精密測量是人類(lèi)深化認知自然界的重要手段，如原子鐘和引力波探測等領(lǐng)域都以精密測量為基礎，而粒子的全同性是開(kāi)展高精度測量的前提。但是，對于固體中的類(lèi)原子缺陷，由于固態(tài)晶格的復雜性，目前尚未對固體中的類(lèi)原子缺陷進(jìn)行過(guò)高精度的全同性檢驗。近十年來(lái)，金剛石中的一種類(lèi)原子缺陷——氮-空位色心得到了廣泛關(guān)注。這種缺陷具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，基于這些優(yōu)勢，氮-空位色心已經(jīng)在量子精密測量和量子計算等領(lǐng)域被廣泛應用。
在室溫大氣條件下，研究組對氮-空位色心的全同性進(jìn)行了赫茲級水平的檢驗，通過(guò)采用拉姆齊干涉法對該系統的哈密頓量進(jìn)行了測量，在赫茲級水平上對不同色心進(jìn)行了比較。其中，對氮核自旋的電四極矩耦合的測量最為精確，測量值的精度比以往實(shí)驗提高了四個(gè)數量級。實(shí)驗驚奇地發(fā)現，即使在室溫大氣條件下，不同的色心仍能在赫茲水平上表現為全同，而不均勻的晶格應力可使色心產(chǎn)生數十赫茲的差異。
基于以上全同性檢驗的結果，研究組提出了一種具有高魯棒性和集成性特點(diǎn)的固態(tài)原子鐘的新方案。相較于現有商用原子鐘，該固態(tài)原子鐘具有高魯棒性和易于集成的特點(diǎn)，更適合在低溫、高壓、移動(dòng)平臺等具有挑戰性的復雜環(huán)境下工作。
該成果提供了一種在固態(tài)自旋中開(kāi)展精密測量的方法，加深了對固態(tài)類(lèi)原子缺陷的認識。未來(lái)，測量精度可在低溫下進(jìn)一步提升至毫赫茲水平。在應用層面上，該工作提出了一類(lèi)具有高魯棒性和集成性特點(diǎn)的固態(tài)原子鐘，相關(guān)成果已申請專(zhuān)利。