Imagerie magnétique avec les centres azote-lacune dans le diamant

par Saddem Chouaieb

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Isabelle Robert-philip et de Vincent Jacques.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) .


  • Résumé

    La capacité à imager des distributions de champ magnétique avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale nanométrique, est devenue d'une importance primordiale dans un grand nombre de domaines. On peut ici citer l'étude d'espèces biomagnétiques, le géomagnétisme, la matière condensée, ou la microélectronique par exemple. Cette thèse porte sur une technique d'imagerie magnétique hautement résolue qui repose sur le spin unique d'un défaut ponctuel (le centre NV) dans le diamant. Ce défaut se comporte comme une molécule individuelle fluorescente logée à l'intérieur de la matrice de diamant; à ce défaut est associé un spin qui peut être adressé optiquement. Ce spin peut être utilisé comme un magnétomètre de taille atomique: le champ magnétique au voisinage du centre NV est mesuré à partir du décalage Zeeman lu sur le spectre de résonance magnétique détecté optiquement. Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à étendre la magnétométrie NV à balayage vers un fonctionnement à des températures cryogéniques. L'élément principal du magnétomètre consiste en une sonde en diamant hébergeant un centre NV unique, qui est montée sur un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant à 4 K. Les performances de ce magnétomètre sont évaluées en cartographiant le champ magnétique produit par des couches minces ferromagnétiques. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés. Dans le régime de champ magnétique faible (< 5 mT), une cartographie quantitative des champs magnétiques de fuite peut être mise en œuvre en enregistrant le spectre de résonance de spin. Dans le régime de champ magnétique élevé (> 5 mT), la distribution du champ magnétique de fuite peut être obtenue qualitativement, en enregistrant simplement le niveau de photoluminescence du centre NV. Ce mode d'extinction de photoluminescence est ici appliqué pour explorer la physique des skyrmions magnétiques dans des couches minces ferromagnétiques. Ces structures de spin avec une aimantation tourbillonnante, sont très prometteuses pour le stockage et le traitement d'informations à l'échelle nanométrique dans les futurs dispositifs de mémoire et de logique. Nous étudions d'abord le rôle du désordre structurel et de l'histoire magnétique sur la morphologie de skyrmions magnétiques. Ces travaux sont ensuite étendus à l'étude des alliages de Heusler, une classe de matériaux ferromagnétiques à coefficient d'amortissement magnétique intrinsèquement faible. Nous démontrons la première stabilisation des skyrmions magnétiques dans ces matériaux prometteurs ainsi qu'un processus efficace de nucléation induit par le courant. Pourtant, malgré le faible coefficient d'amortissement magnétique, le déplacement des skymions induit par le courant reste limité par de forts effets de piégeage. Enfin, nous démontrons la stabilisation de skyrmions de 60 nm de diamètre sous champ magnétique externe nul et à température ambiante, dans un empilement optimisé de couches couplées par polarisation d'échange. La magnétométrie à centre NV peut également être développée suivant des configurations d'imagerie à champ large. Dans ces expériences, la sonde en diamant consiste généralement en un substrat de diamant hébergeant des centres NV près de la surface. Nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de ces sondes en diamant pour améliorer la sensibilité de ces imageurs magnétiques. Divers paramètres ont un impact sur cette sensibilité; ceux-ci incluent le contrôle de la localisation en profondeur, de la densité et de l'orientation des centres NV. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour obtenir, par dépôt chimique en phase vapeur, des centres NV à orientation préférentielle. Cette stratégie s'appuie sur un contrôle de la température de croissance effectuée sur un substrat orienté (113). Nous combinons ensuite cet effet avec l'incorporation dépendante de la température des centres NV pour produire un échantillon de diamant présentant une couche dense de centres NV préférentiellement alignés.

  • Titre traduit

    Magnetic imaging with nitrogen-vacancy defects in diamond


  • Résumé

    The ability to image magnetic field patterns with a high sensitivity and nanoscale spatial resolution, has become of prime importance in a large number of areas. It can be applied to the study of biomagnetic species, geomagnetism, condensed matter, micro-electronics to name a few. In this thesis, we focus on a highly resolved magnetic imaging technique that relies on the single spin of a point defect (the NV center) in diamond, which acts as a fluorescent molecule lodged inside the diamond matrix; associated to this defect is a single spin that can be addressed optically. This spin can be employed as an atomic sized magnetometer: the magnetic field in the vicinity of the NV defect is measured by retrieving the Zeeman spitting on the optically-detected spin resonance spectrum. During my thesis, I worked towards extending scanning NV magnetometry towards cryogenic operation by implementing a low temperature scanning NV setup. The main building block of the set-up consists in a full diamond probe hosting a single NV center and mounted on an Atomic Force Microscope (AFM) operating at 4 K. The performance of such set-up in terms of sensitivity and spatial resolution, is assessed by mapping the stray magnetic field produced by ferromagnetic thin films. Two operating modes can be employed. In the low magnetic field regime (below 5 mT), quantitative mapping of stray magnetic fields can be implemented by recording the spin resonance spectrum. In the high magnetic field regime (>5 mT), the stray magnetic field distribution can be retrieved qualitatively by simply recording the NV center photoluminescence level. This photoluminescence quenching mode is here applied to explore the physics of magnetic skyrmions in ferromagnetic ultrathin multilayers. These topological spin structures with a whirling configuration hold great promise for the storage and processing of information at the nanoscale in future memory and logic devices. We first investigate the role of structural disorder and magnetic history on the morphology of isolated skyrmions in technologically-relevant magnetic materials. This investigation is then extended to the study of Heusler alloys, a class of ferromagnetic materials with an intrinsically low magnetic damping coefficient, in view of implementing efficient current-induced skyrmion dynamics. We demonstrate the first stabilization of magnetic skyrmions in such promising materials as well as an efficient current-induced nucleation process. Yet, despite the low magnetic damping coefficient, the skyrmion current-induced motion remains limited by strong pinning effects. Last, we demonstrate the stabilization of 60 nm skyrmions at zero external magnetic field and room temperature in an optimized exchange-biased multilayer stack. Such a skyrmion size corresponds to a reduction of skyrmion diameter by one-order of magnitude compared to previous studies. NV center based magnetometry do not exclusively rely on AFM-based architectures. NV center-based magnetometry is also developed along wide-field imaging configurations. In these experiments, the diamond probe, usually consists of a diamond substrate hosting near-surface NV centers. We focused on the optimization of such diamond probes for enhancing the sensitivity of such magnetic imagers. Various parameters impact this sensitivity; these include the control of the depth localisation, density and orientation of the NV centers. We propose here a novel strategy to grow, by Chemical Vapor Deposition, NV centers featuring a preferential orientation. It backs on a control of the growth temperature on a (113) oriented substrates. We afterwards combine this effect with the temperature dependent incorporation of NV centers to produce a diamond sample exhibiting a dense layer of preferentially aligned NV centers.