RU2684669C1 - Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond - Google Patents

Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond Download PDF

Info

Publication number
RU2684669C1
RU2684669C1 RU2017140886A RU2017140886A RU2684669C1 RU 2684669 C1 RU2684669 C1 RU 2684669C1 RU 2017140886 A RU2017140886 A RU 2017140886A RU 2017140886 A RU2017140886 A RU 2017140886A RU 2684669 C1 RU2684669 C1 RU 2684669C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
radiation
diamond plate
state
spin
Prior art date
Application number
RU2017140886A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Владиславович Воробьев
Владимир Владимирович Сошенко
Степан Викторович Большедворский
Алексей Владимирович Акимов
Андрей Николаевич Смолянинов
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис"
Priority to RU2017140886A priority Critical patent/RU2684669C1/en
Priority to PCT/RU2019/050002 priority patent/WO2019103663A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2684669C1 publication Critical patent/RU2684669C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/60Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers
    • G01C19/62Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers with optical pumping

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: use: for measurements using a quantum gyroscope. Summary of invention consists in the fact that measurement of rotation in space using a rotation sensor comprising a diamond plate with colour centres, including the following steps, calibrating the sensor by translating the colour centres of the electron spins into a state with m= 0with projection of electron spins on centre axis NV equal to zero, due to constant exposure of diamond plate to incoherent optical field, as well as transfer of part of electronic spins system corresponding to nuclear spin projection m= 1, m= -1, colour centres from state m= 0 to state m= (+/-)1 and m= (-/+)1 with the projection of said spins on the NV axis of the centre, which is equal to plus one unit |0, 1} → |-1, 1} and minus the unit |0, -1} → |1, -1}, due to constant and simultaneous action on diamond plate of optical incoherent radiation, two-frequency microwave radiation and magnetic field, after which systems of nuclear spins are transferred into state m= 0 due to constant action on the diamond plate of radio-frequency radiation (RF), which realizes transitions |1, -1} ↔ |1, 0}, |-1, 1} ↔ |-1, 0}, bringing the sensor into a state which is sensitive to rotation by applying a nuclear spin in the state m to the system= 0, m= 0 of resonance radio-frequency radiation, minimizing rotation measurement error by modulation of microwave radiation frequencies in the vicinity of two resonance frequencies corresponding to different values of electron spin, recording the electron spin response from the diamond plate fluorescence signal at modulation frequencies and generating the microwave signal correcting frequency based on the measured error signal, returning the radiation frequencies to resonance circuit maximums, calculating at specified periodicity angular rotation speed of sensor as difference of continuously controlled frequency of radio-frequency radiation and known value of quadrupole splitting of nuclear spin, wherein frequency adjustment of radio-frequency radiation is carried out by modulating the frequency of radio-frequency radiation in the vicinity of the resonance frequency of the nuclear spin, Note here that nuclear spin response is detected from fluorescence signal of diamond plate at modulation frequency and corrective signal frequency is generated on the basis of measured error signal returning radiation frequency to maximum of resonance circuit.EFFECT: technical result is possibility of measuring absolute rotation of sensitive sensor element.13 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области гироскопов, а именно, к квантовым гироскопам.The invention relates to the field of gyroscopes, namely, to quantum gyroscopes.

Из уровня техники известен патент РФ №2522596, опубликованный 10.02.2014, «Способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза», в котором описан способ определения угла разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза. Способ включает помещение композита алмаза в резонатор спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), измерение спектров ЭПР азотно-вакансионного NV-дефекта в композите алмаза при разных ориентациях композита алмаза относительного внешнего магнитного поля, сравнение полученных зависимостей линий ЭПР с рассчитанными положениями линий ЭПР NV-дефекта в монокристалле алмаза в магнитном поле, определяемыми расчетным путем. Затем по увеличению ширины линии ЭПР в композите алмаза по сравнению с шириной линии ЭПР в монокристалле алмаза определяют угол разориентированности кристаллитов алмаза. Изобретение позволяет определить угол разориентированности кристаллитов алмаза в композите алмаза, обеспечивает высокую точность измерений, а также возможность оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР), что повышает чувствительность измерений.The prior art patent RF №2522596, published 02.02.2014, "A method for determining the angle of disorientation of diamond crystallites in a diamond composite", which describes a method for determining the angle of disorientation of diamond crystallites in a diamond composite. The method involves placing a diamond composite into an electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer resonator, measuring the EPR spectra of a nitrogen-vacancy NV defect in a diamond composite with different orientations of the diamond composite relative external magnetic field, comparing the obtained dependences of the EPR lines with the calculated positions of the NV defect EPR lines in a single crystal diamond in a magnetic field, determined by calculation. Then, by increasing the width of the EPR line in the diamond composite as compared to the width of the EPR line in a diamond single crystal, the angle of disorientation of the diamond crystallites is determined. The invention allows to determine the misorientation angle of diamond crystallites in a diamond composite, provides high accuracy of measurements, as well as the possibility of optical magnetic resonance detection (ODMR), which increases the sensitivity of measurements.

Из уровня техники известен патент РФ №2570471, опубликованный 15.12.2014, «Способ определения ориентации NV дефектов в кристалле». В документе описан способ определения ориентации NV дефектов в кристалле алмаза. Способ включает помещение образца кристалла алмаза во внешнее магнитное поле, воздействие на образец микроволновым излучением, облучение рабочего объема образца сфокусированным лазерным излучением, возбуждающим в рабочем объеме образца фотолюминесценцию, по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), который создают путем развертки частоты микроволнового излучения и модуляции внешнего магнитного поля. Измеряют спектры ОДМР NV дефекта в кристалле алмаза при разных ориентациях кристалла алмаза относительного внешнего магнитного поля. Сравнивают полученные зависимости линий ОДМР с рассчитанными положениями линий NV дефекта в кристалле алмаза в магнитном поле. Затем определяют ориентацию NV дефекта по величине отклонения положения линий NV дефекта от рассчитанных положений линий. Изобретение решает задачу определения ориентации NV-дефектов в кристалле.The prior art patent of the Russian Federation No. 2570471, published 12/15/2014, "Method for determining the orientation of NV defects in a chip." The document describes a method for determining the orientation of NV defects in a diamond crystal. The method involves placing a sample of a diamond crystal in an external magnetic field, exposing the sample to microwave radiation, irradiating the working volume of the sample with focused laser radiation exciting photoluminescence in the working volume of the sample, which records the signal of optically detected magnetic resonance (ODMR), which is created by scanning the frequency of the microwave radiation and modulation of the external magnetic field. The spectra of the ODMR of the NV defect in a diamond crystal are measured for different orientations of a diamond crystal with respect to an external magnetic field. The obtained dependences of the ODMR lines are compared with the calculated positions of the NV defect lines in a diamond crystal in a magnetic field. Then, the orientation of the NV defect is determined by the magnitude of the deviation of the position of the NV lines of the defect from the calculated line positions. The invention solves the problem of determining the orientation of NV-defects in the crystal.

Из уровня техники известен патент США №9541610, опубликованный 04.08.2016, «Устройство и метод для восстановления трехмерного магнитного поля с помощью системы магнитного детектирования». В документе раскрыта система магнитного обнаружения внешнего магнитного поля. Система включает в себя алмазный материал с вакансиями азота (NV), содержащий множество NV-центров, генератор магнитного поля, который генерирует магнитное поле, источник радиочастотного (RF) возбуждения, который обеспечивает радиочастотное возбуждение, источник оптического возбуждения, который обеспечивает оптическое возбуждение, оптический детектор, который принимает оптический сигнал, излучаемый алмазным материалом NV, и контроллер. Контроллер выполнен для расчета управляющего магнитного поля, управления генератором магнитного поля для генерации управляющего магнитного поля, приема сигнала обнаружения света от оптического детектора на основе оптического сигнала в соответствии с суммой генерируемого управляющего магнитного поля и внешнего магнитного поля, хранения данных измерений на основе принятого сигнала обнаружения света и для вычисления вектора внешнего магнитного поля на основе данных измерений.The prior art US patent No. 9541610, published 04.08.2016, "Device and method for restoring a three-dimensional magnetic field using a magnetic detection system." The document discloses a system for magnetic detection of an external magnetic field. The system includes diamond material with nitrogen vacancies (NV), containing many NV centers, a magnetic field generator that generates a magnetic field, a radio frequency (RF) excitation source that provides radio frequency excitation, an optical excitation source that provides optical excitation, optical a detector that receives the optical signal emitted by the NV diamond material; and a controller. The controller is designed to calculate a control magnetic field, control a magnetic field generator to generate a control magnetic field, receive a light detection signal from an optical detector based on an optical signal in accordance with the sum of the generated control magnetic field and external magnetic field, store measurement data based on the received detection signal light and to calculate the vector of the external magnetic field based on the measurement data.

Из уровня техники известен патент США №8947080, опубликованный 09.12.2010, «Высокочувствительный твердотельный магнитометр». В патенте описан магнитометр для измерения магнитного поля, который может включать в себя твердотельную электронную систему спина и детектор. Система электронного спина может содержать один или несколько электронных спинов, которые расположены в решетке, например, центры NV в алмазе. Электронные спины могут быть сконфигурированы для приема оптического излучения возбуждения и согласования с магнитным полем. Электронные спины могут быть дополнительно индуцированы для прецессии вокруг воспринимаемого магнитного поля в ответ на внешнее управление, такое как радиочастотное поле, частота прецессии спина линейно связана с магнитным полем с помощью зеемановского сдвига электронного спина энергетических уровней. Детектор может быть сконфигурирован для обнаружения выходного оптического излучения от электронного спина, чтобы определить зеемановский сдвиг и, следовательно, магнитное поле.From the prior art known US patent No. 8947080, published 12/09/2010, "Highly sensitive solid-state magnetometer." The patent describes a magnetometer for measuring the magnetic field, which may include a solid-state spin electronic system and a detector. The electron spin system can contain one or more electron spins that are located in the lattice, for example, NV centers in a diamond. The electron spins can be configured to receive optical excitation radiation and align with the magnetic field. The electron spins can be additionally induced to precess around the perceived magnetic field in response to external control, such as a radio frequency field, the spin precession frequency is linearly related to the magnetic field using the Zeeman shift of the electron spin energy levels. The detector can be configured to detect the output optical radiation from the electron spin to determine the Zeeman shift and, therefore, the magnetic field.

Недостатком известных решений является нестабильность по отношению к флуктуациям интенсивности излучения, инерционность систем, необходимость наличия "темного времени", в течение которого спиновая система подготавливается к измерению и соответственно не чувствительна к вращению.A disadvantage of the known solutions is the instability with respect to fluctuations of the radiation intensity, the inertia of the systems, the need for a "dark time" during which the spin system is prepared for measurement and is therefore not sensitive to rotation.

Техническая задачаTechnical task

Технической задачей, решаемой изобретением является измерение абсолютного вращения чувствительного элемента сенсора. Технический результат совпадает с технической задачей.The technical problem solved by the invention is the measurement of the absolute rotation of the sensitive element of the sensor. The technical result is the same as the technical problem.

РешениеDecision

Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения вращения в пространстве с помощью сенсора вращения, содержащего алмазную пластину с центрами окраски, включающий выполнение следующих этапов,To solve this problem, a method is proposed for measuring rotation in space using a rotation sensor containing a diamond plate with color centers, including the following steps,

- калибруют сенсор переводом системы электронных спинов центров окраски в состояние с ms=0 с проекцией электронных спинов на ось NV центра равной нулю за счет постоянного воздействия на алмазную пластину некогерентного оптического поля, а также переводом части системы электронных спинов, соответствующих проекции ядерного спина mi=1 mi=-1, центров окраски из состояния ms=0 в состояние ms=(+/-)1 и mi=(-/+)1 с проекцией указанных спинов на ось NV центра равной плюс единице |0,1}→|1,1} и минус единице |0,-1}→|1,-1} за счет постоянного и одновременного воздействия на алмазную пластину оптического некогерентного излучения, двухчастотного микроволнового излучения (СВЧ) и магнитного поля, после чего переносят системы ядерных спинов в состояние mi=0 за счет постоянного воздействия на алмазную пластину радиочастотного излучения (РЧ), которое реализует переходы |1,-1}↔|1,0}, |-1,1}↔|-1,0},- calibrate the sensor by transferring the electron spins of the color centers to the state with m s = 0 with the projection of the electronic spins on the NV axis of the center equal to zero due to the constant impact on the diamond plate of the incoherent optical field, as well as the translation of a part of the electron spin system corresponding to the nuclear spin m projection i = 1 m i = -1, color centers from the state m s = 0 to the state m s = (+/-) 1 and m i = (- / +) 1 with the projection of the indicated spins on the axis NV of the center equal to plus one | 0,1} → | 1,1} and minus one | 0, -1} → | 1, -1} due to constant and simultaneous influence i on the diamond plate of optical incoherent radiation, two-frequency microwave radiation (microwave) and magnetic field, then transfer the system of nuclear spins to the state m i = 0 due to constant exposure of the diamond plate to radio frequency radiation (RF), which realizes the transitions | 1, - 1} ↔ | 1,0}, | -1,1} ↔ | -1,0},

- приводят сенсор в чувствительное к вращению состояние за счет приложения к системе ядерного спина, находящегося в состоянии ms=0, mi=0, резонансного радиочастотного излучения,- bring the sensor into a state sensitive to rotation due to the application to the system of a nuclear spin, which is in the state m s = 0, m i = 0, of resonant radio frequency radiation,

- минимизируют ошибку измерения вращения модуляцией частот СВЧ излучения в окрестности двух резонансных частот, соответствующих различным значениям электронного спина, при этом регистрируют отклик электронного спина по сигналу флюоресценции алмазной пластины на частотах модуляции и вырабатывают корректирующую частоту СВЧ сигнала на основе измеряемого сигнала ошибки, возвращающего частоты излучения к максимумам резонансных контуров,- minimize the measurement error of rotation of the modulated microwave frequencies in the vicinity of two resonant frequencies corresponding to different values of the electronic spin, while registering the response of the electronic spin on the fluorescence signal of the diamond plate at modulation frequencies and produce a correction frequency of the microwave signal based on the measured error signal returning the radiation frequency to the maxima of the resonant circuits,

- вычисляют с заданной периодичностью угловую скорость вращения сенсора как разность постоянно контролируемой частоты радиочастотного излучения, и известной величины квадрупольного расщепления ядерного спина, при этом осуществляют постоянную подстройку частоты радиочастотного излучения за счет модуляции частоты радиочастотного излучения в окрестности резонансной частоты ядерного спина, при этом регистрируют отклик ядерного спина по сигналу флюоресценции алмазной пластины на частоте модуляции и вырабатывают корректирующего частоту сигнала на основе измеряемого сигнала ошибки, возвращающего частоту излучения к максимуму резонансного контура.- calculate with a given periodicity the angular velocity of rotation of the sensor as the difference is constantly monitored frequency of radio frequency radiation, and the known value of quadrupole splitting of the nuclear spin, while continuously adjusting the frequency of radio frequency radiation due to modulation of the frequency of radio frequency radiation in the vicinity of the resonant frequency of the nuclear spin, while registering the response nuclear spin on the fluorescence signal of the diamond plate at the modulation frequency and produce a corrective part from the signal based on the measured error signal that returns the frequency of the radiation to the maximum of the resonant circuit.

Способ может быть реализован со следующими численными характеристиками. Обеспечивают при помощи оптической системы для направления излучения на алмазную пластину плотность мощности накачки на алмазной пластине не менее 10 Вт/мм2, при этом создают магнитное поле на алмазной пластине до 20 Гаусс, при этом обеспечивают при помощи СВЧ антенны электромагнитное поле на алмазной пластине с равномерностью более 90%, при этом при помощи оптической системы обеспечивают эффективность сбора излучения флюоресценции не менее 10%.The method can be implemented with the following numerical characteristics. Using an optical system to direct radiation to a diamond plate, the pump power density on a diamond plate is not less than 10 W / mm 2 , while creating a magnetic field on a diamond plate up to 20 Gauss, while providing an electromagnetic field on a diamond plate with a microwave antenna more than 90% uniformity, while using the optical system to ensure the efficiency of collecting fluorescence radiation of at least 10%.

Для решения поставленной задачи предлагается сенсор вращения на центрах окраски, содержащийTo solve this problem, a rotation sensor on color centers is proposed, containing

- алмазную пластину с центрами окраски,- diamond plate with color centers,

- источник некогерентного света с оптической системой для направления излучения на алмазную пластину, обеспечивающей плотность мощности накачки достаточную для перевода системы электронных спинов центров окраски в состояние |0,1} с проекцией указанных спинов на ось NV центра равной нулю за счет постоянного воздействия на алмазную пластину некогерентного оптического поля,- a source of incoherent light with an optical system for directing radiation onto a diamond plate, providing a pump power density sufficient to convert the system of electron spins of color centers to the state | 0.1} with the projection of said spins on the axis NV of the center equal to zero due to constant impact on the diamond plate incoherent optical field

- два источника микроволнового излучения (СВЧ), модулируемых по амплитуде и частоте, и источник постоянного магнитного поля для перевода части системы электронных спинов центров окраски в состояние с проекцией указанных спинов на ось NV центра равной плюс единице |0,1}↔|-1,1} и минус единице |0,-1}↔|1,-1} за счет постоянного и одновременного воздействия на алмазную пластину двухчастотного СВЧ и магнитного поля, при этом источник магнитного поля является частью антенны для создания СВЧ и расположен таким образом, что создает магнитное поле в направлении максимально ортогональном ориентации кристаллографической оси, или в случае трехосевого варианта создает магнитное поле в направлении не коллинеарном 3 м осям,- two sources of microwave radiation (microwave), modulated in amplitude and frequency, and a source of constant magnetic field to convert part of the system of electronic spins of color centers to the state with the projection of these spins on the axis of the NV center equal to one | 0.1} ↔ | -1 , 1} and minus unit | 0, -1} ↔ | 1, -1} due to the constant and simultaneous impact on the diamond plate of the dual-frequency microwave and magnetic field, while the source of the magnetic field is part of the antenna to create a microwave and is located in such a way which creates a magnetic field in the direction the maximum orthogonal orientation of the crystallographic axis, or in the case of the three-axis variant, creates a magnetic field in a direction not collinear to 3 m,

- два источника радиочастотного излучения для выстраивания системы ядерных спинов в чувствительное к вращению в пространстве сенсора состояние за счет постоянного воздействия на алмазную пластину РЧ излучения, которое реализует переходы |1,-1}↔|1,0}, |-1,1}↔|-1,0},- two sources of radiofrequency radiation to align the system of nuclear spins into a state sensitive to rotation in sensor space due to the constant effect of RF radiation on the diamond plate, which realizes the | 1, -1} ↔ | 1,0}, | -1,1} transitions ↔ | -1,0}

- фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине, а также оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор,- a photodetector for detecting the fluorescence of color centers in the diamond plate, as well as an optical system that allows you to direct the fluorescence from the diamond plate to the photodetector,

- контроллер, который за счет управляющих сигналов формирует обратную связь посредством постоянной модуляции СВЧ в окрестности 2х резонансных частот на основе величины отклика электронного спина через регистрацию флюоресценции на частоте модуляции, а также постоянную модуляцию РЧ в окрестности резонансной частоты ядерного спина на основе величины отклика ядерного спина через регистрацию флюоресценции на частоте модуляции, и вычисляет угловую скорость вращения как разность постоянно контролируемой частоты радиочастотного излучения, и известной величины квадрупольного расщепления ядерного спина.- a controller that, through control signals, generates feedback through constant microwave modulation in the vicinity of 2 resonant frequencies based on the magnitude of the electron spin response through fluorescence recording at the modulation frequency, as well as constant RF modulation in the vicinity of the nuclear spin resonance frequency through the registration of fluorescence at the modulation frequency, and calculates the angular velocity of rotation as the difference of the constantly controlled frequency of radio frequency radiation and the known value of the quadrupole splitting of the nuclear spin.

Сенсор может быть выполнен со следующими численными характеристиками составных элементов.The sensor can be performed with the following numerical characteristics of the constituent elements.

Может использоваться источник некогерентного излучения со спектром в диапазоне от 500 нм до 580 нм, оптическая мощность на выходе источника не менее 0.1 Вт, антенна для СВЧ с диапазоном частот от 2.6 до 3 ГГц, источник постоянного магнитного поля, позволяющий создать поле на алмазной пластине до 20 Гаусс и имеющий температурную стабильность более 1 Гаусс в час, источники РЧ излучения, работающие в диапазоне до 10 МГц, фотодетектор, работающий в спектральном диапазоне от 600 до 800 нм, имеющий полосу частот более 1 МГц и обеспечивающий соотношение сигнал-шум на выходе не менее 50 дБ, при этом и величина проекции магнитного поля на перпендикуляр к выбранным осям кристалла составляет не менее 0.3 Гс, а величина квадрупольного расщепления ядерного спина, равная 4.95 МГц.An incoherent radiation source with a spectrum in the range from 500 nm to 580 nm, optical power at the source output of at least 0.1 W, an antenna for the microwave with a frequency range from 2.6 to 3 GHz, a source of a constant magnetic field that allows you to create a field on a diamond plate to 20 Gauss and having a temperature stability of more than 1 Gauss per hour, RF radiation sources operating in the range up to 10 MHz, a photo detector operating in the spectral range from 600 to 800 nm, having a frequency band of more than 1 MHz and providing a signal-to-signal ratio the output noise is not less than 50 dB, while the magnitude of the projection of the magnetic field on the perpendicular to the selected crystal axes is not less than 0.3 G, and the quadrupole splitting of the nuclear spin is 4.95 MHz.

Перечень фигурList of figures

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображена блок схема устройства.FIG. 1 shows a block diagram of the device.

На фиг. 2 приведены трехмерные конструкции для реализации изобретения.FIG. 2 shows three-dimensional structures for implementing the invention.

На фиг. 3 изображена структурная схема устройства формирования, регистрации и обработки сигналов.FIG. 3 shows a block diagram of a device for generating, recording and processing signals.

На фиг. 4 изображена кристаллическая структура NV дефекта в алмазе.FIG. 4 shows the crystal structure of the NV defect in diamond.

На фиг. 5 а) и б) изображены соответственно схема расположения уровней энергии внутри запрещенной зоны и подробное изображение уровней энергии основного орбитального состояния.FIG. 5 a) and b) respectively the layout of the energy levels inside the forbidden zone and a detailed image of the energy levels of the ground orbital state are shown.

На фиг. 6 приведен пример сверхтонкого расщепления наблюдаемого в оптически детектируемом электронном парамагнитном резонансе.FIG. 6 shows an example of the hyperfine splitting observed in the optically detectable electron paramagnetic resonance.

На фиг. 7 изображена схема приложения воздействий и соответствующих переходов в работе непрерывного гироскопа.FIG. 7 shows a diagram of the application of effects and the corresponding transitions in the work of a continuous gyroscope.

На фиг. 8 изображена схема инициализации ядерного спина.FIG. 8 shows the initialization of the nuclear spin.

На фиг. 9 изображена эволюция термального состояния ядерного спина в поляризованное состояние.FIG. 9 shows the evolution of the thermal state of the nuclear spin into a polarized state.

На фиг. 10 изображено одночастотное синхронное детектирование. Черной сплошной линией в центре фигуры обозначен контур резонанса, пунктирной - выход Lock-in усилителя. На фигуре также изображены формы модулирующего (выше среднего графика) и промодулированного сигнала (справа от среднего графика).FIG. 10 depicts single-frequency synchronous detection. The black solid line in the center of the figure indicates the resonance circuit, the dotted one is the lock-in output of the amplifier. The figure also shows the forms of the modulating (above average graph) and modulated signal (to the right of the average graph).

На фигурах введены следующие обозначения.In the figures introduced the following notation.

1. Источник постоянного магнитного поля вдоль оси NV.1. The source of a constant magnetic field along the axis NV.

2. Излучение оптической накачки.2. Optical pumping radiation.

3. Алмазная пластина с NV-центрами.3. Diamond plate with NV-centers.

4. Излучение оптической накачки + излучение флюоресценции NV-центров.4. Optical pumping radiation + fluorescence emission from NV centers.

5. Оптический фильтр для отсечения излучения накачки.5. Optical filter to cut off the pumping radiation.

6. Флюоресценция NV-центров.6. Fluorescence NV-centers.

7. Фотодетектор.7. Photo Detector.

8. РЧ антенна.8. RF antenna.

9. РЧ усилитель.9. RF amplifier.

10. Сумматор сигналов с двух РЧ генераторов.10. The adder signals from two RF generators.

11. РЧ амплитудный модулятор генератора 13.11. RF amplitude modulator generator 13.

12. РЧ амплитудный модулятор генератора 14.12. RF amplitude modulator generator 14.

13. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 1…10 МГц (РЧ), используемый в цикле поляризации ядерного спина.13. A controlled sinusoidal signal generator operating in the range of 1 ... 10 MHz (RF) used in the cycle of polarization of the nuclear spin.

14. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 1…10 МГц (РЧ), используемый в цикле измерения.14. Managed sinusoidal signal generator operating in the range of 1 ... 10 MHz (RF) used in the measurement cycle.

15. Устройство формирования, регистрации и обработки сигналов.15. Device for generating, recording and processing signals.

16. Управляемый генератор СВЧ синусоидального сигнала, используемый в цикле поляризации ядерного спина, подстраиваемый на переходы |0>-|+1> электронного спина.16. A controlled oscillator of a microwave sinusoidal signal used in the cycle of polarization of the nuclear spin, adjusted to transitions | 0> - | +1> electronic spin.

17. Управляемый генератор СВЧ синусоидального сигнала, используемый в цикле поляризации ядерного спина, подстраиваемый на переходы |0>-|-1> электронного спина.17. The controlled oscillator of the microwave sinusoidal signal used in the cycle of polarization of the nuclear spin, adjusted to transitions | 0> - | -1> of the electronic spin.

18. Амплитудный модулятор генератора 17.18. Amplitude generator modulator 17.

19. Амплитудный модулятор генератора 16.19. Amplitude modulator of the generator 16.

20. Сумматор сигналов с двух СВЧ генераторов.20. The adder signals from two microwave generators.

21. СВЧ усилитель.21. Microwave amplifier.

22. СВЧ антенна.22. Microwave antenna.

23. Источник излучения оптической накачки.23. The source of radiation of optical pumping.

24. Волновод для сбора излучения с алмаза.24. Waveguide to collect radiation from diamond.

25. Печатная плата.25. Printed circuit board.

26. Конденсатор на плате, формирующий вместе с катушками резонансную антенну.26. A capacitor on the board that forms together with the coils a resonant antenna.

27. Волновод для возбуждения СВЧ антенны.27. Waveguide for the excitation of the microwave antenna.

28. Полосковая РЧ антенна.28. Strip RF antenna.

29. Полосовой фильтр синхронного детектора MW0.29. Bandpass filter synchronous detector MW0.

30. Демодулятор сигнала MW0.30. Signal demodulator MW0.

31. Линия задержки для подстройки синхронного детектора MW0.31. Delay line for adjusting the MW0 synchronous detector.

32. Источник сигнала модуляции MW0.32. The source of the modulation signal MW0.

33. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер MW0.33. Proportional-integral-differential controller MW0.

34. Сумматор сигнала модуляции и компенсации MW0.34. The adder signal modulation and compensation MW0.

35. Сумматор сигнала модуляции и компенсации ΔMW.35. The adder signal modulation and compensation Δ MW .

36. Сумматор для формирования сигнала управления генератора СВЧ1.36. Adder for the formation of the control signal of the microwave generator 1.

37. Сумматор для формирования сигнала управления генератора СВЧ2.37. Adder for the formation of the control signal of the microwave generator 2.

38. Сигнал управления генератора СВЧ1.38. The control signal of the microwave generator 1.

39. Сигнал управления генератора СВЧ2.39. The control signal of the microwave generator 2.

40. Вычитатель для формирования сигнала управления генератора РЧ2.40. Subtractor for generating the control signal of the RF2 generator.

41. Сигнал управления РЧ2.41. The control signal RF2.

42. Сигнал управления РЧ1.42. The control signal RF1.

43. Источник сигнала модуляции ΔMW.43. The source of the modulation signal Δ MW .

44. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер ΔMW.44. Proportional-integral-differential controller Δ MW .

45. Сумматор сигнала модуляции и компенсации δRF.45. The adder signal modulation and compensation δ RF .

46. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер δRF.46. Proportionally-integrated differential controller δ RF .

47. Источник сигнала модуляции δRF.47. The source of the modulation signal δ RF .

48. Демодулятор δRF.48. Demodulator δ RF .

49. Полосовой фильтр синхронного детектора δRF.49. Band-pass filter of the synchronous detector δ RF .

50. Линия задержки для подстройки синхронного детектора δRF.50. Delay line to adjust the synchronous detector δ RF .

51. Вход сигнала флюоресценции.51. The input signal fluorescence.

52. Полосовой фильтр синхронного детектора ΔMW.52. Band-pass filter of the synchronous detector Δ MW .

53. Полосовой фильтр синхронного детектора ΔMW.53. Band-pass filter of a synchronous detector Δ MW .

54. Линия задержки для подстройки синхронного детектора ΔMW.54. Delay line for adjusting the synchronous detector Δ MW .

Детальное описание решенияDetailed solution description

Созданное техническое решение заключает в себя метод непрерывного измерения абсолютной скорости вращения объекта, а также устройство, позволяющее непрерывно измерять абсолютную скорость вращения объекта в пространстве на основе ансамбля NV-центров в алмазе. NV-центр в алмазе - дефект в кристаллической решетке алмаза, состоящий из примесного азота, и вакансии.The created technical solution includes a method of continuous measurement of the absolute speed of rotation of an object, as well as a device that allows continuous measurement of the absolute speed of rotation of an object in space based on an ensemble of NV centers in a diamond. NV-center in diamond - a defect in the crystal lattice of diamond, consisting of impurity nitrogen, and vacancy.

Преимуществами такой системы является высокая надежность, относительно маленькие размеры чувствительного элемента при сравнительно более высоких характеристиках по точности по сравнению с известными аналогами. Более того, в силу естественных особенностей данный метод позволяет сделать детектирование вращения относительно трех осей в одном чувствительном элементе используя 4 выделенных кристаллографических оси. Также, NV-центры являются стабильными центрами окраски при температурах 0-600 К.The advantages of such a system are high reliability, relatively small dimensions of the sensing element with a relatively higher performance in terms of accuracy compared with the known analogues. Moreover, due to natural features, this method allows for the detection of rotation with respect to three axes in one sensitive element using 4 selected crystallographic axes. Also, NV centers are stable color centers at temperatures of 0-600 K.

Метод непрерывного измерения абсолютной скорости вращения базируется на определении проекции суммарного вектора намагниченности ядерных спинов дефектов азота 14N или изотопа углерода 13С в кристаллической решетке алмаза содержащего NV(-) дефекты окраски. В предлагаемом методе суммарный вектор намагниченности приводится в равновесное стационарное состояние двумя противоположными воздействиями - «инициализацией» и «драйвом». Приведение системы во вращение приводит к отклонению вектора намагниченности из равновесного состояния - балансное состояние ядерного спина изменяет проекцию на ось квантования.The method of continuous measurement of the absolute rotational speed is based on the determination of the projection of the total magnetization vector of nuclear spins of 14 N nitrogen defects or 13 C carbon isotope in a diamond crystal lattice containing NV (-) color defects. In the proposed method, the total magnetization vector is brought into equilibrium stationary state by two opposite effects - “initialization” and “drive”. Bringing the system into rotation leads to a deviation of the magnetization vector from the equilibrium state — the balanced state of the nuclear spin changes the projection onto the quantization axis.

Оценки измерения погрешности для такого прибора находятся на уровне

Figure 00000001
Град/час, опережая похожие по компактности методы определения вращения на 1-2 порядка.Estimates of measurement errors for such a device are at the level of
Figure 00000001
Hail / hour, ahead of similarly compact methods for determining rotation by 1-2 orders of magnitude.

Метод измерения имеет следующие одновременно выполняемые процессыThe measurement method has the following simultaneous processes.

1. Инициализация1. Initialization

2. Драйв - переворот вектора намагниченности из состояния 0 в состояние 1.2. Drive - flipping of the magnetization vector from state 0 to state 1.

3. Измерение флюоресценции3. Measurement of fluorescence

4. Обратная связь по уровню флюоресценции на параметры драйва4. Feedback on the level of fluorescence on drive parameters

5. Привязка параметров инициализации к частотам переходов системы спинов для устранения помех внешних магнитных полей и температуры, а также одновременное использование системы вырожденного триплета +1, 0, -1 ядерного спина для фильтрации вклада магнитного поля.5. Binding initialization parameters to the transition frequencies of the spin system to eliminate interference from external magnetic fields and temperature, as well as the simultaneous use of a degenerate triplet system of +1, 0, -1 nuclear spin to filter the contribution of the magnetic field.

Конструкция гироскопа на NV-центрах в алмазе состоит из алмазной пластины (3, фиг. 1). Алмазная пластина должна обладать определенными качествами по содержанию центров окраски в ней. В случае использования спинов С13 - в ней должно быть повышенное содержание С13. В случае использования N14 - повышенное содержание NV-центров окраски, и пониженное содержание С13. В состав конструкции входит источник зеленого света (23) (500-580 нм), лазерного или фото диодного типа, и оптическая система для направления зеленого излучения на алмазную пластину; оптический фильтр (5) для фильтрации излучения (4), попадающего от алмаза (3) в волновод (24), от излучения накачки; фотодетектор (7) для детектирования флюоресценции (6) центров окраски в алмазной пластине и оптические элементы (24), позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор (7).The design of the gyroscope on the NV centers in diamond consists of a diamond plate (3, Fig. 1). Diamond plate must have certain qualities on the content of color centers in it. In the case of using C13 spins - it should have a high content of C13. In the case of using N14 - a high content of NV-color centers, and a reduced content of C13. The structure includes a source of green light (23) (500-580 nm), laser or photo diode type, and an optical system for directing green radiation to the diamond plate; an optical filter (5) for filtering radiation (4) falling from diamond (3) into a waveguide (24) from pump radiation; a photodetector (7) for detecting fluorescence (6) of color centers in a diamond plate and optical elements (24), which allow directing fluorescence from a diamond plate to a photodetector (7).

Также в состав конструкции изобретения входит (резонансная) СВЧ (22) и РЧ (8) антенна, источник СВЧ (16-20) и РЧ (10-14) сигналов, которые необходимы для эффективного взаимодействия с электронными и ядерными спинами в составе дефектов в алмазе. Кроме того, устройство должно содержать источник постоянного магнитного поля (1) и электронную вычислительную систему для контроля над измерениями (15).The structure of the invention also includes a (resonant) microwave (22) and RF (8) antenna, a source of microwave (16-20) and RF (10-14) signals, which are necessary for effective interaction with the electronic and nuclear spins in the composition of the defects in diamond In addition, the device must contain a source of constant magnetic field (1) and an electronic computing system to control measurements (15).

Источники РЧ и СВЧ сигналов двухканальные и состоят из генераторов гармонического сигнала (13, 14, 16, 17) модулируемых по частоте и по амплитуде (при помощи модуляторов 11, 12, 18, 19). Сигнал с двух каналов суммируется сумматорами (10, 20) и перед подачей на антенны усиливается усилителями (9, 12).The sources of RF and microwave signals are two-channel and consist of harmonic signal generators (13, 14, 16, 17) modulated in frequency and amplitude (using modulators 11, 12, 18, 19). The signal from two channels is summed by adders (10, 20) and is amplified by amplifiers (9, 12) before being fed to the antennas.

ОсуществлениеExercise

Сенсор вращения, основанный на использовании контролируемой прецессии ансамбля ядерных спинов в кристалле алмаза с большим количеством NV-центров в нем. NV-центр в алмазе может быть в нескольких зарядных состояниях q=0, q=-1, q=+1. B рамках данного изобретения используется состояние q=-1.A rotation sensor based on the use of controlled precession of an ensemble of nuclear spins in a diamond crystal with a large number of NV centers in it. The NV center in diamond can be in several charge states q = 0, q = -1, q = + 1. In the framework of this invention uses the state q = -1.

Одиночный NV-центр представлен на фиг. 4. Отдельный NV-центр состоит из атома азота и вакансии находящейся рядом с ним.A single NV center is represented in FIG. 4. A separate NV center consists of a nitrogen atom and a vacancy located next to it.

NV(-) дефект обладает 6-ю свободными электронами, имеющих суммарным спином S=1. Схема электронных уровней энергии для орбиталей внутри запрещенной зоны алмаза представлена на фиг. 5, слева.The NV (-) defect has 6 free electrons having a total spin S = 1. The scheme of electronic energy levels for orbitals within the forbidden zone of diamond is shown in FIG. 5, on the left.

Система подуровней невозбужденного состояния представлена на фиг. 5, справа.The system of sublevels of the unexcited state is presented in FIG. 5, on the right.

NV-центр обладает оптическими переходами в видимом и инфракрасном диапазоне. Основной оптический переход связан с переходом одного электрона с ех,у орбиталей на a1 орбиталь и находится на длине волны 637 нм а также имеет фононно-уширенный спектральный хвост.NV-center has optical transitions in the visible and infrared range. The main optical transition is associated with the transition of an electron with e x, orbitals to a 1 orbital and is at a wavelength of 637 nm and also has a phonon-broadened spectral tail.

После некогерентного возбуждения NV-центра распадается на невозбужденное состояния либо через оптический переход, либо через метастабильное состояние, не сохраняющий значение спина, излучая фотон в ИК диапазоне. Вероятность совершить переход через метастабильное состояние зависит от состояния электронного спина NV-центра, будучи максимальной для состояния с проекцией спина +-1 и минимальной для проекции спина 0. Интенсивность флюоресценции NV-центра в видимом диапазоне, таким образом, сильно зависит от спиновых свойств центра (контраст достигает 30%), что используется для оптического считывания состояния спиновой системы. Метастабильное состояние, меняющее спин, обладает не симметрией к состоянию спина, поэтому в конечном итоге происходит поляризация спина в состояние с проекцией 0, реализуя протокол оптической инициализации электронного спина. Несимметричность переходов по отношению к состоянию электронного спина позволяет производить оптическую инициализацию электронного спина - некогерентную перекачку из состояний +-1 электронного спина в состояние 0.After the incoherent excitation of the NV center, it decays into an unexcited state either through an optical transition or through a metastable state that does not preserve the spin value, emitting a photon in the IR range. The probability of making the transition through the metastable state depends on the state of the electron spin of the NV center, being the maximum for the state with spin projection + -1 and minimal for the spin projection 0. The fluorescence intensity of the NV center in the visible range is thus highly dependent on the spin properties of the center (contrast reaches 30%), which is used for optical reading of the state of the spin system. The metastable state, which changes the spin, has no symmetry to the spin state; therefore, the spin is eventually polarized to the state with the projection 0, realizing the optical spin initialization protocol. The asymmetry of the transitions with respect to the state of the electron spin allows the optical initialization of the electron spin to occur — the incoherent transfer from the + -1 states of the electron spin to the state 0.

Также NV - центр обладает разрешенными дипольными переходами в СВЧ диапазоне. В невозбужденном электронном состоянии (оба электрона находятся на a1 подуровне) имеется ненулевое спин спиновое взаимодействие электронов, которое приводит к расщеплению уровня энергии D ~ 2.87 ГГц между состояниями с разной проекцией электронного спина на ось NV (ms=0 и ms=+/-1), образующее тонкое расщепление основного состояния. Вырождение по знаку проекции может быть снято при помощи приложения постоянного магнитного поля вдоль оси NV-центра.Also, the NV-center has allowed dipole transitions in the microwave range. In the unexcited electronic state (both electrons are on a 1 sublevel) there is a nonzero spin spin interaction of electrons, which leads to a splitting of the energy level D ~ 2.87 GHz between states with different projection of the electron spin on the NV axis (m s = 0 and m s = + / -1), forming a thin splitting of the ground state. Degeneration by the sign of the projection can be removed by applying a constant magnetic field along the axis of the NV center.

Кроме этого каждое из тонких состояний испытывает сверхтонкое расщепление, связанное с взаимодействием электронного спина со спином ядра N14. СверхтонкоеIn addition, each of the thin states experiences hyperfine splitting associated with the interaction of the electron spin with the spin of the N 14 nucleus. Ultra slim

расщепление в отсутствии внешних полей составляет от 2.8 до 7.2 Мгц, в зависимости от состояния. Полный Гамильтониан для системы электронного и ядерного спина записывается следующим образом [Philipp Neumann "Towards a room temperature solid state quantum processor - The nitrogen-vacancy center in diamond", стр. 42, 56-58, 2012]:the splitting in the absence of external fields is from 2.8 to 7.2 MHz, depending on the state. The total Hamiltonian for the electronic and nuclear spin systems is written as follows [Philipp Neumann "The nitrogen-vacancy center in diamond", pp. 42, 56-58, 2012]:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
- слагаемое в гамильтониане, соответствующее взаимодействию электронного спина с полем решетки алмаза
Figure 00000004
и внешним магнитным полем
Figure 00000005
Figure 00000003
- the term in the Hamiltonian, corresponding to the interaction of the electron spin with the field of the diamond lattice
Figure 00000004
and external magnetic field
Figure 00000005

D (≈2.87 ГГц) - квадрупольное расщепление электронного спина-1 в поле алмазной решетки;D (≈2.87 GHz) is the quadrupole splitting of the electron spin-1 in the field of a diamond lattice;

Ye (≈2.8 МГц/Гс) - гиромагнитное отношение электронного спина;Y e (≈2.8 MHz / G) is the gyromagnetic ratio of the electron spin;

Bz - величина внешнего магнитного поля;B z - the value of the external magnetic field;

Figure 00000006
- оператор проекции электронного спина на ось Z;
Figure 00000006
- the operator of the projection of the electronic spin on the Z axis;

Figure 00000007
- слагаемое в гамильтониане, соответствующее сверхтонкому взаимодействию
Figure 00000008
, взаимодействию ядерного спина с внешним магнитным полем
Figure 00000009
квадрупольному взаимодействию ядерного спина
Figure 00000010
Figure 00000007
- the term in the Hamiltonian corresponding to the hyperfine interaction
Figure 00000008
interaction of nuclear spin with external magnetic field
Figure 00000009
quadrupole nuclear spin interaction
Figure 00000010

В свою очередь составляющие гамильтониана ядерного спина записываются как [Philipp Neumann "Towards a room temperature solid state quantum processor - The nitrogen-vacancy center in diamond", стр. 42, 56-58, 2012]:In turn, the components of the nuclear spin Hamiltonian are written as [Philipp Neumann "The nitrogen-vacancy center in diamond", p. 42, 56-58, 2012]:

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
- контактное взаимодействие Ферми;
Figure 00000012
- Fermi contact interaction;

Figure 00000013
- вероятность нахождения электрона внутри ядра;
Figure 00000013
- probability of finding an electron inside the nucleus;

Figure 00000014
- тензор взаимодействия;
Figure 00000014
- interaction tensor;

Figure 00000015
- диполь-дипольное взаимодействие электронного и ядерного спинов;
Figure 00000015
- dipole-dipole interaction of electron and nuclear spins;

μ0 - магнитная проницаемость вакуума;μ 0 is the magnetic permeability of vacuum;

γn=gnμn - гиромагнитное отношение для ядра N14;γn = gnμn is the gyromagnetic ratio for the N14 core;

Er - r-й вектор орт декартовой системы координат;E r is the rth vector ort of the Cartesian coordinate system;

r - эффективное расстояние между электронным и ядерным спинами;r is the effective distance between the electron and nuclear spins;

В - внешнее магнитное поле;B - external magnetic field;

Q - постоянная квадрупольного расщепления для ядерного спина;Q is the quadrupole splitting constant for the nuclear spin;

Figure 00000016
- вектор-оператор ядерного спина;
Figure 00000016
- vector operator of nuclear spin;

Figure 00000017
- вектор-оператор электронного спина;
Figure 00000017
- vector operator of electronic spin;

Параметры гамильтониана могут быть найдены в [Philipp Neumann "Towards a room temperature solid state quantum processor - The nitrogen-vacancy center in diamond", стр. 42,56-58, 2012], [L.I. Childress, "Coherent manipulation of single quantum systems in the solid state," стр 25-26 no. March, 2007] [Victor Marcel Acosta "Optical Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond", стр. 15, 2011].The parameters of the Hamiltonian can be found in [Philipp Neumann, "The nitrogen-vacancy center in diamond", pp. 42,56-58, 2012], [L.I. Childress, "Coherent manipulation of single quantum systems in the solid state," pp. 25-26 no. March, 2007] [Victor Marcel Acosta "Optical Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond", p. 15, 2011].

Естественная ширина линии СВЧ перехода на частоте 2.87 ГГц составляет порядка 100-200 кГц, а расстояния между переходами соответствующими разным состояниям спина порядка 2.1 МГц, таким образом, в спектре ЭПР и ОДМР можно наблюдать триплетное расщепление состояний с проекцией электронного спина равной 0 и 1 (фиг. 6).The natural width of the microwave transition line at 2.87 GHz is about 100–200 kHz, and the distance between transitions corresponding to different spin states is about 2.1 MHz; thus, in the EPR and ODMR spectra, the triplet splitting of states with the projection of the electronic spin equal to 0 and 1 can be observed ( Fig. 6).

Однако в случае использования ансамбля NV-центров, такие факторы как напряжение в кристалле, примеси С13 и неоднородное магнитное поле могут привезти к неоднородному уширению линии СВЧ переходов для разных NV-центров из ансамбля, что может привезти к ухудшению характеристик гироскопа.However, in the case of using the NV-center band, factors such as stress in the crystal, impurity C 13 and an inhomogeneous magnetic field can bring to the inhomogeneous broadening of the microwave transitions for different NV-center of the ensemble, which may bring deterioration gyro characteristics.

Для использования в устройстве лучше всего подходят кристаллы алмаза с умеренным содержанием NV-дефектов (1-100 ppm). Могут быть использованы алмазы производства НРНТ без использования катализаторов, CVD с контролируемым умеренным содержанием примесей азота, и отсутствием других парамагнитных примесей, таких как С13, а также природные кристаллы алмаза. Для создания ансамбля NV-центров в кристалле необходимо провести облучение под электронным, протонным, нейтронным, или гелиевым пучком, с энергией частиц превышающей 1 МэВ. (3 МэВ). После облучения, необходимо продержать образец в вакуумной высокотемпературной печи. Режим отжига может быть разный. В качестве примера, используется отжиг при температуре 800 градусов Цельсия в течение 2 часов. В процессе отжига, вакансии, образованные при облучении, становятся подвижными и «находят» азотные примесные атомы в решетке алмаза.Diamond crystals with a moderate content of NV-defects (1-100 ppm) are best suited for use in the device. Diamonds produced by HPHT without the use of catalysts, CVD with a controlled moderate content of nitrogen impurities, and the absence of other paramagnetic impurities, such as C 13 , as well as natural diamond crystals can be used. To create an ensemble of NV centers in a crystal, it is necessary to conduct irradiation under an electron, proton, neutron, or helium beam, with particle energy exceeding 1 MeV. (3 MeV). After irradiation, it is necessary to hold the sample in a vacuum high-temperature furnace. Annealing mode may be different. As an example, annealing at a temperature of 800 degrees Celsius for 2 hours is used. In the process of annealing, vacancies formed during irradiation become mobile and “find” nitrogen impurity atoms in the diamond lattice.

Кристалл алмаза может быть отполирован в соответствии с различной кристаллографической осью. Коммерчески доступные пластины обладают [100], [110], [111], ориентацией. Например, ориентация [100] означает, что грань полировки перпендикулярна ребру куба гранецетрической кристаллической решетки алмаза. Ориентация [111] означает, что нормаль к плоскости полировки параллельна ковалентной связи в решетке алмаза (см. фиг. 4). Для эффективного взаимодействия СВЧ излучения с электронным спином, магнитное переменное поле должно быть направлено перпендикулярно оси NV-центра. Наиболее подходящим решением будет СВЧ резонатор изображенный на фиг. 2, состоящий из печатной платы (25), на которой сформирован конденсатор (26), и двух проводящих колец (22). Сигнал к СВЧ антенне подводится по волноводу (27). Микроволновый резонатор должен обладать необходимой степенью подстраиваемости, для использования на различных частотах, например на переходе Ms=-1 ->0, или Ms=+1 ->0.A diamond crystal can be polished according to a different crystallographic axis. Commercially available plates have [100], [110], [111] orientation. For example, the [100] orientation means that the face of polishing is perpendicular to the edge of the cube of the diamond-faceted lattice. The [111] orientation means that the normal to the polishing plane is parallel to the covalent bond in the diamond lattice (see Fig. 4). For effective interaction of microwave radiation with electron spin, the magnetic alternating field should be directed perpendicular to the axis of the NV center. The most suitable solution would be a microwave resonator shown in FIG. 2, consisting of a printed circuit board (25) on which a capacitor (26) is formed, and two conductive rings (22). The signal to the microwave antenna is fed through the waveguide (27). Microwave resonator must have the necessary degree of adaptability, for use at different frequencies, for example at the transition Ms = -1 -> 0, or Ms = + 1 -> 0.

В качестве РЧ антенны используется микрополосковая антенна (28), ширина которой обеспечивает необходимую однородность магнитного поля на РЧ частоте в области алмаза.A microstrip antenna (28) is used as the RF antenna, the width of which provides the necessary uniformity of the magnetic field at the RF frequency in the diamond region.

Технология измерения вращения на ядерном спине азотаMeasurement technology of rotation on the nuclear back of nitrogen

Измерение вращения осуществляется на базе измерения параметров прецессии суммарного вектора намагниченности ядерного спина ансамбля NV-центров, а именно величины склонения или проекции вектора на ось квантования, которые меняются в присутствии вращения.The rotation measurement is carried out on the basis of the measurement of the precession parameters of the total magnetization vector of the nuclear spin of an ensemble of NV centers, namely, the declination or projection of the vector on the quantization axis, which change in the presence of rotation.

Для того чтобы провести описанное выше измерение, необходимо одновременно совершать некогерентную релаксационную инициализацию ядерного спина в состояния с проекцией 0 и одновременное когерентное переворачивание («драйв») в состояние 1, либо -1 либо одновременно +1 и -1. Выбор этих трех случаев осуществляется за счет типа поляризации излучения «драйва» РЧ. Право круговая дает +1, лево круговая дает -1, линейная дает обе проекции. В процессе этих воздействий необходимо измерять проекцию ядерного спина проецируя его на состояние электронного спина. Такое проецирование удачно выполняется во время процесса инициализации, о чем будет рассказано подробнее ниже. По контрасту флюоресценции зависящем от состояния электронного спина определяется отстройка параметров «драйва», а именно частота, и совершается управление системой методом обратной связи, для замыкания цикла работы в закрытый цикл (close-loop).In order to carry out the measurement described above, it is necessary to simultaneously perform an incoherent relaxation initialization of the nuclear spin into states with projection 0 and simultaneous coherent inversion (“drive”) to state 1, or -1, or +1 and -1 simultaneously. The choice of these three cases is due to the type of polarization of the “drive” of the RF. The right circular gives +1, the left circular gives -1, the linear gives both projections. In the process of these effects, it is necessary to measure the projection of the nuclear spin by projecting it onto the state of the electronic spin. This projection is successfully performed during the initialization process, which will be discussed in more detail below. By fluorescence contrast depending on the state of the electronic spin, the detuning of the “drive” parameters is determined, namely the frequency, and the system is controlled by the feedback method to close the work cycle into a closed loop (close-loop).

Процесс 1: Релаксационная поляризация ядерного спинаProcess 1: Relaxation Polarization of Nuclear Spin

Подпроцесс 1.1Subprocess 1.1

Инициализация ансамбля ядерных спинов NV-центров осуществляется в соответствии с фиг. 7, фиг. 8. Для этого одновременно прикладывается излучение некогерентной накачки оптической (500-600 нм), когерентное резонансное СВЧ1 поле на частотах соответствующих переходам |0,1}→|-1,1} (СВЧ2), |0,-1}→|1,-1} (СВЧ1) (фиг. 8), радиочастот на переходах |1,-1}→|1,0}, |-1,1}→|-1,0} (РЧ) - частоты этих переходов одинаковы.The initialization of the nuclear spin ensemble of NV centers is carried out in accordance with FIG. 7, FIG. 8. To do this, radiation of an incoherent pumping optical (500-600 nm), coherent resonant UHF1 field at the frequencies of the corresponding transitions | 0.1} → | -1.1} (UHF), | 0, -1} → | 1 , -1} (UHF1) (Fig. 8), radio frequencies at the transitions | 1, -1} → | 1,0}, | -1,1} → | -1,0} (RF) - the frequencies of these transitions are the same .

Совокупность приложения трех типов излучения приводит систему в состояние с проекциями электронного и ядерного спина равными 0, потому что оптическая накачка, переводя населенности с уровня Ms=+-1 в Ms=0, переводит населенности ядерных подуровней без изменений. А как следует из фиг.8,, уровень |0,0}, единственный «темный» уровень, с которого не происходит перекачками микроволнами, следовательно, он накапливает населенность. Данный метод был численно исследован. На фиг. 9The combination of the application of the three types of radiation brings the system into a state with projections of the electron and nuclear spin equal to 0, because optical pumping, transferring populations from the level Ms = + - 1 to Ms = 0, transfers the populations of nuclear sublevels without changes. And as it follows from Fig. 8 ,, the level | 0,0}, the only “dark” level from which microwaves do not transfer, therefore, it accumulates the population. This method has been studied numerically. FIG. 9

приведена временная зависимость состояний, стартовавших с равно заселенных термальных населенностей.The time dependence of the states that started from equally populated thermal populations is given.

В результате мы имеем аналог некогерентной накачки для трехуровневой системы -ядерного спина - перекачивающей состояния с ненулевых проекций в нулевую проекцию за характерной время Tinit со скоростью Гinit=1/Tinit.As a result, we have an analog of incoherent pumping for a three-level system — a nuclear spin — a pumping state from nonzero projections into a zero projection over the characteristic time T init with speed G init = 1 / T init .

Подпроцесс 1.2Subprocess 1.2

В реальных условиях для стабильной работы инициализации необходимо, чтобы сдвиги уровней энергии под воздействием эффекта Зеемана (3 МГц/Гс), или температуры (70 кГц/град) не приводили к изменению суммарной скорости поляризации спина. Для этого реализуется метод обратной связи методом синхронного детектирования. Путем модуляции частоты СВЧ поля в окрестности резонансной частоты, возможно реализовать дисперсный контур, с необходимой для реализации обратной связи линейной зависимостью сигнала от расстояния до желаемой частоты, используя схему синхронного детектирования, изображенную на фиг. 10.In reality, for a stable initialization operation, it is necessary that shifts in energy levels due to the Zeeman effect (3 MHz / G), or temperature (70 kHz / deg) do not lead to a change in the total spin polarization velocity. For this purpose, a feedback method is implemented using the synchronous detection method. By modulating the frequency of the microwave field in the vicinity of the resonant frequency, it is possible to realize a dispersed circuit, with the linear dependence of the signal necessary for the implementation of the feedback on the distance to the desired frequency, using the synchronous detection circuit shown in FIG. ten.

Процесс 2. Драйв ядерного спина в основном состоянии электронного спина.Process 2. Drive the nuclear spin in the ground state of the electron spin.

В силу реализации процесса 1 - «инициализация» ядерный спин релаксирует в состояние mi=0 - т.е. к «Экватору» сферы возможных положений спина (не сфера Блоха). В результате такой релаксации ядерный спин постепенно теряет фазу и проекцию, которую имел.By virtue of the implementation of the process 1 - “initialization”, the nuclear spin relaxes to the state m i = 0 - i.e. to the "Equator" sphere of possible positions of the back (not the sphere of the Bloch). As a result of this relaxation, the nuclear spin gradually loses the phase and projection that it had.

В противовес инициализации, «драйв» - необходим для переброса с нулевой проекции в 1 (-1, или в обе). Этот процесс, вместе с декогерентностью, приводит к тому, что населенности ядерных состояний приходят к равновесному, которое можно определить из системы кинетических уравнений:In contrast to initialization, “drive” is necessary for a flip from the zero projection to 1 (-1, or both). This process, together with decoherence, leads to the fact that the populations of nuclear states come to equilibrium, which can be determined from a system of kinetic equations:

Figure 00000018
Figure 00000018

Где Г - скорость инициализации, Ω - частота Раби поля драйва.Where G is the initialization speed, Ω is the frequency of the Rabi drive field.

Откуда для случая, когда накачка осуществляется сразу на +1 и -1 проекцииWhence for the case when pumping is carried out immediately on +1 and -1 projections

Figure 00000019
Figure 00000019

Где α=Ω/ГWhere α = Ω / G

Как видно, при постоянной скорости инициализации Г, населенности, и следовательно, уровень флюоресценции зависят от отстройки РЧ драйва по частоте.As can be seen, with a constant initialization rate G, population, and therefore, the level of fluorescence depends on the detuning of the RF drive frequency.

Вращение вызывает дополнительный уход уровня флюоресценции (см. ниже). Уход уровня флюоресценции за счет вращения может быть компенсирован РЧ отстройкой. Нужная для компенсации отстройка однозначно будет характеризовать величину вращения. При этом, поскольку воздействие вращения будет скомпенсировано, то рабочая точка останется неизменной. Для этого, однако, система должна быть выведена из максимума или минимума флюоресценции, в которых отклик системы квадратичен по отклоняющим воздействиям.Rotation triggers extra fluorescence level drift (see below). Leaving the level of fluorescence due to rotation can be compensated by RF detuning. The detuning required to compensate will unambiguously characterize the amount of rotation. In this case, since the effect of rotation will be compensated, the operating point will remain unchanged. To do this, however, the system must be deduced from the maximum or minimum of fluorescence, in which the response of the system is quadratic in deflecting effects.

Для приведения системы в чувствительное состояние необходимо выставить систему на склон резонансного контура в отсутствие вращения. Выбор рабочей точки гироскопа по параметрам Г, Δ, α - определяет чувствительность сигнала к вращению. Оптимальное положение по чувствительности соответствует Δ=±Ω/√3. Тогда изменения частоты Раби с отстройкой от резонанса будут равныTo bring the system into a sensitive state, it is necessary to set the system on the slope of the resonant circuit in the absence of rotation. The choice of the working point of the gyroscope according to the parameters G, Δ, α - determines the sensitivity of the signal to rotation. The optimal sensitivity position corresponds to Δ = ± Ω / √3. Then the frequency changes of Rabi with resonance detuning will be equal

Figure 00000020
Figure 00000020

Что приводит к чувствительности в населенностиLeading to sensitivity in the population

Figure 00000021
Figure 00000021

Процесс 3. Измерение состояния ядерного спина проецированием его на электронный спин и измерение вращенияProcess 3. Measuring the state of the nuclear spin by projecting it onto the electron spin and measuring rotation

При совершении вращения, спиновая система продолжает прецессировать в пространстве, в то время как антенна, а вместе с ней и радиочастотное поле начинает вращаться, набирая фазу по отношению к вращающемуся спину. Линейное изменение фазы во времени является изменением частоты. Появление этой добавочной частоты изменит частоту прецессии, которая приведет к изменению уровня сигнала флюоресценции как описано выше. Петля обратной связи (45-50 фиг. 3), в которой управляющий воздействием является отстройка РЧ генератора, а контролируемой величиной - величина флюоресценции ансамбля NV-центров компенсирует указанное изменение. В этом случае компенсационный сигнал обратной связи будет являться мерой изменения частоты прецессии. Таким образом, благодаря компенсации обратной связью рабочая точка прибора практически не смещается до тех пор, пока изменения скорости вращения медленнее скорости работы петли обратной связи, а отстройка частоты генератора РЧ окажется линейно пропорциональна угловой скорости вращения.When making a spin, the spin system continues to precess in space, while the antenna, and with it the radio frequency field, begins to rotate, gaining phase with respect to the rotating spin. A linear change in phase with time is a change in frequency. The appearance of this additional frequency will change the precession frequency, which will lead to a change in the level of the fluorescence signal as described above. A feedback loop (45-50 of Fig. 3), in which the control action is the detuning of the RF generator, and the controlled value — the fluorescence value of the NV-center ensemble compensates for this change. In this case, the compensation feedback signal will be a measure of the change in the precession frequency. Thus, due to feedback compensation, the instrument's operating point is almost not shifted until changes in the rotational speed are slower than the speed of the feedback loop, and the detuning of the RF generator frequency is linearly proportional to the angular velocity of rotation.

В схеме непрерывного измерения происходит три одновременных модуляции частот (РЧ1 ~ 5МГц). Значения частот СВЧ, для которых наблюдается минимум флюоресценции, и РЧ, для которой наблюдается максимум флюоресценции, представляют линейную комбинацию внешних параметров: магнитное поле, температура и угловая скорость вращения. Положение экстремумов определяется путем синусоидальной или меандрической модуляции параметров с последующей синхронной демодуляцией 1 гармоники полученного сигнала и регулированием смещения параметра в петле обратной связи. Подробности работы данного метода можно, например, найти в [Arie et al., Opt. Lett. 17, 1204, 1992].In the scheme of continuous measurement, three simultaneous modulations of frequencies occur (RF1 ~ 5 MHz). The frequencies of the microwave, for which there is a minimum of fluorescence, and RF, for which there is a maximum of fluorescence, represent a linear combination of external parameters: magnetic field, temperature and angular velocity of rotation. The position of the extremes is determined by sinusoidal or meandering modulation of the parameters, followed by synchronous demodulation of 1 harmonic of the received signal and adjustment of the parameter bias in the feedback loop. Details of the work of this method can be, for example, found in [Arie et al., Opt. Lett. 17, 1204, 1992].

Однако для привязки одновременно по 3 параметрам, необходимо разнести частоты модуляции, с одной стороны так, чтобы биения между отдельными частотами модуляции не попадало в частотную область демодуляции, с другой стороны не превысить скорость отклика системы. Для увеличения точности в силу инерционности температуры, СВЧ частоты представляются в виде FMW1=FMW0MW, FMW2=FMW0MW. Частота FMW0 связана линейным соотношением с температурой датчика, в то время, как ΔMW преимущественно привязана к проекции внешнего магнитного поля. Что позволяет производить медленную модуляцию FMW0 и быструю модуляцию ΔMW. Сигнал ошибки медленной модуляции не представляет интереса для вычисления угловой скорости.However, to bind simultaneously in 3 parameters, it is necessary to spread the modulation frequencies, on the one hand, so that the beats between the individual modulation frequencies do not fall into the frequency domain of demodulation, on the other hand, do not exceed the system response speed. To increase the accuracy due to the inertia of temperature, the microwave frequencies are represented as F MW1 = F MW0MW , F MW2 = F MW0 + Δ MW . The frequency F MW0 is linearly related to the temperature of the sensor, while Δ MW is primarily tied to the projection of the external magnetic field. What allows to make slow modulation F MW0 and fast modulation Δ MW . The error signal of slow modulation is not of interest to calculate the angular velocity.

Третья модуляция по РЧ1 происходит на промежуточной частоте (между частотами модуляциями ΔMW и FMW0). Сигнал ошибки РЧ1 δRF содержит угловую скорость вращения, из которого вычитанием ядерного квадрупольного расщепления получается угловая скорость вращения.The third RF modulation occurs at an intermediate frequency (between the modulation frequencies Δ MW and F MW0 ). The RF1 δ RF error signal contains the angular velocity of rotation, from which the angular velocity of rotation is obtained by subtracting the nuclear quadrupole splitting.

Как было сказано выше, при постоянной работе осуществляется модуляция частот РЧ1, РЧ2, СВЧ1, СВЧ2. Источниками модуляций служат генераторы синусоидального сигнала (32, 43, 47, фиг. 3). Сигналы модуляции суммируются с сигналами обратной связи от пропорционально-интегрально дифференциальных контроллеров (33, 44, 46) на сумматорах (34, 35, 45). Полученные в результате сигналы управления с помощью сумматора (36) и вычитателей (37, 40) формируют управляющие сигналы для генераторов СВЧ1 (38), СВЧ2 (39), РЧ1 (42), РЧ2 (41). Данные сигналы меняют частоты генераторов, позволяя сканировать резонансные линии на описанных в разделе «Процесс 1» частотах.As mentioned above, with constant operation, the frequencies of RF1, RF2, UHF1, UHF2 are modulated. Sources of modulations are the generators of a sinusoidal signal (32, 43, 47, Fig. 3). The modulation signals are summed with the feedback signals from the proportional-integral differential controllers (33, 44, 46) on the adders (34, 35, 45). The resulting control signals using the adder (36) and subtractors (37, 40) form the control signals for the microwave generators (38), microwave frequencies (39), RF1 (42), RF2 (41). These signals change the frequencies of the oscillators, allowing you to scan the resonant lines at the frequencies described in the “Process 1” section.

При осуществлении модуляции частот, сигнал флюоресценции (51) содержит все компоненты сигнала отстроек от резонансных частот, спектрально перенесенные на частоты модуляции. Демодуляция данных компонент осуществляется спектральной фильтрацией на частоте модуляции при помощи полосовых фильтров (29, 49, 52) с последующим умножением (30, 48, 53) сигнала на сигнал модуляции от генераторов (32, 43, 47), фаза которого скомпенсирована для учета неизбежной задержке отклика системы, подверженной модуляции, линиями задержки (31, 50, 54). Демодулированные сигналы отстройки частоты подаются на пропорционально-интегрально-дифференциальные контроллеры (33, 44, 46), замыкающие петлю обратной связи привязки к резонансным линиям.When modulating frequencies, the fluorescence signal (51) contains all the components of the signal offset from the resonant frequencies, spectrally transferred to the modulation frequency. Demodulation of the component data is carried out by spectral filtering at the modulation frequency using band-pass filters (29, 49, 52) and then multiplying (30, 48, 53) the signal by the modulation signal from the oscillators (32, 43, 47), the phase of which is compensated to take into account the inevitable response delay of the system subject to modulation, delay lines (31, 50, 54). The demodulated frequency offset signals are fed to proportional-integral-differential controllers (33, 44, 46), which close the feedback loop of the reference to the resonant lines.

Применение разработанного технического решения позволяет получить следующие технические показатели.The application of the developed technical solution allows to obtain the following technical indicators.

Снижение объема чувствительного элемента сенсора: менее 1 куб. см.Reducing the volume of the sensitive element of the sensor: less than 1 cu. cm.

Высокая удельная спектральная чувствительность элемента: 0.3×10-3 грд./√часHigh specific spectral sensitivity of the element: 0.3 × 10-3 UAH / hour

Низкий дрейф чувствительности: ~10-3 грд./часLow sensitivity drift: ~ 10-3 UAH / hour

Возможность создания гибридного устройства, включающего в себя датчик измерения трех физических параметров (3х осевой гироскоп, магнетометр, датчик температуры).The ability to create a hybrid device that includes a sensor measuring three physical parameters (3-axis gyroscope, magnetometer, temperature sensor).

Claims (23)

1. Способ измерения вращения в пространстве с помощью сенсора вращения, содержащего алмазную пластину с центрами окраски, включающий выполнение следующих этапов:1. The method of measuring rotation in space using a rotation sensor containing a diamond plate with color centers, including the following steps: - калибруют сенсор переводом системы электронных спинов центров окраски в состояние с ms=0 с проекцией электронных спинов на ось NV центра, равной нулю, за счет постоянного воздействия на алмазную пластину некогерентного оптического поля, а также переводом части системы электронных спинов, соответствующих проекции ядерного спина mi=1, mi=-1, центров окраски из состояния ms=0 в состояние ms=(+/-)1 и mi=(-/+)1 с проекцией указанных спинов на ось NV центра, равной плюс единице |0,1} → |-1,1} и минус единице |0,-1} → |1,-1}, за счет постоянного и одновременного воздействия на алмазную пластину оптического некогерентного излучения, двухчастотного микроволнового излучения (СВЧ) и магнитного поля, после чего переносят системы ядерных спинов в состояние mi=0 за счет постоянного воздействия на алмазную пластину радиочастотного излучения (РЧ), которое реализует переходы |1,-1} ↔ |1,0}, |-1,1} ↔ |-1,0},- calibrate the sensor by transferring the system of electronic spins of color centers to the state with m s = 0 with the projection of electronic spins on the axis of the NV center zero, due to the constant impact on the diamond plate of the incoherent optical field, as well as the transfer of a part of the system of electronic spins corresponding to the projection of the nuclear spin m i = 1, m i = -1, color centers from the state m s = 0 to the state m s = (+/-) 1 and m i = (- / +) 1 with the projection of the indicated spins on the axis of the NV center, equal to the unit | 0,1} → | -1,1} and minus the unit | 0, -1} → | 1, -1}, due to constant and simultaneous air Optical incoherent radiation, dual-frequency microwave radiation (UHF) and magnetic field are applied to the diamond plate, and then the systems of nuclear spins are transferred to the state m i = 0 due to the constant exposure of the diamond plate to radio frequency radiation (RF), which realizes the transitions | 1, - 1} ↔ | 1,0}, | -1,1} ↔ | -1,0}, - приводят сенсор в чувствительное к вращению состояние за счет приложения к системе ядерного спина, находящегося в состоянии ms=0, mi=0, резонансного радиочастотного излучения,- bring the sensor into a state sensitive to rotation due to the application to the system of a nuclear spin, which is in the state m s = 0, m i = 0, of resonant radio frequency radiation, - минимизируют ошибку измерения вращения модуляцией частот СВЧ излучения в окрестности двух резонансных частот, соответствующих различным значениям электронного спина, при этом регистрируют отклик электронного спина по сигналу флюоресценции алмазной пластины на частотах модуляции и вырабатывают корректирующую частоту СВЧ сигнала на основе измеряемого сигнала ошибки, возвращающего частоты излучения к максимумам резонансных контуров,- minimize the measurement error of rotation of the modulated microwave frequencies in the vicinity of two resonant frequencies corresponding to different values of the electronic spin, while registering the response of the electronic spin on the fluorescence signal of the diamond plate at modulation frequencies and produce a correction frequency of the microwave signal based on the measured error signal returning the radiation frequency to the maxima of the resonant circuits, - вычисляют с заданной периодичностью угловую скорость вращения сенсора как разность постоянно контролируемой частоты радиочастотного излучения и известной величины квадрупольного расщепления ядерного спина, при этом осуществляют постоянную подстройку частоты радиочастотного излучения за счет модуляции частоты радиочастотного излучения в окрестности резонансной частоты ядерного спина, при этом регистрируют отклик ядерного спина по сигналу флюоресценции алмазной пластины на частоте модуляции и вырабатывают корректирующую частоту сигнала на основе измеряемого сигнала ошибки, возвращающего частоту излучения к максимуму резонансного контура.- calculate with a given periodicity the angular velocity of rotation of the sensor as the difference of the continuously monitored frequency of radio frequency radiation and the known value of quadrupole splitting of the nuclear spin, while constantly adjusting the frequency of radio frequency radiation by modulating the frequency of radio frequency radiation in the vicinity of the resonant frequency of nuclear spin, while registering the response of nuclear back on the fluorescence signal of the diamond plate at the modulation frequency and often produce corrective y signal based on the measured error signal returns to the high frequency radiation the resonance circuit. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивают при помощи оптической системы для направления излучения на алмазную пластину плотность мощности накачки на алмазной пластине не менее 10 Вт/мм2.2. The method according to p. 1, characterized in that they provide with the help of an optical system for directing radiation to a diamond plate the pump power density on the diamond plate is not less than 10 W / mm 2 . 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что создают магнитное поле на алмазной пластине до 20 Гс.3. The method according to p. 2, characterized in that they create a magnetic field on the diamond plate up to 20 Gs. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что обеспечивают при помощи СВЧ антенны электромагнитное поле на алмазной пластине с равномерностью более 90%.4. The method according to p. 3, characterized in that they provide with a microwave antenna electromagnetic field on a diamond plate with a uniformity of more than 90%. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при помощи оптической системы обеспечивают эффективность сбора излучения флюоресценции не менее 10%.5. The method according to p. 4, characterized in that with the help of the optical system provide the efficiency of collecting fluorescence emission of at least 10%. 6. Сенсор вращения на центрах окраски, содержащий6. The rotation sensor on the color centers, containing - алмазную пластину с центрами окраски,- diamond plate with color centers, - источник некогерентного света с оптической системой для направления излучения на алмазную пластину, обеспечивающей плотность мощности накачки, достаточную для перевода системы электронных спинов центров окраски в состояние |0,1} с проекцией указанных спинов на ось NV центра, равной нулю, за счет постоянного воздействия на алмазную пластину некогерентного оптического поля,- a source of incoherent light with an optical system for directing radiation onto a diamond plate, providing a pump power density sufficient to convert the system of electron spins of color centers to the state | 0.1} with the projection of the indicated spins on the axis of the NV center equal to zero due to constant exposure on a diamond plate incoherent optical field, - два источника микроволнового излучения (СВЧ), модулируемых по амплитуде и частоте, и источник постоянного магнитного поля для перевода части системы электронных спинов центров окраски в состояние с проекцией указанных спинов на ось NV центра, равной плюс единице |0,1} ↔ |-1,1} и минус единице |0,-1} ↔ |1,-1}, за счет постоянного и одновременного воздействия на алмазную пластину двухчастотного СВЧ и магнитного поля, при этом источник магнитного поля является частью антенны для создания СВЧ и расположен таким образом, что создает магнитное поле в направлении, максимально ортогональном ориентации кристаллографической оси, или в случае трехосевого варианта создает магнитное поле в направлении, не коллинеарном трем осям,- two sources of microwave radiation (microwave), modulated in amplitude and frequency, and a source of constant magnetic field to convert part of the system of electronic spins of color centers to the state with the projection of these spins on the axis of the NV center, equal to one | 0.1} ↔ | - 1.1} and minus unit | 0, -1} ↔ | 1, -1}, due to the constant and simultaneous effects on the diamond plate of the dual-frequency microwave and magnetic field, the source of the magnetic field is part of the antenna to create a microwave and is located the way that creates a magnetic field in nap the maximum orthogonal orientation of the crystallographic axis, or in the case of the three-axis version, creates a magnetic field in a direction that is not collinear with the three axes, - два источника радиочастотного излучения для выстраивания системы ядерных спинов в чувствительное к вращению в пространстве сенсора состояние за счет постоянного воздействия на алмазную пластину РЧ излучения, которое реализует переходы |1,-1} ↔ |1,0}, |-1,1} ↔ |-1,0},- two sources of radiofrequency radiation to align the system of nuclear spins into a state sensitive to rotation in sensor space due to the constant effect of RF radiation on the diamond plate, which realizes the | 1, -1} ↔ | 1,0}, | -1,1} transitions ↔ | -1,0} - фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине, а также оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор,- a photodetector for detecting the fluorescence of color centers in the diamond plate, as well as an optical system that allows you to direct the fluorescence from the diamond plate to the photodetector, - контроллер, который за счет управляющих сигналов формирует обратную связь посредством постоянной модуляции СВЧ в окрестности двух резонансных частот на основе величины отклика электронного спина через регистрацию флюоресценции на частоте модуляции, а также постоянную модуляцию РЧ в окрестности резонансной частоты ядерного спина на основе величины отклика ядерного спина через регистрацию флюоресценции на частоте модуляции и вычисляет угловую скорость вращения как разность постоянно контролируемой частоты радиочастотного излучения и известной величины квадрупольного расщепления ядерного спина.- a controller that, through control signals, generates feedback through constant microwave modulation in the vicinity of two resonant frequencies based on the magnitude of the electron spin response through fluorescence recording at the modulation frequency, as well as constant RF modulation in the vicinity of the nuclear spin resonance frequency through the registration of fluorescence at the modulation frequency and calculates the angular velocity of rotation as the difference of the constantly monitored frequency of the radio frequency emitted and the known value of the quadrupole splitting of the nuclear spin. 7. Сенсор по п. 6, отличающийся тем, что используется источник некогерентного излучения со спектром в диапазоне от 500 до 580 нм, оптическая мощность на выходе источника не менее 0,1 Вт.7. The sensor according to claim 6, characterized in that the source of incoherent radiation with a spectrum in the range from 500 to 580 nm is used, the optical power at the source output is at least 0.1 W. 8. Сенсор по п. 7, отличающийся тем, что используется антенна для СВЧ с диапазоном частот от 2,6 до 3 ГГц.8. Sensor according to claim 7, characterized in that an antenna is used for a microwave with a frequency range of 2.6 to 3 GHz. 9. Сенсор по п. 8, отличающийся тем, что используется источник постоянного магнитного поля, позволяющий создать поле на алмазной пластине до 20 Гс и имеющий температурную стабильность более 1 Гс в час.9. The sensor according to claim. 8, characterized in that a source of a constant magnetic field is used, which allows creating a field on a diamond plate up to 20 Gs and having a temperature stability of more than 1 Gs per hour. 10. Сенсор по п. 9, отличающийся тем, что включает источники РЧ излучения, работающие в диапазоне до 10 МГц.10. The sensor according to claim 9, characterized in that it includes RF radiation sources operating in the range up to 10 MHz. 11. Сенсор по п. 10, отличающийся тем, что используется фотодетектор, работающий в спектральном диапазоне от 600 до 800 нм, имеющий полосу частот более 1 МГц и обеспечивающий соотношение сигнал-шум на выходе не менее 50 дБ.11. The sensor according to claim 10, characterized in that a photodetector is used operating in the spectral range from 600 to 800 nm, having a frequency band of more than 1 MHz and providing a signal-to-noise ratio at the output of at least 50 dB. 12. Сенсор по п. 11, отличающийся тем, что величина проекции магнитного поля на перпендикуляр к выбранным осям кристалла составляет не менее 0,3 Гс.12. The sensor according to claim 11, characterized in that the magnitude of the projection of the magnetic field on the perpendicular to the selected axes of the crystal is at least 0.3 Gs. 13. Сенсор по п. 12, отличающийся тем, что используется величина квадрупольного расщепления ядерного спина, равная 4,95 МГц.13. The sensor according to claim 12, characterized in that the quadrupole splitting of the nuclear spin, equal to 4.95 MHz, is used.
RU2017140886A 2017-11-23 2017-11-23 Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond RU2684669C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140886A RU2684669C1 (en) 2017-11-23 2017-11-23 Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond
PCT/RU2019/050002 WO2019103663A1 (en) 2017-11-23 2019-01-15 Precision solid-state continuously acting quantum gyroscope based on a spin ensemble in diamond

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140886A RU2684669C1 (en) 2017-11-23 2017-11-23 Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684669C1 true RU2684669C1 (en) 2019-04-11

Family

ID=66168173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140886A RU2684669C1 (en) 2017-11-23 2017-11-23 Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2684669C1 (en)
WO (1) WO2019103663A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU201524U1 (en) * 2020-05-12 2020-12-21 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Quantum gyroscope
CN112462305A (en) * 2019-09-06 2021-03-09 北京华航无线电测量研究所 Microwave linear frequency modulation measuring device and method based on diamond NV color center
RU2763688C1 (en) * 2020-10-05 2021-12-30 Александр Александрович Скрипкин Spatial integrating solid-state wave gyroscope
CN114764130A (en) * 2021-01-13 2022-07-19 国仪量子(合肥)技术有限公司 Magnetic field measurement system, method, and storage medium
RU2793075C2 (en) * 2022-09-23 2023-03-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" Diamond nv-center gyroscope
WO2024063673A3 (en) * 2022-09-23 2024-05-16 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" Gyroscope based on nv centres in diamond

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114062982A (en) * 2020-07-29 2022-02-18 国仪量子(合肥)技术有限公司 NV color center magnetic measurement device based on upper computer, magnetic measurement method and storage medium
CN112268878B (en) * 2020-08-19 2022-10-14 西安空间无线电技术研究所 Efficient confirmation method and system for equidirectional color centers in diamond
CN114137304B (en) * 2021-11-19 2024-07-23 中北大学 System and method for measuring frequency of radio frequency signal
CN113804941B (en) * 2021-11-22 2022-08-16 安徽省国盛量子科技有限公司 Current measuring device and method based on diamond NV color center
CN114577193B (en) * 2021-12-27 2023-06-13 北京自动化控制设备研究所 Method and system for controlling resonance amplitude of spin ensemble magnetic resonance signals
CN116297379B (en) * 2023-05-25 2023-08-01 安徽省国盛量子科技有限公司 Method for determining diamond NV color center detection position and method for preparing probe

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103557855A (en) * 2013-11-13 2014-02-05 北京航空航天大学 Diamond gyroscope with color core
CN103743390A (en) * 2013-12-31 2014-04-23 北京航空航天大学 Gyroscope based on NV (Nitrogen-Vacancy)-center diamond-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mixed structure and preparation method thereof
US20140327439A1 (en) * 2013-05-01 2014-11-06 Massachusetts Institute Of Technology Stable three-axis nuclear spin gyroscope
US20150090033A1 (en) * 2012-04-13 2015-04-02 The Regents Of The University Of California Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150090033A1 (en) * 2012-04-13 2015-04-02 The Regents Of The University Of California Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond
US20140327439A1 (en) * 2013-05-01 2014-11-06 Massachusetts Institute Of Technology Stable three-axis nuclear spin gyroscope
CN103557855A (en) * 2013-11-13 2014-02-05 北京航空航天大学 Diamond gyroscope with color core
CN103743390A (en) * 2013-12-31 2014-04-23 北京航空航天大学 Gyroscope based on NV (Nitrogen-Vacancy)-center diamond-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mixed structure and preparation method thereof

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112462305A (en) * 2019-09-06 2021-03-09 北京华航无线电测量研究所 Microwave linear frequency modulation measuring device and method based on diamond NV color center
RU201524U1 (en) * 2020-05-12 2020-12-21 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Quantum gyroscope
RU2763688C1 (en) * 2020-10-05 2021-12-30 Александр Александрович Скрипкин Spatial integrating solid-state wave gyroscope
CN114764130A (en) * 2021-01-13 2022-07-19 国仪量子(合肥)技术有限公司 Magnetic field measurement system, method, and storage medium
RU2793075C2 (en) * 2022-09-23 2023-03-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" Diamond nv-center gyroscope
WO2024063673A3 (en) * 2022-09-23 2024-05-16 Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" Gyroscope based on nv centres in diamond

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019103663A1 (en) 2019-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2684669C1 (en) Precision solid-state quantum gyroscope of continuous action on basis of spin ensemble in diamond
US11346904B2 (en) Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance
RU2661442C2 (en) Gyroscope at n-v centers in diamonds
US11307272B2 (en) Systems and methods including multi-mode operation of optically pumped magnetometer(s)
Stürner et al. Integrated and Portable Magnetometer Based on Nitrogen‐Vacancy Ensembles in Diamond
CN105589048B (en) Magnetic field measuring method and magnetic field measuring device
CN108181594B (en) Non-exchange quantum geometric phase magnetometer
Castellucci et al. Atomic compass: detecting 3D magnetic field alignment with vector vortex light
Meyer et al. Optimal atomic quantum sensing using electromagnetically-induced-transparency readout
Grujić et al. Atomic magnetic resonance induced by amplitude-, frequency-, or polarization-modulated light
EP2749895B1 (en) Systems and method to mitigate AC stark shift effects in a sensor system
US3575655A (en) Apparatus for optically monitoring the gyromagnetic resonance of quantum systems
CN107394576A (en) A kind of atom magnetometer detection light frequency measurement based on second harmonic and stabilising arrangement and method
Oelsner et al. Sources of heading errors in optically pumped magnetometers operated in the Earth's magnetic field
US3150313A (en) Modulation of a light beam by absorbing quantum systems exhibiting a periodically varying alignment
JP2007167616A (en) Magnetic field measuring system, and optical pumping fluxmeter
Doering et al. Quantum-projection-noise-limited interferometry with coherent atoms in a Ramsey-type setup
Weis et al. Magnetic resonance based atomic magnetometers
Simpson et al. An optically pumped nuclear magnetic resonance gyroscope
JP5966351B2 (en) Magnetic field measuring device
RU2654967C1 (en) Method of measuring the characteristics of the magnetic field
Kimball et al. Magnetometric sensitivity optimization for nonlinear optical rotation with frequency-modulated light: Rubidium D2 line
CN112229801B (en) Device and method for measuring ytterbium radical birefringence effect under action of magnetic field
US20230090257A1 (en) Quantum compass
Groeger et al. Design and performance of laser-pumped Cs-magnetometers for the planned UCN EDM experiment at PSI