中国科学家提出一种新型固态原子钟方案，更适于实际应用

根据中国科学技术大学官网近日消息，杜江峰、石发展等人在固态体系中开展了首个类原子缺陷全同性检验的工作，频率检验精度达赫兹级，并基于这一结果提出了新型固态原子钟方案。
该成果以“Identity Test of Single NV−Centers in Diamond at Hz-Precision Level”（赫兹水平的金刚石NV色心的全同性检验）为题于7月28日发表在《物理评论快报》上。
“原子钟是以原子共振频率为标准来计算及保持时间准确的时钟。从古至今，人们使用各种周期性的规律现象来记录时间：利用太阳在天空的位置制成日冕，利用单摆的往复运动做成钟摆，利用晶体的压电谐振制成石英钟表......基于类似的思想，原子在不同能级叠加态上的演化也是一种周期性的现象，利用这种周期性的现象可以制作极为精确的原子钟。”论文的第一作者赵致远向澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示。
“金刚石中存在一种叫做氮-空位的类原子缺陷，可以将缺陷中氮核制备为叠加态，将氮核状态周期性的演化作为规律记时的标准。”赵致远表示，“此项工作验证了固态体系中类原子缺陷的全同性，基于该工作的结论原理上可以构建一种新的原子钟。”
精密测量是人类深化认知自然界的重要手段，诸如基本物理规律检验、基本物理常数测量、原子钟和引力波探测等领域都以精密测量为基础。
而粒子的全同性是开展高精度测量的前提，人们倾向于相信诸如光子、电子、原子等粒子天然就是全同的，这不仅因为人类相信自然应是简单的，大量实验证据也暗示如此。然而，对于固体中的类原子缺陷，由于固态晶格的复杂性，人们通常不认为它们是全同的。同时，由于固态晶格的复杂性，高精度的实验测量和理论分析存在极大的困难，若想在室温大气下实现这些难度则更高。因此，目前尚未对固体中的类原子缺陷进行过高精度的全同性检验。
近十年来，金刚石中的一种类原子缺陷——氮-空位色心（简称NV色心）得到了广泛关注。当金刚石晶格中一个氮原子取代碳原子，同时相邻位置缺少一个碳原子而留下空位时，就形成了NV色心。

金刚石晶格中NV中心的原子结构。橙色球体表示氮原子，白色球体表示空位，黑色球体表示碳原子。

这种缺陷具有很多优良性质，例如室温大气条件下就有较长的相干时间，可通过激光照射读出和初始化，周围存在可被利用的核自旋资源等。基于这些优势，NV色心已经在量子精密测量和量子计算等领域被广泛应用。
在室温大气条件下，研究组对NV色心的全同性进行了赫兹级水平的检验。研究组采用拉姆齐干涉法对该系统的哈密顿量进行了测量，在赫兹级水平上对不同色心进行了比较。其中，对氮核自旋的电四极矩耦合的测量最为精确，结果为−4945754.9(8) Hz，此测量值的精度比以往实验提高了四个数量级。实验惊奇地发现，即使在室温大气条件下，不同的色心仍能在赫兹水平上表现为全同，而不均匀的晶格应力可使色心产生数十赫兹的差异。
研究人员基于以上全同性检验的结果，提出了一种具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟的新方案。新方案是将核自旋的电四极矩耦合当做频率标准，一块1立方毫米大小的具有6 ppb色心浓度的金刚石即可达到现有商用原子钟的水平。

原子钟方案的Allan方差

赵致远表示，“由于金刚石固态晶格的保护作用，这种原子钟优势在于具有高鲁棒性和集成性。相较于现有的基于原子气系综的原子钟，可适应更复杂恶劣的工作环境，如震动剧烈的环境、高温环境、移动平台环境等。”
论文称，该工作提供了一种在固态自旋中开展精密测量的方法，加深了对固态类原子缺陷的认识。未来，测量精度可在低温下进一步提升至毫赫兹水平。
赵致远表示，此次研究的主要创新和突破有三点：第一，这是固态体系中首个类原子缺陷全同性检验的工作；第二，频率检验精度高，达赫兹级。由于固态晶格的复杂性，高精度的实验测量和理论分析存在极大的困难，若想在室温大气下实现这些难度则更高；第三，提出了新的固态类原子钟方案，该方案相较于已有的方案，对温度变化更加不敏感，更加适于实际应用。(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)