(57)【要約】  【課題】  本発明は，中性原子を捕獲できる領域の容積が従来よりも広くとることができ装置全体を小型化できる，磁気光学トラップ又は磁気トラップなどを提供することを目的とする。  【解決手段】  上記の課題は，主電流が流れる主電流用電極と，前記主電流用電極の両脇に平行に設けられ，副電流が流れる２本の副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する中性原子のトラップ装置や，Ｓ字型の多重極磁場生成電極を具備する中性原子のトラップ装置などによって解決される。  【選択図】  図１０
2007240288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電流が流れる主電流用電極と，前記主電流用電極の両脇に平行に設けられ，副電流が流れる２本の副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，
中性原子のトラップ装置。
【請求項２】
前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域において，磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるように機能する
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項３】
前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有する
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項４】
前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，
前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により電気的に接続される
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項５】
前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，
前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により接続され，
前記２つの接続部分と前記主電流用電極の交わる位置は，中性原子を捕獲する中心位置に対応する前記主電流用電極の位置に対してそれぞれ反対の側に設けられる
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項６】
前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の一方又は両方の端に，中性原子を捕獲する中心位置に対して反対の側に曲がる部分を有する，
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項７】
前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の両方の端に曲がる部分を有する，Ｕ字型の部分を具備する，
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項８】
前記多重極磁場生成電極によって生成される多重極磁場に，光ビームを照射するための光ビーム生成部を有する，
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項９】
前記多重極磁場生成電極によって生成される多重極磁場に，磁気四重極成分の対称軸に沿った４方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部と，
全反射鏡とを具備し，表面磁気光学トラップとして機能する，
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項１０】
前記多重極磁場生成電極によって生成される多重極磁場に，磁気四重極成分の対称軸に添った６方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部を有し，全反射鏡を具備しない，
請求項１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項１１】
主電流が流れる主電流用電極と，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極に対して反対の側に設けられ，副電流が流れる直線状部分を有する副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，
中性原子のトラップ装置。
【請求項１２】
前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極に対して反対の側に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から主電流用電極の側に向かって延びる湾曲状部分と，前記湾曲状部分から中性原子を捕獲する中心位置に対して反対の側に伸びる直線状部分とを具備する，
請求項１１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項１３】
前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極に対して反対の側に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から主電流用電極の側に向かって延びる半円状部分と，前記半円状部分の下端から中性原子を捕獲する中心位置に対して反対の側に伸びる直線状部分とを具備する，
請求項１１に記載の中性原子のトラップ装置。
【請求項１４】
中性原子を捕獲する中心位置に対応する主電流用電極の位置を原点とし，多重極生成用電極の前記中性原子を捕獲する中心付近の直線状の部位の方向をｚ軸とし，中性原子を捕獲する中心をｙ軸上に設けるようにした場合，
前記多重極生成用電極は，前記原点を通ってz軸に沿う方向に伸びる直線状の部分と，前記直線状の部分からｘ軸に平行な方向へ延びる部分と，前記２つのｘ軸に平行な方向へ延びる部分から伸びるｚ軸に平行な部分とを具備する中性原子のトラップ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，中性原子のトラップ装置などに関する。より詳しく説明すると，磁気光学トラップや磁気トラップにおける多重極磁場生成電極を特殊なものとすることで，中性原子を捕獲する領域において，磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるなど，効果的に中性原子を捕獲でき，磁場を発生させることで印加電流や外部磁場を軽減でき，よって装置全体を小型化できる中性原子のトラップ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子光学の分野でよく知られている技術として，磁気光学トラップ(ＭＯＴ)がある。磁気光学トラップを用いれば，発振周波数がよく調整されたレーザー光を四重極磁場の磁力線の対称軸に平行に入射させることにより，中性原子を捕獲できる。磁気光学トラップは，中性原子をその中心部に捕獲するのと同時にレーザー冷却することができるため，ボース凝縮体の生成実験をはじめとするあらゆる原子光学実験における冷却法としてよく用いられる。
【０００３】
磁気光学トラップにおける四重極磁場は，一対の円形コイルを対向して配置したアンチヘルムホルツコイルを用いて生成するのが一般的である。しかし，以下説明するような単一の直線状電流によって生成される磁場と一様バイアス磁場を重ね合わせることによっても，四重極磁場を生成することができる。
【０００４】
図１は，電流と磁場の関係を示す概念図である。図１(a)は，無限に長い直線状電流Ｉがｚ軸上の電極(1)に沿って流れる場合の磁場の様子を示す図であり，図１(b)はさらにｘ軸の正の方向に向かって一様なバイアス磁場を印加した場合の磁場の様子を示す図である。図１(a)に示すように，無限に長い直線状電流Ｉがｚ軸に沿って流れる場合，直線状電流Ｉの周辺には，アンペールの法則によって軸対象な同心円状の磁場が発生する。このようにして発生する磁場の磁束密度は，下記式(i)であらわされるとおりとなる。
【０００５】
【数１】
2007240288.tif 000003
，  ，        (i)
【０００６】
式(i)において，μ0は，真空の透磁率を示す。これにx軸の正の方向に向かって一様なバイアス磁場Ｂ0xを付加すると，磁束密度は，下記式(ii)であらわされるとおりとなる。
【０００７】
【数２】
2007240288.tif 000004
，  ，        (ii)
【０００８】
式(ii)から，y軸上の点(0, μ0I/(2πＢ0x)，0)に磁場の零点ができることがわかる。この零点をＱとする。この状態の磁力線分布を模式的に描いたものが図１(b)である。図1(b)からわかるように，磁場の零点Ｑは四重極磁場になっている。この四重極磁場となっている零点Ｑに，中性原子を捕獲し，レーザー冷却できる。
【０００９】
実際には，さらにz方向にも四重極的な磁場を付加することによって，３次元的に中性電子を捕獲できることとなる。図２は，ｚ方向に四重極的な磁場を付加するための構成とその磁場の様子を示す概念図である。図２（ａ）は，z方向にアンチヘルムホルツコイルなどを用いて外部から磁場を印加するものの例を示し，図２（ｂ）はコイルの両端をＵ字型にして電流の流路をＵ字状に変形したものの例を示し，図２（ｃ）はコイルの両端をＺ字型にして電流の流路をＺ字型に変形したものの例を示す。すなわち，z方向に必要な磁場を生成するためには，図２（ａ）に示すようにz方向にアンチヘルムホルツコイル等を用いて外部から必要な磁場を付加するのが望ましいが，図２（ｂ）に示すように電流を流すコイルの両端をＵ字型に変形することにより，x軸に平行な腕の部分からz方向に必要な磁場を供給できるので，このタイプのものが図２（ａ）のものに比べてよく利用される（例えば，下記非特許文献１を参照）。ただし，図２（ｂ）に示す方法では，x軸に平行な腕の部分がｙ軸方向のバイアス磁場をも生み出してしまうため，それを補償するために外部からy軸方向のバイアス磁場を新たに付加する必要がある。
【００１０】
また，一般的な磁気光学トラップでは，原子を３次元的に冷却するために，アンチヘルムホルツコイル等で作られる四重極磁場で構成されるトラップの中心部へ向けて，磁場の対称軸に沿う６方向からレーザー光を照射する。ただし，直線状電流とバイアス磁場を組み合わせて構成される磁気光学トラップには，xz面にレーザー光に対する全反射鏡を置き，この鏡面によって反射されるレーザー光を再利用することにより，本来６本必要であるレーザー光が４本で済ませるものがある。このような磁気光学トラップは，「表面磁気光学トラップ」，「ミラー磁気光学トラップ」又は「ミラーＭＯＴ」と呼ばれ，小型の磁気光学トラップとしてよく利用される。なお，反射鏡を用いずに６本のレーザー光を直接導体近傍に照射する方式は「ワイヤートラップ」とよばれる。
【００１１】
なお，図２（ｃ）のように直線状電流をＺ形に変形したものは，x軸に平行な２本の腕の部分からz方向に曲率を持った磁場を生成させることができる。ここで「z軸方向に曲率を持った磁場」とは，z軸上での磁場Ｂの大きさがｚ2に比例するような空間的依存性を持った磁場を意味する。このようにして得られる磁場は，z軸方向の閉じこめポテンシャルがｚ2に比例した調和型となるため，安定に中性原子を捕獲できる。しかし，磁場のz成分は至る所でz軸の正の向きを向くため，この磁場では磁気光学トラップは構成できない。すなわち，図２（ｃ）に示されるような磁場を有するものは，レーザー光を使わずに中性原子の捕獲だけができる「磁気トラップ」として利用される。一般に，xy面の四重極磁場とz方向の曲率を持った磁場を重ね合わせて作られる磁気トラップは「ヨッフェ・プリチャード型磁気トラップ」とよばれ，xy面に平行に設けられる棒状の導体は「ヨッフェ棒」とよばれる。磁気トラップは，磁気光学トラップと並んで原子光学の研究に不可欠の装置である。
【００１２】
図２に示した３種の表面磁気光学トラップ及び表面磁気トラップは，電流を供給する細い直線状導体による磁場と外部からの一様なバイアス磁場を重ね合わせてxy面の四重極磁場を生成する点において共通しており，平面基板のごく近傍に原子を捕獲することができるため，原子干渉計，量子ゲート等を初めとするさまざまな応用の可能性が注目されており，研究が盛んに行われている。
【００１３】
ところで，図１（ｂ）に示されるように，１本の細い直線状導体と一様な外部バイアス磁場の重ね合わせによって生成される四重極磁場は，トラップ中心から離れるほど磁場が著しく非対称性となり，理想的な四重極磁場からはずれる。このような磁場を用いて磁気光学トラップを構成すると，真空中を漂う原子を捕らえられる空間の実効容積が制限され，十分な数の原子を捕獲することができないという問題がある。
【００１４】
図３は，図２（ｂ）の直線状導体の幅をx方向に拡大したものにおける３次元磁場の様子を示す概念図である。図３に示されるように，図２（ｂ）の直線状導体の幅をx方向に拡大した場合，導体の周辺で磁場の均一性が高まるため，遠方界の磁場形状が改善されて四重極がより遠方まで届くようになることがわかる。この結果，原子を捕捉することのできる実効的な容積が大きくなり，より多くの数の原子を捕獲することができるようになる（下記非特許文献２を参照）。しかしながら，このような板状導体を用いたとしても磁場の歪みを完全には補正することはできない上，導体が太くなる分だけ余計に電流を流さなければならい。そのため，導線部分からの発熱量が大きくなる。磁気光学トラップ及び磁気トラップは，超高真空装置内に設置されるので，発熱量が大きくなると導体表面からガスが放出される事態をひきおこすことがあり，望ましくない。
【００１５】
また，図２（ｃ）に示されるＺ字型導体を用いるものは，磁気トラップを作るのに用いられ，レーザー光を用いないので，磁場はそれほど均一でなくともよい。しかしながら，原子を確実に捕獲するために，比較的大きめのバイアス磁場を印加しなければならない。さらに，中央導体の両端からx方向へ伸びた２本のヨッフェ棒が比較的長いため，不必要に大きなｚ方向のバイアス磁場が生み出され，それを補償するためにさらに外部から大きめのz方向のバイアス磁場を付加しなくてはならない。このため，図２（ｃ）に示すＺ字型導体を用いるものを磁気トラップとしても，装置全体を小型化できないという問題がある。
【非特許文献１】J. Reichel, W. Hansel and T. W. Hansch, "Atomic micromanipulation with magnetic surface traps," Phys. Rev. Lett. 83, 3398 (1999).
【非特許文献２】S. Wildermuth, P. Kruger, C. Becker, M. Brajdic, S. Haupt, A. Kasper, R. Folman and J. Schmiedmayer, "Optimized magneto-optical trap for experiments with ultracold atoms near surfaces," Phys. Rev. A 69, 030901(R) (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は，中性原子を捕獲できる領域の容積が従来よりも広くとれる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供することを目的とする。
【００１７】
本発明は，従来に比べて多くの中性原子を捕獲できる磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供することを目的とする。
【００１８】
本発明は，従来に比べて小さな電流で効果的に中性原子を捕獲できる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明は，従来に比べて発熱によるガス放出を軽減できる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供することを目的とする。
【００２０】
本発明は，従来に比べて装置全体を小さくできる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップ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】
【００２１】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置は，平面基板上の直線状電流の作る磁場と外部から供給されるバイアス磁場とレーザー光を用いて基板表面近傍に中性原子を捕獲・冷却する表面磁気光学トラップにおいて，従来は１本であった直線状導体を３本平行に並べた構造とすることにより，磁場の四重極成分を増強しつつ六重極成分を効果的にキャンセルでき，従来に比べて均一な四重極磁場を得ることができ，中性原子を捕捉することができる空間の容積が拡大され，より多くの数の原子を捕獲することができるようになるという知見に基づくものである。
【００２２】
また，本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の別の態様は，捕獲領域の上方に直線状導体を１本追加することによっても同様の効果が期待できるという知見に基づくものである。
【００２３】
本発明の第２の側面に係る中性原子のトラップ装置は，平面基板上のＺ字型導体が作る磁場と外部から供給されるバイアス磁場を用いて基板表面近傍に中性原子を捕獲する表面磁気トラップにおいて，Ｚ字型導体のヨッフェ棒をさらに直角に折り曲げたＳ字型の構造とすることにより，ｚ方向のバイアス磁場成分の発生を抑制すると共に，z方向磁場の曲率を増強し，さらにｘ方向のバイアス磁場を増強することができ，これらの結果として，従来よりも少ない電流で従来と同等の原子捕獲能力が得られるようになるという知見に基づくものである。
【００２４】
本発明は，上記の構成をあわせて採用することにより，従来の中性原子トラップ装置に比べて，装置全体を小さくすることができるという知見に基づくものである。具体的には，３本の直線状導体（又は捕獲領域の上方の追加された直線状導体）を採用するという構成と，Ｓ字型ヨッフェ棒を採用するという構成とを組み合わせることで，少ない電流で効果的に中性原子を捕獲する能力を高め，装置全体を小さくできる。
【００２５】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置は，基本的には，主電流が流れる主電流用電極と，前記主電流用電極の両脇に平行に設けられ，副電流が流れる２本の副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，中性原子のトラップ装置である。図４や後述する実施例において理論的に説明されるとおり，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域において，磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるように機能する。「中性原子を捕獲する領域」とは，磁気光学トラップ装置又は磁気トラップ装置などの中性原子のトラップ装置において，中性原子を捕獲しうる領域を意味し，下記に説明する零点Ｑを含む領域である。
【００２６】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有する前記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。そして，前記直線部分が互に平行とされるものが好ましく，３つの直線状の部分がｘｚ平面に存在するものが好ましい。さらに，前記主電流用電極及び前記２本の副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域の近傍において，直線状の部分を有するものが好ましい。そのような態様の多重極磁場生成電極を用いることで，効果的に中性原子を捕獲できる磁場を生成できる。
【００２７】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により電気的に接続される上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる電極を用いれば，後述するＳ字型の電極として利用することができるので，効果的に中性原子を捕獲できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００２８】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により接続され，前記２つの接続部分と前記主電流用電極の交わる位置は，中性原子を捕獲する中心位置に対応する前記主電流用電極の位置に対してそれぞれ反対の側に設けられる上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる電極を用いれば，後述するＳ字型の電極として利用することができるので，効果的に中性原子を捕獲できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００２９】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の一方又は両方の端に，下方（ｙ軸の負の方向）に曲がる部分を有する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。下方に曲がる部分を有することで，零点Ｑ付近のｘ方向のバイアス磁場を強化することができ，外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００３０】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の両方の端にｘ軸方向に曲がる部分を有する，Ｕ字型の部分を具備する上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このようなＵ字型の電極部分は，ｘｚ平面上に設けられ，ｘ軸に平行な２つの直線部分と，ｚ軸に平行で前記ｘ軸に平行な部分と接続された直線部分とを含むものがあげられる。そのような電極部分を有するので，ｘ軸に平行な部分によって生ずる磁場がｚ方向の磁場を強化でき，その結果外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００３１】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって，生成される多重極磁場に，光ビームを照射するための光ビーム生成部を有する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。光ビーム生成部を有するので，いわゆる磁気光学トラップとして機能できることとなる。なお，本発明における中性原子のトラップ装置は，磁気光学トラップや磁気トラップなどにおける公知の要素を適宜採用することができるものである。これら中性原子のトラップ装置自体は，公知であり，中性原子のトラップ装置は，真空装置用ポンプ，電極を収容する真空チャンバ，中性原子を発生する原子ビーム生成部，各種バイアス磁場を印加するための磁場生成部（電極），ミラー，検出器などを適宜含めばよい。また，本発明の中性原子のトラップ装置を用いて，試料に中性原子を堆積する場合は，試料を搭載するための試料台や，試料台の位置を制御するための制御部，原子ビームの方角を制御する電場発生装置，磁場発生装置，光源などを適宜含めばよい。
【００３２】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって，生成される多重極磁場に，磁場の対称軸に添った４方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部と，全反射鏡とを具備し，表面磁気光学トラップとして機能する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。
【００３３】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって，生成される多重極磁場に，磁場の対称軸に添った６方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部を有し，全反射鏡を具備しない，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。
【００３４】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，主電流が流れる主電流用電極と，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられ，副電流が流れる直線状部分を有する副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる中性原子のトラップ装置であっても，上記したと同様に，副電流用電極が磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるように機能する。なお，この態様にかかる中性原子のトラップ装置は，上記した各構成を適宜採用できる。この態様に係る中性原子のトラップ装置の更に好ましい態様は，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から下方に延びる湾曲状部分と，前記湾曲状部分から下方に伸びる直線状部分とを具備する，中性原子のトラップ装置である。より具体的には，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から下方に延びる半円状部分と，前記半円状部分の下端から下方に伸びる直線状部分とを具備する上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような湾曲部分や半円状部分は，レーザー光を迂回させるという効果を有するほか，ｚ方向の磁場を生成することに寄与する。さらに，鉛直下方向に伸びる部分は，ｘ方向のバイアス磁場を生成することに寄与する。これにより，外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００３５】
本発明の第２の側面に係る中性原子のトラップ装置は，中性原子を捕獲する中心の下方の点を原点とし，多重極生成用電極の前記中性原子を捕獲する中心付近の直線状部位の方向をｚ軸とし，中性原子を捕獲する中心をｙ軸上に設けるようにした場合，前記多重極生成用電極は，前記原点を通ってz軸に沿う方向に伸びる直線状の部分と，前記直線状の部分からｘ軸に平行な方向へ延びる部分と，前記２つのｘ軸に平行な方向へ延びる部分から伸びるｚ軸に平行な部分とを具備する中性原子のトラップ装置である。先に説明したとおり，Ｚ字型導体のヨッフェ棒をさらに直角に折り曲げたＳ字型の構造とすることにより，ｚ方向のバイアス磁場成分の発生を抑制すると共に，z方向磁場の曲率を増強し，さらにｘ方向のバイアス磁場を増強することができ，これらの結果として，従来よりも少ない電流で，従来と同等の原子捕獲能力が得られるようになる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば，中性原子を捕獲できる領域の容積が従来よりも広くとれる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供できる。よって，本発明によれば，従来に比べて多くの中性原子を捕獲できる磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供できる。
【００３７】
本発明によれば，従来に比べて小さな電流で効果的に中性原子を捕獲できる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供できる。よって，本発明によれば，従来に比べて発熱によるガス放出を軽減できる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供できる。
【００３８】
本発明によれば，従来に比べて装置全体を小さくできる，磁気光学トラップ，又は磁気トラップを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
［主電流の両側に副電流を設ける構成］
図４は，本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の原理を説明するための図である。図４中，2は主電流用電極を示し，3は副電流用電極を示す。図４に示されるように，本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置は，従来は１本であった細い直線状導体を３本平行に並べた構造とすることにより，磁場の四重極成分を増強しつつ六重極成分を効率的にキャンセルでき，それによって従来に比べて均一な四重極磁場を得ることができるというものである。
【００４０】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置は，基本的には，主電流が流れる主電流用電極(2)と，前記主電流用電極の両脇に平行に設けられ，副電流が流れる２本の副電流用電極(3)とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，中性原子のトラップ装置である。後述する実施例において理論的に説明されるとおり，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域において，磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるように機能する。「中性原子を捕獲する領域」とは，磁気光学トラップ装置又は磁気トラップ装置などの中性原子のトラップ装置において，中性原子を捕獲しうる領域を意味し，下記に説明する零点Ｑを含む領域である。中性原子を捕獲する領域は，例えば，主電流用電極の上方1mm〜10cm，好ましくは1mm〜1cm，より好ましくは2mm〜1cmの領域に設けられる。
【００４１】
各電極の材料としては，金属，金属酸化物，半導体，又は超伝導体などを適宜用いることができる。発熱を低減させる観点からは，電気抵抗が可能な限り小さいことが望ましいので，常温で使用できる材料としては，抵抗率が10-8 Wｍのオーダーの値（具体的には1×10-8 Wｍ〜1×10-7 Wｍ）を持つ金，銀，銅，アルミニウムなどの金属素材が好ましい。しかし，レーザー光に対する透明性が特に重要な部位においては，抵抗率が10-6 Wｍのオーダーの値（具体的には1×10-6 Wｍ〜1×10-5 Wｍ）を持つＩＴＯなどの透明導電性酸化物を用いてもよい。レーザー光に対する透明性が特に重要な部位とは，たとえば，レーザー光が透過する部分や，レーザー光が透過する領域の近辺にある電極部分などを意味する。具体的には，副電流用電極を中性原子の捕獲領域の上方に設ける場合における，副電流用電極を透明電極とする場合があげられる。また，真空装置が液体窒素温度以下の低温まで冷却できる構造を有する場合は，超伝導体を用いることができる。ただし，一般に超伝導体には流すことのできる電流に上限値が存在するため，一概に超伝導体が好ましいということはできない。
【００４２】
中性原子の捕獲・冷却のために用いられる四重極磁場の強さとしては，１×１０0Ｇ／ｃｍ〜１×１０3Ｇ／ｃｍがあげられ，１×１０0Ｇ／ｃｍ〜１×１０2Ｇ／ｃｍでもよく，５×１０0Ｇ／ｃｍ〜５×１０2Ｇ／ｃｍであってもよい。例えば，ルビジウム原子を対象としたＭＯＴの場合の四重極磁場の強度として，５×１０0Ｇ／ｃｍ〜５×１０2Ｇ／ｃｍがあげられ，具体的には１０Ｇ／ｃｍ程度があげられる。
【００４３】
このため，中性原子の捕獲領域を主電流電極から数ｍｍ離れた位置に形成する場合，主電流の電流値として，５〜１０Ａ，それぞれの副電流の電流値として，１０〜２０Ａがあげられる。また，主電流をＩ1，副電流をＩ2としたときに，Ｉ2／Ｉ1として，１〜３があげられ，１．５〜２．５でもよい。このように，副電流が主電流より大きいものが好ましい。主電流と副電流の流れる方向は，同じであってもよいし，逆方向であってもよいが，後述の理論計算によって説明されるとおり，好ましくは同方向である。主電流用電極及び副電流用電極の長さは，公知のＭＯＴにおける長さを適宜採用すればよい。
【００４４】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有する前記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。直線状の部分が長いほど好ましいが，少なくとも中性原子の捕獲領域の全域にわたって直線状の部分が存在するものが好ましい。そして，前記直線部分が互に平行とされるものが好ましく，３つの直線状の部分がｘｚ平面に存在するものが好ましい。さらに，前記主電流用電極及び前記２本の副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域の近傍において，直線状の部分を有するものが好ましい。そのような態様の多重極磁場生成電極を用いることで，効果的に中性原子を捕獲できる磁場を生成できる。なお，本明細書では，中性原子を捕獲する領域の近傍において，主電流の流れる方向をｚ軸方向とし，中性原子を捕獲する領域の中心部がｙ軸上の点となるように座標系を設定している。
【００４５】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により電気的に接続される上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる電極を用いれば，後述する図８又は図９に示されるような後述するＳ字型の電極としても利用できるので，効果的に中性原子を捕獲できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００４６】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極は，いずれも直線状の部位を有し，前記主電流用電極の直線状の部分と，前記２本の副電流用電極の直線状の部分とは，それらの電極と垂直な方向に伸びる接続部分により接続され，前記２つの接続部分と前記主電流用電極の交わる位置は，中性原子を捕獲する中心位置に対応する前記主電流用電極の位置に対してそれぞれ反対の側に設けられる上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる電極を用いれば，後述するＳ字型の電極として利用することができるので，効果的に中性原子を捕獲できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００４７】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の一方又は両方の端に，下方（ｙ軸の負の方向）に曲がる部分を有する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。具体的には図９に示されるようなものがあげられる。下方に曲がる部分を有することで，零点Ｑ付近のｘ方向のバイアス磁場を強化することができ，外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００４８】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記主電流用電極，及び前記２本の副電流用電極のいずれか１つ又は２つ以上は，直線状の部分と，前記直線状の部分の両方の端にｘ軸方向に曲がる部分を有する，Ｕ字型の部分を具備する上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このようなＵ字型の電極部分は，ｘｚ平面上に設けられ，ｘ軸に平行な２つの直線部分と，ｚ軸に平行で前記ｘ軸に平行な部分と接続された直線部分とを含むものがあげられる。そのような電極部分を有するので，ｘ軸に平行な部分によって生ずる磁場がｚ方向の磁場を強化でき，その結果外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００４９】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって生成される多重極磁場に，光ビームを照射するための光ビーム生成部を有する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。光ビーム生成部を有するので，いわゆる磁気光学トラップとして機能できることとなる。光ビームを構成する光の波長は，例えば可視から近赤外域のものを適宜用いることができるが，捕獲対象とする中性原子の種類によって吸収される光の波長が異なるため，捕獲対象とする中性原子にあわせて適切なものを用いればよい・例えば，ルビジウム原子を対象とする場合は780nm又は795nm，セシウム原子を対象とする場合は852nm又は894nmの波長の光を用いればよい。
【００５０】
本発明における中性原子のトラップ装置は，磁気光学トラップや磁気トラップなどにおける公知の要素を適宜採用することができるものである。これら中性原子のトラップ装置自体は，公知であり，中性原子のトラップ装置は，真空装置用ポンプ，電極を収容する真空チャンバ，中性原子を発生する原子ビーム生成部，各種バイアス磁場を印加するための磁場生成部（電極），ミラー，検出器などを適宜含めばよい。また，本発明の中性原子のトラップ装置を用いて，試料に中性原子を堆積する場合は，試料を搭載するための試料台や，試料台の位置を制御するための制御部，原子ビームの方角を制御する電場発生装置，磁場発生装置，光源などを適宜含めばよい。
【００５１】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって，生成される多重極磁場に，磁場の対称軸に添った４方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部と，全反射鏡とを具備し，表面磁気光学トラップとして機能する，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。
【００５２】
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，前記多重極磁場生成電極によって，生成される多重極磁場に，磁場の対称軸に添った６方向から光ビームを照射するための光ビーム生成部を有し，全反射鏡を具備しない，上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。以下では，上記した構成により，上記した効果を得ることができることについて説明する。
【００５３】
中央導体１本を流れる電流によって作られるｘｙ面内の磁場は，図１（ｂ）のようにトラップ中心Ｑ（０, ｙ0）の近傍では四重極磁場で近似できる。しかし，トラップ中心から離れるにつれて四重極からずれる。この磁場の振る舞いは，トラップ中心に高次の多重極磁場が重なって作られていると考えると理解しやすい。
【００５４】
以下では，発明の特徴をわかりやすく説明するため２次元での現象について説明する。図５は，１本の直線状電流Ｉ1によってトラップ中心（零点Ｑ）付近に作られる磁場（図１（ａ））を多重極展開し，その双極成分，四重極成分，六重極成分を模式的に示したものである。図５（ａ）は双極磁場の様子を示し，図５（ｂ）は四重極磁場を示し，図５（ｃ）は六重極磁場の様子を示す。図５において，代表的な磁力線を矢印で示し，磁場の対称軸を一点鎖線で示す。なお，八重極以上の高次極も図５（ａ）〜図５（ｃ）と同様に類推できる。図１（ａ）の磁場は，これらすべての多重極の重ね合わせとして表現できる。零点Ｑ付近での各成分の寄与は，双極成分，四重極成分，六重極成分の順に小さくなり，外部からx方向の一様なバイアス磁場を加えることによって，双極成分を打ち消せば四重極成分が最も顕著に表れることになる。その状況が，図１（ｂ）に示される磁場である。磁気光学トラップを構成するためには，図５（ｂ）に示されるような理想的な四重極磁場であることが望ましい。しかし，図１（ｂ）の磁場は，六次以上の高次多重極の寄与によってＱ点を離れるほど理想的な四重極磁場からはずれている。
【００５５】
一方，図１（ａ）や図１（ｂ）に示した磁場は，電流のごく近傍を除けば遠方界での実際の磁場構造は比較的単純であることから，遠方界での高次多重極の寄与は高次のものほど小さくなっていることは明らかである。従って，高次多重極の中でも比較的低次の成分，つまり六重極かせいぜい八重極までに注目すれば十分であり，特に六重極成分が最も重要であるといえる。従って，トラップ中心Ｑに作られる六重極磁場成分を選択的に消去することによって，トラップ中心Ｑ周辺の磁場形状が改善されると考えられる。
【００５６】
六重極を消去するための具体的な手順は，以下の通りである。図６に，中央導体を流れる電流Ｉ1によってトラップ中心Ｑ（０, ｙ0）付近にできる四重極磁場と六重極磁場を模式的に重ねて表現したものを示す。図中，斜線部（領域Ａ）は，六重極の磁力線がＱに関して時計回りの領域を示し，塗りつぶし部（領域Ｂ）は四重極の磁力線がＱに関して時計回りの領域を示す。白地部（領域Ｃ）は，四重極の磁力線及び六重極の磁力線がともにＱに関して反時計回りの領域を示す。図６に示されるように，角度θ（ｄｅｇ）を取ると，例えば，−３０゜＜θ＜３０゜の領域は四重極，六重極ともに磁力線が時計回りになっており，３０゜＜θ＜４５゜の領域では四重極の磁力線が時計回りで六重極の磁力線が反時計回りになっている。
【００５７】
直線状電流がθ＝０°以外の方角にある場合は，領域Ａ又は領域Ｂ全体をその方角にあわせてθだけ回転させて考えればよい。θ＝±９０゜回転させた場合は，領域Ｂと領域Ｂ以外の領域が反転することになり，元の四重極磁場と重ね合わせれば完全に打ち消しあって四重極は消失することになる。また，θ＝±６０゜回転させた場合は六重極が反転し，元の六重極と重ね合わせれば六重極は完全に打ち消しあって消失することとなる。
【００５８】
ここで，中央導体を流れる電流Ｉ1に加えて，ｘ軸上に（３次元的にはｘｚ面内でｚ軸に平行に）一対の直線状電流Ｉ2を増設することを考える。図４は，ｚ軸に平行な直線状導体３本をｘｚ面内に等間隔に平行に接近して配置した状態を示している。３本の導体には等しくｚ軸の正の向きの直流電流を供給するが，中央の導体と両側の２本の導体には異なる大きさの電流Ｉ1，Ｉ2をそれぞれ供給できるものとする。導体は全反射鏡がｘｚ面上にある場合はその面内又はそれよりも下部に位置することになるため，レーザー光を遮蔽する心配がなく，表面磁気光学トラップの構成に好都合である。−３０°＜θ＜３０°の領域にＩ2を設けた場合，四重極，六重極ともに強めあって強化されることになるが，図６に示すように３０°＜θ＜４５°又は−３０°＜θ＜−４５°の領域にＩ2を設けた場合は，四重極は強化され，六重極は打ち消し合って弱くなる。よって，Ｉ1と Ｉ2の大きさを適当に選ぶことにより，六重極を完全に消失させることができる。３０°＜θ＜４５°又は−３０°＜θ＜−４５°の領域は，図６には描かれていないが八重極に対しても打ち消し合う効果を得ることができる。詳細な計算によると，θ＝±４５°の場合に六重極と八重極の双方を同時に完全に消失させることができることがわかるが，この条件では四重極を強化することができないため，θは±４５°よりも鋭角になるように設定することが好ましい。
【００５９】
従来法の板状導体を用いる方法では−３０°＜θ＜３０°の領域にも電流を流すことになるため，四重極，六重極ともに強化する。そして，強化された六重極を打ち消すために，θ＞３０°の領域に大きく張り出すように中心導体の幅を広くする必要があり，より多くの電流を供給する必要が生じた。一方，本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置では，四重極を強めて六重極を選択的に弱めることができるので，従来に比べて少ない電流で，従来と同様の効果を得ることができることとなる。
【００６０】
実装上の問題として，３本の導体は無限長とするわけにはいかず，適当な長さのところで鉛直下向き（ｙ軸の負の向き）に曲げて超高真空用フィードスルーなどを介して外部の電流源に接続することが考えられる。この場合，導体の末端を鉛直下向きに曲げた部分の電流によってＱ点付近のｘ方向のバイアス磁場が強化されるので，バイアス磁場の生成に必要な電流値を小さくすることができる。
【００６１】
図４に示される配線を用いた場合，中性原子を３次元的に捕獲するためにｚ軸方向に外部から不均一磁場を加えることがのぞましい。しかし，３本の導体のうちのいくつかをＵ字型に変形させて図２（ｂ）と類似した構造とすることによって，外部からｚ方向磁場印加することを省略できる。
【００６２】
なお，多数の電流をｘｚ平面内に等間隔あるいは不等間隔に配置したり，あるいは零点Ｑを中心とする円筒面上に配置し，それらに供給する電流を独立に調整できるものとして，パターンマッチングなどの手法を用いて特定の任意の多重極をキャンセルしたり，あるいは特定の多重極だけを増強するような電流配置を数値計算によって求めることができる。ただし，中性原子のトラップ装置を実装する場合，できるだけ単純な構造で最大の効果が得られることが理想的であるから，上記したように単に３本の導線を用いるものは，現実的な実装パターンといえる。
【００６３】
［捕獲領域の上方に副電流を設ける構成］
本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の好ましい態様は，主電流が流れる主電流用電極と，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられ，副電流が流れる直線状部分を有する副電流用電極とを具備する多重極磁場生成電極を具備する，中性原子のトラップ装置である。このような態様にかかる中性原子のトラップ装置であっても，上記したと同様に，副電流用電極が磁気四重極成分を増強し，かつ磁気六重極成分を減衰させるように機能する。なお，この態様にかかる中性原子のトラップ装置は，上記した各構成を適宜採用できる。この態様に係る中性原子のトラップ装置の更に好ましい態様は，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から下方に延びる湾曲状部分と，前記湾曲状部分から下方に伸びる直線状部分とを具備する，中性原子のトラップ装置である。より具体的には，前記副電流用電極は，中性原子を捕獲する領域を介して前記主電流用電極の上方に設けられる直線状部分と，前記直線状部分の両端から下方に延びる半円状部分と，前記半円状部分の下端から下方に伸びる直線状部分とを具備する上記いずれかに記載の中性原子のトラップ装置である。このような湾曲部分や半円状部分は，レーザー光を迂回させるという効果を有するほか，ｚ方向の磁場を生成することに寄与する。さらに，鉛直下方向に伸びる部分は，ｘ方向のバイアス磁場を生成することに寄与する。これにより，外部磁場を軽減できるので，装置に印加する電流を軽減できる他，装置全体を小さくすることができる。
【００６４】
この態様にかかる電極部は，図６に示されるとおりである。すなわち，主電流（Ｉ1）用電極の他に，図６のＩ3で示されるθ ＝ １８０°の方向に直線状の副電極用電流を配置した場合も四重極を強化し，六重極を弱める効果を得ることができる。この場合は，八重極磁場を強めてしまうものの，Ｉ3による磁場はｘ方向のバイアス磁場を強化する効果もあり，目的によっては好都合である。例えばＩ3を利用することによって，外部からｘ方向のバイアス磁場を供給する必要をなくすことができる（すなわち，バイアス磁場を自動供給できる）ので，中性原子のトラップ装置の小型化により適したものとなる。上方からレーザー光を照射する場合にはこの導体がレーザー光の一部を遮蔽することとなる場合もある。しかしながら，表面磁気光学トラップを構成する場合は，鉛直上方からレーザー光を照射する必要がないので，問題にはならない。なお，この態様に係る中性原子のトラップ装置では，Ｉ2で示される２つの副電流用電極はあってもよいが，上記に説明したとおりであるから通常は不要である。以下，捕獲領域の上方に副電流を設ける構成の原理について説明する。
【００６５】
導体の材料として透明伝導性酸化物などを用いれば，電極を通してレーザー光を照射させる配置も可能である。ただし，レーザー光を遮蔽しないような配置を工夫することがより望ましい。図７は，レーザー光を遮断しないような配線の例を示す概念図である。図７中，2は主電流用電極を示し，3は副電流用電極を示す。図７に示されるように，導体に沿って電流Ｉ'がa→b→c→d→e→fの順に流れ，主要部であるｃｄ間を流れる電流によってＱ点の四重極が強化され，六重極が打ち消されることとなる。ｃｄの両端から下向きに半円形に伸びるｂｃ部及びｄｅ部は，レーザー光を迂回させるために湾曲しているほか，図２（a）のアンチヘルムホルツコイルの一部としてｚ方向の磁場生成に寄与するという効果をも奏する。さらに鉛直下方向に伸びるａｂ部およびｅｆ部は，ｘ方向のバイアス磁場生成に寄与する。なお，この態様にかかる中性原子のトラップ装置は，上記した構成を適宜採用できる。
【００６６】
［Ｓ字型の電極］
本発明の第２の側面に係る中性原子のトラップ装置は，従来Ｚ字型などであったヨッフェ棒をさらに直角に折り曲げたＳ字型の構造とすることにより，ｚ方向のバイアス磁場成分の発生を抑制すると共に，z方向磁場の曲率を増強し，さらにx方向のバイアス磁場を増強することができるというものである。そして，これらの結果として，従来のトラップ装置よりも少ない電流で原子を捕獲できることとなる。すなわち，本発明の第２の側面に係る中性原子のトラップ装置は，中性原子を捕獲する中心の下方の点を原点とし，多重極生成用電極の前記中性原子を捕獲する中心付近の直線状部位の方向をｚ軸とし，中性原子を捕獲する中心をｙ軸上に設けるようにした場合，前記多重極生成用電極は，前記原点を通ってz軸に沿う方向に伸びる直線状の部分と，前記直線状の部分からｘ軸に平行な方向へ延びる部分と，前記２つのｘ軸に平行な方向へ延びる部分から伸びるｚ軸に平行な部分とを具備する中性原子のトラップ装置である。先に説明したとおり，Ｚ字型導体のヨッフェ棒をさらに直角に折り曲げたＳ字型の構造とすることにより，ｚ方向のバイアス磁場成分の発生を抑制すると共に，z方向磁場の曲率を増強し，さらにｘ方向のバイアス磁場を増強することができ，これらの結果として，従来よりも少ない電流で，従来と同等の原子捕獲能力が得られるようになる。
【００６７】
図８は，表面磁気トラップによく用いられる従来のＺ字型の導体において，ｘ軸方向に伸びる両腕（ヨッフェ棒）の部分をｚ軸方向に折り曲げた新しい導体を示す概念図である。このＳ字型の導体は，原点を通ってz軸に沿う方向に伸びる中央の部分(Ａ部とする)，Ａ部の両端からｘ軸に平行な方向へ（少しだけ）伸びる部分（Ｂ部とする），Ｂ部の両端からさらに折れ曲がって再びｚ軸に平行な（長い）部分（Ｃ部とする）を具備する。Ａ部を通過する電流と外部から供給されるｘ軸方向のバイアス磁場の重ね合わせによってＱ点付近に四重極磁場が生成され，Ｂ部を流れる電流によってＱ点にｚ軸方向の不均一磁場が生成されることによって磁気トラップが構成される。
【００６８】
本発明のＳ字型導体と，従来のＺ字型導体との最も大きな違いは，Ｂ部に相当する部位の長さである。図２（ｃ）に示したように，従来の方法（Ｚ字型導体）ではＢ部に相当する部位がｙ方向に長かったため，z方向正の向きのバイアス磁場成分（双極磁場）が強く発生し，それを打ち消すために外部から強力なz方向負の向きのバイアス磁場を付加する必要があった。また，Ｂ部に相当する部位が長い直線状導体であるため，原子をz方向に閉じこめるために必要な磁場の曲率が小さかった。これに対して本発明のＳ字型導体は，Ｂ部を十分に短くできるので，ｚ軸正の向きのバイアス磁場を抑制でき，外部から強力なz方向負の向きのバイアス磁場を付加する必要がなくなる。さらに,Ｂ部を十分に短くできるので，z方向に生成される磁場の曲率が増加し（無限長導体では磁場の強さは電流からの距離に反比例するのに対し，短い導体（電流素片）による磁場の強さは電流からの距離の２乗に反比例することによる），より深い捕獲ポテンシャルを得ることができることとなる。なお，具体的なＢ部の長さは，中性原子のトラップ装置の規模や外部磁場，求める精度などによって大きくことなるが，いずれにせよ従来のＺ字型導体を用いたものに比べて短くすることができる。具体的な，Ｂ部の長さとして，１〜５ｍｍ程度の値を用いることができる。
【００６９】
本発明のＳ字型導体では，従来のＺ字型導体にはなかったＣ部を付加したことにより，この部分の電流によってＱ点付近のx方向のバイアス磁場を強化できるようになる，少ない電流により効果的に原子を捕獲できることとなる。このようにＳ字型導体を利用して表面磁気トラップなどを構成することにより，従来のＺ字型導体を用いる場合に比べて，小さな電流で磁気トラップを構成できる。
【００７０】
磁気トラップにおいては磁場分布の対称性はあまり重要でなく，本発明の第一の態様に係る中性原子のトラップ装置のように，高次多重極に配慮した設計は必要ない。しかしながら，Ｂ部の長さが，２本のＣ部からＱ点に対して張る角度が９０°以上になるようなものを用いると，Ｃ部を流れる電流によってＱ点付近の四重極磁場を強化することができるため，好ましい。
【００７１】
本発明の第一の側面に係る中性原子のトラップ装置で採用した副電流Ｉ2を流す導体の一部は，本発明の第二の側面に係る中性原子のトラップ装置で採用した Ｓ字型導体のＣ部を兼ねることができる。よって，これらの構成を採用することで，それぞれの構成がもたらす効果を同時に得ることができることとなる。
【００７２】
上記本発明の第一の側面に係る中性原子のトラップ装置及び本発明の第二の側面に係る中性原子のトラップ装置について説明した磁気光学トラップと磁気トラップを一体化して実装することができればより小型化に適したものとなる。図９は，本発明の第一の側面に係る中性原子のトラップ装置におけるＩ2を流す２本の副電流用電極（導体）を本発明の第二の側面に係る中性原子のトラップ装置のＣ部として兼用した構造の一例を示したものの概念図である。本発明の中性原子のトラップ装置を，六重極補償型表面磁気光学トラップとして使用する場合は電流Ｉ1,Ｉ2のみを供給し，Ｓ字型表面磁気トラップとして使用する場合は電流Ｉ3のみを供給すればよい。なお，図９では，ヨッフェ棒によって３つの導体が互いに電気的に短絡された形になるが，図９のように各導体を独立な定電流回路で駆動すれば，電流の保存則により，六重極補償型表面磁気光学トラップとして使用する場合にヨッフェ棒の部分には電流が流れず，機能に支障が無い。
【００７３】
図２に示したような従来の導体構造だけを用いた場合，ｘｚ面上において電流を導入する配線部分も含めた導体部分全体の占有面積はかなり大きなものとなる。しかし，図９の構造体では，パーツのほとんどがｚ軸に沿った狭い領域に集中しているため，全体の占有面積は図４とほとんど変わらず，集積化も容易で，より小型化に適したものとなる。
【００７４】
また，磁気トラップでは磁気光学トラップよりも急峻な磁場勾配を必要とするため，より導体に接近した位置にトラップ中心Ｑがくるように設計されるのが普通であるため，副電流Ｉ2を流す２本の導体（Ｓ字型導体のＣ部を兼用できる）から磁気トラップの零点Ｑを見込む角は９０°以上となって,ｘｙ面内の四重極磁場が強化され，さらに望ましい結果となる。
【００７５】
図１０に，表面磁気光学トラップの概念図を示す。図１０に示されるとおり，この態様の中性装置のトラップ装置では，ｘｚ平面に全反射鏡(11)を設け，全面鏡上に電極(12)を形成している。そして，この例では電極(12)は，図９に示すものであるが，電極構造は，上記したものを適宜採用できる。そして，ｘ軸方向にバイアス磁場（Ｂ0x）を印加し，４つのレーザー（13a,13b，13c,13d）を，捕獲された原子雲(14)の中心に向けて照射する。
【実施例１】
【００７６】
−主電流の両側に副電流を設ける構成の等磁気ポテンシャル解析−
主電流Ｉ1のみによって作られる磁場と，主電流Ｉ1と副電流Ｉ2を併用して六重極磁場を完全にキャンセルさせて作られる二次元の磁場形状を比較した計算結果を図１１に示す。図１１は，主電流Ｉ1のみによって作られる磁場と，主電流Ｉ1と副電流Ｉ2を併用して六重極磁場を完全にキャンセルさせて作られる二次元の磁場形状を比較した計算結果を示す図面に替わるグラフである。図１１（ａ）は主電流Ｉ1のみによって作られる磁場を示し，図１１（ｂ）は主電流Ｉ1と副電流Ｉ2を併用して六重極磁場を完全にキャンセルさせて作られる二次元の磁場形状の様子を示す。図１１では，磁力線ではなく，等磁気ポテンシャル線（磁気ポテンシャル｜Ｂ｜が等しい場所を連ねた線）を描いてある。
【００７７】
図１１（ａ）では，Ｉ1を７．２Ａとし，図１１（ｂ）では主電流Ｉ1と副電流Ｉ2とをそれぞれ４．８Ａ及び１０．８Ａとして計算した。理想的な四重極磁場では等磁気ポテンシャル線は互いに等間隔の同心円になる。図１１からわかるように，特に図の中央付近では副電流を併用した図１１（ｂ）の方が図１１（ａ）に比べて理想的な四重極磁場に近くなることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の中性原子のトラップ装置は，平面基板上あるいはその内部に設けられた導体中を流れる電流が作る磁場と，必要に応じて基板の外部から供給される磁場を用いることにより，超高真空中に置かれた平面基板の表面近傍に中性原子を捕獲・冷却するために用いることができる。
【００７９】
本発明の中性原子のトラップ装置によれば，中性原子を捕獲し，冷却できるので，ボース凝縮体生成装置；原子波干渉計を使用した重力計，加速度計，ジャイロスコープ；中性原子を利用した量子情報処理デバイス，量子通信デバイス；原子レーザー発生装置；原子リソグラフィー；又は原子時計などに効果的に利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は，電流と磁場の関係を示す概念図である。図１(a)は，無限に長い直線状電流Ｉがｚ軸に沿って流れる場合の磁場の様子を示す図であり，図１(b)はさらにｘ軸の正の方向に向かって一様なバイアス磁場を印加した場合の磁場の様子を示す図である。
【図２】図２は，ｚ方向に四重極的な磁場を付加するための構成とその磁場の様子を示す概念図である。図２（ａ）は，z方向にアンチヘルムホルツコイルなどを用いて外部から磁場を印加するものの例を示し，図２（ｂ）は直線状導体の両端をＵ字型にして電流の流路をＵ字状に変形したものの例を示し，図２（ｃ）は直線状導体の両端をＺ字型にして電流の流路をＺ字型に変形したものの例を示す。
【図３】図３は，図２（ｂ）の直線状導体の幅をx方向に拡大したものにおける３次元磁場の様子を示す概念図である
【図４】図４は，本発明の第１の側面に係る中性原子のトラップ装置の原理を説明するための図である。
【図５】図５は，１本の直線状電流Ｉ1によってトラップ中心（零点Ｑ）付近に作られる磁場（図１（ａ））を多重極展開し，その双極成分，四重極成分，六重極成分を模式的に示したものである。図５（ａ）は双極磁場の様子を示し，図５（ｂ）は四重極磁場を示し，図５（ｃ）は六重極磁場の様子を示す。
【図６】図６に，中央導体を流れる電流Ｉ1によってトラップ中心Ｑ（０, ｙ0）付近にできる四重極磁場と六重極磁場を模式的に重ねて表現したものを示す。
【図７】図７は，レーザー光を遮断しないような配線の例を示す概念図である。
【図８】図８は，表面磁気トラップによく用いられる従来のＺ字型の導体において，ｘ軸方向に伸びる両腕（ヨッフェ棒）の部分をｚ軸方向に折り曲げた新しい導体構造を示す概念図である。
【図９】図９は，本発明の第一の側面に係る中性原子のトラップ装置におけるＩ2を流す２本の副電流用電極（導体）を本発明の第二の側面に係る中性原子のトラップ装置のＣ部として兼用した構造の一例を示したものの概念図である。
【図１０】図１０は，表面磁気光学トラップの概念図である。
【図１１】図１１は，主電流Ｉ1のみによって作られる磁場と，主電流Ｉ1と副電流Ｉ2を併用して六重極磁場を完全にキャンセルさせて作られる二次元の磁場形状を比較した計算結果を示す図面に替わるグラフである。図１１（ａ）は主電流Ｉ1のみによって作られる磁場を示し，図１１（ｂ）は主電流Ｉ1と副電流Ｉ2を併用して六重極磁場を完全にキャンセルさせて作られる二次元の磁場形状の様子を示す。
【符号の説明】
【００８１】
1  電極
2  主電流用電極
3  副電流用電極
11  全反射鏡
12  電極
13a,13b，13c,13d  レーザー光
14  捕獲された原子雲
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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