(57)【要約】【課題】配線が配置された基板表面近傍においても、原子の強い閉じ込めを安定した状態でできるようにする。【解決手段】まず、冷却部１７１により、原子捕捉素子を上記Ｔｃ以下まで冷却し、次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射により、加熱領域１５２を加熱して上記Ｔｃ以上にまで昇温し、当該部分を常伝導状態とする。次に、原子を捕捉しているＱＭＴ１７３を、原子捕捉素子の捕捉領域１５１の上に移動させ、この状態で、端子１３１及び端子１３２の間に電流を流して超伝導開回路１０３に電流が流れた状態とし、加えて、外部磁場発生部１６０より磁場１６１を発生させて捕捉領域１５１に外部からバイアス磁場が印加された状態とする。次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射を停止し、加熱領域１５２の加熱状態を停止し、超伝導閉回路１０２の全体が超伝導（超伝導閉回路）にされた状態とする。【選択図】  図１
2008173745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成されて超伝導電流が流れる超伝導閉回路と、
前記超伝導閉回路に前記超伝導電流を流す超伝導電流生成手段と、
前記超伝導閉回路の一部に設けられて第１方向に延在し、前記超伝導電流による第１磁場を生成する第１配線部と、
少なくとも前記第１磁場及び前記第１磁場とは異なる方向の第２磁場から形成され、前記第１配線部の上部に形成される磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場から構成された原子捕捉手段と
を備えることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項２】
請求項１記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の一端に接続して前記第１方向とは異なる第２方向に延在する第２配線部と、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の他端に接続して第１方向及び第２方向とは異なる第３方向に延在する第３配線部と
を少なくとも備え、
前記第２磁場は、前記基板の上面と平行な平面内で前記第１方向に垂直な方向へ加えられる磁場である
ことを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項３】
請求項１記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の一端に接続して前記第１方向とは１８０°異なる第２方向に延在する第２配線部と、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の他端に接続して前記第２方向に延在する第３配線部と
を備え、
前記原子捕捉手段は、
前記第１磁場と、
前記超伝導電流により前記第２配線部に生成される前記第２磁場と、
前記超伝導電流により前記第３配線部に生成される第３磁場と
から構成されていることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導電流生成手段は、
前記超伝導閉回路の周囲に前記超伝導閉回路に沿って設けられて超伝導電流の制御が可能とされた超伝導開回路と、
前記超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域と
から構成されていることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導電流生成手段は、
前記超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域と、
前記加熱領域を挟むように前記超伝導閉回路に接続して電流が印加される２つの端子部と
から構成されていることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導電流生成手段は、
前記超伝導閉回路を貫く磁場を発生する電流駆動磁場発生手段と、
前記超伝導閉回路を超伝導転移温度に制御する冷却手段と
から構成されていることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項７】
基板の上に形成された超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第１ステップと、
前記超伝導閉回路の一部に設けられて第１方向に延在した第１配線部に、前記超伝導電流による第１磁場を生成するとともに、前記第１磁場とは異なる方向の第２磁場を生成し、前記第１磁場と前記第２磁場とから構成され、磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場を、前記第１配線部の上部に形成する第２ステップと
を少なくとも備えることを特徴とする原子捕捉方法。
【請求項８】
請求項７記載の原子捕捉方法において、
前記第２ステップは、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の一端に接続して前記第１方向とは異なる第２方向に延在する第２配線部と、前記第１配線部と、前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の他端に接続して第１方向及び第２方向とは異なる第３方向に延在する第３配線部とを流れる前記超伝導電流により前記第１磁場を生成する第３ステップと、
前記基板の上面と平行な平面内で前記第１方向に垂直な方向の第２磁場を前記第１配線図に加える第４ステップと
を備えることを特徴とする原子捕捉方法。
【請求項９】
請求項７記載の原子捕捉方法において、
前記第２ステップでは、
前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の一端に接続して前記第１方向とは１８０°異なる第２方向に延在する第２配線部と、前記第１配線部と、前記超伝導閉回路の一部に設けられ、前記第１配線部の他端に接続して前記第２方向に延在する第３配線部とを流れる超伝導電流により、前記第１配線部に前記第１磁場を生成し、前記第２配線部に前記第２磁場を生成し、前記第３配線部に第３磁場を生成し、
前記第１磁場とは１８０°異なる方向に、前記第１磁場を挟むように前記第２磁場及び前記第３磁場を生成し、前記第１磁場，前記第２磁場，及び前記第３磁場から構成され、磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場を、前記第１配線部の上部に形成する
ことを特徴とする原子捕捉方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の原子捕捉方法において、
前記第１ステップは、
前記超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域を加熱して、前記加熱領域を常伝導状態とする第５ステップと、
前記超伝導閉回路の周囲に前記超伝導閉回路に沿って設けられた超伝導開回路に超伝導電流を印加する第６ステップと、
前記加熱領域の加熱を停止して前記超伝導閉回路の全体を超伝導状態とし、前記超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第７ステップと
を備え、
前記第２ステップの後に、
前記超伝導開回路に対する超伝導電流の印加を停止する第８ステップ
を備えることを特徴とする原子捕捉方法。
【請求項１１】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の原子捕捉方法において、
前記第１ステップは、
前記超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域を加熱して、前記加熱領域を常伝導状態とする第５ステップと、
前記加熱領域を挟むように前記超伝導閉回路に接続した２つの端子部に超伝導電流を印加する第６ステップと
を備え、
前記第２ステップの後に、
前記加熱領域の加熱を停止して前記超伝導閉回路の全体を超伝導状態とし、前記超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第７ステップ
を備えることを特徴とする原子捕捉方法。
【請求項１２】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の原子捕捉方法において、
前記第１ステップは、
前記超伝導閉回路が超伝導転移温度より高い状態で前記超伝導閉回路を貫く磁場を加える第５ステップと、
前記超伝導閉回路を磁場が貫いている状態で、前記超伝導閉回路を超伝導転移温度以下にする第６ステップと、
前記超伝導閉回路を貫く磁場を停止する第７ステップと
を備えることを特徴とする原子捕捉方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子干渉計，原子及び超伝導固体素子の量子状態の変換，及び記憶・制御手段としての応用が可能となる、中性原子を捕捉する原子捕捉素子及び原子捕捉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原子（中性原子）は、３次元的な極小点を持つ不均一磁場中に置かれることで、空間的に閉じ込められる。このような３次元的な極小点を持つ不均一な磁場による原子捕捉領域を基板の上に形成し、基板の原子捕捉領域で、安定した状態で原子を強く閉じ込めることができれば、光のシングルモードファイバーに相当する原子のシングルモード導波路が実現できる。このような原子のシングルモード導波路が実現できれば、例えば、より高性能な原子干渉計が可能となる。
【０００３】
３次元的な極小点を持つ不均一磁場は、電流の周りに発生する磁場で構成することが可能である。電流の周りに発生する磁場は、電流に近い程、急峻な勾配が得られるので、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、急峻な磁場勾配が形成可能となり、これによる３次元的な極小点を持つ不均一磁場により、原子を捕捉させることが可能となる（非特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、より強い閉じ込めを実現するために、原子の捕捉中心を電流に近づけると、電流を流している配線が形成されている素子からの熱雑音，電流雑音，及び配線自身の不均一な組成などが問題となり、原子の捕捉寿命が著しく低下することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】R. Folman, et al. "MICROSCOPIC ATOM OPTICS: FROM WIRES TO AN ATOM CHIP", Advance in Atomic, Molecular, and Optical Physics, Vol.48, pp.263-356 ,2002.
【非特許文献２】C. Henkel, et al. ,"Fundamental limitsa for coherent manipulation on atom chip", Appl. Phys., B76, pp.173-182, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来の原子捕捉素子では、より強い閉じ込めのために捕捉中心を電流に近づけると、素子の熱雑音、電流雑音、配線自身の不均一な組成などが原因で、捕捉寿命が著しく低下する。このため、原子の強い閉じ込めを実現するために不可欠な、捕捉領域における表面近傍の安定な捕捉ができず、原子のシングルモード導波路は、実現されていない。
【０００７】
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、配線が配置された基板表面近傍においても、原子の強い閉じ込めを安定した状態でできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る原子捕捉素子は、基板の上に形成されて超伝導電流が流れる超伝導閉回路と、超伝導閉回路に超伝導電流を流す超伝導電流生成手段と、超伝導閉回路の一部に設けられて第１方向に延在し、超伝導電流による第１磁場を生成する第１配線部と、少なくとも第１磁場及び第１磁場とは異なる方向の第２磁場から形成され、第１配線部の上部に形成される磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場から構成された原子捕捉手段とを備えるものである。従って、超伝導電流により生成された磁場ポテンシャルの極小点に、原子が捕捉される。
【０００９】
上記原子捕捉素子において、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の一端に接続して第１方向とは異なる第２方向に延在する第２配線部と、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の他端に接続して第１方向及び第２方向とは異なる第３方向に延在する第３配線部とを少なくとも備え、第２磁場は、基板の上面と平行な平面内で第１方向に垂直な方向へ加えられる磁場であればよい。
【００１０】
また、上記原子捕捉素子において、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の一端に接続して第１方向とは１８０°異なる第２方向に延在する第２配線部と、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の他端に接続して第２方向に延在する第３配線部とを備え、原子捕捉手段は、第１磁場と、超伝導電流により第２配線部に生成される第２磁場と、超伝導電流により第３配線部に生成される第３磁場とから構成されていればよい。
【００１１】
また、上記原子捕捉素子において、超伝導電流生成手段は、超伝導閉回路の周囲に超伝導閉回路に沿って設けられて超伝導電流の制御が可能とされた超伝導開回路と、超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域とから構成されていればよい。また、超伝導電流生成手段は、超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域と、加熱領域を挟むように超伝導閉回路に接続して電流が印加される２つの端子部とから構成されてても良い。
また、上記原子捕捉素子において、超伝導電流生成手段は、超伝導閉回路を貫く磁場を発生する電流駆動磁場発生手段と、超伝導閉回路を超伝導転移温度に制御する冷却手段とから構成されていてもよい。
【００１２】
また、本発明に係る及び原子捕捉方法は、基板の上に形成された超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第１ステップと、超伝導閉回路の一部に設けられて第１方向に延在した第１配線部に、超伝導電流による第１磁場を生成するとともに、第１磁場とは異なる方向の第２磁場を生成し、第１磁場と第２磁場とから構成され、磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場を、第１配線部の上部に形成する第２ステップとを少なくとも備えるようにしたものである。
【００１３】
上記原子捕捉方法において、第２ステップは、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の一端に接続して第１方向とは異なる第２方向に延在する第２配線部と、第１配線部と、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の他端に接続して第１方向及び第２方向とは異なる第３方向に延在する第３配線部とを流れる超伝導電流により第１磁場を生成する第３ステップと、基板の上面と平行な平面内で第１方向に垂直な方向の第２磁場を第１配線図に加える第４ステップとを備えていればよい。
【００１４】
また、上記原子捕捉方法において、第２ステップでは、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の一端に接続して第１方向とは１８０°異なる第２方向に延在する第２配線部と、第１配線部と、超伝導閉回路の一部に設けられ、第１配線部の他端に接続して第２方向に延在する第３配線部とを流れる超伝導電流により、第１配線部に第１磁場を生成し、第２配線部に第２磁場を生成し、第３配線部に第３磁場を生成し、第１磁場とは１８０°異なる方向に、第１磁場を挟むように第２磁場及び第３磁場を生成し、第１磁場，第２磁場，及び第３磁場から構成され、磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場を、第１配線部の上部に形成する。
【００１５】
また、上記原子捕捉方法において、第１ステップは、超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域を加熱して、加熱領域を常伝導状態とする第５ステップと、超伝導閉回路の周囲に超伝導閉回路に沿って設けられた超伝導開回路に超伝導電流を印加する第６ステップと、加熱領域の加熱を停止して超伝導閉回路の全体を超伝導状態とし、超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第７ステップとを備え、第２ステップの後に、超伝導開回路に対する超伝導電流の印加を停止する第８ステップを備えるようにすればよい。
【００１６】
また、上記原子捕捉方法において、第１ステップは、超伝導閉回路の一部に設けられた加熱領域を加熱して、加熱領域を常伝導状態とする第５ステップと、加熱領域を挟むように超伝導閉回路に接続した２つの端子部に超伝導電流を印加する第６ステップとを備え、第２ステップの後に、加熱領域の加熱を停止して超伝導閉回路の全体を超伝導状態とし、超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とする第７ステップを備えるようにしてもよい。
【００１７】
また、上記原子捕捉方法において、第１ステップは、超伝導閉回路が超伝導転移温度より高い状態で超伝導閉回路を貫く磁場を加える第５ステップと、超伝導閉回路を磁場が貫いている状態で、超伝導閉回路を超伝導転移温度以下にする第６ステップと、超伝導閉回路を貫く磁場を停止する第７ステップとを備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、基板の上に形成された超伝導閉回路に超伝導電流が流れる状態とし、超伝導閉回路の一部に設けられて第１方向に延在して超伝導電流による第１磁場を生成する第１配線部と、第１磁場及び第１磁場とは異なる方向の第２磁場から構成され、第１配線部の上部に形成される磁場ポテンシャルの極小点を備えた不均一な磁場から構成された原子捕捉手段とにより、原子を捕捉するようにしたので、配線が配置された基板表面近傍においても、原子の強い閉じ込めを安定した状態でできるようにな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】
【００１９】
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。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１（ａ），図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１における原子捕捉素子の構成を示す構成図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、側面図である。
【００２０】
本実施の形態１における原子捕捉素子は、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、例えばホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる配線より構成された超伝導閉回路１０２及び超伝導開回路１０３を備え、超伝導閉回路１０２に、捕捉部配線（第１配線部）１２１と２つの配線部（第２配線部）１２２，配線部（第３配線部）１２３とから構成されたＺ型ワイヤー部１２０を備える。Ｚ型ワイヤー部は、超伝導閉回路１０２の一部（局所的）に設けられている。超伝導開回路１０３は、超伝導閉回路１０２の周囲に沿って配置されていている。また、超伝導閉回路１０２は、先端部にヘアピンカーブを備えた形状の加熱領域１５２を備え、超伝導開回路１０３は、端子１３１及び端子１３２を備える。本実施の形態１では、以降に説明するように、超伝導開回路１０３や加熱領域１５２が、超伝導閉回路１０２に対する超伝導電流生成手段を構成するものとなる。
【００２１】
ここで、Ｚ型ワイヤー部１２０についてより詳細に説明する。Ｚ型ワイヤー部１２０は、まず、基板１０１の上部に原子を捕捉する捕捉領域１５１を形成する捕捉部配線１２１を備える。また、Ｚ型ワイヤー部１２０は、捕捉部配線１２１の一端に接続して捕捉部配線１２１の延在方向とは異なる方向に延在する配線部１２２を備える。加えて、Ｚ型ワイヤー部１２０は、捕捉部配線１２１の他端に接続して捕捉部配線１２１の延在方向及び配線部１２２の延在方向とは異なる方向に延在する配線部１２３を備えている。図１（ａ）に示す例では、配線部１２２は、捕捉部配線１２１に直交して接続し、配線部１２３は、配線部１２２と異なる方向に、捕捉部配線１２１に直交して接続している。従って、配線部１２２と配線部１２３は、基板１０１の平面上で、捕捉部配線１２１と起点として異なる方向に延在して互いに平行な関係となっている。なお、Ｚ型ワイヤー部１２０の周囲にあたる超伝導開回路１０３の部分も、Ｚ型ワイヤー部１２０と同様の構成となっている。
【００２２】
また、本原子捕捉素子は、超伝導閉回路１０２が形成されている平面内において、Ｚ型ワイヤー部１２０を構成する捕捉部配線１２１の延在方向に垂直な方向の磁場（第２磁場）１６１が、外部磁場発生部１６０より印加可能とされている。また、本原子捕捉素子は、レーザ照射部（加熱手段）１６２からの加熱領域１５２に対するレーザ照射により、加熱領域１５２の超伝導閉回路１０２が加熱可能とされている。なお、他の方法により加熱しても良い。また、本原子捕捉素子は、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）１７１に取り付けて用いられ、超伝導閉回路１０２及び超伝導開回路１０３などの超伝導転移温度（Ｔｃ）以下まで冷却可能とされている。例えば、原子捕捉素子は、超伝導閉回路１０２などが形成されている面を、地面の方向に向けて冷却部１７１に取り付けられている。
【００２３】
次に、本実施の形態における原子捕捉素子の製造について簡単に説明すると、例えば、分子線エピタキシー法により、基板１０１の上にＭｇＢ2膜が形成された状態とする。ＭｇＢ2膜は、例えば、膜厚１．６μｍ程度に形成された状態とすればよい。次に、ＭｇＢ2膜をよく知られたリソグラフィ技術に加工することで、基板１０１の上に超伝導閉回路１０２及び超伝導開回路１０３が形成された状態とする。例えば、超伝導閉回路１０２は、線幅１００μｍ程度に形成され、超伝導開回路１０３は、線幅２００μｍ程度に形成された状態とすればよい。また、超伝導開回路１０３の外形は、一辺が１ｃｍ程度の矩形の状態に形成された状態とすればよい。また、端子１３１及び端子１３２は、一辺が１ｍｍ程度の矩形に形成されていればよい。なお、これら材料及び寸法は一例であり、これに限るものではなく、超伝導電流を流すことが可能な配線材料や寸法であれば、他の材料から構成して異なる寸法に形成しても良いことは言うまでもない。
【００２４】
次に、本実施の形態１における原子捕捉素子による原子捕捉方法について説明する。なお、原子捕捉素子に捕捉させようとする原子は、予め室温（２０℃程度）から磁気光学トラップ（ＭＯＴ）１７２（図１（ｂ））で予備冷却した後、四重極磁場トラップ（ＱＭＴ）１７３中に保持されているものとする。
【００２５】
まず、冷却部１７１により、原子捕捉素子を上記Ｔｃ以下まで冷却する。これにより、超伝導閉回路１０２及び超伝導開回路１０３が超伝導状態となる。
次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射により、加熱領域１５２を加熱して上記Ｔｃ以上にまで昇温し、当該部分を常伝導状態とする。
【００２６】
次に、原子を捕捉しているＱＭＴ１７３を、原子捕捉素子の捕捉領域１５１の上に移動させる。この状態で、端子１３１及び端子１３２の間に電流を流して超伝導開回路１０３に電流が流れた状態とし、加えて、外部磁場発生部１６０より磁場１６１を発生させて捕捉領域１５１に外部からバイアス磁場が印加された状態とする。このことにより、超伝導開回路１０３の捕捉領域１５１にあたる配線部の上部に磁場トラップが生成され、ＱＭＴ１７３に捕捉されていた原子が、この磁場トラップ（捕捉領域１５１）に捕捉される状態となる。
【００２７】
次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射を停止し、加熱領域１５２の加熱状態を停止することで、加熱領域１５２が上記Ｔｃ以下にまで冷却された状態とし、超伝導閉回路１０２の全体が超伝導（超伝導閉回路）にされた状態とする。
【００２８】
次に、端子１３１及び端子１３２の間に流していた電流を停止して超伝導開回路１０３への電流を遮断する。このことにより、超伝導状態とされている超伝導閉回路１０２に超伝導永久電流が流れる状態となる。言い換えると、超伝導開回路１０３及び加熱領域１５２を含む超伝導電流生成手段により、超伝導閉回路１０２に対して超伝導電流が生成されるようになる。このとき、外部磁場発生部１６０からの磁場１６１により捕捉領域１５１に外部からバイアス磁場が印加されているので、捕捉部配線１２１の上部に新たに磁場トラップ（原子捕捉手段）が形成され、上記原子の捕捉状態が継続される。Ｚ型ワイヤー部１２０に流れる電流によって捕捉部配線１２１の上部に発生する磁場（第１磁場）と、均一な磁場１６１とが重なるところは、磁場ポテンシャルの極小点（３次元的な極小点）をもつ不均一な磁場が形成される。この不均一な磁場における極小点の領域が、磁場トラップとなり原子が捕捉されるようになる。
【００２９】
上述した本実施の形態の原子捕捉素子及び原子捕捉方法によれば、捕捉部配線１２１の上部に形成される磁場トラップは、超伝導閉回路１０２における超伝導永久電流により形成されるので、電源からのノイズの影響が発生しない。また、超伝導状態にまで冷却されているので、熱雑音などの発生も抑制されている。これらのことにより、トラップ中心を捕捉部配線１２１に近づけても、トラップ寿命が著しく低下することが抑制されるようになり、トラップ中心を捕捉部配線１２１に近づけることによる原子の強い閉じ込めが安定した状態で実現可能となる。また、本実施の形態の原子捕捉によれば、原子を捕捉した状態においては、超伝導閉回路１０２に対する外部からの電源供給を必要としない。
【００３０】
［実施の形態２］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は、本発明の実施の形態２における原子捕捉素子の構成を示す構成図である。
【００３１】
本実施の形態２における原子捕捉素子は、例えばサファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板１０２の上に、例えばホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる配線より構成された超伝導閉回路２０２を備え、超伝導閉回路２０２に、捕捉部配線２２１から構成されたＺ型ワイヤー部を備える。このＺ型ワイヤー部は、前述した実施の形態１のＺ型ワイヤー部１２０と同様である。また、超伝導閉回路２０２は、加熱領域２５２を備え、加えて、加熱領域２５２を挟むように配置された端子２０４及び端子２０５を備える。前述した実施の形態１では、ヘアピン形状の加熱領域１５２を備えるようにしたが、これに限るものではなく、図２に示すように、超伝導閉回路２０２の矩形の一角を加熱領域２５２としてもよい。ただし、前述した加熱領域１５２のようにヘアピン状に形成した方が、加熱による他への影響が低減できる。本実施の形態２では、以降に説明するように、加熱領域２５２、端子２０４及び端子２０５が、超伝導閉回路２０２に対する超伝導電流生成手段を構成するものとなる。
【００３２】
また、本原子捕捉素子も、前述した実施の形態１と同様に、超伝導閉回路２０２が形成されている平面内において、捕捉部配線２２１の延在方向に垂直な方向の磁場１６１が、印加可能とされている。また、本原子捕捉素子も、加熱領域２５２に対するレーザ照射により、加熱領域２５２の超伝導閉回路２０２が加熱可能とされている。また、本原子捕捉素子は、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により、超伝導閉回路２０２の超伝導転移温度（Ｔｃ）以下まで冷却可能とされている。これらのことは、図１（ｂ）に示す基板１０１の代わりに、基板２０１を配置することで、実現可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態における原子捕捉素子においても、前述した実施の形態１と同様にすることで、製造可能であり、例えば、超伝導閉回路２０２は、線幅１００μｍ程度に形成され、外形は一辺が１ｃｍ程度の矩形の状態に形成され、また、端子２０４及び端子２０５は、一辺が１ｍｍ程度の矩形に形成されていればよい。
【００３４】
次に、本実施の形態２における原子捕捉素子による原子捕捉方法について説明する。なお、以下においても、図１（ｂ）に示す外部磁場発生部１６０，レーザ照射部１６２，冷却部１７１，ＭＯＴ１７２，及びＱＭＴ１７３を用いて説明する。まず、原子捕捉素子に捕捉させようとする原子は、予め室温（２０℃程度）からＭＯＴ１７２で予備冷却した後、ＱＭＴ１７３中に保持されているものとする。
【００３５】
次に、冷却部１７１により、原子捕捉素子を上記Ｔｃ以下まで冷却する。これにより、超伝導閉回路２０２が超伝導状態となる。
次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射により、加熱領域２５２を加熱して上記Ｔｃ以上にまで昇温し、当該部分を常伝導状態とする。
【００３６】
次に、原子を捕捉しているＱＭＴ１７３を、原子捕捉素子の捕捉領域２５１の上に移動させる。この状態で、端子２０４及び端子２０５の間に電流を流して超伝導閉回路２０２に電流が流れた状態とし、加えて、外部磁場発生部１６０より磁場１６１を発生させて捕捉領域２５１に外部からバイアス磁場が印加された状態とする。このことにより、超伝導閉回路２０２の捕捉部配線２２１の上部（捕捉領域２５１）に磁場トラップ（原子捕捉手段）が生成され、ＱＭＴ１７３に捕捉されていた原子が、この磁場トラップ（捕捉領域２５１）に捕捉される状態となる。
【００３７】
次に、レーザ照射部１６２からのレーザ照射を停止し、加熱領域２５２の加熱状態を停止することで、加熱領域２５２が上記Ｔｃ以下にまで冷却された状態とし、超伝導閉回路２０２の全体が超伝導（超伝導閉回路）にされた状態とする。
【００３８】
次に、端子２０４及び端子２０５の間に流していた電流を停止して超伝導閉回路２０２への電流を遮断する。このことにより、超伝導状態とされている超伝導閉回路２０２に超伝導永久電流が流れる状態となる。言い換えると、加熱領域２５２、端子２０４及び端子２０５を含む超伝導電流生成手段により、超伝導閉回路２０２に対して超伝導電流が生成されるようになる。このとき、外部磁場発生部１６０からの磁場１６１により捕捉領域２５１（捕捉部配線２２１）に外部からバイアス磁場が印加されているので、上記原子の捕捉状態が継続される。
【００３９】
上述した本実施の形態の原子捕捉素子及び原子捕捉方法によれば、捕捉部配線２２１の上部に形成される磁場トラップは、超伝導閉回路２０２における超伝導永久電流により形成されるので、電源からのノイズの影響が発生しない。また、超伝導状態にまで冷却されているので、熱雑音などの発生も抑制されている。これらのことにより、トラップ中心を捕捉部配線２２１に近づけても、トラップ寿命が著しく低下することが抑制されるようになり、トラップ中心を捕捉部配線２２１に近づけることによる原子の強い閉じ込めが安定した状態で実現可能となる。また、本実施の形態の原子捕捉によれば、原子を捕捉した状態においては、超伝導閉回路２０２に対する外部からの電源供給を必要としない。
【００４０】
［実施の形態３］
はじめに、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３，図４は、本発明の実施の形態３における原子捕捉素子の構成を示す構成図である。図３は平面図、図４は、側面図である。
【００４１】
本実施の形態３における原子捕捉素子は、例えばサファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板３０１の上に、例えばホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる配線より構成された超伝導閉回路３０２を備え、超伝導閉回路３０２に、捕捉部配線３２１から構成されたＺ型ワイヤー部を備える。このＺ型ワイヤー部は、前述した実施の形態１のＺ型ワイヤー部１２０と同様である。なお、本実施の形態における原子捕捉素子においても、前述した実施の形態１と同様にすることで、製造可能であり、例えば、超伝導閉回路３０２は、線幅１００μｍ程度に形成され、外形は一辺が１ｃｍ程度の矩形の状態に形成されている。
【００４２】
また、本原子捕捉素子は、超伝導閉回路３０２が形成されている平面内において、Ｚ型ワイヤー部１２０を構成する捕捉部配線３２１の延在方向に垂直な方向の磁場１６１が、外部磁場発生部１６０より印加可能とされている。また、本原子捕捉素子は、電流駆動磁場発生部（電流駆動磁場発生手段）３６０により、超伝導閉回路３０２を貫く磁場３６１が印加可能とされている。また、本原子捕捉素子も、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１７１に取り付けて用いられ、超伝導閉回路３０２の超伝導転移温度（Ｔｃ）以下まで冷却可能とされている。本実施の形態３では、以降に説明するように、超伝導閉回路３０２を貫く磁場３６１が超伝導電流生成手段を構成するものとなる。
【００４３】
次に、本実施の形態３における原子捕捉素子による原子捕捉方法について説明する。まず、原子捕捉素子に捕捉させようとする原子は、予め室温（２０℃程度）からＭＯＴ１７２で予備冷却した後、ＱＭＴ１７３中に保持されているものとする。
【００４４】
次に、超伝導閉回路３０２がＴｃより高温の状態で、電流駆動磁場発生部３６０からの磁場３６１が、超伝導閉回路３０２を貫く状態とする。次に、冷却部１７１により、原子捕捉素子を上記Ｔｃ以下まで冷却する。次いで、電流駆動磁場発生部３６０を停止し、超伝導閉回路３０２を貫く磁場３６１が切れた状態とする。これにより、超伝導閉回路３０２が超伝導状態となり、超伝導永久電流が流れる状態となる。言い換えると、冷却部１７１及び電流駆動磁場発生部３６０を含む超伝導電流生成手段により、超伝導閉回路３０２に対して超伝導電流が生成されるようになる。
【００４５】
次に、原子を捕捉しているＱＭＴ１７３を、原子捕捉素子の捕捉領域２５１の上に移動させる。この状態で、外部磁場発生部１６０より磁場１６１を発生させて捕捉領域２５１に外部からバイアス磁場が印加された状態とする。このことにより、超伝導閉回路３０２の捕捉部配線３２１の上部（捕捉領域３５１）に磁場トラップ（原子捕捉手段）が生成され、ＱＭＴ１７３に捕捉されていた原子が、この磁場トラップに捕捉される状態となる。このとき、超伝導閉回路３０２には、超伝導永久電流が流れているので、原子の捕捉状態が継続される。
【００４６】
上述した本実施の形態の原子捕捉素子及び原子捕捉方法によれば、捕捉部配線３２１の上部に形成される磁場トラップは、超伝導閉回路３０２における超伝導永久電流により形成されるので、電源からのノイズの影響が発生しない。また、超伝導状態にまで冷却されているので、熱雑音などの発生も抑制されている。これらのことにより、トラップ中心を捕捉部配線３２１に近づけても、トラップ寿命が著しく低下することが抑制されるようになり、トラップ中心を捕捉部配線３２１に近づけることによる原子の強い閉じ込めが安定した状態で実現可能となる。また、本実施の形態の原子捕捉によれば、超伝導閉回路３０２に対する外部からの電源供給を必要とせずに原子の捕捉が可能となる。
【００４７】
［実施の形態４］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５は、本発明の実施の形態４における原子捕捉素子の構成を示す構成図である。
【００４８】
本実施の形態４における原子捕捉素子は、例えばサファイアなどのＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板５０１の上に、例えばホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる配線より構成された超伝導閉回路５０２を備え、超伝導閉回路５０２に、互いにほぼ平行な状態に配置された３つの配線部（第２配線部）５３１，配線部（第１配線部）５３２，及び配線部（第３配線部）５３３から構成された捕捉配線部５０３を備える。なお、本実施の形態における原子捕捉素子においても、前述した実施の形態１と同様にすることで、製造可能であり、例えば、超伝導閉回路５０２は、線幅１００μｍ程度に形成され、外形は一辺が１ｃｍ程度の矩形の状態に形成されている。なお、本実施の形態４でも、以降に説明するように、超伝導閉回路５０２を貫く磁場３６１が超伝導電流生成手段を構成するものとなる。
【００４９】
ここで、捕捉配線部５０３について説明する。捕捉配線部５０３は、基板５０１の平面上で、超伝導閉回路５０２を構成する連続した配線の一部で構成されている。また、捕捉配線部５０３は、互いに１８０°異なる方向に往復する３つの配線部５３１，配線部５３２，及び配線部５３３を備えている。配線部５３１，配線部５３２，及び配線部５３３は、互いに平行に配置されている。言い換えると、配線部５３１は、超伝導閉回路５０２の一部に設けられ、配線部５３２一端に接続して配線部５３２が延在する方向とは１８０°異なる方向に延在し、配線部５３３は、超伝導閉回路５０２の一部に設けられ、配線部５３２他端に接続して配線部５３１と同じ方向に延在している。従って、超伝導閉回路５０２に電流が流れると、配線部５３１及び配線部５３３に流れる電流に対し、配線部５３２には１８０°異なる方向の電流が流れることになり、配線部５３２により生成する磁場（第１磁場）とは異なる方向の磁場（第２磁場、第３磁場）が、配線部５３１及び配線部５３３により生成される。また、捕捉配線部５０３においても、配線部５３２に着目すると、前述したＺ型ワイヤー部と同様の構成となっている。
【００５０】
このように、隣り合う電流が反平行となる３つの直線電流の周囲（断面方向）には、配線部５３２による第１磁場と、配線部５３１，５３３による第１磁場とは異なる方向の第２磁場、第３磁場が生成され、図６に示すように、磁場ポテンシャル（不均一な磁場）が形成され、配線部５３２の上にはポテンシャル極小点が形成される。本実施の形態４においては、捕捉配線部５０３において、磁場ポテンシャルの極小点（３次元的な極小点）をもつ不均一な磁場が形成される。この不均一な磁場におけるポテンシャル極小点の領域が、磁場トラップ（原子捕捉手段）となり、原子が捕捉されるようになる。
【００５１】
次に、本実施の形態４における原子捕捉素子による原子捕捉方法について説明する。なお、以下においては、図４に示す電流駆動磁場発生部３６０，冷却部１７１，ＭＯＴ１７２，及びＱＭＴ１７３を用いて説明する。まず、原子捕捉素子に捕捉させようとする原子は、予め室温（２０℃程度）からＭＯＴ１７２で予備冷却した後、ＱＭＴ１７３中に保持されているものとする。
【００５２】
次に、超伝導閉回路５０２がＴｃより高温の状態で、電流駆動磁場発生部３６０からの磁場３６１が、超伝導閉回路５０２を貫く状態とする。次に、冷却部１７１により、原子捕捉素子を上記Ｔｃ以下まで冷却する。次いで、電流駆動磁場発生部３６０を停止し、超伝導閉回路５０２を貫く磁場３６１が切れた状態とする。これにより、超伝導閉回路５０２が超伝導状態となり、超伝導永久電流が流れる状態となる。
【００５３】
次に、原子を捕捉しているＱＭＴ１７３を、原子捕捉素子の捕捉領域５５１の上に移動させる。前述したように、超伝導永久電流が流れている捕捉配線部５０３においては、配線部５３２の上方に磁場のポテンシャル極小点が形成され、磁場トラップが形成されている状態となっている。このため、ＱＭＴ１７３に捕捉されていた原子が、この磁場トラップに捕捉される状態となる。また、超伝導閉回路５０２には、超伝導永久電流が流れているので、上述した原子の捕捉状態が継続される。
【００５４】
上述した本実施の形態の原子捕捉素子及び原子捕捉方法によれば、捕捉配線部５０３（配線部５３２）の上部に形成される磁場トラップ（磁場ポテンシャル極小点）は、超伝導閉回路５０２における超伝導永久電流により形成されるので、電源からのノイズの影響が発生しない。また、超伝導状態にまで冷却されているので、熱雑音などの発生も抑制されている。加えて、超伝導電流から発生する磁場のポテンシャル極小点を用いているので、電流ノイズが発生しない。
【００５５】
これらのことにより、トラップ中心を配線部５３２に近づけても、トラップ寿命の低下が抑制されるようになり、トラップ中心を配線部５３２に近づけることによる原子の強い閉じ込めが安定した状態で実現可能となる。また、本実施の形態の原子捕捉によれば、超伝導閉回路５０２に対する外部からの電源供給を必要とせずに原子の捕捉が可能となる。なお、本実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、超伝導閉回路５０２の周囲に超伝導閉回路５０２に沿って超伝導開回路を設け、また、超伝導閉回路５０２の一部に加熱領域を設け、超伝導開回路における超伝導電流の制御と加熱領域の加熱制御により、超伝導閉回路５０２に超伝導電流が流れるようにしても良い。また、実施の形態２と同様に、超伝導閉回路に加熱領域とこれを挟む端子部とを設け、超伝導閉回路５０２に超伝導電流が流れるようにしても良い。
【００５６】
なお、上述では、矩形状態の超伝導閉回路の角の部分に、Ｚ型ワイヤー部などの原子を捕捉する配線部を設けるようにしたが、これに限るものではない。例えば、図７（ａ）の平面図に示すように、矩形状態の超伝導閉回路７０２の辺の部分の中央部に、捕捉部配線７２１と２つの配線部７２２，配線部７２３とから構成されたＺ型ワイヤー部７２０を設け、捕捉部配線７２１の上の捕捉領域７５１に磁場トラップ（原子捕捉手段）を形成するようにしても良い。
【００５７】
また、上述では、矩形形状帯の超伝導閉回路の内側に、原子を捕捉する領域を設けるようにしたが、これに限るものではない、例えば、図７（ｂ）の平面図に示すように、矩形状態の超伝導閉回路７０２の辺の部分の中央部において、回路の外側に配置されるように、捕捉部配線７２１ａと２つの配線部７２２ａ，配線部７２３ａとから構成されたＺ型ワイヤー部７２０ａを設け、捕捉部配線７２１ａの上の捕捉領域７５１ａに磁場トラップ（原子捕捉手段）を形成するようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
上述した本発明の原子捕捉素子及び原子捕捉方法によれば、原子のシングルモードとラップ及び原子のシングルモード導波路が可能となり、高い感度を有する原子干渉計や、原子及び超伝導素子の量子状態の変換・記憶・制御手段などの応用が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態１における原子捕捉素子の構成例を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における原子捕捉素子の構成例を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３における原子捕捉素子の構成例を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態３における原子捕捉方法を説明するための説明図である。
【図５】本発明の実施の形態４における原子捕捉素子の構成例を示す構成図である。
【図６】隣り合う電流が反平行となる３つの直線電流の周囲（断面方向）に形成される磁場ポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。
【図７】本発明における原子捕捉素子の構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…基板、１０２，２０２，３０２，５０２，７０２…超伝導閉回路、１０３…超伝導開回路、１２０…Ｚ型ワイヤー部、１２１，２２１，３２１，７２１，７２１ａ…捕捉部配線、１２２，１２３…配線部、１３１，１３２，２０４，２０５…端子、１５１，２５１，３５１，５５１，７５１，７５１ａ…捕捉領域、１５２，２５２…加熱領域、１６０…外部磁場発生部、１６１…磁場、１６２…レーザ照射部、１７１…冷却部、１７２…磁気光学トラップ（ＭＯＴ）、１７３…四重極磁場トラップ（ＱＭＴ）、３６０…電流駆動磁場発生部、３６１…磁場。
【図１】
2008173745.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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