Noise Suppression via Pulsed All-Optical Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Ensembles

Resumen Técnico: Supresión de Ruido mediante Magnetometría Óptica Total Pulsada con Ensembles de Nitrógeno-Vacante

Planteamiento del Problema
La magnetometría totalmente óptica (AO), libre de microondas, utilizando centros de nitrógeno-vacante (NV) en diamante ofrece simplificaciones experimentales y una compatibilidad de muestras más amplia en comparación con los esquemas convencionales impulsados por microondas. Sin embargo, la detección de fotoluminiscencia (PL) en onda continua (cw) estándar de AO es altamente susceptible a fluctuaciones sistemáticas, particularmente al ruido de intensidad óptica y a la inestabilidad mecánica. Los protocolos basados en microondas suprimen eficazmente el ruido de modo común de baja frecuencia mediante mediciones normalizadas de on/off-resonancia, mientras que los métodos AO en cw suelen depender de la detección lock-in con campos magnéticos modulados en amplitud para mejorar la relación señal-ruido (SNR). Este enfoque introduce complejidad en el diseño y conlleva el riesgo de perturbar muestras sensibles, como los materiales superconductores. Existe la necesidad de un protocolo AO que suprima el ruido de modo común sin requerir campos magnéticos modulados ni irradiación de microondas.

Metodología
Los autores introducen un protocolo AO pulsado, denominado la "secuencia de un solo $\tau$", diseñado para resolver las características de contraste de la PL AO cerca de campos magnéticos nulos. El método emplea dos lecturas de PL dentro de un único pulso óptico: una lectura de la señal ($I_{sig}$) tomada cerca del inicio del pulso y una lectura de referencia ($I_{ref}$) tomada cerca del final del pulso. Al calcular una relación de intensidad normalizada ($n = I_{sig}/I_{ref}$), el protocolo suprime el ruido de modo común (por ejemplo, variaciones lentas de la intensidad óptica) que afecta por igual a ambas mediciones.

Los experimentos utilizan tres muestras de diamante crecidas por CVD (D1, D2, D3) con concentraciones variables de NV ($\approx$3.8, 2 y 0.3 ppm, respectivamente). La configuración implica la excitación con láser de 532 nm enfocado en el diamante, con campos magnéticos controlados por bobinas de Helmholtz de tres ejes. Los investigadores investigan la dependencia del contraste de la AO-PL en función de:

1. El tiempo de lectura ($t_r$): el retraso de la lectura de la señal desde el inicio del pulso óptico.
2. El tiempo oscuro ($\tau$): la duración entre los pulsos ópticos.
3. La potencia del láser: comparando 57 mW y 275 mW.

Los resultados pulsados se comparan con las mediciones AO en cw convencionales mediante análisis de densidad espectral de potencia (PSD), tanto con como sin la adición de ruido de intensidad óptica artificial.

Resultados Clave

• Optimización del Contraste: El contraste de la AO-PL pulsada se maximiza cuando la lectura de la señal ocurre poco después de la excitación óptica ($t_r \approx 1$ $\mu$s) y la lectura de referencia ocurre cerca del estado estacionario. Esta temporización captura la reducción transitoria de la intensidad de PL causada por la relajación cruzada NV-NV cerca de campos cero.
• Dependencia del Tiempo Oscuro: El tiempo oscuro ($\tau$) óptimo para el máximo contraste depende de la concentración de NV. Para la muestra D1 (3.8 ppm), el contraste alcanza su máximo en $\tau \approx 2.5$ ms, mientras que la muestra D2 (2 ppm) alcanza su máximo en un $\tau$ más largo. Los datos se ajustan a un modelo bi-exponencial caracterizado por dos escalas de tiempo: $T_{cr}$ (asociada con la relajación cruzada NV-NV) y $T_{in}$ (despolarización intrínseca). Las concentraciones más altas de NV conducen a interacciones dipolares más fuertes, acortando ambas escalas de tiempo y permitiendo un mayor contraste a un $\tau$ más corto.
• Supresión de Ruido: En ausencia de ruido añadido, el protocolo pulsado logra una mejora de $\sim$10 dB (aproximadamente 10$\times$) en el piso de ruido de baja frecuencia (cerca de DC) en comparación con la AO en cw. Esta ventaja disminuye por encima de 10 Hz, donde el método en cw exhibe un piso de ruido más bajo debido a su tasa de muestreo significativamente mayor (100 kS/s frente a 400 S/s para el método pulsado).
• Robustez ante el Ruido de Intensidad: Cuando se introduce un ruido de intensidad óptica modulado en amplitud del 0.2%, el protocolo pulsado mantiene su ventaja de $\sim$10 dB en baja frecuencia y, además, exhibe un piso de ruido de 4 a 5 dB menor en el rango de 10–200 Hz en comparación con la AO en cw. Esto demuestra una efectiva reversión del ruido de modo común sin la necesidad de detección lock-in o campos magnéticos modulados.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el protocolo AO pulsado propuesto proporciona una mejora significativa en el rendimiento del ruido de baja frecuencia para la magnetometría de conjuntos de NV cerca de campo cero. Al utilizar mediciones normalizadas dentro de un único pulso óptico, el método suprime eficazmente el ruido de modo común, permitiendo la magnetometría DC sensible sin la complejidad de los campos magnéticos modulados en amplitud o los riesgos de perturbación asociados a ellos.

Los autores señalan que, si bien el tiempo oscuro actual a escala de milisegundos limita el ciclo de trabajo y la tasa de muestreo, los hallazgos ofrecen información crítica para optimizar las muestras de NV-diamante. Específicamente, el uso de muestras con mayores concentraciones de nitrógeno podría acortar los tiempos oscuros requeridos, permitiendo potencialmente tasas de muestreo más altas para mediciones de AO pulsadas de señales magnéticas de mayor frecuencia. Este trabajo posiciona este enfoque como una vía viable hacia sensores cuánticos de bajo tamaño, peso y potencia (bajo-SWaP) capaces de operar en entornos desafiantes donde la irradiación de microondas o la modulación del campo magnético son impracticables.