我国科学家提出新型固态原子钟方案

仙仙

记者8月3日从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、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。该成果日前发表在《物理评论快报》上。


精密测量是人类深化认知自然界的重要手段，如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。但是，对于固体中的类原子缺陷，由于固态晶格的复杂性，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10年来，金刚石中的一种类原子缺陷——氮—空位色心得到了广泛关注。这种缺陷具有很多优良的性质，基于这些优势，氮—空位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，研究组对氮—空位色心的全同性进行了赫兹级水平的检验，通过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，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。


基于以上全同性检验的结果，研究组提出了一种具有高鲁棒性（指系统具有稳健性）和集成性特点的固态原子钟的新方案。相较于现有商用原子钟，该固态原子钟具有高鲁棒性和易于集成的特点，更适合在低温、高压、移动平台等具有挑战性的复杂环境下工作。


该成果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。在应用层面上，该工作提出了一类具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟方案，相关成果已申请专利。（记者吴长锋）