Des horloges en diamant sans thermomètre express
Chauffez une montre à quartz ordinaire de dix degrés et elle se mettra à dériver de plusieurs secondes par jour. Les horloges atomiques sont plus précises, mais elles occupent toute une armoire. Un diamant avec un minuscule défaut — la lacune d'azote — promet la précision d'une horloge atomique dans le volume d'un grain de sable. Un seul problème : ce défaut est très sensible à la chaleur, comme un diapason qui change de ton selon la température de l'air.
Dans ces nouveaux travaux, le défaut a été amené à chanter sur deux voix à la fois. Une voix est électronique et dépend fortement de la chaleur. L'autre est nucléaire et ne remarque presque pas la chaleur. En mesurant les deux et en soustrayant l'une de l'autre, l'erreur thermique est réduite d'un facteur deux cents. Cette astuce rappelle la façon dont les marins d'autrefois déterminaient la longitude : ils comparaient l'heure locale avec celle du port, et la différence donnait la position exacte.
Une horloge faite de ce diamant a été testée pendant dix jours consécutifs à température ambiante, en la comparant à une horloge atomique au rubidium. La stabilité de la marche s'est révélée meilleure que celle de toute autre horloge à l'état solide de cette taille. Et désormais, le principal ennemi de la précision n'est plus la température, mais les champs magnétiques faibles et les fluctuations de puissance du laser.
Ces horloges en diamant ne remplaceront pas les grands étalons atomiques, mais elles pourraient trouver leur place dans les smartphones, les drones et les satellites, où la taille et la robustesse comptent. Un petit diamant qui ne craint pas la chaleur, c'est un pas vers un temps ultra-précis toujours à portée de main.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2601.00157
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 $$\tau = 200$$ s and below $$1 \times 10^{-8}$$ at $$\tau = 2 \times 10^5$$ 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.
La lacune d'azote dans le diamant est si sensible qu'elle peut détecter le champ magnétique d'un électron unique à des dizaines de nanomètres de distance.