基于金刚石NV色心的固态核磁共振陀螺关键技术研究

In order to solve the low sensitivity, larger drift (MEMS gyroscope), larger volumes and longer start-up (nuclear magnetic resonance gyroscope), we proposed a novel method of solid-state spin angular velocity measurement based on nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond with multidisciplinary technologies. In this method, we will refine the theory of angular rate detection with high density NV centers in diamond, and setup the measuring system for external angular rate variation by solid spin control in assemble of NV centers. We also make this system has the ability of angular rate detection by exploiting photon excitation, manipulation and detection techniques using optical method. Further, we need to improve efficiency and reduce the noise of photon excitement and collection to improve the sensitivity of the system. All these will be the basis for practice of gyro in the future. In conclusion, this project can shed light on the next generation of atomic navigation, atomic clock, atomic magnetic sensing and even on spintronic devices theoretically and experimentally.

针对当前多种新原理陀螺的低灵敏度、大漂移（MEMS陀螺），大装配空间、长启动时间（核磁共振陀螺）问题，结合新型量子操控、量子材料、半导体激光以及微纳集成技术，本课题开展基于新型金刚石氮空位（NV）色心集群的固态自旋角速率测量关键技术研究，为NV陀螺的高灵敏度、小体积、低功耗、抗高过载提供关键技术支撑。为此，需完善高密度NV色心金刚石的13C极化敏感角速率理论，研究面向NV色心集群原子激发与光抽运方法，发展新型角速率荧光激发与检测技术，进行角速率变化引起跃迁荧光数量布居数读取测量，初步得到角速率信息。同时，研究提高光子激发及收集效率方法，提高检测灵敏度等技术，为未来NV陀螺实用化研究打下基础。本课题通过深入研究NV色心自旋共振敏感角速率信息的关键技术，初步得到角速率变化效应，可以为新一代原子导航、原子钟守时授时以及原子磁传感技术提供有力的理论和实验手段，促进相关自旋电子器件的发展。

近年来，随着我国航空以及航海等各领域的快速发展，对惯性导航陀螺仪的要求越来越高，而MEMS陀螺因其测量的漂移随时间积累变得很大，严重影响其在长时间环境下测量的稳定性，满足不了中高精度导航与制导的应用需求，而基于氮空位（NV）色心金刚石的固态核磁共振陀螺仪自旋角速率测量方法，结合了最新发展的量子操控技术、量子材料技术、半导体激光技术和微纳集成技术，是集成MEMS陀螺小体积、核磁共振陀螺高灵敏度的最新型自旋共振陀螺技术。. 本项目主要针对未来特定惯性导航系统对陀螺小体积、中高精度的要求，对基于NV色心固态自旋陀螺进行若干关键技术研究，包括NV色心集群自旋量子比特敏感角速率的调控技术、反映外部角速率变化的荧光检测技术以及NV色心的光泵浦技术等。计划为NV色心自旋共振陀螺的研制提供必要的科学与技术支撑。. 本项目从理论上完善了NV色心集群敏感外界角速率的变化与微弱磁场及磁信息间的对应关系；制备了高浓度金刚石NV色心样品，并得到了NV色心的浓度表征及定量分析；同时搭建了NV色心核磁共振陀螺仪角速率变化测量及验证平台；结合设计的新型波导荧光收集装置，成功实现了荧光的高效收集，比共聚焦系统的信噪比提高了9倍，实现了量子态的自旋调控，结合微波调制技术，降低了测量系统的低频噪音干扰,提高了测量灵敏度，对应的磁场最小可检测灵敏度达到14 nT/√Hz，即基于金刚石集群NV色心核磁共振陀螺仪的最小可检测角速率为60°/h，有望满足未来特定惯性导航系统对陀螺小体积、中高精度的要求，为新一代原子陀螺导航提供了有力的技术支撑。