非交换量子几何相位NV色心陀螺的制作方法

本发明涉及固态金刚石NV色心非交换量子几何相位检测，具体为一种核磁共振原子陀螺仪。

背景技术：

原子陀螺是近几年发展起来的新技术，主要通过激光抽运的方式对目标电子进行极化来感知外部载体转动(自旋极化)。依靠目标原子自旋制成的陀螺具有体积小、灵敏度高等优点，是未来陀螺技术发展的新方向。世界各国对核磁共振陀螺(NMRG)的研制主要有室温光泵浦NMRG和低温超导NMRG两个方向。室温光泵浦NMRG早在1960年美国就开始进行深入的研究，开发了工作介质、激发系统等关键技术，研制了原理验证样机；同时，Stanford大学、ARE(Slough)和Sussex大学、Princeton大学等在低温超导NMRG的研发中取得了很大的成绩；美国DARPA机构(美国国防部先进研究项目局)提出了Micro-PNT发展战略(Microtechnology for Positioning，Navigation，and Time)，通过将芯片级的原子钟与微惯性测量单元(IMU)技术融合的手段，来降低系统尺寸、重量和功耗，发展集微型位置定位、导航与授时于一体的集成系统。诺斯罗普·格鲁门公司获得NGIMG全程支持，他们所研制的NMRG陀螺样机精度已经达到了0.02°/h，随机游走达到了0.005°/h^1/2，体积达到了10cm³。这些研究标志着高精度、微小型陀螺技术取得重大突破，成为了世界上达到导航级精度中，体积最小的陀螺。

金刚石氮空位色心(NV色心)陀螺是结合量子操控、量子材料、半导体激光和微纳集成技术提出来的最新型固态原子陀螺，是近几年发展起来的原子陀螺技术，国内外还处于原理验证阶段。NV色心在室温下具有优异的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间，是目前最成功的自旋磁共振体系之一。基于NV色心的原子自旋启动时间极短(μs)，稳定性高，对磁场和温度的要求低，具有优良的角速率敏感特性，可以实现三个方向的角速率信息测量，互相耦合低；金刚石陀螺具有高灵敏度的潜力，采用目前比较成熟的检测技术，随机游走可达到满足战术级惯性导航与制导的应用需求，随着金刚石中C抽运技术的快速发展，未来有望达到惯性级的技术指标。

技术实现要素：

本发明主要针对目前陀螺仪角速率检测灵敏度低、体积大、功耗高、温度漂移大等缺点，基于NV色心对称轴四个方向几何相位敏感转动角速率的特性，提出了一种基于非交换几何相位(Non-abelian geometric phase)的核磁共振陀螺仪。应用原子激发、量子调控等前沿技术，在激光、外加磁场、微波和射频的作用下对NV色心能级进行调控，利用锁频技术检测频率跃迁并用荧光数量布居变化进行收集和读取，研制高性能的非交换量子几何相位NV色心陀螺。

本发明的NV陀螺仪结构和测试方法如下：

金刚石中的氮空位(NV)色心，是由一个氮原子取代了金刚石中的一个碳原子并且捕获周围的一个空穴形成的，其结构具有C_3V对称性。根据带电量的不同，NV色心分为NV⁰(中性)和带负电的NV^-1。常用的NV色心为NV^-1，常用的NV色心为NV^-1。

NV色心的电子、核自旋能级结构如图1所示。电子基态为自旋三重态(S＝1)，在无外部磁场或者应力的作用时，m_s＝±1是简并的，m_s为S沿对称轴方向的投影有关的量子数。由于自旋-自旋的作用，m_s＝0与m_s＝±1之间的零场分裂能级为D＝2.87GHz。当沿NV对称轴方向施加一B_Z的磁场时，基态能级会产生一个m_sg_sμ_bB_Z的能量偏移，其中g_s≈2为电子的朗德因子，μ_B＝8.79rad/s/G为波尔磁子。外加局域应力时，m_s＝±1次能级简并，相对应的基态能级分裂，分裂的能量为2E，E为横向零场分裂参数，对于高密度NV色心金刚石来说，通常E为几个MHz。施加几个Gauss的磁场时其基态能级近似等于S_z。因此，¹⁴N核自旋(I＝1)的精细能级对电子能级的耦合会产生另外的能级劈裂。

金刚石NV色心自旋陀螺实验脉冲序列如图2所示。使用532nm激光器照射金刚石表面，同时施加约500Gauss的磁场，这样NV色心就被激发到|m_s＝0，m_s＝+1>态，实现了初始化。初始化后关闭激光光源，磁场减小到10G(为了提高NV色心的稳定性)；此时施加一个π/2脉冲，|m_s＝0，m_s＝+1>与|m_s＝0，m_s＝-1>基态次能级系统建立了相干态，两精细能级跃迁的共振频率为ω_hf≈5.1MHz。在10Gauss磁场同时作用下，经过时间t的自旋自由演化后，超精细能级间的耦合以及试料与外部载体的旋转，引起核塞曼分裂和几何相位角积累。然后施加第二个π/2脉冲，将相干态激发回到¹⁴N赛曼次能级布居，此时施加微波脉冲，调制频率到产生¹⁴N精细能级跃迁所需的频率，选择性读出现在状态光子的信息。

本发明所述非交换量子几何相位NV色心陀螺的构成主要由角速率敏感部分(具有系综NV色心的金刚石)、外部激励部分(主要是激光抽运系统、高频信号发生系统、磁场系统)、荧光探测系统、和时序控制电路及软件组成。系统具体构成如下：

一种非交换量子几何相位NV色心陀螺系统，包括角速率敏感单元，所述角速率敏感单元包括屏蔽箱外壳，所述屏蔽箱外壳上开设激光入射口，所述屏蔽箱外壳内通过线圈底座安装三轴亥姆霍兹线圈；所述三轴亥姆霍兹线圈内通过金刚石支架安装含有集群NV色心的金刚石，所述金刚石支架上安装微波-射频天线，所述金刚石支架上位于金刚石四周安装光电二极管。

所述三轴亥姆霍兹线圈通过同轴电缆经底座连接器与外部的磁场控制器相连。

所述光电二极管收集金刚石的荧光后，经过外部的滤波器滤波后，经由锁相放大器锁定，并通过示波器读取荧光信号电压值。

包括激光器，所述激光器发出的激光，通过双色镜和反射镜，再经过声光调制器入射到角速率敏感单元的激光入射口照射在含有集群NV色心的金刚石上。

包括微波源和射频源，所述微波源发出的微波信号和射频源发出的射频信号分别经过微波开关和射频开关通过耦合器接入微波-射频天线的天线馈电口。

所述声光调制器、微波开关和射频开关的时序均由信号发生器提供。

包括FPGA硬件，所述FPGA硬件控制锁相放大器、微波源、射频源及磁场控制器。

金刚石NV色心陀螺系统工作原理：

多重路径的几何相位变化结果是非交换性的，基于非交换几何相位(Non-abelian geometric phase)的NV陀螺对磁场和角度的变化非常敏感，同时有清晰的方向指向；因为NV色心宏观具有四个对称轴，所以在原理上它可以通过四个轴向的几何相位位移测量外部载体三个方向的旋转信息。因此，利用NV色心自旋的非交换几何相位积累实现外部载体角速率变化测量。在本方法中，NV对称轴转动引起NV^-电子基态±1能级的频率迁移、相位变化与对称轴固态角偏转量成正比，同时该非交换几何相位通过外部序列操控实现高精度测量。带NV色心系综的块状金刚石在磁场、微波和激光作用下，围绕z轴转动时，其时间演化算子用公式(1)表示，此时，外界角速率变化引起的基态能级势能变化A可用公式(1)给出。

U＝P exp(-∫A_αdλ^α)

上述公式表明，该能量变化与转动角Φ和方位角θ有直接关系。保持Φ和θ两个参数中的一个恒定，外界角速率转动引起的几何相位角在{±1,|0}积累变为：

其中Θ＝∫dθ为系统旋转时的自旋极化角度。因此，我们就得到了外界角速率变化与自旋极化的关系。这里自旋极化的读出利用通用的荧光读出方法。当θ＝30°时，公式(2)可以简化为：

NV色心对外界角速率变化的敏感呈现规律性，能级在外加500G磁场情况下，量子几何相位可以通过自旋态矢量受外界敏感角速率的初态、末态进行叠加，通过哈密顿量变化可以解算外界角速率。

利用NV色心对称轴四个方向几何相位敏感转动角速率而制成的核磁共振陀螺采用如图所示的方案和脉冲调控序列，在外加磁场、微波和射频的作用下，实现的角速率测量。其中利用锁频技术检测得到的频率跃迁为ω_±＝2πD±g_sμ_BB±ω(1-cosθ)，用荧光检测的对比度进行确认。该原理的NV原子陀螺检测灵敏度可以表示为：

其中，为退相干时间，τ为测量时间，R为m_s＝0与m_s＝1态的自旋态检测对比，η为光子收集效率，N为参与荧光发射的NV^-色心数量。随着NV色心浓度的增加、退相干时间的延长，该陀螺的灵敏度还可以提升至10^-5rad s^-1Hz^-1/2以上。

附图说明

图1表示NV色心的电子、核自旋能级结构示意图。

图2表示金刚石NV色心自旋陀螺实验脉冲序列图。

图3表示NV色心陀螺系统搭建示意图。

图4表示角速率敏感单元空间结构示意图。

图5表示三轴亥姆霍兹线圈内部结构示意图。

图中：3-角速率敏感单元，4-激光器，5-信号发生器，6-双色镜，7-反射镜，8-声光调制器(AOM)，9-耦合器，10-微波源，11-射频源，12-锁相放大器，13-示波器，14-FPGA硬件，15-滤波器，16-磁场控制器，17-射频开关，18-微波开关，301-微波-射频天线，302-含有集群NV色心的金刚石，303-屏蔽箱外壳，304-屏蔽箱锁槽，305-激光入射口，306-同轴电缆，307-三轴亥姆霍兹线圈，308-线圈底座，309-金刚石支架，310-天线馈电口，311-光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种非交换量子几何相位NV色心陀螺系统，主要由角速率敏感部分(具有系综NV色心的金刚石)、外部激励部分(主要是激光抽运系统、高频信号发生系统、磁场系统)、荧光探测系统、和时序控制电路及软件组成。

具体系统框图如图3所示：包括激光器4，所述激光器4发出的激光，通过双色镜6和反射镜7，再经过声光调制器8入射到角速率敏感单元3的激光入射口305照射在含有集群NV色心的金刚石302上。

如图3所示包括微波源10和射频源11，所述微波源10发出的微波信号和射频源11发出的射频信号分别经过微波开关18和射频开关17通过耦合器9接入微波-射频天线301的天线馈电口310。所述声光调制器8、微波开关18和射频开关17的时序均由信号发生器5提供。

如图3所示包括FPGA硬件14，所述FPGA硬件14控制锁相放大器12、微波源10、射频源11及磁场控制器16。

其中，函数发生器实现对微波开关、射频开关、声光调制器(AOM)的时序控制。高频信号发生系统一路由微波发生器、射频源、高频信号开关及耦合器组成。微波、射频信号经过耦合器与天线馈电口相连，搭载在金刚石上，使得高频信号作用在金刚石NV色心上，两路高频信号通过对应的微波开关和射频开关实现不同时序输出；磁场控制器主要由三维亥姆霍兹线圈和直流电源构成，通过调节电流源获得稳定磁场；激光抽运部分由532nm的绿光激光器产生激励光，经声光调制器(AOM)、双色镜和反射镜对激光进行控制，并对金刚石的NV色心进行脉冲激励；激发的荧光被分布于金刚石四周的光电二极管接收，通过滤波，经由锁相放大器进行锁定，最后进行NV自旋态检测。整个系统有FPGA硬件实现同步通断控制。

角速率敏感系统分布如图4、5所示：包括角速率敏感单元3，所述角速率敏感单元3包括屏蔽箱外壳303，所述屏蔽箱外壳303上开设激光入射口305，532nm激励光通过金属屏蔽箱上的小孔照射到金刚石表面。所述屏蔽箱外壳303内通过线圈底座308安装三轴亥姆霍兹线圈307；所述三轴亥姆霍兹线圈307内通过金刚石支架309安装含有集群NV色心的金刚石302，金刚石放置在金属屏蔽箱的中间部位，微波源、射频源经同轴电缆与耦合器相连，耦合器另一端与微波-射频天线结构相连，天线结构经固定机构固定在金刚石支架上，金刚石通过支架放置在三轴亥姆霍兹线圈的中间。所述金刚石支架309上安装微波-射频天线301，所述金刚石支架309上位于金刚石四周安装光电二极管311。

所述三轴亥姆霍兹线圈307通过同轴电缆306经底座连接器与外部的磁场控制器16相连，产生稳定的磁场。

四个光电二极管放置在金刚石的四个方向，用于收集金刚石发出的荧光信息。所述光电二极管311收集金刚石的荧光后，经过外部的滤波器15滤波后，经由锁相放大器12锁定，并通过示波器13读取荧光信号电压值。

除去激光器、微波源、射频发生器与磁场控制器，角速率敏感系统全部放置在屏蔽箱里，用于隔磁、除光。

工作流程：激光器4发出532nm的激光，通过双色镜6和反射镜7，再经过声光调制器8入射到金刚石302上；微波源10和射频源11信号分别经过微波开关18和射频开关17通过耦合器9接入天线301的馈电口310，辐照在金刚石上；声光调制器、微波开关、射频开关的时序均由信号发生器5提供；磁场控制器16通过改变电流大小使敏感单元3内部的三轴亥姆霍兹线圈产生均匀磁场。整个过程中产生的荧光通过光电二极管收集，经过滤波器15滤波后，经由锁相放大器12锁定，并通过示波器13读取荧光信号电压值，进而进行NV自旋态检测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。