ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ НА БАЗЕ СПИНОВОГО АНСАМБЛЯ В АЛМАЗЕ Российский патент 2019 года по МПК G01C19/62 

Изобретение относится к области гироскопов, а именно, к квантовым гироскопам.

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.

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.

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.

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.

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.

Техническая задача

Технической задачей, решаемой изобретением является измерение абсолютного вращения чувствительного элемента сенсора. Технический результат совпадает с технической задачей.

Решение

Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения вращения в пространстве с помощью сенсора вращения, содержащего алмазную пластину с центрами окраски, включающий выполнение следующих этапов,

- калибруют сенсор переводом системы электронных спинов центров окраски в состояние с m_s=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 m_i=1 m_i=-1, центров окраски из состояния m_s=0 в состояние m_s=(+/-)1 и m_i=(-/+)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 m_i=0 за счет постоянного воздействия на алмазную пластину радиочастотного излучения (РЧ), которое реализует переходы |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 m_s=0, m_i=0, резонансного радиочастотного излучения,

- 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,

- 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.

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%.

Для решения поставленной задачи предлагается сенсор вращения на центрах окраски, содержащий

- алмазную пластину с центрами окраски,

- 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,

- 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,

- 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},

- фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине, а также оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор,

- 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.

Сенсор может быть выполнен со следующими численными характеристиками составных элементов.

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.

Перечень фигур

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена блок схема устройства.

На фиг. 2 приведены трехмерные конструкции для реализации изобретения.

На фиг. 3 изображена структурная схема устройства формирования, регистрации и обработки сигналов.

На фиг. 4 изображена кристаллическая структура NV дефекта в алмазе.

На фиг. 5 а) и б) изображены соответственно схема расположения уровней энергии внутри запрещенной зоны и подробное изображение уровней энергии основного орбитального состояния.

На фиг. 6 приведен пример сверхтонкого расщепления наблюдаемого в оптически детектируемом электронном парамагнитном резонансе.

На фиг. 7 изображена схема приложения воздействий и соответствующих переходов в работе непрерывного гироскопа.

На фиг. 8 изображена схема инициализации ядерного спина.

На фиг. 9 изображена эволюция термального состояния ядерного спина в поляризованное состояние.

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).

На фигурах введены следующие обозначения.

1. Источник постоянного магнитного поля вдоль оси NV.

2. Излучение оптической накачки.

3. Алмазная пластина с NV-центрами.

4. Излучение оптической накачки + излучение флюоресценции NV-центров.

5. Оптический фильтр для отсечения излучения накачки.

6. Флюоресценция NV-центров.

7. Фотодетектор.

8. РЧ антенна.

9. РЧ усилитель.

10. Сумматор сигналов с двух РЧ генераторов.

11. РЧ амплитудный модулятор генератора 13.

12. РЧ амплитудный модулятор генератора 14.

13. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 1…10 МГц (РЧ), используемый в цикле поляризации ядерного спина.

14. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 1…10 МГц (РЧ), используемый в цикле измерения.

15. Устройство формирования, регистрации и обработки сигналов.

16. Управляемый генератор СВЧ синусоидального сигнала, используемый в цикле поляризации ядерного спина, подстраиваемый на переходы |0>-|+1> электронного спина.

17. Управляемый генератор СВЧ синусоидального сигнала, используемый в цикле поляризации ядерного спина, подстраиваемый на переходы |0>-|-1> электронного спина.

18. Амплитудный модулятор генератора 17.

19. Амплитудный модулятор генератора 16.

20. Сумматор сигналов с двух СВЧ генераторов.

21. СВЧ усилитель.

22. СВЧ антенна.

23. Источник излучения оптической накачки.

24. Волновод для сбора излучения с алмаза.

25. Печатная плата.

26. Конденсатор на плате, формирующий вместе с катушками резонансную антенну.

27. Волновод для возбуждения СВЧ антенны.

28. Полосковая РЧ антенна.

29. Полосовой фильтр синхронного детектора MW0.

30. Демодулятор сигнала MW0.

31. Линия задержки для подстройки синхронного детектора MW0.

32. Источник сигнала модуляции MW0.

33. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер MW0.

34. Сумматор сигнала модуляции и компенсации MW0.

35. Сумматор сигнала модуляции и компенсации Δ_MW.

36. Сумматор для формирования сигнала управления генератора СВЧ1.

37. Сумматор для формирования сигнала управления генератора СВЧ2.

38. Сигнал управления генератора СВЧ1.

39. Сигнал управления генератора СВЧ2.

40. Вычитатель для формирования сигнала управления генератора РЧ2.

41. Сигнал управления РЧ2.

42. Сигнал управления РЧ1.

43. Источник сигнала модуляции Δ_MW.

44. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер Δ_MW.

45. Сумматор сигнала модуляции и компенсации δ_RF.

46. Пропорционально-интрегрально-дифференциальный контроллер δ_RF.

47. Источник сигнала модуляции δ_RF.

48. Демодулятор δ_RF.

49. Полосовой фильтр синхронного детектора δ_RF.

50. Линия задержки для подстройки синхронного детектора δ_RF.

51. Вход сигнала флюоресценции.

52. Полосовой фильтр синхронного детектора Δ_MW.

53. Полосовой фильтр синхронного детектора Δ_MW.

54. Линия задержки для подстройки синхронного детектора Δ_MW.

Детальное описание решения

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.

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.

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.

Оценки измерения погрешности для такого прибора находятся на уровне Град/час, опережая похожие по компактности методы определения вращения на 1-2 порядка.

Метод измерения имеет следующие одновременно выполняемые процессы

1. Инициализация

2. Драйв - переворот вектора намагниченности из состояния 0 в состояние 1.

3. Измерение флюоресценции

4. Обратная связь по уровню флюоресценции на параметры драйва

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.

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).

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).

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).

Осуществление

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.

Одиночный NV-центр представлен на фиг. 4. Отдельный NV-центр состоит из атома азота и вакансии находящейся рядом с ним.

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.

Система подуровней невозбужденного состояния представлена на фиг. 5, справа.

NV-центр обладает оптическими переходами в видимом и инфракрасном диапазоне. Основной оптический переход связан с переходом одного электрона с е_х,у орбиталей на a₁ орбиталь и находится на длине волны 637 нм а также имеет фононно-уширенный спектральный хвост.

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.

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 (m_s=0 и m_s=+/-1), образующее тонкое расщепление основного состояния. Вырождение по знаку проекции может быть снято при помощи приложения постоянного магнитного поля вдоль оси NV-центра.

Кроме этого каждое из тонких состояний испытывает сверхтонкое расщепление, связанное с взаимодействием электронного спина со спином ядра N₁₄. Сверхтонкое

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]:

- слагаемое в гамильтониане, соответствующее взаимодействию электронного спина с полем решетки алмаза и внешним магнитным полем

D (≈2.87 ГГц) - квадрупольное расщепление электронного спина-1 в поле алмазной решетки;

Y_e (≈2.8 МГц/Гс) - гиромагнитное отношение электронного спина;

B_z - величина внешнего магнитного поля;

- оператор проекции электронного спина на ось Z;

- слагаемое в гамильтониане, соответствующее сверхтонкому взаимодействию , взаимодействию ядерного спина с внешним магнитным полем квадрупольному взаимодействию ядерного спина

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]:

- контактное взаимодействие Ферми;

- вероятность нахождения электрона внутри ядра;

- тензор взаимодействия;

- диполь-дипольное взаимодействие электронного и ядерного спинов;

μ₀ - магнитная проницаемость вакуума;

γn=gnμn - гиромагнитное отношение для ядра N14;

E_r - r-й вектор орт декартовой системы координат;

r - эффективное расстояние между электронным и ядерным спинами;

В - внешнее магнитное поле;

Q - постоянная квадрупольного расщепления для ядерного спина;

- вектор-оператор ядерного спина;

- вектор-оператор электронного спина;

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].

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).

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.

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.

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.

В качестве РЧ антенны используется микрополосковая антенна (28), ширина которой обеспечивает необходимую однородность магнитного поля на РЧ частоте в области алмаза.

Технология измерения вращения на ядерном спине азота

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.

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).

Процесс 1: Релаксационная поляризация ядерного спина

Подпроцесс 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.

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. 9

приведена временная зависимость состояний, стартовавших с равно заселенных термальных населенностей.

В результате мы имеем аналог некогерентной накачки для трехуровневой системы -ядерного спина - перекачивающей состояния с ненулевых проекций в нулевую проекцию за характерной время T_init со скоростью Г_init=1/T_init.

Подпроцесс 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.

Процесс 2. Драйв ядерного спина в основном состоянии электронного спина.

В силу реализации процесса 1 - «инициализация» ядерный спин релаксирует в состояние m_i=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.

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:

Где Г - скорость инициализации, Ω - частота Раби поля драйва.

Откуда для случая, когда накачка осуществляется сразу на +1 и -1 проекции

Где α=Ω/Г

Как видно, при постоянной скорости инициализации Г, населенности, и следовательно, уровень флюоресценции зависят от отстройки РЧ драйва по частоте.

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.

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 равны

Что приводит к чувствительности в населенности

Процесс 3. Измерение состояния ядерного спина проецированием его на электронный спин и измерение вращения

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.

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].

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 F_MW1=F_MW0-Δ_MW, F_MW2=F_MW0+Δ_MW. Частота F_MW0 связана линейным соотношением с температурой датчика, в то время, как Δ_MW преимущественно привязана к проекции внешнего магнитного поля. Что позволяет производить медленную модуляцию F_MW0 и быструю модуляцию Δ_MW. Сигнал ошибки медленной модуляции не представляет интереса для вычисления угловой скорости.

Третья модуляция по РЧ1 происходит на промежуточной частоте (между частотами модуляциями Δ_MW и F_MW0). Сигнал ошибки РЧ1 δ_RF содержит угловую скорость вращения, из которого вычитанием ядерного квадрупольного расщепления получается угловая скорость вращения.

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.

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.

Применение разработанного технического решения позволяет получить следующие технические показатели.

Снижение объема чувствительного элемента сенсора: менее 1 куб. см.

Высокая удельная спектральная чувствительность элемента: 0.3×10-3 грд./√час

Низкий дрейф чувствительности: ~10-3 грд./час

Возможность создания гибридного устройства, включающего в себя датчик измерения трех физических параметров (3х осевой гироскоп, магнетометр, датчик температуры).

Использование: для измерений с использованием квантового гироскопа. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение вращения в пространстве с помощью сенсора вращения, содержащего алмазную пластину с центрами окраски, включающее выполнение следующих этапов, калибруют сенсор переводом системы электронных спинов центров окраски в состояние с m_s=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 m_i=1, m_i=-1, центров окраски из состояния m_s=0 в состояние m_s=(+/-)1 и m_i=(-/+)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 m_i=0 за счет постоянного воздействия на алмазную пластину радиочастотного излучения (РЧ), которое реализует переходы |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 m_s=0, m_i=0, резонансного радиочастотного излучения, 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, 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. Технический результат: обеспечение возможности измерения абсолютного вращения чувствительного элемента сенсора. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ измерения вращения в пространстве с помощью сенсора вращения, содержащего алмазную пластину с центрами окраски, включающий выполнение следующих этапов:

- калибруют сенсор переводом системы электронных спинов центров окраски в состояние с m_s=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 m_i=1, m_i=-1, центров окраски из состояния m_s=0 в состояние m_s=(+/-)1 и m_i=(-/+)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 m_i=0 за счет постоянного воздействия на алмазную пластину радиочастотного излучения (РЧ), которое реализует переходы |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 m_s=0, m_i=0, резонансного радиочастотного излучения,

- 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,

- 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.

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.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что создают магнитное поле на алмазной пластине до 20 Гс.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что обеспечивают при помощи СВЧ антенны электромагнитное поле на алмазной пластине с равномерностью более 90%.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при помощи оптической системы обеспечивают эффективность сбора излучения флюоресценции не менее 10%.

6. Сенсор вращения на центрах окраски, содержащий

- алмазную пластину с центрами окраски,

- 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,

- 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,

- 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},

- фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине, а также оптическую систему, позволяющую направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор,

- 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.

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.

8. Сенсор по п. 7, отличающийся тем, что используется антенна для СВЧ с диапазоном частот от 2,6 до 3 ГГц.

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.

10. Сенсор по п. 9, отличающийся тем, что включает источники РЧ излучения, работающие в диапазоне до 10 МГц.

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.

12. Сенсор по п. 11, отличающийся тем, что величина проекции магнитного поля на перпендикуляр к выбранным осям кристалла составляет не менее 0,3 Гс.

13. Сенсор по п. 12, отличающийся тем, что используется величина квадрупольного расщепления ядерного спина, равная 4,95 МГц.