中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展等人在固態(tài)體系中開展了首個類原子缺陷全同性檢驗(yàn)的工作，頻率檢驗(yàn)精度達(dá)赫茲級，基于這一結(jié)果提出了新型固態(tài)原子鐘方案。該成果日前發(fā)表在《物理評論快報》上。

(中國科大供圖)

精密測量是人類深化認(rèn)知自然界的重要手段，如原子鐘和引力波探測等領(lǐng)域都以精密測量為基礎(chǔ)，而粒子的全同性是開展高精度測量的前提。但是，對于固體中的類原子缺陷，由于固態(tài)晶格的復(fù)雜性，目前尚未對固體中的類原子缺陷進(jìn)行過高精度的全同性檢驗(yàn)。近十年來，金剛石中的一種類原子缺陷——氮-空位色心得到了廣泛關(guān)注。這種缺陷具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，基于這些優(yōu)勢，氮-空位色心已經(jīng)在量子精密測量和量子計(jì)算等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

在室溫大氣條件下，研究組對氮-空位色心的全同性進(jìn)行了赫茲級水平的檢驗(yàn)，通過采用拉姆齊干涉法對該系統(tǒng)的哈密頓量進(jìn)行了測量，在赫茲級水平上對不同色心進(jìn)行了比較。其中，對氮核自旋的電四極矩耦合的測量最為精確，測量值的精度比以往實(shí)驗(yàn)提高了四個數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)驚奇地發(fā)現(xiàn)，即使在室溫大氣條件下，不同的色心仍能在赫茲水平上表現(xiàn)為全同，而不均勻的晶格應(yīng)力可使色心產(chǎn)生數(shù)十赫茲的差異。

基于以上全同性檢驗(yàn)的結(jié)果，研究組提出了一種具有高魯棒性和集成性特點(diǎn)的固態(tài)原子鐘的新方案。相較于現(xiàn)有商用原子鐘，該固態(tài)原子鐘具有高魯棒性和易于集成的特點(diǎn)，更適合在低溫、高壓、移動平臺等具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜環(huán)境下工作。

該成果提供了一種在固態(tài)自旋中開展精密測量的方法，加深了對固態(tài)類原子缺陷的認(rèn)識。未來，測量精度可在低溫下進(jìn)一步提升至毫赫茲水平。在應(yīng)用層面上，該工作提出了一類具有高魯棒性和集成性特點(diǎn)的固態(tài)原子鐘，相關(guān)成果已申請專利。