Noise suppression via pulsed all-optical magnetometry with nitrogen-vacancy ensembles

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Flüstern in einem Raum zu hören, in dem die Klimaanlage ständig summt und das Licht flackert. Genau das erleben Wissenschaftler, wenn sie versuchen, winzige Magnetfelder mit speziellen Diamanten zu messen. In diesen Diamanten befinden sich winzige Defekte, die sogenannten Stickstoff-Fehlstellen (Nitrogen-Vacancy-Zentren oder NV-Zentren). Stellen Sie sich diese wie mikroskopische, leuchtende Glühwürmchen vor, deren Helligkeit sich je nach dem umgebenden Magnetfeld verändert.

Lange Zeit versuchten Wissenschaftler, diesen Glühwürmchen mit einer „kontinuierlichen“ Methode zuzuhören, etwa indem sie den Lichtschalter einfach eingeschaltet ließen und das Leuchten beobachteten. Aber dieser Ansatz hatte ein großes Problem: Wenn die Glühbirne flackerte oder die Stromversorgung schwankte, sah es so aus, als hätte sich das Magnetfeld geändert, obwohl es das gar nicht getan hatte. Es war, als würde man versuchen, ein Flüstern zu hören, während jemand ständig die Tür zuschlägt.

Der neue Trick: Ein Stroboskop für Glühwürmchen

In dieser Arbeit haben die Forscher unter der Leitung von Xiechen Zheng und Kollegen eine clevere neue Art des Zuhörens eingeführt: eine „gepulste“ Methode. Anstatt das Licht ständig an zu lassen, blitzt es sehr schnell an und aus. Aber das Magische daran ist: Sie schauen nicht nur einmal hin. Sie machen zwei Schnappschüsse der Helligkeit der Glühwürmchen während eines einzigen Lichtblitzes.

Stellen Sie sich vor, Sie machen ein Foto von einem springenden Ball. Wenn Sie ein Bild ganz am Anfang des Sprungs und ein weiteres Bild direkt am Ende machen und dann die Helligkeit des ersten Bildes durch die des zweiten teilen, heben Sie den Effekt des Wackelns der Kamera oder der Sonne, die heller wird, heraus. Sie bleiben allein mit der Bewegung des Balls zurück.

Das Team hat genau das mit den Diamant-Glühwürmchen gemacht. Sie maßen die Lichtintensität nahe dem Beginn eines Laserpulses (das „Signal“) und noch einmal nahe dem Ende (die „Referenz“). Durch den Vergleich dieser beiden Werte konnten sie das „Flimmern“ des Lärms, das durch den Laser selbst verursacht wurde, herausrechnen. Dies ermöglichte es ihnen, das magnetische Flüstern viel deutlicher zu hören.

Was sie herausfanden

Als sie diese neue „Stroboskop“-Methode an drei verschiedenen Diamantproben (bezeichnet als D1, D2 und D3) testeten, fanden sie einige aufregende Dinge heraus:

1. Leiseres Zuhören: Bei sehr niedrigen Magnetfeldern (nahe Null) reduzierte ihre neue Methode das Hintergrundrauschen im Vergleich zur alten kontinuierlichen Methode um etwa das Zehnfache. Es ist, als würde man die Lautstärke der Klimaanlage herunterschrauben, um das Flüstern endlich hören zu können.
2. Timing ist alles: Sie entdeckten, dass die „Dunkelzeit“ (die Pause zwischen den Laserblitzen) eine große Rolle spielt. Wenn sie zu lange oder zu kurz warteten, wurde das Signal unscharf. Die perfekte Pause hing davon ab, wie viele Glühwürmchen im Diamanten vorhanden waren.
   • In der Probe mit den meisten Glühwürmchen (D1, etwa 3,8 ppm) lag die beste Pause bei etwa 2,5 ms.
   • In der Probe mit weniger Glühwürmchen (D2, etwa 2 ppm) mussten sie länger warten, nämlich etwa 7 ms, um das beste Ergebnis zu erzielen.
3. Der „Cross-Talk“-Effekt: Der Grund, warum sich das Signal ändert, ist ein Phänomen namens „NV-NV-Querrelaxation“ (cross-relaxation). Stellen Sie sich vor, die Glühwürmchen sind Nachbarn, die miteinander reden können. Wenn sie alle im Gleichschritt sind (nahe dem Null-Magnetfeld), fangen sie an zu „reden“ (zu interagieren) und verlieren ihr individuelles Leuchten. Die neue Methode ist empfindlich genug, um genau zu sehen, wann dieser nachbarschaftliche Plausch stattfindet.

Was sie nicht getan haben (und was sie ausgeschlossen haben)

Die Arbeit ist sehr deutlich darin, was diese Methode nicht ist.

• Es ist keine Methode, die Mikrowellen verwendet. Viele andere Wege, diese Diamanten auszulesen, erfordern das Bestrahlen mit Mikrowellen, was kompliziert sein kann und empfindliche Proben stören kann. Diese neue Methode nutzt nur Licht, was sie einfacher und sicherer für empfindliche Materialien macht.
• Sie erfordert kein Schütteln des Magnetfeldes, um das Signal sichtbar zu machen. Einige ältere Methoden mussten das Magnetfeld auf und ab bewegen (Amplitudenmodulation), um einen speziellen Lock-in-Detektor zu nutzen. Die neue gepulste Methode funktioniert ohne dieses Schütteln, was großartig ist, da das Schütteln des Feldes genau das stören könnte, was man eigentlich messen möchte (wie etwa ein supraleitendes Material).
• Die Arbeit behauptet nicht, dass dies alle Rauschprobleme löst. Sie fanden heraus, dass die alte kontinuierliche Methode bei höheren Frequenzen (über 10 Hz) tatsächlich besser war, da sie Messungen viel schneller durchführen konnte (100 kS/s gegenüber 400 S/s). Die neue Methode ist derzeit langsamer, weshalb sie einige der schnellen, hochfrequenten „Flüstertöne“ verpasst.

Wie sicher sind sie sich?

Die Autoren haben nicht nur geraten oder dies am Computer simuliert; sie haben das Experiment aufgebaut und gemessen.

• Sie haben die Rauschreduzierung direkt gemessen und zeigten eine Verbesserung um etwa 10 dB (was die besagte 10-fache Rauschreduzierung bedeutet) im niederfrequenten Bereich.
• Sie testeten dies mit realen Laserleistungseinstellungen von 275 mW und 57 mW, und die Ergebnisse hielten stand.
• Sie fügten sogar künstliches Rauschen hinzu (indem sie die Lichtintensität um 0,2 % modulierten), um zu sehen, ob ihre Methode mit diesem Rauschen umgehen kann, und sie konnte selbst mit dem zusätzlichen Rauschen immer noch 4-5 dB leiser als die alte Methode bleiben.

Das Fazrem

Diese Arbeit zeigt, dass Wissenschaftler, indem sie einen Laser blitzartig an- und ausschalten und zwei schnelle Schnappschüsse des Lichts machen, das Rauschen eliminieren und die magnetischen Signale der Diamant-Glühwürmchen viel besser hören können als zuvor. Es ist ein einfacherer, leiserer Weg, um der magnetischen Welt zuzuhören, insbesondere für niederfrequente Signale. Es ist jedoch kein Zauberstab für alles; derzeit ist sie langsamer als die alte Methode, sodass für sehr schnelle Signale die alte kontinuierliche Methode immer noch der Champion sein könnte. Aber für jene leisen, stetigen Flüstertöne nahe dem Null-Magnetfeld ist dieser neue gepulste Ansatz ein Wendepunkt.