В основе технологии лежат так называемые NV-центры – «азотные вакансии». Это специфический дефект структуры, где атом азота занимает место углерода, а по соседству образуется пустота. Данная пара обладает уникальными электронными и ядерными спиновыми свойствами, которыми можно управлять с помощью лазеров и микроволн. Именно этот переход изначально рассматривался как идеальный кандидат для измерения времени в твердотельном исполнении.
Однако природа внесла свои коррективы. Оказалось, что энергетические уровни этих центров крайне нестабильны при малейшем изменении температуры. Для прибора, измеряющего наносекунды, тепловая чувствительность 25,3 ppb/mK является фатальным недостатком, превращающим часы в обычный термометр.
Исследовательская группа нашла элегантное решение этой фундаментальной проблемы. Помимо основного электронного перехода (параметра D), ядро атома азота-14 обладает собственным свойством – квадрупольным расщеплением (параметром Q). Квадруполь представляет собой сложную систему четырех зарядов, создающую асимметричное электрическое поле. Взаимодействие этого поля со спином ядра порождает частоту, которая реагирует на тепло совершенно иначе, чем электронный сигнал.
Применив магнитное поле напряженностью 475 Гаусс и метод оптической накачки, физики создали композитный частотный эталон. Они объединили два сигнала – от электронных и ядерных спинов. Результаты эксперимента превзошли ожидания: долговременный температурный дрейф сократился почти на порядок величины при интервале измерения в тысячу секунд.
Проверка стабильности длилась десять суток. При комнатной температуре новые алмазные часы продемонстрировали относительную нестабильность ниже 5×10⁻⁹ за двести секунд работы. Это в четыре раза точнее рубидиевых аналогов. На длительных дистанциях превосходство стало абсолютным: через двести тысяч секунд точность превысила показатели стандартных систем в двести раз. По словам авторов, температура перестала быть главным врагом точности. Данное достижение открывает путь к созданию миниатюрных квантовых сенсоров нового поколения.
