(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体から構成された超伝導体薄膜と、
この超伝導体薄膜に形成された屈曲部と、
前記超伝導体薄膜の前記屈曲部に形成された開口部と、
この開口部の縁に超伝導永久電流が流れる状態とする超伝導電流生成手段と
を少なくとも備え、
前記開口部の縁により立体的なループ回路が形成され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、
前記超伝導体薄膜の前記屈曲部に形成された複数の開口部を備える
ことを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導体薄膜は、表面に凸部を備えた基板の前記凸部を含めた前記基板の表面に形成されて、前記凸部の上の前記超伝導体薄膜の部分が前記屈曲部とされ、
前記開口部は、前記凸部の上の前記超伝導体薄膜に形成され、
前記超伝導体薄膜の前記開口部が形成されている前記凸部の領域は除去されている
ことを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項４】
請求項１又は２記載の原子捕捉素子において、
前記超伝導体薄膜は、表面に凹部を備えた基板の前記凹部を含めた前記基板の表面に形成されて、前記凹部の上の前記超伝導体薄膜の部分が前記屈曲部とされ、
前記開口部は、前記凹部の上の前記超伝導体薄膜に形成されている
ことを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項５】
請求項１〜４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、
前記開口部を貫く磁場を発生する磁場発生手段と、
前記超伝導体薄膜を超伝導転移温度に制御する冷却手段と
を備えることを特徴とする原子捕捉素子。
【請求項６】
請求項１〜４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、
前記超伝導体薄膜を超伝導転移温度に冷却する冷却手段と、
前記開口部の縁の一部の加熱領域を加熱する加熱手段と、
前記加熱領域を挟むように前記開口部の縁に接続して電流を印加する電流印加手段と
を備えることを特徴とする原子捕捉素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、原子を捕捉する原子捕捉素子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】
このようなマイクロ磁場トラップによって単一の原子を捕捉する強い閉じ込めを実現するためには、トラップの中心を電流に近づける必要がある。しかしながら、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）。
【０００４】
上述した問題を解消する技術として、超伝導永久電流により発生する磁場と、これとは異なり外部から印加する磁場とにより原子を捕捉する方法が提案されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
本発明に係る原子捕捉素子は、超伝導体から構成された超伝導体薄膜と、この超伝導体薄膜に形成された屈曲部と、超伝導体薄膜の屈曲部に形成された開口部と、この開口部の縁に超伝導永久電流が流れる状態とする超伝導電流生成手段とを少なくとも備え、開口部の縁により立体的なループ回路が形成されるようにしたものである。開口部の縁に形成される立体的なループ回路に超伝導永久電流が流れることにより発生する磁場により、原子が捕捉される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の原子捕捉素子では、超伝導永久電流を２次元平面内に流れるようにしているため、発生させることのできる磁場の形状（領域）が限られ、より効率的に原子の捕捉をすることができなかった。
【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、原子の閉じ込めをより効率的に行え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、超伝導体から構成された超伝導体薄膜と、この超伝導体薄膜に形成された屈曲部と、超伝導体薄膜の屈曲部に形成された開口部と、この開口部の縁に超伝導永久電流が流れる状態とする超伝導電流生成手段とを少なくとも備えるようにしたものである。開口部の縁に形成される立体的なループ回路に超伝導永久電流が流れることにより発生する磁場により、原子が捕捉される。
【０００９】
上記原子捕捉素子において、超伝導体薄膜の屈曲部に形成された複数の開口部を備えるようにしてもよい。なお、超伝導体薄膜は、表面に凸部を備えた基板の凸部を含めた基板の表面に形成されて、凸部の上の超伝導体薄膜の部分が屈曲部とされ、開口部は、凸部の上の超伝導体薄膜に形成され、超伝導体薄膜の開口部が形成されている凸部の領域は除去されているようにしてもよい。また、超伝導体薄膜は、表面に凹部を備えた基板の凹部を含めた基板の表面に形成されて、凹部の上の超伝導体薄膜の部分が屈曲部とされ、開口部は、凹部の上の超伝導体薄膜に形成されているようにしてもよい。
【００１０】
また、上記、原子捕捉素子において、超伝導電流生成手段は、開口部を貫く磁場を発生する磁場発生手段と、超伝導体薄膜を超伝導転移温度に制御する冷却手段とを備えるようにしてもよい。また、超伝導電流生成手段は、超伝導体薄膜を超伝導転移温度に冷却する冷却手段と、開口部の縁の一部の加熱領域を加熱する加熱手段と、加熱領域を挟むように開口部の縁に接続して電流を印加する電流印加手段とを備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導体薄膜に形成された屈曲部に開口部を形成し、開口部の縁に超伝導永久電流が流れる状態とすることで、原子を捕捉するようにしたので、立体的な空間で原子を捕捉できるようになり、原子の閉じ込めがより効率的に行え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】
【００１２】
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１は、本発明の実施の形態における原子捕捉素子の構成例を示す構成図，図２は、図１の一部を拡大して示す斜視図である。この原子捕捉素子は、まず、凸部１０２を備える基板１０１と、凸部１０２を含めた基板１０１の表面に形成され超伝導体薄膜１０３と、凸部１０２の上に形成されることで超伝導体薄膜１０３に形成された屈曲部１０４と、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４に形成された開口部１０５と、超伝導体薄膜１０３の開口部１０５が形成されている部分の凸部１０２が除去された除去領域１０６とを備えている。
【００１３】
また、本実施の形態では、超伝導体薄膜１０３を超伝導転移温度に冷却する冷却機構１１１と、超伝導体薄膜１０３の開口部１０５を貫く磁場（矢視線）を発生する磁場発生部１１２とを備えている。
【００１４】
本実施の形態では、凸部１０２は、高さ及び幅が１００μｍ程度に形成され、開口部１０５は、凸部１０２の延在方向の寸法が１００μｍ程度とされている。また、基板１０１は、例えば、Ａｌ2Ｏ3の結晶基板である。また、超伝導体薄膜１０３は、例えば、ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなり、膜厚１μｍ程度に形成されている。また、冷却機構１１１は、例えば、液体ヘリウムなどを用いるクライオスタットであり、超伝導体薄膜１０３を超伝導転移温度（Ｔｃ）以下まで冷却可能とされている。
【００１５】
本実施の形態における原子捕捉素子によれば、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４に形成された開口部１０５においては、開口部１０５の縁の部分に、図３の斜視図に示すように、３次元的な構造のループ回路配線３０１が形成された状態となっている。本実施の形態では、開口部１０５の縁により、１辺が１００μｍ程度の立体（立方体）が形成されている状態となっている。ループ回路配線３０１には、超伝導永久電流を流すことができ、ループ回路配線３０１に超伝導永久電流が流れることで発生する磁場は、３次元的な磁場の極小点を備えるようになる。
【００１６】
超伝導永久電流が流れる開口部１０５の縁の部分（ループ回路配線３０１）には、例えば、基板１０１の平面に平行な断面においては、図４及び図５に示すように磁場が形成される。図４において、磁場の強度を等磁場線として表示し、中央の線が磁場の最も弱いところを示している。図４では、ループ回路配線３０１の互いに平行な４つの配線部分の中央部が、磁場の極小点であることを示している。また、図５では、図３に示すループ回路配線３０１の重心を通る水平面内の磁場（配線部分を横切らない）の変化を示し、１００μｍ離れた２つの配線部分の中央部が、磁場の極小点であることを示している。
【００１７】
このように、ループ回路配線３０１の中央部に磁場の極小点が形成されるようになり、この磁場の極小点の領域が磁場トラップ（原子捕捉手段）となり、原子が捕捉できるようになる。本実施の形態では、１辺が１００μｍ程度の立体の領域で原子を捕捉するようにしたが、これに限るものではなく、凸部１０２の高さ及び幅を１μｍ程度とし、開口部１０５の凸部１０２の延在方向の寸法を１μｍ程度として、１辺が１μｍ程度の立体の領域で原子を捕捉するようにしても良い。この場合、超伝導体薄膜の膜厚は０．１μｍ程度とすればよい。このようにより小さい領域に原子を捕捉するようにすることで、１つの原子のみを捕捉するようにすることができる。これに対し、より広い領域に原子を捕捉するようにすることで、複数の原子を捕捉することができる。
【００１８】
次に、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４に形成された開口部１０５の縁の部分（ループ回路配線３０１）に、超伝導永久電流を流す方法について説明する。まず、本実施の形態の原子捕捉素子が、超伝導転位温度より高温の段階で、磁場発生部１１２により、超伝導体薄膜１０３の開口部１０５を貫く磁場を印加する。次に、冷却機構１１１を動作させて、原子捕捉素子を、超伝導体薄膜１０３の超伝導転位温度以下まで冷却する。この後、磁場発生部１１２の動作を停止して、開口部１０５を貫く磁場を切る。これらのことにより、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４に形成された開口部１０５の縁に、超伝導永久電流が流れる状態となる。この場合、冷却機構１１１及び磁場発生部１１２により、超伝導電流生成手段が構成されているものとなる。
【００１９】
次に、上述した本実施の形態における原子捕捉素子の作製方法について、図６〜図９の斜視図を用いて簡単に説明する。まず、図６に示すように、例えばＡｌ2Ｏ3の結晶からなる基板１０１を用意し、次に、図７に示すように、基板１０１の表面に、凸部１０２が形成された状態とする。次に、図８に示すように、凸部１０２を含む基板１０１の表面に、例えば、ＭｇＢ2からなる超伝導体薄膜１０３が形成され、凸部１０２の上には、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４が形成された状態とする。
【００２０】
次に、屈曲部１０４及び凸部１０２の所定の領域を除去し、図９に示すように、超伝導体薄膜１０３の屈曲部１０４に開口部１０５が形成され、凸部１０２には除去領域１０６が形成された状態とする。これらの結果、開口部１０５及び除去領域１０６においては、開口部１０５の縁の部分に、３次元的な構造のループ回路が形成されるようになる。このループ回路による仮想的な立体に囲われる領域には、除去領域１０６により空間が形成されており、前述したように超伝導永久電流を流すことで、上記領域の中央部に原子を捕捉できる状態とされている。
【００２１】
なお、上述では、超伝導体薄膜に形成する屈曲部を、平面から構成したが、これに限るものではなく、例えば、図１０の斜視図に示すように、超伝導体薄膜１００１を折り曲げて曲面を形成してこれを屈曲部１００２とし、曲面から構成された屈曲部１００２に開口部１００４が形成されているようにしても良い。このように、超伝導体薄膜１００１に稜線を備えて形成された屈曲領域となる屈曲部１００２を形成し、屈曲領域の稜線をまたいで形成された開口部１００４の縁によるループ回路においても、前述したように超伝導永久電流が流れる状態とすることで、開口部１００４の縁による仮想的な立体の中央部に、原子を捕捉することができる。
【００２２】
また、図１１の斜視図に示すように、超伝導体薄膜１１０１に、屈曲部１１０２ａ，屈曲部１１０２ｂ，屈曲部１１０２ｃを設け、各々の屈曲部に、複数の開口部１１０４を設けるようにしても良い。この場合、超伝導体薄膜１１０１の一方の面の側から見ると、屈曲部１１０２ａ及び屈曲部１１０２ｃが、凸部となり、屈曲部１１０２ｂが凹部となっている。凹部としてみる屈曲部１１０２ｂにおいては、谷線をまたいで開口部１１０４が形成されている。また、超伝導体薄膜１１０１の他方の面の側から見ると、屈曲部１１０２ａ及び屈曲部１１０２ｃが、凹部となり、屈曲部１１０２ｂが凸部となっている。
【００２３】
なお、上述した本実施の形態の原子捕捉素子は、本発明の一例であり、具体的な構成は上述した実施の形態に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。例えば、超伝導体薄膜は、ＭｇＢ2に限るものではなく、ニオブ（Ｎｂ），窒化ニオブ（ＮｂＮ），及びアルミニウム（Ａｌ）などの超伝導材料から構成されていても良い。
【００２４】
また、超伝導体薄膜を超伝導転移温度に冷却する冷却機構と、開口部の縁の一部の加熱領域を加熱する加熱機構と、上記加熱領域を挟むように開口部の縁に接続して電流を印加する電流印加機構とで、超伝導永久電流を発生させる手段を構成しても良い。なお、加熱機構は、例えばレーザであり、レーザ光を照射することで加熱領域を加熱することができる。
【００２５】
この場合、冷却機構により超伝導体薄膜の屈曲部に形成した開口部の縁からなるループ回路を、冷却機構で超伝導転移温度（Ｔｃ）以下に冷却し、ループ回路を超伝導状態とする。この状態で、ループ回路の一部（加熱領域）を加熱機構で加熱してＴｃ以上にまで昇温し、加熱領域を常伝導状態とする。次に、電流印加機構により、ループ回路に電流が流れた状態とする。次に、加熱機構による加熱領域の加熱を停止し、加熱領域がＴｃ以下にまで冷却された状態とする。このことにより、ループ回路に超伝導電流が流れる状態となる。この後、電流印加機構による電流の印加を停止すれば、ループ回路の超伝導永久電流が流れる状態が得られる。
【００２６】
また、上述した実施の形態では、凸部が形成された基板の上に超伝導体薄膜を形成し、基板の凸部を利用して、超伝導体薄膜に屈曲部が形成されるようにしたが、これに限るものではない。例えば、凹部が形成された基板の上に超伝導体薄膜を形成し、基板の凹部を利用して超伝導体薄膜に屈曲部が形成されるようにしても良い。この場合、屈曲部に開口部を形成すれば、開口部に縁により形成される仮想的な立体に囲われる領域は、既に空間となっているので、凸部の場合に比較して、除去領域を形成する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態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】図１の一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】開口部１０５の縁の部分に形成されるループ回路の構成を示す斜視図である。
【図４】開口部１０５の縁の部分（ループ回路配線３０１）に超伝導永久電流が流れたときに形成される磁場の状態を示す分布図である。
【図５】開口部１０５の縁の部分（ループ回路配線３０１）に超伝導永久電流が流れたときに形成される磁場の状態を示す分布図である。
【図６】本発明の実施の形態における原子捕捉素子の作製方法を説明するための一部工程を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における原子捕捉素子の作製方法を説明するための一部工程を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態における原子捕捉素子の作製方法を説明するための一部工程を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態における原子捕捉素子の作製方法を説明するための一部工程を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態における他の原子捕捉素子の構成例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態における他の原子捕捉素子の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…基板、１０２…凸部、１０３…超伝導体薄膜、１０４…屈曲部、１０５…開口部、１０６…除去領域、１１１…冷却機構、１１２…磁場発生部。
【図１】
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【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６】
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【図７】
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【図８】
0004744502.tif 000009
【図９】
0004744502.tif 000010
【図１０】
0004744502.tif 000011
【図１１】
0004744502.tif 000012