Improvement of the sensitivity of NV centre magnetometers by the combination of red and infrared signals

Que ce soit dans les domaines miniers, de la détection de défauts en microélectronique ou même dans celui de l’imagerie par résonance magnétique, la cartographie magnétique est omniprésente. Il est possible d’incorporer des magnétomètres, ces appareils qui mesurent le champ magnétique, sur des drones pour améliorer la vitesse et la portée des cartographies. Par leur petite taille, leur grande sensibilité et leur fonctionnement à température ambiante, les centres azote-lacune dans le diamant sont les candidats idéaux pour ce genre de magnétométrie. Cette nouvelle technologie quantique peut aussi remplacer les systèmes actuels qui sont lourds, énergivores ou cryogéniques. Le développement d’un prototype utilisant ces centres azote-lacune comporte beaucoup de défis d’ingénierie, notamment en ce qui a trait à sa sensibilité. En effet, pour contrôler son état quantique, le système possède plusieurs sous-modules : un laser pulsé, un générateur de micro-ondes et un module de photodétection, chacun ajoutant une certaine proportion de bruit dans la mesure finale. Pour éventuellement atteindre une sensibilité de 10 pT/√Hz, chaque module doit être optimisé avec de l’électronique de pointe. Toutefois, cela ne représente qu’une partie de la solution. La grande majorité des travaux sur les centres azote-lacune se basent sur la détection de la photoluminescence rouge. Or, un faible signal infrarouge est également émis de façon simultanée. Ce projet de recherche démontre les impacts d’une nouvelle méthode de mesure simultanée et différentielle combinant à la fois les photoluminescences rouge et infrarouge des centres azote-lacune sur la réduction de bruit. Avec le prototype actuel, une analyse approfondie des sources de bruit a démontré que la puissance laser et les vibrations de composants optiques constituent les principales sources de bruit. La mesure combinée rouge/infrarouge améliore alors grandement les performances en permettant d’éliminer le bruit en mode commun. En effet, bien que le signal infrarouge soit plus difficile à mesurer, cette nouvelle méthode permet de réduire le bruit jusqu’à deux ordres de grandeur. Couplé à un algorithme simple qui traite les données pour optimiser le rapport signal sur bruit, la sensibilité en champ magnétique du prototype a été améliorée d’un facteur 10.Abstract : From the mining sector to the detection of defects in microelectronics and magnetic resonance imaging, magnetic mapping is omnipresent. Magnetometers, devices that measure the magnetic field, can be incorporated in drones to improve mapping speed and range. By their small size, their great sensitivity and their operation at room temperature, nitrogenvacancy centres in diamond are ideal candidates for this type of magnetometry. This new quantum technology can also replace current systems which are either heavy, energyconsuming or cryogenic. The design and optimization of this standalone quantum magnetometer prototype involves great engineering challenges. To perform quantum control and hence, magnetometry, the system has several sub-modules: a pulsed laser, a tunable microwave generator and a photodetection module, each adding a certain proportion of noise in the final measurement. To reach a sensitivity of 10 pT/√Hz, each sub-module must be optimized with state-ofthe- art electronics, but this is only part of the solution. The vast majority of studies on nitrogen-vacancy centres is based on detection of red photoluminescence. However, a weak infrared signal is also emitted simultaneously. The present research demonstrates the impacts on noise reduction of a new measurement method, simultaneous and differential, that combines both red and infrared photoluminescence of nitrogen-vacancy centres. With the current prototype, a thorough noise source analysis demonstrated that laser power and optical component vibrations are the main sources of noise. Therefore, the combined red/infrared measurement greatly improves performance by reducing common mode noise. Indeed, despite the fact that the infrared signal is difficult to measure, this new method reduces the noise by up to two orders of magnitude. Coupled to a simple algorithm that processes the data in order to optimize the signal-to-noise ratio and thereby the magnetic field sensitivity of the prototype, a 10 times improved sensitivity was obtained