JP2004058225A - クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置 - Google Patents
クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成する。
【解決手段】クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する上記局所空間内にクラスタ元素の原子を注入する注入手段とを有する。
【選択図】 図３
【解決手段】クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する上記局所空間内にクラスタ元素の原子を注入する注入手段とを有する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置に関し、さらに詳細には、シリコンにより形成されたクラスタであるシリコンクラスタなどのような各種のクラスタや、シリコンクラスタ内にルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタなどのような各種のクラスタ内に当該クラスタを形成する元素とは異なる元素を内包した異元素内包クラスタの生成方法および生成装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、「クラスタ」とは、複数個、例えば、数十から数千個程度の原子が集合して、結晶が示す構造とは異なる安定構造を形成した物質群を総称するものである。
【０００３】
従来、こうしたクラスタを形成する元素（本明細書においては、「クラスタを形成する元素」を「クラスタ元素」と称することとする。）としては、アルカリ金属元素などが知られており、その研究が行われてきた。
【０００４】
しかしながら、近年において、クラスタ元素がＣ（炭素）である炭素クラスタとしてＣ６０などの存在が確認され、最近ではＣ６０をはじめとする炭素系フラーレン固体を大量に合成する手法も種々提案されるようになってきている。
【０００５】
ところで、クラスタを形成する現象は、上記したＣ以外に、例えば、ＩＩＩ族元素のＢ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、ＩＶ族元素のＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｖ族元素のＰ（リン）などの元素においても知られている。
【０００６】
また、クラスタ内にクラスタ元素とは異なる元素を内包したクラスタ（本明細書においては、「クラスタ内にクラスタ元素とは異なる元素を内包したクラスタ」を「異元素内包クラスタ」と称することとする。また、異元素内包クラスタに内包された元素を「異元素」と称することとする。）の存在も知られており、その特性が注目されている。
【０００７】
このため、上記した各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することのできるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置の提案が、強く要望されるようになってきている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来からの要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することを可能にしたクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるクラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、局所空間に捕捉した原子同士を散乱（衝突）や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明によるクラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素の原子を光双極子トラップにより局所空間に捕捉して、局所空間に捕捉した原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、この磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置は、光双極子トラップと磁気光学トラップとを組み合わせて、クラスタ元素と当該クラスタ元素とは異なる元素の原子とのトラップ領域を分離可能に捕捉して、捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、クラスタ元素とは異なる元素の原子の磁気光学トラップとクラスタ元素の原子のイオントラップとを組み合わせて、クラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１４】
そして、本発明のうち請求項１に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、クラスタ元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、クラスタ元素の原子を光双極子トラップにより局所空間に捕捉し、上記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内に光双極子トラップによりクラスタ元素を捕捉し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にイオントラップによりクラスタ元素を捕捉し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、クラスタ元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段を有し、上記磁気光学トラップ手段は、上記クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を上記局所空間に照射するコヒーレント光源を有するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を局所空間に照射するコヒーレント光源と、上記コヒーレント光源によりレーザー冷却された上記クラスタ元素の原子を上記局所空間に捕捉する光双極子トラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２１】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する上記局所空間内にクラスタ元素の原子を注入する注入手段とを有するようにしたものである。
【００２２】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉する光双極子トラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２３】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉するイオントラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２５】
ここで、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタや、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）などのようなクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを生成することができる。
【００２６】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタ内や、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの元素で置換したクラスタ内に異元素としてＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｒｂ（ルビジウム）、Ｃｓ（セシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ａｇ、Ａｌ、Ｇａ（ガリウム）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）あるいはＡｒ（アルゴン）などを内包した異元素内包クラスタを生成することができる。
【００２７】
なお、以下の説明においては、本発明の理解を容易にするために、クラスタ元素子としてシリコンを用いたシリコンクラスタの生成ならびにシリコンクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタの生成について主に説明する。
【００２８】
（１）第１の手法
第１の手法は、異元素を内包した異元素内包クラスタではなくて、異元素を内包していないクラスタを生成する手法である。
【００２９】
この第１の手法は、磁気光学トラップによりシリコン原子などのクラスタ元素の原子を局所空間に捕捉して、捕捉したシリコン原子などのクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてシリコンクラスタなどのクラスタを生成するようにしたものである。
【００３０】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて、第１の手法によりシリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００３１】
即ち、第１の手法においては、磁気光学トラップにより、およそ２００マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００３２】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたシリコン原子は、シリコン原子同士が散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタが生成されることになる。
【００３３】
なお、散乱に関しては、磁気光学トラップにおける磁場が散乱のパラメータになる。その理由は、磁場ポテンシャルの形状、強さが、冷却原子の位置、分布、密度を決めることになるからである。
【００３４】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。
【００３５】
そして、上記したようにして、シリコン原子同士の散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ→Ｓｉ２
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉ２＋ｈν’
が成立する。
【００３６】
なお、
ｈ：プランク定数
ν：光の振動数
である。
【００３７】
さらに、シリコン原子同士の散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ→Ｓｉｎ＋１
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉｎ＋１＋ｈν’
が成立する。
【００３８】
なお、
ｎ：正の整数
である。
【００３９】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００４０】
なお、この第１の手法においては、シリコンクラスタは形成と同時に同位体分離しており、単一同位体のシリコンクラスタを自動的に形成することができる。つまり、シリコン原子の磁気光学トラップは、単一の同位体しかトラップできない。即ち、後述するように、各種の同位体の中の所望のものの原子共鳴線と一致もしくは正または負に離調した波長を備えたコヒーレント光を、後述するコヒーレント光源１０００６などから当該同位体に照射することにより、当該同位体をレーザー冷却することができるので、シリコンクラスタも単一の同位体で構成されることになる。
【００４１】
上記した手法によりシリコンクラスタを効率的に安定して生成することができるものであるが、シリコン原子は、融点が１４１４℃である高融点材料であるため、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などが必要であり、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られるシリコン原子は、１０００ｍ／ｓｅｃを中心１５００ｍ／ｓの速度帯域を備えている。このため、レーザーによる減速や磁場フィルターによる低速原子の利用が必要である。
【００４２】
なお、シリコン原子をレーザー冷却する手法としては、例えば、本願出願人により平成１３年１月２９日付けで出願された特願２００１−２０２４３「原子のレーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源」あるいは特願２００１−２０２４３を先の出願とした国内優先権主張出願である特願２００２−１１５５８「原子のレーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源」に開示された手法を用いることができるが、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された以外の手法を用いてもよいことは勿論である。例えば、原子のレーザー冷却に関する様々な手法については、清水冨士夫著「原子のレーザー冷却とその周辺技術」（応用物理 第６０巻 第９号（１９９１）の第８６４頁乃至第８７４頁）に開示されており、ここに開示された手法を用いることができる。
【００４３】
なお、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法については、後に詳細に説明する。
【００４４】
次に、上記した第１の手法によるクラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第１の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００４６】
このクラスタ生成装置は磁気光学トラップ手段を備えており、磁気光学トラップ手段は、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られたシリコン原子が導入されるチャンバー１０００２（チャンバー１０００２の容積は、例えば、１０００ｃｍ３程度である。）と、チャンバー１０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置にポテンシャルエネルギーの極小点を生成するための多重極磁場を形成する磁場形成装置としてのアンチヘルムホルツコイル１０００４（アンチヘルムホルツコイル１０００４によっては、多重極磁場として四重極磁場が形成される。）と、チャンバー１０００２内に導入されたシリコン原子をレーザー冷却するためのコヒーレント光源１０００６と、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー（この実施の形態において、ビームエクスパンダーは、コヒーレント光のビーム径を２倍に拡大するものを用いているが、ビーム径の拡大倍率は２倍に限られるものではなく、ビーム径の拡大倍率は適宜に選択することができる。）１０００８と、ビームエクスパンダー１０００８によって拡大されたビーム径を調整する凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２と、凸レンズ１００１２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００１４，１００１６と、ミラー１００１６から出射されたコヒーレント光を二つの光路に分割するビームスプリッター１００１８と、ビームスプリッター１００１８により分割された一方の光路のコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２０と、ビームスプリッター１００１８により分割された他方の光路のコヒーレント光の偏光の波面を整えるための半波長板１００２２と、ミラー１００２０から出射された一方の光路のコヒーレント光の偏光の波面を整えるための半波長板１００２４と、半波長板１００２２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２６と、半波長板１００２４から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２８と、ミラー１００２６から出射されたコヒーレント光を二つの光路に分割するビームスプリッター１００３０と、ビームスプリッター１００３０により分割された一方の光路のコヒーレント光の光路を変更するミラー１００３２，１００３４，１００３６と、ビームスプ
リッター１００３０により分割された他方の光路のコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００３８（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００３８を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００３８から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００３８へ入射するミラー１００４０と、ミラー１００３６から出射されたコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００４２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００４２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００４２から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００４２へ入射するミラー１００４４と、ミラー１００２８から出射されたコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００４６（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００４６を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００４６から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００４６へ入射するミラー１００４８とを有して構成されている。
【００４７】
ここで、コヒーレント光源１０００６としては、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法を用いることができる。
【００４８】
そして、ビームスプリッター１００３０と１／４波長板１００３８とミラー１００４０との位置関係は、１／４波長板１００３８から出射されたコヒーレント光が、Ｘ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４０に至って反射され、ミラー１００４０で反射されたコヒーレント光が、Ｘ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００３８へ至るように配置されている。
【００４９】
また、ミラー１００３６と１／４波長板１００４２とミラー１００４４との位置関係は、１／４波長板１００４２から出射されたコヒーレント光が、Ｙ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４４に至って反射され、ミラー１００４４で反射されたコヒーレント光が、Ｙ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００４２へ至るように配置されている。
【００５０】
さらに、ミラー１００２８と１／４波長板１００４６とミラー１００４８との位置関係は、１／４波長板１００４６から出射されたコヒーレント光が、Ｚ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４８に至って反射され、ミラー１００４８で反射されたコヒーレント光が、Ｚ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００４６へ至るように配置されている。
【００５１】
従って、このクラスタ生成装置においては、互いに直交する６方向からポテンシャルエネルギーの極小点へ向けてコヒーレント光が照射されることになる。
【００５２】
以上の構成において、このクラスタ生成装置においては、チャンバー１０００２中に導入されたシリコン原子に対し、コヒーレント光源１０００６から出射されるコヒーレント光を照射することにより、シリコン原子をレーザー冷却する。
【００５３】
その際に、アンチヘルムホルツコイル１０００４により四重極磁場を形成することによって、チャンバー１０００２内にポテンシャルエネルギーの極小点を作るとともに、コヒーレント光源１０００６からの出射光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射し、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点で直交させる。
【００５４】
このようにすると、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点において、レーザー冷却されたシリコン原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【００５５】
そして、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー１０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたシリコン原子は、互いに散乱や光誘起散乱を繰り返して会合してシリコンクラスタとなる。
【００５６】
ここで、コヒーレント光源１０００６からの出射されるコヒーレント光の偏光は、クラスタ元素に応じて直線偏光と円偏光とを適宜に設定するようにすればよい。シリコン原子などのようにエネルギー準位における基底状態の冷却下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する場合には、レーザー冷却の対象となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光をそれぞれ有する所定波長のコヒーレント光を所定の時間間隔でずらして順次に原子に照射するようにすればよい。
【００５７】
また、こうしたレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としては、例えば、所定波長のコヒーレント光を出射するモード同期（ロック）ピコ秒レーザーと、上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーから出射される所定波長のコヒーレント光の波長変換を行う波長変換素子と、上記波長変換素子により波長変換されたコヒーレント光から所望の波長のコヒーレント光を選択して出射する波長分散素子と、波長分散素子から出射されたコヒーレント光の波長を計測し、該計測結果に基づいて、上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーが所定波長のコヒーレント光を出射するように上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーにシグナルを出力するフィードバック回路とを有するコヒーレント光源や、第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザー光生成システムと、第２の波長のレーザー光を生成するとともに上記第１のレーザー光生成システムにおいて生成された上記第１の波長のレーザー光を導入し、上記第１の波長のレーザー光と上記第２の波長のレーザー光との和周波混合により第３の波長のレーザー光を生成する第２のレーザー光生成システムとを有するコヒーレント光源を用いることができる。
【００５８】
（２）第２の手法
第２の手法は、異元素を内包した異元素内包クラスタではなくて、異元素を内包していないクラスタを生成する手法である。
【００５９】
この第２の手法は、光双極子トラップによりシリコン原子などのクラスタ元素の原子を局所空間に捕捉して、捕捉したシリコン原子などのクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてシリコンクラスタなどのクラスタを生成するようにしたものである。
【００６０】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて、第２の手法によりシリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００６１】
即ち、第２の手法においては、シリコン原子の共鳴波長である２５２ｎｍよりも十分離れた高出力波長光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を、およそ２００マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子に照射して、光双極子トラップによりシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００６２】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたシリコン原子は、シリコン原子同士が散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタが生成されることになる。
【００６３】
なお、散乱に関しては、光双極子トラップにおける光強度、光ポテンシャルの形状が散乱のパラメータになる。その理由は、光双極子トラップの光強度によって光ポテンシャルの強さ（深さ）が決まり、光ポテンシャルの形状によってトラップの形状、密度が決まるためである。
【００６４】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。
【００６５】
そして、上記したようにして、シリコン原子同士の散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ→Ｓｉ２
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉ２＋ｈν’
が成立する。
【００６６】
さらに、シリコン原子同士の散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ→Ｓｉｎ＋１
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉｎ＋１＋ｈν’
が成立する。
【００６７】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００６８】
なお、この第２の手法により生成されたシリコンクラスタには、シリコン原子材料に含まれている同位体が含まれる。即ち、双極子トラップは共鳴光を使わないため、同位体選別機構がない。従って、シリコンクラスタには同位体が含まれる。
【００６９】
上記した手法によりシリコンクラスタを効率的に安定して生成することができるものであるが、上記したように、シリコン原子は、融点が１４１４℃である高融点材料であるため、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などが必要であり、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られるシリコン原子は、１０００ｍ／ｓｅｃを中心１５００ｍ／ｓの速度帯域を備えている。このため、レーザーによる減速や磁場フィルターによる低速原子の利用が必要である。
【００７０】
次に、上記した第２の手法によるクラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図１に示すクラスタ生成装置における構成と同一または相当する構成に関しては図１において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００７１】
図２には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第２の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００７２】
このクラスタ生成装置は、チャンバー１０００２と、コヒーレント光源１０００６と、ビームエクスパンダー１０００８と、凹レンズ１００１０と、凸レンズ１００１２と、ミラー１００１４，１００１６と、ビームスプリッター１００１８と、ミラー１００２０と、半波長板１００２２と、半波長板１００２４と、ミラー１００２６と、ミラー１００２８と、ビームスプリッター１００３０と、ミラー１００３２，１００３４，１００３６と、１／４波長板１００３８と、ミラー１００４０と、１／４波長板１００４２と、ミラー１００４４と、１／４波長板１００４６と、ミラー１００４８とを有している。
【００７３】
そして、このクラスタ生成装置は、さらに光双極子トラップ手段を有しており、光双極子トラップ手段は、光双極子トラップを形成するためのシリコン原子の共鳴波長である２５２ｎｍよりも十分離れた高出力波長光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を出射する光双極子トラップレーザー２０００２と、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する凸レンズ２０００４と、凸レンズ２０００４から出射されたレーザー光を反射してチャンバー１０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置に入射させるミラー２０００６とを有して構成されている。
【００７４】
そして、このクラスタ生成装置においては、コヒーレント光源１０００６から出射されて互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射されるコヒーレント光と、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたてチャンバー１０００２内に入射されるレーザー光とが、チャンバー１０００２内において互いに交差するようになされている。
【００７５】
以上の構成において、このクラスタ生成装置においては、チャンバー１０００２中に導入されたシリコン原子に対し、コヒーレント光源１０００６から出射されるコヒーレント光を照射することにより、シリコン原子をレーザー冷却してトラップする。
【００７６】
その際に、コヒーレント光源１０００６からの出射光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射するとともに、光双極子トラップレーザー２０００２からチャンバー１０００２内にレーザー光を入射して、コヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光とをチャンバー１０００２内において互いに交差させる。
【００７７】
このようにすると、チャンバー１０００２内におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置において、レーザー冷却されたシリコン原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【００７８】
そして、チャンバー１０００２内におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置、即ち、局所空間（チャンバー１０００２におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたシリコン原子は、互いに散乱や光誘起散乱を繰り返して会合してシリコンクラスタとなる。
【００７９】
（３）第３の手法
第３の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【００８０】
この第３の手法は、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、この磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成されたクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００８１】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに、クラスタ元素とは異なる元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００８２】
即ち、第３の手法においては、ルビジウム原子を冷却し、冷却したルビジウム原子にシリコン原子が衝突することにより、シリコン原子が冷却されてシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタが生成されることになる。
【００８３】
ここで、磁気光学トラップにより、およそ１５０マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００８４】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたルビジウム原子に、中性原子であるシリコン原子を低速にして相互作用時間を大きくしながら注入すると、シリコン原子とルビジウム原子と、あるいは、シリコン原子同士、あるいは、シリコンクラスとルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタやルビジウム内包シリコンクラスタが生成されることになる。
【００８５】
なお、散乱に関しては、磁気光学トラップにおける磁場が散乱のパラメータになる。その理由は、磁場ポテンシャルの形状、強さが、冷却原子の位置、分布、密度を決めることになるからである。
【００８６】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。つまり、光強度が、光誘起散乱の確率を決めている。
【００８７】
ここで、一回の散乱では、
ｍｓｉ ｖｓｉ＝ｍｓｉ ｖ’ｓｉ＋ｍＲｂ ｖＲｂ
ｖ’ｓｉ／ｖｓｉ＝２ｍｓｉ／（ｍｓｉ＋ｍＲｂ）
＝２＊２８／（２８＋８７）〜１／２
に速度が減少し、温度としては、「１／２ｍｖ２＝１／２ｋＴ」であるから１／４になる。
【００８８】
従って、１０回散乱が起これば、「１／４」の１０乗であるので、６桁温度が下がることになる。
【００８９】
従って、初速度が１０００ｍ／ｓとすると、２００マイクロケルビン程度、つまり、冷却されたルビジウム原子程度まで温度が下がる。
【００９０】
なお、この第３の手法においては、シリコン原子の最初の減速が重要であり、シリコン原子は３体衝突でクラスタ化される。
【００９１】
即ち、
Ｓｉ（ｈｏｔ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ（ｃｏｏｌ）＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｃｏｏｌ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｒｂ（ｃｏｏｌ）＋ｈν→Ｒｂ（ｃｏｌｄ）＋ｈν’
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ２＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１
が成立する。なお、「Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１」は、「ルビジウム内包シリコンクラスタ」を意味する。
【００９２】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタと、Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１、即ち、ルビジウム内包シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００９３】
次に、上記した第３の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００９４】
図３には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００９５】
このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置は、ルビジウム原子ならびにシリコン原子が導入されるチャンバー３０００２（チャンバー１０００２の容積は、例えば、１０００ｃｍ３程度である。）と、チャンバー３０００２内にシリコン原子を注入する注入手段としてのシリコン原子電子ビームエバポレータ３００００と、磁気光学トラップ手段としてのルビジウム磁気光学トラップシステムとを有して構成されている。
【００９６】
ここで、ルビジウム磁気光学トラップシステムとしては、公知のシステムを用いることができるものであり、この実施の形態においては、チャンバー３０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置にポテンシャルエネルギーの極小点を生成するための多重極磁場を形成する磁場形成装置としてのアンチヘルムホルツコイル３０００５（アンチヘルムホルツコイル１０００４によっては、多重極磁場として四重極磁場が形成される。）と、トラッピングレーザー３０００６と、トラッピングレーザー３０００６から出射されたレーザー光の強度を調節するためのＮＤフィルター３０００８ならびに円形可変ＮＤフィルター３００１０と、円形可変ＮＤフィルター３００１０から出射されたレーザー光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー３００１２と、ビームエクスパンダー３００１２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー３００１４と、再励起レーザー３００１６と、再励起レーザー３００１６から出射されたレーザー光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー３００１８と、ビームエクスパンダー３００１８によって拡大されたビーム径を調整する凹レンズ３００２０ならびに凸レンズ３００２２と、凸レンズ３００２２から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００２４，３００２６と、ミラー３００１４，３００２６から出射されたレーザー光を二つの光路に分割するビームスプリッター３００２８と、ビームスプリッター３００２８により分割された一方の光路のレーザー光の光路を変更するミラー３００３０と、ビームスプリッター３００２８により分割された他方の光路のレーザー光の偏光の波面を整えるための半波長板３００３２と、ミラー３００３０から出射された一方の光路のレーザー光の偏光の波面を整えるための半波長板３００３４と、半波長板３００３２から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００３６，３００３８と、半波長板３００３４から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００４０と、ミラー３００３８から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００４２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００４２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００４２から出射され
たレーザー光の光路を変更するミラー３００４４，３００４６と、ミラー３００４６から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００４８（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００４８を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００４８から出射されたレーザー光を反射して１／４波長板３００４８へ入射するミラー３００５０と、ミラー３００４０から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００５２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００５２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００５２から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００５４（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００５４を回転して制御すればよい。）と、 １／４波長板３００５４から出射されたレーザー光を反射して１／４波長板３００５４へ入射するミラー３００５６とを有して構成されている。
【００９７】
そして、ミラー３００３８と１／４波長板３００４２とミラー３００４４とミラー３００４６と１／４波長板３００４８とミラー３００５０との位置関係は、ミラー３００３８から出射されたレーザー光が１／４波長板３００４２を通過して、Ｘ軸（図３における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過した後にミラー３００４４，ミラー３００４６に反射され、ミラー３００４６から出射されたレーザー光が、Ｙ軸（図３におる座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点ならびに１／４波長板３００４８を通過した後にミラー３００５０により反射されて、上記したと逆の光路を辿るように配置されている。
【００９８】
また、ミラー３００４０と１／４波長板３００５２と１／４波長板３００５４とミラー３００５６との位置関係は、ミラー３００４０から出射されたレーザー光が１／４波長板３００５２を通過して、Ｚ軸（図３における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点ならびに１／４波長板３００５４を通過した後にミラー３００５６により反射されて、上記したと逆の光路を辿るように配置されている。
【００９９】
従って、このルビジウム磁気光学トラップシステムにおいては、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点へ向けてレーザー光が照射されることになる。
【０１００】
以上の構成において、このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置においては、チャンバー３０００２中に導入されたルビジウム原子に対し、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光を照射することにより、ルビジウム原子をレーザー冷却する。
【０１０１】
その際に、アンチヘルムホルツコイル３０００５により四重極磁場を形成することによって、チャンバー３０００２内にポテンシャルエネルギーの極小点を作るとともに、ルビジウム磁気光学トラップシステムからのレーザー光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー３０００２内に入射し、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点で直交させる。
【０１０２】
このようにすると、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点において、レーザー冷却されたルビジウム原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【０１０３】
そして、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー３０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたルビジウム原子に対して、シリコン原子ビームエバポレータ３０００４によりシリコン原子を注入する。
【０１０４】
そうすると、局所空間内で捕捉したルビジウム原子とシリコン原子とが衝突することによりシリコン原子を冷却し、冷却したシリコン原子同士が散乱や光誘起散乱により会合されてシリコンクラスタが生成されるとともに、生成されたシリコンクラスタと冷却したルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱により会合されてルビジウム内包シリコンクラスタが生成される。
【０１０５】
（４）第４の手法
第４の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【０１０６】
この第４の手法は、光双極子トラップと磁気光学トラップとを組み合わせて、クラスタ元素と当該クラスタ元素とは異なる元素の原子とのトラップ領域を分離可能に捕捉して、捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【０１０７】
即ち、ルビジウム原子の磁気光学トラップ内に、ルビジウム原子のレーザー冷却波長（７８０ｎｍ）よりも短く、かつ、シリコン原子のレーザー冷却波長（２５２ｎｍ）よりも長い波長の高出力レーザー光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光などである。具体的には、ＣＷ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（連続Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）やＣＷ−Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー（連続Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー）の２倍高調波などを用いることができる。）を照射すると、磁気光学トラップ内で冷却されたルビジウム原子とシリコン原子とのトラップ領域を分離することができる。これにより、冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集め、冷却するための相互作用を大きくすることができる。
【０１０８】
次に、上記した第４の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図３に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置における構成と同一または相当する構成に関しては図１において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【０１０９】
図４には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第４の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【０１１０】
この図４に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置と図３に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置とは、図４に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置が、光双極子トラップ手段として、光双極子トラップを形成するためのルビジウム原子のレーザー冷却波長（７８０ｎｍ）よりも短く、かつ、シリコン原子のレーザー冷却波長（２５２ｎｍ）よりも長い波長の高出力レーザー光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を出射する光双極子トラップレーザー４０００２と、光双極子トラップレーザー４０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する凸レンズ４０００４と、凸レンズ４０００４から出射されたレーザー光を反射してチャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点に入射させるミラー４０００６とを有して構成されている点において異なる。
【０１１１】
以上の構成において、このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置によれば、図５（ａ）に示すように、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー３０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）において、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光と光双極子トラップレーザー４０００２から出射されたレーザー光とが交差する。
【０１１２】
このようにすると、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、図５（ｂ）に示すように、光双極子トラップにより冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集めることができるとともに、ルビジウム原子が磁気光学トラップされた領域とシリコン原子が光双極子トラップされた領域とを分離することができるようになる。
【０１１３】
このため、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、ルビジウム原子とシリコン原子とを冷却するための相互作用を大きくすることができ、レーザー冷却されたルビジウム原子とシリコン原子とを効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【０１１４】
そうすると、局所空間内で捕捉したルビジウム原子とシリコン原子とが衝突することによりシリコン原子を冷却し、冷却したシリコン原子同士が散乱や光誘起散乱により会合されてシリコンクラスタが生成されるとともに、生成されたシリコンクラスタと冷却したルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱により会合されてルビジウム内包シリコンクラスタが生成される。
【０１１５】
（５）第５の手法
第５の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【０１１６】
この第５の手法は、クラスタ元素とは異なる元素の原子の磁気光学トラップとクラスタ元素の原子のイオントラップとを組み合わせて、クラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。即ち、この第５の手法は、冷却されたルビジウム原子とシリコンイオンとの衝突による電荷移行とクラスタ化を図るものである。
【０１１７】
上記した第５の手法について、より詳細に説明すると、まず、磁気光学トラップにより、およそ１５０マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【０１１８】
そして、局所空間に捕捉したルビジウム原子の磁気光学トラップの中心に、シリコンのイオントラップを位置させる。イオントラップには中性原子であるシリコンを導入し、トラップ内で光イオン化させるか、あるいはシリコンイオンを放電、スパッタリング、レーザーアブレーションなどで導入する。
【０１１９】
従って、
Ｓｉ＋＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ２＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋２Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ＋
が成立する。
【０１２０】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタと、Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１、即ち、ルビジウム内包シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【０１２１】
次に、上記した第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【０１２２】
図６には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第５の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概略構成説明図が示されており、この第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置は、イオントラップ手段としてのイオントラップ装置６０００２と、磁気光学トラップ手段としての図３に示すルビジウム磁気光学トラップシステムとを組み合わせて構成されている。
【０１２３】
ここで、イオントラップを実現するためのイオントラップ装置６０００２は、公知の装置であって、リング電極とキャップ電極６０００４との間に
Ｖ＝Ｖｄｃ＋Ｖａｃｃｏｓ（Ωｔ）
の電圧を加えて動作させるものである。そして、ＲＦ電圧の半周期毎に、ポテンシャルの閉じこめる方向をｒ方向とｚ方向とに交互に変えて、チャンバー６０００６内にイオンをトラップするものである。
【０１２４】
こうしたイオントラップ装置６０００２と図３に示すルビジウム磁気光学トラップシステムとを組み合わせて、第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置が構成するには、イオントラップ装置６０００２のチャンバー６０００６をルビジウム磁気光学トラップシステムのチャンバー３０００２として用いるように構成すればよい。
【０１２５】
（６）特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法
以下、図面を参照しながら、特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法（以下、「特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法」を「先願開示事項」と適宜に称する。）を説明する。
【０１２６】
即ち、先願開示事項は、冷却下準位として複数の磁気副準位が存在する原子をレーザー冷却するにあたって、基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の偏光を有するレーザー光をそれぞれ、所定の時間間隔でずらして順次に原子に照射するようにしたものである。即ち、所定の時間毎に順番に異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射するように、時間的にレーザー光の偏光を制御するものである。
【０１２７】
そして、このように所定の時間毎に順番に異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射する場合に、１光子の吸収・放出に要する時間、即ち、原子の自然放出寿命の２倍の時間間隔で光子が次々と原子に当たるようにすると、基底状態の冷却下準位にある原子を効率的に冷却上準位へ励起することができる。
【０１２８】
より詳細には、図７には、先願開示事項の一例の概念構成説明図が示されている。なお、この図７に示す先願開示事項の一例は、例えば、シリコン原子やゲルマニウム原子などのような各種の原子を冷却する際に用いることができるものである。
【０１２９】
即ち、このレーザー冷却装置５０は、所定の波長のコヒーレント光を発生して出射するコヒーレント光源部５２と、コヒーレント光源部５２から出射されたコヒーレント光の偏光を変化させる偏光制御部５４とを有して構成されている。
【０１３０】
ここで、レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２は、例えば、コヒーレント光として所定の波長のレーザー光を生成して出射する２段階の外部共振器型波長変換部として構成することができ、また、レーザー冷却装置５０の偏光制御部５４は、例えば、時間的に偏光を制御することが可能な複屈折結晶から構成される電気光学素子と波長板との組み合わせよりなる位相変調器として構成することができる。なお、電気光学素子とは、複屈折結晶に印加した電界によって屈折率が変化し、そこを通過するレーザー光の位相を変化させるものである。
【０１３１】
ここで、レーザー冷却装置５０を用いてシリコン原子を冷却する場合において、例えば、コヒーレント光源部５２として上記した２段階の外部共振器型波長変換部を用い、また、偏光制御部５４として上記した位相変調器を用いる場合には、コヒーレント光源部５２たる外部共振器型波長変換部の１段目では、波長７４６ｎｍのレーザー光（例えば、波長７４６ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４第２高調波励起のリング型単一モードチタンサファイアレーザー光を用いることができる。）を外部共振器に導き、共振器内に配設したＬＢＯ結晶により波長３７３ｎｍの第２高調波を４０％の変換効率で発生させるようにする。
【０１３２】
続いて外部共振器型変換部の２段目では、この波長３７３ｎｍのレーザー光と波長７８０ｎｍのレーザー光（例えば、波長７８０ｎｍの単一モード半導体レーザー光を用いることができる。）を第２の外部共振器に導き、２波長のレーザー光を同時共振をさせることにより各々の光強度を同時に増大させ、共振器内のＢＢＯ結晶による和周波混合により６０ｍＷを越える２５２ｎｍの光を発生させるようにする。
【０１３３】
偏光制御部５４では、複屈折結晶から構成される電気光学素子と波長板との組み合わせにより位相変調器を構成し、時間的に偏光を制御する。
【０１３４】
上記したように、電気光学素子とは、複屈折結晶に印加した電界によって屈折率が変化し、そこを通過するレーザー光の位相を変化させるものであるが、図８には、複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の様子が示されている。複屈折結晶によれば、図８（ａ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相が−π／２ずれた場合には、左回りの偏光（σ−）が実現される。また、図８（ｂ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相のずれがない場合には、直線偏光（π）が実現される。さらに、図８（ｃ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相がπ／２ずれた場合には、右回りの偏光（σ＋）が実現される。
【０１３５】
ここで、図９に示すように、１光子の吸収・放出に要する時間は、自然放出寿命（τ）の２倍となる。
【０１３６】
具体的にシリコン原子について説明すると、自然放出寿命は５．５ｎｓ（ナノ秒）（τ＝５．５ｎｓ）であり、自然放出寿命（τ）の２倍は１１ｎｓ（２τ＝１１ｎｓ）である。
【０１３７】
従って、シリコン原子においては、１１ｎｓ毎に光子が当たると効率的に１光子の吸収・放出が行われて、シリコン原子の冷却が行われる。
【０１３８】
ここで、周期は「１１ｎｓ×４＝４４ｎｓ」であるので、偏光制御部５４としての位相変調器の周波数ｆｍが２２．７ＭＨｚ（メガヘルツ）より下であれば、効率よくシリコン原子の冷却を行うことができる。
【０１３９】
そして、自然放出寿命の略２倍の時間間隔である１２．５ｎｓ毎に、シリコン原子に照射されるレーザー光の偏光を右回り偏光（σ＋）と直線偏光（π）と左回りの偏光（σ−）とに順次に変化させることによって、シリコン原子を冷却することができる。
【０１４０】
シリコン原子をレーザー冷却する際に１つの偏光方向の光を用いる場合には、冷却下準位の３つの磁気副準位のうち２つの暗準位になっている冷却サイクルが閉じなくなるが、上記したように時間的に偏光方向を変化させることで、暗準位を作ることなく冷却サイクルを閉じることができる。このため、シリコン原子をレーザー冷却することができるようになる。
【０１４１】
なお、コヒーレント光としてレーザー光を照射するコヒーレント光源部５２としては、散乱力によりシリコン原子を減速させる場合と、散乱力によりシリコン原子を冷却させる場合とに応じて、ＣＷレーザー（連続レーザー）を用いたコヒーレント光源とピコ秒レーザーを用いたコヒーレント光源とを適宜に使い分けるようにすればよい。
【０１４２】
図７においては、単一のコヒーレント光源部５２、より具体的には、１台のコヒーレント光源装置を用いて原子をレーザー冷却する場合の実施の形態について説明したが、複数のコヒーレント光源部を用いてもよい。例えば、３台のコヒーレント光源を用いた場合について説明する。
【０１４３】
この場合、レーザー冷却装置は、右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント光源部としての第１コヒーレント光源装置と、この第１コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、直線偏光（π）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２のコヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装置と、この第２コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、左回り偏光（σ−）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第３のコヒーレント光源部としての第３コヒーレント光源装置と、この第３コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーとを有している。
【０１４４】
原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、第１コヒーレント光源装置と第２コヒーレント光源装置と第３コヒーレント光源装置とを順次に交互に照射すればよい。
【０１４５】
また、２台のコヒーレント光源装置を用いてシリコン原子やゲルマニウム原子などのような各種の原子をレーザー冷却する場合は、偏光を右回り偏光（σ＋）と左回り偏光（σ−）とに交互に切り替えながらコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント光源部としての第１コヒーレント光源装置と、この第１コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、直線偏光（π）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２のコヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装置と、この第２コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーとを有するように構成すればよい。
【０１４６】
そして、それぞれ原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、「第１コヒーレント光源装置から右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から左回り偏光（σ−）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から左回り偏光（σ−）のコヒーレント光を照射→・・・」という順番で照射する。
【０１４７】
次に、図１０を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例について説明する。
【０１４８】
この図１０に示す原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例は、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源（以下、「シリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源」と称する。）であり、例えば、図７に示す本発明レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２として用いることができることは勿論であり、また、後述する図１２に示すレーザー冷却装置におけるコヒーレント光源として用いることができる。
【０１４９】
この図１０に示すシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００は、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１と、第１波長変換素子１０２と、第２波長変換素子１０３と、波長分散素子１０４と、半透過ミラー１０５と、全反射ミラー１０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１０５と、全反射ミラー１０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバック回路が形成されている。
【０１５０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１は、波長７５７ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１５１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１から出射された波長７５７ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１０２に入射され、第１波長変換素子１０２により波長７５７ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１５２】
そして、第１波長変換素子１０２から出射された波長７５７ｎｍおよび波長３７８ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１０３に入射され、第２波長変換素子１０３により波長７５７ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光とその第３高調波の２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１５３】
さらに、第２波長変換素子１０３から出射された波長７５７ｎｍ、波長３７８ｎｍおよび波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１０４に入射され、波長分散素子１０４からは波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１０５を透過してシリコン原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１０４は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１５４】
一方、半透過ミラー１０５により反射された波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１０６によって反射されて、波長計やシリコンホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１０７に入射される。
【０１５５】
このレーザー波長分光部１０７において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８へ入力される。
【０１５６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１０８においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１が常に波長７５７ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１５７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に照射することが可能となる。
【０１５８】
また、図１１には、図１０に示したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００の他の例が示されている。なお、図１０に示した構成と同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１５９】
図１１に示すシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００’は、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’と、第１波長変換素子１０２’と、第２波長変換素子１０３’と、波長分散素子１０４’と、半透過ミラー１０５’と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１０５’と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバック回路が形成されている。
【０１６０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’は、波長１００９．６ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１６１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’から出射された波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１０２’に入射され、第１波長変換素子１０２’により波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１６２】
そして、第１波長変換素子１０２’から出射された波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１０３’に入射され、第２波長変換素子１０３’により波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが得られる（波長２５２．４ｎｍは、波長１００９．６ｎｍの第４高調波である。）。
【０１６３】
さらに、第２波長変換素子１０３’から出射された波長５０４．８ｎｍおよび波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光と第１波長変換素子１０２’から出射された波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光とが、波長分散素子１０４’に入射され、波長分散素子１０４’からは波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１０５’を透過してシリコン原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１０４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１６４】
一方、半透過ミラー１０５’により反射された波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１０６’によって反射されて、波長計やシリコンホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１０７’に入射される。
【０１６５】
このレーザー波長分光部１０７’において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’へ入力される。
【０１６６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’が常に波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１６７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に照射することが可能となる。
【０１６８】
次に、図１２を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１０に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１０に示した構成と同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１６９】
このレーザー冷却装置１１０は、偏光制御部として、第１半波長板１１１と、位相変調器１１２と、第２半波長板１１３と、変調器ドライバー１１４と、周波数変換器１１５とが配設されている。
【０１７０】
ここで、周波数変換器１１５はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１１４から変調信号が位相変調器１１２に出力されるように、変調器ドライバー１１４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１１２から出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０１７１】
つまり、この偏光制御部により、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０１７２】
次に、図１２に示す本発明レーザー冷却装置の他の例として、図１３を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００’を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１１に示した構成と同一または相当する構成には、図１１に用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、また、図１２に示した構成と同一または相当する構成には、図１２に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１７３】
このレーザー冷却装置１１０’は、偏光制御部として、第１半波長板１１１’と、位相変調器１１２’と、第２半波長板１１３’と、変調器ドライバー１１４’と、周波数変換器１１５’とが配設されている。
【０１７４】
ここで、周波数変換器１１５’はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１１４’から変調信号が位相変調器１１２’に出力されるように、変調器ドライバー１１４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１１２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０１７５】
つまり、この偏光制御部により、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０１７６】
次に、図１４を参照しながら、所定波長のコヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例について説明する。
【０１７７】
この図１４に示す本発明レーザー冷却装置１２０においては、上記したＣＷレーザーとして、具体的には、１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを用いている。
【０１７８】
このレーザー冷却装置１２０は、シリコン原子に関して散乱力による減速と散乱力による冷却との双方を実施することができる。
【０１７９】
即ち、レーザー冷却装置１２０は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波長２５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザー１２１を用いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１２２と、位相変調器１２３と、第２半波長板１２４と、変調器ドライバー１２５と、発振器１２６と、第１レンズ１２７ａと、音響光学素子１２８と、第２レンズ１２７ｂと、音響光学素子ドライバー１２９とが配設されている。
【０１８０】
ここで、シリコン原子を散乱力により減速する場合には、音響光学素子１２８を使用して時間的に周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。
【０１８１】
また、シリコン原子を散乱力により冷却する際には、音響光学素子１２８は時間的に偏光を分離する効果と周波数を最適化するのに都合がよい。
【０１８２】
なお、シリコン用ＣＷレーザー１２１と第１半波長板１２２との間に電気光学シフター（ＥＯシフター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせいだ方がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に電気光学シフターを当該位置に配設するようにしてよい。
【０１８３】
なお、波長２５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザー１２１としては、例えば、波長１００９．６ｎｍのファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５０４．８ｎｍの半導体レーザーの第２高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長２５２．４．ｎｍの半導体レーザーを用いるようにしてもよい。
【０１８４】
ここで、上記したシリコン用ＣＷレーザー１２１として用いることのできるコヒーレント光源、即ち、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として適用できる深紫外域の波長のＣＷレーザー光を発生するコヒーレント光源の構成については、「ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， Ｖｏｌ．２５， Ｎｏ．１９，Ｏｃｔｏｂｅｒ １，２０００， ｐｐ１４５７−１４５９」に開示されている。
【０１８５】
なお、上記においては、シリコン原子の冷却に適用することを中心に説明したが、シリコン原子以外の他の原子にも同様に適用することができることは勿論である。
【０１８６】
以下、シリコン原子以外の他の原子に適用する一例として、ゲルマニウム原子に適用する場合について説明する。
【０１８７】
まず、図１５を参照しながら、ゲルマニウム原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例について説明する。
【０１８８】
この図１５に示すゲルマニウム原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例は、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源（以下、「ゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源」と称する。）であり、例えば、図７に示す本発明レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２として用いることができることは勿論であり、また、後述する図１７に示すレーザー冷却装置におけるコヒーレント光源として用いることができる。
【０１８９】
この図１５に示すゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０は、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１と、第１波長変換素子１３２と、第２波長変換素子１３３と、波長分散素子１３４と、半透過ミラー１３５と、全反射ミラー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１３５と、全反射ミラー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバックループが形成されている。
【０１９０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１は、波長８１３ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１９１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１から出射された波長８１３ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１３２に入射され、第１波長変換素子１３２により波長８１３ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１９２】
そして、第１波長変換素子１３２から出射された波長８１３ｎｍおよび波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１３３に入射され、第２波長変換素子１３３により波長８１３ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光とその第３高調波の２７１．０ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１９３】
さらに、第２波長変換素子１３３から出射された波長８１３ｎｍ、波長４０６．５ｎｍおよび波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１３４に入射され、波長分散素子１３４からは波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１３５を透過してゲルマニウム原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１３４は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１９４】
一方、半透過ミラー１３５により反射された波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１３６によって反射されて、波長計やゲルマニウムホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１３７に入射される。
【０１９５】
このレーザー波長分光部１３７において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８へ入力される。
【０１９６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１３８においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１が常に波長８１３ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１９７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原子に照射することが可能となる。
【０１９８】
また、図１６には、図１５に示したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０の他の例が示されている。なお、図１５に示した構成と同一または相当する構成には、図１５に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１９９】
図１６に示すゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０’は、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’と、第１波長変換素子１３２’と、第２波長変換素子１３３’と、波長分散素子１３４’と、半透過ミラー１３５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光部１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１３５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光部１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバックループが形成されている。
【０２００】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’は、波長１０８４ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０２０１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’から出射された波長１０８４ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１３２’に入射され、第１波長変換素子１３２’により波長１０８４ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長５４２ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０２０２】
そして、第１波長変換素子１３２’から出射された波長５４２ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１３３’に入射され、第２波長変換素子１３３’により波長５４２ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０２０３】
さらに、第２波長変換素子１３３’から出射された波長５４２ｎｍおよび波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光と第１波長変換素子１３２’から出射された波長１０８４ｎｍのコヒーレント光とが、波長分散素子１３４’に入射され、波長分散素子１３４’からは波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１３５’を透過してゲルマニウム原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１３４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０２０４】
一方、半透過ミラー１３５’により反射された波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１３６’によって反射されて、波長計やゲルマニウムホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１３７’に入射される。
【０２０５】
このレーザー波長分光部１３７’において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’へ入力される。
【０２０６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’が常に波長１０８４ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０２０７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原子に照射することが可能となる。
【０２０８】
次に、図１７を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１５に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１５に示した構成と同一または相当するの構成には、図１５に用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０２０９】
この本発明レーザー冷却装置１４０は、偏光制御部として、第１半波長板１４１と、位相変調器１４２と、第２半波長板１４３と、変調器ドライバー１４４と、周波数変換器１４５とが配設されている。
【０２１０】
ここで、周波数変換器１４５はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１４４から変調信号が位相変調器１４２に出力されるように、変調器ドライバー１４４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１４２から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０２１１】
つまり、この偏光制御部により、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０２１２】
次に、図１７に示すレーザー冷却装置の他の一例として、図１８を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１６に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０’を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の実施の形態の一例について説明する。なお、図１６に示した構成と同一または相当する構成には、図１６において用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、また、図１７に示した構成と同一または相当する構成には、図１７に用いた符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０２１３】
このレーザー冷却装置１４０’は、偏光制御部として、第１半波長板１４１’と、位相変調器１４２’と、第２半波長板１４３’と、変調器ドライバー１４４’と、周波数変換器１４５’とが配設されている。
【０２１４】
ここで、周波数変換器１４５’はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１４４’から変調信号が位相変調器１４２’に出力されるように、変調器ドライバー１４４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１４２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０２１５】
つまり、この偏光制御部により、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０２１６】
次に、図１９を参照しながら、所定波長のコヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例について説明する。
【０２１７】
この、図１９に示すレーザー冷却装置１５０においては、上記したＣＷレーザーとして、具体的には、１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを用いている。
【０２１８】
このレーザー冷却装置１５０は、ゲルマニウム原子に関して散乱力による減速と散乱力による冷却との双方を実施することができる。
【０２１９】
即ち、レーザー冷却装置１５０は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波長２７１ｎｍのゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１を用いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１５２と、位相変調器１５３と、第２半波長板１５４と、変調器ドライバー１５５と、発振器１５６と、第１レンズ１５７ａと、音響光学素子１５８と、第２レンズ１５７ｂと、音響光学素子ドライバー１５９とが配設されている。
【０２２０】
ここで、ゲルマニウム原子を散乱力により減速する場合には、音響光学素子１５８を使用して時間的に周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。
【０２２１】
また、ゲルマニウム原子を散乱力により冷却する際には、音響光学素子１５８は時間的に偏光を分離する効果と周波数を最適化するのに都合がよい。
【０２２２】
なお、ゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１と第１半波長板１５２との間に電気光学シフター（ＥＯシフター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせいだ方がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に電気光学シフターを当該位置に配設するようにしてよい。
【０２２３】
なお、波長２７１ｎｍのゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１としては、例えば、波長１０８４ｎｍのファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５４２ｎｍの半導体レーザーの第２高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長２７１ｎｍの半導体レーザーを用いるようにしてもよい。
【０２２４】
なお、上記した説明においては、冷却対象の原子としてシリコン原子とゲルマニウム原子を取り扱ったが、これに限られるものではないことは勿論であり、冷却対象の原子として種々の元素の原子を取り扱うようにすることができる。
【０２２５】
即ち、取り扱う原子を構成する所定の種類の原子、例えば、各種の同位体の中の所望のものの原子共鳴線と一致もしくは正または負に離調した波長を備えたコヒーレント光を、コヒーレント光源装置から当該原子ビームに照射することにより、上記した例と同様の作用効果を得ることができる。
【０２２６】
（７）変形例について
上記した実施の形態は、以下に説明する（ａ）乃至（ｆ）に示すように変形してもよい。
【０２２７】
（ａ）上記した実施の形態においては、クラスタ元素としてシリコンを用いたシリコンクラスタや、シリコンクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタを作成する手法について説明したが、本発明はこれに限られるものではないことは勿論である。
【０２２８】
即ち、上記したように本発明によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタや、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）などのようなクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを作成することができる。
【０２２９】
ここで、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタを作成するには、上記した実施の形態において、トラップする対象の原子（トラップ原子）や、電子ビームエバポレータのターゲットと原子を、ＳｉからＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐに変えればよい。
【０２３０】
また、クラスタの一部をクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを作成するには、上記した実施の形態において、２つの元素を同時または別々に放出することのできる電子ビームエバポレータを用いればよい。ターゲット元素を化合物にしてもよい。
【０２３１】
さらに、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包クラスタや、シリコンクラスタに異元素としてルビジウム以外の異元素を内包した異元素内包シリコンクラスタや、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタに異元素としてルビジウム以外の異元素を内包した異元素内包クラスタを作成するには、上記した実施の形態において、電子ビームエバポレータのターゲット原子（元素）をＳｉの代わりに、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐに変えればよい。
【０２３２】
（ｂ）上記した実施の形態においては、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２を用いて、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するようにした。しかしながら、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するに際して、これらビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２を全て用いる必要はないことは勿論であり、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２をそれぞれ単体であるいは適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０２３３】
また、クラスタを効率よく生成するためには、コヒーレント光のビーム径をある程度太くして（例えば、ビーム径は、直径１０ｍｍ程度であることが好ましい。）、コヒーレント光のシリコン原子に対する照射領域を広くすることが好ましいが、コヒーレント光のビーム径を太くしなくてもよいことは勿論である。コヒーレント光のビーム径を太くしない場合には、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２などのビーム径の拡大手段を用いる必要はない。
【０２３４】
（ｃ）上記した実施の形態においては、半波長板を用いて偏光の波面を整えるようにしたが、偏光の波面を整える必要がないときは、半波長板を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３５】
（ｄ）上記した実施の形態においては、１／４波長板を用いてコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整えるようにしたが、偏光を整える必要がないときは、１／４波長板を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３６】
（ｅ）上記した実施の形態においては、凸レンズ２０００４を用いて光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整するようにしたが、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する必要がないときは、凸レンズ２０００４を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３７】
（ｆ）上記した実施の形態ならびに上記した（ａ）乃至（ｅ）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０２３８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することを可能にしたクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第１の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図２】クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第２の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図３】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図４】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第４の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図５】図５は、図４に示すシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の動作を示す説明図であり、（ａ）はチャンバー内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光と光双極子トラップレーザーから出射されたレーザー光とが交差する状態を示し、（ｂ）は光双極子トラップにより冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集めることができるとともにルビジウム原子が磁気光学トラップされた領域とシリコン原子が光双極子トラップされた領域とが分離されることを示す。
【図６】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第５の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概略構成説明図である。
【図７】先願開示事項による原子のレーザー冷却装置の一例の概念構成説明図である。
【図８】複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の様子を示す説明図であり、（ａ）はｏ軸とｅ軸との間で位相が−π／２ずれた場合に左回りの偏光（σ−）となることを示し、（ｂ）はｏ軸とｅ軸との間で位相のずれがない場合に直線偏光（π）となることを示し、（ｃ）はｏ軸とｅ軸との間で位相がπ／２ずれた場合に右回りの偏光（σ＋）となることを示す。
【図９】１光子の吸収・放出に要する時間が自然放出寿命（τ）の２倍となることを示す説明図である。
【図１０】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１１】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の他の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１２】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１０に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１３】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１４】１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを原子冷却に用いるコヒーレント光源として用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１５】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１６】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の他の例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１７】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１５に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１８】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１６に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１９】１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを原子冷却に用いるコヒーレント光源として用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【符号の説明】
１０００２ チャンバー
１０００４ アンチヘルムホルツコイル
１０００６ コヒーレント光源
１０００８ ビームエクスパンダー
１００１０ 凹レンズ
１００１２ 凸レンズ
１００１４、１００１６、１００２０、１００２６、１００２８、１００３２，１００３４，１００３６、１００４０、１００４４、１００４８ ミラー
１００１８、１００３０ ビームスプリッター
１００２２、１００２４ 半波長板
１００３８、１００４２、１００４６ １／４波長板
【発明の属する技術分野】
本発明は、クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置に関し、さらに詳細には、シリコンにより形成されたクラスタであるシリコンクラスタなどのような各種のクラスタや、シリコンクラスタ内にルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタなどのような各種のクラスタ内に当該クラスタを形成する元素とは異なる元素を内包した異元素内包クラスタの生成方法および生成装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、「クラスタ」とは、複数個、例えば、数十から数千個程度の原子が集合して、結晶が示す構造とは異なる安定構造を形成した物質群を総称するものである。
【０００３】
従来、こうしたクラスタを形成する元素（本明細書においては、「クラスタを形成する元素」を「クラスタ元素」と称することとする。）としては、アルカリ金属元素などが知られており、その研究が行われてきた。
【０００４】
しかしながら、近年において、クラスタ元素がＣ（炭素）である炭素クラスタとしてＣ６０などの存在が確認され、最近ではＣ６０をはじめとする炭素系フラーレン固体を大量に合成する手法も種々提案されるようになってきている。
【０００５】
ところで、クラスタを形成する現象は、上記したＣ以外に、例えば、ＩＩＩ族元素のＢ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、ＩＶ族元素のＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｖ族元素のＰ（リン）などの元素においても知られている。
【０００６】
また、クラスタ内にクラスタ元素とは異なる元素を内包したクラスタ（本明細書においては、「クラスタ内にクラスタ元素とは異なる元素を内包したクラスタ」を「異元素内包クラスタ」と称することとする。また、異元素内包クラスタに内包された元素を「異元素」と称することとする。）の存在も知られており、その特性が注目されている。
【０００７】
このため、上記した各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することのできるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置の提案が、強く要望されるようになってきている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来からの要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することを可能にしたクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるクラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、局所空間に捕捉した原子同士を散乱（衝突）や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明によるクラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素の原子を光双極子トラップにより局所空間に捕捉して、局所空間に捕捉した原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置は、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、この磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置は、光双極子トラップと磁気光学トラップとを組み合わせて、クラスタ元素と当該クラスタ元素とは異なる元素の原子とのトラップ領域を分離可能に捕捉して、捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、クラスタ元素とは異なる元素の原子の磁気光学トラップとクラスタ元素の原子のイオントラップとを組み合わせて、クラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１４】
そして、本発明のうち請求項１に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、クラスタ元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、クラスタ元素の原子を光双極子トラップにより局所空間に捕捉し、上記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内に光双極子トラップによりクラスタ元素を捕捉し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にイオントラップによりクラスタ元素を捕捉し、上記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、上記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、上記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、クラスタ元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段を有し、上記磁気光学トラップ手段は、上記クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を上記局所空間に照射するコヒーレント光源を有するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を局所空間に照射するコヒーレント光源と、上記コヒーレント光源によりレーザー冷却された上記クラスタ元素の原子を上記局所空間に捕捉する光双極子トラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２１】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する上記局所空間内にクラスタ元素の原子を注入する注入手段とを有するようにしたものである。
【００２２】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉する光双極子トラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２３】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、上記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉するイオントラップ手段とを有するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２５】
ここで、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタや、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）などのようなクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを生成することができる。
【００２６】
また、本発明によるクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタ内や、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの元素で置換したクラスタ内に異元素としてＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｒｂ（ルビジウム）、Ｃｓ（セシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ａｇ、Ａｌ、Ｇａ（ガリウム）、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）あるいはＡｒ（アルゴン）などを内包した異元素内包クラスタを生成することができる。
【００２７】
なお、以下の説明においては、本発明の理解を容易にするために、クラスタ元素子としてシリコンを用いたシリコンクラスタの生成ならびにシリコンクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタの生成について主に説明する。
【００２８】
（１）第１の手法
第１の手法は、異元素を内包した異元素内包クラスタではなくて、異元素を内包していないクラスタを生成する手法である。
【００２９】
この第１の手法は、磁気光学トラップによりシリコン原子などのクラスタ元素の原子を局所空間に捕捉して、捕捉したシリコン原子などのクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてシリコンクラスタなどのクラスタを生成するようにしたものである。
【００３０】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて、第１の手法によりシリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００３１】
即ち、第１の手法においては、磁気光学トラップにより、およそ２００マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００３２】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたシリコン原子は、シリコン原子同士が散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタが生成されることになる。
【００３３】
なお、散乱に関しては、磁気光学トラップにおける磁場が散乱のパラメータになる。その理由は、磁場ポテンシャルの形状、強さが、冷却原子の位置、分布、密度を決めることになるからである。
【００３４】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。
【００３５】
そして、上記したようにして、シリコン原子同士の散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ→Ｓｉ２
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉ２＋ｈν’
が成立する。
【００３６】
なお、
ｈ：プランク定数
ν：光の振動数
である。
【００３７】
さらに、シリコン原子同士の散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ→Ｓｉｎ＋１
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉｎ＋１＋ｈν’
が成立する。
【００３８】
なお、
ｎ：正の整数
である。
【００３９】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００４０】
なお、この第１の手法においては、シリコンクラスタは形成と同時に同位体分離しており、単一同位体のシリコンクラスタを自動的に形成することができる。つまり、シリコン原子の磁気光学トラップは、単一の同位体しかトラップできない。即ち、後述するように、各種の同位体の中の所望のものの原子共鳴線と一致もしくは正または負に離調した波長を備えたコヒーレント光を、後述するコヒーレント光源１０００６などから当該同位体に照射することにより、当該同位体をレーザー冷却することができるので、シリコンクラスタも単一の同位体で構成されることになる。
【００４１】
上記した手法によりシリコンクラスタを効率的に安定して生成することができるものであるが、シリコン原子は、融点が１４１４℃である高融点材料であるため、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などが必要であり、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られるシリコン原子は、１０００ｍ／ｓｅｃを中心１５００ｍ／ｓの速度帯域を備えている。このため、レーザーによる減速や磁場フィルターによる低速原子の利用が必要である。
【００４２】
なお、シリコン原子をレーザー冷却する手法としては、例えば、本願出願人により平成１３年１月２９日付けで出願された特願２００１−２０２４３「原子のレーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源」あるいは特願２００１−２０２４３を先の出願とした国内優先権主張出願である特願２００２−１１５５８「原子のレーザー冷却方法およびその装置ならびに原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源」に開示された手法を用いることができるが、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された以外の手法を用いてもよいことは勿論である。例えば、原子のレーザー冷却に関する様々な手法については、清水冨士夫著「原子のレーザー冷却とその周辺技術」（応用物理 第６０巻 第９号（１９９１）の第８６４頁乃至第８７４頁）に開示されており、ここに開示された手法を用いることができる。
【００４３】
なお、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法については、後に詳細に説明する。
【００４４】
次に、上記した第１の手法によるクラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００４５】
図１には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第１の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００４６】
このクラスタ生成装置は磁気光学トラップ手段を備えており、磁気光学トラップ手段は、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られたシリコン原子が導入されるチャンバー１０００２（チャンバー１０００２の容積は、例えば、１０００ｃｍ３程度である。）と、チャンバー１０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置にポテンシャルエネルギーの極小点を生成するための多重極磁場を形成する磁場形成装置としてのアンチヘルムホルツコイル１０００４（アンチヘルムホルツコイル１０００４によっては、多重極磁場として四重極磁場が形成される。）と、チャンバー１０００２内に導入されたシリコン原子をレーザー冷却するためのコヒーレント光源１０００６と、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー（この実施の形態において、ビームエクスパンダーは、コヒーレント光のビーム径を２倍に拡大するものを用いているが、ビーム径の拡大倍率は２倍に限られるものではなく、ビーム径の拡大倍率は適宜に選択することができる。）１０００８と、ビームエクスパンダー１０００８によって拡大されたビーム径を調整する凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２と、凸レンズ１００１２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００１４，１００１６と、ミラー１００１６から出射されたコヒーレント光を二つの光路に分割するビームスプリッター１００１８と、ビームスプリッター１００１８により分割された一方の光路のコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２０と、ビームスプリッター１００１８により分割された他方の光路のコヒーレント光の偏光の波面を整えるための半波長板１００２２と、ミラー１００２０から出射された一方の光路のコヒーレント光の偏光の波面を整えるための半波長板１００２４と、半波長板１００２２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２６と、半波長板１００２４から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー１００２８と、ミラー１００２６から出射されたコヒーレント光を二つの光路に分割するビームスプリッター１００３０と、ビームスプリッター１００３０により分割された一方の光路のコヒーレント光の光路を変更するミラー１００３２，１００３４，１００３６と、ビームスプ
リッター１００３０により分割された他方の光路のコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００３８（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００３８を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００３８から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００３８へ入射するミラー１００４０と、ミラー１００３６から出射されたコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００４２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００４２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００４２から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００４２へ入射するミラー１００４４と、ミラー１００２８から出射されたコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板１００４６（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板１００４６を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板１００４６から出射されたコヒーレント光を反射して１／４波長板１００４６へ入射するミラー１００４８とを有して構成されている。
【００４７】
ここで、コヒーレント光源１０００６としては、上記した特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法を用いることができる。
【００４８】
そして、ビームスプリッター１００３０と１／４波長板１００３８とミラー１００４０との位置関係は、１／４波長板１００３８から出射されたコヒーレント光が、Ｘ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４０に至って反射され、ミラー１００４０で反射されたコヒーレント光が、Ｘ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００３８へ至るように配置されている。
【００４９】
また、ミラー１００３６と１／４波長板１００４２とミラー１００４４との位置関係は、１／４波長板１００４２から出射されたコヒーレント光が、Ｙ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４４に至って反射され、ミラー１００４４で反射されたコヒーレント光が、Ｙ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００４２へ至るように配置されている。
【００５０】
さらに、ミラー１００２８と１／４波長板１００４６とミラー１００４８との位置関係は、１／４波長板１００４６から出射されたコヒーレント光が、Ｚ軸（図１における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過してミラー１００４８に至って反射され、ミラー１００４８で反射されたコヒーレント光が、Ｚ軸に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過して１／４波長板１００４６へ至るように配置されている。
【００５１】
従って、このクラスタ生成装置においては、互いに直交する６方向からポテンシャルエネルギーの極小点へ向けてコヒーレント光が照射されることになる。
【００５２】
以上の構成において、このクラスタ生成装置においては、チャンバー１０００２中に導入されたシリコン原子に対し、コヒーレント光源１０００６から出射されるコヒーレント光を照射することにより、シリコン原子をレーザー冷却する。
【００５３】
その際に、アンチヘルムホルツコイル１０００４により四重極磁場を形成することによって、チャンバー１０００２内にポテンシャルエネルギーの極小点を作るとともに、コヒーレント光源１０００６からの出射光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射し、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点で直交させる。
【００５４】
このようにすると、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点において、レーザー冷却されたシリコン原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【００５５】
そして、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー１０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたシリコン原子は、互いに散乱や光誘起散乱を繰り返して会合してシリコンクラスタとなる。
【００５６】
ここで、コヒーレント光源１０００６からの出射されるコヒーレント光の偏光は、クラスタ元素に応じて直線偏光と円偏光とを適宜に設定するようにすればよい。シリコン原子などのようにエネルギー準位における基底状態の冷却下準位として複数の磁気副準位を有する原子をレーザー冷却する場合には、レーザー冷却の対象となる原子の基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の異なる偏光をそれぞれ有する所定波長のコヒーレント光を所定の時間間隔でずらして順次に原子に照射するようにすればよい。
【００５７】
また、こうしたレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としては、例えば、所定波長のコヒーレント光を出射するモード同期（ロック）ピコ秒レーザーと、上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーから出射される所定波長のコヒーレント光の波長変換を行う波長変換素子と、上記波長変換素子により波長変換されたコヒーレント光から所望の波長のコヒーレント光を選択して出射する波長分散素子と、波長分散素子から出射されたコヒーレント光の波長を計測し、該計測結果に基づいて、上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーが所定波長のコヒーレント光を出射するように上記モード同期（ロック）ピコ秒レーザーにシグナルを出力するフィードバック回路とを有するコヒーレント光源や、第１の波長のレーザー光を生成する第１のレーザー光生成システムと、第２の波長のレーザー光を生成するとともに上記第１のレーザー光生成システムにおいて生成された上記第１の波長のレーザー光を導入し、上記第１の波長のレーザー光と上記第２の波長のレーザー光との和周波混合により第３の波長のレーザー光を生成する第２のレーザー光生成システムとを有するコヒーレント光源を用いることができる。
【００５８】
（２）第２の手法
第２の手法は、異元素を内包した異元素内包クラスタではなくて、異元素を内包していないクラスタを生成する手法である。
【００５９】
この第２の手法は、光双極子トラップによりシリコン原子などのクラスタ元素の原子を局所空間に捕捉して、捕捉したシリコン原子などのクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてシリコンクラスタなどのクラスタを生成するようにしたものである。
【００６０】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて、第２の手法によりシリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００６１】
即ち、第２の手法においては、シリコン原子の共鳴波長である２５２ｎｍよりも十分離れた高出力波長光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を、およそ２００マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子に照射して、光双極子トラップによりシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００６２】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたシリコン原子は、シリコン原子同士が散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタが生成されることになる。
【００６３】
なお、散乱に関しては、光双極子トラップにおける光強度、光ポテンシャルの形状が散乱のパラメータになる。その理由は、光双極子トラップの光強度によって光ポテンシャルの強さ（深さ）が決まり、光ポテンシャルの形状によってトラップの形状、密度が決まるためである。
【００６４】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。
【００６５】
そして、上記したようにして、シリコン原子同士の散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ→Ｓｉ２
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が生じると、
Ｓｉ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉ２＋ｈν’
が成立する。
【００６６】
さらに、シリコン原子同士の散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ→Ｓｉｎ＋１
が成立し、また、シリコン原子同士の光誘起散乱が繰り返されることで、
Ｓｉｎ＋Ｓｉ＋ｈν→Ｓｉｎ＋１＋ｈν’
が成立する。
【００６７】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００６８】
なお、この第２の手法により生成されたシリコンクラスタには、シリコン原子材料に含まれている同位体が含まれる。即ち、双極子トラップは共鳴光を使わないため、同位体選別機構がない。従って、シリコンクラスタには同位体が含まれる。
【００６９】
上記した手法によりシリコンクラスタを効率的に安定して生成することができるものであるが、上記したように、シリコン原子は、融点が１４１４℃である高融点材料であるため、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などが必要であり、電子ビームによる蒸発やスパッタリングあるいは高温セルによる加熱などにより得られるシリコン原子は、１０００ｍ／ｓｅｃを中心１５００ｍ／ｓの速度帯域を備えている。このため、レーザーによる減速や磁場フィルターによる低速原子の利用が必要である。
【００７０】
次に、上記した第２の手法によるクラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図１に示すクラスタ生成装置における構成と同一または相当する構成に関しては図１において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００７１】
図２には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第２の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００７２】
このクラスタ生成装置は、チャンバー１０００２と、コヒーレント光源１０００６と、ビームエクスパンダー１０００８と、凹レンズ１００１０と、凸レンズ１００１２と、ミラー１００１４，１００１６と、ビームスプリッター１００１８と、ミラー１００２０と、半波長板１００２２と、半波長板１００２４と、ミラー１００２６と、ミラー１００２８と、ビームスプリッター１００３０と、ミラー１００３２，１００３４，１００３６と、１／４波長板１００３８と、ミラー１００４０と、１／４波長板１００４２と、ミラー１００４４と、１／４波長板１００４６と、ミラー１００４８とを有している。
【００７３】
そして、このクラスタ生成装置は、さらに光双極子トラップ手段を有しており、光双極子トラップ手段は、光双極子トラップを形成するためのシリコン原子の共鳴波長である２５２ｎｍよりも十分離れた高出力波長光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を出射する光双極子トラップレーザー２０００２と、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する凸レンズ２０００４と、凸レンズ２０００４から出射されたレーザー光を反射してチャンバー１０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置に入射させるミラー２０００６とを有して構成されている。
【００７４】
そして、このクラスタ生成装置においては、コヒーレント光源１０００６から出射されて互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射されるコヒーレント光と、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたてチャンバー１０００２内に入射されるレーザー光とが、チャンバー１０００２内において互いに交差するようになされている。
【００７５】
以上の構成において、このクラスタ生成装置においては、チャンバー１０００２中に導入されたシリコン原子に対し、コヒーレント光源１０００６から出射されるコヒーレント光を照射することにより、シリコン原子をレーザー冷却してトラップする。
【００７６】
その際に、コヒーレント光源１０００６からの出射光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内に入射するとともに、光双極子トラップレーザー２０００２からチャンバー１０００２内にレーザー光を入射して、コヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光とをチャンバー１０００２内において互いに交差させる。
【００７７】
このようにすると、チャンバー１０００２内におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置において、レーザー冷却されたシリコン原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【００７８】
そして、チャンバー１０００２内におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置、即ち、局所空間（チャンバー１０００２におけるコヒーレント光源１０００６からの出射光と光双極子トラップレーザー２０００２からの出射光との交差位置、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたシリコン原子は、互いに散乱や光誘起散乱を繰り返して会合してシリコンクラスタとなる。
【００７９】
（３）第３の手法
第３の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【００８０】
この第３の手法は、クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉して、この磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成されたクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【００８１】
ここで、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに、クラスタ元素とは異なる元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成する例について説明する。
【００８２】
即ち、第３の手法においては、ルビジウム原子を冷却し、冷却したルビジウム原子にシリコン原子が衝突することにより、シリコン原子が冷却されてシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタが生成されることになる。
【００８３】
ここで、磁気光学トラップにより、およそ１５０マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【００８４】
上記のように局所空間に捕捉された冷却されたルビジウム原子に、中性原子であるシリコン原子を低速にして相互作用時間を大きくしながら注入すると、シリコン原子とルビジウム原子と、あるいは、シリコン原子同士、あるいは、シリコンクラスとルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱を繰り返して会合し、これによりシリコンクラスタやルビジウム内包シリコンクラスタが生成されることになる。
【００８５】
なお、散乱に関しては、磁気光学トラップにおける磁場が散乱のパラメータになる。その理由は、磁場ポテンシャルの形状、強さが、冷却原子の位置、分布、密度を決めることになるからである。
【００８６】
また、光誘起散乱に関しては、光強度が光誘起散乱のパラメータになる。その理由は、光強度が強いと原子に対して十分に光が照射され、光を吸収した原子が運動し、衝突しやすくなるため、光誘起散乱の確率が上がって光誘起散乱が起こりやすくなるからである。つまり、光強度が、光誘起散乱の確率を決めている。
【００８７】
ここで、一回の散乱では、
ｍｓｉ ｖｓｉ＝ｍｓｉ ｖ’ｓｉ＋ｍＲｂ ｖＲｂ
ｖ’ｓｉ／ｖｓｉ＝２ｍｓｉ／（ｍｓｉ＋ｍＲｂ）
＝２＊２８／（２８＋８７）〜１／２
に速度が減少し、温度としては、「１／２ｍｖ２＝１／２ｋＴ」であるから１／４になる。
【００８８】
従って、１０回散乱が起これば、「１／４」の１０乗であるので、６桁温度が下がることになる。
【００８９】
従って、初速度が１０００ｍ／ｓとすると、２００マイクロケルビン程度、つまり、冷却されたルビジウム原子程度まで温度が下がる。
【００９０】
なお、この第３の手法においては、シリコン原子の最初の減速が重要であり、シリコン原子は３体衝突でクラスタ化される。
【００９１】
即ち、
Ｓｉ（ｈｏｔ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ（ｃｏｏｌ）＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｃｏｏｌ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｒｂ（ｃｏｏｌ）＋ｈν→Ｒｂ（ｃｏｌｄ）＋ｈν’
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ２＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ（ｃｏｏｌ）
Ｓｉ（ｈｏｔ，ｃｏｏｌ）＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１
が成立する。なお、「Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１」は、「ルビジウム内包シリコンクラスタ」を意味する。
【００９２】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタと、Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１、即ち、ルビジウム内包シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【００９３】
次に、上記した第３の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００９４】
図３には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【００９５】
このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置は、ルビジウム原子ならびにシリコン原子が導入されるチャンバー３０００２（チャンバー１０００２の容積は、例えば、１０００ｃｍ３程度である。）と、チャンバー３０００２内にシリコン原子を注入する注入手段としてのシリコン原子電子ビームエバポレータ３００００と、磁気光学トラップ手段としてのルビジウム磁気光学トラップシステムとを有して構成されている。
【００９６】
ここで、ルビジウム磁気光学トラップシステムとしては、公知のシステムを用いることができるものであり、この実施の形態においては、チャンバー３０００２内の適宜の位置、例えば、略中央位置にポテンシャルエネルギーの極小点を生成するための多重極磁場を形成する磁場形成装置としてのアンチヘルムホルツコイル３０００５（アンチヘルムホルツコイル１０００４によっては、多重極磁場として四重極磁場が形成される。）と、トラッピングレーザー３０００６と、トラッピングレーザー３０００６から出射されたレーザー光の強度を調節するためのＮＤフィルター３０００８ならびに円形可変ＮＤフィルター３００１０と、円形可変ＮＤフィルター３００１０から出射されたレーザー光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー３００１２と、ビームエクスパンダー３００１２から出射されたコヒーレント光の光路を変更するミラー３００１４と、再励起レーザー３００１６と、再励起レーザー３００１６から出射されたレーザー光のビーム径を拡大するビームエクスパンダー３００１８と、ビームエクスパンダー３００１８によって拡大されたビーム径を調整する凹レンズ３００２０ならびに凸レンズ３００２２と、凸レンズ３００２２から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００２４，３００２６と、ミラー３００１４，３００２６から出射されたレーザー光を二つの光路に分割するビームスプリッター３００２８と、ビームスプリッター３００２８により分割された一方の光路のレーザー光の光路を変更するミラー３００３０と、ビームスプリッター３００２８により分割された他方の光路のレーザー光の偏光の波面を整えるための半波長板３００３２と、ミラー３００３０から出射された一方の光路のレーザー光の偏光の波面を整えるための半波長板３００３４と、半波長板３００３２から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００３６，３００３８と、半波長板３００３４から出射されたレーザー光の光路を変更するミラー３００４０と、ミラー３００３８から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００４２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００４２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００４２から出射され
たレーザー光の光路を変更するミラー３００４４，３００４６と、ミラー３００４６から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００４８（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００４８を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００４８から出射されたレーザー光を反射して１／４波長板３００４８へ入射するミラー３００５０と、ミラー３００４０から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００５２（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００５２を回転して制御すればよい。）と、１／４波長板３００５２から出射されたレーザー光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整える１／４波長板３００５４（円偏光に関して右回りの円偏光とするか左回りの円偏光とするかは、１／４波長板３００５４を回転して制御すればよい。）と、 １／４波長板３００５４から出射されたレーザー光を反射して１／４波長板３００５４へ入射するミラー３００５６とを有して構成されている。
【００９７】
そして、ミラー３００３８と１／４波長板３００４２とミラー３００４４とミラー３００４６と１／４波長板３００４８とミラー３００５０との位置関係は、ミラー３００３８から出射されたレーザー光が１／４波長板３００４２を通過して、Ｘ軸（図３における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点を通過した後にミラー３００４４，ミラー３００４６に反射され、ミラー３００４６から出射されたレーザー光が、Ｙ軸（図３におる座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点ならびに１／４波長板３００４８を通過した後にミラー３００５０により反射されて、上記したと逆の光路を辿るように配置されている。
【００９８】
また、ミラー３００４０と１／４波長板３００５２と１／４波長板３００５４とミラー３００５６との位置関係は、ミラー３００４０から出射されたレーザー光が１／４波長板３００５２を通過して、Ｚ軸（図３における座標軸を示す参考図を参照する。）に沿ってチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点ならびに１／４波長板３００５４を通過した後にミラー３００５６により反射されて、上記したと逆の光路を辿るように配置されている。
【００９９】
従って、このルビジウム磁気光学トラップシステムにおいては、互いに直交する６方向からチャンバー１０００２内のポテンシャルエネルギーの極小点へ向けてレーザー光が照射されることになる。
【０１００】
以上の構成において、このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置においては、チャンバー３０００２中に導入されたルビジウム原子に対し、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光を照射することにより、ルビジウム原子をレーザー冷却する。
【０１０１】
その際に、アンチヘルムホルツコイル３０００５により四重極磁場を形成することによって、チャンバー３０００２内にポテンシャルエネルギーの極小点を作るとともに、ルビジウム磁気光学トラップシステムからのレーザー光を所定の偏光で直交する３方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の両側、即ち、互いに直交する６方向からチャンバー３０００２内に入射し、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点で直交させる。
【０１０２】
このようにすると、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点において、レーザー冷却されたルビジウム原子を効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【０１０３】
そして、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー３０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）にトラップされたルビジウム原子に対して、シリコン原子ビームエバポレータ３０００４によりシリコン原子を注入する。
【０１０４】
そうすると、局所空間内で捕捉したルビジウム原子とシリコン原子とが衝突することによりシリコン原子を冷却し、冷却したシリコン原子同士が散乱や光誘起散乱により会合されてシリコンクラスタが生成されるとともに、生成されたシリコンクラスタと冷却したルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱により会合されてルビジウム内包シリコンクラスタが生成される。
【０１０５】
（４）第４の手法
第４の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【０１０６】
この第４の手法は、光双極子トラップと磁気光学トラップとを組み合わせて、クラスタ元素と当該クラスタ元素とは異なる元素の原子とのトラップ領域を分離可能に捕捉して、捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。
【０１０７】
即ち、ルビジウム原子の磁気光学トラップ内に、ルビジウム原子のレーザー冷却波長（７８０ｎｍ）よりも短く、かつ、シリコン原子のレーザー冷却波長（２５２ｎｍ）よりも長い波長の高出力レーザー光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光などである。具体的には、ＣＷ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（連続Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）やＣＷ−Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー（連続Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー）の２倍高調波などを用いることができる。）を照射すると、磁気光学トラップ内で冷却されたルビジウム原子とシリコン原子とのトラップ領域を分離することができる。これにより、冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集め、冷却するための相互作用を大きくすることができる。
【０１０８】
次に、上記した第４の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図３に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置における構成と同一または相当する構成に関しては図１において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【０１０９】
図４には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第４の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図が示されている。
【０１１０】
この図４に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置と図３に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置とは、図４に示すクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置が、光双極子トラップ手段として、光双極子トラップを形成するためのルビジウム原子のレーザー冷却波長（７８０ｎｍ）よりも短く、かつ、シリコン原子のレーザー冷却波長（２５２ｎｍ）よりも長い波長の高出力レーザー光（例えば、波長５３２ｎｍのレーザー光である。）を出射する光双極子トラップレーザー４０００２と、光双極子トラップレーザー４０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する凸レンズ４０００４と、凸レンズ４０００４から出射されたレーザー光を反射してチャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点に入射させるミラー４０００６とを有して構成されている点において異なる。
【０１１１】
以上の構成において、このクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置によれば、図５（ａ）に示すように、チャンバー１０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間（チャンバー３０００２におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間の容積は、例えば、１ｍｍ３程度である。）において、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光と光双極子トラップレーザー４０００２から出射されたレーザー光とが交差する。
【０１１２】
このようにすると、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、図５（ｂ）に示すように、光双極子トラップにより冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集めることができるとともに、ルビジウム原子が磁気光学トラップされた領域とシリコン原子が光双極子トラップされた領域とを分離することができるようになる。
【０１１３】
このため、チャンバー３０００２内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、ルビジウム原子とシリコン原子とを冷却するための相互作用を大きくすることができ、レーザー冷却されたルビジウム原子とシリコン原子とを効率よく安定してトラップ（捕捉）することができる。
【０１１４】
そうすると、局所空間内で捕捉したルビジウム原子とシリコン原子とが衝突することによりシリコン原子を冷却し、冷却したシリコン原子同士が散乱や光誘起散乱により会合されてシリコンクラスタが生成されるとともに、生成されたシリコンクラスタと冷却したルビジウム原子とが散乱や光誘起散乱により会合されてルビジウム内包シリコンクラスタが生成される。
【０１１５】
（５）第５の手法
第５の手法は、異元素を内包していないクラスタならびに異元素を内包した異元素内包クラスタを生成する手法である。
【０１１６】
この第５の手法は、クラスタ元素とは異なる元素の原子の磁気光学トラップとクラスタ元素の原子のイオントラップとを組み合わせて、クラスタ元素の原子同士を散乱や光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱や光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成するようにしたものである。即ち、この第５の手法は、冷却されたルビジウム原子とシリコンイオンとの衝突による電荷移行とクラスタ化を図るものである。
【０１１７】
上記した第５の手法について、より詳細に説明すると、まず、磁気光学トラップにより、およそ１５０マイクロケルビン（μＫ）程度にレーザー冷却されたシリコン原子を局所空間に捕捉する。ここで、局所空間の大きさは、例えば、１ｍｍ３程度であり、こうした局所空間に捕捉される原子数としては、例えば、１億個程度以上であることが好ましい。
【０１１８】
そして、局所空間に捕捉したルビジウム原子の磁気光学トラップの中心に、シリコンのイオントラップを位置させる。イオントラップには中性原子であるシリコンを導入し、トラップ内で光イオン化させるか、あるいはシリコンイオンを放電、スパッタリング、レーザーアブレーションなどで導入する。
【０１１９】
従って、
Ｓｉ＋＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉ２＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ＋
Ｓｉ＋＋Ｓｉｎ（ｃｏｌｄ）＋２Ｒｂ（ｃｏｌｄ）→Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１＋Ｒｂ＋
が成立する。
【０１２０】
上記のようにして、Ｓｉｎ＋１、即ち、シリコンクラスタと、Ｒｂ＠Ｓｉｎ＋１、即ち、ルビジウム内包シリコンクラスタが、効率的に安定して生成されることになる。
【０１２１】
次に、上記した第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置について、添付の図面を参照しながら説明する。
【０１２２】
図６には、クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第５の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概略構成説明図が示されており、この第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置は、イオントラップ手段としてのイオントラップ装置６０００２と、磁気光学トラップ手段としての図３に示すルビジウム磁気光学トラップシステムとを組み合わせて構成されている。
【０１２３】
ここで、イオントラップを実現するためのイオントラップ装置６０００２は、公知の装置であって、リング電極とキャップ電極６０００４との間に
Ｖ＝Ｖｄｃ＋Ｖａｃｃｏｓ（Ωｔ）
の電圧を加えて動作させるものである。そして、ＲＦ電圧の半周期毎に、ポテンシャルの閉じこめる方向をｒ方向とｚ方向とに交互に変えて、チャンバー６０００６内にイオンをトラップするものである。
【０１２４】
こうしたイオントラップ装置６０００２と図３に示すルビジウム磁気光学トラップシステムとを組み合わせて、第５の手法によるクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置が構成するには、イオントラップ装置６０００２のチャンバー６０００６をルビジウム磁気光学トラップシステムのチャンバー３０００２として用いるように構成すればよい。
【０１２５】
（６）特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法
以下、図面を参照しながら、特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法（以下、「特願２００１−２０２４３あるいは特願２００２−１１５５８に開示された手法」を「先願開示事項」と適宜に称する。）を説明する。
【０１２６】
即ち、先願開示事項は、冷却下準位として複数の磁気副準位が存在する原子をレーザー冷却するにあたって、基底状態の冷却下準位たる複数の磁気副準位に応じた複数の偏光を有するレーザー光をそれぞれ、所定の時間間隔でずらして順次に原子に照射するようにしたものである。即ち、所定の時間毎に順番に異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射するように、時間的にレーザー光の偏光を制御するものである。
【０１２７】
そして、このように所定の時間毎に順番に異なる偏光のレーザー光を繰り返し照射する場合に、１光子の吸収・放出に要する時間、即ち、原子の自然放出寿命の２倍の時間間隔で光子が次々と原子に当たるようにすると、基底状態の冷却下準位にある原子を効率的に冷却上準位へ励起することができる。
【０１２８】
より詳細には、図７には、先願開示事項の一例の概念構成説明図が示されている。なお、この図７に示す先願開示事項の一例は、例えば、シリコン原子やゲルマニウム原子などのような各種の原子を冷却する際に用いることができるものである。
【０１２９】
即ち、このレーザー冷却装置５０は、所定の波長のコヒーレント光を発生して出射するコヒーレント光源部５２と、コヒーレント光源部５２から出射されたコヒーレント光の偏光を変化させる偏光制御部５４とを有して構成されている。
【０１３０】
ここで、レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２は、例えば、コヒーレント光として所定の波長のレーザー光を生成して出射する２段階の外部共振器型波長変換部として構成することができ、また、レーザー冷却装置５０の偏光制御部５４は、例えば、時間的に偏光を制御することが可能な複屈折結晶から構成される電気光学素子と波長板との組み合わせよりなる位相変調器として構成することができる。なお、電気光学素子とは、複屈折結晶に印加した電界によって屈折率が変化し、そこを通過するレーザー光の位相を変化させるものである。
【０１３１】
ここで、レーザー冷却装置５０を用いてシリコン原子を冷却する場合において、例えば、コヒーレント光源部５２として上記した２段階の外部共振器型波長変換部を用い、また、偏光制御部５４として上記した位相変調器を用いる場合には、コヒーレント光源部５２たる外部共振器型波長変換部の１段目では、波長７４６ｎｍのレーザー光（例えば、波長７４６ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４第２高調波励起のリング型単一モードチタンサファイアレーザー光を用いることができる。）を外部共振器に導き、共振器内に配設したＬＢＯ結晶により波長３７３ｎｍの第２高調波を４０％の変換効率で発生させるようにする。
【０１３２】
続いて外部共振器型変換部の２段目では、この波長３７３ｎｍのレーザー光と波長７８０ｎｍのレーザー光（例えば、波長７８０ｎｍの単一モード半導体レーザー光を用いることができる。）を第２の外部共振器に導き、２波長のレーザー光を同時共振をさせることにより各々の光強度を同時に増大させ、共振器内のＢＢＯ結晶による和周波混合により６０ｍＷを越える２５２ｎｍの光を発生させるようにする。
【０１３３】
偏光制御部５４では、複屈折結晶から構成される電気光学素子と波長板との組み合わせにより位相変調器を構成し、時間的に偏光を制御する。
【０１３４】
上記したように、電気光学素子とは、複屈折結晶に印加した電界によって屈折率が変化し、そこを通過するレーザー光の位相を変化させるものであるが、図８には、複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の様子が示されている。複屈折結晶によれば、図８（ａ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相が−π／２ずれた場合には、左回りの偏光（σ−）が実現される。また、図８（ｂ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相のずれがない場合には、直線偏光（π）が実現される。さらに、図８（ｃ）に示すように、ｏ軸とｅ軸との間で位相がπ／２ずれた場合には、右回りの偏光（σ＋）が実現される。
【０１３５】
ここで、図９に示すように、１光子の吸収・放出に要する時間は、自然放出寿命（τ）の２倍となる。
【０１３６】
具体的にシリコン原子について説明すると、自然放出寿命は５．５ｎｓ（ナノ秒）（τ＝５．５ｎｓ）であり、自然放出寿命（τ）の２倍は１１ｎｓ（２τ＝１１ｎｓ）である。
【０１３７】
従って、シリコン原子においては、１１ｎｓ毎に光子が当たると効率的に１光子の吸収・放出が行われて、シリコン原子の冷却が行われる。
【０１３８】
ここで、周期は「１１ｎｓ×４＝４４ｎｓ」であるので、偏光制御部５４としての位相変調器の周波数ｆｍが２２．７ＭＨｚ（メガヘルツ）より下であれば、効率よくシリコン原子の冷却を行うことができる。
【０１３９】
そして、自然放出寿命の略２倍の時間間隔である１２．５ｎｓ毎に、シリコン原子に照射されるレーザー光の偏光を右回り偏光（σ＋）と直線偏光（π）と左回りの偏光（σ−）とに順次に変化させることによって、シリコン原子を冷却することができる。
【０１４０】
シリコン原子をレーザー冷却する際に１つの偏光方向の光を用いる場合には、冷却下準位の３つの磁気副準位のうち２つの暗準位になっている冷却サイクルが閉じなくなるが、上記したように時間的に偏光方向を変化させることで、暗準位を作ることなく冷却サイクルを閉じることができる。このため、シリコン原子をレーザー冷却することができるようになる。
【０１４１】
なお、コヒーレント光としてレーザー光を照射するコヒーレント光源部５２としては、散乱力によりシリコン原子を減速させる場合と、散乱力によりシリコン原子を冷却させる場合とに応じて、ＣＷレーザー（連続レーザー）を用いたコヒーレント光源とピコ秒レーザーを用いたコヒーレント光源とを適宜に使い分けるようにすればよい。
【０１４２】
図７においては、単一のコヒーレント光源部５２、より具体的には、１台のコヒーレント光源装置を用いて原子をレーザー冷却する場合の実施の形態について説明したが、複数のコヒーレント光源部を用いてもよい。例えば、３台のコヒーレント光源を用いた場合について説明する。
【０１４３】
この場合、レーザー冷却装置は、右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント光源部としての第１コヒーレント光源装置と、この第１コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、直線偏光（π）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２のコヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装置と、この第２コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、左回り偏光（σ−）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第３のコヒーレント光源部としての第３コヒーレント光源装置と、この第３コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーとを有している。
【０１４４】
原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、第１コヒーレント光源装置と第２コヒーレント光源装置と第３コヒーレント光源装置とを順次に交互に照射すればよい。
【０１４５】
また、２台のコヒーレント光源装置を用いてシリコン原子やゲルマニウム原子などのような各種の原子をレーザー冷却する場合は、偏光を右回り偏光（σ＋）と左回り偏光（σ−）とに交互に切り替えながらコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第１のコヒーレント光源部としての第１コヒーレント光源装置と、この第１コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーと、直線偏光（π）のコヒーレント光（例えば、レーザー光）を照射する第２のコヒーレント光源部としての第２コヒーレント光源装置と、この第２コヒーレント光源装置から照射されたコヒーレント光を反射する反射ミラーとを有するように構成すればよい。
【０１４６】
そして、それぞれ原子の自然放出寿命の略２倍の時間間隔を開けて、「第１コヒーレント光源装置から右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から左回り偏光（σ−）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から右回り偏光（σ＋）のコヒーレント光を照射→第２コヒーレント光源装置から直線偏光（π）のコヒーレント光を照射→第１コヒーレント光源装置から左回り偏光（σ−）のコヒーレント光を照射→・・・」という順番で照射する。
【０１４７】
次に、図１０を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例について説明する。
【０１４８】
この図１０に示す原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例は、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源（以下、「シリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源」と称する。）であり、例えば、図７に示す本発明レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２として用いることができることは勿論であり、また、後述する図１２に示すレーザー冷却装置におけるコヒーレント光源として用いることができる。
【０１４９】
この図１０に示すシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００は、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１と、第１波長変換素子１０２と、第２波長変換素子１０３と、波長分散素子１０４と、半透過ミラー１０５と、全反射ミラー１０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１０５と、全反射ミラー１０６と、レーザー波長分光部１０７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバック回路が形成されている。
【０１５０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１は、波長７５７ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１５１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１から出射された波長７５７ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１０２に入射され、第１波長変換素子１０２により波長７５７ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１５２】
そして、第１波長変換素子１０２から出射された波長７５７ｎｍおよび波長３７８ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１０３に入射され、第２波長変換素子１０３により波長７５７ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長３７８ｎｍのコヒーレント光とその第３高調波の２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１５３】
さらに、第２波長変換素子１０３から出射された波長７５７ｎｍ、波長３７８ｎｍおよび波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１０４に入射され、波長分散素子１０４からは波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１０５を透過してシリコン原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１０４は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１５４】
一方、半透過ミラー１０５により反射された波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１０６によって反射されて、波長計やシリコンホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１０７に入射される。
【０１５５】
このレーザー波長分光部１０７において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８へ入力される。
【０１５６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１０８においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１が常に波長７５７ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１５７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に照射することが可能となる。
【０１５８】
また、図１１には、図１０に示したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００の他の例が示されている。なお、図１０に示した構成と同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１５９】
図１１に示すシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００’は、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’と、第１波長変換素子１０２’と、第２波長変換素子１０３’と、波長分散素子１０４’と、半透過ミラー１０５’と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１０５’と、全反射ミラー１０６’と、レーザー波長分光部１０７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバック回路が形成されている。
【０１６０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’は、波長１００９．６ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１６１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’から出射された波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１０２’に入射され、第１波長変換素子１０２’により波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１６２】
そして、第１波長変換素子１０２’から出射された波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１０３’に入射され、第２波長変換素子１０３’により波長５０４．８ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光とが得られる（波長２５２．４ｎｍは、波長１００９．６ｎｍの第４高調波である。）。
【０１６３】
さらに、第２波長変換素子１０３’から出射された波長５０４．８ｎｍおよび波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光と第１波長変換素子１０２’から出射された波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光とが、波長分散素子１０４’に入射され、波長分散素子１０４’からは波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１０５’を透過してシリコン原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１０４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１６４】
一方、半透過ミラー１０５’により反射された波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１０６’によって反射されて、波長計やシリコンホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１０７’に入射される。
【０１６５】
このレーザー波長分光部１０７’において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’へ入力される。
【０１６６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１０８’においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１０１’が常に波長１００９．６ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１６７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光をシリコン原子に照射することが可能となる。
【０１６８】
次に、図１２を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１０に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１０に示した構成と同一または相当する構成には、図１０に用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１６９】
このレーザー冷却装置１１０は、偏光制御部として、第１半波長板１１１と、位相変調器１１２と、第２半波長板１１３と、変調器ドライバー１１４と、周波数変換器１１５とが配設されている。
【０１７０】
ここで、周波数変換器１１５はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１１４から変調信号が位相変調器１１２に出力されるように、変調器ドライバー１１４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１１２から出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０１７１】
つまり、この偏光制御部により、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０１７２】
次に、図１２に示す本発明レーザー冷却装置の他の例として、図１３を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源１００’を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１１に示した構成と同一または相当する構成には、図１１に用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、また、図１２に示した構成と同一または相当する構成には、図１２に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１７３】
このレーザー冷却装置１１０’は、偏光制御部として、第１半波長板１１１’と、位相変調器１１２’と、第２半波長板１１３’と、変調器ドライバー１１４’と、周波数変換器１１５’とが配設されている。
【０１７４】
ここで、周波数変換器１１５’はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１１４’から変調信号が位相変調器１１２’に出力されるように、変調器ドライバー１１４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１１２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、シリコン原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０１７５】
つまり、この偏光制御部により、波長２５２．４ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０１７６】
次に、図１４を参照しながら、所定波長のコヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例について説明する。
【０１７７】
この図１４に示す本発明レーザー冷却装置１２０においては、上記したＣＷレーザーとして、具体的には、１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを用いている。
【０１７８】
このレーザー冷却装置１２０は、シリコン原子に関して散乱力による減速と散乱力による冷却との双方を実施することができる。
【０１７９】
即ち、レーザー冷却装置１２０は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波長２５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザー１２１を用いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１２２と、位相変調器１２３と、第２半波長板１２４と、変調器ドライバー１２５と、発振器１２６と、第１レンズ１２７ａと、音響光学素子１２８と、第２レンズ１２７ｂと、音響光学素子ドライバー１２９とが配設されている。
【０１８０】
ここで、シリコン原子を散乱力により減速する場合には、音響光学素子１２８を使用して時間的に周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。
【０１８１】
また、シリコン原子を散乱力により冷却する際には、音響光学素子１２８は時間的に偏光を分離する効果と周波数を最適化するのに都合がよい。
【０１８２】
なお、シリコン用ＣＷレーザー１２１と第１半波長板１２２との間に電気光学シフター（ＥＯシフター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせいだ方がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に電気光学シフターを当該位置に配設するようにしてよい。
【０１８３】
なお、波長２５２．４ｎｍのシリコン用ＣＷレーザー１２１としては、例えば、波長１００９．６ｎｍのファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５０４．８ｎｍの半導体レーザーの第２高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長２５２．４．ｎｍの半導体レーザーを用いるようにしてもよい。
【０１８４】
ここで、上記したシリコン用ＣＷレーザー１２１として用いることのできるコヒーレント光源、即ち、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として適用できる深紫外域の波長のＣＷレーザー光を発生するコヒーレント光源の構成については、「ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ， Ｖｏｌ．２５， Ｎｏ．１９，Ｏｃｔｏｂｅｒ １，２０００， ｐｐ１４５７−１４５９」に開示されている。
【０１８５】
なお、上記においては、シリコン原子の冷却に適用することを中心に説明したが、シリコン原子以外の他の原子にも同様に適用することができることは勿論である。
【０１８６】
以下、シリコン原子以外の他の原子に適用する一例として、ゲルマニウム原子に適用する場合について説明する。
【０１８７】
まず、図１５を参照しながら、ゲルマニウム原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例について説明する。
【０１８８】
この図１５に示すゲルマニウム原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例は、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源（以下、「ゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源」と称する。）であり、例えば、図７に示す本発明レーザー冷却装置５０のコヒーレント光源部５２として用いることができることは勿論であり、また、後述する図１７に示すレーザー冷却装置におけるコヒーレント光源として用いることができる。
【０１８９】
この図１５に示すゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０は、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１と、第１波長変換素子１３２と、第２波長変換素子１３３と、波長分散素子１３４と、半透過ミラー１３５と、全反射ミラー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１３５と、全反射ミラー１３６と、レーザー波長分光部１３７と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバックループが形成されている。
【０１９０】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１は、波長８１３ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０１９１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１から出射された波長８１３ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１３２に入射され、第１波長変換素子１３２により波長８１３ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１９２】
そして、第１波長変換素子１３２から出射された波長８１３ｎｍおよび波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１３３に入射され、第２波長変換素子１３３により波長８１３ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長４０６．５ｎｍのコヒーレント光とその第３高調波の２７１．０ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０１９３】
さらに、第２波長変換素子１３３から出射された波長８１３ｎｍ、波長４０６．５ｎｍおよび波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は波長分散素子１３４に入射され、波長分散素子１３４からは波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１３５を透過してゲルマニウム原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１３４は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０１９４】
一方、半透過ミラー１３５により反射された波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１３６によって反射されて、波長計やゲルマニウムホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１３７に入射される。
【０１９５】
このレーザー波長分光部１３７において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８へ入力される。
【０１９６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１３８においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１が常に波長８１３ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０１９７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原子に照射することが可能となる。
【０１９８】
また、図１６には、図１５に示したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０の他の例が示されている。なお、図１５に示した構成と同一または相当する構成には、図１５に用いた符号と同一の符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０１９９】
図１６に示すゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０’は、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光を照射することができるように構成されており、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’と、第１波長変換素子１３２’と、第２波長変換素子１３３’と、波長分散素子１３４’と、半透過ミラー１３５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光部１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’とを有して構成されている。なお、半透過ミラー１３５’と、全反射ミラー１３６’と、レーザー波長分光部１３７’と、周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’とによって、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’へフィードバック信号としてエラーシグナルを入力するためのフィードバックループが形成されている。
【０２００】
ここで、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’は、波長１０８４ｎｍでパルス幅１ｐｓ〜１０００ｐｓ（フーリエ変換限界パルスで周波数幅１０００ＧＨｚ〜１ＧＨｚ）のコヒーレント光を出射する。
【０２０１】
まず、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’から出射された波長１０８４ｎｍのコヒーレント光は第１波長変換素子１３２’に入射され、第１波長変換素子１３２’により波長１０８４ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長５４２ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０２０２】
そして、第１波長変換素子１３２’から出射された波長５４２ｎｍのコヒーレント光は第２波長変換素子１３３’に入射され、第２波長変換素子１３３’により波長５４２ｎｍのコヒーレント光とその第２高調波の波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光とが得られる。
【０２０３】
さらに、第２波長変換素子１３３’から出射された波長５４２ｎｍおよび波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光と第１波長変換素子１３２’から出射された波長１０８４ｎｍのコヒーレント光とが、波長分散素子１３４’に入射され、波長分散素子１３４’からは波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光のみ出射され、半透過ミラー１３５’を透過してゲルマニウム原子の散乱力による減速のために用いられる。なお、波長分散素子１３４’は、例えば、プリズム、グレーティング、多層膜ミラーあるいはフィルターなどにより構成される。
【０２０４】
一方、半透過ミラー１３５’により反射された波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光は、全反射ミラー１３６’によって反射されて、波長計やゲルマニウムホローカソード管などから構成されるレーザー波長分光部１３７’に入射される。
【０２０５】
このレーザー波長分光部１３７’において入射されたコヒーレント光の波長が計測され、その計測結果が周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’へ入力される。
【０２０６】
周波数制御用エラーシグナル発生器１３８’においては、入力された計測結果に基づいて、モード同期（ロック）ピコ秒レーザー１３１’が常に波長１０８４ｎｍのコヒーレント光を発生するようにエラーシグナルをフィードバックする。
【０２０７】
こうしたフィードバック制御により、常に波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光をゲルマニウム原子に照射することが可能となる。
【０２０８】
次に、図１７を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１５に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例について説明する。なお、図１５に示した構成と同一または相当するの構成には、図１５に用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０２０９】
この本発明レーザー冷却装置１４０は、偏光制御部として、第１半波長板１４１と、位相変調器１４２と、第２半波長板１４３と、変調器ドライバー１４４と、周波数変換器１４５とが配設されている。
【０２１０】
ここで、周波数変換器１４５はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１４４から変調信号が位相変調器１４２に出力されるように、変調器ドライバー１４４に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１４２から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０２１１】
つまり、この偏光制御部により、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０２１２】
次に、図１７に示すレーザー冷却装置の他の一例として、図１８を参照しながら、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１６に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源１３０’を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の実施の形態の一例について説明する。なお、図１６に示した構成と同一または相当する構成には、図１６において用いた符号と同一の符号を用いて示すこととし、また、図１７に示した構成と同一または相当する構成には、図１７に用いた符号に「’」を付して示すことにより、その詳細な説明は省略する。
【０２１３】
このレーザー冷却装置１４０’は、偏光制御部として、第１半波長板１４１’と、位相変調器１４２’と、第２半波長板１４３’と、変調器ドライバー１４４’と、周波数変換器１４５’とが配設されている。
【０２１４】
ここで、周波数変換器１４５’はモード同期周波数を入力され、そのモード同期周波数を周波数変換することにより、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で変調器ドライバー１４４’から変調信号が位相変調器１４２’に出力されるように、変調器ドライバー１４４’に制御信号を出力する。即ち、位相変調器１４２’から出力されるコヒーレント光の偏光が、ゲルマニウム原子の自然放出寿命の略２倍の周期で切り替わるように設定されている。
【０２１５】
つまり、この偏光制御部により、波長２７１．０ｎｍのコヒーレント光の偏光が、自然放出寿命の略２倍の周波数で切り替わるように制御されることになる。
【０２１６】
次に、図１９を参照しながら、所定波長のコヒーレント光を発生する原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源としてＣＷレーザーを用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例について説明する。
【０２１７】
この、図１９に示すレーザー冷却装置１５０においては、上記したＣＷレーザーとして、具体的には、１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを用いている。
【０２１８】
このレーザー冷却装置１５０は、ゲルマニウム原子に関して散乱力による減速と散乱力による冷却との双方を実施することができる。
【０２１９】
即ち、レーザー冷却装置１５０は、原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として波長２７１ｎｍのゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１を用いるとともに、偏光制御部として、第１半波長板１５２と、位相変調器１５３と、第２半波長板１５４と、変調器ドライバー１５５と、発振器１５６と、第１レンズ１５７ａと、音響光学素子１５８と、第２レンズ１５７ｂと、音響光学素子ドライバー１５９とが配設されている。
【０２２０】
ここで、ゲルマニウム原子を散乱力により減速する場合には、音響光学素子１５８を使用して時間的に周波数を変化させて、チャープ冷却を行う。
【０２２１】
また、ゲルマニウム原子を散乱力により冷却する際には、音響光学素子１５８は時間的に偏光を分離する効果と周波数を最適化するのに都合がよい。
【０２２２】
なお、ゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１と第１半波長板１５２との間に電気光学シフター（ＥＯシフター）を追加で組み込んで周波数シフト量をかせいだ方がチャープ冷却には有効な場合があるので、適宜に電気光学シフターを当該位置に配設するようにしてよい。
【０２２３】
なお、波長２７１ｎｍのゲルマニウム用ＣＷレーザー１５１としては、例えば、波長１０８４ｎｍのファイバーレーザーや半導体レーザーの第４高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長５４２ｎｍの半導体レーザーの第２高調波を用いるようにしてもよいし、あるいは、波長２７１ｎｍの半導体レーザーを用いるようにしてもよい。
【０２２４】
なお、上記した説明においては、冷却対象の原子としてシリコン原子とゲルマニウム原子を取り扱ったが、これに限られるものではないことは勿論であり、冷却対象の原子として種々の元素の原子を取り扱うようにすることができる。
【０２２５】
即ち、取り扱う原子を構成する所定の種類の原子、例えば、各種の同位体の中の所望のものの原子共鳴線と一致もしくは正または負に離調した波長を備えたコヒーレント光を、コヒーレント光源装置から当該原子ビームに照射することにより、上記した例と同様の作用効果を得ることができる。
【０２２６】
（７）変形例について
上記した実施の形態は、以下に説明する（ａ）乃至（ｆ）に示すように変形してもよい。
【０２２７】
（ａ）上記した実施の形態においては、クラスタ元素としてシリコンを用いたシリコンクラスタや、シリコンクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包シリコンクラスタを作成する手法について説明したが、本発明はこれに限られるものではないことは勿論である。
【０２２８】
即ち、上記したように本発明によれば、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタや、これらＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎあるいはＰなどをクラスタ元素とするクラスタの一部をＣｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）などのようなクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを作成することができる。
【０２２９】
ここで、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタを作成するには、上記した実施の形態において、トラップする対象の原子（トラップ原子）や、電子ビームエバポレータのターゲットと原子を、ＳｉからＢ、Ａｌ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐに変えればよい。
【０２３０】
また、クラスタの一部をクラスタ元素以外の他の元素で置換したクラスタを作成するには、上記した実施の形態において、２つの元素を同時または別々に放出することのできる電子ビームエバポレータを用いればよい。ターゲット元素を化合物にしてもよい。
【０２３１】
さらに、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタに異元素としてルビジウムを内包したルビジウム内包クラスタや、シリコンクラスタに異元素としてルビジウム以外の異元素を内包した異元素内包シリコンクラスタや、シリコン以外の上記した他のクラスタ元素を用いたクラスタに異元素としてルビジウム以外の異元素を内包した異元素内包クラスタを作成するには、上記した実施の形態において、電子ビームエバポレータのターゲット原子（元素）をＳｉの代わりに、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐに変えればよい。
【０２３２】
（ｂ）上記した実施の形態においては、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２を用いて、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するようにした。しかしながら、コヒーレント光源１０００６から出射されたコヒーレント光のビーム径を拡大するに際して、これらビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２を全て用いる必要はないことは勿論であり、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２をそれぞれ単体であるいは適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０２３３】
また、クラスタを効率よく生成するためには、コヒーレント光のビーム径をある程度太くして（例えば、ビーム径は、直径１０ｍｍ程度であることが好ましい。）、コヒーレント光のシリコン原子に対する照射領域を広くすることが好ましいが、コヒーレント光のビーム径を太くしなくてもよいことは勿論である。コヒーレント光のビーム径を太くしない場合には、ビームエクスパンダー１０００８、凹レンズ１００１０ならびに凸レンズ１００１２などのビーム径の拡大手段を用いる必要はない。
【０２３４】
（ｃ）上記した実施の形態においては、半波長板を用いて偏光の波面を整えるようにしたが、偏光の波面を整える必要がないときは、半波長板を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３５】
（ｄ）上記した実施の形態においては、１／４波長板を用いてコヒーレント光の直線偏光を円偏光に偏光するとともに円偏光を直線偏光に偏光することにより偏光を整えるようにしたが、偏光を整える必要がないときは、１／４波長板を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３６】
（ｅ）上記した実施の形態においては、凸レンズ２０００４を用いて光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整するようにしたが、光双極子トラップレーザー２０００２から出射されたレーザー光のレーザービーム径を調整する必要がないときは、凸レンズ２０００４を用いなくても良いことは勿論である。
【０２３７】
（ｆ）上記した実施の形態ならびに上記した（ａ）乃至（ｅ）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【０２３８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、各種のクラスタ元素からなるクラスタや異元素内包クラスタを効率的に安定して生成することを可能にしたクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置を提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第１の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図２】クラスタ元素としてシリコン元素を用いて第２の手法によりシリコンクラスタを生成するクラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図３】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第３の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図４】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第４の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概念構成説明図である。
【図５】図５は、図４に示すシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の動作を示す説明図であり、（ａ）はチャンバー内におけるポテンシャルエネルギーの極小点、即ち、局所空間において、ルビジウム磁気光学トラップシステムから出射されるレーザー光と光双極子トラップレーザーから出射されたレーザー光とが交差する状態を示し、（ｂ）は光双極子トラップにより冷却したシリコン原子をルビジウム原子のトラップ領域内に集めることができるとともにルビジウム原子が磁気光学トラップされた領域とシリコン原子が光双極子トラップされた領域とが分離されることを示す。
【図６】クラスタ元素としてシリコン元素を用いるとともに異元素としてルビジウム元素を用いて、第５の手法によりシリコンクラスタならびにルビジウム内包シリコンクラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタ生成装置の概略構成説明図である。
【図７】先願開示事項による原子のレーザー冷却装置の一例の概念構成説明図である。
【図８】複屈折結晶によるレーザー光の位相の変化の様子を示す説明図であり、（ａ）はｏ軸とｅ軸との間で位相が−π／２ずれた場合に左回りの偏光（σ−）となることを示し、（ｂ）はｏ軸とｅ軸との間で位相のずれがない場合に直線偏光（π）となることを示し、（ｃ）はｏ軸とｅ軸との間で位相がπ／２ずれた場合に右回りの偏光（σ＋）となることを示す。
【図９】１光子の吸収・放出に要する時間が自然放出寿命（τ）の２倍となることを示す説明図である。
【図１０】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１１】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の他の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるシリコン原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１２】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１０に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１３】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１１に示す１台のシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１４】１台の波長２５２．４ｎｍのＣＷレーザーを原子冷却に用いるコヒーレント光源として用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１５】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の一例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１６】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の他の例を示す構成説明図であり、より詳細には、散乱力によるゲルマニウム原子の減速を行うための光源としての原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源の構成説明図である。
【図１７】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１５に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１８】原子のレーザー冷却に用いるコヒーレント光源として図１６に示す１台のゲルマニウム減速用ピコ秒コヒーレント光源を用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速用ピコ秒コヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【図１９】１台の波長２７１ｎｍのＣＷレーザーを原子冷却に用いるコヒーレント光源として用いたレーザー冷却装置（偏光制御機能を付加したシリコン減速／冷却用ＣＷコヒーレント光源）の一例の構成説明図である。
【符号の説明】
１０００２ チャンバー
１０００４ アンチヘルムホルツコイル
１０００６ コヒーレント光源
１０００８ ビームエクスパンダー
１００１０ 凹レンズ
１００１２ 凸レンズ
１００１４、１００１６、１００２０、１００２６、１００２８、１００３２，１００３４，１００３６、１００４０、１００４４、１００４８ ミラー
１００１８、１００３０ ビームスプリッター
１００２２、１００２４ 半波長板
１００３８、１００４２、１００４６ １／４波長板
Claims (10)
- クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、
クラスタ元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、
前記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成する
クラスタの生成方法。 - クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成方法において、
クラスタ元素の原子を光双極子トラップにより局所空間に捕捉し、
前記局所空間に捕捉した原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成する
クラスタの生成方法。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、
前記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素の原子を注入し、
前記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、
前記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、前記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成する
クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、
前記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内に光双極子トラップによりクラスタ元素を捕捉し、
前記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、
前記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、前記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成する
クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を磁気光学トラップにより局所空間に捕捉し、
前記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にイオントラップによりクラスタ元素を捕捉し、
前記局所空間内で捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子とクラスタ元素の原子とが衝突することによりクラスタ元素の原子を冷却し、
前記冷却したクラスタ元素の原子同士を散乱または光誘起散乱により会合させてクラスタを生成するとともに、前記生成したクラスタと冷却したクラスタ元素とは異なる元素の原子とを散乱または光誘起散乱により会合させて異元素内包クラスタを生成する
クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法。 - クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、
クラスタ元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段を有し、
前記磁気光学トラップ手段は、前記クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を前記局所空間に照射するコヒーレント光源を有する
ものであるクラスタの生成装置。 - クラスタ元素の原子からクラスタを生成するクラスタの生成装置において、
クラスタ元素の原子をレーザー冷却するコヒーレント光を局所空間に照射するコヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源によりレーザー冷却された前記クラスタ元素の原子を前記局所空間に捕捉する光双極子トラップ手段と
を有するクラスタの生成装置。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、
前記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する前記局所空間内にクラスタ元素の原子を注入する注入手段と
を有するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、
前記磁気光学トラップ手段により捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉する光双極子トラップ手段と
を有するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置。 - クラスタ元素の原子および該クラスタ元素とは異なる元素の原子からクラスタおよび異元素内包クラスタを生成するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置において、
クラスタ元素とは異なる元素の原子を局所空間に捕捉する磁気光学トラップ手段と、
前記磁気光学トラップにより捕捉したクラスタ元素とは異なる元素の原子が存在する局所空間内にクラスタ元素を捕捉するイオントラップ手段と
を有するクラスタおよび異元素内包クラスタの生成装置。
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| JP2002221188A JP2004058225A (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | クラスタおよび異元素内包クラスタの生成方法および生成装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007240288A (ja) * | 2006-03-08 | 2007-09-20 | National Institute Of Information & Communication Technology | 中性原子のトラップ装置 |
| CN103700417A (zh) * | 2013-12-20 | 2014-04-02 | 北京航天时代光电科技有限公司 | 一种二维磁光阱系统 |
| JP2015023276A (ja) * | 2013-07-22 | 2015-02-02 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | 光学的に透明な窓枠及び外部くさびを有する原子センサ物理パッケージ |
| WO2023149159A1 (ja) * | 2022-02-01 | 2023-08-10 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 磁気光学トラップ装置、物理パッケージ、光格子時計用物理パッケージ、原子時計用物理パッケージ、原子干渉計用物理パッケージ、量子情報処理デバイス用物理パッケージ、及び、物理パッケージシステム |
| WO2023243246A1 (ja) * | 2022-06-14 | 2023-12-21 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 磁気光学トラップ装置、物理パッケージ、光格子時計用物理パッケージ、原子時計用物理パッケージ、原子干渉計用物理パッケージ、量子情報処理デバイス用物理パッケージ、及び、物理パッケージシステム |
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2002
- 2002-07-30 JP JP2002221188A patent/JP2004058225A/ja active Pending
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