Résonance magnétique d'un spin électronique unique et de son environnement magnétique par comptage de photons

Magnetic resonance of a single electron spin and its magnetic environment by photon counting

• Auteur / Autrice : Léo Balembois
• Direction : Daniel Estève, Emmanuel Flurin, Patrice Bertet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ioan Mihai Pop, Vincent Jacques, Alain Aspect, Jean-François Roch, Mazyar Mirrahimi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ioan Mihai Pop, Vincent Jacques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Erbium

Détecteurs de photons

Résonance paramagnétique électronique

Mots clés libres

Circuits supraconducteurs

Résonance paramagnétique électronique

Qubit

Superconducting circuits

Electron spin resonance

Qubit

Résumé

La résonance magnétique est une branche de la science qui vise à détecter les spins via leur absorption et émission de rayonnement électromagnétique. On distingue deux sous-branches : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) qui s’applique aux spins atomiques et la Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) qui s’applique aux spins électroniques non appariés. Dans les deux cas, les appareils commerciaux sont limités à la mesure de vastes ensembles de spins et ne fournissent que des moyennes de leur réponse collective. Dans cette thèse, nous réalisons la RPE d’ion Erbium individuels insérés dans un cristald e scheelite en utilisant une nouvelle méthode de détection basée sur la fluorescence micro-onde émise par les spins pendant leur relaxation. Pour favoriser l’émission de photon, les spins sont couplés à un résonateur supraconducteur ayant un petit volume de mode et de faibles pertes, générant un effet Purcell. La sortie du résonateur est connectée à un compteur de photon micro-onde basé sur un qubit supraconducteur et un mélange à 4 ondes. La grande sensibilité de ce détecteur S = 10⁻²² W/√Hz est une des clés de la réussite de cette expérience. Notre méthode s’applique à tous types d’impuretés paramagnétiques sans nécessiter une transition optique ni un grand temps de cohérence. Nous mesurons les caractéristiques de plusieurs spins individuels, les résultats varient fortement d’un spin à l’autre, mettant en avant l’inhomogénéité de leurs environnements électromagnétiques. Les temps de cohérence atteignent plusieurs millisecondes et sont limités radiativement. Finalement, nous réalisons une expérience visant à sonder l’environnement magnétique d’une impureté particulière grâce à une séquence de découplage dynamique. Le signal à résonance nous permet de mettre en évidence la présence de spin nucléaire de ¹⁸³W. Nous émettons finalement quelques hypothèses préliminaires sur leur disposition autour de l’ion erbium étudié.

Magnetic resonance is a branch of science that aims to detect spins via their absorption and emission of electromagnetic radiation. There are two sub-branches : Nuclear Magnetic Resonance (NMR), which applies to atomic spins, and Electronic Paramagnetic Resonance (EPR), which applies to unpaired electron spins. In both cases, commercial instruments are limited to measuring large ensembles of spins and only provide averages of their collective response. In this thesis, we perform EPR of individual Erbium ions inserted in a scheelite crystal using a new detec-tion method based on the microwave fluorescence emitted by the spins during their relaxation. To promote photon emission, the spins are coupled to a superconducting resonator with a small mode volume and low losses, generating a Purcell effect. The output of the resonator is connected to a microwave photon detector based on a superconducting qubit and a 4-wave micing. The high sensitivity of this detector S = 10⁻²² W/√Hz is one of the keys to the success of this experiment. Our method is applicable to all types of paramagnetic impurities without requiring an optical transition or a large coherence time. We measure the characteristics of several individual spins, the results vary strongly from one spin to another, highlighting the inhomogeneity of their electromagnetic environments. The coherence times reach several milliseconds and are radiatively limited. Finally, we perform an experiment to probe the magnetic environment of a particular impurity using a dynamic decoupling sequence. The resonance signal allows us to demonstrate the presence of ¹⁸³W nuclear spin. We finally make some preliminary hypotheses on their arrangement around the erbium ion studied.