Дефект алмаза превратили в гироскоп

Физики продемонстрировали работу гироскопа, сделанного на основе азото-замещенной вакансии в алмазе. Для этого они помещали образец на вращающуюся платформу и в рамках разработанного протокола облучали дефект оптическими, СВЧ и радиочастотными импульсами, переводя его в состояние, чувствительное к вращению. Считывание сигнала об угловой скорости производилось путем детектирования набега фазы. Работа опубликована в Physical Review Letters, доступен также препринт.

Азото-замещенные вакансии в алмазе или NV-центры — это дефекты в решетке алмаза, возникающие при замене атома углерода на атом азота. Такая конфигурация, с одной стороны, делает дефект легкоуправляемым с помощью различных полей, причем довольно селективно, а с другой стороны, позволяет довольно долго храниться наведенным в них спиновым состояниям. NV-центры зарекомендовали себя как удобные и простые квантовые объекты, которые используются в большом количестве практических приложений, в том числе и для реализации кубитов.

В 2012 году была предложена идея использовать спиновые свойства NV-центров для создания гироскопа. Впоследствии этот вопрос был исследован различными группами и таким путем даже было реализовано измерение угловой скорости при очень быстром вращении. Однако до недавнего времени гироскоп на основе ядерного спина алмазных дефектов, конкурентноспособный по отношению к иным типам гироскопов, сделан так и не был.

В новой работе группа российских физиков под руководством Алексея Акимова (Alexey Akimov) из Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук экспериментально доказала, что такое устройство может быть реализовано в виде компактной схемы с хорошей чувствительностью. Сам гироскоп состоит из алмазной пластинки с дефектами, к которой подводятся оптическое, СВЧ и радиочастотное излучения. NV-гироскоп вместе с контрольным МЭМС-гироскопом размещен на вращающейся платформе, чья угловая скорость и измерялась. К платформе приложено магнитное поле параллельно оси вращения.

Эксперимент представляет собой последовательность большого числа измерений, каждое из которых происходит в несколько этапов. На первом этапе за счет манипуляции электронным и ядерным спинами ансамбль NV-центров переводится в суперпозицию состояний с разными проекциями ядерного спина на ось Z. Примечательно, что при механическом вращении свободная эволюция каждого из этих состояний происходит по-разному. Это описывается с помощью введения в задачу псевдомагнитного поля, которое приводит к расщеплению уровней и к появлению дополнительного набега фазы, пропорциональной угловой скорости платформы. На последнем этапе происходит последовательное считывание информации об этой фазе с помощью двух флуоресцентных сигналов и преобразование ее в угловую частоту.

В процессе эксперимента, однако, алмазная пластина неизбежно нагревается. Кроме того, внешнее магнитное поле также подвержено флуктуациям. Все это в сумме сильно снижает точность датчика. Для борьбы с этим авторы реализовали измерение температуры и магнитного поля в промежутках между измерениями непосредственно угловой скорости. Полученные данные использовались для компенсации шумов в режиме реального времени.

Физики протестировали изготовленный датчик при различных угловых скоростях и направлениях вращения платформы, параллельно сверяясь с показаниями микроэлектромеханического гироскопа. В результате они убедились, что показания с контрольного гироскопа хорошо коррелируют с показаниями NV гироскопа, а сам сигнал линейно пропорционален истинной угловой скорости платформы.

В заключении авторы предлагают ряд дальнейших улучшений данного устройства, включающих оптимизацию части схемы, связанной с отведением и детектированием сигналов флуоресценции, а также увеличение времени спиновой когерентности. Они предполагают, что все вместе это увеличит точность гироскопа в 800 раз.

Физики используют NV-центры для самых различных целей. Мы уже писали, что на их основе сделали самый маленький в мире радиоприемник и квантовый тепловой двигатель.

Марат Хамадеев