Алмазные часы объединили два сигнала и снизили температурный дрейф частоты

Атомные часы определяют точность GPS, телекоммуникационных сетей и фундаментальных физических измерений. Традиционные атомные часы на цезии или рубидии требуют сложного лазерного охлаждения атомов и громоздкого оборудования. Азотно-вакансионные (NV) центры в алмазах давно рассматриваются как основа компактных, твёрдотельных часов — но у них была критическая слабость: сильная зависимость частоты эталонного перехода от температуры. Новое исследование, описанное на Phys.org и представленное в препринте arXiv, решает эту проблему.

Суть проблемы

NV-центры в алмазе — дефекты кристаллической решётки, в которых азотный атом замещает атом углерода рядом с вакансией. Электронные спины этих центров прецессируют на характерной частоте около 2,87 ГГц — эта частота потенциально могла бы служить эталоном для компактных часов. Однако нулевое расщепление поля (D) имеет температурную зависимость около 74 кГц/К. При нормальных температурных колебаниях это делает часы непригодными для серьёзных метрологических применений.

Как решили: два сигнала вместо одного

Исследовательская группа показала, что ограничение можно преодолеть, объединив измерения двух разных переходов в одном NV-центре: электронного расщепления (D ≈ 2,87 ГГц) и квадрупольного расщепления ядерного спина ¹⁴N (Q ≈ 4,94 МГц).

Ключевой трюк в том, что температурные зависимости этих двух переходов различны. Объединяя их в специально разработанном «составном» эталоне через восьмифазную последовательность импульсов, которая перемежает измерения D и Q в плотном ансамбле NV-центров, учёные получили реперный сигнал, в котором температурные дрейфы взаимно компенсируются.

Результаты 10-дневного теста

Стабильность составных алмазных часов тестировали на протяжении 10 дней при комнатной температуре путём сравнения с рубидиевым эталоном:

— дробная нестабильность ниже 5×10⁻⁹ при времени усреднения τ = 200 с; — дробная нестабильность ниже 1×10⁻⁸ при τ = 2×10⁵ с; — улучшение по сравнению с одночастотными часами на D: в 4 раза при τ = 200 с и в 200 раз при больших временах усреднения; — температура перестала быть доминирующим источником нестабильности.

Что это открывает

Алмазные часы привлекательны тем, что NV-центры заключены в прочную кристаллическую решётку — они исключительно стойки к вибрациям, ударам и магнитным полям. Компактный, твёрдотельный, не требующий лазерного охлаждения стандарт частоты — это потенциальная основа для навигационных систем в отрыве от GPS, геодезии и квантовых коммуникаций.

Ранее pronedra.ru писал о ускорении операций квантового компьютера.