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          中國科大首次對固態體系中類原子缺陷進行全同性檢驗

          時間:2021-08-02 09:25:15 來源:中國科大新聞網

            中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展等人在固態體系中開展了首個類原子缺陷全同性檢驗的工作,頻率檢驗精度達赫茲級,基于這一結果提出了新型固態原子鐘方案。該成果以“Identity Test of Single NV? Centers in Diamond at Hz-Precision Level”為題發表在近期《物理評論快報》上[Physical Review Letters127, 053601(2021)]。


            精密測量是人類深化認知自然界的重要手段,諸如基本物理規律檢驗、基本物理常數測量、原子鐘和引力波探測等領域都以精密測量為基礎。而粒子的全同性是開展高精度測量的前提,人們傾向于相信諸如光子、電子、原子等粒子天然就是全同的,這不僅是因為人類相信自然應該是簡單的,大量的實驗證據也暗示如此。但是,對于固體中的類原子缺陷,由于固態晶格的復雜性,人們通常不認為它們是全同的。亦是由于固態晶格的復雜性,高精度的實驗測量和理論分析存在極大的困難,若想在室溫大氣下實現這些難度則更高。因此,目前尚未對固體中的類原子缺陷進行過高精度的全同性檢驗。


            近十年來,金剛石中的一種類原子缺陷——氮-空位色心(NV center)得到了廣泛關注。這種缺陷具有很多優良的性質,例如室溫大氣條件下就有很長的相干時間,可通過激光照射讀出和初始化,周圍存在可被利用的核自旋資源等?;谶@些優勢,氮-空位色心已經在量子精密測量和量子計算等領域被廣泛應用。


            在室溫大氣條件下,研究組對氮-空位色心的全同性進行了赫茲級水平的檢驗。研究組采用拉姆齊干涉法對該系統的哈密頓量進行了測量,在赫茲級水平上對不同色心進行了比較。其中,對氮核自旋的電四極矩耦合的測量最為精確,結果為?4945754.9(8) Hz,此測量值的精度比以往實驗提高了四個數量級。實驗驚奇地發現,即使在室溫大氣條件下,不同的色心仍能在赫茲水平上表現為全同,而不均勻的晶格應力可使色心產生數十赫茲的差異。


            研究組基于以上全同性檢驗的結果,提出了一種具有高魯棒性和集成性特點的固態原子鐘的新方案。該方案將核自旋的電四極矩耦合當做頻率標準,一塊1立方毫米大小的具有6 ppb色心濃度的金剛石即可達到現有商用原子鐘的水平。相較于現有商用原子鐘,得益于金剛石晶格的保護作用,該固態原子鐘具有高魯棒性和易于集成的特點,更適合在低溫、高壓、移動平臺等具有挑戰性的復雜環境下工作。


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            圖:(a):實驗探測序列及拉姆齊干涉結果;(b):全同性檢驗結果:四極矩耦合參數的測量結果,前五個為遠離固體浸沒透鏡的色心,后兩個為固體浸沒透鏡內的色心,在金剛石上加工固體浸沒透鏡會產生局域應力導致色心產生差異;(c):原子鐘方案的Allan方差,黑實線為實驗組提出的固態原子鐘方案。


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            圖:利用金剛石中的類原子缺陷,可以構建一種固態類原子鐘。


            該工作提供了一種在固態自旋中開展精密測量的方法,加深了對固態類原子缺陷的認識。未來,測量精度可在低溫下進一步提升至毫赫茲水平。在應用層面上,該工作提出了一類具有高魯棒性和集成性特點的固態原子鐘,相關成果已申請專利。


            中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士后謝天宇、博士生趙致遠、博士后郭茂森為該文并列第一作者,杜江峰院士和石發展教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和安徽省的資助。


            論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.053601


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