆向きの磁場である。このように磁場を印加した状態で、冷却部１４１を動作させて原子導波路１０２および原子導波路１０３（原子干渉計）の全体を、導波路を構成している材料（例えばＮｂ）の超伝導転移温度以下に冷却する。これらのことにより、原子導波路１０２および原子導波路１０３には、互いに逆向き（図１において点線による矢視線で示す方向）に超伝導永久電流が駆動される。
【００２５】
以上のように、原子導波路１０２および原子導波路１０３には、互いに逆向きに超伝導永久電流が駆動された後、冷却された原子を、原子捕捉領域１１１に近づける。この原子は、例えば、予め室温（２０℃程度）から磁気光学トラップ（ＭＯＴ）で予備冷却した後、四重極磁場トラップ（ＱＭＴ）中に保持した状態で、原子捕捉領域１１１に近づければよい。このようにして、冷却原子を原子捕捉領域１１１に近づけた状態で、磁場発生部１０４を動作させ、捕捉部導波路１１１ａの延在方向に垂直な磁場である捕獲用磁場（第３磁場）１３１を印加する。この磁場印加により、捕捉部導波路１１１ａの上部に磁場トラップが形成され、ＱＭＴに保持されていた冷却原子が、形成された磁場トラップ（原子捕捉領域１１１）に捕捉される状態となる（特許文献１参照）。
【００２６】
以上のようにすることで、原子捕捉領域１１１に原子を捕捉した後、磁場発生部１０４により印加されていた捕獲用磁場１３１を、異なる方向の磁場である導波用磁場（第４磁場）１３２に変更する。導波用磁場１３２は、捕捉側近接領域１１２から分岐部１１３および分岐部１１４を経由して観測側近接領域１１５にかけての導波方向に対して、ほぼ垂直な方向とする。なお、ここでは、磁場発生部１０４により、捕獲用磁場１３１および導波用磁場１３２の両方を印加する構成としたが、これら２つの磁場を異なる磁場発生部で印加するようにしてもよい。
【００２７】
この磁場の印加方向の変更により、原子捕捉領域１１１に捕捉されていた原子は開放され、原子導波路１０２を導波可能な状態となる。ここで、前述したように、原子観測領域１１６の側が原子捕捉領域１１１の側より地面に近くなるように傾いているので、原子捕捉領域１１１に捕捉されていた原子は、重力によって捕捉側近接領域１１２の方向に導波していく。
【００２８】
ここで、原子導波路１０２および原子導波路１０３における原子の捕捉（閉じ込め）による導波について説明する。前述したように超伝導永久電流を流し、また、この電流の方向に垂直な磁場が印加されていると、原子導波路１０２および原子導波路１０３の上に磁場の極小点が形成される。例えば、間隔が十分に離れている分岐部１１３および分岐部１１４などの領域では、図２の（ａ）に示すように、分岐部１１３の上部および分岐部１１４の上部の各々に、磁場の極小点２０１ａおよび磁場の極小点２０１ｂが形成される。このような磁場の極小点２０１ａおよび磁場の極小点２０１ｂに、原子が閉じ込められて導波していく。
【００２９】
また、原子導波路１０２および原子導波路１０３が近接している捕捉側近接領域１１２などの領域では、図２の（ｂ）に示すように、原子導波路１０２および原子導波路１０３の中央部上部に、１つの磁場の極小点２０２が形成されるようになる。従って、例えば、捕捉側近接領域１１２を通過する原子は、この上部に形成される１つの磁場の極小点を導波していくことになる。なお、例えば、２つの原子導波路をより近づけると、図２の（ｃ）に示すように、２つの原子導波路の中央部上部に、上下に２つの磁場の極小点２０３ａおよび磁場の極小点２０３ｂが形成されるようになる。
【００３０】
上述したように、２つの電流の間隔Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３（Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３）により、磁場の極小点が、左右対称に２つ存在する状態から、１つの状態を経て、上下に２つ存在する状態へと連続的に変化する。上述したＬ３のように磁場の極小点が上下に２つ存在する状態では、導波している原子をいずれか一方の原子導波路に分岐させることができない場合が発生する。従って、原子導波路１０２および原子導波路１０３は、Ｌ３にまで近づけないようにする。
【００３１】
以上のようにして原子導波路１０２を導波し始めた原子は、まず、捕捉側近接領域１１２において、原子導波路１０２および原子導波路１０３のいずれかの方にコヒーレントに分岐する。いずれかに分岐した原子は、分岐部１１３および分岐部１１４のいずれかを導波し、観測側近接領域１１５で、原子導波路１０２および原子導波路１０３のいずれかの方にコヒーレントに分岐する。
【００３２】
以上のように、原子捕捉領域１１１で原子を捕捉し、捕獲用磁場１３１を導波用磁場１３２に変更して原子の導波を開始させた後、原子観測部１０５により原子観測領域１１６を通過する原子を観測する。
【００３３】
ここで、原子が、分岐部１１３の方を通過する場合と分岐部１１４の方を通過する場合とで位相差がない場合、原子導波路１０２を導波していた原子は、捕捉側近接領域１１２および観測側近接領域１１５を通過するなかで、原子導波路１０３に流れるようになり、原子観測領域１１６を通過していく。これに対し、原子が、分岐部１１３の方を通過する場合と分岐部１１４の方を通過する場合とで位相差がある場合、原子導波路１０２を導波していた原子は、捕捉側近接領域１１２および観測側近接領域１１５を通過しても、原子導波路１０２の方を導波し続け、領域１１７を通過していく。
【００３４】
従って、上述したように原子観測部１０５による観測で、原子観測領域１１６を通過する原子が確認（検出）されれば、分岐部１１３の方を通過する場合と分岐部１１４の方を通過する場合とで位相差がない状態であることがわかる。これに対し、原子観測部１０５による観測で、原子観測領域１１６を通過する原子が確認（検出）されない場合、分岐部１１３の方を通過する場合と分岐部１１４の方を通過する場合とで位相差がある状態であることがわかる。
【００３５】
以上に説明したように、本実施の形態における原子干渉計によれば、分岐部１１３と分岐部１１４との異なる経路による位相差が検出できる。この位相差は、例えば、受けた重力の差によるものであり、原子干渉計により重力加速度が測定できる。本実施の形態における原子干渉計では、極めてノイズの小さい超伝導永久電流の磁場を利用し（非特許文献３）、原子と電流との間隔を小さくすることで単一モードの原子導波路を構成し、前述したような、磁場の極小点の分割と合成とを用いている。
【００３６】
単一モード原子導波路の形状の自由度は高く、干渉計として重要となる分岐部１１３および分岐部１１４が囲む領域を大きくすることで、高感度化が容易に実現できる。また、本実施の形態における原子干渉計は、固体の表面に形成されているので、一般に用いられている固体素子との組み合わせが容易であり、例えば、原子観測部１０５においては、電気的および光学的な方法での原子の観測が容易である。また、原子干渉による重力の検出は、同様の寸法の光干渉計に比較して１００億倍高感度であり、このような超高感度を利用することで、重力波検出による地下資源の探索などへの応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】本発明の実施の形態における原子干渉計の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態における原子干渉計の構成を示す構成図である。
【図２】電流の近くに形成される磁場の極小点の状態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０１…基板、１０１ａ…測定面、１０２，１０３…原子導波路、１０４…磁場発生部、１０５…原子観測部、１０６…電流駆動磁場発生部、１１１…原子捕捉領域、１１１ａ…捕捉部導波路、１１１ｂ，１１１ｃ…導波路部分、１１２…捕捉側近接領域、１１３，１１４…分岐部、１１５…観測側近接領域、１１６…原子観測領域、１１７…領域、１３１…捕獲用磁場、１３２…導波用磁場、１３３，１３４…駆動用磁場、１４１…冷却部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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