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

本文介绍了一种利用金刚石中氮空位（NV）能级集合体的脉冲式全光学协议，该协议通过抑制共模光学噪声，在低频灵敏度上较连续波技术实现了10倍的提升，同时还表征了对比度对读取时间和暗时间的依赖关系，以优化各类不同的NV-金刚石样品。

原作者： Xiechen Zheng, Jeyson Támara-Isaza, John Blanchard, Ronald Walsworth

发布于 2026-07-15

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原作者： Xiechen Zheng, Jeyson Támara-Isaza, John Blanchard, Ronald Walsworth

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你正试图在一间空调嗡嗡作响、灯光闪烁的房间里听清一声耳语。这正是科学家们在使用特殊钻石测量微弱磁场时所面临的困境。在这些钻石内部，存在着被称为氮в空心（Nitrogen-Vacancy，简称 NV）中心的微小缺陷。你可以把它们想象成微小的、发光的萤火虫，它们的亮度会随着周围磁场的变化而改变。

长期以来，科学家们尝试用一种“连续”的方法来聆听这些萤火虫，就像一直开着电灯开关并观察光亮一样。但这种方法有一个大问题：如果灯泡闪烁或电压波动，即使磁场没有变化，看起来也像是磁场发生了变化。这就像是在有人不断摔门的情况下，试图听清一声耳语。

新窍门：萤火虫的频闪器

在这篇论文中，由谢晨（Xiechen Zheng）及其同事领导的研究团队引入了一种聪明的全新聆听方式：“脉冲”法。他们不再保持灯光常亮，而是非常快速地让光闪烁开启和关闭。但神奇之处在于：他们不仅仅看一次。他们在单次激光脉冲期间，拍摄了两张关于萤火虫亮度的快照。

想象一下你在给一个跳动的球拍照片。如果你在球跳动开始时拍一张，然后在跳动结束时紧接着再拍一张，然后用第一张照片的亮度除以第二张，你就能抵消掉相机抖动或阳光变亮带来的影响。最后，你留下的是球本身的运动。

团队对这些钻石萤火虫也做了同样的操作。他们测量了激光脉冲接近开始时的光强度（“信号”），以及在脉冲接近结束时的光强度（“参考”）。通过对比这两者，他们可以抵消掉由激光本身引起的“闪烁”噪声。这让他们能更清晰地听到磁场的耳语。

他们的发现

当他们在三种不同的钻石样本（分别标记为 D1、D2 和 D3）上测试这种新的“频闪”方法时，他们发现了一些令人兴奋的事情：

更安静的聆听： 在极低磁场（接近零）时，他们的新方法比旧的连续法降低了约 10 倍 的背景噪声。这就像是调低了空调的音量，让你终于能听清那声耳语。
时机至关重要： 他们发现，“暗时间”（激光脉冲之间的停顿）非常重要。如果等待时间太长或太短，信号就会变得模糊。完美的停顿取决于钻石中萤火虫的数量。
- 在萤火虫最多的样本（D1，约为 3.8 ppm）中，最佳停顿时间约为 2.5 ms。
- 在萤火虫较少的样本（D2，约为 2 ppm）中，他们必须等待更久，大约 7 ms，才能获得最佳结果。
“串扰”效应： 信号发生变化的原因是一种被称为“NV-NV 交叉弛豫”的现象。想象一下萤火虫是互相交流的邻居。当它们都在同步状态时（接近零磁场），它们开始“交谈”（相互作用）并失去各自的光泽。新方法能够极其灵敏地捕捉到这种邻里间的“聊天”何时发生。

他们没有做的事情（以及他们排除的情况）

论文非常明确地说明了这种方法不是什么：

它不是一种使用微波的方法。许多读取这些钻石的其他方法需要发射微波，这很复杂且容易干扰敏感样本。这种新方法仅使用光，因此更简单、更安全，适合处理脆弱材料。
它不需要通过摆动磁场来使信号可见。一些旧方法必须前后摆动磁场（幅度调制）以配合特殊的锁相检测器。这种新的脉冲法无需这种摆动，这很好，因为摆动磁场可能会干扰你正在测量的目标本身（例如超导材料）。
论文并未声称解决了所有的噪声问题。他们发现，虽然新方法在低频（低于 10 Hz）表现出色，但在高频（高于 10 Hz）方面，旧的连续法实际上更好，因为它可以进行更快的测量（100 kS/s 对比 400 S/s）。目前的这种新方法速度较慢，因此会错过一些快速、高频的“耳语”。

他们的结论有多可靠？

作者们不仅仅是靠猜测或在电脑上进行模拟，他们构建了实验并进行了测量。

他们直接测量了噪声降低情况，显示在低频范围内有约 10 dB 的提升（这相当于那 10 倍 的噪声降低）。
他们使用 275 mW 和 57 mW 的真实激光功率设置进行了测试，结果依然成立。
他们甚至加入了伪造的噪声（通过调制光强度 0.2%）来测试他们的这种方法是否能处理这种情况，结果证明它确实可以，即使在有额外噪声的情况下，仍比旧方法安静 4-5 dB。

总结

这篇论文表明，通过闪烁激光并拍摄两张快速的光照快照，科学家可以抵消噪声，并比以前更清晰地听到来自钻石萤火虫的磁信号。对于低频信号而言，这是一种更简单、更安静的聆听世界的方式。然而，它并不是应对一切的“魔杖”；目前它比旧方法慢，因此对于非常快速的信号，旧的连续法可能仍然是冠军。但对于那些在零磁场附近微弱而稳定的“耳语”，这种新的脉冲法无疑是一个颠覆性的进步。

技术摘要：通过氮-空位（NV）能级实现脉冲式全光学磁力计的噪声抑制

问题陈述
利用金刚石中的氮-空位（NV）中心进行全光学（AO）、无微波磁力测量，相比于传统的微波驱动方案，提供了更简化的实验设计和更广泛的样品兼容性。然而，连续波（cw）检测全光学光致发光（PL）的变化本质上容易受到系统性波动的干扰，特别是光学强度噪声和机械不稳定性。虽然使用幅度调制磁场的锁相检测可以提高连续波全光学测量中的信噪比（SNR），但这种方法增加了设计复杂度，并可能扰动敏感样品（如超导材料）。现有的基于微波的协议通过归一化的共振/非共振测量有效地抑制了低频共模噪声，但对于无需调制磁场的连续波全光学磁力测量，目前仍缺乏类似的噪声抑制策略。

方法论
作者引入了一种被称为“单- $\tau$ 序列”的脉冲式全光学协议，旨在解决零磁场附近的 AO-PL 对比度特征，同时抑制共模噪声。实验装置使用由声光调制器（AOM）调制的 532 nm 激光器，将光脉冲入射到含有不同浓度（约 0.3 至 3.8 ppm）NV 能级的 CVD 生长金刚石样品中。

该方法的核心是在单个光脉冲内执行两次 PL 读取：

信号读取 ( $I_{sig}$ )：在光脉冲开始后的一段可变时间 $t_r$ 进行测量。
参考读取 ( $I_{ref}$ )：在光脉冲的最后 1 $\mu$ s 内进行测量。

归一化后的 AO-PL 强度计算为 $n = I_{sig}/I_{ref}$ 。这种归一化处理抑制了同时影响两次测量的共模噪声（例如缓慢的光强度变化）。脉冲式 AO-PL 对比度定义为 $C = 1 - n/n'$ ，其中 $n'$ 是在参考非共振磁场（ $B_0 = 0.45$ mT，此时 NV-NV 交叉弛豫效应极小）下测得的归一化强度。

研究调查了对比度对以下因素的依赖性：

信号读取时间 ( $t_r$ )。
光脉冲之间的暗时间持续时间 ( $\tau$ )。
NV 浓度（对比样品 D1、D2 和 D3）。
激光功率（57 mW 与 275 mW）。

主要贡献与结果

噪声抑制：与传统的连续波全光学技术相比，脉冲式全光学协议展示了显著改进的低频噪声性能。在无需使用锁相检测或幅度调制磁场的情况下，该脉冲式方法在近直流频率范围内实现了高达 10 倍（约 10 dB）的噪声底提升。即使引入额外的光学强度噪声（0.2% 幅度调制深度），这一优势依然存在。
对比度动力学：研究解析了零磁场附近由 NV-NV 交叉弛豫引起的 AO-PL 对比度特征。研究表明对比度取决于读取时间 $t_r$ ，当 $I_{sig}$ 在光学激发后不久测量且 $I_{ref}$ 在接近稳态时测量，则会观察到更高的对比度。
暗时间 ( $\tau$ ) 的优化：脉冲式 AO-PL 对比度 $C(\tau)$ $C (τ)$ 表现出对暗时间 $\tau$ $τ$ 的非单调依赖关系，即先增加，达到最大值，然后减小。这种行为可以通过涉及两个特征时间尺度（ $T_{cr}$ $T_{cr}$ ，与 NV-NV 交叉弛豫相关；以及 $T_{in}$ $T_{in}$ ，与内在去极化相关）的双指数函数进行定量描述。
- 获得最大对比度的最佳 $\tau$ 被发现是依赖于 NV 浓度的。较高的 NV 浓度（例如 ~3.8 ppm）会导致更强的偶极相互作用、更短的时间尺度（ $T_{cr}$ 和 $T_{in}$ ）以及更短的最佳 $\tau$ （约 2.5 ms），相比之下，较低浓度的样品则需要更长的 $\tau$ 。
- 特征时间尺度在很大程度上与激光功率（57 mW 与 275 mW）无关，这表明它们主要由样品属性决定。
权衡：虽然较高的 NV 浓度可以提高对比度并允许缩短 $\tau$ （从而可能提高占空比），但作者指出，目前的毫秒级 $\tau$ 值导致脉冲序列的占空比较低，将采样率限制在 400 S/s。这使得系统在高于 10 Hz 的频率处容易发生混叠，而在这些频率下，连续波方法（具有更高的采样率）目前表现出更低的噪声底。

意义与主张
论文声称，所提出的脉冲式全光学协议提供了一种有效进行共模噪声抑制的鲁棒方法，且无需使用幅度调制磁场。这对于在需要尽量减少样品扰动的挑战性环境中进行敏感的直流磁力测量具有重要意义。

这些发现为优化 NV-金刚石样品及全光学协议提供了新的见解，特别是针对低尺寸、低重量和低功耗（low-SWaP）量子传感器的应用。具体而言，这项工作强调了选择具有较高氮/NV 含量的样品可以增强 AO-PL 对比度并减少所需的暗时间，尽管这引入了关于光学吸收和谱线展宽的权衡，需要进一步评估。作者指出，虽然目前的实现受限于占空比，但该协议对于未来在极端温度、压力和辐射条件下的多样化量子传感场景中具有广阔的应用前景。

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