論文の概要: Towards a temperature-insensitive composite diamond clock

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.00157v1
• Date: Thu, 01 Jan 2026 01:17:43 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-01-05 15:04:33.288568
• Title: Towards a temperature-insensitive composite diamond clock
• Title（参考訳）: 温度非感温複合ダイヤモンド時計に向けて
• Authors: Sean Lourette, Andrey Jarmola, Jabir Chathanathil, Victor M. Acosta, A. Glen Birdwell, Peter Blümler, Dmitry Budker, Sebastián C. Carrasco, Tony G. Ivanov, Shimon Kolkowitz, Vladimir S. Malinovsky,
• Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔中心は自然の候補であるが、電子ゼロフィールド分裂は大きな分数温度依存性を示す。 この制限は、電子分割Dの測定とNV中心に固有の14$N核スピンの核四極子分裂を組み合わせた複合周波数基準を形成することで克服できることを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.04242939794388292
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Frequency references based on solid state spins promise simplicity, compactness, robustness, multifunctionality, ease of integration, and high densities of emitters. Nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are a natural candidate, but the electronic zero-field splitting exhibits a large fractional temperature dependence, which has precluded its use as a stable clock transition. Here we show that this limitation can be overcome by forming a composite frequency reference that combines measurements of the electronic splitting D with the nuclear quadrupole splitting of the $^{14}$N nuclear spin intrinsic to the NV center. We further benchmark this composite approach against alternative strategies for mitigating temperature sensitivity. By implementing a specially designed pulse sequence with an eight-phase control scheme that suppresses pulse imperfections, we interleave measurements of D and Q in a high-density NV ensemble and demonstrate a temperature-compensated composite frequency reference. The stability of this composite diamond clock is characterized over a 10-day period at room temperature through a comparison to a Rb vapor-cell clock, yielding a fractional instability below $5 \times 10^{-9}$ for an averaging time of $τ= 200$ s and below $1 \times 10^{-8}$ at $τ= 2 \times 10^5$ s, corresponding to measured improvements by a factor of 4 and 200, respectively, over a clock based purely on the single frequency D for the same periods. By characterizing the residual sensitivity to magnetic fields, optical power, and radio-frequency drive amplitudes, we find that temperature is no longer the dominant source of instability. These results establish complementary electron- and nuclear-spin transitions in diamond as a viable route to thermally robust frequency metrology, providing a pathway toward compact, multifunctional solid-state clocks and quantum sensors.
• Abstract（参考訳）: 固体スピンに基づく周波数参照は、単純さ、コンパクト性、堅牢性、多機能性、統合の容易性、高密度エミッタを約束する。 ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は自然の候補であるが、電子ゼロフィールド分裂は大きな分数温度依存性を示し、安定な時計転移としての使用を妨げている。 ここでは、電子分割Dの測定と、NV中心に固有の$^{14}$N核スピンの核四極子分裂とを組み合わせることで、この制限を克服できることを示す。 さらに、温度感受性を緩和するための代替戦略に対して、この合成アプローチをベンチマークする。 高密度NVアンサンブルにおけるDとQの測定をインターリーブし,温度補償複合周波数基準を示す。 この複合ダイヤモンド時計の安定性は、Rb蒸気セルクロックと比較して室温で10日間にわたって特徴付けられ、平均時間$τ=200$ sに対して5 \times 10^{-9}$以下で1 \times 10^{-8}$が$τ=2 \times 10^5$ s以下であり、それぞれ4および200の係数による測定改善に対応する。 磁場、光パワー、電波駆動振幅に対する残留感度を特徴付けることにより、温度がもはや不安定の主原因ではないことが分かる。 これらの結果は、ダイヤモンド中の相補的な電子-スピン遷移を、熱的に堅牢な周波数メートル法への経路として確立し、コンパクトで多機能な固体時計や量子センサーへの経路を提供する。

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