Гироскоп на NV-центрах в алмазе
DIAMOND NV-CENTER GYROSCOPE

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.
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.
Краткое описание фигур 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.
Осуществление 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.
2
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/мм. 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 магнито-дипольных 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 аналогово-цифровые преобразователи, а также могут входить цифро-аналоговые преобразователи для формирования аналоговых сигналов управления.
Устройство работает следующим образом.
Z
L
Измерение проекции угловой скорости поворота (Ω) изделия на ось z основано на эффекте изменения Ларморовской частоты прецессии спина при ее измерении во вращающейся системе отсчета. Однако Ларморовская частота прецессии (Ω) также зависит от индукции магнитного поля (B), в которое спин (с гиромагнитным отношением γ) помещен:
L
z
Z
Ω=|γB+Ω| (1),
z
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 B используется измерение Ларморовской частоты для двух разных спинов.
В настоящем изобретении у одного ансамбля используются ядерные спины (индекс n), у другого ансамбля электронные спины (индекс e). Используя выражение (1), при условии, что  из известных Ларморовских частот  ядерного и электронного спинов получаем:
(2),
где  и  - 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, mI =-0> (mS, mI – 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 π-импульс на частоте перехода F5,
ii. СВЧ π-импульс на частоте перехода F6,
iii. НЧ p-импульс на частоте перехода F10,
iv. НЧ π-импульс на частоте перехода F11,
В результате происходит обмен распределения населенностей между сверхтонкими и электронными магнитными подуровнями и заселяется сверхтонкий подуровень mI=0 в первом ансамбле.
c. 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 π-импульса на частотах переходов F8, F9 длительностью T7 для перевода первого ансамбля в суперпозиционное состояние:
(3).
3. После чего не производят никаких действий с ансамблем в течение времени T, при этом состояние ансамбля меняется в 1 / 2^(1/2)( e^(1j*())|mS = 0, mI =+1> + e^(1j*())|mS = 0, mI =-1>), где  – динамическая фаза.
4. Затем от источника ВЧ излучения одновременно подают π-импульсы на частотах переходов F8, F9 длительностью T7.
5. Затем от источника СВЧ излучения подают π-импульс на частоте F7.
6. Затем облучают первый ансамбль светом, при этом измеряют интенсивность флюоресценции (S1).
7. Затем определяют Ларморовскую частоту  по формуле:
Для определения , выбирают время T=Tm таким образом, чтобы для некоторой Ларморовской частоты , 2 (Tm+2*T7)+ = 2πN, где N-некоторое целое число.
A, B, , T2* – эмпирические коэффициенты, которые можно определить аппроксимируя формулой (5) зависимость S1(T), полученную при повторении шагов 1-7 для разного времени T в условиях постоянного магнитного поля и отсутствия вращения установки.
e
Во втором ансамбле пластины измеряют ларморовскую частоту для электронного спина Ω.
Ларморовская частота прецессии может быть определена из разности частот магнитных переходов в NV-центре, F12, F7:
Частоты F12, F7 можно определить методом импульсного или непрерывного оптически-детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) при опросе NV-центров СВЧ полем, немного (от 1 до 1000кГц) отстроенным от частоты перехода (частоты F1, 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 π-импульс на частоте F1.
10. Облучают второй ансамбль светом в течение времени T20, регистрируют интенсивность флюоресценции S1.
11. От источника СВЧ излучения подают π-импульс на частоте F2.
12. Облучают второй ансамбль светом в течение времени T20, регистрируют интенсивность флюоресценции S2.
13. От источника СВЧ излучения подают π-импульс на частоте F3.
14. Облучают второй ансамбль светом в течение времени T20, регистрируют интенсивность флюоресценции S3.
15. От источника СВЧ излучения подают π-импульс на частоте F4.
16. Облучают второй ансамбль светом в течение времени T20, регистрируют интенсивность флюоресценции S4.
17. Определяют частоты F12, F7 по формулам:
F7’ = (S2-S1)*A7      (7);
F12’ = (S4-S3)*A12...(8).
18. Определяют Ларморовскую частоту прецессии электронного спина по формуле:
где коэффициенты A7, A12 определяются эмпирически при проведении калибровки, а именно при повторении процедуры по пунктам 7-14 при одновременной перестройке пар частот F1, F2 и F3, F4.
Длительности π– импульсов в действиях по пунктам 7, 9, 11, 13 должны быть одинаковы. Длительности, а также отстройки (F2-F1), (F3-F4) выбирают таким образом, чтобы минимизировать коэффициенты A7, A12 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 π-импульса из пункта 4 совпадал с концом выполнения пункта 13. Для этого подбирают длительность накопления флюоресценции T20 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.