Проект

Введение:

Гироскопы нашли широкое применение в повседневной жизни от датчиков вращения в портативных устройствах и автомобилях до космических технологий. Современные устройства, основанные на атомных или твердотельных системах, предполагают выбор между долговременной стабильностью и высокой чувствительностью. В настоящее время мы разрабатываем твердотельный квантовый гироскоп на базе NV-центров окраски в алмазе.

Особенностью данного проекта является высокая потенциальная стабильность разрабатываемого гироскопа – он практически не подвержен дрейфу нуля. Такая стабильность определяется прежде всего тем фактом, что механический момент ядра атома азота является мировой константой, не меняющейся во времени, в отличие от MEMS гироскопов, механические параметры которых меняются во времени. Это преимущество, однако, не избавляет гироскоп от чувствительности к внешним воздействиям, таким как магнитные поля и температура.

Описание технологии:

Метод измерения абсолютной скорости вращения базируется на детектировании фазы ядерных спинов дефектов азота ¹⁴N в кристаллической решетке алмаза, содержащей NV-центры окраски (рис. 1, рис. 2).

Метод измерения вращения заключается в следующем:

• приведение системы из ансамбля NV-центров и окружающих ядерных спинов в состояние чувствительное к вращению (инициализация);
• управление системой во время нахождения в состоянии измерения;
• считывание информации о вращении за счёт измерения фазы, накопленной во время свободной прецессии ядерного спина.

Принципиальная схема квантового гироскопа на NV-центрах окраски в алмазе включает следующие элементы: алмазную пластину с NV-центрами, систему управления микроволновыми и радиочастотными импульсами, систему оптической накачки и считывания сигнала NV-центров, источник постоянного магнитного поля; упрощённая схема гироскопа представлена на рис. 3.

Преимущества технологии:

Технология использования ядерного спина в твёрдом теле обладает рядом преимуществ, таких как компактность и возможность интеграции в чип-устройства. Теоретически достижимые параметры работы гироскопа: 

• Маленький объём чувствительного элемента: менее 1 куб. см.
• Высокая спектральная чувствительность: 0.3х10^-3 град/час .
• Уход нуля: ~10^-3 град/час.

Прототип гироскопа:

На данный момент создан лабораторный прототип оптического блока квантового гироскопа на NV-центрах окраски в алмазе, размерами 10х10х20 см. Проведено экспериментальное измерение вращения и измерение масштабного коэффициента.