(57)【要約】  原子時計は、標準の周波数振動を生成するエンドヘドラルフラーレンを備える。磁石デバイスはエンドヘドラルフラーレンに磁場を加える。加えられた磁場は調整可能である。励起デバイスが、各エンドヘドラルフラーレン系を励起させ、各系に計時振動を生成する遷移を受けさせ、且つ振動の計測及びデバイスの制御が可能となるように、上記系をプローブする。検出デバイスが、励起デバイスによって引き起こされた系の応答を検知する。検出デバイスの出力はコントローラに送られる。コントローラは、時計信号又は周波数標準である原子時計出力を生成し、また、磁石デバイス及び励起デバイスを制御する。コントローラは、計時遷移のエネルギー差が磁場の変動の影響を受けないように、それによって振動の周波数を安定させ、外部磁場の変動の影響を避けることができるように、磁石デバイスによって加えられた磁場を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１対の状態を有する少なくとも１つの系を備える凝縮物質媒体であって、前記１対の状態はそれぞれエネルギーレベルを有する第１の状態と第２の状態を備え、前記エネルギーレベルは互いにエネルギー差を有し、加えられる磁場に応じて前記エネルギー差が変化する凝縮物質媒体と、
調整可能な磁場を前記媒体に加えるように構成された磁石デバイスと、
前記少なくとも１つの系に前記１対の状態間で遷移を起こすように構成された励起デバイスと、
前記励起デバイスによって引き起こされた前記少なくとも１つの系の応答を検出し、出力を生じるように構成された検出デバイスと、
前記検出デバイスの前記出力を受け取るためのコントローラであって、前記媒体に加えられる前記磁場が磁場変化に対する前記エネルギー差の変化率がほぼゼロとなる値を有するように前記磁石デバイスを制御し、前記少なくとも１つの系が遷移を起こされる前記１対の状態間のエネルギー差によって決められる周波数での振動を得るように構成されたコントローラと
を備える装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの系が第３の状態を有し、前記１対の状態間の少なくともいくつかの遷移が、前記第３の状態を介して間接的に行われる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記励起デバイスが、前記少なくとも１つの系に、前記第１の状態と前記第３の状態との間で、及び前記第２の状態と前記第３の状態との間で遷移を起こすように構成された、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記励起デバイスが、前記第１の状態と前記第３の状態との間のエネルギー差に相当する周波数で振動を引き起こし、前記第２の状態と前記第３の状態との間のエネルギー差に相当する周波数で振動を引き起こすように構成された、請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記励起デバイスを駆動するための信号を生成するために構成された発振器をさらに含み、
前記信号が中心周波数ｆＣ及び周波数ｆＣ＋ｆＤ及びｆＣ−ｆＤの対称側波帯を有し、ｆＣ＋ｆＤが前記第１の状態と前記第３の状態との間の遷移に相当し、ｆＣ−ｆＤが前記第２の状態と前記第３の状態との間の遷移に相当し、周波数２ｆＤが前記第１の状態と前記第２の状態との間の遷移に相当する、請求項２〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記励起デバイスが複数の周波数で振動を引き起こすことができ、特定の磁場におかれた場合に別の１対の状態間の遷移に相当する別の周波数で振動を引き起こすように構成され、前記特定の磁場が磁場変化に対する前記エネルギー差の前記変化率がほぼゼロである磁場であり、前記コントローラが、前記別の１対の状態間の遷移に相当する前記周波数が前記励起デバイスによって引き起こされる振動の前記別の周波数に等しくなるよう前記磁石デバイスを制御するように構成された、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記別の周波数が、前記第１の状態と前記第２の状態との間の前記エネルギー差によって決められる前記周波数の有理の倍数又は約数である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記検出デバイスがスピン共振検出デバイスである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの系がエンドヘドラルフラーレンを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記エンドヘドラル化学種が、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｅｒ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｔｍ、Ｙ、Ｈｏ、Ｐｒ、Ｅｒ２、Ｈｆ２、及びＬａ２から構成された群から選択された１つを備えるか、Ｍが前述のリスト内の金属元素の１つ又はいずれかの組合せであるＭ３Ｎという形の三金属窒化物を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記エンドヘドラル化学種が１／２の原子核スピンを有する、請求項９又は１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記エンドヘドラル化学種が１５Ｎを備える、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記フラーレンが、Ｃ６０、Ｃ７０、Ｃ７４、Ｃ８０、Ｃ８２、Ｃ８４、Ｃ９０から構成された群から選択される、好ましくはＣ６０である、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記フラーレンが、同位体的に純化された１２Ｃを備える、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの系がＮ＠Ｃ６０又はＰ＠Ｃ６０を備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記励起デバイスが連続波又はパルスで動作する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記励起デバイスがマイクロ波発生器である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記１対の状態間の遷移が磁気双極子遷移である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記１対の状態が、核磁気双極子モーメントと電磁気双極子モーメントとの間の磁気双極子間相互作用が原因でエネルギーレベルが異なる、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計時機器の分野に関し、詳細には、原子時計として知られる機器の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子時計と呼ばれる機器が数十年にわたって知られており、この機器は非常に正確に時間を記録することができる。従来の原子時計は、スペクトルのマイクロ波部分での電磁放射に相当するエネルギーの遷移を起こすことができる気相の原子を用いる。一例では、同調可能なマイクロ波空洞が気体を含むものであり、この空洞は、その中の場がエネルギー遷移に相当する周波数で極めて安定して振動するように、同調させることができる。現在、最も正確な時計は、セシウム又はルビジウムなどの冷却原子の原子泉に基づいている。最近、電磁スペクトルの光学（可視）部分に相当する周波数での振動を利用した開発が行われている。
【０００３】
超高安定周波数標準器及びそれが提供する計時動作の有効性は、通信網の同期化を含む多くの領域で、及び衛星を利用するグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）などの測位システムで利用されている。従来の原子時計は、一般にかなり大きく、扱いづらく、動作中に電力をかなり必要とする。それ故に、小型で、信頼できる、ポータブルな低電力原子時計を提供するという課題がある。
【０００４】
固体の原子時計におけるエンドヘドラルフラーレンの使用に関して、いくつかの提案がなされてきた。米国特許第７，１４２，０６６号を参照のこと。しかし、特にポータブル機器における計時動作に対して環境が及ぼす影響を低減することに関する課題が依然としてあり、また、実際の計測及びそのようなシステムの制御の実現についての課題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、少なくとも部分的に、上記の諸問題のいくつか又はいずれかを軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、
少なくとも１対の状態を有する少なくとも１つの系を備える凝縮物質媒体であって、上記状態はそれぞれのエネルギーレベルを有する第１の状態と第２の状態を含み、上記エネルギーレベルは互いにエネルギー差を有し、加えられる磁場に応じてそのエネルギー差が変化する凝縮物質媒体と、
調整可能な磁場を媒体に加えるように構成された磁石デバイスと、
少なくとも１つの系に上記１対の状態間で遷移を起こさせるように構成された励起デバイスと、
励起デバイスによって引き起こされた少なくとも１つの系の応答を検出し、出力を生じるように構成された検出デバイスと、
検出デバイスの出力を受け取るためのコントローラであって、媒体に加えられる磁場が磁場変化に対する上記エネルギー差の変化率がほぼゼロとなる値を有するように磁石デバイスを制御し、少なくとも１つの系が遷移を起こされる上記１対の状態間のエネルギー差によって決められる周波数での振動を得るように構成されたコントローラと
を備える装置を提供する。
【０００７】
ここで、本発明の諸実施形態を非限定的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態による原子時計の概略図である。
【図２】磁場の関数として１５Ｎのエネルギーレベルを示すグラフである。
【図３】磁場の関数として図２の複数のエネルギーレベル間の差を示すグラフである。
【図４】図１の原子時計のコントローラの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は本発明の一実施形態による原子時計の構成要素を示す。当然ながら、「原子時計」という用語が単に、そのような機器に対する好都合な簡略な用語であることに留意されたい。第一に、それらの機器は必ずしも「時計」である必要はない。この機器の中心は、安定した周波数で振動を生成することができる発振器である。このため、そのようなデバイスは「周波数標準器」としても知られる。それぞれの振動が正確な時間周期を表すため、標準周波数の振動を数えることによって、時計機能を得ることができる。第二に、振動を受ける系が必ずしも「原子状」、すなわち単一の原子又は複数の原子である必要はなく、イオン、原子クラスタ、分子断片、小分子、又は他の適当な化学種であってもよい。「原子時計」という用語は、本明細書で便宜上用いられており、上記のすべての用語及び他の代替用語を含むことが当業者には理解されている。
【００１０】
図１を参照すると、原子時計の中心部は、標準周波数振動を生成する１つ又は複数の系１１を備える媒体１０である。磁石デバイス１２は媒体１０に磁場を加える。以下でさらに詳細に説明するように、加えられる磁場は調整可能であるが、磁石デバイス１２によって加えられる磁場の時間変化は、媒体１０の計時振動の時間尺度では実質的にゼロであり、言い換えれば、磁石デバイス１２は実質的に直流の磁場を生成する。
【００１１】
励起デバイス１４は、媒体１０の各系１１を励起させ、各系１１に計時振動を生成する遷移を起こさせ、且つ振動の計測及びデバイスの制御が可能となるように、媒体１０をプローブする。
【００１２】
検出デバイス１６は、励起デバイス１４によって引き起こされた媒体１０の応答を検知するために使用される。検出デバイス１６の出力はコントローラ１８に送られる。コントローラ１８は、時計信号又は周波数標準である出力１９を生成し、また、磁石デバイス１２及び励起デバイス１４を制御する。
【００１３】
図１の諸構成要素は別々の項目として示してあるが、当然それらは一体化することができる。例えば、これらの構成要素の一部又はすべては、マイクロリソグラフィ、ナノテクノロジの分野で知られる技術、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-Systems（マイクロ電気機械システム））及び／又はＮＥＭＳ（Nano-Electro-Mechanical-Systems（ナノ電気機械システム））を使用して製造される、単一のモノリシックチップ又は集積回路上に備えることができる。これらの構成要素の一部又はすべては、例えば磁場から遮蔽し、且つ電界から遮蔽するファラデー箱として働くミューメタルシールド（図示せず）を用いることにより、外部の影響から遮蔽されていてよい。
【００１４】
次に、図１の諸構成要素のそれぞれをより詳細に説明する。
【００１５】
１．媒体
この好ましい実施形態では、媒体１０は、晶質若しくは非晶質の固体など、又はガラス又は他の高粘性材料など、或いは溶液などの凝縮物質でできている。
【００１６】
媒体１０は複数の系１１を含み、これらの系１１は特定の振動周波数に相当するエネルギー差を有する複数の状態間の遷移を起こすことができる。好ましい実施形態では、これらの系はエンドヘドラルフラーレンである。
【００１７】
「フラーレン」という用語は、炭素原子で形成され、炭素バックミンスターフラーレン又はバッキーボールとしても知られるケージ状の構造を指す。このケージはＣｎと表記することができ、また様々なサイズとすることができる。好ましい実施形態は、ｎ＝６０、７０、７４、８０、８２、８４、及び９０を含むが、これは包括的なリストではない。Ｃ６０は球形であるが、他のフラーレンは細長である。フラーレンの直径は、典型的には１ｎｍ程度である。本明細書で使用されているフラーレンという用語は、基本的なバックミンスターフラーレンケージの誘導体も含む。
【００１８】
「エンドヘドラル」という用語は、化学種がフラーレンケージ内に位置していることを意味する。一実施形態によれば、エンドヘドラル化学種は元素の単一の原子である。いくつかのエンドヘドラルフラーレン系では、エンドヘドラル化学種が１つ又は複数の電子をケージに供与する。原子状のエンドヘドラル化学種の既知の例は、様々な異なるサイズのフラーレンケージ内にＥｒ、Ｇｄ、Ｐ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｎ、Ｓｃ、Ｔｍ、Ｙ、Ｈｏ又はＰｒを含む。いくつかの好ましいエンドヘドラル化学種は任意のＶ族元素（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉ）を含む。１つの好ましい実施形態は、Ｃ６０内のエンドヘドラル窒素（すなわち、Ｎ＠Ｃ６０と表記される炭素バッキーボール内部の単一の窒素原子）である。Ｅｒ２、Ｈｆ２又はＬａ２など、二原子のエンドヘドラル化学種もまた知られている。他の好ましい実施形態は、Ｍ３Ｎ＠Ｃｎという形態のＴＮＴ  ＥＭＦ（Trimetallic Nitride Templated Endohedral Metallofullene（三金属原子窒化物組込エンドヘドラルメタロフラーレン））を含む。ここで、Ｍは１つ又は複数の金属元素（例えば、Ｓｃ又はＥｒ、或いは組合せ）とすることができ、ｎは８０であることが好ましいが、他の値をとることもできる。
【００１９】
それぞれの系１１はほぼ同一であることが好ましい。エンドヘドラル化学種は炭素ケージによって周囲から遮蔽されているため、エンドヘドラルフラーレンは原子時計での使用に格好のものである。これは、電子と原子核両方のスピンの寿命及びエンドヘドラル化学種のコヒーレンス時間を非常に長くすることができ、それが安定した周波数動作にとって有利であることを意味している。
【００２０】
エンドヘドラルフラーレンは、無作為に又は特定のパターンで、固体マトリクス中に組み込むことができる。さらに、エンドヘドラルフラーレンは、カーボンナノチューブなどの他の構造内で与えることができる。エンドヘドラルフラーレン及びマトリクス又は他の構造を担持するために、固体基板を備えることができる。エンドヘドラルフラーレンは結晶性固体又は粉末の形を呈していてもよく、或いは連続的な層で又は超分子テンプレートを用いて、表面上に堆積させることができ、若しくは溶液中に存在することができる。この濃度を薄めて、スピン間の位相ずれを減少させ、それによりＴｅ２（電子スピンのコヒーレンス時間）を増加させることができる。例えば、濃度が適度に均一に分散される条件で、Ｎ＠Ｃ６０分子の濃度を１ｍｌ当たり１０Ｅ１５個（１ｃｍ３当たりの分子数密度）程度以下とした場合、典型的には、双極子間相互作用によって制限されないスピンのデコヒーレンス時間がもたらされる。より高い濃度を用いることができるが、著しく高い濃度では、デコヒーレンス時間が減少する。本発明は特定の濃度又は濃度範囲に限定されない。［本明細書を通じて指数表記ｘＥｙが使用され、これはｘ×１０ｙに相当する］
【００２１】
本発明のこの実施形態で用いるためのエンドヘドラルフラーレンの好ましい２つの例は、Ｎ＠Ｃ６０及びＰ＠Ｃ６０である。ただし、Ｎ＠Ｃ６０は優れたスピン性及び熱安定性を示し、Ｐ＠Ｃ６０の生成に付随する重大な安全上の危険を有していないため、現在Ｎ＠Ｃ６０が好ましい選択肢であるが、Ｐ＠Ｃ６０もやはり１つの選択肢である。Ｎ＠Ｃ６０の場合、電子スピンの寿命Ｔｅ１は室温で少なくとも０．１ｍｓ程度と長くすることができ、コヒーレンス時間Ｔｅ２はＴｅ１の約２／３と長くすることができる。原子核スピンの持続時間Ｔｎ１及びコヒーレンス時間Ｔｎ２もまた極めて長く、例えば、低温でのＴｎ１はほとんど任意に長くすることが可能である（４．５Ｋで数時間）。
【００２２】
ＮとＰのどちらも原子核スピンＩ＝１／２を有する同位体を提供する。この原子核スピンの値は、加えられた磁場によって与えられた軸などの所与の軸に沿って２つの可能性のある値、すなわち＋１／２及び−１／２のみを有するので好ましい。これは、原子核四重極による広がり及び炭素による超微細な広がりなどのデコヒーレンスのいくつかの原因を除去する。従って、好ましい実施形態では、Ｎ及び／又はＣのいずれか１つ或いは両方が同位体的に純化された形であるが、これは本発明に必須ではない。従って、好ましいエンドヘドラルフラーレン分子は１５Ｎ＠１２Ｃ６０である。
【００２３】
２．磁石デバイス
磁石デバイス１２は、媒体１０に磁場を加えるための１つ又は複数の小型コイルを備える。これらの小型コイルは、例えばナノコイル又はコイル状のナノワイヤであってもよく、リソグラフィなどの技術によって作製することができる。一例では、コイルが媒体１０を取り巻き、別の例では、単一のコイルが媒体１０の一表面上に設けられ（これは、媒体１０が極めて薄い例に特に適している）、別の代替例では、１対のコイルが媒体１０の対向する複数の表面に位置して設けられる（すなわち、１対のヘルムホルツコイルのようなものである）。この磁石は、場合によっては軟強磁性コアを有することができるが、主に低磁場が必要とされる場合には、これは不必要である。
【００２４】
３．励起デバイス及び検出デバイス
励起デバイス１４は、１つ又は複数の周波数での、電気、磁気、又は電磁気による振動の発生源を備える。以下で論じるように、好ましい実施形態では、これらの周波数は電磁スペクトルのマイクロ波部分、例えば数十メガヘルツに相当する。マイクロ波周波数の発生源は、単純なアナログ発振器又はデジタルシンセサイザであってもよい。既知の空洞形式には幅広い選択肢がある。電子スピン共鳴（ＥＳＲ）測定分野の機能を用いることができ、例えば、標準のＥＳＲ分光計は円筒形の分割リング共振器を用いる。別の代替案は、マイクロ波ストリップ線路共振器であり、これは、互いに角度がついたストリップ線路を有することによって複数の共振周波数を含むこともできる。
【００２５】
検出デバイス１６は、場の強度の変化を直接測定することにより、又は媒体の透明度の変化を検出することによって、励起周波数での吸収を検出する。１つの例はマイクロ波センサである。別の例は、共振空洞のインピーダンス、すなわち吸収の変化を意味するインピーダンスの変化を検出するための回路である。図１に示すように、検出デバイス１６は励起デバイス１４から分離されていてよく、又はそれらが互いに一体化されていてよい。
【００２６】
本発明の好ましい実装形態では、検出はスピン共鳴を用いて行われる。この目的でのスピン共鳴の使用には、連続波スピン共鳴及びパルススピン共鳴の２つの手法がある。連続波スピン共鳴を用いた場合、検出は加えられるマイクロ波の吸収を観測することにより達成され、これはスピンしている化学種を含む共振空洞のインピーダンス変化として検出することができる。パルススピン共鳴を用いた場合、検出は試料内で処理中の磁気モーメントからの誘導を観測することにより達成され、これは、ｐｉパルス及びｐｉ／２パルスの系列を加えることにより、また、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）の分野で行われているように、スピンエコーを観測することによって達成できる。
【００２７】
４．コントローラ
コントローラ１８及び本装置の動作を理解するために、まず、Ｎ＠Ｃ６０などのエンドヘドラルフラーレン内のエンドヘドラル化学種である１５Ｎを特に参照して、媒体１０の各系１１のエネルギーレベルについて説明する。図２は、以下の正確なハミルトニアン（Ｈ）で算出される、１５Ｎのエネルギーレベルを磁場の関数として示す。
Ｈ＝ｇμＢＢＳｚ＋ｇｎμｎＢＩｚ＋ＡＳ・Ｉ
上式で、
Ｂはｚ軸を画定する方向の磁場（Ｔ）であり、
Ｓは総電子スピン（Ｓｚはｚ方向の成分）であり、
Ｉは総原子核スピン（Ｉｚはｚ方向の成分）である。
また、上式で助変数は以下のように使用される。
ｇはｇ＝２．００２３の電子の磁気回転比、
μＢはμＢ＝９．２８４７Ｅ−２４ＪＴ−１のボーア磁子、
ｇｎはｇｎ＝−０．５６６の原子核の磁気回転比、
μｎはμｎ＝５．０５１Ｅ−２７ＪＴ−１の核磁子、
ＡはＡ＝１．４５０８Ｅ−２６Ｈｚの超微細結合定数
である。
【００２８】
ゼロ磁場では、２つの別個のエネルギーレベルは見かけ上のもの（ａｐｐａｒｅｎｔ）である。これらのレベルは、電磁気の双極子モーメントが原子核の磁気双極子と平行又は逆平行であるかに応じて、Ｎ原子の基底状態を２つの状態に分裂させることにより生じる。これら２つの状態は非縮退であるため、異なるエネルギーレベルを有する。磁気的双極子間相互作用により生じるこれら２つの状態間のＮ原子の遷移は、超微細遷移として知られる。磁場が加えられると、図２で明らかなように、エネルギーレベルのそれぞれが複数のレベルに分裂する。これはジーマン分裂として知られており、これが生ずるのは、加えられた磁場の方向への磁気双極子成分の量子化された値によって特性化された複数の異なる状態でＮ原子が存在することができ、これらの状態が異なるエネルギーレベルを有するからである。フラーレンケージ内のＮ原子は、真空状態で隔離された１つのＮ原子と比較して、わずかに摂動される。図２を作り出すために使用される値は、Ｎ＠Ｃ６０ＥＳＲスペクトルを再現する値であるため、それらの値はＮ原子が取り囲まれていることを既に考慮に入れたものである。
【００２９】
図３は、図２の各エネルギーレベルと図２の他のすべてのエネルギーレベルとの間のエネルギー差を示す。当然ながら、これらのエネルギーレベルは、原子の個々の量子力学状態（磁場に関連する原子核スピン成分と電磁モーメント成分の値）に対応する。図３の横軸は図２より大きな磁場まで拡張していることに留意されたい。
【００３０】
図３の丸によって示される点から、２つの特定のエネルギーレベルの間の遷移について、磁場に対して一次独立のエネルギー差が存在することが理解できよう。言い換えれば、磁場のエネルギー差の変化率はほぼゼロであり、その点の近くの磁場の小さな変化が遷移のエネルギー差を変化させることはない。この位置での磁場は、約０．７８１ｍＴであり、該当するエネルギー差は図２で示されるレベルＡとＢの間の遷移に相当する。遷移ＡＢの領域の状態がジーマンレベルと超微細レベルの混成であり、この混成が原因で、磁場に対するエネルギー差（遷移エネルギー）の勾配がゼロである反交差が見られることに注目されたい。しかし、状況によっては、この遷移ＡＢがやはり超微細遷移として説明される。図２で分かるように、エネルギーレベルのグラフが磁場に対して直線性を有しておらず、これは磁場が増大した場合の複数の状態の混成が原因である（Ｓ及びＩはハミルトニアンの等式中のベクトルである）。この非線形性は図３のエネルギー差の非線形性をもたらす。
【００３１】
遷移ＡＢは、約３８ＭＨｚ（より正確には、３７．９ＭＨｚ）の周波数に相当する。振動の周波数は、プランク定数ｈ：Ｅ＝ｈｆによるエネルギー差Ｅに関係する。本発明のこの実施形態によれば、本装置は、周波数（すなわち、エネルギー差）が磁場に対する一次従属がゼロを示す遷移を利用して操作される。これは以下の利点（ｉ）、（ｉｉ）を有する。（ｉ）外部磁場の変動が原因の誤差を最小化すること（この磁場変動は、外部の電気及び電子の発生源、及び原子時計を含むポータブル機器の向きが変化したときの地磁気より生じ得る）。この外部磁場は本装置のまわりに設けられた遮蔽材を部分的に貫通する場合がある。（ｉｉ）電子スピンの変動により生じるデコヒーレンスを最小化すること。
【００３２】
次に、図４に示すコントローラ１８を参照して、本装置の動作、特に（ａ）磁場の安定化、及び（ｂ）時計周波数の取得という以下の２つの態様について説明する。
【００３３】
（ａ）磁場の安定化
第１の発振器４０は、第１の周波数ｆＢで振動信号を生成する。振動の周波数は、例えば水晶振動子４２又は他のいずれかの適当な周波数基準によって決定される。振動信号はドライバ４４にもたらされ、ドライバ４４は出力４５を生成して、図１の励起デバイス１４を駆動する。この実施形態では、第１の発振器４０の周波数はｆＢ＝３２．８ＭＨｚである。磁場と共に急速に変化する媒体１０の共振吸収に相当する周波数ｆＢが選択される。例えば、図３に示すエネルギー差を有するほとんどすべての遷移が有効であり、よりはっきりとした遷移、すなわちマトリクスの要素が直接結合を可能にするほど十分に大きい遷移が優先される。検出デバイス１６は、例えば励起デバイス１４の空洞のインピーダンスの変化を検出することによって、入力された周波数ｆＢに対する媒体１０の応答を検出し、この変化は端末機４６を介してコントローラ１８に返され、磁場安定化回路４７によって受け取られる。磁場安定化回路４７は第１の振動周波数での吸収を測定し、その回路が磁石デバイス１２に提供する出力４８を調整する。この出力は、例えば磁石デバイス１２を形成するコイルに供給される電流でもよい。磁場安定化回路４７は出力４８を調整して、第１の周波数ｆＢでの媒体１０による吸収が最大化されるように、磁場を制御する。これによって磁場を、第１の発振器４０によって提供される周波数ｆＢ及び共振吸収に相当する遷移の線幅によって決定される所望の値に正確に固定する。
【００３４】
（ｂ）時計周波数の決定
本実施形態では、周波数が磁場から一次独立した遷移ＡＢは低過ぎて有用とならない２つのレベルの間で双極子強度を有しているため、直接プローブすることができない。しかし、各レベルＡ及びＢは、図２の矢印ＡＣ及びＣＢで示された第３のレベルＣへの遷移を行い、また、これらの遷移は１万倍強い。従って、遷移ＡＣ及びＣＢを励起することによって、遷移ＡＢを得ることができる。このように、第３の状態Ｃを介して、所望の遷移ＡＢが間接的に生じる。本実施形態では、これは、２つの周波数ｆＣ＋ｆＤ及びｆＣ−ｆＤを用いて媒体１０を励起することにより達成される。ここで、ｆＣ＋ｆＤは遷移ＡＣに相当し、ｆＣ−ｆＤは遷移ＣＢに相当する。遷移ＡＢは周波数２ｆＤに相当する。
【００３５】
実際には、これを達成するための１つの方法は、周波数ｆＣ±ｆＤの対称側波帯をもたらすために、第１の発振器４０を使用して搬送周波数ｆＣ（ｆＢに等しい）を生成し、第２の発振器５０を使用して第２の周波数ｆＤを生成することによる。図４には、第１及び第２の発振器４０、５０は別々のユニットとして示しているが、実際には本装置は両側波帯発生器を有する中央周波数発振器を備えていてもよい。ロビンソン型発振器回路又は同様の既知の回路をそれぞれの周波数発生器の基盤として使用することができる。
【００３６】
搬送周波数及び側波帯周波数は、ドライバ４４によって励起デバイス１４に供給される。本実施形態では、励起デバイスはマイクロ波発生器であり、中心搬送周波数ｆＣは３２．８ＭＨｚであり、対称側波帯の周波数は３２．８±１９ＭＨｚであり、すなわち周波数ｆＤは１９ＭＨｚである。
【００３７】
好ましい実施形態では、励起は制御が容易である連続波（ＣＷ）法で提供されるが、励起がパルスで与えられることも想定されている。
【００３８】
遷移ＡＢを得るために異なる第３のエネルギーレベルを用いた別の遷移も、例えば図２のＤで示されるエネルギーレベルを用い、遷移ＡＤ及びＤＢを励起することにより、当然用いることができる。
【００３９】
検出デバイス１６は、適用された周波数に対する媒体１０の応答を検出する。２ｆＤの値が遷移ＡＢと一致するように周波数ｆＤを選択した場合、その共振では媒体１０は最小限の吸収を示し、すなわちこの共振方式では媒体は関連する周波数での放射に対してほぼ透明となる。時計安定化回路５２は、検出デバイス１６の出力を受け取り、この共振を達成するために、フィードバックを用いて周波数ｆＤを調整する。周波数ｆＤは端末機１９に出力され、当然ながら、この「原子時計」の出力である周波数標準となる。
【００４０】
共振吸収の強度は、ｄＡＣｄＣＢＢ１Ｂ２／（Δ＋Γ）に従い変化し、ここで、ｄＡＣ及びｄＣＢはそれらの遷移のマトリクス要素であり、Ｂ１及びＢ２はそれら２つの遷移でのマイクロ波磁場の大きさであり、Δは離調、Γは寿命の逆数である。中心周波数ｆＣが正しい周波数のΓのほぼ範囲内にある限り、本装置の性能がΔで表される誤差の影響を強く受けることはない。当然ながら、場合によっては時計安定化回路５２もまた媒体１０の応答を最大化するために、フィードバックを用いてｆＣを調整するが、時計の精度がｆＣに決定的に依存することはない。
【００４１】
本発明のこの実施形態によれば、遷移ＡＢ（周波数２ｆＤに相当）が磁場において一次従属でない状況で本装置が操作されているため、磁場の変化（例えば、地磁気に対する装置の向きなど、外部の影響によるもの）、又は媒体に加えられた磁場の制御の不正確さは周波数ｆＤに二次の影響を与えるのみである。これは、水晶振動子４２又は類似物によって提供されるような基準周波数における１／１０６の誤差に対して、周波数の誤差が１／１０１２未満となることを意味する。従って、この原子時計は基準発振器より６桁高い精度があり、しかもポータブルな又は小型の適用分野に使用することができる。誤差が磁場の誤差に対して二次であるため、（水晶振動子などの）基準周波数における一桁の精度を改善すると、時計の周波数において、電子スピンのデコヒーレンス率の限界まで二桁の精度の改善がなされる。従って、電力消費が重大ではない適用分野において、例えば、基準周波数を生成する水晶振動子の温度がほぼ一定となるようにその温度を制御することによって、任意選択で性能を改善することができる。
【００４２】
本発明のこの実施形態では、時計の周波数を決定するために、第１の発振器４０の周波数は、（別個の共振吸収をプローブすることによる）磁場の制御用に、且つ両側波帯信号の中心（搬送）周波数として使用される。この構成は好都合であり、必要とする構成要素は少なく、またその単純さゆえ好ましい。しかし、代替実施形態では、別々の発振器周波数ｆＢ、ｆＣを２つの機能のために使用することができ、これによって、磁場安定化に使用される共振吸収周波数の選択に対する自由度は高まるであろう。例えば、上記の場合では、１５Ｎ＠Ｃ６０及び０．７８ｍＴの作用磁場を用いると、（図２の）最低レベルから次の最低レベルへの遷移は２６．３７ＭＨｚの周波数に相当し、これは磁場を安定化するためのｆＢに用いることができ、ｆＣとは異なる。どちらの場合も、別々の基準発振器をｆＢ及びｆＣ用に用いることができ、又は標準のシンセサイザ回路を単一の基準発振器から異なる周波数を得るために使用することができる。
【００４３】
上述の方式では、スピン系１１を効果的に使用して、水晶発振器４２などの基準発振器の振動周波数の精度を向上させる。しかし、本発明のこの実施形態の別の変更形態では、水晶基準発振器４２を完全に省くことができる。場に依存する遷移の周波数ｆＢはおおよそ、所望の時計周波数ｆＤの有理の倍数又は約数である。低精度の発振器は、ｆＢの近傍の最初の周波数、すなわちおおよそ所望の印加磁場における媒質の共振吸収を生成するように構成される。２つの周波数ｆＢ及びｆＤが所望の比率を有し、それによって磁場に一次従属がない状態でｆＤの値を与えるように磁場が適正であることを保証するように、フィードバックループが磁場を修正する。こうして系は、原子時計の周波数基準出力に必要な高精度の振動周波数に固定される。このように、基準発振器用の水晶振動子又は類似物（場合により温度安定化を必要とする）は不必要であり、低精度であり、そのために安価な発振器（単純なインダクタ−コンデンサＬＣ共振回路など）が、最初の基準周波数を提供するために使用することができる。
【００４４】
上記のいずれの実施形態においても、磁場安定化のために使用される共振吸収ｆＢの周波数が時計の遷移（ＡＢ）周波数の有理の倍数又は約数であり、より好ましくは、時計の１／２の遷移（ＡＢ）周波数の有理の倍数又は約数であるように、遷移が選択されることが好ましい。対称側波帯方式では、遷移ＡＢは周波数２ｆＤに相当し、そのためその周波数の１／２がｆＤであり、従って一例では、周波数は以下の等式に関係する。
ｆＢ＝ｎｆＤ
上式でｎは整数であり、好ましい例では、ｎ＝２である。このように、基準発振器は周波数の１つに対してのみ提供する必要があり、他の周波数は単に周波数逓倍器又は周波数分割器、或いは標準のデジタルエレクトロニクスを用いて得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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