Изобретение относится к области гироскопов, а именно, к квантовым гироскопам.

Из уровня техники известен micro-NM гироскоп с благородным газом в качестве чувствительного элемента (US20110297372, WO2006069116, US7282910, US20070266784). Принцип работы micro-NMR гироскопа основывается на измерении изменении соответствующей Ларморовской частоты прецессии атома в зависимости от частоты вращения. Помещая атом в постоянное магнитное поле и, измеряя величину прецессии <x>L можно определить частоту вращения устройства. Данный гироскоп, по размерам аналогичный MEMS-гироскопам, обладает техническими характеристиками волоконно-оптических гироскопов и относится к категории тактических. Основным недостатком такого гироскопа является сложность изготовления, большое время инициализации (порядка 100с) необходимое для начала работы сенсора и стоимость изготовления (порядка 100 000$). По данным DARPA гироскопы, основанные на таком принципе будут массово применяться только в 2030 году.

Наиболее близкими к настоящему техническому решению по сущности являются проекты NMR гироскопов, в которых вместо газа в качестве чувствительного элемента используются спины NV-центров окраски в алмазе, защищенные следующими патентами US20140327439, US20150090033, CN 201310565956, CN 201310752272.

Существенные параметры известных аналогов приведены в таблице ниже.

Таблица 1

В качестве прототипа выбирается решение, известное из заявки на патент США N° 20140327439А1. В заявке спиновый гироскоп на NV-центрах. Причём, для увеличения чувствительности и стабильности трёхосного гироскопа использовались радиочастотные катушки и СВЧ копланарные волноводы на алмазной структуре.

Техническая задача

Технической задачей, решаемой изобретением является измерение абсолютного вращения чувствительного элемента сенсора. Применение разработанного технического решения позволяет получить следующие технические результаты:

• Снижение объема чувствительного элемента сенсора: менее 1 куб. см.

• Высокая удельная спектральная чувствительность элемента: 0.3 χ 10-3

• Низкий дрейф чувствительности: ~ 10-3 грд./час

• Возможность создания гибридного устройства, включающего в себя датчик измерения трех физических параметров (Зх осевой гироскоп, магнетометр, датчик температуры).

Решение

Для решения поставленной задачи предлагается 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 фото детектор, источник сверхвысокочастотного излучения, источник радиочастотного излучения, источник постоянного магнитного поля, отличающийся тем, что имеет энергоэффективную 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. Гироскоп может быть выполнен таким образом, что используется алмазная пластина, в которой концентрация NV-центров лежит в диапазоне 1-100 мд (миллионная доля), концентрация азота не более чем в 5 раз превышает концентрацию NV-центров, концентрация остальных примесей - менее 1 мд.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, 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/мм , а также фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине и оптические элементы, позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор, причём 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.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, 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 создаёт магнитное поле не менее 0,3 Гс в направлении вдоль поверхности алмаза с равномерностью поля на пластине более 90%.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, что используется источник радиочастотного излучения с частотой до 10 МГц.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, что используется источник постоянного магнитного поля, позволяющий создать поле до 20 Гс и имеющий температурную стабильность выше 1 градуса в час.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, 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.

Гироскоп может быть выполнен таким образом, что оптические элементы обеспечивают эффективность сбора излучения флюоресценции выше 50%.

Для реализации изобретения предлагается метод измерения вращения квантовым датчиком с кристаллом алмаза, содержащего систему из ансамбля NV-центров, включающий следующие этапы:

а. 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 т _: =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 не для перевода системы в состояние m _s =0, и

равномерным распределением 1,-1,0,

ii. СВЧ импульс площадью pi для перевода системы из

состояния m _s = 0, m^l в состояние m _s = +1, ττΐ[= 1 , iii. РЧ импульс площадью pi для перевода системы из

состояния m _s = +1, m^l в состояние m _s = +1, ТП[=(),

iv. оптический импульс длительностью от 300 до 1500 не 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, rri[= -1,

v. повторение пунктов ii..iv для системы в состоянии с m _s = 0, πΐ[=- 1 ,

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 счёт проведения измерений на |-1> и | 1> переходах электронного спина, а также измерения магнитного поля, при помощи кристалла алмаза;

c. считывание информации о вращении за счет измерения геометрической фазы Берри, накопленной во время измерения, за счёт 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.

При реализации метода 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, где функция F является тригонометрической Cos, Sin в зависимости от метода измерения.

Перечень фигур

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, и введены обозначения.

1. Постоянный магнит/система магнитов для создания магнитного поля вдоль оси NV.

2. Излучение оптической накачки. 3. Алмазная пластина с NV-центрами.

4. Излучение оптической накачки+излучение флюоресценции NV- центров.

5. Оптический фильтр для отсечения излучения накачки.

6. Флюоресценция NV-центров.

7. Фотодектор.

8. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 2..3ГГц (СВЧ).

9. СВЧ амплитудный модулятор.

10. СВЧ усилитель.

11. СВЧ антенна.

12. Управляемый генератор синусоидального сигнала, работающий в диапазоне 1..50МГц (РЧ).

13. РЧ Амплитудный модулятор.

14. РЧ усилитель.

15. РЧ антенна.

16. Устройство формирования, регистрации и обработки сигналов.

17. Модулируемый источник излучения накачки.

На фиг. 2 и 3 изображено устройство гироскопа, и введены обозначения. 18. Оптический световод или волновод

19. СВЧ катушки Гельмгольца (часть СВЧ антенны[11])

20. Печатная плата

21. Конденсатор на печатной плате, формирующий вместе с катушками резонансную антенну (часть СВЧ антенны[11])

22.Волновод для возбуждения СВЧ антенны (часть СВЧ антенны[11]) 23.Полосковая РЧ антенна.

Фиг. 4 - NV-центр.

Фиг. 5 - Схема энергетических уровней NV-центра.

Фиг. 6 - Триплетная структура резонанса электронного спина, (ЭПР - ОДМР ). Фиг. 7 - СВЧ антенна для обращения к магнитным подуровням NV.

Фиг. 8 - системы переходов для считывания ядерного спина и обозначение квантового логического оператора CNOT.

Фиг. 9 - вращение NV-центра. Сплошной линией обозначена ось вращения, пунктиром - ось NV.

Детальное описание решения

Созданное техническое решение заключает в себя метод измерения абсолютной скорости вращения объекта, а также устройство позволяющее измерять абсолютную скорость вращения объекта в пространстве на основе ансамбля NV-центров в алмазе. NV-центр в алмазе - дефект в кристаллической решетке алмаза, состоящий из примесного азота, и вакансии.

Преимуществами такой системы является высокая надежность, относительно маленькие размеры чувствительного элемента при сравнительно более высоких характеристиках по точности. Более того, в силу естественных особенностей данный метод позволяет сделать детектирование вращения относительно трех осей в одном чувствительном элементе. Также, NV-центры являются стабильными центрами окраски при температурах 0- 600 К.

Метод измерения абсолютной скорости вращения базируется на детектировании геометрической фазы Бэрри ядерных спинов дефектов азота Ni ₄ и изотопа углерода Ci ₃ в кристаллической решетке алмаза содержащем NV(-) дефекты окраски. Накопление геометрической фазы происходит, если ось квантования (в данном случае ось NV-центра или ось приложения магнитного поля) претерпевает поворот в пространстве вокруг оси не сонаправ ленной с ней. Оценки измерения погрешности для такого прибора находятся на уровне 10 ^А -3 Град/час, опережая похожие по компактности методы определения вращения на 1 -2 порядка.

Метод измерения имеет следующие основные шаги:

1. Инициализация 2. Приведение системы из ансамбля NV-центров и окружающих ядерных спинов в состояние чувствительное к вращению;

3.Управление системой во время нахождения в состоянии измерения;

4. Считывание информации о вращении за счет измерения геометрической фазы Берри, накопленной во время измерения.

В общем, конструкция гироскопа на NV-центрах в алмазе состоит из алмазной пластины. Алмазная пластина должна обладать определенным качествами по содержанию центров окраски в ней. В случае использования спинов С13 - в ней должно быть повышенное содержание С13. В случае использования N14 - повышенное содержание NV-центров окраски, и пониженное содержание С13. В состав конструкции входит источник зеленого света (500-580нм), лазерного или фото диодного типа, и оптическая система для направления зеленого излучения на алмазную пластину. Фотодетектор для детектирования флюоресценции центров окраски в алмазной пластине и оптические элементы, позволяющие направить флюоресценцию от алмазной пластины на фотодетектор.

Также в состав конструкции изобретения входит резонансная СВЧ и РЧ антенна источник СВЧ и РЧ излучения, которые необходимы для эффективного взаимодействия с электронными и ядерными спинами в составе дефектов в алмазе. Кроме того, устройство должно содержать источник постоянного магнитного поля и электронную вычислительную систему для контроля над измерениями.

Осуществление

Сенсор вращения, основанный на использовании эффекта накопления геометрической фазы спинами в кристалле алмаза с большим количеством NV-центров в нем. NV-центр в алмазе может быть в нескольких зарядных состояниях q = 0, q= -1, q = +1. В рамках данного изобретения используется состояние q = -1.

Одиночный NV-центр представлен на фиг. 4. Отдельный NV-центр состоит из атома азота и вакансии находящейся рядом с ним. NV(-) дефект обладает 6-ю свободными электронами, имеющих суммарным спином S = 1. Схема электронных уровней энергии для орбиталей внутри запрещенной зоны алмаза представлена на фиг. 5 слева.

Система подуровней невозбужденного состояния представлена на фиг. 5 справа.

NV-центр обладает оптическими переходами в видимом и инфракрасном диапазоне. Основной оптический переход связан с переходом одного электрона с е _х,у орбиталей на ai орбиталь и находится на длине волны 637 нм а также имеет фононно-уширенный спектральный хвост.

После некогерентного возбуждения NV-центра распадается на невозбужденное состояния либо через оптический переход, либо через метастабильное состояние, не сохраняющий значение спина излучая фотон в ИК диапазоне. Вероятность совершить переход через метастабильное состояние зависит от состояния электронного спина NV-центра, будучи максимальной для состояния с проекцией спина +-1 и минимальной для проекции спина 0. Интенсивность флюоресценции NV-центра в видимом диапазоне таким образом сильно зависит от спиновых свойств центра (контраст достигает 30%), что используется для оптического считывания состояния спиновой системы. Метастабильное состояние меняющее спин, обладает не симметрией к состоянию спина, поэтому в конечном итоге происходит поляризация спина в состояние с проекцией 0, реализуя протокол оптической инициализации электронного спина. Несимметричность переходов по отношению к состоянию электронного спина позволяет производить оптическую инициализацию электронного спина.

Также NV-центр обладает разрешенными дипольными переходами в СВЧ диапазоне. В невозбужденном электронном состоянии (оба электрона находятся на ai подуровне) имеется ненулевое спин спиновое взаимодействие электронов, которое приводит к расщеплению уровня энергии D ~ 2.87 ГГц между состояниями с разной проекцией электронного спина на ось NV (m _s =0 и m _s =+/- 1) , образующее тонкое расщепление основного состояния. Вырождение по знаку проекции может быть снято при помощи приложения постоянного магнитного поля вдоль оси NV-центра.

Кроме этого каждое из тонких состояний испытывает сверхтонкое расщепление, связанное с взаимодействием электронного спина со спином ядра Ni ₄ . Сверхтонкое расщепление в отсутствии внешних полей составляет от 2.8 до 7.2 Мгц, в зависимости от состояния. Полный Гамильтониан для системы электронного и ядерного спина записывается следующим образом:

(0.1) H _el = DS ² - _Ye B _z S _z

В свою очередь составляющие гамильтониана ядерного спина записываются как:

H _F =-^ _Ye g^ _n \ _W@ ^e _n \ ² S-I = a _iso S-I

S-I-3(s-e _r )(e _r -l)

4π г

Η _ηΖ =-γΒ Ι

H _Q = Q

Параметры гамильтониана могут быть найдены в [L. I. Childress, "Coherent manipulation of single quantum systems in the solid state," no. March, 2007] .

Естественная ширина линии СВЧ перехода на частоте 2.87 ГГц составляет порядка 100-200 кГц, а расстояния между переходами соответствующими разным состояниям спина порядка 2.1 МГц, таким образом, в спектре ЭПР и ОДМР можно наблюдать триплетное расщепление состояний с проекцией электронного спина равной 0 и 1 (фиг.6).

Однако в случае использования ансамбля NV-центров, такие факторы как напряжение в кристалле, примеси Ci ₃ и неоднородное магнитное поле могут привезти к неоднородному уширению линии СВЧ переходов для разных NV-центров из ансамбля, что может привезти к ухудшению характеристик гироскопа.

Для использования в устройстве лучше всего подходят кристаллы алмаза с умеренным содержанием NV дефектов (1-100 ррт). Могут быть использованы алмазы производства НРНТ без использования катализаторов, CVD с контролируемым умеренным содержанием примесей азота, и отсутствием других парамагнитных примесей, таких как Ci ₃ , а также природные кристаллы алмаза. Для создания ансамбля NV-центров в кристалле необходимо провести облучение под электронным, протонным, нейтронным, или гелиевым пучком, с энергией частиц превышающей 1 МэВ. (ЗМэВ). После облучения, необходимо продержать образец в вакуумной высокотемпературной печи. Режим отжига может быть разный. В качестве примера, используется отжиг при температуре 800 градусов Цельсия в течении 2 часов. В процессе отжига, вакансии, образованные при облучении, становятся подвижными и «находят» азотные примесные атомы в решетке алмаза.

Кристалл алмаза может быть отполирован в соответствии с различной кристаллографической осью. Коммерчески доступные пластины обладают [100], [ПО], [111], ориентацией. Например, ориентация [100] означает, что грань полировки перпендикулярна ребру куба гранецетрической кристаллической решетке алмаза. Ориентация [111] означает, что нормаль к плоскости полировки параллельна ковалентной связи в решетке алмаза (см. фиг. 4). Для эффективного взаимодействия СВЧ излучения с электронным спином, магнитное переменное поле должно быть направлено перпендикулярно оси NV-центра. Наиболее подходящим решением будет СВЧ резонатор изображенный на рисунке 6. Микроволновый резонатор должен обладать необходимой степенью подстраиваемости, для использования на различных частотах, например на переходе Ms = -1 -> 0, или Ms = +1 -> 0. Технология измерения вращения на ядерном спине азота

Измерение вращения осуществляется на базе измерения геометрической фазы Бэрри, которая приобретается квантовым моментом системы, ось квантования которой претерпевает вращение в пространстве. Фаза в данном случае накапливается между состоянием с проекцией спина = +/- 1 и 0 в случае если использует спин азота, и +1/2 и - Vi если используется спин углерода Ci ₃ или Νι ₅ (также являющимися примесями в алмазной решетке).

Измерение вращения также возможно наблюдать на электронном спине, но в силу большого гиромагнитного момента электронного спина, он испытывает сильное влияние флуктуаций магнитного поля, которые делают его использование сложным, однако это также возможно использовать для измерения вращения.

Для того чтобы провести описанное выше измерение, необходимо подготовить когерентную суперпозицию состояний ядерного спина, например с проекцией спина |0> и | 1>. Оставить её свободно прецессировать на время t, а затем считать состояния ядерного спина.

Этап 1: Подготовка когерентного состояния ядерного спина

Для начала необходимо провести инициализацию ядерного спина ансамбля NV-центров. Для этого применяется последовательность импульсов (СВЧ, радиочастот и оптических) приводящих систему в состояние с определенной проекцией ядерного спина. Данная последовательность может быть разной, в частности может быть использован алгоритм оптимального управления, (например алгоритм G.R.A.P.E), для того чтобы учесть влияние неконтролируемых помех окружающей среды. Наиболее простой способ инициализировать ядерный спин заключается в применении последовательных импульсов, и использования правил отбора (см. фиг. 5). Начало последовательности - оптическая инициализация электронного спина в состояние с MS = 0, и равномерным распределением М_1. Далее прикладывается СВЧ импульс площадью Pi переносящий населенность с уровня MS = 0, MI = 1 на уровень MS = +1, MI = 1 , далее прикладывается импульс РЧ на частоте перехода MI = 1 -> MI = 0, после чего приклывается оптический импульс, которые переводит состояние в возбужденное состояния, и в следствие в основном спин-сохраняющих оптических переходов, система возвращается в состояние Ms =0, но уже в состояние с проекцией ядерного спина равной Ml =0 и Mi =- 1 (MI = 1 уже перенесена на Ml = 0). Аналогичная процедура проводится для проекции ядерного спина Mi =- 1, в результате чего ядерный спин поляризуется в состояние с Ml = 0.

Для приведения инициализированного состояния спина в состояние когерентной суперпозиции прикладывается Pi/2 импульс на частоте перехода ядерного спина. Данный переход может осуществляться как в состоянии Ms = +/-1 , так и в состоянии Ms = 0

Этап 2. Управление системой во время нахождения в состоянии измерения.

В процессе накопления геометрической фазы, к ядерному спину могут прикладываться различные радиочастотные импульсы для фильтрации внешних источников шума. В качестве примеров таких последовательностей, являются последовательности Echo, XY4, CPMG. Кроме того, для уменьшения влияния температуры и внешнего магнитного поля, необходимо совершать измерения на |-1> и | 1> переходах электронного спина, а также проводить измерения магнитного поля, при помощи этого же кристалла алмаза [ G. de Lange, D. Riste, V. V Dobrovitski, and R. Hanson, "Single-spin magnetometry with multipulse sensing sequences.," Phys. Rev. Lett., vol. 106, no. 8, p. 080802, Feb. 2011].

Фаза набираемая между собственными состояниями оператора энергии (Гамильтониана) медленно меняющего во времени, называется фазой Берри.

В случае вращения оси квантования системы вокруг оси Z под углом Θ к ней, система будет приобретать фазу, зависящую от угла Θ. Зависимость от угла Θ определяется конкретным видом системы. И методом её считывания. В общем случае, система будет испытывать вращение под произвольным углом Θ к оси.

Если привести систему в когерентное суперпозиционное состояние, и привести кристалл во вращение, то по отношению к динамической фазе, вызванной собственным вращением фазы системы, будет накапливаться геометрическая фаза. При измерении набега фазы методами Рамси спектроскопии, этот набег фазы проявляется в смещении сигнала флюоресценции по отношению к «невращающемуся» измерению (фиг. 8), а также, если взять преобразование Фурье от сигнала эксперимента Рамси с отстроенной частотой (Free Induction Decay), в сдвиге центральной частоты сигнала.

Кроме эксперимента спектроскопии Рамси, возможно проведение более сложных экспериментов, в том числе рефокусирующих. Общая идея применения рефокусирующей последовательности в том, что окружающая среда (паразитные парамагнитные примеси и их спины) спинов, изменяется медленней чем проходит одно измерение за время Т1 спинов среды. Однако для получения удовлетворяющего уровня сигнала, необходимо провести серию однотипных экспериментов. В процессе повторения этих измерений окружающая среда начинает меняться, меняя измеряемую величину. Однако если суметь скомпенсировать влияние внешней среды, в процессе одного измерения, то после усреднения результатов повторяемого эксперимента, изменение среды будет исключено. Это можно сделать, в приближении медленно меняющейся окружающей среды за время проведения отдельного измерения. Простейшим примером является Echo последовательность, или переворачивание спина в середине процесса накопления фазы. Учитывая, что причина накопления фазы постоянна, переворот спина, приводит к накоплению аналогичной фазы с противоположным знаком, в результате чего, накопленная «шумовая фаза» компенсируется. Этап 3. Измерение состояния спина после свободной прецессии.

После приобретения фазы между состояниями М_1 = |0> и Μ_Ι = 11> , приложением импульса Pi/2 на частоте перехода |0> -> | 1> разность фаз конвертируется в разность населенностей состояний. Далее, эту разность необходимо конвертировать в измеримый сигнал. В случае NV-центра этим сигналом является оптическая флюоресценция при накачке оптическим излучением в диапазоне 500-600 нм.

Оптическая флюоресценция линейным образом зависит от населенностей состояний электронного спина в силу того, что оптические переходы несимметричные для различных состояний электронного спина, и для состояния спина Ms= +/-1 существует вероятность перейти на темновое метастабильное состояние (как следствие уровень флюоресценции в этом случае падает). Для измерения ядерного спина необходимо провести отображение состояния ядерного спина на электронный спин. Для этого используется метод «сингл-шот» считывание. Его преимущество заключается в том, что он позволяет считывать ядерный спин не разрушая его. Принцип этого отображения в следующем (фиг. 9): дипольно- разрешенные переходы - те, у которых суммарное изменение спина не больше 1. Поэтому, между электронными подуровнями разрешены переходы сохраняющие проекции ядерного спина. Однако, факт перехода системы в состояние с MS = 1 проявляется в уменьшении флюоресценции системы. Таким образом, применяя Pi импульс на частоте одного из переходов (см. фиг. 9) к системе с MS =0 (после предварительной оптической инициализации электронного спина), и следя после этого за флюоресценцией, можно судить о том, в каком состоянии находится ядерный спин системы. Если он находится в состоянии +1 - то импульс на частоте разрешенного дипольного перехода переведет систему в состояние с |Ms = 0, М_1 = +1>, и флюоресценция системы уменьшится. В других случаях флюоресценция системы не изменится.