(57)【要約】反物質またはエキゾチック物質（反物質と通常の物質の混合物）の電気的に中性の励起スペシー16、とくに励起ポジトロニウム（Ｐs*）16を捕捉して蓄積できる装置が提供される。反物質トラップは１以上の空洞10を含む３次元または２次元光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造14を含む。スペシー16は空洞10または空洞10のアレイ110に蓄積される。ＰＢＧ構造14は基底状態への崩壊を防止してピックオフプロセスを阻止することにより励起スペシー16の早期消滅を阻止する。蓄積密度を増加させるためにＰs*のボーズ・アインシュタイン凝固形が使用されることができる。この装置で達成可能な長い寿命と高い蓄積密度により、医療、材料試験、ロケットモータ、高電力／高エネルギ密度蓄積、ガンマ線レーザを含むいくつかの分野において有用であると同時に、原子炉またはハイブリッドロケット推進システムで核融合反応を開始させる点火装置として有用である。【選択図】図１
2007500349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起されたスペシー(16)用の反物質蓄積装置において、
少なくとも１つの光子バンドギャップ（ＰＢＧ）空洞(10)を含む３次元または２次元ＰＢＧ構造(14)を有しており、前記ＰＢＧ空洞(10)は前記ＰＢＧ構造(14)中に埋込まれた空洞壁(12)を備え、このＰＢＧ構造によりその周囲を取囲まれ、反物質の電気的に中性の励起された原子および分子とエキゾチック物質の電気的に中性の励起された原子および分子とからなるグループから選択された多量のスペシー(16)を含んでいる反物質蓄積装置。
【請求項２】
前記ＰＢＧ構造(14)は、前記反物質蓄積装置中に蓄積される各スペシー(16)に特有の周波数でバンドギャップを共同して生じさせる材料および幾何学的構成を含んでいる請求項１記載の反物質蓄積装置。
【請求項３】
前記電気的に中性の励起されたスペシー(16)は、ポジトロニウム、反水素、プロトニウム、アンチミューオニウム、分子ポジトロニウム、ポジトロニウムを含む分子、通常の物質に束縛されたポジトロニウム分子、単一の負の電荷を有する通常の物質に束縛された単一の正の電荷を有する陽電子を含む電気的に中性の分子からなるグループから選択され、前記励起されたポジトロニウム(16)は、軌道中では束縛されているが第１の距離（Ｓ1）だけ離されている電子(16a)および陽電子(16b)を含み、前記励起されたポジトロニウムは前記空洞壁(12)から第２の距離（Ｓ2）だけ離されている請求項１記載の反物質蓄積装置。
【請求項４】
前記ＰＢＧ空洞(10)のアレイ(110)を含んでおり、各ＰＢＧ空洞(10)はその最も近い隣接ＰＢＧ空洞(10)から第３の距離（Ｓ3）だけ離されている請求項１記載の反物質蓄積装置。
【請求項５】
請求項１記載の前記反物質蓄積装置を設け、
前記スペシー(16)を前記少なくとも１つのＰＢＧ空洞(10)中に導入するステップを含んでいる反物質(16)を捕捉する方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法にしたがって前記反物質を捕捉し、
前記スペシー(16)を励起するステップを含んでいる反物質スペシー(16)を励起状態に励起する方法。
【請求項７】
前記導入する前記ステップは、
（ａ）前記反物質を放射線源または加速器ソースから、前記ＰＢＧ構造の前記ＰＢＧ材料(14)内に配置された、あるいは前記ＰＢＧ構造(14)の外側に配置された減速材を通って注入する方法と、
（ｂ）電子ビームにより発生された高エネルギガンマ線によって、あるいはニュートロン捕捉プロセスの副産物として陽電子(16b)および電子(16a)を対で生成し、ここで前記ニュートロンはコリメートされたビームで前記ＰＢＧ構造(14)を照射し、あるいは前記ＰＢＧ構造(14)が豊富なニュートロンが存在する核原子炉の内部に配置される方法と、
（ｃ）前記ＰＢＧ構造(14)中に陽電子を放出する放射性材料を埋込み、その結果“自己帯電”装置が生成され、ここで陽電子(16b)が前記ＰＢＧ構造(14)中に導入され、前記空洞(10)の前記壁(12)において電子(16a)をピックアップし、前記空洞(10)内においてポジトロニウム原子(16)を生じさせる方法との３つの方法の中の１つが選択される請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記スペシー(16)を励起する方法は、
（ａ）前記スペシー(16)を前記励起状態にするために前記ＰＢＧ構造(14)の外側で高エネルギ状態に同調されたレーザを使用する方法と、
（ｂ）前記周囲を取囲むＰＢＧ構造(14)によってそれ以上の崩壊が阻止される適切な励起状態にカスケードダウンするさらに高励起の状態で前記励起スペシー(16)を生成する方法と、
（ｃ）放射された高エネルギ陽電子(16b)が前記ＰＢＧ材料を横断するときに減速され、また、それらが前記空洞壁(12)を通過するときに電子(16a)を捕捉してポジトロニウムをリュードベリ状態で形成するように前記ＰＢＧ構造(14)中に埋込まれたβ+崩壊を示す放射線源を使用してＰs*(16)の形成期間中に前記励起された状態を直接的に達成する方法との中の１つが選択され、前記リュードベリ状態は前記励起された状態であることが可能であり、あるいはそれは前記励起された状態にカスケードダウンした高エネルギの状態であることができ、もしくはそれは前記励起された状態あるいは前記励起された状態より高いエネルギの状態にレーザでポンプアップされてそれに続いて前記励起状態にカスケードダウンされることのできる低エネルギの状態であることができる請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記ＰＢＧ構造(14)中に前記ＰＢＧ空洞(10)のアレイ(110)を含んでおり、各ＰＢＧ空洞(10)は光子局所化長より短い距離だけその最も近い隣接空洞(10)から離されており、各空洞(10)は多数の前記スペシー(16)を含んでいる請求項１記載の前記３次元または２次元光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造(14)を含んでいる状態の反物質。
【請求項１０】
別の電子(16a)から隔てられており、請求項１記載の前記光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造(14)中の前記少なくとも１つの空洞(10)内に閉込められた励起された状態のポジトロニウム（Ｐs*）(16)を含んでいる安定形態のエキゾチック物質。
【請求項１１】
ポジトロニウム(16)の前記励起された状態は、前記閉込められた材料の密度を増加させるためにボーズ・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）形態にされている請求項１０記載の安定形態のエキゾチック物質。
【請求項１２】
ポジトロニウム（Ｐs*）(16)が空洞壁(12)における電子(16a)と相互作用する寿命短縮ピックオフプロセスの発生を前記ＰＢＧ構造(14)により実質的に減少させている請求項１０記載の安定形態のエキゾチック物質。
【請求項１３】
請求項１記載の前記光子バンドギャップ構造(14)内に配置された前記少なくとも１つの空洞(10)の空洞壁(12)と相互作用している反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起されたスペシー(16)により形成された定常状態の重ね合せまたは安定した光子・スペシー・空洞(18-16-10)束縛状態を形成するための局所化された光子(18)と部分的に励起されたスペシー(16)との組合せにおいて、
前記相互作用は光子(18)によって仲介されている局所化された光子(18)と部分的に励起されたスペシー(16)との組合せ。
【請求項１４】
前記スペシー(16)は励起されたポジトロニウム（Ｐs*）(16)であり、この励起されたポジトロニウム（Ｐs*）(16)は、それが励起状態に留まり、それによって基底状態からの自己消滅が阻止されるために非常に長い寿命を創り出し、前記寿命は少なくも数秒である請求項１３記載の組合せ。
【請求項１５】
請求項１記載の前記反物質蓄積装置を設け、
ポジトロニウム(16)を励起状態に維持する役割をもつバンドギャップをシフトし、あるいはオフに切換える方法で構成コンポーネントの屈折率コントラスト、幾何学的構成、スペーシングおよび、または形状が変化するように前記ＰＢＧ構造(14)に摂動を生じさせ、それによってガンマ線放射を行なうステップを含んでいるガンマ線放射を行なう方法。
【請求項１６】
前記放射されたガンマ線は、ポジトロニウム原子(16)当り２つのガンマ線についてガンマ線当り５１１ｋｅＶの固定エネルギを有しているか、あるいはポジトロニウム原子(16)当り３つのガンマ線に対してほぼ１Ｍｅｖまでの範囲のエネルギの分布を有している請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記励起されたポジトロニウム(16)はその基底状態に崩壊して、スピン一重項とスピン三重項状態の混合したものを形成し、これら状態の混合したものは両スピン状態からの自己消滅を生じさせ、その結果、２つの５１１ｋｅＶのガンマ線を生じさせる原子とほぼ１Ｍｅｖの総エネルギを有する３つのガンマ線を生じさせる原子との混合物が生成される請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
請求項１記載の前記光子バンドギャップ構造(14)によって放射された反物質の電気的に中性の励起された原子または分子あるいはエキゾチック物質の電気的に中性の励起された原子または分子を含んでいるスペシー(16)のビームにおいて、
前記少なくとも１つのＰＢＧ空洞(10)が多量の前記スペシー(16)を含み、前記ビームが前記ＰＢＧ構造(14)中に構成された線形欠陥導波体によって前記ＰＢＧ構造(14)から所望の方向に導かれるスペシー(16)のビーム。
【請求項１９】
請求項１記載の前記光子バンドギャップ構造(14)によって放射された帯電された反物質(16)を含んでいる粒子ビームにおいて、
前記電気的に中性の励起された原子または分子(16)はその後電界によってイオン化され、イオンを前記ＰＢＧ構造(14)から導くために電界および磁界が使用される粒子ビーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、反物質を捕捉して蓄積する装置に関し、とくに、光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造の使用により構成される反物質トラップに関し、この反物質トラップは、比較的多くの有効な量の反物質を励起されたポジトロニウムの形態で比較的長時間にわたって蓄積することができる。励起されたポジトロニウムのボーズ・アインシュタイン凝縮状態を使用して蓄積密度を増加させることができる。
【背景技術】
【０００２】
反物質の基礎構成ブロックは、正に帯電された電子（陽電子）および負に帯電された陽子（反陽子）である。陽電子は、量子特性が電子と同じであるが、正の電荷を有している。反陽子は、量子特性が陽子と同じであるが、負の電荷を有している。同数の負電荷と正電荷を組合せることにより、電気的に中性の形態の反物質が形成される。電気的に中性の反物質の最も簡単な２つの形であるポジトロニウム（Ｐs）および反水素（＾Ｈ）は共に通常の水素原子（Ｈ）の類似物である。ポジトロニウムは、任意の既知の原子のなかで最も低い静止質量を有するものであり、互いの周囲の軌道上にある陽電子と通常の電子とから構成されている。ポジトロニウムは、標準物質と反物質の混合物から形成される。以降、このタイプの混合された標準物質／反物質材料はエキゾチック物質と呼ばれる。反水素は純粋な反物質であり、反陽子の周囲の軌道上にある陽電子から構成されている。通常の水素と同様に、Ｐsおよび＾Ｈの両者が分子（たとえば、Ｐs2および＾Ｈ2）を形成することができる。
【０００３】
電気的に中性の標準物質の粒子用のトラップ、たとえば、ヨッフェ・プリチャードトラップおよび時間平均旋回軌道ポテンシャルトラップ等は何年も前から利用可能である。また、Weinstein氏他による文献［“Microscopic magnetic traps for neutral atoms”,Physical Review A,Vol.52,pp.4004-4009(1995年11月)］には、ごく少量の電気的に中性の原子を蓄積する磁気マイクロトラップが提案されている。これらの中性原子トラップを反物質トラップとして構成することは困難である。ポジトロニウムは、粒子とその反粒子とから構成されているため本質的に不安定である。ポジトロニウム（たとえば、Ｐs）の基底状態から、電子および陽電子は非常に短時間で消滅し、２つの（または、時として、３つの）ガンマ線を発生する。自由空間においては、Ｐsは１マイクロ秒より短い時間で自己消滅する。反水素は、それが通常の物質が存在しない領域内に閉込められている限りは安定しているが、これは、通常の物質から形成された装置中では達成し難い状況である。現在の中性原子トラップは、構成が複雑であり、効率および質量蓄積容量が限定されている。本発明のＰＢＧトラップとは対照的に、現在の蓄積装置では、容易に移動可能なトラップとしてのそれらの使用を妨げる要求（たとえば、大きい質量、大きい体積、または高い電力使用量）が生じる可能性がある。可動性は、反物質まはたエキゾチック物質の多くの適用に有用な要求である。たとえば、米国特許第 6,160,263号明細書（“Container for Transporting Antiprotons”、発明者Smith氏他、2000年12月12日発行）には、“反物質には、それが実効的に蓄積され、移送されることが可能ならば、多くの商業用途がある”と記載されている。
【０００４】
帯電粒子用のトラップ、たとえば、サイクロトロン、ポールトラップおよびペニングトラップ等は何年も前から利用可能である。これらの装置は、帯電された反物質を蓄積するために使用されてきた。しかしながら、それらは、帯電された物質または帯電された反物質を比較的少量しか蓄積することができない。帯電された反物質を蓄積する種々の提案および意見がなされてきた。たとえば、米国特許第 5,118,950号明細書（“Cluster Ion Synthesis and Confinement in Hybrid Ion Trap Arrays”、発明者John T.Bahns氏他、1992年6月2日発行）には、コンテナのない環境を使用して非常に多数の明確に分散したクラスタイオンを一連のステップで成長させるクラスタイオン合成プロセスが開示されている。クラスタイオン成長は、実質的に無制限の蓄積時間および容量を有する複数の成長室中で連続して進行すると言われている。米国特許第 5,206,506号明細書（“Ion Processing : Control and Analysis”、発明者Nicholas J.Kirchner、1993年4月27日発行）には、よく知られている非磁性無線周波数四重極イオントラップの変形を形成する一連の多孔電極シートと、駆動電子装置と、および中央処理装置とを含むイオン処理装置が開示されている。Kirchner氏は、帯電された反物質が生成されると、それは各処理チャンネル中に導入されて個々のポテンシャル井戸に閉込められて保持されることが可能なことを示唆している。しかしながら、Kirchner氏は、帯電された反物質を彼の装置中に実効的に導入するメカニズムを提供しておらず、臨界真空要求に言及していない。
【０００５】
別の例において、米国特許第 5,977,554号明細書および米国特許第 6,160,263号明細書（題名が共に“Container for Transporting Antiprotons”、発明者が共にGerald A.Smith氏他、発行日がそれぞれ1999年11月2日および2000年12月12日）ならびに米国特許第 6,414,331号明細書（“Container for Transporting Antiprotons and Reaction Trap”、発明者Gerald A.Smith氏他、2002年7月2日発行）には、真空にされた空洞と極低温のコールド壁とを備えたデューアを含む反陽子移送するためのコンテナが開示されている。複数の熱伝導支持体はコールド壁と熱的に関連して配置され、空洞中に延在している。反陽子トラップは、空洞内の延在した支持体上に取付けられる。空洞中への反陽子の導入および空洞からの反陽子の除去を選択的に行なうために、スケール可能な空洞アクセスポートが空洞へのアクセスを選択的に提供する。コンテナは、反陽子がそれらの生成場所から離れた場所に通常の地上または空輸方法により移送されているあいだ、それらを閉込め、蓄積することができる。反陽子閉込め領域に対する反陽子の位置を制御するために電界が使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの説明は反陽子または陽電子の蓄積に関するものであるが、しかしそれらのいずれにも、電気的に中性の反物質または電気的に中性のエキゾチック物質（とくに、励起されたポジトロニウムＰs*）を容易に移動可能な形態で蓄積する方法は開示されておらず、示唆されてもいない。比較的多くの電気的に中性の反物質またはエキゾチック物質を比較的低い電力要求により比較的小さいパッケージ中に蓄積することのできる反物質トラップが必要とされている。本発明のＰＢＧトラップはこれらの通常のトラップの１つと組合せて使用されることができ、相当高い相互作用的成果が得られる。事実、Michael M.Nieto氏他による文献[“Dense Antihydrogen : Its Production and Storage to Envision Antimatter Propulsion,”Los Alamos Report LA-UR-01-3760,pp.1-12,(2001年12月12日)]において示唆されているように、中性の反物質用のスペース保証された蓄積システムは、これまでの既存のテクノロジーの線形外插からは得られない。
【０００７】
電子のような粒子がその対応した反粒子（この場合は陽電子）と衝突したとき、２個の粒子が消滅し、それらの総質量をエネルギに変換する。したがって、反物質またはエキゾチック物質は非常に短い期間しか地上環境に存在しない。多数の陽電子ソース、たとえば、一般に入手可能な22Ｎaのような放射性同位体等が存在し、それはβ+崩壊を示すと共に、電子ビームにより生成された高エネルギガンマ線による、あるいは113Ｃd（ｎ，γ）114Ｃd*のようなニュートロン捕捉プロセスの副産物としての陽電子／電子対の生成を示す。このニュートロン捕捉プロセスでは、114Ｃd*は２以上のガンマ線を放出することによって崩壊し、それに続いて電子／陽電子対をタングステンのような減速材中において生成することができる［Richard Howell氏の文献（“The Future : Intense Beams”,in Positron Beams and Their Applications,ed.Paul Coleman,World Scientific:Singapore,pp.307-322,2000）］。しかしながら、反陽子（および、したがって反水素）の生成は、加速器のような非常に高価で複雑な装置中で行なわれる非常に高エネルギの衝突プロセスに制限されている。陽電子ベースのエキゾチックな反物質（たとえば、Ｐs）と反陽子ベースの反物質（たとえば、＾Ｈ）との間における別の重要な区別特性は、Ｐsおよび＾Ｈがボーズ・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）に遷移する臨界温度の差である。Ｐsに関して、臨界温度は、D.B.Cassidy氏およびJ.A.Golovchenko氏の文献（“The Bose-Einstein Condensation of Positronium in Submicron Cavities”,in New Directions in Antimatter Chemistry and Physics,eds.C.M.Surko and F.A.Gianturco,Kluwer:Netherlands,pp.83-99,2001）に記載されているように３００°Ｋの容易に達成される値程度の高さであることができる。＾Ｈに関しては、臨界温度は１°Ｋより低く、これは複雑で高価な装置によってのみ達成可能な状況である。ＢＥＣの形成は、高い蓄積密度を達成するために重要である。Ｐsと＾Ｈのこれらの対照的な特性から、本出願人の技術的および経済的環境のこの構成内における実際の適用に対してＰsのほうが重要な形態の反物質またはエキゾチック物質であることが明らかとなる。しかしながら、実際に、多くのものと同様に、最初の考慮段階が否定的な結果（マイクロ秒より短い時間内での基底状態からのＰs自己消滅）を与えるように思えたため、ほとんどの研究者はＰsを安定させる試みを放棄しているが、しかしさらに行なわれる調査および新しい技術上の発見は古い考えに取って代わることができる。
【０００８】
科学文献の中のいくつかの参考文献には、＾Ｈおよび、またはＰsの蓄積を促進するボーズ・アインシュタイン凝縮の使用が論じられている［たとえば、Allen P.Mills Jr.氏による文献（“Positronium molecule formation,Bose-Einstein condensation and stimulated annihilation”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,Vol.192,pp.107-116,2002年5月）、P.M.Platzman氏およびAllen P.Mills Jr.氏による文献（“Possibilities for Bose condensation of positronium”,Physical Review B,Vol.49,pp.454-458,1994年1月）、D.B.Cassidy氏およびJ.A.Golovchenko氏による文献（“The Bose-Einstein Condensation of Positronium in Submicron Cavities”,in New Directions in Antimatter Chemistry and Physics,eds.C.M.Surko and F.A.Gianturco(Kluwer:Netherlands), pp.83-99,2001年）、Haruo Saito氏およびToshio Hyodo氏による文献（“Cooling and Quenching of Positronium in Porous Material”,in New Directions in Antimatter Chemistry and Physics,eds.C.M.Surko and F.A.Gianturco(Kluwer:Netherlands), pp.101-114,2001年）、およびMichael M.Nieto氏他による文献（“Dense Antihydrogen : Its Production and Storage to Envision Antimatter Propulsion”,Los Alamos Report LA-UR-01-3760, pp.1-12,2001年12月12日）］。しかしながら、これらの著者は、蓄積されたＰsの寿命を１マイクロ秒より短い自然限界を超えて延長するメカニズムまたは装置を示唆していない。したがって、これらの著者は一般に、彼等がこの非常に短い自然寿命によって課された制約内で作業しなければならないことを仮定している。
【０００９】
物理法則の確立した数学的モデルを使用することにより、外部から供給された交差された電界および磁界を使用してポジトロニウム（Ｐs）の寿命を何桁も延ばすことが可能なことが証明されている［J.Ackermann氏他による文献（“Long-Lived States of Positronium in Crossed Electric and Magnetic Fields”,Physical Review Letters,Vol.78,pp.199-202,1997年1月13日）、P.Schmelcher氏、J.Ackermann氏およびJ.Shertzer氏による文献（“Stabilization of matter-antimatter atoms in crossed electric and Magnetic fields”,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,Vol.143,pp.202-208,1998年）、J.Shertzer氏他による文献（“Positronium in crossed electric and Magnetic fields : The existence of a long-lived ground state”, Physical Review A,Vol.58,pp.1129-1138,1998年8月）］。しかしながら、それらの著者は、多量のＰsを閉込め、蓄積する手段を提供せず、彼等が提案した装置には１０Ｔを超える磁界強度が必要である。このような磁界強度には相当な実験室要求および電力が必要とされるため、それらは容易に移動可能な装置には適さない。Ackermann、SchmelcherおよびShertzerの方法を本発明の装置と組合せることができ、相乗的な結果が得られる。外部から供給されたレーザフィールドは、基底状態のＰsの寿命を２０倍まで延長するために使用されることができることが予測されている［Antonella Karlson氏およびMarvin Mittleman氏による文献（“Stabilization of positronium by laser fields”,Journal of Physics B,Vol.29,pp.4609-4623,1996年）］。Karlson氏およびMittleman氏は、多量のＰsを閉込め、蓄積する手段を提供しないし、Ｐsの寿命を何桁もの大きさだけ延長する手段も提供しない。しかしながら、Karlson氏およびMittleman氏の技術は本発明と相乗する可能性がある。
【００１０】
自然の１マイクロ秒に満たない寿命より長い時間にわたって大量のＰsを蓄積する方法および装置が開示されている特許文献は今までに認められていない。＾Ｈの構成方法を示す２つの特許文献[米国特許第 4,867,939号明細書（“Process for Preparing Antihydrogen”,1989年9月19日発行、発明者Bernhard I.Deutch）および米国特許第 6,163,587号明細書（“Process for the Production of Antihydrogen”,2000年12月19日発行、発明者Eric A.Hessels）]が発見されているが、しかし、その発明者は、＾Ｈあるいは反物質またはエキゾチック物質の別のスペシーを蓄積し、その製造場所から離れた場所に移送する方法および装置を開示していない。
【００１１】
以下の望ましい特性を有する反物質トラップの開発によって利益を享受する多くの適用が存在する。トラップは、比較的多くの反物質を蓄積する必要があり、電気的に中性のスペシーを蓄積しなければならず、反物質の制御された解放を可能にすべきであり、装置を移送可能なものにする最小の寸法および電力要求を有しなければならない。本発明の装置は、これらの特性を達成する唯一のものである。本発明の装置は、ガンマ線レーザを形成し、あるいは制御された核融合反応を開始させるのに十分な反物質を供給することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によると、反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起スペシー用の反物質蓄積装置が提供される。この反物質蓄積装置は少なくとも１つの光子バンドギャップ（ＰＢＧ）空洞を含む３次元または２次元ＰＢＧ構造を含んでいる。ＰＢＧ空洞はＰＢＧ構造中に埋込まれた空洞壁を含み、ＰＢＧ構造により取囲まれている。この空洞は、反物質の電気的に中性の励起された原子および分子とエキゾチック物質の電気的に中性の励起された原子および分子とからなるグループから選択された多量のスペシーを含んでいる。
【００１３】
さらに、本発明によると、反物質を捕捉する方法が提供される。この方法は、
３次元または２次元ＰＢＧ構造を含む上記の反物質捕捉装置を設け、
スペシーを少なくとも１つのＰＢＧ空洞中に導入するステップを含んでいる。
【００１４】
また、本発明によると、反物質スペシーを励起状態に励起する方法が提供される。この方法は、
３次元または２次元ＰＢＧ構造を含む上記の反物質励起装置を設け、
前記スペシーを励起するステップを含んでいる。
【００１５】
さらに、本発明によると、ＰＢＧ空洞のアレイを含む上記の３次元または２次元ＰＢＧ構造を含む反物質の１つの状態が与えられる。各ＰＢＧ空洞はそれの最も近い隣接空洞から、光子局所化長より小さい距離だけ離されている。各空洞は多量のスペシーを含んでいる。
【００１６】
また、本発明によると、ＰＢＧ構造中の空洞内に閉込められ、他の電子から隔離されたポジトロニウム（Ｐs*）の励起状態を含むエキゾチック物質の安定な形態が提供される。
【００１７】
さらにまた、本発明によると、局所化された光子と部分的に励起されたスペシーとの組合せが提供され、それはその定常状態の重ね合わせを形成し、あるいはＰＢＧ構造内に配置された空洞の空洞壁と相互作用している反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起されたスペシーにより形成された安定した光子・スペシー・空洞束縛状態を形成する。この相互作用は光子によって媒介される。
【００１８】
また、本発明によると、ガンマ線放射を行なう方法が提供される。この方法は、
上記の反物質励起装置を設け、ＰＢＧ空洞が多量の励起ポジトロニウムを含み、
ポジトロニウムを励起状態に維持する役割をもつバンドギャップをシフトし、あるいはオフに切換える方法で構成コンポーネントの屈折率コントラスト、幾何学的構成、スペーシングおよび、または形状が変化するようにＰＢＧ構造に摂動を生じさせ、それによってガンマ線放射を行なうステップを含んでいる。
【００１９】
さらに本発明によると、上記のＰＢＧ構造によって放射された反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起された原子または分子を含むスペシーのビームが供給され、ここで各ＰＢＧ空洞は多量のスペシーを含んでいる。このビームは、ＰＢＧ構造中に構成された線形欠陥導波体によってそのＰＢＧ構造から所望の方向に導かれたスペシーを含んでいる。
【００２０】
最後に、ＰＢＧ構造により放射された電気的に変化された反物質を含む粒子ビームが供給される。各ＰＢＧ空洞は、反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の励起された多数の原子または分子を含み、それらはその後電界によってイオン化され、正または負に帯電されたイオンを生じさせる。ポジトロニウムの場合では、これによって各ポジトロニウム原子はその構成陽電子と電子とに分離される。イオンまたは反物質および、または標準物質をＰＢＧ装置から所望の方向に導くために電界および磁界が使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明によると、ポジトロニウム（Ｐs*）が自己消滅して蓄積されたエネルギを放出することを可能にするか、あるいはＰs*をイオン化して所望の陽電子ビームを生じさせる手段と共に、比較的大量の電気的に中性の励起されたポジトロニウム（Ｐs*）をトラップして可動装置中に蓄積するメカニズムが提供される。さらに、ポジトロニウムをトラップ中に導入し、適切な励起状態を達成するメカニズムが提供される。Ｐs*のボーズ・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）形態を使用することにより比較的高い蓄積密度が得られる。
【００２２】
本発明の方法は、反物質またはエキゾチック物質（たとえば、ポジトロニウムのような反物質と標準物質の混合物）に対する非常に新しいトラップに基づいている。このトラップは、少なくとも１つの空洞または空洞のアレイを含む光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造から構成されている。最近の理論的および実験的な研究では、原子を３次元ＰＢＧ構造の内部の空洞にトラップすることによりそれらを励起状態に維持することが可能なことが証明されている。この構造のＰＢＧの動作は、その構造の異なった構成エレメントの間の屈折率の周期的なコントラスト（１次元、２次元または３次元）と、構成エレメントの配列に関連した幾何学的構成およびスペーシングと、ならびに構成エレメントの形状とに依存している。このタイプの材料の例には、反転オパールバックボーン（ｂａｃｋｂｏｎｅ）、マクロ孔質シリコン、コロイド結晶、ウッドパイル（ｗｏｏｄｐｉｌｅ）構造、ヤブロノバイト（Ｙablonovite）、およびこの分野でよく知られているその他のものが含まれる。安定した周期的配列で配置されることのできる十分な屈折率コントラストを有する任意の２つの物質が与えられた場合、この周期的配列の構成物質の幾何学的構成、スペーシングおよび形状を特有に選択することにより、特定の範囲の光子波長に対する光子バンドギャップが生じることに注意することが重要である。２次元格子に関して、構造幾何学的構成は三角形、方形、六角形、準結晶等の対称性を有することができる。一般に、ＰＢＧ反物質トラップのためには完全に３次元のＰＢＧ構造が使用されるが、しかし、ある場合においては２次元ＰＢＧ構造を使用できることが可能である。真空達成のためには開いた結合構造（たとえば、反転オパール）が好ましい。
【００２３】
特定の例として、現時点で最も重要な実施形態であると考えられるＰs*のトラップおよび蓄積についてここで説明する。技術は進歩するため、将来この技術は上述した反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性の別のスペシーの励起状態に適応される可能性がある。本発明の技術は、帯電されたスペシーをトラップするように修正されることができる。しかしながら、帯電スペシーに対して達成可能な蓄積密度は、一般に、電気的に中性のスペシーに対して達成可能な蓄積密度ほど高くないであろう。
【００２４】
図１は、単一のＰＢＧ空洞10を概略的に示している。とくに、空洞壁12はＰＢＧ材料14により取囲まれている。電子（ｅ-）16aおよび陽電子（ｅ+）16bを含む励起されたポジトロニウム（Ｐs*）16が空洞10中に蓄積される。このＰs*は、高い蓄積密度が要求される適用に対してはＢＥＣの形態で蓄積されることができる。陽電子16bは２つの方法の１つで消滅できる。Ｐs*自己消滅においては、励起されたポジトロニウムＰs*16は基底状態に崩壊し、また、その基底状態から構成電子16aおよび陽電子16bが消滅し、スピンシングレット項状態からの自己消滅のために２つの（または、時として、４つの）ガンマ線に変換され、あるいはスピン三重項状態からの自己消滅のために３つの（または、時として、５つの）ガンマ線に変換される。Ｐs*ピックオフ消滅においては、陽電子16bは空洞10の壁12における電子と共に消滅し、２つの（または、時として、４つの）ガンマ線を生じさせることができる。
【００２５】
図１において、Ｓ1は電子16aと陽電子16bとの間の距離である。Ｓ1は、自己消滅を阻止するためには十分の大きさであるが、しかし電子および陽電子を互いの周囲の軌道上に維持する（束縛状態）ように十分小さくなければならない。これはポジトロニウム原子16を著しく励起されたリュードベリ状態のＰs*にすることによって達成される。Ｓ2はＰs*16と空洞壁12との間の距離である。Ｓ2はＰs*16と空洞壁12との接触を阻止するように十分に大きくなければならず、それによってピックオフプロセスを開始させることのできる別の電子からＰs*を隔てて維持される。ポジトロニウム16は中間光子18によって空洞10の中心に押しやられ、この中間格子18はポジトロニウムと空洞10の壁12によって絶えず交換されている。この中心の力は、時間にわたる多数の光子交換の平均動作によって生成される。この中心の力は、Ｐs*を空洞10の中心付近に維持する。このＰs*16が空洞壁12において利用可能な電子から隔てられて空洞10の中心付近に維持されると同時に、さらに第２（または第３等）のバンドギャップを使用して２０３ＧＨｚのピックオフプロセスを阻止することができる（たとえば、ピックオフプロセスは、Ｐs*16を電子から遠く離して保持する技術、およびピックオフプロセス中に放出された光子を阻止するためにＰＢＧ構造14を使用する技術の２つの技術によって弱められる）。Ｓ1とＳ2との間のデリケートなバランスがＰs*に長い寿命を与え、Ｐs*を空洞10内に閉込めることが認識されるであろう。
【００２６】
このタイプの構造の内部深くに位置にする励起されたスペシー（たとえば、Ｐs*16）は、局部的な放射性状態密度が大幅に減少するバンドギャップ内にその波長が位置する光子の放出では崩壊することができない。励起されたスペシー16が光子18の放出を試みたとき、光子はその周囲のＰＢＧ構造14において多数のブラッグ散乱を経験し、スペシー16に反射されて戻されてこのスペシー16に再度吸収される。上述したように、この結果、局所化された光子と部分的に励起された原子の定常状態の重ね合せまたは安定した光子・原子・空洞束縛状態が生じ、このプロセスからも、Ｐs*16を空洞10の中心付近に維持する傾向のある中心力が提供される。この異常な状態の物質（すなわち、反物質またはエキゾチック物質）は安定すると予測される。励起されたスペシー16は、それがこの時点で通常の物質であれば安定するが、しかしポジトロニウムが関与している場合、それが自己消滅プロセスを禁止する原子励起状態にない限り、それは自己消滅して２つのガンマ線または３つのガンマ線になることが認識される。
【００２７】
ポジトロニウムが励起状態であるときに２つの事柄：すなわち、最終的には基底状態に達する低いエネルギレベルへの原子崩壊（およびそれに続く自己消滅）、ならびに励起状態からの直接的な自己消滅が生じる可能性がある。本発明の教示は、励起状態から低いエネルギ状態への原子遷移を阻止することによって基底状態からの自己消滅を遅延させることに関する。これは、遷移光子の放射を阻止するＰＢＧ構造の使用によって、および自然に発生した禁制遷移のために低エネルギ状態への崩壊が阻止されるように初期励起状態を処理することによって行なわれる。初期励起状態はまた、直接的な自己消滅の可能性が最小になるように以下のように選択される。
【００２８】
上述したように、束縛された反物質またはエキゾチック物質の原子がＰＢＧ構造14内で生成されると、これらの原子は適当な長寿命励起状態にされることが可能なことがよく知られている。これは、バンドギャップの外側の波長に同調されたレーザを使用して行なわれることができる。適当な長寿命の励起状態はまた、周囲を取囲むＰＢＧ構造によってそれ以上の崩壊が阻止される適当な励起状態にカスケードするさらに高い励起状態で励起された原子を生成することによって達成されることができる。その代りに、適当な長寿命状態はＰs*を形成するプロセス期間中に直接達成されることができる。β+崩壊を示す放射線源（たとえば、22Ｎａ）がＰＢＧ構造14中に埋込まれる。放射された高エネルギ陽電子は、それらがＰＢＧ材料14を横断するにしたがって減速され、また、空洞壁12を通過するときに電子を捕捉してポジトロニウムをリュードベリ状態で形成する。このリュードベリ状態は所望の状態であることが可能であり、あるいはそれは高エネルギの状態（所望の状態にカスケードした）であることができ、もしくはそれは低エネルギの状態（さらに高い状態にレーザポンプされる）であることができる。特定の適用のために高い蓄積密度が必要とされた場合、文献に記載されている多くの冷却技術の任意のものによってＰs*のＢＥＣが設定されることができる。
【００２９】
図１には空洞10が１つしか示されていないが、実際はそれぞれがＰs*16の多数の原子を蓄積することのできる空洞10の３次元アレイがＰＢＧ装置中に存在していることが認識されるであろう。図２にはこのような空洞のアレイ110が示されている。各空洞10は、その最も近い隣接ＰＢＧ空洞から距離Ｓ3だけ離されている。上述したように、この距離Ｓ3が光子局所化長ζより大きい場合、空洞10は互いに隔離されることとなる。しかしながら、距離Ｓ3が光子局所化長ζより小さい場合には、空洞10は相互作用し、新しい集合原子の定常状態（シャドウ結晶）が結果的に生じる状況が仮定される。
【００３０】
本発明のＰＢＧ構造は、反物質蓄積装置中に蓄積される各スペシーに特有の周波数でバンドギャップを共同して生じさせる材料および幾何学的構成を含んでいることが好ましい。この構造のＰＢＧの性質は、その構造の異なった構成エレメントの間の屈折率の周期的なコントラスト、構成エレメントの配列に関連した幾何学的構成およびスペーシング、ならびに構成エレメントの形状に依存している。
【００３１】
安定した周期的配列で配置されることのできる十分な屈折率コントラストを有する任意の２つの物質が与えられた場合、この周期的配列の構成物質の幾何学的構成、スペーシングおよび形状を特有に選択することにより、特定の範囲の光子波長に対する光子バンドギャップが生じることに注意することが重要である。周期的配列または屈折率コントラストが妨害されて乱された場合には、バンドギャップの特性が変化して、バンドギャップ周波数がシフトされるか、あるいはバンドギャップ効果が完全にオフにされる可能性が高いことに注意することも重要である。制御された復元可能な構造の変形は、たとえば、圧電またはマイクロ電子機械（ＭＥＭ）装置による付勢を使用して、あるいはＰＢＧ構造を通過するよう衝撃波を与えることによって行なわれることができる。一度の破壊的変形は、材料の粉砕または微粉化を含む多数の方法で行なわれることが可能である。屈折率コントラストは、たとえば、外部電界を複屈折ネマチック液晶のような電気光学的にアクチブな構成要素に適用する等、構成エレメントの屈折率を変化させることにより変えられることができる。
【００３２】
主量子数ｎ＝３３であるポジトロニウムがリュードベリ状態で蓄積された場合、ｎ＝３２である状態への崩壊からスタートする下方遷移カスケードが阻止されなければならない。ｎ＝３３を有する状態からｎ＝３２を有する状態への崩壊は、９５．９ＧＨｚの周波数、すなわち、波長３．１３ｍｍを有する光子の放射によって行なわれる。したがって、ＰＢＧ構造は、３．１３ｍｍを含むバンドギャップを有していなければならない。さらに、２０３ＧＨｚすなわち１．４８ｍｍで発生するピックオフプロセスを阻止するために別のバンドギャップが使用される。ＰＢＧ構造は、多数のバンドギャップを生成することが知られている窒化シリコンの埋込みマトリックス中に準結晶幾何学的構成に配列されたレイアウトされた気孔から形成されることができる。たとえば、M.E.Zoorob氏他の文献[“Complete photonic bandgaps in 12-fold symmetric quasicrystals,”Nature,Vol.404,pp.740-743,(13 April 2000)]の図２を参照されたい。
【００３３】
下方遷移カスケードはまた、ピックオフプロセスに関連した１．４８ｍｍの波長とは全く異なった波長を有する光子の放射によりスタートすることができる。このような場合、重ね合わせられたＰＢＧ構造が使用可能である。ポジトロニウムは２．８６ＴＨｚの周波数、すなわち１０５μｍの波長を有する光子の放出により、たとえば、ｎ＝１１を有する状態からｎ＝１０を有する状態に崩壊する。１０５μｍの波長を有する光子を阻止するＰＢＧ構造は、体心正方格子のシリコンロッドおよび脈（ｖｅｉｎ）から形成されることができる。たとえば、D.Roundy氏およびJ.Joannopoulos氏の文献［“Photonic crystal structure with square symmetry within each layer and a three-dimensional band gap,”Applied Physics Letters,Vol.82,pp.3835-3837(2003年6月2日)］を参照されたい。この構造の上に、１．４８ｍｍの波長を有する光子を阻止する別のＰＢＧ構造を重ね合わせることができる。このＰＢＧ構造は、たとえば、D.F.Sievenpiper氏他による文献［“3D Wire Mesh Photonic Crystals,”Physical Review Letters,Vol.76,pp.2480-2483 (1996年4月1日)］の３次元ダイヤモンド格子に配列された銅線から構成されることができる。
【００３４】
本発明に有用な３次元ＰＢＧ構造の別の例は文献に記載されている。S.John氏およびK.Busch氏による文献［“Photonic Bandgap Formation and Tunability in Certain Self-Organizing Systems”,Journal of Lightwave Technology,Vol.17,pp.1931-1943 (1999年11月11日)］には、反転オパール構造が記載されている。S.Lin氏およびJ.G.Fleming氏による文献［“A three-Dimensional Optical Photonic Crystal”,Journal of Lightwave Technology,Vol.17,pp.1944-1947 (1999年11月11日)］には、ウッドパイル構造が記載されている。E.Yablonovitch氏他による文献［“Photonic Band Structure : The Face-Centered-Cubic Case Employing Nonspherical Atoms”, Physical Review Letters,Vol.67,pp.2295-2298 (1991年10月21日］には、ヤブロノバイト（Ｙablonovite）構造が記載されている。本発明に有用な２次元ＰＢＧ構造は、文献において広範囲にわたって記載されている。たとえば、J.N.Winn氏他による文献［“Two-dimensional photonic band-gap materials”,Journal of Modern Optics,Vol.41,pp.257-273 (1994)］およびJ.D.Joannopoulos氏他による文献［“photonic Crystals : Molding the Flow of Light”,Princeton University Press(1995)］を参照されたい。
【００３５】
公開されている科学文献あるいは特許になった従来技術のいずれにも、励起されたポジトロニウム16をＰＢＧ空洞10においてトラップできることは示唆されていない。とくに、自己消滅および空洞壁12中の電子によるピックオフ消滅に対する寿命が著しく延びるように、ＰＢＧ構造中の空洞を使用してＰs*をトラップすることができるか、あるいはトラップしなければならないことは明らかではない。自己消滅およびピックオフ消滅は、通常の物質からなる原子または分子をトラップするときには関係しない。本発明の発明者は、彼等の知る限りにおいて、大規模な装置を使用せずに２つの距離パラメータＳ1およびＳ2（図１参照）を平衡させることによりＰs*ならびに上述された反物質またはエキゾチック物質の別の励起された中性スペシーの寿命を何桁もの大きさだけ延ばすことが可能になることをはじめて認識した。パラメータＳ2は最大値に維持され、これによってＰs*16は空洞壁12中の電子と接触することが阻止される利点が得られる。これは、空洞表面から生じる電子によるピックオフ消滅プロセスを阻止する。
【００３６】
自己消滅に対する寿命は、数秒から数年である可能性がある。この寿命は、用途に基づいて選択される。たとえば、秒単位の寿命は医療分野に適しており、一方年単位の寿命は惑星間推進に適している。
【００３７】
ポジトロニウムにおいて、電子16aと陽電子16bとの間の分離距離Ｓ1は主量子数ｎと共に増加し、ここでｎは少なくとも１３４であることができる［ P.Wallyn氏他による文献（“The Positronium Radiative Combination Spectrum : Calculation in the Limit of Thermal Positrons and Low Densities”,Astrophysical Journal,Vol.465,pp.473-486,1996年7月1日）］。量子力学の技術言語においては、これは、ｎの増加と共に電子および陽電子の波動関数の重複が減少し、それらがさらに離れる（それらの間隔がさらに広い距離Ｓ1になる）ことを述べている。Karlson氏およびMittleman氏（Antonella Karlson氏およびMarvin Mittleman氏）による文献（“Stabilization of positronium by laser fields”，Journal of Physics B,Vol.29,pp.4609-4623,1996）には、以下の内容が記載されている：
“ポジトロニウム（Ｐs）は不安定なシステムである。一重項状態のＰsは主に、Γs＝１．２５×１０-10秒の寿命を有する２つのガンマ量子の放出によって消滅し、三重項状態のＰsは主に、Γtr＝１．４×１０-7秒の寿命を有する３つのガンマ量子放出によって消滅する。消滅反応は、その範囲がほぼコンプトン波長λc［λc＝２．４２×１０-12ｍ］であるハミルトンの原理における量子電気動力学的相互作用関係によって発生される。Ｐs原子のスケールでは、これは本質的にゼロレンジの演算子である。したがって、崩壊速度は、２つの粒子が接触している原点におけるＰs波動関数の２乗された絶対値に比例する。Ｐsの波動は角運動量ゼロを有する状態以外の全てに対して原点で消滅するため、ＰsはＳ状態からのみ全ての実際上の目的のために消滅する。それらに対して、消滅速度は主量子数ｎ-3に依存する。それより高い角運動量Ｉを有する状態に対しては、消滅速度は各Ｓ状態に対する速度よりも係数１／（ａB／λc）-21に小さくなり、ここで、ａBはボーア半径である［ａB＝５２．９×１０-12ｍ］。したがって、これらの状態の寿命は著しく長くなる。”
その後、主量子数ｎおよび角運動量Ｉを有するポジトロニウムの励起された状態の寿命Γn,1は、Γn,1＝Γ0ｎ3（ａB／λc）21＝Γ0ｎ3（２１．８）21により基底状態のポジトロニウム（一重項状態または三重項状態のいずれかの）の寿命Γ0に関連していることが明らかである。
【００３８】
角運動量Ｉ＝０のときの励起状態に対しては、寿命は基底状態の寿命のｎ3倍に増加する。たとえば、ｎ＝１３４およびＩ＝０である励起状態の寿命は、基底状態の寿命よりほぼ２００万倍長い。たとえば、本発明の装置を使用することによりＰs*がｎ＝１３４およびＩ＝０を有するスピン三重項状態で維持されることが可能ならば、このスピン三重項状態のＰs*の寿命は１．４×１０-7秒からほぼ０．３秒に延長される。励起状態が角運動量Ｉに対してゼロでない値を有するように処理された場合、寿命はさらに（２１．８）21倍の長さに延長される。たとえば、ｎ＝１３４およびＩ＝１のときの励起状態の寿命は、基底状態のスピン三重項状態の寿命よりほぼ１０億倍長い。ｎ＝１３４およびＩ＝３のときの励起状態の寿命は、基底状態のスピン三重項状態の寿命よりほぼ２．６×１０14倍長く、結果的にΓ134,3＝３．６×１０7秒＝１．１５年の寿命が得られる。Ackermann氏、Schmelcher氏およびShertzer氏の方法は、Ｐs*の寿命を延ばすために本発明の装置と共に相乗的に使用されることができることが本発明者により認識されている。しかしながら、これは、可動装置には受容れられない重要な装置が結果的に必要になる可能性があるが、しかし重要な装置（たとえば、発電所または惑星間推進システム）を可能にする適用に対して確かに使用されることができる。
【００３９】
自己消滅に対する寿命に関して、この寿命もまた数秒から数年である可能性がある。再び、寿命は特定の適用に基づいて選択され、たとえば、秒単位の寿命は医療分野に適しており、一方年単位の寿命は惑星間推進に適している。
【００４０】
科学文献には、基底状態でのポジトロニウムＰsのＢＥＣの形成への参照が含まれることが上述されている。ＢＥＣはまた励起状態のポジトロニウムＰs*16を使用して形成可能であり、このＢＥＣはトラップされ、本発明の装置中に蓄積されることが可能なことが本発明者により認識されている。Ｐs*のＢＥＣを形成して使用する従来技術の論文は存在しないため、本発明者は、これはＰsを蓄積する新しい適用と考えている。たとえば、Ｎa＝１０9と仮定すると、Ｐs*原子は単一の空洞10の中にＢＥＣの形態で蓄積されることができる。さらに、少なくともＮc＝１０12の空洞／ｃｍ3が上述した反転オパール構造のようなＰＢＧ材料14中にアレイ110として生成されることができると仮定する。これにより、Ｐs*数密度：
【数１】
2007500349.tif 000003
【００４１】
が与えられる。ポジトロニウムの自己消滅時に解放されるエネルギは、１．０２２ＭｅＶ／Ｐs*である。この例の蓄積条件に対して、エネルギ蓄積密度は：
【数２】
2007500349.tif 000004
【００４２】
である。１ｃｍ3のこの材料が１ｍ秒解放された場合、結果的に得られるパワーは１０8Ｊ／１０-3秒＝１０11Ｗすなわち１００ギガワットである。また、空洞は、一般に反転オパール幾何学的構成を使用して達成可能な１μｍの典型的な直径を有していると仮定する。その場合には、Cassidy氏およびGolovchenko氏の文献（supra）の図４から、Ｐs*は室温に近い温度、すなわち、ほぼ３００°ＫでＢＥＣ状態への遷移を経験することができることが明らかである。空洞当りの予想Ｐs*数密度が与えられた場合、特定の所望の温度でＢＥＣ状態への遷移を達成するために、空洞直径をさらに大きくまたはさらに小さくするように装置を適合することができる。
【００４３】
反物質は、以下の３つの方法を含む種々の方法により反物質トラップ中に導入されることができるが、それに限定されない：（１）放射線源または加速器線源から反物質（たとえば、陽電子）は減速材（たとえば、タングステン）を通って注入されることができる。この減速材は、ＰＢＧ装置のＰＢＧ材料14内に配置されるか、あるいはＰＢＧ装置の外側に配置されることができる。（２）陽電子および電子は電子ビームにより発生された高エネルギガンマ線によって、あるいは113Ｃd（ｎ，γ）114Ｃd*（上記を参照）のようなニュートロン捕捉プロセスの副産物として対で生成されることができる。ニュートロンはコリメートされたビームでＰＢＧ装置を照射することができ、あるいはＰＢＧ装置は豊富なニュートロンが存在する原子炉の内部に配置されることができる。（３）陽電子を放射する放射性材料（たとえば、22Ｎa）はＰＢＧ構造14中に埋込まれることができ、その結果“自己帯電”装置が生成される。
【００４４】
上記の方法の任意のものによってＰＢＧ構造中に導入された陽電子16bは材料を通過し、それが空洞10に遭遇したとき、その陽電子16bはそれが空洞壁12を横断するときに電子16aをピックアップする。このプロセスの結果、励起されたポジトロニウム原子16が空洞10内において形成される。この形成された励起状態は、トラップされた状態に対して望ましいものとは異なった主量子数ｎを有することができる。生成されたＰs*が所望のものより低いエネルギを有する状態である場合、同調されたレーザを使用してＰs*を所望の励起状態にポンプすることができる。生成されたＰs*が所望のものより高いエネルギを有する状態である場合、あるいは、それが所望のものより高いエネルギを有する状態にまでポンプされている場合、Ｐs*は所望の状態にカスケード崩壊することを可能にされることができる。この時、周囲を取囲むＰＢＧ構造はそれ以上の崩壊を阻止し、所望の状態を保存する。
【００４５】
電気的に中性のスペシーのための現在の全てのトラップには、比較的多量のポジトロニウムを捕捉し、比較的長い期間のあいだ蓄積することができないという共通の欠点がある。電気的に中性のスペシーのための現在の全てのトラップは、一般的に、比較的重い質量、比較的大きい体積および比較的高い電力要求を必要とする動作要求のために容易に可搬性にされることはできない。本発明は、比較的多量のポジトロニウムをトラップし、それを比較的長い期間（ポジトロニウムの自然の真空中での寿命より何桁分も長い）にわたって蓄積することのできる可動蓄積コンテナを生成しなければならない。本発明の装置は、医療適用、材料試験適用、ロケットモータ、高電力／高エネルギ密度蓄積を含むいくつかの分野において有用であると同時に、発電所の原子炉またはハイブリッドロケット推進システム中で核融合反応を開始させる点火装置として有用である。
【００４６】
本発明の光子バンドギャップ（ＰＢＧ）装置中に蓄積された全てのＰs*をコヒーレントに消滅させることもできる。これによって、ＰＢＧ装置は、消滅放射から動作する５１１ＫｅＶのガンマ線レーザ（ＧＲＡＳＥＲ）のコンポーネントとして形成されることが可能になる。ＧＲＡＳＥＲは科学文献中において十分に説明されている。ＧＲＡＳＥＲを生成する１つの方法は、励起された核の崩壊からのガンマ線の発生に基づいている［たとえば、George C.Baldwin氏およびJohndale C.Solem氏による文献（“Recoilless gamma-ray lasers”,Review of Modern Physics,Vol.69,pp.1085-1117, 1997年10月4日）または米国特許第 4,939,742号明細書（“Neutron-Driven Gamma-Ray Laser”,発明者Charles D.Bowman、1990年7月3日発行）］。高エネルギ電子蓄積リングまたはコライダー中に蓄積された電子のボーズ・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）を使用する別の方法は、米国特許第 5,887,008号明細書（“Method and Apparatus for Generating High Energy Coherent Electron Beam and Gamma-Ray Laser”,発明者 Hidetsugu Ikegami、1999年3月23日発行）中に記載されている。別の方法は、電子および陽電子の消滅によるガンマ線の発生に基づいている。Hidetsugu Ikegami氏は、米国特許第 4,933,950号明細書（“Generating Method for Free Positronium Radiation Light and Apparatus Used in this Method”,1990年6月12日発行）および米国特許第 5,617,443号明細書（“Method and Apparatus for Generating Gamma-Ray Laser”,1997年4月1日発行）において、加速器を使用して電子ビームおよび陽電子ビームを組合せることによってＧＲＡＳＥＲを生成する方法を開示している。ポジトロニウムのＢＥＣを使用してＧＲＡＳＥＲを発生する方法は、Edison P.Liang氏およびCharles D.Dermer氏による文献（“Laser Cooling of Positronium”,Optics Communications,Vol.65,pp.419-424,1988年3月15日 ）およびAllen P. Mills Jr.氏の文献（2002年5月,supra）に記載されている。
【００４７】
電子のＢＥＣまたは陽電子ビームと電子ビームの組合せを使用してＧＲＡＳＥＲを生成する方法には、重要な装置および物理的プラントが必要とされ、前者の場合に対してはＢＥＣを生じさせるのに十分な冷却メカニズムが必要とされる。ＰsのＢＥＣを使用してガンマ線レーザを発生するために、十分な蓄積密度が達成されなければならない。本発明者は、Ｐs ＢＥＣベースのＧＲＡＳＥＲに対して十分な蓄積密度を達成し、蓄積されたＰs原子の絶対数が標準的な帯電されたプラズマトラップまたは通常の中性原子トラップにおいて可能なものを超える方法をはじめて説明した。さらに、本発明者は、重要な装置および物理的プラントを必要としない装置について説明している。さらに、Ｐs ＢＥＣは本発明の装置中において寿命は従来技術のものより何桁分も長く維持されるので、ユーザがＧＲＡＳＥＲの形態でエネルギを解放するタイミングの柔軟性が高まる。
【００４８】
Milles氏の文献（2002年5月,supra）において、Ｐs原子がスピン三重項基底状態からスピン一重項基底状態への崩壊し、それに続いて自己消滅するように超微細遷移に同調された放射線のパルスを適用したとき、２００ｎｍの半径および１ｍｍの長さを有する空洞中に基底状態のスピン三重項形態で蓄積された１０12個のＰs原子があれば放射線増幅に対して十分であることが計算されている。
【００４９】
本発明の装置に対する適用に応じて、蓄積されたＰsが一重項基底状態から消滅して２つの５１１ＫｅＶのガンマ線が生成されることが望ましいことがあることに注意すべきである。スピン三重項基底状態によって好ましいとされた崩壊モードの結果、総エネルギの和が１．０２２ＭｅＶになる３つのガンマ線が発生し、ガンマ線のエネルギが５１１ＫｅＶと比較して小さくなる可能性が生じる。したがって、蓄積された励起ポジトロニウムが刺激されて、スピン一重項およびスピン三重項状態が共に存在する基底状態になることができるようにＰＢＧを制御し、その後、自己消滅して３つのガンマ線を発生するか、あるいはスピン一重項状態にさらに崩壊し、続いて自己消滅して２つのガンマ線を発生するようにスピン三重項状態の崩壊を修正する必要がある。励起状態からの下方遷移は、ＰＢＧ格子に応力を加えることにより（たとえば、ＰＢＧ格子に取付けられた圧電アクチュエータ装置を使用することにより）、あるいは対称性、格子定数またはＰＢＧ構造の屈折率コントラスト比を十分に変化させる任意の方法を使用することにより光子バンドギャップをシフトするか、あるいはオフにすることを含むいくつかのメカニズムによって行なわれることができる。エネルギレベル崩壊路を制御することによって、多数の格子バンドギャップを使用して崩壊を基底状態に導くことが可能である。原子が基底状態に低下するにしたがって、５１１ＫｅＶのエネルギを有するガンマ線パルスを装置を通って所望の方向に送ると、自己消滅によって等方性放射が生じることを可能にするのではなく、むしろコヒーレントな消滅が刺激される。また、原子が基底状態に低下するにしたがって、２０３ＧＨｚの周波数（スピン三重項状態とスピン一重項状態を分離する周波数）を有する放射線パルスを供給することにより、スピン三重項状態の集りをそのスピン三重項状態から直接自己消滅させるのではなく、スピン一重項状態に崩壊させることができる。本発明の装置を５１１ＫｅＶのガンマ線に対して広い断面積を有する材料中に包み、ＧＲＡＳＥＲに対して開口を所望の方向に開けておくことができることも認識される。装置を包んだ材料は所望の方向に進まないガンマ線を吸収し、おそらく廃熱を発生する。この廃熱は、収集されて熱電変換によるエネルギ生成のような別の目的に使用されることができる。スピン三重項状態から自己消滅が発生することが許された場合、５１１ＫｅＶより低いエネルギを有する多数のガンマ線が生成される。５１１ＫｅＶより低いエネルギを有するガンマ線は、５１１ＫｅＶのガンマ線より材料中において収集し易い。
【００５０】
上述したように、この明細書において開示され、特許を請求されている反物質トラップは、励起された電気的に中性のスペシー、たとえば、励起状態のポジトロニウム（Ｐs*）を蓄積することができる。反物質トラップは３次元または２次元光子バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を含んでおり、このＰＢＧ構造においては、注意深く選択された周期的な局部的屈折率の振幅変化Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）が３つの空間的ディメンションの全てに存在している。Ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）のこれらの周期的な振幅変化は、バンドギャップの中心波長に匹敵する長さスケールを有している。励起されたスペシーは直に１以上の光子の放出によってそれらの基底状態に到達することを試みる。本発明において開示されているタイプのＰＢＧ構造の内部深くの空洞内に位置する励起されたスペシーは、局部的な放射性状態密度が大幅に低下するバンドギャップ内の波長を有する光子の放射によってでは崩壊することができない。励起されたスペシーが光子の放射を試みたとき、光子は光子局所化長ζ（典型的に、ほぼ数光子波長）内での多数のブラッグ散乱により反射されてスペシーに戻され、このスペシーにおいてそれは再度吸収される。実際には、スペシーはそれ自身の放射フィールドによってドレス（ｄｒｅｓｓ）される［Sajeev John氏およびJian Wang氏による文献（“Quantum optics of localized light in a photonic band gap”,Physical Review B,Vol.43,pp.12772-12789,1991年6月1日）］。
【００５１】
この結果、局所化された光子と部分的に励起された原子の定常状態の重ね合せまたは安定した光子・原子・空洞束縛状態が生じる。この異常な状態の物質は安定すると予測される［Sajeev John氏およびJian Wang氏による文献（“Quantum electrodynamics near a Photonic Band Gap:Photon Bound States and Dressed Atoms”,Physical Review Letters,Vol.64,pp.2418-2421,1990年5月14日）］。隣接した空洞が光子局所化長ζ内に配置されている場合、局所化された光子は、励起されたスペシーのあいだで共振双極子間相互作用（ＲＤＤＩ）により共用されることができる。ＲＤＤＩプロセスは、非放射性緩和チャンネルを通った放散から励起エネルギを保護することができ、さらに励起状態の寿命の延長を可能にする［Sajeev John氏およびTran Quang氏による文献（“Photon-hopping conduction and collectively induced transparency in a photonic band gap”,Physical Review A,Vol.52,pp.4083-4088,1995年11月）］。空洞間間隔が光子局所化長ζより小さいＰＢＧ構造内の空洞中に配置された通常の物質の励起されたスペシーの集合的な特性は結果的に、新しい集合的な原子定常状態（“シャドークリスタル”）、スピン１／２双極ガラスの電磁的類似物、および空洞モードでの光子の関連したボーズガラス状態を生じさせることが主張される［Sajeev John氏およびTran Quang氏による文献（“Quantum Optical Spin-Glass State of Impurity Two-Level Atoms in a Photonic Band Gap”,Physical Review Letters,Vol.76,pp.1320-1323,1996年2月19日）］。
【００５２】
これらは通常の物質に対してのみ影響を与えると研究者が考えているのに対して、本発明では、これらの概念が、反物質またはエキゾチック物質の電気的に中性のスペシーの励起状態のもの、とくに、励起されたポジトロニウム（Ｐs*）の形態のエキゾチック物質をトラップし、蓄積することに拡大されている。この明細書において規定されているように、“エキゾチック物質”という用語は、標準物質と反物質の混合物を示している。本発明の技術は、反水素（＾Ｈ）、プロトニウム（陽子および反陽子の束縛された状態）、アンチミューオニウム（陽電子と負に帯電されたミューオンの束縛された状態）、分子ポジトロニウム（たとえば、Ｐs2、および一般にＰsn）、通常の物質に束縛されたポジトロニウムを含む分子またはポジトロニウム分子（たとえば、ＰsＨ、ＣuＰs、ＬiＰs等）、および単一の負の電荷を有する通常の物質に束縛された陽電子を含む電気的に中性の分子の励起状態に適用されることができる。
【００５３】
束縛された中性の反物質または束縛された中性のエキゾチック物質の原子がＰＢＧ構造において生成されると、バンドギャップの外側の波長に同調されたレーザを使用して、これらの原子を適当な長寿命の励起状態にすることが可能なことがよく知られている［Quang氏他による文献（“ Coherent Control of Spontaneous Emission near a Photonic Band Edge : A Single-Atom Optical Memory Device”,Physical Review Letters,Vol.79,pp.5238-5241,1997年12月29日）］。この適当な長寿命の励起状態はまた、周囲を取囲むＰＢＧ構造によってそれ以上の崩壊が阻止される適当な励起状態にカスケードする高励起状態で励起された原子（たとえば、Ｐs*）を生成することにより達成されることができる。その代りに、適当な長寿命の励起状態は、Ｐs*を形成するプロセス中に直接的に達成されることができる。Ｐs*に対して、ピックオフプロセスとして知られている下方遷移メカニズムもまたＰＢＧ構造によって阻止されることができる。このピックオフプロセスにおいては、陽電子および電子が並列スピン（スピン三重項状態）を有するポジトロニウム原子は、陽電子のスピンと逆のスピンを有する隣接した電子と相互作用する。この結果、ポジトロニウムの原子の電子および陽電子が逆平行スピンを有する（スピン一重項状態：パラポジトロニウム）最終的な状態となる。ＰＢＧ構造中の周期性の１つは、ピックオフプロセスに関連したスピンフリップ遷移を阻止するように同調されることができる。
【００５４】
ＰＢＧ構造中でアクチブなエレメントを使用することにより、空洞または空洞のアレイと単一または複数の出口開口との間に導波体を構成することができ、スペシーはこの導波体中に導かれる。励起されたスペシーがこの導波体中を進行しているあいだ、周囲を取囲むＰＢＧ構造は基底状態への崩壊を阻止し続ける（したがって、それに続く基底状態からの消滅を阻止する）。励起されたスペシーがこの構造を出たとき、それらはもはや基底状態に崩壊するのを阻止されない。スペシーは基底状態に崩壊して消滅し、エネルギを解放する。このエネルギは周囲を取囲む吸収材料によって捕捉されることができ、その材料を加熱し、また、電気を生成するために熱電変換プロセスが使用されることができる。
【００５５】
それらが装置を出て行く前に、電気的に中性の励起されたスペシーが電界によってイオン化されることができる。これによって、電気的に中性のスペシーは正および負に帯電されたイオンに分離される。ポジトロニウムの場合では、これによって各ポジトロニウム原子はその構成陽電子と電子とに分離される。その後電界および磁界を使用してイオンまたは反物質および、または標準物質をＰＢＧ装置から所望の方向に導き、粒子ビームを形成することができる。反物質イオンのビームが通常の物質と相互作用すると、消滅が発生し、これは、たとえば、ドリルとしてあるいは磨耗に対して有用なプロセスである。
【００５６】
ＰＢＧトラップには、従来技術の中性スペシートラップ（たとえば、ヨッフェ・プリチャードトラップ、時間平均旋回軌道ポテンシャルトラップおよび磁気マイクロトラップ）より優れた３つの重要な利点がある。第１に、ヨッフェ・プリチャードトラップおよび時間平均旋回軌道ポテンシャルトラップとは対照的に、ＰＢＧトラップはそれらよりも使用するエネルギが実質的に低く、重量が実質的に軽く、占有する体積が実質的に小さい。第２に、ヨッフェ・プリチャードトラップおよび時間平均旋回軌道ポテンシャルトラップとは対照的に、ＰＢＧ構造にわたって規則的に間隔を隔てられたマイクロキャビティを使用することにより、ＰＢＧトラップは電気的に中性の反物質またはエキゾチック物質を、スケール不可能なかたまりではなくスケール可能に分散された形で蓄積することができる。第３に、ヨッフェ・プリチャードトラップ、時間平均旋回軌道ポテンシャルトラップおよび磁気マイクロトラップとは対照的に、ＰＢＧトラップは、トラップされた励起スペシーの寿命を、このＰＢＧトラップの外部に配置されたときの励起スペシーの寿命より何桁分も長く延長する。外部から与えられた交差された電界および磁界あるいは外部から与えられたレーザフィールドを使用する従来技術の寿命延長方法とは対照的に、ＰＢＧトラップは非常に多数の電気的に中性の励起スペシーを捕獲して蓄積するメカニズムを提供し、このＰＢＧトラップは、トラップされた電気的に中性の励起スペシーの寿命を、外部から与えられたレーザフィールドを使用して達成可能な寿命の２０倍を超える何桁分も長い寿命に延長する。
【００５７】
以上、本発明はここに開示され、図面に図示されたものと正確に同じ構造に限定されず、また、特許請求の範囲の技術的範囲内における任意の修正または等価物を含んでいることを認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の教示による光子バンドギャップ空洞を示す概略図。
【図２】反物質トラップのＰＢＧ構造内に認められる空洞を含むＰs*のアレイを示す概略図。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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