Гироскоп на nv-центрах в алмазе - RU2016116860A

1. Гироскоп на NV-центрах в алмазе, включающий алмазную пластину, источник зеленого света, оптическую систему для направления зеленого излучения на алмазную пластину, фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине, оптические элементы, позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор, источник сверхвысокочастотного излучения излучения, источник радиочастотного излучения, источник постоянного магнитного поля, отличающийся тем, что имеет энергоэфективную микроволновую антенну, создающую сильное продольное однородное поле в полном объеме кристалла с возможностью перестройки по частоте, а также системой привязки частоты микроволнового поля к переходу в центре окраски.

2. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 1, отличающийся тем, что используется алмазная пластина, в которой концентрация NV-центров лежит в диапазоне 1-100 мд, концентрация азота не более чем в 5 раз превышает концентрацию NV-центров, концентрация остальных примесей - менее 1 мд.

3. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в состав конструкции входит источник зеленого света с длиной волны от 500 нм до 580 нм лазерного или фотодиодного типа мощностью не менее 0,1 Вт и оптическая система для направления зеленого излучения на алмазную пластину и создания плотности мощности накачки не менее 10 Вт/мм², а также фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине и оптические элементы, позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор, причем используется фотодетектор, работающий в диапазоне 600-800 нм, имеющий полосу пропускания не менее 6 МГц, и обеспечивающий соотношение сигнал-шум на выходе не менее 60 дБ.

4. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 3, отличающийся тем, что используется источник сверхвысокочастотного излучения с диапазоном частот 2.6-3 ГГц, модулируемый по амплитуде и частоте, антенна для создания СВЧ поля, выполненная таким образом, что создает магнитное поле не менее 0,3 Гс в направлении вдоль поверхности алмаза с равномерностью поля на пластине более 90%.

5. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 4, отличающийся тем, что используется источник радиочастотного излучения с частотой до 10 МГц.

6. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 5, отличающийся тем, что используется источник постоянного магнитного поля, позволяющий создать поле до 20 Г и имеющий температурную стабильность выше 1° в час.

7. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 6, отличающийся тем, что содержит управляющую схему, которая обеспечивает формирование сигнальных последовательностей управления СВЧ, РЧ и источником оптической накачки, перестройку частоты полей, а также формирует обратную связь для исключения из сигнала посторонних внешних воздействий

8. Гироскоп на NV-центрах в алмазе по п. 7, отличающийся тем, что оптические элементы обеспечивают эффективность сбора излучения флюоресценции выше 50%.

9. Метод измерения вращения квантовым датчиком с кристаллом алмаза, содержащего систему из ансамбля NV-центров, включающий следующие этапы:

a. приведение системы из ансамбля NV-центров и окружающих ядерных спинов в состояние, чувствительное к вращению, через N>1 циклов поочередного переноса населенности с состояний с проекцией ядерного спина m_I=1,-1 в состояния с проекций ядерного спина равной 0, при этом каждый цикл включает в себя следующую последовательность импульсов

i. оптический импульс продолжительностью от 300 до 1500 нс для перевода системы в состояние m_s=0, и равномерным распределением m_I=1,-1,0,

ii. СВЧ импульс площадью pi для перевода системы из состояния m_s=0, m_I=1 в состояние m_s=+1, m_I=1,

iii. РЧ импульс площадью pi для перевода системы из состояния m_s=+1, m_I=l в состояние m_s=+1, m_I=0,

iv. оптический импульс длительностью от 300 до 1500 нс на длине волны 532 некогерентного возбуждения, который сохраняет спиновые состояния ядра в присутствии осенаправленного внешнего магнитного поля и переводит систему в состояние m_s=0, m_I=-1,

v. повторение пунктов ii…iv для системы в состоянии с m_s=0, m_I=-l,

vi. повторение N раз пунктов ii…v, где N лежит в диапазоне от 1 до 5000 раз.

b. управление системой во время нахождения в состоянии измерения, включающее использование радиочастотных импульсов для фильтрации внешних источников шума, уменьшение влияния температуры и внешнего магнитного поля за счет проведения измерений на |-1> и |1> переходах электронного спина, а также измерения магнитного поля, при помощи кристалла алмаза;

с. считывание информации о вращении за счет измерения геометрической фазы Берри, накопленной во время измерения, за счет следующей последовательности действий

i. приложения радиочастотного импульса Pi/2 на частоте, отстроенной от частоты сверхтонкого расщепления на dF*,

ii. измерение состояние ядерного спина, посредством приложения CNOT оператора на систему электронный спин - ядерный спин, например, с помощью микроволнового импульса площадью Pi, на частоте электронного резонанса, отстроенного на величину сверхтонкого расщепления,

iii. измерение интенсивности отклика флюоресценции.

10. Метод измерения вращения по п. 9, отличающий тем, что угол поворота в зависимости от величины отклика определяется по формуле S(w)=1+R cos(A⋅F(Th)), где F - функция от угла между осью вращения и осью NV-центра.

11. Метод измерения вращения по п. 10 отличающий тем, что функция F является тригонометрической Cos, Sin.