Capteurs quantiques à centres NV : vers de nouvelles modalités d'imagerie - Laboratoire Charles Coulomb (L2C) Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Quantum sensing with NV centers : towards new imaging modalities

Capteurs quantiques à centres NV : vers de nouvelles modalités d'imagerie

Maxime Rollo
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1245833
  • IdRef : 267649126

Résumé

The understanding of physical phenomena and the technological development of components and systems at the nanoscale require measurement tools that are resolved at these scales. One way is to use very small volume sensors. Among these, sensors based on individual electron spins associated with the nitrogen-vacancy center (or NV center) in diamond, have become a technique of great interest. These sensors, of atomic volume, are indeed extremely sensitive to several physical quantities in their environment. These quantities can be probed by measuring the electron spin resonance spectrum by optical means. These sensors are used today to map static magnetic fields with a sensitivity below µT/√Hz and a spatial resolution of the order of 50 nm in ambient conditions.This spin is also sensitive to other physical quantities, including magnetic noise, temperature and electric field. This thesis work focused on extending the imaging modalities of the NV center sensors, to make it a versatile imager. The imaging configuration is a scanning probe configuration in which the NV center is isolated within a diamond tip mounted in an atomic force microscope. I first considered a tip hosting an ensemble of NV centers and optimized for temperature mapping in order to determine its ultimate performance in terms of sensitivity and spatial resolution. I then studied the effect of the electric field on the spin properties of the NV center, and investigated the experimental conditions required to perform electric field imaging. Finally, I proposed a new all-optical protocol to qualitatively map the magnetic noise, which affects the relaxation dynamics between the spin levels and thus the photoluminescence level of the NV center. This protocol has been validated by imaging domain walls in a synthetic antiferromagnetic material.This versatile scanning microscope will allow the study, on a single device, of the magnetic (field and/or magnetic noise), electrical or thermal properties of a material of interest and at the same time to study the coupling between these different physical parameters.
La compréhension des phénomènes physiques et le développement technologique de composants et systèmes aux nano-échelles, requièrent des outils de mesure résolus à ces échelles. Un moyen est d’utiliser des capteurs de très faibles volumes. Parmi ceux-ci, les capteurs s’appuyant sur les spins électroniques individuels associés au centre azote-lacune (ou centre NV pour Nitrogen-Vacancy) dans le diamant, sont devenus une technique d’intérêt fort. Ces capteurs, de volume atomique, sont en effet extrêmement sensibles à plusieurs grandeurs physiques dans leur environnement. Ces grandeurs peuvent sondées en mesurant le spectre de résonance magnétique du spin électronique par des moyens optiques. Ces capteurs sont aujourd’hui employés pour cartographier des champs magnétiques statiques avec une sensibilité en deçà du µT/√Hz et une résolution spatiale de l'ordre de 50 nm en conditions ambiantes.Ce spin est aussi sensible à d’autres grandeurs physiques, notamment le bruit magnétique, la température et le champ électrique. Ce travail de thèse a porté sur l’extension des modalités d’imagerie des capteurs à centre NV, pour en faire un imageur polyvalent. La configuration d’imagerie est une configuration à balayage dans laquelle le centre NV est isolé au sein d’une pointe en diamant montée dans un microscope à force atomique. J'ai tout d’abord considéré une pointe hébergeant un ensemble de centres NV et optimisée pour la cartographie de la température dans le but de déterminer ses performances ultimes en termes de sensibilité et de résolution spatiale. J'ai ensuite étudié l'effet du champ électrique sur les propriétés de spin du centre NV, et présenté les conditions expérimentales requises pour réaliser une cartographie du champ électrique. Enfin, j'ai proposé un nouveau protocole tout-optique pour cartographier qualitativement le bruit magnétique, bruit qui affecte la dynamique de relaxation entre les niveaux de spin et par là-même le niveau de photoluminescence du centre NV. Ce protocole a été validé en imageant des parois de domaines dans un matériau antiferromagnétique synthétique.Ce microscope à balayage polyvalent pourra permettre l’étude, sur un dispositif unique, des propriétés magnétiques (champ et/ou bruit magnétique), électriques ou encore thermiques d'un matériau d'intérêt et par la même de sonder le couplage entre ces différents paramètres physiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04062607 , version 1 (07-04-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04062607 , version 1

Citer

Maxime Rollo. Capteurs quantiques à centres NV : vers de nouvelles modalités d'imagerie. Physique Quantique [quant-ph]. Université de Montpellier, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UMONS057⟩. ⟨tel-04062607⟩
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