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Thèse Année : 2022

Capteurs quantiques pour la recherche de supraconducteurs à haute pression

Quantum sensors for high-pressure superconductivity

Antoine Hilberer
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1225981
  • IdRef : 267563353

Résumé

When high static pressure is applied to a material, the arrangement of its atoms and electrons can dramatically change to allow higher density, thus leading to the creation of new phases or modifying electronic and magnetic properties of solids. Pressures of tens of kilobars (gigapascals) or even megabars can be achieved in laboratories using Diamond Anvil Cells (DACs), at the expense of working with samples of minute size. Recent studies have claimed to have uncovered materials, super-hydrides, retaining superconductivity close to room temperature under extreme pressure conditions. However, performing reliable measurements of the hallmarks of superconductivity on these samples synthesized at high-pressure is remarkably challenging, sometimes leading to controversial results. In this thesis, we chose to pursue the development of a new high-pressure optical magnetic measurement method based on the adaptation of a mature quantum technology to the DAC: Nitrogen-Vacancy (NV) centers of diamond. We fabricate ensembles of these color centers inside the tip of a diamond anvil, using them as local quantum magnetic probes based on their spin-dependent photoluminescence properties. We show that NV centers can be used to spatially map the Meissner effect in the presence of a cuprate superconductor at high pressure and record the sample's critical temperature evolution with pressure up to 31 GPa. We then systematically study the NV centers' magnetic sensing capabilities at high pressure, identifying non-hydrostatic anvil stress as a limitation above 40 to 50 GPa. Finally, we propose an anvil micro-structuring strategy lifting this constraint and enabling efficient NV magnetometry at least up to 130 GPa, paving the way toward a future settlement of the super-hydride dispute by this new diagnosis method.
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.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03982955 , version 1 (10-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03982955 , version 1

Citer

Antoine Hilberer. Capteurs quantiques pour la recherche de supraconducteurs à haute pression. Quantum Physics [quant-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASP160⟩. ⟨tel-03982955⟩
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