Untersuchung der grundlegenden Grenzen der Festkörper-Kernspin-Gyroskopie basierend auf NV-Zentren in Diamant

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Wrachtrup
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445397527

Die präzise Erkennung von Gyrotation ist ein anspruchsvolles Problem in der Grundlagenforschung und von großer Relevanz für Anwendungen. Es wurden vielzählige Methoden entwickelt, die auf der klassischen Drehimpulserhaltung, Quantenstandards sowie dem Sagnac-Effekt basieren. Aufgrund steigender Nachfrage nach präziser und kompakter (!) Trägheitsnavigation, verursacht durch den Anstieg der Entwicklung von autonomen technischen Systemen. Neben anderen Technologien ist die Beobachtung einer Präzession eines Kernspin-Ensembles eine vielversprechende Methode zur genauen Messung der Rotation. Moderne Methoden basieren auf der phasenstabilisierten Präzession von Ensembles hyperpolarisierter Kernspins in warmen atomaren Alkalidämpfen, die jedoch schwer zu integrieren sind. Im beantragten Projekt wollen wir ein solches Verfahren realisieren mit dem Ziel, kompakte Präzisionskreisel zu entwickeln. Unser Ansatz basiert auf Stickstoff-Vakanz (NV) Zentren in Diamant, die nachweislich beispiellose optische und Spin-Eigenschaften unter Umgebungsbedingungen aufweisen. Wir werden ein Ensemble von Kernspins als Referenz für die Drehbewegung verwenden, das es ermöglicht, das Sensorelement zu miniaturisieren und mit der Chiptechnologie kompatibel zu machen. Unter Berücksichtigung bereits untersuchter Parameter von Kernspins in Diamant liegt der geschätzte theoretische Grenzwert des Rotationssensors in der Größenordnung von Milligrad pro Stunde, was diese Technologie auf Augenhöhe mit faserbasierten optischen Ring-Laser-Gyroskopen mit dem Vorteil einer deutlich kleineren Größe bringt. Im Vergleich zur mikroelektromechanischen (MEMS) Technologie wird der Kernspingyroskop deutlich bessere Bias-Stabilitätseigenschaften aufweisen. Im Laufe des Projekts wird das Diamantmaterial auf die Verwendung von Kernspin-Ensembles optimiert. Das Projekt umfasst Forschungsarbeiten zur Entwicklung neuartiger Kontrollprotokolle für die Rotationserfassung und deren grundlegende Genauigkeitsgrenzen. Der letzte Teil des Projekts widmet sich Studien zur Minimierung und Kompensation der Drifts und systematischen Effekte in einem möglichen optimalen Sensorprotokoll durch den Einsatz neuartiger Steuerungsmethoden und Quantenkontrolltechniken wie Fehlerkorrektur und kohärenter Rückkopplung. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit von Prof. Wrachtrup von deutscher Seite und Prof. Akimov von russischer Seite. Die deutsche Seite kann auf langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Messprotokollen und der Weiterentwicklung von Diamantmaterialien zurückblicken, während die russische Seite bereits laufende Forschungsarbeiten zur Erlangung des Nachweises von Prinzipien gyroskopischer Messungen mit NV in Diamant vorweisen kann. Die Zusammenarbeit bietet die Chance die Rotationssensorik mit NV-Zentren entscheidend zu verbessern, indem die Partner ihre Kompetenzen in der Verbesserung von Diamantmaterialien mit optimierten Messprotokolle und einem im Labormaßstab vorhanden Gyroskop kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Alexey Akimov, Ph.D.