[論文レビュー] Dual-axis pi-pulse spin-exchange relaxation-free magnetometer

E. Zhivun, Michael Bulatowicz+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ポンプ軸に沿って周期的なπパルスの組み合わせと直流バイアス磁場を適用することにより、1/f技術的ノイズを低減する二軸πパルススピン交換緩下フリー（SERF）磁力計を提案する。これにより、x̂およびŷ方向の磁界成分を同時に正交交流検出可能となり、低周波数域での高感度を実現する。本装置は0.01 Hzでx̂成分に対して8.4 fT Hz⁻¹/²、ŷ成分に対して11 fT Hz⁻¹/²の技術的ノイズフロアを達成し、従来のDC SERF磁力計と比較して低周波数性能が顕著に向上した。

ABSTRACT

We present a new spin-exchange relaxation-free vector magnetometer with suppressed 1/f probe noise, achieved by applying a small DC bias field and a comb of magnetic DC $π$ pulses along the pump direction. This results in a synchronous orthogonal AC response for each of its two sensitive axes. The new magnetometer is particularly well-suited to applications such as biomagnetism in which the signal to be measured carries a dominant component of its power at low frequencies. The magnetometer reaches a technical noise floor of 8.4 fT/sqrt(Hz) (x) and 11 fT/sqrt(Hz) (y) at 0.01 Hz. A single-axis DC SERF sharing the same experimental apparatus attains 61 fT/sqrt(Hz) at the same frequency. A noise minimum of 1.1 fT/sqrt(Hz) (x) and 2.0 fT/sqrt(Hz) (y) is reached by the new magnetometer at 10 Hz, compared to 0.7 fT/sqrt(Hz) at 25 Hz for a DC SERF.

研究の動機と目的

• 従来のDC SERF磁力計における1/f技術的ノイズの制限、特に胎児マグネトカーデオグラフィー（fMCG）などの低周波数バイオ磁気応用において深刻な影響を受ける問題を解決すること。
• 1本のプローブビームと1本の光学軸を用いて、x̂およびŷ方向の垂直な磁界成分を同時に高感度で測定すること。
• πパルス周波数で信号を同期的に検出することにより、標準的なSERF動作におけるDCドリフト問題を回避し、ŷ成分の1/fノイズを低減すること。
• センサの複雑さを増すことなく、スピン交換緩下を維持しつつ、二軸ベクトル磁力計を実現すること。

提案手法

• 原子スピンを整列させ、スピン交換緩下フリー（SERF）動作を可能にするために、ẑ方向に直流バイアス磁場（B₀）を印加する。
• πパルスの周期的コンビネーション（Bπ）をẑ方向に重畳し、反復周波数fπで短い磁場パルスを印加してスピンの周期的反転を誘発し、プローブ信号を変調する。
• プローブ偏光回転信号を、fπ周波数の位相ロックされた方形波と乗算し、その後ローパスフィルタリングを施すことで、x̂およびŷ成分の正交交流信号を抽出する同期検出を実装する。
• MOSFETスイッチ（Q3）を用いたアクティブリング抑制を備えた半Hブリッジ回路を実装し、電流の振動を最小限に抑え、明確で定義されたπパルス波形を確保する。
• πパルスおよびオフセット磁場コイルを共通フレーム上に配置し、補償巻線を設けることで、軸方向の磁場勾配を最小限に抑え、軸上でのB₀の一様性を維持する。
• FPGAで生成された制御信号（NI-7851R）と低ノイズ電源を用いて、πパルスの正確なタイミングと振幅制御を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一プローブを用いたSERF磁力計が、両成分において1/f技術的ノイズを低減させつつ、二軸ベクトル検出を実現できるか？
• RQ2 ポンプ軸に沿ったπパルスコンビネーションの適用が、垂直な磁界成分の同期的交流検出を可能にするとともに、スピン交換緩下の抑制を維持できるか？
• RQ3 低周波数ノイズ性能の観点から、二軸πパルス磁力計は従来のDC SERFおよびZモードSERF構成をどの程度上回るか？
• RQ4 10 Hzで1 fT Hz⁻¹/²未満の高感度を維持しつつ、DC SERF動作と比較して低周波数域の1/fノイズを低減できるか？

主な発見

• 二軸πパルス磁力計は、0.01 Hzでx̂成分に対して8.4 fT Hz⁻¹/²、ŷ成分に対して11 fT Hz⁻¹/²の技術的ノイズフロアを達成した。これは、同一条件下での単軸DC SERFの61 fT Hz⁻¹/²のノイズフロアと比較して顕著に向上した。
• 10 Hzでは、x̂成分で1.1 fT Hz⁻¹/²、ŷ成分で2.0 fT Hz⁻¹/²のノイズ最小値に達し、広帯域にわたり高感度を実現した。
• πパルス磁力計の10 Hzにおけるノイズ性能は、低ノイズで知られるZモードSERF磁力計と同等であり、複数の光学ビームを必要としない。
• πパルス周波数での同期検出により、DC SERFおよびZモード構成で脆弱なŷ成分の1/f技術的ノイズが効果的に低減された。
• 測定されたπパルスの面積は2.1 rad（πと約10%以内）であり、14 Vのパルス電圧と4.7 μsの立ち上がり時間により、ピーク磁場が16 μTに達した。
• Q3によるアクティブリング抑制を備えたパルス回路設計により、最適化されたゲートタイミングとR1 = √(L/CQ3)の選定によって、残りのリングノイズが無視できる程度に抑えられた。