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

エアコンが常に唸りを上げ、照明がチカチカと点滅している部屋の中で、ささやき声を聴こうとしている自分を想像してみてください。それが、特殊なダイヤモンドを使って微小な磁場を測定しようとしている科学者たちが直面している状況です。これらのダイヤモンドの内部には、窒素空孔（NV）センターと呼ばれる小さな欠陥が存在します。これらは、周囲の磁場に応じて明るさが変わる、顕微鏡レベルの光り輝くホタルだと考えてください。

長い間、科学者たちは「連続的」な方法、つまり、電灯のスイッチを入れたままにして、その輝きをずっと観察し続けるような方法で、このホタルたちの声を聞こうとしてきました。しかし、このアプローチには大きな問題がありました。もし電球がちらついたり、電圧が変動したりすると、たとえ磁場が変わっていなくても、磁場が変わったかのように見えてしまうのです。それは、誰かがドアを何度もバタンと閉める中で、ささやき声を聴こうとしているようなものでした。

新しいトリック：ホタルへのストロボスコープ

この論文において、謝晨（Xiechen Zheng）氏率いる研究チームは、より賢い新しい聞き方である「パルス型」の方法を導入しました。光をつけっぱなしにするのではなく、非常に素早く、点滅させるのです。しかし、ここからが魔法の部分です。彼らは一度だけ見るのではありません。一つの光のパルスの間に、ホタルの明るさのスナップショットを2回撮るのです。

例えば、跳ねているボールの写真を撮ると想像してください。もし、跳ね始めに1枚、そして跳ね終わりの直前にもう1枚写真を撮り、最初の写真の明るさを2枚目の明るさで割れば、カメラの揺れや太陽の明るさの変化による影響を打ち消すことができます。そうすることで、ボールの動きだけが残ります。

チームは、このダイヤモンドのホタルに対しても全く同じことを行いました。彼らはレーザーパルスの開始付近での光の強度（「信号」）と、終了付近での強度（「リファレンス」）を測定しました。これらを比較することで、レーザー自体による「ちらつき」の影響を取り除くことができたのです。これにより、磁場のささやき声をより鮮明に聴くことが可能になりました。

彼らが発見したこと

彼らがこの新しい「ストロボスコープ」法を3つの異なるダイヤモンド試料（D1、D2、D3とラベル付けされたもの）でテストした際、いくつかの刺激的な発見がありました。

1. より静かなリスニング： 非常に低い磁場（ゼロ付近）において、彼らの新しい手法は、従来の連続的な手法と比較して、背景ノイズを約10倍減少させました。これは、エアコンの音量を下げて、ようやくささやき声が聞こえるようにすることに似ています。
2. タイミングがすべて： 彼らは、「ダークタイム（レーザーパルスの間の休止時間）」が非常に重要であることを発見しました。待ち時間が長すぎても短すぎても、信号はぼやけてしまいます。完璧な休止時間は、ダイヤモンドの中にどれくらいのホタルがいるかに依存していました。
   • 最も多くのホタルが含まれる試料（D1、約3.8 ppm）では、最適な休止時間は約2.5 msでした。
   • ホタルがより少ない試料（D2、約2 ppm）では、より長く、約7 ms待つ必要がありました。
3. 「クロストーク」効果： 信号が変化する理由は、「NV-NV相互緩和」と呼ばれる現象によるものです。ホタルが隣人同士で会話できると想像してください。彼らが全員同調しているとき（ゼロ磁場付近）、彼らは「会話（相互作用）」を始め、個々の輝きを失います。新しい手法は、まさにこの隣人同士のチャットがいつ起こるのかを正確に捉えることができます。

彼らが「しなかった」こと（および、否定したもの）

この論文は、この手法が「何ではないか」についても非常に明確に述べています。

• これは、マイクロ波を使用する方法ではありません。これらのダイヤモンドを読み取る他の多くの方法は、マイクロ波を浴びせる必要があり、それは複雑で、かつ繊細な試料を乱す可能性があります。この新しい手法は光のみを使用するため、よりシンプルで、かつ安全です。
• この手法は、信号を可視化するために磁場を揺らすことを必要としません。古い手法のいくつかは、特殊なロックイン検出器を使用するために、磁場を前後に揺らす（振幅変調）必要がありました。しかし、この新しいパルス型の手法は、磁場を揺らすことなく動作します。これは、測定しようとしている対象（超伝導材料など）を乱してしまう可能性があるため、非常に優れた点です。
• この論文は、この手法がすべてのノイズ問題を解決すると主張してはいません。彼らは、この手法が低周波（10 Hz以下）には優れている一方で、高周波（10 Hz以上）においては、従来の連続的な手法の方が、はるかに速い速度（100 kS/s 対 400 S/s）で測定できるため、より優れていることを発見しました。現在のところ、新しい手法は速度が遅いため、非常に速い、高音の「ささやき」を見逃してしまうことがあります。

彼らはどの程度確信しているのか？

著者たちは単に推測したりコンピュータでシミュレーションしたりしたのではなく、実際に実験を構築し、測定を行いました。

• 彼らはノイズの低減を直接測定し、低周波領域において約10 dBの改善（これは10倍のノイズ低減に相当します）を示しました。
• これを、275 mWと57 mWという実際のレーザー出力設定でテストしましたが、結果は一貫していました。
• さらに、彼らは人工的なノイズ（光の強度を0.2%変調させるもの）を加えて、自分たちの手法がそのようなノイズを処理できるかテストしましたが、結果は良好で、追加のノイズがある状態でも従来のメソッドより4〜5 dB静かな状態を維持できました。

結論

この論文は、レーザーを点滅させて光の2つの素早いスナップショットを撮ることで、ノイズを打ち消し、ダイヤモンドのホタルからの磁気信号を以前よりもずっと良く聴くことができることを示しています。これは、低周波の信号、特にゼロ磁場付近の静かで安定したささやきを聞くための、よりシンプルで静かな方法です。しかし、これはあらゆることに対する魔法の杖ではありません。現在は従来の方式よりも遅いため、非常に速い信号に対しては、依然として従来の連続的な手法がチャンピオンであり続けるかもしれません。しかし、ゼロ磁場付近の静かで安定したささやきに対しては、この新しいパルス型のアプローチはゲームチェンジャーとなります。