中國科學家提出一種新型固態原子鐘方案,更適于實際應用

根據中國科學技術大學官網近日消息,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,并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”(赫茲水平的金剛石NV色心的全同性檢驗)為題于7月28日發表在《物理評論快報》上。
“原子鐘是以原子共振頻率為標準來計算及保持時間準確的時鐘。從古至今,人們使用各種周期性的規律現象來記錄時間:利用太陽在天空的位置制成日冕,利用單擺的往復運動做成鐘擺,利用晶體的壓電諧振制成石英鐘表......基于類似的思想,原子在不同能級疊加態上的演化也是一種周期性的現象,利用這種周期性的現象可以制作極為精確的原子鐘。”論文的第一作者趙致遠向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示。
“金剛石中存在一種叫做氮-空位的類原子缺陷,可以將缺陷中氮核制備為疊加態,將氮核狀態周期性的演化作為規律記時的標準。”趙致遠表示,“此項工作驗證了固態體系中類原子缺陷的全同性,基于該工作的結論原理上可以構建一種新的原子鐘。”
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,這不僅因為人類相信自然應是簡單的,大量實驗證據也暗示如此。然而,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。同時,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(簡稱NV色心)得到了廣泛關注。當金剛石晶格中一個氮原子取代碳原子,同時相鄰位置缺少一個碳原子而留下空位時,就形成了NV色心。

金剛石晶格中NV中心的原子結構。橙色球體表示氮原子,白色球體表示空位,黑色球體表示碳原子。

這種缺陷具有很多優良性質,例如室溫大氣條件下就有較長的相干時間,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,NV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NV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。
研究人員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。新方案是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。

原子鐘方案的Allan方差

趙致遠表示,“由于金剛石固態晶格的保護作用,這種原子鐘優勢在于具有高魯棒性和集成性。相較于現有的基于原子氣系綜的原子鐘,可適應更復雜惡劣的工作環境,如震動劇烈的環境、高溫環境、移動平臺環境等。”
論文稱,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。
趙致遠表示,此次研究的主要創新和突破有三點:第一,這是固態體系中首個類原子缺陷全同性檢驗的工作;第二,頻率檢驗精度高,達赫茲級。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;第三,提出了新的固態類原子鐘方案,該方案相較于已有的方案,對溫度變化更加不敏感,更加適于實際應用。(本文來自澎湃新聞,更多原創資訊請下載“澎湃新聞”APP)
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