中国科学家提出一种新型固态原子钟方案,更适于实际应用

根据中国科学技术大学官网近日消息,杜江峰、石发展等人在固态体系中开展了首个类原子缺陷全同性检验的工作,频率检验精度达赫兹级,并基于这一结果提出了新型固态原子钟方案。
该成果以“Identity Test of Single NV−Centers in Diamond at Hz-Precision Level”(赫兹水平的金刚石NV色心的全同性检验)为题于7月28日发表在《物理评论快报》上。
“原子钟是以原子共振频率为标准来计算及保持时间准确的时钟。从古至今,人们使用各种周期性的规律现象来记录时间:利用太阳在天空的位置制成日冕,利用单摆的往复运动做成钟摆,利用晶体的压电谐振制成石英钟表......基于类似的思想,原子在不同能级叠加态上的演化也是一种周期性的现象,利用这种周期性的现象可以制作极为精确的原子钟。”论文的第一作者赵致远向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示。
“金刚石中存在一种叫做氮-空位的类原子缺陷,可以将缺陷中氮核制备为叠加态,将氮核状态周期性的演化作为规律记时的标准。”赵致远表示,“此项工作验证了固态体系中类原子缺陷的全同性,基于该工作的结论原理上可以构建一种新的原子钟。”
精密测量是人类深化认知自然界的重要手段,诸如基本物理规律检验、基本物理常数测量、原子钟和引力波探测等领域都以精密测量为基础。
而粒子的全同性是开展高精度测量的前提,人们倾向于相信诸如光子、电子、原子等粒子天然就是全同的,这不仅因为人类相信自然应是简单的,大量实验证据也暗示如此。然而,对于固体中的类原子缺陷,由于固态晶格的复杂性,人们通常不认为它们是全同的。同时,由于固态晶格的复杂性,高精度的实验测量和理论分析存在极大的困难,若想在室温大气下实现这些难度则更高。因此,目前尚未对固体中的类原子缺陷进行过高精度的全同性检验。
近十年来,金刚石中的一种类原子缺陷——氮-空位色心(简称NV色心)得到了广泛关注。当金刚石晶格中一个氮原子取代碳原子,同时相邻位置缺少一个碳原子而留下空位时,就形成了NV色心。

金刚石晶格中NV中心的原子结构。橙色球体表示氮原子,白色球体表示空位,黑色球体表示碳原子。

这种缺陷具有很多优良性质,例如室温大气条件下就有较长的相干时间,可通过激光照射读出和初始化,周围存在可被利用的核自旋资源等。基于这些优势,NV色心已经在量子精密测量和量子计算等领域被广泛应用。
在室温大气条件下,研究组对NV色心的全同性进行了赫兹级水平的检验。研究组采用拉姆齐干涉法对该系统的哈密顿量进行了测量,在赫兹级水平上对不同色心进行了比较。其中,对氮核自旋的电四极矩耦合的测量最为精确,结果为−4945754.9(8) Hz,此测量值的精度比以往实验提高了四个数量级。实验惊奇地发现,即使在室温大气条件下,不同的色心仍能在赫兹水平上表现为全同,而不均匀的晶格应力可使色心产生数十赫兹的差异。
研究人员基于以上全同性检验的结果,提出了一种具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟的新方案。新方案是将核自旋的电四极矩耦合当做频率标准,一块1立方毫米大小的具有6 ppb色心浓度的金刚石即可达到现有商用原子钟的水平。

原子钟方案的Allan方差

赵致远表示,“由于金刚石固态晶格的保护作用,这种原子钟优势在于具有高鲁棒性和集成性。相较于现有的基于原子气系综的原子钟,可适应更复杂恶劣的工作环境,如震动剧烈的环境、高温环境、移动平台环境等。”
论文称,该工作提供了一种在固态自旋中开展精密测量的方法,加深了对固态类原子缺陷的认识。未来,测量精度可在低温下进一步提升至毫赫兹水平。
赵致远表示,此次研究的主要创新和突破有三点:第一,这是固态体系中首个类原子缺陷全同性检验的工作;第二,频率检验精度高,达赫兹级。由于固态晶格的复杂性,高精度的实验测量和理论分析存在极大的困难,若想在室温大气下实现这些难度则更高;第三,提出了新的固态类原子钟方案,该方案相较于已有的方案,对温度变化更加不敏感,更加适于实际应用。(本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
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