基于CPT调制的高精度NVGyro 14N核自旋系综极化与稳定控制方法

The negatively charged nitrogen-vacancy (NV—) color center 14N nuclear ensemble is the sensitive medium for diamond NV— color center nuclear magnetic resonance gyroscope (NVGyro). However, there are strong couplings between 14N nuclear spin ensemble and many types of impurities, which abounding in high density diamond block that causes the difficulty to polarize and the polarization state stable of the 14N nuclear spin ensemble. The proposed project aim to resolve the problems above, the mechanism of coherence population trapping (CPT) for 14N nuclear spin ensemble polarization will be considered and the 14N nuclear spin ensemble quantum state variation model will be set up. The high efficiency and fast polarization for 14N nuclear spin ensemble will be carried out by CPT modulation. On the other hand, the color center quantum state varies according to combined affection of CPT modulation and impurities coupling. In order to resolve the problem, the nonadiabatic release effect on 14N nuclear spin quantum states will be analyzed. Based on CPT modulation technology, the parameters of the color center quantum state variation model, microwave, and RF will be optimized. Subsequently, the dynamic decoupling technology which is based on quantum state following method will be proposed to improve the polarization state stability of 14N nuclear spin ensemble. Last, according to the proposed methods, the decoherence time and inertia measurement experimental tests will be carried out. The achievements of the proposed method will provide a significant theoretical and technical basis for improving precision of NVGyro.

金刚石内嵌负价氮原子-空位（NV—）色心内14N核自旋系综作为金刚石NV—色心核磁共振陀螺仪（NVGyro）的敏感介质，因其与多种色心杂质有强烈的耦合作用，导致难以进行高效极化与极化态稳定。本项目针对上述问题，分析NV—色心量子态相干布居囚禁（CPT）机制，建立描述CPT作用下14N核自旋系综量子态变化模型，通过CPT调制实现高效、快速的14N核自旋极化；并针对CPT调制与色心杂质耦合共同作用下，导致色心量子态产生变化的问题，分析CPT非绝热释放对14N核自旋量子态的影响，基于CPT调制技术进行色心量子态变化模型与微波射频操控参数匹配，实现量子态跟踪式动态解耦，以提高14N核自旋系综极化态的稳定性，最后，通过色心相干时间测量及惯性信号测量实验对所提出的方法进行实验验证。本项目所得成果为提高NVGyro的测量精度提供重要的理论与技术基础。

小型化陀螺仪是如无人飞行器、单兵作战装备、小型机器人、高性能医疗装置等设备姿态、导航、定位中至关重要的核心元器件之一，国家《十三五规划纲要》及《中国制造2025》均对小型化高性能陀螺仪提出了迫切需求。金刚石内嵌负价氮原子-空位（negatively charged nitrogen-vacancy，NV—）色心核磁共振陀螺仪（NV—diamond nuclear magnetic resonance gyroscope，NVGyro）具有室温下微秒级快速启动、高稳定性、可实现三轴惯性测量的特点，有望达到微机电系统（MEMS）陀螺的体积、光学陀螺的精度，是小型化高性能陀螺仪重要的发展方向之一。本项目以金刚石色心中14N核自旋系综的高效、快速极化与极化态稳定为研究对象，针对金刚石色心用于惯性测量时，色心所存在的耦合问题进行详细研究，其研究内容主要包括模型建立、核自旋极化研究，以及实验研究三个部分。考虑13C原子及15N、P1色心等金刚石内部多种耦合源对NV—色心系综的影响，基于半经典全量子理论，利用蒙特卡洛计算方法，对NV—色心系综量子态的影响，建立了NV—色心核自旋系综态动力学模型。通过研究基于电子能级反交叉现象（ESLAC）于色心谐振场操控等方法，进行了14N核自旋极化，实现了优于80%的核子极化率。最后，通过金刚石色心的超精细能级的分辨，确认了14N核子的极化有效性。本课题的研究过程中，更加明确了金刚石色心的动力学模型，提出了较现有方法更好的色心解耦方法，设计并制作了更优的色心操控微波导线，以及更高效的荧光测量系统，上述方法不仅对基于金刚石色心的极化与惯性测量技术，对基于金刚石色心的其他量子传感、量子计算、量子通信，乃至与金刚石色心相类似的诸如B-N材料中的B-V色心等，均有这重要的研究借鉴意义。如将该技术走向应用，则在浅层医疗磁成像、材料磁探测等诸多领域有着极好的应用前景。