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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、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的工作，頻率檢驗精度達赫茲級，基于這一結(jié)果提出了新型固態(tài)原子鐘方案。該成果以“Identity Test of Single NV?Centers in Diamond at Hz-Precision Level”為題發(fā)表在近期《物理評論快報》上[Physical Review Letters127, 053601(2021)]。

精密測量是人類深化認(rèn)知自然界的重要手段，諸如基本物理規(guī)律檢驗、基本物理常數(shù)測量、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，人們傾向于相信諸如光子、電子、原子等粒子天然就是全同的，這不僅是因為人類相信自然應(yīng)該是簡單的，大量的實驗證據(jù)也暗示如此。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，人們通常不認(rèn)為它們是全同的。亦是由于固態(tài)晶格的復(fù)雜性，高精度的實驗測量和理論分析存在極大的困難，若想在室溫大氣下實現(xiàn)這些難度則更高。因此，目前尚未對固體中的類原子缺陷進行過高精度的全同性檢驗。

近十年來，金剛石中的一種類原子缺陷——氮-空位色心（NV center）得到了廣泛關(guān)注。這種缺陷具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，例如室溫大氣條件下就有很長的相干時間，可通過激光照射讀出和初始化，周圍存在可被利用的核自旋資源等?；谶@些優(yōu)勢，氮-空位色心已經(jīng)在量子精密測量和量子計算等領(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行了赫茲級水平的檢驗。研究組采用拉姆齊干涉法對該系統(tǒng)的哈密頓量進行了測量，在赫茲級水平上對不同色心進行了比較。其中，對氮核自旋的電四極矩耦合的測量最為精確，結(jié)果為?4945754.9(8) Hz，此測量值的精度比以往實驗提高了四個數(shù)量級。實驗驚奇地發(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。

研究組基于以上全同性檢驗的結(jié)果，提出了一種具有高魯棒性和集成性特點的固態(tài)原子鐘的新方案。該方案將核自旋的電四極矩耦合當(dāng)做頻率標(biāo)準(zhǔn)，一塊1立方毫米大小的具有6 ppb色心濃度的金剛石即可達到現(xiàn)有商用原子鐘的水平。相較于現(xiàn)有商用原子鐘，得益于金剛石晶格的保護作用，該固態(tài)原子鐘具有高魯棒性和易于集成的特點，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。

圖：（a）：實驗探測序列及拉姆齊干涉結(jié)果；（b）：全同性檢驗結(jié)果：四極矩耦合參數(shù)的測量結(jié)果，前五個為遠(yuǎn)離固體浸沒透鏡的色心，后兩個為固體浸沒透鏡內(nèi)的色心，在金剛石上加工固體浸沒透鏡會產(chǎn)生局域應(yīng)力導(dǎo)致色心產(chǎn)生差異；（c）：原子鐘方案的Allan方差，黑實線為實驗組提出的固態(tài)原子鐘方案。

圖：利用金剛石中的類原子缺陷，可以構(gòu)建一種固態(tài)類原子鐘。

該工作提供了一種在固態(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的固態(tài)原子鐘，相關(guān)成果已申請專利。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室博士后謝天宇、博士生趙致遠(yuǎn)、博士后郭茂森為該文并列第一作者，杜江峰院士和石發(fā)展教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.053601

（中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）