Thèse soutenue

Quantum sensors for high-pressure superconductivity
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Auteur / Autrice : Antoine Hilberer
Direction : Jean-François Roch
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 15/12/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
Examinateurs / Examinatrices : Alfonso San Miguel, Jörg Wrachtrup, Nathalie Vast
Rapporteurs / Rapporteuses : Alfonso San Miguel, Jörg Wrachtrup

Résumé

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Lorsqu'une pression statique élevée est appliquée à un matériau, l'arrangement de ses atomes et électrons peut changer radicalement pour permettre une densité plus élevée, ce qui conduit à la création de nouvelles phases ou à la modification des propriétés électroniques et magnétiques des solides. Des pressions de dizaines de kilobars (gigapascals), voire de mégabars, peuvent être atteintes en laboratoire à l'aide de Cellules à Enclumes de Diamant (CED), limitant cependant les échantillons à des tailles infimes. Des études récentes ont affirmé avoir découvert des matériaux, les super-hydrures, étant supraconducteurs jusqu'à des températures proches de la température ambiante dans des conditions de pression extrêmes. Toutefois, la réalisation de mesures fiables des caractéristiques de la supraconductivité sur ces échantillons synthétisés à haute pression est remarquablement difficile, ce qui conduit parfois à des résultats controversés. Dans cette thèse, nous avons choisi de poursuivre le développement d'une nouvelle méthode de magnétométrie optique à haute pression basée sur l'adaptation d'une technologie quantique mature aux CED : les centres NV du diamant. Nous créons des ensembles de ces centres colorés dans la pointe d'une enclume de diamant, les utilisant comme sondes magnétiques quantiques locales par le biais de leurs propriétés de photoluminescence dépendante du spin. Nous montrons que les centres NV peuvent être utilisés pour cartographier spatialement l'effet Meissner en présence d'un cuprate supraconducteur à haute pression, et mesurons l'évolution de la température critique de l'échantillon avec la pression jusqu'à 31 GPa. Nous étudions ensuite systématiquement les capacités de détection magnétique à haute pression des centres NV, identifiant les contraintes non-hydrostatiques dans l'enclume comme une limitation au-dessus de 40 à 50 GPa. Enfin, nous proposons une stratégie de micro-structuration de l'enclume qui lève cette limite et démontre une magnétométrie à centres NV efficace au moins jusqu'à 130 GPa, ouvrant la voie à une future résolution de la controverse sur les super-hydrures par ce nouveau diagnostic.