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【中国科学报】我国科学家提出新型固态原子钟方案

作者: 2021-08-17 10:05 来源:中国科学报 桂运安
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中国科学技术大学杜江峰院士、石发展教授等人在固态体系中开展了首个类原子缺陷全同性检验,频率检验精度达赫兹级,并基于这一检验结果提出新型固态原子钟方案。该成果日前发表于《物理评论快报》。

粒子的全同性是开展高精度测量的前提,人们倾向于相信光子、电子、原子等粒子天然就是全同的。但对于固体中的类原子缺陷,由于固态晶格的复杂性,人们通常不认为它们是全同的。目前,科学界尚未对固体中的类原子缺陷进行过高精度的全同性检验。

金刚石中的一种类原子缺陷——氮—空位色心,具有很多优良的性质,如在室温大气条件下具有很长的相干时间、可通过激光照射读出和初始化、周围存在可被利用的核自旋资源等。

在室温大气条件下,该研究组对氮—空位色心的全同性进行了赫兹级水平的检验。其中,对氮核自旋的电四极矩耦合的测量最为精确,精度比以往实验提高了四个数量级。实验发现,即使在室温大气条件下,不同的色心仍能在赫兹水平上表现为全同,而不均匀的晶格应力可使色心产生数十赫兹的差异。

基于全同性检验结果,他们提出一种具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟新方案。该方案将核自旋的电四极矩耦合当做频率标准,一块1立方毫米大小的具有6 ppb色心浓度的金刚石即可达到现有商用原子钟的水平。相较于现有商用原子钟,该固态原子钟更适合在低温、高压、移动平台等具有挑战性的复杂环境下工作。目前,相关成果已申请专利。

该工作提供了一种在固态自旋中开展精密测量的方法,未来测量精度可在低温下进一步提升至毫赫兹水平。(桂运安

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