基于金刚石NV-制造技术

本发明专利技术提供了一种基于金刚石NV

【技术实现步骤摘要】
基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置


[0001]本专利技术涉及原子钟
，尤其涉及一种基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置。

技术介绍

[0002]高精度时钟是众多科技和国防领域的关键技术，包括通信、计算及导航等。原子钟是目前精度最高的一种时钟，根据所用跃迁频率的大小主要分为两类，分别为光钟和微波钟。光钟利用光频段的跃迁对激光进行频率校准，是目前最精确的原子钟，其精度比作为秒定义的铯原子钟还要高出3个数量级，不过光钟设备复杂，目前还没有被广泛地使用。微波钟利用铷、铯、氢等原子的基态超精细耦合的能级劈裂校准微波频率，是当前使用最广泛的原子钟。
[0003]微波原子钟的主要技术指标包括频率准确度、短期稳定性和长期稳定性等，而在实际应用中，原子钟装置的小型化和便携性也是非常重要的，例如星载和地面的时钟系统、通讯网同步设备等系统都需要高精度的小型原子钟。移动设备一般不自带高精度时钟，必须接受外部信号(GPS信号) 来校准其内部时钟，在外部校准信号被阻断的情况下，这时就非常需要可便携的小型原子钟进行校准。此外，在实验室里，同步众多电子设备也要依靠小型原子钟。
[0004]当前小型商用原子钟主要为铷原子钟，铷钟具有体积小、质量小且价格便宜的优点，但也有准确度低、长期稳定性较差等缺点。与原子气体相比，固体内类原子缺陷的跃迁频率没有多普勒增宽和碰撞增宽，且固体内的稳定环境使其对外界环境的扰动不敏感，若用固体内类原子缺陷的跃迁频率作为频率参考制作原子钟，固体内部天然的稳定环境有望实现更高鲁棒性的原子钟装置。然而由于固体内复杂的晶格环境，导致固态自旋的相干时间一般很短，因此少有利用固态类原子缺陷作为频率标准的研究。
[0005]氮空位缺陷是金刚石体内的一种点缺陷，具有易极化、易读出以及室温下相干时间长等优异性质，因此近十年来该领域发展迅猛。有人提出了利用金刚石NV色心的基态零场劈裂作为频率标准制作小型原子钟的设想，理论上该方案可以达到商用铷原子钟的精度，然而由于NV色心的零场劈裂受温度扰动较大，室温下随温度变化的关系为
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74kHz/K。因此受制于温度稳定性，该方案难以实现较高的时间和频率精度。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提出基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置。
[0007]本专利技术提出的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，通过拉姆齐干涉比较射频频率和
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N超精细耦合，并通过收集NV色心的荧光信号读出其差值，以反馈锁定射频频率，将射频频率作为频率标准输出。该原子钟实现方法对其他核自旋I＝1/2的固态自旋体系也同样适用。
[0008]进一步地，本专利技术的一种基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，包括：
[0009]初始化：前置初始化过程施加激光脉冲初始化NV电子自旋，同时施加一个直流偏置的方波和第一微波的选择性π脉冲，然后施加一个射频的π脉冲，初始化
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N核自旋，施加激光脉冲重新初始化NV电子自旋；最后施加第二微波的选择性π脉冲，完成总的初始化过程；
[0010]拉姆齐干涉：使用射频的π/2脉冲执行拉姆齐干涉序列；
[0011]读出：施加第二微波的选择性π脉冲纠缠核自旋和电子自旋，施加激光脉冲同时收集NV色心的荧光信号并将其转换为电信号；
[0012]反馈锁频：根据电信号计算射频频率与
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N超精细耦合之间的频率差，根据计算结果调整射频频率，直至将射频频率锁定于
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N超精细耦合；
[0013]输出：采用已锁定的射频频率作为频率标准，输出原子钟时钟信号。
[0014]进一步地，本专利技术的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，初始化包括：
[0015]施加激光脉冲将NV电子自旋初始化至|m
S
＝0>，同时施加一个直流偏置的方波和第一微波的选择性π脉冲，然后施加一个射频的π脉冲，将核自旋初始化至|m
I
＝
‑
1/2>；
[0016]施加激光脉冲使电子自旋再一次初始化；
[0017]施加第二微波的选择性π脉冲，将NV电子自旋和
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N核自旋制备到态|m
S
＝+1，m
I
＝
‑
1/2>。
[0018]进一步地，本专利技术的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，前置初始化可以执行多次，以获得最佳极化度。
[0019]进一步地，本专利技术的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，拉姆齐干涉所用的两个态为|m
I
＝
‑
1/2>与|m
I
＝+1/2>。
[0020]进一步地，本专利技术的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，通过比例
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积分
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微分算法进行射频频率的校准。
[0021]本专利技术的另一方面提出一种基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟装置，包括：
[0022]光源，用于发出激光激发NV色心，使NV色心发出荧光；
[0023]滤光片，用于滤掉荧光光谱外的杂散光；
[0024]微波信号发生器，用于产生第一微波的选择性π脉冲和第二微波的选择性π脉冲；
[0025]射频信号发生器，用于产生射频；
[0026]直流信号发生器，用于产生直流偏置；
[0027]功率放大器，用于增强所述微波和射频的功率；
[0028]双裂解环谐振器，用于将所述第一微波的选择性π脉冲和第二微波的选择性π脉冲传输至激光激发金刚石NV色心的空间范围，形成均匀的微波场，操控NV的电子自旋态；
[0029]低频线圈，用于将所述射频传输至激光激发金刚石NV色心的空间范围，形成均匀的射频场，操控
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N的核自旋态；用于将所述直流偏置传输至激光激发金刚石NV色心的空间范围，形成均匀的磁场，以劈裂NV电子自旋能级；
[0030]磁屏蔽罩，用于屏蔽外界磁场的扰动，提高装置的稳定性和准确性；
[0031]光电探测器，用于采集NV色心辐射出的荧光信号并将其转化为电信号；
[0032]反馈锁频模块，用于接收光电探测器传输的电信号，并由此计算射频频率与
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N超
精细耦合之间的频率差，据此实时反馈控制射频频率，将射频频率锁定于<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，其特征在于，通过拉姆齐干涉比较射频频率和
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N超精细耦合，并通过收集NV色心的荧光信号读出其差值，以反馈锁定射频频率，将所述射频频率作为频率标准输出。2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，其特征在于，包括：初始化：前置初始化过程施加激光脉冲初始化NV电子自旋，同时施加一个直流偏置的方波和第一微波的选择性π脉冲，然后施加一个射频的π脉冲，初始化
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N核自旋，施加激光脉冲重新初始化NV电子自旋；最后施加第二微波的选择性π脉冲，完成整个初始化过程；拉姆齐干涉：使用射频的π/2脉冲执行拉姆齐干涉序列；读出：施加第二微波的选择性π脉冲纠缠核自旋和电子自旋，施加激光脉冲同时收集NV色心的荧光信号并将其转换为电信号；反馈锁频：根据所述电信号计算所述射频频率与
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N超精细耦合之间的频率差，根据计算结果调整所述射频频率，直至将所述射频频率锁定于
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N超精细耦合；输出：采用已锁定的射频频率作为频率标准，输出原子钟时钟信号。3.根据权利要求2所述的基于金刚石NV
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，其特征在于，所述初始化包括：施加激光脉冲将NV电子自旋初始化至|m
S
＝0&gt;，同时施加一个直流偏置的方波和第一微波的选择性π脉冲，然后施加一个射频的π脉冲，将核自旋初始化至|m
I
＝
‑
1/2&gt;，施加激光脉冲使电子自旋再一次初始化；施加第二微波的选择性π脉冲，将NV电子自旋和
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N核自旋制备到态|m
S
＝+1，m
I
＝
‑
1/2&gt;。4.根据权利要求2所述的基于金刚石NV
‑
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，其特征在于，所述前置初始化可以执行多次，以获得最佳极化度。5.根据权利要求2所述的基于金刚石NV
‑
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N耦合自旋体系的原子钟实现方法，其特征在于，所述拉姆齐干涉所用的两个态为|m
I
＝
‑
1/2&...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐韶亦，谢天宇，赵致远，石发展，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：