(57)【要約】  特定の種の少なくとも１つのトラップ原子を生成する方法であって、特定の種を含む試料物質を真空室内に配置するステップと、試料物質を第１のレーザで照射することによって特定の種の原子蒸気を生成するステップと、生成された原子蒸気から１つまたは複数の原子をトラップするステップとを含む方法。
2017512639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の種の少なくとも１つのトラップ原子を生成する方法であって、
特定の種を含む試料物質を真空室内に配置するステップと、
前記試料物質を第１のレーザで照射することによって前記特定の種の原子蒸気を生成するステップと、
前記生成された原子蒸気から１つまたは複数の原子をトラップするステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記トラップするステップが、第２のレーザを用いて、ドップラー冷却などによって前記１つまたは複数の原子を冷却するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記トラップするステップが、磁気光学、磁気、または光学トラップを使用する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
特定の種の原子蒸気を生成する方法であって、
特定の種を含む試料物質を配置する（好ましくは真空室内に）ステップと、
前記特定の種の原子蒸気を生成するために、前記試料物質を第１のレーザで照射するステップと
を含む方法。
【請求項５】
前記照射するステップが、前記試料物質を加熱によって蒸発または昇華させるのに必要とされるよりも低い熱エネルギーを前記試料物質に生成するように、前記第１のレーザが構成／配置され、かつ／または前記第１のレーザのパワー出力が選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記照射するステップが、レンズを使用して前記第１のレーザからの光線を前記試料上に集束するステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のレーザのパワーと、前記第１のレーザのパワー密度と、前記第１のレーザ、前記レンズ、および前記試料それぞれの間の距離と、前記レンズの焦点距離と、前記第１のレーザのパルス幅とのうちの１つまたは複数を調節するステップを含み、
それによって、原子蒸気の生成速度を制御し、かつ／または前記照射ステップによって生成される前記試料物質内の前記熱エネルギーを制御（好ましくは、加熱によって前記試料物質を蒸発または昇華させるのに必要とされるよりも低くなるように）する、
請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のレーザが連続波レーザである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のレーザが、前記特定の種の原子蒸気を生成するように選択された周波数で光線を発生する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のレーザが４０５ｎｍレーザである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記特定の種が金属である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属が、アルカリ土類金属またはアルカリ金属である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムまたはイッテルビウムである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属がストロンチウムである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記試料物質が酸化ストロンチウムである、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記特定の種を含む物質が、中間化合物を形成するように処理され、前記中間化合物が前記試料として使用され、
好ましくは、前記中間化合物を照射することによって、前記中間化合物が分解され、それによって、前記特定の種の前記原子蒸気が生成される、
請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記中間化合物または試料が酸化金属である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記中間化合物または試料が、アルカリ土類金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、またはラジウム）もしくはアルカリ金属の酸化物、またはイッテルビウムの酸化物である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記中間化合物または試料が、アルカリ土類金属（ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、またはラジウム）もしくはアルカリ金属の水酸化物、またはイッテルビウムの水酸化物である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
ストロンチウムが、酸化ストロンチウムを形成するために処理され、前記酸化ストロンチウムが、ストロンチウム原子の蒸気を生成するために照射される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記特定の種の前記原子蒸気が、冷却原子装置に使用される、請求項１から３のいずれか一項、または請求項１に従属する場合の請求項４から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記冷却原子装置が光時計である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記冷却原子装置が原子干渉計である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記冷却原子装置が、ボース・アインシュタイン凝縮実験に使用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記試料物質が粉末である、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記粉末が薄膜に形成される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記薄膜が、５ｃｍ２の面積を覆って散布された１００ｍｇの粉末から形成される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記粉末が、５〜１５０ミクロンの範囲の直径を有する粒子を含む、請求項２５、２６または２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
試料物質を調製する方法であって、
ペーストを形成するために粉末を溶媒と混合するステップと、
前記ペーストを面上に広げるステップと、
前記試料物質を形成するために前記溶媒を実質的に蒸発させるステップと
を含む方法。
【請求項３０】
前記溶媒がアセトンである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
溶媒に対する粉末の比が体積で約１：１である、請求項２９または３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記粉末を磨り潰すステップを含む、請求項２９から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記試料を照射するステップに先立って、請求項２９から３２のいずれか一項に記載の方法によって前記試料を調製するステップをさらに含む、請求項２５から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
特定の種の原子蒸気を生成する装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された特定の種を含む試料を照射するように配置された第１のレーザ源であって、それによって、前記特定の種の原子蒸気が前記真空チャンバ内に生成される、第１のレーザ源と
を備える装置。
【請求項３５】
前記原子蒸気から原子をトラップするように配置された１つまたは複数の原子トラップをさらに備える、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
請求項１から３３のいずれか一項に記載の方法に従って、原子蒸気を生成しかつ／または原子をトラップするように構成される、請求項３４または３５に記載の装置。
【請求項３７】
請求項３５または３６に記載の装置を備える光時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に冷却原子用途のための制御された原子源を生成する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の原子種のトラップ可能原子の蒸気を生成する機能は、真空下でレーザ冷却が施される原子蒸気の供給源を含む冷却原子装置などの冷却原子装置にとって有用である。そのような装置には、原子が、真空下でバックグラウンド・ガスまたは原子のビームから捕捉される装置が含まれる。
【０００３】
特定の原子のトラップ可能原子蒸気の供給源を使用する必要がある望ましい実際的適用分野が多数ある。たとえば、特定の原子の原子蒸気の供給源は、光時計（レーザ冷却原子を用いる）および原子干渉計（重力センサまたは重力勾配センサとして用いることができる）の製造に望ましい。さらに、原子蒸気の供給源は、ボース・アインシュタイン凝縮による実験のために望ましい。
【０００４】
トラップ可能原子の原子蒸気を生成する既知の方法は、室温で十分な蒸気圧を有する物質を使用し、その物質のバルク試料を真空チャンバ内に配置する。次いで、原子蒸気の供給が、供給源と実験用真空チャンバとの間にバルブを使用することによって制御される。しかし、原子蒸気を生成するこの方法は、所望の原子種を含有する物質が周囲温度で極僅かな蒸気圧しか有さない場合、使用することができない。
【０００５】
より広範囲の原子種用の、トラップ原子の原子蒸気を生成するより融通の利く方法は、炉またはディスペンサ内で所望の原子のバルク試料を加熱することを含み、それによって、物質を真空チャンバ内に蒸発または昇華させるのに必要な熱エネルギーを生成する。しかし、炉は、本来、熱を発生するものなので、冷却原子装置と共に炉を使用することは、本質的に問題を含み、熱源（およびその結果の背景輻射）を、低温が必要とされる装置部分から分離するために、装置のサイズを大きくすることに至る。たとえば、原子時計では、熱が、それに伴う原子線のシフトを生じ、その結果クロックまたは周波数出力のシフトを生じることがある。結果的に、原子蒸気を生成するために炉を使用する光時計は、相対的に大きくなり、微妙な制御にも欠ける。
【０００６】
上記のように、原子蒸気を生成する既知の方法は制御するのに困難な場合があり、それは、細緻かつ正確な実験または処理を実行するとき特に問題を生じることになり得る。従来技術では、この問題への対処として、光誘起原子脱離（ＬＩＡＤ）を使用することによって複数チャンバ設定において原子蒸気を生成するとき、より高度の制御が達成されることが知られており、その場合、真空チャンバの内壁に付着されている原子が、真空チャンバの壁上に光を照射することによって脱離を促進される。そのような状況では、吸着原子が疎らかつ散発的に分布され得、その結果、プロセスに不確実な要因が導入され、原子の所在および密度が、原子蒸気を使用する目的の要件を満足しないことがある。ただし、ＬＩＡＤは、一部の原子種での使用には唯一適しており、原子蒸気を最初に生成するのに使用される炉または他の装置に加えて、中間機器を必要とし、それによって、装置のサイズおよび複雑さが増す。
【０００７】
光時計を含めて、ある種の冷却原子装置および用途には、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属としての原子が望ましい。ＬＩＡＤは、現在、これら原子には効果的でないことが分かっている。炉が、従来使用されており、背景熱輻射による難点が生じている。金属などのバルク試料を熱的に加熱することによって原子蒸気を生成することにおける困難は、物質が反応してより安定な化合物を形成している場合さらにより困難になる（たとえば、融点／沸点および融解／気化のエネルギーは、ストロンチウムより酸化ストロンチウムの方が著しく高い）。そのような材料において相転移を生じるのに必要な温度は、極めて高く、冷却原子を必要とするプロセスに関するシステムに、過大な熱エネルギーを存在させることになる。
【０００８】
冷却原子への用途に加えて、特定の種の原子蒸気の高信頼性かつ制御可能な供給源は、原子の熱源として望ましい場合があり、熱的原子は、少なくとも以下の例示分野に使用することができる。すなわち、それら例示分野は、磁気測定（医学の分野に用途があり、たとえば、熱的原子が脳マッピングなどの実験を行うために用いられ得る）、表面化学（表面をコーティングするために放出原子を使用する）、イオン物理学（たとえば、イオン・原子衝突物理学において、散乱断面積、電荷移動断面積などを測定することができる）、生物化学（アルカリ原子（Ｓｒ、Ｙｂ、Ｍｇ他）とＤＮＡや他の分子を含む大きな生体分子との相互作用の探求。たとえば、ストロンチウム（Ｓｒ）イオンは、電子の共有／移動を介して生体分子と相互作用を行うことができ、その結果、結合または単なる電荷移動を生じ得る）、化学（たとえば、極低温分子を含む分子の形成、および特に極低温分子における量子レベルでの反応の制御）、および、ナノ・テクノロジ（たとえば、多分にレーザ冷却技術と組み合わせて、基板上に原子レベルの構造を作り出すこと）である。
【０００９】
原子は、バルク試料自体の上に注がれるレーザによる「レーザ・アブレーション」によって、バルク試料から分離され得る（ＬＩＡＤが対処する吸着原子とは対照的に）。この性質のレーザ・アブレーションは、レーザ冷却用のトラップ可能原子を生成するための良好な方法とするには、過剰な熱を生成する恐れがある。通常のレーザ・アブレーション技法は、プラズマを形成する原子を生じることが多く、それゆえ全ての用途に有効なわけではない。
【００１０】
試料から原子を分離するためにレーザ・アブレーションによって用いられる最も一般的なメカニズムは、試料を局部的に加熱するのに十分なエネルギーを供給し、それによって、加熱による原子蒸気を形成するために蒸発または気化するのに十分な熱エネルギーを生成することである。その結果、これら技法は、熱エネルギーに依存し、炉の欠点の少なくとも一部を被る。フェムト秒パルスを用いる別のレーザ・アブレーション技法は、高エネルギー自由電子を生成しその自由電子が静電力によって試料からイオンを引き出す、イオン化によって原子を分離する。これらフェムト秒技法は、極めて高パワーのパルス、およびパルス間に十分な時間間隔を必要とし、蒸気内の原子の可制御性および速度に影響を及ぼす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の問題点および短所の少なくとも一部を本発明によって改善するために、添付特許請求の範囲に記載の方法および装置が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
次いで、本発明の実施形態が、添付図面を参照して、単なる例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】原子蒸気を生成する装置の概略図である。
【図２】ストロンチウム原子の原子蒸気を生成する装置の概略図である。
【図３】ストロンチウム原子の原子蒸気を生成し測定する装置の概略図である。
【図４】酸化物などの中間化合物から原子蒸気を生成するプロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
顕著な熱を全く発生させることなく特定の原子種の原子蒸気を生成するための装置および方法が本明細書には記載される。
【００１５】
図１は、特定の種の原子蒸気２０を生成するのに使用される装置１０を示す。ある種の原子蒸気２０がその中で望ましく生成される真空チャンバ１４が示されている。真空チャンバ１４は、１つまたは複数の真空ポンプ（図示せず）に接続されている。真空チャンバ１４内の圧力が、圧力計（図示せず）を用いて計測される。
【００１６】
原子蒸気２０を生成するために使用される原子種を含む供試物質１８が、真空チャンバ１４内の容器１６内に配置される。真空チャンバ１４が、十分に高い真空が確立されるまで排気される。真空チャンバ１４内に十分に高い真空が確立されると、レーザ源１２を使用して試料１８の表面に光を当てる。レーザ源１２の周波数および強度は、使用中、原子蒸気２０が生成されるように決定される。
【００１７】
レーザ源１２は真空チャンバ１４の外側に置かれ、レーザ源１２からのレーザ光は、光学的に十分に透明な窓１５を通して真空チャンバ１４に導き入れられる。レーザ源１２が供試物質１８上に光を照射しているとき、特定種の原子蒸気２０が生成される。レーザ源１２がバルク物質１８上に光を照射していないときには、特定種の原子蒸気２０は生成されない。生成される原子蒸気２０の量は、レーザ源１２によって放射される光束の関数である。生成される原子蒸気２０の量は、試料１８に入射する光束を変えることによって制御可能である。これは、レーザからの光子の数を変えることによって制御することができる。試料の任意の所与の面積から生成される蒸気の量もまた、レーザ・エネルギーが集中される、試料の総面積を変えることによって変化させることができる。
【００１８】
レーザ源１２からのレーザ光は、原子蒸気２０を生成するために供試物質１８の結合を破壊するのに必要であることが判明している周波数より高い周波数を有する。
【００１９】
好ましくは、レーザ源１２からのレーザ光は、試料内に比較的小さい局部的加熱を発生する。意外にも、レーザ周波数を正しく選択し、試料を正しく選択および／または処置することによって、原子蒸気を、加熱によって供試物質１８を蒸発または昇華させるのに必要とされるよりも少ないエネルギーによって生成することができることが判明している。レーザ強度が高すぎる場合、プロセスは、熱エネルギーの生成が支配的になり（欠陥での光子吸収、フォノン生成などに起因する）、供試物質１８を溶解して蒸発させ、または直接昇華させる。これにより、原子蒸気を生成することはできるが、背景熱輻射が、一部の用途にとって困難を生じ得、制御性の低下に至らせ得る。
【００２０】
良好な結果を生じる試料の選択および／または処置は、加熱による蒸発を行うためになされるであろう選択とは著しく異なり得ることが分かっている。たとえば、金属である供試物質１８の金属結合が、原子蒸気を生成するのに比較的低い熱エネルギーを必要とし得るのに対し、酸化金属供試物質１８などのより安定な化合物は、物質を蒸発または直接昇華させるために相対的に高い熱エネルギーを通常必要とする。その結果、酸化金属試料は、従来、金属原子の蒸気を生成する試料としてより適さないと考えられがちであった。しかし、本発明では、バルク金属より高い融点を有する酸化物を含めて、所望の種の中間化合物が有利であり得ることが判明している。少ない熱エネルギーを生成することが好ましく、供試物質１８を蒸発または昇華させるのに必要であるよりも少ない熱エネルギーを生成し、蒸発または昇華させる代わりに他のメカニズムに依拠して原子蒸気２０を生成することが可能である。本発明は、中間化合物の分子結合を破壊し、それによって所望の種の原子を得ることができると考えられる。
【００２１】
装置１０は、供給源の形で別の装置（図示せず）に接続され、それら別の装置は、光時計、原子干渉計、またはボース・アインシュタイン凝縮実験用装置のうちの１つであり得る。
【００２２】
次いで、上記の装置および方法の例が、ストロンチウムの原子蒸気の生成に関して、図２を参照して説明される。ストロンチウムの原子蒸気は、光時計、原子干渉計の一部として、またはボース・アインシュタイン凝縮実験の一部として使用することができる（図示せず）。
【００２３】
図２は、ストロンチウムの原子蒸気３９を生成するために使用される装置３０を示す。ストロンチウムの原子蒸気３９がその中で望ましく生成される真空チャンバ１４が示されている。
【００２４】
ストロンチウムを含むバルク試料３８が調製され真空チャンバ１４に入れられる。試料３８を調製するために、真空チャンバ１４内のるつぼ３６内に配置する前に、純粋なストロンチウムを空気中に放置して酸化させ、それによって、酸化ストロンチウムの層を形成させる。ストロンチウムの代表的なバルク試料は、数立方ミリメートル程度の１個の粒状ストロンチウム（９９％微量金属基準、油中）である。ストロンチウムは、油膜を除去するために、アセトンおよびイソプロパノールを含む溶剤で洗滌される。その後、ストロンチウムを、数時間空気に曝して反応させ、酸化ストロンチウム層を生成させる。酸化ストロンチウムは、純粋なストロンチウム金属と比較すると肉眼には異なった色になり得る。酸化ストロンチウムは、次いで、真空チャンバ１４内に配置される。
【００２５】
真空チャンバ１４は、十分に高い真空が確立されるまで排気される。１０−８ｍｂａｒ程度またはそれ以上の真空が好適である。真空チャンバ１４内に十分に高い真空が確立されると、レーザ・ダイオード３２を使用してストロンチウムの酸化バルク試料３８の表面を照射する。レーザ・ダイオード３２は、ストロンチウムの酸化バルク試料３８から約１０ｃｍの距離で真空チャンバ１４の外側に置かれ、光線は、光学的に十分に透明な窓１５を通して真空チャンバ１４に導き入れられる。レーザ・ダイオード３２からのレーザ光は、レンズ２２を通してストロンチウムの酸化バルク試料３８上に集束される。レーザ・ダイオード３２がバルク物質１８上に光線を照射しているとき、レーザ・ビームの強度が十分であれば、ストロンチウムの原子蒸気３９が生成される。レーザ・ダイオード３２がバルク物質３８上に光線を照射していないとき、またはレーザ強度が不十分なとき、ストロンチウムの原子蒸気３９は生成されない。生成される原子蒸気３９の量は、レーザ・ダイオード３２によって放射される光束の関数である。生成される原子蒸気３９の量は、バルク試料３８に入射するレーザ１２のパワーを変えることによって制御可能である。
【００２６】
レーザ・ダイオード３２は、４０５ｎｍの波長の光線を発生する。あるいは、他の波長の光線を使用して同じ効果を達成することもできる。特に、異なる波長は異なる試料物質に使用され得る。
【００２７】
レンズ２２は、４ｍｍの焦点距離を有するアクリル・レンズである。レンズ２２は、真空チャンバ１４の外側であるが、試料１８にレーザ１２よりも近付いて配置される。レーザ１２は、直径約２ｍｍのビームを生成し、レンズは、約５０〜１００マイクロメートルのスポット・サイズにレーザを集束するために使用される。このようにレンズで集束することによって、適切な大きさの面積から適切な濃度の蒸気が生成され、それによって、蒸発速度を制御し最適化することができるが、レンズおよび集束ステップは蒸気を生成するために必須ではない。別の例では、レンズ２２は、レーザ・ビームを有効に集束するのに適した任意の材料から製作される。
【００２８】
図２に示されるように、レーザ・ダイオード３２は真空チャンバ１４の外側にあり、それによって、原子蒸気３９を生成するのに必要な態様にダイオードおよびダイオードが発生する光線を位置決めし方向合わせするための、レーザ・ダイオード３２へのアクセスを可能にする。ただし、別法として、レーザ・ダイオード３２を真空チャンバ１４の内部に置くことができ、その結果、光学窓による減衰を完全に減少させ、レーザ・ダイオードをバルク試料３９により直に近付けて配置することが可能になる。
【００２９】
レーザ・ダイオード３２からの光線の強度は、レーザ・ダイオード３２のレーザ・パワーおよびパルス幅を変えることによって制御することができる。約７ｍＷ〜７０ｍＷのレーザ・パワー範囲が良好な結果をもたらし、通常、１０ｍＷ程度のレーザ・パワーが、適度な量のストロンチウム原子を生成するために使用される。有利には、連続波レーザ１２が、むしろパルス・レーザよりも使用され得る。
【００３０】
ストロンチウムの酸化バルク試料３８、レンズ２２、およびレーザ・ダイオード３２それぞれの間の距離は、試料のいずれの所与の領域からでもストロンチウムの原子蒸気３９を生成する効率が最大になるように変更することができる。
【００３１】
ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、もしくはラジウム（アルカリ土類金属）、イッテルビウム、またはアルカリ金属など、ストロンチウムとは異なる金属を使用し、それによって、アルカリ土類金属、イッテルビウム、またはアルカリ金属を含む異なる原子蒸気３９を生成することができる。試料物質３８は、上記金属の酸化物もしくは水酸化物または土類金属でもよい。
【００３２】
図２を参照する上記の例では、ストロンチウムを含むバルク試料３８が説明されている。ただし、上記に指摘したように、試料物質３８は、金属の酸化物または土類金属でもよい。より連続的かつ／または安定的なストロンチウムの放出を行わせるために、試料物質３８として酸化ストロンチウム粉末を使用することが有益であり得る。有効な一方法では、酸化ストロンチウム試料は、酸化ストロンチウム粉末をアセトンと混合してペーストを形成することによって、調製することができる。次いで、ペーストを皿内で乾燥し、薄膜を生成する。アセトンは、通常の大気状態下で液体状態から気体状態へ急速に蒸発するので、溶媒として使用され、その結果、乾燥粉末薄膜が皿内に形成され、その後その薄膜が真空室に入れられ、引き続きそこで薄膜がレーザで照射される。したがって、酸化ストロンチウム粉末が真空チャンバ１４にその後入れられる前に、酸化ストロンチウム粉末の残留薄膜はアセトンを含有しなくなる。
【００３３】
ペーストを調製するために、体積比約１：１のアセトンとストロンチウムとを使用することができる。約５ｃｍ２の面を覆う約１００ｍｇの酸化ストロンチウムを使用すると、著しく着実なその後のレーザ誘起ストロンチウム蒸発を生じることが判明している酸化ストロンチウムの薄膜が形成される。
【００３４】
Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ８８２２０グレード製品などの酸化ストロンチウム粉末が、上記のプロセスの目的に適している。酸化ストロンチウム粉末は、１００メッシュの粒子サイズである。任意選択で、酸化ストロンチウム粉末は、粒子サイズをさらに小さくするために、乳棒と乳鉢などの装置を用いて磨り潰される。その結果、酸化ストロンチウム粉末粒子は、最適には、約５〜１５０ミクロンの範囲で形成され得る。ただし、他の酸化ストロンチウム粒子サイズを用いて類似の効果を得ることもできる。
【００３５】
酸化ストロンチウム粉末の薄層を形成するためのペーストを生成する溶媒として、アセトンを使用することができるが、他の溶媒を使用することもできる。好ましくは、溶媒は、試料が真空チャンバに導入される前に取り除かれ、それによって、真空機器が溶媒で汚染されるのを回避する。溶媒は、大気状態下にペーストを放置することによってペーストから取り除くことができ、その場合、周囲温度が、溶媒を、室温で蒸発させそれによってペーストから取り除き、粉末の残留乾燥薄膜を残す。溶媒を変えることによって、ペーストから溶媒を除去するためのパラメータが変化し、たとえば、異なる環境温度または手順が、ペーストから溶媒を除去するために必要になり得、その後、粉体の乾燥薄膜が真空チャンバに導入され、そこで乾燥薄膜がレーザで照射される。
【００３６】
試料物質３８の薄膜を調製するプロセスを、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、もしくはラジウム（アルカリ土類金属）、イッテルビウム、またはアルカリ金属など、ストロンチウムとは異なる金属に適用し、それによって、アルカリ土類金属、イッテルビウム、またはアルカリ金属を含む異なる原子蒸気３９を生成することができる。試料物質３８は、上記金属の酸化物または水酸化物または土類金属であり得る。
【００３７】
図３は、原子蒸気においてストロンチウム原子を生成し、検出し、測定するために使用される装置４０を示す。この装置は、原子蒸気を使用するために必要なわけではなく（たとえば、光時計内での蒸気の使用に必要ではない）、結果を測定するために使用することができ、したがって、任意の所与の用途および／または試料物質に関して最も好適な結果を得るようにパラメータを調節する効果を測定するために使用することができる。
【００３８】
装置は、図２に関して説明したのと同様であるが、新たな２つの要素が用いられる。
【００３９】
第１に、共鳴レーザ４２を使用して、第２の光学窓１７を通して真空チャンバ１４にレーザ・ビームを導き入れる。共鳴レーザ・ビームは４６０．８ｎｍで作動し、ストロンチウムの原子がビームを通過すると、強い蛍光発光が観測され、それによってストロンチウム原子の存在が確認される。共鳴レーザ・ビームは、直径が１ｍｍ程度であり、１〜５ｍＷのパワーを有する。
【００４０】
第２に、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）４４（ストロンチウム原子をトラップするために使用される３本の直交レーザ・ビームを示す３本の線によって表される）が図示されており、そのＭＯＴ４４は、個々のストロンチウム原子を冷却するために使用される。ＭＯＴ４４の３本のレーザ・ビームは、１．５ｃｍ程度の直径を有する１０ｍＷパワーの再帰反射式の円偏光ビームであり、ＭＯＴ４４は、約３５Ｇ／ｃｍの磁場勾配を有する４重極磁場をさらに備える。
【００４１】
図２によって説明されたパラメータを使用して生成されたストロンチウム原子蒸気３９では、ＭＯＴ４４によってトラップするのに十分な低速度（通常、１秒当たり５０メートル未満）を有する原子が得られる。レーザ・ダイオード３２が、ある閾値より高いパワーでストロンチウムの酸化バルク試料３８を照射すると、ストロンチウムのレーザ冷却原子をＭＯＴ４４内に検出することができる。
【００４２】
別の例では、共鳴レーザ４２の波長が、異なる原子蒸気を検出するように適合されている。光時計装置用の原子蒸気を生成するために使用することができる化合物の例には、アルカリ土類金属の酸化物および水酸化物が含まれる。
【００４３】
図４は、本発明の実施形態による原子蒸気生成の諸段階を示すフローチャートＳ１００である。この方法は、前出の図のいずれかに関して説明された装置１０、３０、４０を使用して実施することができる。
【００４４】
プロセスは、ステップＳ１０２で、原子蒸気を生成するために使用される物質を選択することによって始まる。その物質は、原子蒸気の形態で生成することが望まれる特定の種の物質である。使用される物質は、金属など、原子蒸気を生成するのに不十分な蒸気圧を室温で有する物質であり得る。
【００４５】
ステップ１０４で、その物質が、中間化合物を形成するように処理される。たとえば、金属は、酸化させることができ、または、原子蒸気を形成することが求められる特定の種を含む中間化合物の生成に導く条件（雰囲気／温度）に曝すことができる。その処理、たとえば金属の酸化は、金属を空気に曝すかまたは空気中で加熱するかのいずれかによって誘起することができる。物質は、想定用途に十分な量の原子蒸気を生成するために十分な量の酸化試料が生成されるまで処理される。物質が調製されると、プロセスはステップＳ１０６へ移行する。
【００４６】
ステップＳ１０６では、試料化合物が、十分な圧力に達するまで排気される超高真空チャンバ内に配置される。化合物試料は、次いで、ステップＳ１０８でレーザ・ビームによって照射され得る。
【００４７】
ステップＳ１０８で化合物がレーザで照射されると、化合物の結合が破壊され、特定の種の原子蒸気に原子が放出される。この方法は、所望の特定の種の分圧が、試料を加熱せずにその特定の種の原子蒸気を正常に生成するには不十分であるとき、特に有益である。
【００４８】
好ましくは、原子蒸気を生成することが求められる特定の種の純粋な物質が、ステップＳ１０４で処理される。ただし、別の例では、このステップは省略され得、原子蒸気の形態であることが求められる特定の種を含む適切な化合物が、直接用意されまたは供給され、ステップＳ１０６で真空チャンバ内に配置され得る。たとえば、図２に関して説明したように、酸化ストロンチウム粉末などの試料物質の粉末の薄膜３８が、用意され、真空チャンバに導入され得る。
【００４９】
好ましくは、中間化合物を形成するために処理される試料はストロンチウムであるが、イッテルビウム、アルカリ土類金属、またはアルカリ金属など、他の金属を使用することもできる。好ましくは、中間化合物は酸化ストロンチウムであるが、アルカリ土類金属およびアルカリ金属の酸化物および水酸化物を含めて、他の金属の酸化物および水酸化物を使用することもできる。好ましくは、試料の処理は、ストロンチウムを空気に曝すことを含むが、特定の雰囲気中での加熱または特定の化学物質もしくは化合物への暴露など、中間化合物を生成する他の方法を使用することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年11月25日(2016.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の種の原子蒸気を生成する方法であって、
前記特定の種の化合物を含む試料物質を真空室内に配置するステップと、
前記特定の種の原子蒸気を生成するために、前記化合物を第１のレーザで照射するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記照射ステップが、前記試料物質を加熱によって蒸発または昇華させるのに必要とされるよりも低い熱エネルギーを前記試料物質に生成するように、前記第１のレーザのパワー出力が選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のレーザのパワー出力が７０ｍＷ未満である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のレーザのパワー出力が７ｍＷより大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のレーザが連続波レーザである、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
原子蒸気の生成速度を制御するために前記第１のレーザのパワーを調節するステップを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記特定の種が金属である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記金属が、アルカリ土類金属またはアルカリ金属である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記金属が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムまたはイッテルビウムである、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記化合物が金属酸化物または金属水酸化物である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記試料物質が酸化ストロンチウムである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記特定の種を含む物質が、中間化合物を形成するように処理され、前記中間化合物が、前記第１のレーザによって照射される前記特定種化合物として使用される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ストロンチウムが、酸化ストロンチウムを形成するために処理され、前記酸化ストロンチウムが、ストロンチウム原子の蒸気を生成するために照射される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
特定の種の少なくとも１つのトラップ原子を生成する方法であって
請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法と、
前記生成された原子蒸気から１つまたは複数の原子をトラップするステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記トラップするステップが、第２のレーザを用いて、ドップラー冷却などによって前記１つまたは複数の原子を冷却するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記特定の種の前記原子蒸気が、冷却原子装置に使用される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記試料物質が、薄膜に形成された粉末であり、前記粉末が、５〜１５０ミクロンの範囲の直径を有する粒子を含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記化合物を照射するステップに先立って、
ペーストを形成するために粉末を溶媒と混合するステップと、
前記ペーストを面上に広げるステップと、
試料物質を形成するために前記溶媒を実質的に蒸発させるステップと
によって前記試料物質を調製するステップをさらに含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
特定の種の原子蒸気を生成する装置であって、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された前記特定の種の化合物を照射するように配置された第１のレーザ源であって、それによって、前記特定の種の原子蒸気が前記真空チャンバ内に生成される、第１のレーザ源と
を備える装置。
【国際調査報告】
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