Tecnologia Científica

Demonstração do giroscópio de rotação nuclear de diamante
Os giroscópios de rotação nuclear são baseados em centros de cores de vacância de nitrogênio (NV) em diamante e são análogos de dispositivos NMR baseados em vapor capazes de funcionar em uma ampla gama de condições ambientais.
Por Thamarasee Jeewandara - 05/11/2021


Configuração experimental. As conexões elétricas para o laser e o fotodetector são conectadas à plataforma rotativa por meio de linhas de anel deslizante. Os sinais de RF são entregues à plataforma por meio de uma junta rotativa de RF de canal único. NA, abertura numérica. ND, densidade neutra. Crédito: Science Advances , doi: 10.1126 / sciadv.abl3840

Em um novo relatório agora publicado na Science Advances , Andrey Jarmola e uma equipe internacional de pesquisa em física e materiais nos EUA e na Alemanha demonstraram a função de um sensor de rotação baseado nos spins nucleares de nitrogênio-14 ( 14 N) intrínsecos à vacância de nitrogênio centros de cores em diamante.
Os centros de cores de vacância de nitrogênio são formados por impurezas de nitrogênio que ficam próximas a um carbono ausente no diamante. O sensor usou polarização óptica e leitura dos núcleos e um protocolo de pulso quântico duplo de radiofrequência para monitorar a precessão do spin nuclear de 14 N. Sensores de rotação ou giroscópios são normalmente usados ​​para navegação e orientação automotiva. Entre os sensores comerciais, incluindogiroscópios mecânicos e sistemas microeletromecânicos , as técnicas emergentes incluem giroscópios de ressonância magnética nuclear (NMR) . Esses sensores podem superar os dispositivos comerciais na próxima década em relação à precisão, robustez e miniaturização.

Um sensor de diamante

Os giroscópios de rotação nuclear são baseados em centros de cores de vacância de nitrogênio (NV) em diamante e são análogos de dispositivos NMR baseados em vapor capazes de funcionar em uma ampla gama de condições ambientais. Um sensor de diamante pode funcionar como um multissensor para relatar o campo magnético , temperatura e deformação, enquanto serve como uma referência de frequência , adequado para ambientes desafiadores. Jarmola et al. mostraram como um giroscópio de NMR de diamante forneceu informações diretamente sobre os estados de spin nuclear sem exigir conhecimento preciso das frequências de transição do spin do elétron que são suscetíveis a influências ambientais. Com mais melhorias no dispositivo, a equipe espera aplicações práticas de giroscópios de diamante em miniatura durante a navegação.

Configuração experimental

Na configuração experimental, a equipe montou o sensor de diamante, laser de diodo verde, fotodetector e todos os componentes ópticos em uma plataforma rotativa regulada por um sistema de tabela de taxas comerciais. O diamante manteve uma placa de cristal único de 400 µm de espessura com uma concentração de vacância de nitrogênio de 4 partes por milhão. Eles produziram o campo magnético polarizado usando dois ímãs em anel de samário-cobalto com compensação de temperatura . Jarmola et al. usou uma lente condensadora asférica para iluminar um diâmetro de 50 µm no diamante com uma luz laser verde de 80 mW para coletar fluorescência de vacância de nitrogênio. Os cientistas filtraram espectralmente a fluorescência com um filtro passa-banda e focalizou em um dos canais de um fotodetector balanceado para fotodetecção. Eles então distribuíram pulsos de radiofrequência para controle de spin nuclear usando um fio de cobre de 160 µm de diâmetro colocado na superfície do diamante próximo ao foco óptico. Para evitar ruídos do campo magnético ambiente, a equipe colocou a configuração incluindo o diamante e os ímãs dentro de escudos magnéticos de aço de baixo carbono.

Princípio de detecção de rotação e aplicações práticas do giroscópio
 
Para detectar a rotação, a equipe mediu a mudança no estado de precessão dos spins nucleares de 14 N intrínsecos aos centros de vacância de nitrogênio no diamante. Os cientistas prepararam os spins nucleares de 14 N em um estado de superposição. Eles então alcançaram a detecção de rotação apresentada no trabalho medindo as mudanças de frequência com uma técnica de interferometria de Ramsey . Para demonstrar as implicações práticas do giroscópio de diamante em uma gama de taxas de rotação, os cientistas realizaram uma série de experimentos de teste em uma tabela de taxas. Para começar, eles calibraram o giroscópio e então converteram o sinal de fluorescência em um sinal de rotação de calibração.

Giroscópio de diamante: desvio de Allan. Medição de ruído do giroscópio de diamante em função do tempo médio. A linha tracejada diagonal pontilhada mostra uma dependência
de 1 / t√ consistente com um ruído de frequência branca. Crédito: Science
Advances , doi: 10.1126 / sciadv.abl3840

Panorama

Desta forma, Andrey Jarmola e colegas desenvolveram um giroscópio de NMR de estado sólido baseado em spins nucleares de 14 N intrínsecos aos centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamante. Jarmola et al. observou as principais características da técnica, incluindo polarização óptica e leituras dos spins nucleares sem usar transições de micro-ondas. Ao usar ímãs com compensação de temperatura, proteção magnética e protocolos de pulso robustos, a equipe reduziu a influência da temperatura e do desvio do campo magnético para estender a estabilidade de longo prazo do giroscópio para centenas de segundos. A equipe pretende melhorar a sensibilidade do giroscópio de diamante estendendo o 14N tempo de coerência do spin nuclear. Para melhorar a estabilidade a longo prazo, eles também propõem reduzir os desvios do campo magnético ambiente com melhor blindagem magnética.

 

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