Magnetic resonance with quantum microwaves

par Audrey Bienfait

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrice Bertet.

Soutenue le 14-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques


  • Résumé

    Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.


  • Résumé

    In usual electron-spin resonance (ESR) experiments, the coupling between spins and their electromagnetic environment is quite weak, severely limiting the sensitivity of the measurements. Using a Josephson parametric microwave amplifier combined with high-quality factor superconducting micro-resonators cooled at millikelvin temperatures, this work reports the design and implementation of an ESR setup where the detection sensitivity is limited by quantum fluctuations of the electromagnetic field instead of thermal or technical noise. Pulsed ESR measurements on an ensemble of Bismuth donors in Silicon spins demonstrate a sensitivity of 1700 spins within a single Hahn echo with unit signal-to-noise (SNR) ratio. The sensitivity of the setup is improved one step further by generating squeezed vacuum in the detection waveguide, reducing the amount of noise beyond the quantum limit. The high-quality factors and small mode volume superconducting microwave ESR resonator developed for enhanced sensitivity also enhances the spin-resonator coupling up to the point where quantum fluctuations have a dramatic effect on the spin dynamics. As a consequence, the spin spontaneous emission of microwave photons in the resonator is dramatically enhanced by the Purcell effect, making it the dominant spin relaxation mechanism. The relaxation rate is increased by three orders of magnitude when the spins are tuned to resonance, showing that spin relaxation can be engineered and controlled on-demand. Our results provide a novel and general way to initialize spin systems into their ground state, with applications in magnetic resonance and quantum information processing.


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