JP6713643B2 - 原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ - Google Patents

原子線コリメーション方法、原子線コリメーター、原子干渉計、原子ジャイロスコープ Download PDF

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Description

本発明は、原子線コリメーション（collimation）技術に関する。
近年、原子線リソグラフィや原子干渉計などにおいてコリメートされた原子線が使用されている。原子線をコリメートする技術として、例えば、原子線源から出た原子線を、原子線の進行方向に間隔を空けた複数のスリットを用いてコリメートする技術（例えば、非特許文献１の図２に示される構成を参照）、あるいは、２次元磁気光学トラップ（two-dimensional magneto-optical trap; 2D-MOT）機構（例えば、非特許文献２を参照）を用いてコリメートする技術が知られている。
St. Bernet, R. Abfalterer, C. Keller, M. Oberthaler, J. Schmiedmayer and A. Zeilinger, "Matter waves in time-modulated complex light potentials," Phys. Rev. A 62, 023606 (2000). J. Schoser, A. Batar, R. Low, V. Schweikhard, A. Grabowski, Yu. B. Ovchinnikov, and T. Pfau, "Intense source of cold Rb atoms from a pure two-dimensional magneto-optical trap," PHYSICAL REVIEW A, 66, 023410 2002.
スリットを用いる原子線コリメーション技術は、スリットの配置に応じて良好なコリメーションを達成できるが、スリットによって原子線の進行を大きく制限するので原子フラックスを低下させ、さらに、原子線の進行方向におけるスリットの間隔が長いので小型化に不向きである。
2D-MOT機構を用いる原子線コリメーション技術は、原子線の進行を制限しないので良好な原子フラックスを達成でき、また、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ（特に、原子線の進行方向における小さいサイズ）で実施できるが、冷却遷移の自然幅により冷却温度に限界があり良好なコリメーションを達成し難い。
本発明は、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ（特に、原子線の進行方向における小さいサイズ）で実施でき且つ原子フラックスの低下を低減できながら、良好なコリメーションも達成できる原子線コリメーション技術を提供することを目的とする。
本発明の原子線コリメーション方法は、原子線に対して、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第１のレーザー光を照射することによって、原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ原子線中の原子を基底状態から第１の励起状態に選択的に遷移させる第１ステップと、原子線に対して、第１ステップの後、基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第２のレーザー光を照射することによって、原子線中の基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、原子線中の基底状態にいる原子の進行方向を変更する第２ステップと、原子線に対して、第２ステップの後、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第３のレーザー光を照射することによって、原子線中の第１の励起状態にいる原子を第１の励起状態から基底状態に遷移させる第３ステップを有する。
本発明の原子線コリメーターは、原子線に対して、第１、第２、第３のレーザー光を照射する照射部を含む。原子線は、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光の順で照射される。第１のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。第２のレーザー光は、基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。第３のレーザー光は、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光である。
本発明によれば、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比較して小さいサイズ（特に、原子線の進行方向における小さいサイズ）で実施でき且つ原子フラックスの低下を低減できながら、良好なコリメーションも達成できる。
原子線コリメーションを説明するための図。 原子線コリメーターにおける構成要素の寸法を説明するための図。 基底状態と第１の励起状態と第２の励起状態の関係を説明するための図。 原子線コリメーターを利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計を説明するための図。
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図は実施形態の理解のためのものであり、図示される各構成要素の寸法は実際の寸法と異なる。
例示の実施形態では、原子線コリメーター７００が、真空容器２００内に収容されている原子線源１００からの熱的原子線１１０をコリメートする。
原子線源１００は、熱的原子線（例えば、〜１００ｍ／ｓ）を連続生成する。原子線源１００の一例を説明する。原子線源１００は、例えば、本体部１００ａと、本体部１００ａに連通するノズル１００ｂを含む構成を持つ。本体部１００ａでは、純度の高い単一元素からなる固体を加熱して気体原子が得られる。本体部１００ａで得られた気体原子は、熱的原子線１１０として、加熱されたノズル１００ｂから原子線源１００の外部に出て行く。このような原子線源１００の構成の一例として参考文献の図１を参照のこと。
（参考文献）Cvejanovic D and Murray A J, “Design and characterization of an atomic beam oven for combined laser and electron impact experiments,” Meas. Sci. Tech. 13 1482-1487 (2002).
熱的原子線１１０の進行方向は、熱的原子線１１０に含まれる原子の密度分布のピークを繋いで得られる線の伸びる方向であり、通常、ノズル１００ｂの射出方向（つまり、ノズル１００ｂの中心軸が伸びる方向）に一致する。ノズル１００ｂの先端に位置する吐出孔で絞り込まれた気体原子の流れは平行流でなく微小立体角で噴出する噴出流（クヌーセン流）であるから、熱的原子線１１０には、熱的原子線の進行方向と直交する方向（以下、単に直交方向と呼称する。）の速さ成分を持つ原子が含まれる。
直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子以外の原子を熱的原子線１１０から除去することができれば、熱的原子線１１０の良好なコリメーションが達成される。このコンセプトに基づく実施形態のアウトラインは次のとおりである。まず、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子を基底状態から第１の励起状態に遷移させる（これは、言わば、原子にとっての安全地帯への避難である）。次に、第１の励起状態にいる原子が自然放出によって基底状態に落ちる前に、基底状態にいる原子（つまり、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子以外の原子）に運動量を与える。運動量を与えられた原子の進行方向は変更され、運動量を与えられた原子の多くは熱的原子線１１０から除去される。最後に、誘導放出によって、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子を第１の励起状態から基底状態に戻す（これは、言わば、原子にとっての避難解除である）。この結果、熱的原子線１１０中に、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子だけが残る。このような実施形態では、原子線の進行方向に沿って並ぶ三つのレーザー光（好ましくはガウシアンビーム）が使用される。三つのレーザー光の原子線の進行方向に沿った配置は、スリットを用いる原子線コリメーション技術における原子線の進行方向におけるスリットの間隔よりも短い全長を持つことができる。また、直交方向に十分に小さな速さ成分を持つ原子の進行を制限しないので、スリットを用いる原子線コリメーション技術と比べて原子フラックスの低下を低減できる。以下、この実施形態の詳細を説明する。
熱的原子線１１０は原子線コリメーター７００に入る（図１参照）。原子線コリメーター７００は、熱的原子線１１０に対して、直交方向から、第１のレーザー光７０１ａ、第２のレーザー光７０１ｂ、第３のレーザー光７０１ｃを照射する照射部７１０を含む。熱的原子線１１０は、熱的原子線の進行方向に沿って第１のレーザー光７０１ａ、第２のレーザー光７０１ｂ、第３のレーザー光７０１ｃの順で独立に照射される。
第１のレーザー光７０１ａは、熱的原子線１１０中の原子の基底状態とその第１の励起状態の間の遷移に対応する波長λ1を持つ。熱的原子線１１０が第１のレーザー光７０１ａを通過すると、直交方向に所定のΔvより小さい速さ成分を持つ熱的原子線１１０中の原子が基底状態から第１の励起状態に遷移する（第１ステップ）。ここでΔvについて説明を加える。一般的に、原子の吸収スペクトル線は励起状態の寿命に由来する自然幅を持つ。加えて、第１のレーザー光７０１ａを照射される熱的原子線１１０中の原子の吸収スペクトル線の広がりとして、例えば第１のレーザー光７０１ａのレーザー強度に応じて生じるpower broadening（saturation broadeningとも言う）を持つ。この吸収スペクトル線の半値全幅（FWHM; Full Width at Half Maximum）をΓとすると、下記（Eq.1a）が成立する。特に、power broadeningの寄与が大きい場合は、良く知られているように、下記（Eq.1b）が成立すると考えてよい。ここで、Γ1は基底状態と第１の励起状態の間の遷移の自然幅であり、k1は第１のレーザー光７０１ａの波数であり、I1は第１のレーザー光７０１ａのパワー密度であり、I0は当該遷移の飽和強度である。なお、第１の励起状態のτ1（＝1/Γ1）は、後述の条件を満たさなければならない。
第２のレーザー光７０１ｂは、熱的原子線１１０中の原子の基底状態とその第２の励起状態の間の遷移に対応する波長λ2を持つ。第１ステップの処理の後、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂを通過すると、熱的原子線１１０中の基底状態にいる原子（換言すれば、第１のステップの処理で第１の励起状態に遷移しなかった原子）は光子エネルギーの吸収・放出を繰り返すことによって反跳運動量を獲得する（原子は、光子エネルギーを共鳴吸収する際、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に運動量を受け取るが、自然放出は等方的放出であるため多数回の放出による運動量変化の平均はゼロである。したがって、多数回の吸収・放出サイクルを繰り返すことによって、原子は第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に運動量を受け取る。）。この結果、第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子の進行方向が変更する（第２ステップ）。
ここで、第１の励起状態と第２の励起状態が満たすことが好ましい条件について説明する。
後述する第３ステップの処理の終了前に、第１の励起状態にいる原子が自然放出によって基底状態に落ちると、当該原子は、自然放出によるランダムな反跳運動量を獲得し、さらに、第２のレーザー光７０１ｂによって反跳運動量を獲得し、あるいは、第３のレーザー光７０１ｃによって再度、第１の励起状態に遷移するなどの問題が発生する。したがって、第１の励起状態の寿命τ1は、第１ステップの処理の開始（つまり、熱的原子線１１０中の或る原子Ａが第１のレーザー光７０１ａに到達した時点）から第３ステップの処理の終了（つまり、当該原子Ａが第３のレーザー光７０１ｃから脱出した時点）までの時間よりも長いことが好ましい。別の観点から説明すると、図２に示すように、第１のレーザー光７０１ａの中心軸と第３のレーザー光７０１ｃの中心軸との軸間距離をＤとし、熱的原子線１１０の中心軸（換言すれば、ノズル１００ｂの中心軸の延長線）における第１のレーザー光７０１ａのビーム幅（例えばビームウェストでの1/e2幅）をＷ1とし、熱的原子線１１０の中心軸における第３のレーザー光７０１ｃのビーム幅（例えばビームウェストでの1/e2幅）をＷ3とし、熱的原子線１１０の進行方向における原子の平均速度をＶとしたとき、第１の励起状態の寿命τ1が下記（Eq.2a）を満たすことが好ましい。もちろん、実際の設計では、下記（Eq.2b）が成立することが望ましい。
また、第１のステップの処理で第１の励起状態に遷移しなかった原子が第２ステップの処理で獲得する反跳運動量が小さいならば、当該原子の進行方向の変更も小さい。特に、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向に負の速さ成分を持つ原子に、当該原子がゼロ以上の正の速さ成分を持つまで反跳運動量を与えるのが好ましい。したがって、次の条件が満たされることが望ましい。熱的原子線１１０の中心軸における第２のレーザー光７０１ｂのビーム幅（例えばビームウェストでの1/e2幅）をＷ2とし、熱的原子線１１０中の原子の直交方向の速さ成分の推定最大値をv0とし、熱的原子線１１０中の原子が第２のレーザー光７０１ｂ中の一つの光子から受ける直交方向の反跳速さをvrecoil,λ2とすると、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂの照射を受けている間にv0/vrecoil,λ2回以上の光子エネルギーの吸収が起きることが好ましい。つまり、第２の励起状態の寿命τ2が下記（Eq.3a）を満たすことが好ましい。もちろん、実際の設計では、下記（Eq.3b）が成立することが望ましい。なお、vrecoil,λ2は下記（Eq.4）によって算出される。
第３のレーザー光７０１ｃは、基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長λ1を持つ。第２ステップの処理の後、熱的原子線１１０が第３のレーザー光７０１ｃを通過すると、誘導放出によって、第１の励起状態にいる熱的原子線１１０中の原子は第１の励起状態から基底状態に遷移する（第３ステップ）。この結果、直交方向にΔvより遅い速さ成分を持つ原子からなるコリメートされた熱的原子線１１０ａが得られる。なお、直交方向にΔvより遅い速さ成分を持つ原子は第１ステップの処理にて第１のレーザー光７０１ａの進行方向に１反跳運動量を獲得するが、第３ステップの処理において誘導放出によって反対方向に１反跳運動量を失うので、当該原子の直交方向の速さ成分に変化は無い。
この実施形態を、熱的原子線１１０中の原子がカルシウムである場合の具体例を説明する。
第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃは、基底状態のエネルギー準位（1Ｓ0）と第１の励起状態のエネルギー準位（3Ｐ1）の間の遷移に対応する波長λ1=657nmを持つ（図３参照）。基底状態と第１の励起状態の間の遷移の自然幅Γ1は2π×400Hzであり、第１の励起状態の寿命τ1は0.4msである。このとき、Γ1/k1=2.6×10-4m/sである。
第２のレーザー光７０１ｂは、基底状態のエネルギー準位（1Ｓ0）と第２の励起状態のエネルギー準位（1Ｐ1）の間の遷移に対応する波長λ2＝423nmを持つ（図３参照）。基底状態と第２の励起状態の間の遷移の自然幅Γ2は2π×35MHzであり、第２の励起状態の寿命τ2は5nsである。熱的原子線１１０においてv0は高々50m/sである。この例では、上記（Eq.4）からvrecoil,λ2=2.4×10-2m/sである。このとき、第２のレーザー光７０１ｂのビーム幅のサイズが10-2mのオーダーであるとすると、熱的原子線１１０が第２のレーザー光７０１ｂの照射を受けている間に103回程度の光子エネルギーの吸収が起き得ることから、第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子に十分な反跳運動量を与えることができる。
従って、この具体例から、良好なコリメーションを達成できることがわかる。
上述の実施形態において、上述の諸条件を満たす３個のレーザー光（第１のレーザー光７０１ａ、第２のレーザー光７０１ｂ、第３のレーザー光７０１ｃ）はそれぞれ、ビームウェスト、波長、光強度をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ビームウェストは光学的に設定でき（例えばレーザー光をレンズで集光する）、光強度は電気的に設定できる（例えば出力を調整する）。つまり、個々のレーザー光の生成装置の構成は従来の構成と異ならないから、３個のレーザー光の生成装置が並置された照射部７１０の構成の説明を省略する（図１では、概略としてレーザー光源７２１，７２２とレンズ７４０が図示されている）。なお、第１のレーザー光７０１ａのレーザー光源と第３のレーザー光７０１ｃのレーザー光源は同じであってもよく、この場合、１個のレーザー光源７２１からのレーザー光をビームスプリッター７３０でスプリットすることによって第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃが得られる。
次に、上述の原子線コリメーター７００を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、原子線源１００と、原子線コリメーター７００と、干渉部２５０と、進行光定在波生成部３５０と、観測部４００を含む（図４参照）。この例では、原子線源１００と干渉部２５０と観測部４００は図示しない真空容器内に収容されている。
上述のとおり原子線コリメーター７００でコリメートされた熱的原子線１１０ａは、干渉部２５０に入る。
干渉部２５０の説明の前に、進行光定在波生成部３５０を説明する。マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００は、ｎ次（ただし、ｎは２以上の予め定められた正整数である）のBragg回折を利用する。進行光定在波生成部３５０は、ｎ次Bragg条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）を生成する。第１の進行光定在波２０１ａは原子線のスプリッターとしての機能を、第２の進行光定在波２０１ｂは原子線のミラーとしての機能を、第３の進行光定在波２０１ｃは原子線のコンバイナーとしての機能をそれぞれ持つという条件も満たす。
このような諸条件を満たす３個の進行光定在波（第１の進行光定在波２０１ａ、第２の進行光定在波２０１ｂ、第３の進行光定在波２０１ｃ）はそれぞれ、ガウシアンビーム（Gaussian Beam）のビームウェスト、波長、光強度、さらに、対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定することによって実現される。なお、ガウシアンビームのビームウェストは光学的に設定でき（例えばレーザー光をレンズで集光する）、ガウシアンビームの光強度は電気的に設定できる（例えばガウシアンビームの出力を調整する）。つまり、進行光定在波の生成パラメータが従来の生成パラメータと異なるのであり、これら３個の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部３５０の構成は従来の構成と異ならないから、進行光定在波生成部３５０の構成の説明を省略する（図４では、概略としてレーザー光源、レンズ、ミラー、ＡＯＭなどが図示されている）。
干渉部２５０では、熱的原子線１１０ａは３個の進行光定在波２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを通過する。本例における原子干渉計では、同じ内部状態における異なる２個の運動量状態|g, p0>と|g, p1>との間の光照射による遷移が利用される。
熱的原子線１１０ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、初期状態が|g, p0>にある個々の原子の状態は|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に変化する。第１の進行光定在波２０１ａと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第１の進行光定在波２０１ａを通過した直後の|g, p0>の存在確率と|g, p1>の存在確率の比は１対１になる。原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p0>から|g, p1>に遷移する際に光子２ｎ個分の運動量（=p1-p0）を得る。したがって、状態|g, p1>の原子の運動方向は、状態|g, p0>の原子の運動方向から大きくずれる。つまり、熱的原子線１１０ａが第１の進行光定在波２０１ａを通過すると、熱的原子線１１０ａは、１対１の割合で、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線に分裂する。状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向はｎ次のBragg条件に基づく方向である。０次光の方向（つまり、Bragg回折しなかった状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向）とｎ次のBragg条件に基づく方向とが成す角は、０次光の方向と１次のBragg条件に基づく方向とが成す角のｎ倍である。つまり、状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向の広がり（換言すると、乖離）を大きくできる。
分裂後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第２の進行光定在波２０１ｂを通過する。このとき、第２の進行光定在波２０１ｂと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、第２の進行光定在波２０１ｂを通過することによって、状態|g, p0>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p1>の原子からなる原子線に反転し、状態|g, p1>の原子からなる原子線は通過過程で状態|g, p0>の原子からなる原子線に反転する。このとき、前者については、|g, p0>から|g, p1>に遷移した原子の進行方向は、上述のとおり、状態|g, p0>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p1>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。また、後者については、原子は、対向して進む２ｎ個の光子の吸収・放出を通して、|g, p1>から|g, p0>に遷移する際に２ｎ個の光子から得た運動量と同じ運動量を失う。つまり、|g, p1>から|g, p0>に遷移した原子の運動方向は、遷移前の状態|g, p1>の原子の運動方向からずれる。この結果、第２の進行光定在波２０１ｂを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向は、第１の進行光定在波２０１ａを通過後の状態|g, p0>の原子からなる原子線の進行方向と平行になる。
反転後、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線は、第３の進行光定在波２０１ｃを通過する。この通過時点にて、反転後の状態|g, p0>の原子からなる原子線と反転後の状態|g, p1>の原子からなる原子線は互いに交差する。このとき、第３の進行光定在波２０１ｃと原子との相互作用を適切に設定すると（ビームウェストと波長と光強度と対向するレーザー光間の差周波数をそれぞれ適切に設定する）、状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線との交差領域に含まれる個々の原子の|g, p0>と|g, p1>との重ね合わせ状態に応じた熱的原子線１１０ｂが得られる。第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる熱的原子線１１０ｂの進行方向は、理論的には、０次光の方向とｎ次のBragg条件に基づく方向のいずれか一方または両方である。
マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００に、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路を含む平面内の角速度または加速度が加わると、第１の進行光定在波２０１ａの作用から第３の進行光定在波２０１ｃの作用までの原子線の２個の経路に位相差が生じ、この位相差が第３の進行光定在波２０１ｃを通過した個々の原子の状態|g, p0>の存在確率と状態|g, p1>の存在確率に反映される。したがって、観測部４００は、干渉部２５０からの熱的原子線１１０ｂ（つまり、第３の進行光定在波２０１ｃを通過した後に得られる熱的原子線１１０ｂ）を観測することによって角速度または加速度を検出できる。例えば、観測部４００は、干渉部２５０からの熱的原子線１１０ｂにプローブ光４０８を照射して、状態|g, p1>の原子からの蛍光を光検出器４０９によって検出する。光検出器４０９としては、光電子増倍管、蛍光フォトディテクタなどを例示できる。また、本例によると空間分解が向上する、つまり第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路（状態|g, p0>の原子からなる原子線と状態|g, p1>の原子からなる原子線）の間隔が広いので、光検出器４０９としてＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。あるいは、光検出器４０９としてチャンネルトロンを用いる場合は、第３の進行光定在波を通過した後の２個の経路の一方の原子線を、プローブ光の替わりにレーザー等によってイオン化し、チャンネルトロンでイオンを検出してもよい。
マッハ-ツェンダー型原子干渉計５００において使用される原子は、上述の原子線コリメーター７００で説明した原子選定条件が満たされることを前提として、好ましくは、アルカリ土類金属原子（カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム）、アルカリ土類様金属原子（アルカリ土類金属原子と同様に、基底状態において電子スピンによる磁気モーメントを持たない電子配置を持つ原子であり、ベリリウム、マグネシウム、イッテルビウム、カドミウム、水銀などを例示できる）、アルカリ土類金属原子の安定同位体、あるいはアルカリ土類様金属原子の安定同位体である。これらの原子は最外殻に２個の電子を持っているので、反平行の電子のスピン角運動量の和がゼロとなって環境磁場の影響を受け難い。特に、アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、あるいはアルカリ土類様金属原子の安定同位体、のうち核スピンを持たない原子は、環境磁場の影響を全く受けないので望ましい。
アルカリ土類金属原子、アルカリ土類様金属原子、アルカリ土類金属原子の安定同位体、およびアルカリ土類様金属原子の安定同位体は超微細構造を持たないので、原子干渉計の出力を原子の内部状態で識別することができない。しかし、本例では、高次ブラッグ回折を利用することによって原子干渉計の出力の空間分解が大きく向上するので、原子干渉計の出力を視覚的に認識することができる。この場合、原子線の直交方向の速さ成分が大きいと、様々な次数のブラッグ回折条件が同時に満たされるため、原子干渉のビジビリティが低下してしまう。したがって、上述の原子線コリメーター７００は、ｎ次Bragg回折を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉計５００にとって有用である。
上述の原子干渉計の例では、ｎ次（ｎ≧２）のBragg回折を利用するマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このタイプに限定されず、例えば、進行光定在波による２光子ラマン過程を利用したマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用してもよい（参考文献１参照）。
（参考文献１）T. L. Gustavson, P. Bouyer and M. A. Kasevich, “Precision Rotation Measurements with an Atom Interferometer Gyroscope,” Phys. Rev. Lett.78, 2046-2049, Published 17 March 1997.
また、上述の原子干渉計の例では、３個の進行光定在波を用いて、１回の分裂と１回の反転と１回の混合を行うマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用しているが、このタイプに限定されず、例えば、複数回の分裂と複数回の反転と複数回の混合を行う多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉を利用してもよい。このような多段のマッハ-ツェンダー型原子干渉については、参考文献２を参照のこと。
（参考文献２）Takatoshi Aoki et al., “High-finesse atomic multiple-beam interferometer comprised of copropagating stimulated Raman-pulse fields,” Phys. Rev. A 63, 063611 (2001) - Published 16 May 2001.
また、本発明の原子線コリメーターが適用される原子干渉計は、マッハ-ツェンダー型原子干渉計に限らず、例えばラムゼー-ボーデ型原子干渉計であってもよい。
この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、原子線源１００は、上述の熱的原子線源に限らず、冷却原子線源でもよい。また、第３のレーザー光７０１ｃは誘導放出のために使用されるので、第３のレーザー光７０１ｃの進行方向は第１のレーザー光７０１ａの進行方向と同じで且つ平行であることが要請され、さらに、第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃの各進行方向は原子線の進行方向と直交する方向であることが好ましい。しかし、第２のレーザー光７０１ｂは第１のステップで第１の励起状態に遷移しなかった原子の進行方向が変更するために使用されるから、第２のレーザー光７０１ｂの進行方向は原子線の進行方向と直交する方向である必要も無いし、第１のレーザー光７０１ａと第３のレーザー光７０１ｃの各進行方向と平行である必要も無い。
１００ 原子線源
１００ａ 本体部
１００ｂ ノズル
１１０ 熱的原子線
２００ 真空容器
７００ 原子線コリメーター
７０１ａ 第１のレーザー光
７０１ｂ 第２のレーザー光
７０１ｃ 第３のレーザー光
７１０ 照射部
７２１ レーザー光源
７２２ レーザー光源
７３０ ビームスプリッター
７４０ レンズ

Claims (8)

  1. 原子線コリメーション方法であって、
    原子線に対して、前記原子線中の原子の基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第１のレーザー光を照射することによって、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第１の励起状態に選択的に遷移させる第１ステップと、
    前記原子線に対して、前記第１ステップの後、前記原子線中の原子の前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第２のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更する第２ステップと、
    前記原子線に対して、前記第２ステップの後、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つ第３のレーザー光を照射することによって、前記原子線中の前記第１の励起状態にいる原子を前記第１の励起状態から前記基底状態に遷移させる第３ステップと
    を有する原子線コリメーション方法。
  2. 原子線コリメーターであって、
    原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    前記第１のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第１の励起状態に選択的に遷移させ、
    前記第２のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
    前記第３のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第１の励起状態にいる原子を前記第１の励起状態から前記基底状態に遷移させる
    原子線コリメーター。
  3. 請求項２に記載の原子線コリメーターにおいて、
    前記原子線が前記第１のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第１の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の、前記原子線の進行方向と直交する方向における速さ成分の所定の最大値をΔvとし、前記原子線が前記第１のレーザー光を通過することによって前記基底状態から前記第１の励起状態に遷移する前記原子線中の原子の吸収スペクトル線の半値全幅をΓとし、前記第１のレーザー光の波数をk1としたとき、
    Δv=Γ/k1
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  4. 請求項２または請求項３に記載の原子線コリメーターにおいて、
    前記照射部は、前記原子線に対して、前記第１のレーザー光と前記第３のレーザー光を前記原子線の進行方向と直交する方向から照射し、
    前記第１の励起状態の寿命をτ1とし、前記第１のレーザー光の中心軸と前記第３のレーザー光の中心軸との軸間距離をＤとし、前記第１のレーザー光のビーム幅をＷ1とし、前記第３のレーザー光のビーム幅をＷ3とし、前記原子線の進行方向における原子の平均速度をＶとしたとき、
    τ1≧（Ｄ+Ｗ1/2+Ｗ3/2）/Ｖ
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  5. 請求項４に記載の原子線コリメーターにおいて、
    前記第２の励起状態の寿命をτ2とし、前記原子線の進行方向と直交する方向における原子の速さ成分の推定最大値をv0とし、前記原子線中の原子が前記第２のレーザー光中の一つの光子から受ける前記原子線の進行方向と直交する方向の反跳速さをvrecoil,λ2とし、前記第２のレーザー光のビーム幅をＷ2としたとき、
    Ｗ2/Ｖ≧τ2×v0/vrecoil,λ2
    が成立する
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  6. 請求項２から請求項５のいずれかに記載の原子線コリメーターにおいて、
    前記第３のレーザー光の進行方向は、前記第１のレーザー光の進行方向と平行である
    ことを特徴とする原子線コリメーター。
  7. 原子干渉計であって、
    原子線を連続生成する原子線生成装置と、
    ３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
    前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と
    を含み、
    前記原子線生成装置は、
    原子線源と、
    原子線コリメーターと
    を含み、
    前記原子線コリメーターは、
    原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    前記第１のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第１の励起状態に選択的に遷移させ、
    前記第２のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
    前記第３のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第１の励起状態にいる原子を前記第１の励起状態から前記基底状態に遷移させる
    ことを特徴とする原子干渉計。
  8. 原子ジャイロスコープであって、
    原子線を連続生成する原子線生成装置と、
    ３個以上の進行光定在波を生成する進行光定在波生成部と、
    前記原子線と前記３個以上の進行光定在波とが相互作用した結果の原子線を得る干渉部と、
    前記干渉部からの前記原子線を観測することによって角速度または加速度を検出する観測部と
    を含み、
    前記原子線生成装置は、
    原子線源と、
    原子線コリメーターと
    を含み、
    前記原子線コリメーターは、
    原子線に対して、第１のレーザー光、第２のレーザー光、第３のレーザー光を照射する照射部を含み、
    前記原子線は、前記第１のレーザー光、前記第２のレーザー光、前記第３のレーザー光の順で照射され、
    前記第１のレーザー光は、前記原子線中の原子の基底状態と第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線の進行方向と直交する方向に所望の速さより小さい速さ成分を持つ前記原子線中の原子を前記基底状態から前記第１の励起状態に選択的に遷移させ、
    前記第２のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と第２の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記基底状態にいる原子に反跳運動量を与え、この結果、前記原子線中の前記基底状態にいる原子の進行方向を変更し、
    前記第３のレーザー光は、前記原子線中の原子の前記基底状態と前記第１の励起状態の間の遷移に対応する波長を持つレーザー光であり、前記原子線中の前記第１の励起状態にいる原子を前記第１の励起状態から前記基底状態に遷移させる
    ことを特徴とする原子ジャイロスコープ。
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