Les capteurs à centre NV du diamant : nouvelles modalités d'imagerie

par Rana Tanos

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Isabelle Robert-philip et de Csilla Gergely.

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


  • Résumé

    Durant les dernières années, une nouvelle classe de capteurs quantiques a émergé. Ces capteurs utilisent les propriétés du spin électronique associé à un défaut dans le diamant : le centre NV. Leur taille atomique et leur forte sensibilité au champ magnétique ont été notamment exploités pour réaliser des magnétomètres ultrasensibles et de résolution spatiale nanométrique. Récemment, il a été démontré que le centre NV du diamant peut aussi être employé pour réaliser des capteurs ultrasensibles de température et de bruit magnétique. Cette thèse étudie la faisabilité d'étendre les fonctionnalités de tels capteurs vers des imageurs, en particulier de température et de bruit magnétique. La thermométrie exploite ici la dépendance de la fréquence de résonance du spin avec la température. Dans ce manuscrit, l'extension vers l'imagerie thermique est évaluée suivant deux architectures principales. La première s'appuie sur des centres NV stationnaires isolés dans la matrice de diamant, et sondés dans une configuration d'imagerie champ large. Plusieurs géométries d'imageurs sont envisagées : un substrat de diamant massif, des membranes de diamant et des dispersions de nanodiamants sur l'objet à sonder. L'identification de la géométrie optimale (les dispersions de nanodiamants) est obtenue via l'analyse des gradients thermiques induits au sein de la matrice diamant, par une source de chaleur locale. La seconde architecture recourt quant à elle à des centres NVs isolés dans des pointes à balayage. L'extension vers l'imagerie du bruit magnétique exploite la forte dépendance du niveau de photoluminescence du centre NV en fonction du bruit magnétique à sa fréquence de résonance. Ce nouveau protocole d'imagerie est tout d'abord validé par la mesure du bruit magnétique produit par une source de bruit calibrée puis appliqué à l'imagerie de parois de domaine dans des matériaux synthétiques antiferromagnétiques.

  • Titre traduit

    QUANTUM SENSING WITH NV CENTERS IN DIAMOND : NOVEL IMAGING MODALITIES


  • Résumé

    In recent years, a new class of quantum sensors has emerged. These sensors use the properties of the electron spin associated with a point defect in the diamond: the NV center. Their atomic size and their high sensitivity to the magnetic field have been exploited in particular for the implementation of ultra-sensitive magnetometers with nanometric spatial resolution. Recently, it has been demonstrated that the NV center in diamond can also be used as ultrasensitive probes of temperature and magnetic noise. This thesis studies the possibility to extend the functionalities of such sensors to imagers, in particular temperature and magnetic noise imagers. Thermometry exploits the dependence of spin resonance frequency on temperature. The extension to thermal imaging is here evaluated along two main architectures. The first architecture is based on stationary NV centers in the diamond matrix probed in a wide field imaging configuration. Several imager geometries can be considered: a bulk diamond substrate, diamond membranes and nanodiamonds dispersion on the object to be probed. The identification of the optimal geometry (the nanodiamonds dispersion) is obtained through the analysis of the thermal gradients induced within the diamond matrix, by a local heat source. The second architecture uses isolated NV centers in scanning tips. The extension to magnetic noise imaging exploits the strong dependence of the photoluminescence level on magnetic noise at the spin resonance frequency. This new protocol is validated by measuring the magnetic noise produced by a calibrated noise source and is applied to the imaging of domain walls in synthetic antiferromagnetic materials.