All optical magnetometry with nitrogen vacancy centers in diamonds

Abstract

This thesis explores advancements in all-optical magnetometry using nitrogenvacancy centers in diamonds, with a focus on fiber-based sensor systems. We begin by providing an overview of current sensing and magnetic field sensing technologies, highlighting the need for compact, high-sensitivity solutions. After introducing the physics of NV centers and discussing various readout methods, we present an all-optical setup for magnetometry, for which we developed a compact and low-cost phase-sensitive detection system. This system achieves a performance comparable to commercial laboratory equipment while significantly reducing size and costs. We further investigate the fluorescence lifetime of high-NV-density microdiamonds. This offers a non-intensity-based approach for magnetic field sensing, providing greater immunity to intensity fluctuations and enhancing robustness. Additionally, we analyze the complete frequency response of the system. By training an artificial neural network on the raw response, we improve the system’s accuracy, resolving low-field ambiguities and minimizing temperature sensitivity. Compared to state-of-the-art NV-based sensors, our all-optical system offers a non-conductive and non-magnetic sensing head, simpler implementation, and functionality over a high magnetic field range. These advancements demonstrate the potential for low-cost, portable magnetometry systems suitable for practical applications where traditional methods face challenges due to metallic or microwave components. The integration of fluorescence lifetime sensing and frequency domain analysis positions this technology as a promising alternative for future quantum sensing developments.

Esta tesis explora los avances en la magnetometría totalmente óptica, utilizando centros the nitrógeno vacante en diamantes, con un enfoque en sistemas de sensores basados en fibra óptica. Comenzamos brindando una descripción general de las tecnologías actuales de sensores de corriente y sensores de campos magnéticos, destacando la necesidad de soluciones compactas y de alta sensibilidad. Tras introducir la física de los centros NV y discutir varios métodos de lectura, presentamos una configuración totalmente óptica para magnetometría, para lo que hemos desarrollado un sistema de detección sensible a la fase, compacto y de bajo coste. Este sistema alcanza un rendimiento comparable al de los equipos comerciales de laboratorio, reduciendo significativamente el tamaño y los costes. Además, investigamos más a fondo el tiempo de vida útil de la fluorescencia de los microdiamantes de alta densidad de NV. Esto ofrece un enfoque no basado en la intensidad para la detección del campo magnético, lo que proporciona una mayor inmunidad a las fluctuaciones de intensidad y mejora la robustez. Además, analizamos la respuesta de frecuencia completa del sistema. Mediante el entrenamiento de una red neuronal artificial en la respuesta bruta, mejoramos la precisión del sistema y resolvemos las ambigüedades de campo bajo y minimizando la sensibilidad a la temperatura. En comparación con los sensores basados en NV de última generación, nuestro sistema totalmente óptico ofrece un cabezal sensor no conductor y no magnético, una implementación más sencilla y funcionalidad en un amplio rango de campo magnético. Estos avances demuestran el potencial de los sistemas de de bajo coste de magnetometría portátiles adecuados para aplicaciones prácticas donde los métodos tradicionales enfrentan desafíos debido a los componentes metálicos o de microondas. La integración de los sensores del tiempo de vida de la fluorescencia y el análisis del dominio de frecuencia posiciona a esta tecnología como una alternativa prometedora para futuros desarrollos de detección cuántica.