WO2024063673A2 - Гироскоп на nv-центрах в алмазе - Google Patents
Гироскоп на nv-центрах в алмазе Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024063673A2 WO2024063673A2 PCT/RU2023/050226 RU2023050226W WO2024063673A2 WO 2024063673 A2 WO2024063673 A2 WO 2024063673A2 RU 2023050226 W RU2023050226 W RU 2023050226W WO 2024063673 A2 WO2024063673 A2 WO 2024063673A2
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- centers
- diamond
- source
- radiation
- magnetic field
- Prior art date
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 44
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000000387 optically detected magnetic resonance Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/60—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers
- G01C19/62—Electronic or nuclear magnetic resonance gyrometers with optical pumping
Definitions
- the invention relates to the field of instrument engineering and, in particular, to quantum gyroscopes based on NV centers in diamond.
- the solution is known from patent RU2661442 (application: 2016116860, November 28, 2016, Sensor Spin Technologies LLC).
- the gyroscope includes a diamond plate, a green light source, an optical system for directing green radiation onto the diamond plate, a photodetector for detecting fluorescence of nitrogen vacancy color centers (NV-centers, Fig. 1) in the diamond plate, optical elements that allow directing fluorescence from the diamond plate to a photodetector, a source of microwave radiation, a source of radio frequency radiation, a source of constant magnetic field.
- the gyroscope uses the spins of NV centers in diamond as a sensitive element and contains an energy-efficient microwave antenna that creates a strong longitudinal uniform field in the entire volume of the crystal with frequency tunability.
- the gyroscope is designed to bind the frequency of the microwave field to the transition in the NV center.
- the technical result consists in reducing the volume of the sensitive element of the sensor and increasing the specific spectral sensitivity.
- the disadvantage of the known solution is sensitivity to fluctuations of the external magnetic field, which does not allow achieving high spectral sensitivity of the gyroscope under conditions of an unstable external magnetic field.
- the invention is aimed at solving the technical problem of measuring the angular velocity of rotation using a gyroscope under conditions of an arbitrary external magnetic field.
- the use of the developed technical solution makes it possible to exclude the influence of fluctuations of the external magnetic field on the value of the measured angular velocity of rotation using a gyroscope by calculating the angular velocity of rotation from the values of the measured Larmor frequencies of nuclear and electron spins in two ensembles of NV centers located closely to each other in diamond.
- a gyroscope which includes a diamond plate, two light sources with a wavelength in the range from 450 nm to 650 nm, two optical systems, the first of which is designed to direct light from the sources to the diamond plate, while in the plate
- the irradiation zones respectively distinguish two separate ensembles of NV centers, while providing a power density of optical radiation sufficient to transfer the system of electron spins of color centers to a state with the projection of these spins onto the axis of the NV center equal to zero, due to the constant exposure of the diamond plate to optical radiation , the photodetector allows you to determine the total fluorescence intensity of NV centers in the diamond plate, a second optical system that allows you to direct fluorescence from the diamond plate to the photodetector, at least one source of microwave radiation; at least one source of high frequency (RF) radiation; constant magnetic field source; a control circuit with the ability to generate control signals for microwave and HF radiation sources, their amplitude and frequency, light source, analog-
- RF
- the first optical system includes elements 7 and 12, and the second optical system includes elements 14 and 15.
- the microwave radiation source includes elements 17 and 18, and the constant magnetic field source includes elements 21 and 22. Also included in the source In the magnetic field, there may be permanent magnets that can reduce the current in the Helmholtz coil to save energy consumed by the gyroscope.
- the constant magnetic field source may include a screen to increase the stability of the generated field; at a minimum, element 22 and a diamond plate will be located inside the screen.
- Figure 3 shows a diagram of the energy sublevels of the main level of the NV center, not to scale.
- a diamond plate with a concentration of NV centers in the range from 0.01-1000 ppm (ppm) and a nitrogen concentration no more than 100 times higher than the concentration of NV centers can be used , while the concentration of other impurities is less than 1 ppm.
- ppm ppm
- Using a diamond plate with lower concentrations can lead to insufficient fluorescence intensity, while using higher concentrations can lead to an increase in the width of magnetic resonances and a decrease in the sensitivity of the device.
- the gyroscope uses two optical systems.
- the first optical system is designed to direct light from the sources onto the diamond plate. When light with a wavelength in the range from 450 nm to 650 nm is incident on the plate from two sources, two separate ensembles of NV centers are formed in the volume of the plate in the irradiation region.
- the first optical system is used to independently irradiate each of the ensembles of NV centers with light, which is necessary to transfer the system electron spins of NV centers into a state with a spin projection onto the axis of the NV center equal to zero, as well as excitation of fluorescence of NV centers.
- Corresponding LEDs and/or laser diodes can be used as radiation sources with a wavelength in the range of 450-650 nm, and the system may contain, for example, elements for focusing and directing light into the volume of the diamond plate to ensure an optical radiation power density of at least 0.0001 W/mm2.
- Elements for focusing and directing light can be, for example, a biconvex lens, a parabolic mirror and optical waveguides. If the light source is close to the diamond, focusing elements may be missing.
- the first optical system can include beam splitters for each light source and corresponding photodetectors, to which the corresponding part of the optical radiation is received from the beam splitters to normalize the fluorescence intensity of NV centers during gyroscope operation.
- Silicon photodiodes can be used as photodetectors.
- a second optical system is required to collect fluorescence emission with an efficiency greater than 1%.
- the optical elements of the second system collect and direct fluorescence radiation from the diamond plate in the range from 650 to 800 nm (fluorescence spectrum of the NV center) to the photodetector, excluding light from the first system (with a wavelength less than 650 nm) from reaching the photodetector. Radiation can be filtered using a light filter, for example, Edmund Optics (USA) #34-742. The total fluorescence intensity of NV centers in the diamond plate is determined by a photodetector.
- Silicon photodetectors can be used as a photodetector, converting fluorescence intensity into photocurrent, which can be converted into voltage for analog-to-digital conversion using a resistor or transimpedance amplifier.
- a photodetector and an amplifier you can use, for example, a product from the manufacturer Thorlabs (USA) model PDA100A2.
- a source of ultra-high frequency (microwave) radiation in the range of 1-5 GHz is used to excite magnetic dipole transitions with a change in the projection of the electron spin in ensembles of NV centers.
- the radiation source consists of a sinusoidal signal generator and a resonator or antenna, which creates an alternating magnetic field in the ensemble region, with a magnetic field induction amplitude in the direction orthogonal to the selected crystallographic axis of at least 0.001 Gauss.
- the signal from the generator can be further amplified using a power amplifier.
- the generator can be a frequency multiplier with a fractional coefficient that has the ability to control the signal amplitude (for example, the manufacturer Analog devices (USA) model ADF4351), modulated by a switch, for example, the manufacturer Minicircuits (USA) HSWA2-63DR+ or a direct digital synthesis synthesizer controlled by digital signals .
- a microwave radiation source magnetic dipole transitions between sublevels with different quantum numbers mS are excited (Fig. 3). There may be more such sources, for example, one for each ensemble.
- a source of constant magnetic field is necessary to remove the degeneracy between the frequencies of magnetic-dipole transitions of the NV center.
- a source of a constant magnetic field a source can be used that provides in the region of both ensembles a magnetic field induction value in the range from 0 to 100 Gauss in the region occupied by ensembles of NV centers.
- the difference in the average value of the constant magnetic field induction between ensembles of NV centers is no more than 1 G.
- the standard deviation of the magnetic field induction in the volume of each of the ensembles of NV centers should not exceed 1 G, in order not to produce inhomogeneous broadening of the transitions in the NV center.
- a source of RF radiation in the frequency range up to 10 MHz is used to excite hyperfine transitions in the NV center. Excitation of hyperfine transitions is necessary to measure the Larmor frequency of nuclear spin precession, which in turn is necessary to measure the angular velocity of rotation.
- a direct digital synthesis generator for example, Analog Devices (USA) AD9833
- an RF power amplifier for example, Minicircuits (USA) LZY-22+
- a coil antenna can be used as a source of RF radiation.
- the RF radiation source will contain two digital synthesis synthesizers, the signal from which can be summed before being fed to the amplifier.
- the control circuit allows you to generate control signals for microwave and HF radiation sources, their amplitude and frequency, a light source, and analog-to-digital conversion of a signal from a photodetector.
- a programmable logic integrated circuit for example, from the manufacturer Xilinx of the Spartan7 family
- a digital signal processor or a specialized integrated circuit can be used as a control circuit, which makes it possible to implement the operating algorithm of the claimed device, which is described below.
- the control circuit includes analog-to-digital converters, and may also include digital-to-analog converters for generating analog control signals.
- the device works as follows.
- the Larmor precession frequency (fl L ) also depends on the magnetic field induction (B), in which the spin (with gyromagnetic where the z-axis is the selected crystallographic axis in the diamond.
- B magnetic field induction
- the spin with gyromagnetic where the z-axis is the selected crystallographic axis in the diamond.
- the z axis can be considered the quantization axis of the electron and nuclear spin, since the Zeeman interaction is dominated by the spin-spin and quadrupole interaction with the lattice field for the corresponding spins.
- the first ensemble of NV-centers of the plate is brought into states
- TT pulses are simultaneously supplied from the HF radiation source at transition frequencies F8, F9 with a duration of T7t
- a TT pulse is applied from a microwave radiation source at frequency F7.
- SI A+B*sin(2 P p (T+2*T7)+f')*exp(-T/T2*) (5).
- the Larmor precession frequency can be determined from the difference in the frequencies of magnetic transitions in the NV center, F12, F7:
- Frequencies F12, F7 can be determined by the method of pulsed or continuous optically detected magnetic resonance (ODMR) when interrogating NV centers with a microwave field slightly (from 1 to 100 kHz) detuned from the transition frequency (frequencies Fl, F2, F3, F4) Using the example of continuous
- the precession frequency of an optically detected resonance can be determined as follows.
- a TT pulse is supplied from a source of microwave radiation at frequency F1.
- the second ensemble is irradiated with light for time T20, and the fluorescence intensity S 1 is recorded.
- a TT pulse is supplied from a source of microwave radiation at frequency F2.
- the second ensemble is irradiated with light for time T20, and the fluorescence intensity S2 is recorded.
- a TT pulse at frequency F 3 is supplied from a source of microwave radiation.
- the second ensemble is irradiated with light for time T20, and the fluorescence intensity S3 is recorded.
- a TT pulse is supplied from a source of microwave radiation at a frequency of F 4.
- Frequencies F12, F7 are determined using the formulas:
- durations of tt-impulses in actions according to points 7, 9, 11, 13 must be the same. Durations, as well as detunings (F2-Fl), (F3-F4) are chosen in such a way as to minimize the coefficients A7, A12 to increase the sensitivity of determining F7, F12.
- the order of measuring frequencies can change, and the number of polling times can also change so that the total number of polling iterations for each frequency is the same.
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)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области приборостроения, а конкретно, к квантовым гироскопам на NV-центрах. Заявленное устройство включает алмаз, два источника света с длиной волны от 450 до 650 нм, оптическую систему для направления света источников на алмаз. Для облучённых светом двух отдельных ансамблей NV-центров обеспечивается плотность мощности оптического излучения, достаточная для выстраивания электронных спинов NV-центров ортогонально оси NV-центра. Флюоресценция NV-центров в алмазе направляется на фотодетектор второй оптической системой, где регистрируется интенсивность флюоресценции. В гироскопе есть по меньшей мере один источник сверхвысокочастотного излучения, по меньшей мере один источник высокочастотного излучения, источник постоянного магнитного поля, управляющая схема. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения скорости вращения, вызванной флуктуациями магнитного поля в области нахождения алмаза.
Description
Гироскоп на NV-центрах в алмазе
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области приборостроения и, в частности, к квантовым гироскопам на NV-центрах в алмазе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно решение из патента RU2661442 (заявка: 2016116860, 28.11.2016, ООО "Сенсор Спин Технолоджис"). Гироскоп включает в себя алмазную пластину, источник зеленого света, оптическую систему для направления зеленого излучения на алмазную пластину, фотодетектор для детектирования флюоресценции азотновакансионных центров окраски (NV-центров, Фиг. 1) в алмазной пластине, оптические элементы, позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор, источник сверхвысокочастотного излучения, источник радиочастотного излучения, источник постоянного магнитного поля. В гироскопе используются в качестве чувствительного элемента используются спины NV-центров в алмазе, в нем содержится энергоэффективная микроволновая антенна, создающая сильное продольное однородное поле в полном объеме кристалла с возможностью перестройки по частоте. При этом гироскоп выполнен с возможностью привязки частоты микроволнового поля к переходу в NV-центре. Технический результат заключается в уменьшении объема чувствительного элемента сенсора и повышении удельной спектральной чувствительности. Однако недостатком известного решения является чувствительность к флуктуациям внешнего магнитного поля, которая не позволяет достичь высокой спектральной чувствительности гироскопа в условиях нестабильного внешнего магнитного поля.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на решение технической задачи по измерению угловой скорости вращения с использованием гироскопа в условиях произвольного внешнего магнитного поля. Применение разработанного технического решения позволяет исключить влияние флуктуаций внешнего магнитного поля на величину измеренной угловой скорости вращения с использованием гироскопа за счет вычисления угловой скорости вращения из значений измеренных Ларморовских частот ядерного и электронного спинов в двух близко расположенных друг к другу ансамблях NV-центров в алмазе.
Для решения поставленной задачи предлагается гироскоп, который включает в себя алмазную пластину, два источника света с длиной волны в диапазоне от 450 нм до 650 нм, две оптических системы, первая из них предназначена для направления света от источников на алмазную пластину, при этом в пластине зонами облучения выделяются соответственно два отдельных ансамбля NV- центров, при этом обеспечивается плотность мощности оптического излучения достаточная для перевода системы электронных спинов центров окраски в состояние с проекцией указанных спинов на ось NV-центра, равной нулю, за счет постоянного воздействия на алмазную пластину оптического излучения, фотодетектор позволяет определять суммарную интенсивность флюоресценции NV-центров в алмазной пластине, вторую оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор, по меньшей мере один источник сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения; по меньшей мере один источник высокочастотного (ВЧ) излучения; источник постоянного магнитного поля; управляющую схему с возможностью формирования сигналов управления источниками СВЧ, ВЧ излучения, их амплитудой и частотой,
источником света, аналого-цифровым преобразованием сигнала с фотодетектора.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен NV-центр в алмазе.
На фиг. 2 изображена структурная схема устройства, и введены следующие обозначения:
1 - алмазная пластина;
2, 3 - источники света;
4 - свет для облучения алмазной пластины;
5, 6 - ансамбли NV-центров;
7, 10 - фотодетекторы, регистрирующие интенсивность света;
8, 11 - делители пучка;
9, 12 - фокусирующие линзы;
13 - фотодетектор для регистрации флюоресценции;
14 - параболический концентратор для сбора флюоресценции;
15 - оптический фильтр;
16 - излучение флюоресценции;
17 - генератор СВЧ;
18 - антенна СВЧ;
19 - генератор ВЧ;
20 - антенна ВЧ;
21 - источник тока;
22 - катушки Гельмгольца;
23 - управляющая схема.
В первую оптическую систему входят элементы 7 и 12, а во вторую оптическую систему входят элементы 14 и 15. Источник СВЧ излучения включает в себя элементы 17 и 18, а источник постоянного магнитного поля - элементы 21 и 22. Также в составе источника
магнитного поля могут находиться постоянные магниты, позволяющие уменьшить ток в катушке Гельмгольца для экономии потребляемой гироскопом энергии. Источник постоянного магнитного поля может включать в себя экран для увеличения стабильности создаваемого поля, внутри экрана будут находиться как минимум элемент 22 и алмазная пластина.
На фиг. 3 изображена схема энергетических подуровней основного уровня NV-центра, не в масштабе.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для реализации заявленного технического решения в конструкции гироскопа (Фиг. 2) может быть использована алмазная пластина с концентрацией NV-центров в диапазоне от 0,01-1000 мд (миллионная доля) и концентрацией азота не более чем в 100 раз выше концентрации NV-центров, при этом концентрация остальных примесей - менее 1 мд. Использование алмазной пластины с меньшими концентрациями может привести к недостаточной интенсивности флюоресценции, с большими концентрациями - к увеличению ширины магнитных резонансов и уменьшению чувствительности устройства.
Для достижения технического результата и обеспечения точности измерений в гироскопе используют две оптических системы.
Первая оптическая система предназначена для направления света от источников на алмазную пластину. При падении на пластину света с длиной волны в диапазоне от 450 нм до 650 нм от двух источников в объеме пластины в области облучения образуются два отдельных ансамбля NV-центров. Первая оптическая система используется для независимого облучения каждого из ансамблей NV-центров светом, что необходимо для перевода системы
электронных спинов NV-центров в состояние с проекцией спина на ось NV-центра, равной нулю, а также возбуждения флюоресценции NV-центров. В качестве источников излучения с длиной волны в диапазоне 450-650 нм могут быть использованы соответствующие светодиоды и/или лазерные диоды, при этом система может содержать, например, элементы для фокусировки и направления света в объем алмазной пластины для обеспечения плотности мощности оптического излучения не менее 0,0001 Вт/мм2. В качестве элементов для фокусировки и направления света могут выступать, например, двояковыпуклая линза, параболическое зеркало и оптические волноводы. При близком расположении источника света к алмазу, фокусирующие элементы могут отсутствовать. Дополнительно для повышения точности измерений в составе первой оптической системы могут быть использованы делители пучков для каждого источника света и соответствующие им фотодетекторы, на которые от делителей пучков поступает соответствующую часть оптического излучения для нормирования интенсивности флюоресценции NV-центров во время работы гироскопа. В качестве фотодетекторов могут использоваться кремниевые фотодиоды.
Вторая оптическая система необходима для сбора излучения флюоресценции с эффективностью выше 1%. Оптические элементы второй системы собирают и направляют на фотодетектор излучение флюоресценции от алмазной пластины в диапазоне от 650 до 800нм (спектр флюоресценции NV центра) с исключением попадания света от первой системы (с длиной волны менее 650 нм) на фотодетектор. Фильтрация излучения может происходить с помощью светофильтра, например, Edmund Optics (США) #34-742.
Фотодетектором определяется суммарная интенсивность флюоресценции NV-центров в алмазной пластине. В качестве фотодетектора может быть использованы кремниевые фотодетекторы, преобразующие интенсивность флюоресценции в фототок, который может быть преобразован в напряжение для аналого-цифрового преобразования с помощью резистора или трансимпедансного усилителя. В качестве комбинации фотодетектора и усилителя можно использовать, например, изделие производителя Thorlabs (США) модели PDA100A2.
Источник сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения в диапазоне 1-5 ГГц используется для возбуждения магнитодипольных переходов с изменением проекции электронного спина в ансамблях NV-центров. Источник излучения состоит из генератора синусоидального сигнала и резонатора или антенны, которая создает переменное магнитное поле в области ансамбля, с амплитудой индукции магнитного поля в направлении, ортогональном выбранной кристаллографической оси не менее 0,001 Гс. Сигнал от генератора может быть дополнительно усилен при помощи усилителя мощности. В качестве генератора может выступать умножитель частоты с дробным коэффициентом имеющий возможность управления амплитудой сигнала (например, производителя Analog devices (США) модели ADF4351), модулируемый ключом, например, производителя Minicircuits (США) HSWA2-63DR+ или синтезатор прямого цифрового синтеза, управляемый цифровыми сигналами. С помощью источника СВЧ излучения возбуждают магнитно-дипольные переходы между подуровнями с разным квантовым числом mS (Фиг. 3). Таких источников может быть больше, например, про одному для каждого из ансамблей.
Источник постоянного магнитного поля необходим для снятия вырождения между частотами магнито-дипольных переходов NV- центра. В качестве источника постоянного магнитного поля может быть использован источник, обеспечивающего в области обоих ансамблей величину индукции магнитного поля в диапазоне от 0 до 100 Гс в области, занимаемой ансамблями NV-центров. Для работоспособности алгоритма компенсации флуктуаций магнитного поля необходимо, чтобы отличие средней величины индукции постоянного магнитного поля между ансамблями NV-центров составляло не более 1 Гс. А для работоспособности гироскопа в целом среднеквадратичное отклонение величины индукции магнитного поля в объеме каждого из ансамблей NV-центров не должно превышать 1 Гс, для того чтобы не производить неоднородное уширение переходов в NV-центре.
Источник ВЧ излучения в диапазоне в диапазоне частот до 10 МГц используется для возбуждения сверхтонких переходов в NV- центре. Возбуждение сверхтонких переходов необходимо для измерения Ларморовской частоты прецессии ядерного спина, что в свою очередь необходимо для измерения угловой скорости вращения. В качестве источника ВЧ излучения может быть использован генератор прямого цифрового синтеза (например, Analog Devices (США) AD9833) совмещенный с усилителем мощности ВЧ диапазона (например, Minicircuits (США) LZY-22+) и антенной в виде катушки. Для одновременной генерации сигнала ВЧ на двух частотах, как в п.4 в составе источника ВЧ излучения будет два синтезатора цифрового синтеза, сигнал от которых может суммироваться перед подачей на усилитель. Таких источников ВЧ излучения может быть больше, например, по одному для каждого из ансамблей.
Управляющая схема позволяет формировать сигналы управления источниками СВЧ, ВЧ излучения, их амплитудой и частотой, источником света, аналого-цифровым преобразованием сигнала с фотодетектора. В качестве управляющей схемы может быть использован программируемая логическая интегральная схема (например, производителя Xilinx семейства Spartan7), процессор цифровой обработки сигналов или специализированная интегральная микросхема, позволяющая реализовать алгоритм работы заявленного устройства, который описан ниже. Дополнительно в состав управляющей схемы входят аналоговоцифровые преобразователи, а также могут входить цифро- аналоговые преобразователи для формирования аналоговых сигналов управления.
Устройство работает следующим образом.
Измерение проекции угловой скорости поворота
изделия на ось z основано на эффекте изменения Ларморовской частоты прецессии спина при ее измерении во вращающейся системе отсчета. Однако Ларморовская частота прецессии (flL) также зависит от индукции магнитного поля (В), в которое спин (с гиромагнитным
где ось z - выбранная кристаллографическая ось в алмазе. Здесь используется тот факт, что при магнитном поле <100Гс, осью квантования электронного и ядерного спина можно считать ось z, так как над Зеемановским взаимодействием доминирует спин-спиновое и квадрупольное взаимодействие с полем решетки для соответствующих спинов. Для вычленения из выражения (1) флуктуирующей компоненты магнитного поля Bz используется измерение Ларморовской частоты для двух разных спинов.
В настоящем изобретении у одного ансамбля используются ядерные спины (индекс п), у другого ансамбля электронные спины (индекс е). Используя выражение (1), при условии, что |£lz | « |yBz| из известных Ларморовских частот Пп, 1е ядерного и электронного спинов получаем:
где уе и уп- гиромагнитное соотношение для электронного спина NV центра и ядерного спина азота в NV центре соответственно.
Измерение Ларморовских частот ядерного и электронного спинов необходимо производить одновременно, так как иначе эффективность компенсации флуктуаций магнитного поля будет снижаться из-за стробоскопического эффекта.
Измерение Ларморовской частоты для ядерного спина
проводят путем осуществления следующей последовательности действий (1)-(7), измерение Ларморовской частоты для электронного спина осуществления последовательности действий (8)-(18):
1. Приводят первый ансамбль NV-центров пластины в состояния |mS = 0, ml =-0> (mS, ml - проекции электронного и ядерного спинов на ось z, соответственно, в результате осуществления операций а, b и с: a. Облучают первый ансамбль источником света для подготовки состояния электронного спина ансамбля NV-центров mS=0. Длительность импульса обычно в пределах 1-1000 мкс. b. Облучают пластину следующей последовательностью импульсов: i. СВЧ тг -импульс на частоте перехода F5, ii. СВЧ тг-импульс на частоте перехода F6, iii. НЧ тг-импульс на частоте перехода F10,
iv. НЧ тг-импульс на частоте перехода Fl 1,
В результате происходит обмен распределения населенностей между сверхтонкими и электронными магнитными подуровнями и заселяется сверхтонкий подуровень ш1=0 в первом ансамбле. с. Затем облучают первый ансамбль источником света для приведения ансамбля в состояние mS=0, mI=0>.
2. Затем одновременно прикладывают с помощью источника ВЧ излучения 2 тт-импульса на частотах переходов F8, F9 длительностью Т7 для перевода первого ансамбля в суперпозиционное состояние:
3. После чего не производят никаких действий с ансамблем в течение времени Т, при этом состояние ансамбля меняется в 1 /
1>), где ф = TQ.n - динамическая фаза.
4. Затем от источника ВЧ излучения одновременно подают тт- импульсы на частотах переходов F8, F9 длительностью Т7т
5. Затем от источника СВЧ излучения подают тт-импульс на частоте F7.
6. Затем облучают первый ансамбль светом, при этом измеряют интенсивность флюоресценции (S1).
7. Затем определяют Ларморовскую частоту .п по формуле:
Для определения
выбирают время Т=Тт таким образом, чтобы для некоторой Ларморовской частоты Пп0, 2 Пп0(Тт+2*Т7)+ф' = 2TTN, где N-некоторое целое число.
А, В,ф Т2* - эмпирические коэффициенты, которые можно определить аппроксимируя формулой (5) зависимость S1(T), полученную при повторении шагов 1-7 для разного времени Т в
условиях постоянного магнитного поля и отсутствия вращения установки.
SI = A+B*sin(2 Пп(Т+2*Т7)+ф')*ехр(-Т/Т2*) (5).
Во втором ансамбле пластины измеряют ларморовскую частоту для электронного спина
Ларморовская частота прецессии может быть определена из разности частот магнитных переходов в NV-центре, F12, F7:
Че = (F12 - F7)/2 (6).
Частоты F12, F7 можно определить методом импульсного или непрерывного оптически- детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) при опросе NV-центров СВЧ полем, немного (от 1 до ЮООкГц) отстроенным от частоты перехода (частоты Fl, F2, F3, F4) На примере непрерывного оптически детектируемого резонанса частоту прецессии можно определить следующим образом.
8. Облучают второй ансамбль светом для подготовки ансамбля в состояние mS=0.
9. От источника СВЧ излучения подают тт-импульс на частоте F1.
10. Облучают второй ансамбль светом в течение времени Т20, регистрируют интенсивность флюоресценции S 1.
11. От источника СВЧ излучения подают тт-импульс на частоте F2.
12. Облучают второй ансамбль светом в течение времени Т20, регистрируют интенсивность флюоресценции S2.
13. От источника СВЧ излучения подают тт-импульс на частоте F 3.
14. Облучают второй ансамбль светом в течение времени Т20, регистрируют интенсивность флюоресценции S3.
15. От источника СВЧ излучения подают тт-импульс на частоте F 4.
16. Облучают второй ансамбль светом в течение времени Т20, регистрируют интенсивность флюоресценции S4.
17. Определяют частоты F12, F7 по формулам:
F7’ = (S2-S 1 )*А7 (7);
F12’ = (S4-S3)*A12...(8),
18. Определяют Ларморовскую частоту прецессии электронного спина по формуле: (1е = (F12' - F7')/2 где коэффициенты А7, А12 определяются эмпирически при проведении калибровки, а именно при повторении процедуры по пунктам 7-14 при одновременной перестройке пар частот Fl, F2 и F3, F4.
Длительности тт - импульсов в действиях по пунктам 7, 9, 11, 13 должны быть одинаковы. Длительности, а также отстройки (F2- Fl), (F3-F4) выбирают таким образом, чтобы минимизировать коэффициенты А7, А12 для увеличения чувствительности определения F7, F12.
В алгоритме работы устройства по пунктам 8-16 порядок измерения частот может меняться, при этом количество раз опроса также может меняться таким образом, чтобы суммарное число итераций опроса каждой частоты было одинаково.
При проведении измерения Ларморовской частоты прецессии электронного спина путем осуществления действий по пунктам 8-18 с одновременным измерением Ларморовской частоты прецессии ядерного спина по пунктам 1-7 алгоритма, важно, чтобы начало выполнения действия по пункту 9 совпадало с началом выполнения действия по пункту 2, а конец тт-импульса из пункта 4 совпадал с концом выполнения пункта 13. Для этого подбирают длительность накопления флюоресценции Т20 и количество раз опроса частот F1, F2, F3, F4.
Наличие разницы магнитного поля между ансамблями может приводить к систематической ошибке. Для ее исключения возможно
усреднение угловой скорости вращения по четному количеству измерений вместе с периодическим переназначением номеров ансамблей, т.е. первый ансамбль назначают вторым (над ним осуществляют действия 8-18), а второй - первым (над ним осуществляют действия 1-7), а затем нумерация возвращается.
Claims
1. Гироскоп на NV-центрах в алмазе, включающий: алмазную пластину с NV-центрами и выбранной кристаллографической осью; два источника света с длиной волны в диапазоне от 450 нм до 650 нм, облучающие алмазную пластину и выделяющие в ее объеме два отдельных ансамбля NV-центров, находящихся в зоне облучения; первую оптическую систему с возможностью направления света от источников на алмазную пластину, обеспечивающую плотность мощности оптического излучения, достаточную для перевода системы электронных спинов центров окраски в состояние с проекцией указанных спинов на ось NV-центра, равной нулю, за счет постоянного воздействия на алмазную пластину оптического излучения; фотодетектор, позволяющий определять суммарную интенсивность флюоресценции NV-центров в алмазной пластине; вторую оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор; по меньшей мере один источник сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения; по меньшей мере один источник высокочастотного (ВЧ) излучения; источник постоянного магнитного поля; управляющую схему с возможностью формирования сигналов управления источниками СВЧ, ВЧ излучения, их амплитудой и частотой, источником света, аналого-цифровым преобразованием сигнала с фотодетектора.
2. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источник постоянного магнитного поля, позволяющий
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
создать поле в области, занимаемой ансамблями NV-центров с величиной индукции в диапазоне от 0 до 100 Гс и среднеквадратичным отклонением по объему каждого из ансамблей NV-центров не превышающим 1 Гс.
3. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источник постоянного магнитного поля с возможностью поддержания постоянного магнитного поля в области обоих ансамблей NV-центров алмазной пластины.
4. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источник постоянного магнитного поля, с возможностью поддержания постоянной разницы средней величины индукции магнитного поля между ансамблями NV- центров не более чем 1 Гс.
5. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источник магнитного поля с возможностью поддержания величины постоянного магнитного поля в области всей алмазной пластины.
6. Гироскоп на NV-центрах по п. 1, отличающийся тем, что в первой оптической системе используют дополнительно делители пучков для каждого источника света и соответствующие фотодетекторы, на которые от делителей пучков направляют соответствующую часть оптического излучения для нормирования интенсивности флюоресценции NV-центров во время работы гироскопа.
7. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют алмазную пластину с концентрацией NV-центров в диапазоне 0,01-1000 мд, концентрацией азота не более чем в 100 раз выше концентрации NV-центров, концентрацией остальных примесей - менее 100 мд.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
16
8. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источники света лазерного или светодиодного типа мощностью не менее 0,01 Вт и первую оптическую систему с возможностью создания плотности мощности оптического излучения не менее 0,0001 Вт/мм2.
9. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, используют источник сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) с частотой в диапазоне 1-5 ГГц.
10. Гироскоп на NV центрах по п. 1, отличающийся тем, что используют источник СВЧ излучения с частотой в диапазоне 1 -5
ГГц, который дополнительно содержит антенну, выполненную с возможностью создания переменного магнитного поля с амплитудой индукции не менее 0,001 Гс в направлении ортогональном выбранной кристаллографической оси.
11. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют источник ВЧ излучения с частотой до 10 МГц.
12. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используют вторую оптическую систему с эффективностью сбора излучения флюоресценции выше 1%.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022124963 | 2022-09-23 | ||
| RU2022124963A RU2793075C2 (ru) | 2022-09-23 | Гироскоп на NV-центрах в алмазе |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024063673A2 true WO2024063673A2 (ru) | 2024-03-28 |
| WO2024063673A3 WO2024063673A3 (ru) | 2024-05-16 |
Family
ID=90454765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050226 WO2024063673A2 (ru) | 2022-09-23 | 2023-09-22 | Гироскоп на nv-центрах в алмазе |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024063673A2 (ru) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2515226A (en) * | 2012-04-13 | 2014-12-17 | Univ California | Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond |
| RU2661442C2 (ru) * | 2016-11-28 | 2018-07-16 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" | Гироскоп на nv-центрах в алмазе |
| RU2684669C1 (ru) * | 2017-11-23 | 2019-04-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Сенсор Спин Технолоджис" | Прецизионный твердотельный квантовый гироскоп непрерывного действия на базе спинового ансамбля в алмазе |
| DE102019219052A1 (de) * | 2019-12-06 | 2021-06-10 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Ermittlung der Änderung einer Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop |
-
2023
- 2023-09-22 WO PCT/RU2023/050226 patent/WO2024063673A2/ru unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024063673A3 (ru) | 2024-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rafac et al. | Sub-dekahertz ultraviolet spectroscopy of 199 Hg+ | |
| Tsigutkin et al. | Observation of a large atomic parity violation effect in ytterbium | |
| Tamm et al. | Spectroscopy of the electric-quadrupole transition 2 S 1/2 (F= 0)–2 D 3/2 (F= 2) in trapped 171 Yb+ | |
| Wang et al. | Laser Spectroscopic Determination of the H 6 e Nuclear Charge Radius | |
| Castillega et al. | Precise Measurement of the J= 1 to J= 2 Fine Structure Interval in the 2 P 3 State of Helium | |
| JP5443380B2 (ja) | 環境磁場の補正を備えた装置 | |
| Cingöz et al. | Limit on the temporal variation of the fine-structure constant using atomic dysprosium | |
| Tsigutkin et al. | Parity violation in atomic ytterbium: Experimental sensitivity and systematics | |
| CA2689964A1 (en) | Method and device for measuring magnetic fields | |
| RU2016116860A (ru) | Гироскоп на nv-центрах в алмазе | |
| CN109029740B (zh) | 一种测量原子超精细结构的装置及方法 | |
| Affolderbach et al. | Light-shift suppression in laser optically pumped vapour-cell atomic frequency standards | |
| Tanaka et al. | Determination of the ground-state hyperfine splitting of trapped Cd+ 113 ions | |
| Collister et al. | Isotope shifts in francium isotopes Fr 206− 213 and Fr 221 | |
| Arditi | A caesium beam atomic clock with laser optical pumping, as a potential frequency standard | |
| US7098744B2 (en) | Method and apparatus for generating two frequencies having a frequency separation equal to the atomic frequency of an atomic species | |
| WO2024063673A2 (ru) | Гироскоп на nv-центрах в алмазе | |
| Radnaev et al. | Observation of the 717-nm electric quadrupole transition in triply charged thorium | |
| RU2793075C2 (ru) | Гироскоп на NV-центрах в алмазе | |
| Windholz et al. | Laserspectroscopic investigations of the lithium-D-lines in magnetic fields | |
| Lellouch et al. | Measurement of the 4 s 4 p P 1− 4 s 3 d D 1 spontaneous emission rate in calcium by use of a Stark-electric-quadrupole interference | |
| Altiere et al. | High-resolution two-photon spectroscopy of a 5 p 5 6 p← 5 p 6 transition of xenon | |
| Becker et al. | Precise determination of the ground state hyperfine splitting of135Ba+ | |
| US5146185A (en) | Compact optically pumped resonance system and apparatus | |
| Stalnaker et al. | Measurement of the 4 S 1/2→ 6 S 1/2 transition frequency in atomic potassium via direct frequency-comb spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23868697 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |