Contrôle angulaire de particules magnétiques en lévitation pour l'étude d'effets gyromagnétiques à l'échelle micrométrique

Angular control of levitated magnetic particles for studies of gyromagnetism at the micro-scale

• Auteur / Autrice : Maxime Perdriat
• Direction : Gabriel Hétet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivan Favero
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Favero, Tracy Northup, Olivier Arcizet, David Guéry-Odelin, Anaïs Dréau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tracy Northup, Olivier Arcizet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Rotation moléculaire

Magnétisme

Sustentation magnétique

Mots clés libres

Lévitation

Centre NV

Gyromagnétisme

Piège de Paul

Rotation

Levitation

NV center

Gyromagnetism

Paul trap

Rotation

Résumé

Depuis l'avènement de la physique quantique il y a un siècle, de nombreuses interrogations demeurent sur la frontière entre le monde classique et le monde quantique. La génération d'états quantiques de systèmes de plus en plus massifs en opto-mécanique offre une opportunité pour explorer ces limites. Fort de cet élan, l'étude des régimes quantiques des modes mécaniques de particules micro/nanométriques en lévitation a connu un essor florissant au cours des dix dernières années. De part leur dynamique intrinsèquement non-linéaire, les degrés de liberté angulaires d'une particule en lévitation présentent une physique riche aussi bien sur le plan classique que quantique. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la physique du couplage entre les degrés de liberté angulaire et le magnétisme interne de cristaux en lévitation. La dualité entre le moment magnétique et le moment cinétique donne lieu à un couplage naturel entre la dynamique angulaire d'un cristal en lévitation et son magnétisme interne, plus connu sous le nom d'effets gyromagnétiques. Le but de ce travail est d'étudier la dynamique angulaire de particules magnétiques en lévitation à une échelle micrométrique où ces effets sont exacerbés. Nous considérons pour cela deux techniques de piégeages distincts: un piège magnétique pour la lévitation d'aimants ainsi qu'un piège électrique pour la lévitation de particules chargées. Dans un premier temps, nous montrons que l'on peut faire léviter des aimants millimétriques dans un piège de Paul magnétique planaire macroscopique et nous proposons un design adapté à la lévitation d'aimants micro/nanométriques. Comparée à la lévitation supraconductrice, cette technique de piégeage offre de nombreux avantages de part la simplicité du dispositif expérimental et le degré de contrôle sur le potentiel de piégeage. Il est aussi intéressant de pouvoir contrôler l'angle de particules magnétiques en lévitation de façon purement électrique. En particulier, nous montrons qu'une non-linéarité dans l'équation de la dynamique angulaire d'un piège électrique permet la rotation de particules piégées au kilohertz. Nous utilisons les centres NV dans un diamant piégé en rotation pour reconstituer la trajectoire angulaire de celui-ci et démontrer l'extrême stabilité de cette technique de rotation. Ces résultats ouvrent la voix à l'observation d'effets gyromagnétiques dans le référentiel tournant et pourraient avoir des applications en gyroscopie, spin-mécanique et magnétométrie. Enfin, le couplage fort entre les spins et le degré de liberté angulaire a aussi été étudié avec des diamants en lévitation dans un piège électrique. Nous prouvons l'existence d'une nouvelle forme de magnétisme avec les centres NV, le spin-diamagnétisme, permettant d'orienter l'axe d'anisotropie d'un diamant micrométrique en lévitation avec l'axe du champ magnétique externe. Cette technique pourrait servir dans des protocoles d'hyperpolarisation avec des diamants en suspension dans des liquides.

Since the advent of quantum physics a century ago, many questions remain about the frontier between the classical and quantum worlds. The generation of quantum states of increasingly massive systems in opto-mechanics offers an opportunity to explore these boundaries. Taking advantage of this success, the study of quantum regimes of mechanical modes of levitating micro/nanometer particles has flourished over the past decade. Due to their intrinsically nonlinear dynamics, the angular degrees of freedom of a levitating particle exhibit rich physics both classically and quantumly. In this thesis, we are interested in the physics of the coupling between the angular degrees of freedom and the internal magnetism of levitating crystals. The duality between the magnetic moment and the angular momentum gives rise to a natural coupling between the angular dynamics of a levitating crystal and its internal magnetism, better known as gyromagnetic effects. The objective of this work is to study the angular dynamics of levitating magnetic particles at a micron level, where these effects are amplified. To achieve this, we are considering two different trapping methods: a magnetic trap for levitating magnets and an electric trap for levitating charged particles. First, we show that millimeter magnets can be levitated in a macroscopic planar magnetic Paul trap and we propose a design suitable for levitating micro/nanometer magnets. Compared to superconducting levitation, this trapping technique offers many advantages due to the simplicity of the experimental setup and the degree of control over the trapping potential. It is also interesting to be able to control the angle of levitating magnetic particles in a purely electrical way. In particular, we show that a nonlinearity in the angular dynamics equation of an electric trap allows the rotation of trapped particles at kilohertz. We use the NV centers in a rotating trapped diamond to reconstruct its angular trajectory and demonstrate the extreme stability of this rotation technique. These results open the way to the observation of gyromagnetic effects in the rotating reference frame and could have applications in gyroscopy, spin-mechanics and magnetometry. Finally, the strong coupling between spins and angular degree of freedom has also been studied with diamonds levitated in an electric trap. We prove the existence of a new form of magnetism with NV centers, spin-diamagnetism, allowing to orient the anisotropy axis of a levitated micrometer diamond with the external magnetic field axis. This technique could be used in hyperpolarization protocols with diamonds suspended in liquids.