Ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond for radiofrequency signal analysis

Ensemble de centres azote-lacune dans le diamant pour l'analyse de signaux radiofréquences

• Auteur / Autrice : Simone Magaletti
• Direction : Thierry Debuisschert, Jean-François Roch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Senellart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Roch, Isabelle Robert-Philip, Jocelyn Achard, Elke Neu-Ruffing
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Robert-Philip, Jocelyn Achard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs tactiles

Diamants

Mots clés libres

Centres NV

Spectroscopie

Capteurs quantiques

Optique quantique

Radiofréquence

Odmr

Nv centers

Sensors

Spectroscopy

Quantum sensing

Esr

Odmr

Résumé

Le centre azote-lacune (NV) est un défaut de spin du diamant constitué d'un atome d'azote et d'une lacune de carbone dans deux positions adjacentes du réseau cristallin du diamant. Il possède de remarquables propriétés optiques dépendant du spin qui en font une piste prometteuse pour les applications d'information quantique ou comme capteur quantique.Dans le présent manuscrit, deux applications basées sur un ensemble de centres NV dans le diamant sont étudiées: un analyseur de spectre radiofréquence (RF) ainsi qu’une technique de microscopie à champ large pour l'imagerie en champ proche du rayonnement RF émis par des dispositifs RF.Le premier chapitre expose les propriétés des centres NV du diamant ainsi que les motivations des deux applications basées sur celles-ci. En particulier, les solutions disponibles et l'état de l'art des techniques pour l'analyse spectrale RF et l'imagerie en champ proche RF sont passées en revue et l'intérêt d'une solution alternative basée sur les centres NV est discuté.Dans le deuxième chapitre, un montage expérimental permettant la détection optique en champ large de la résonance de spin des centres NV est présenté et utilisé pour étudier les principales propriétés de ce défaut du diamant. Les résonances de spin électronique des centres NV sont étudiées sur une large bande de fréquences (plus de 10 GHz) et différents phénomènes sont étudiés : le comportement d'un ensemble de centres NV auquel on applique un champ magnétique statique, les propriétés de polarisation de la photoluminescence émise par les centres NV et comment elles peuvent être exploitées pour reconnaître les orientations des centres NV dans le diamant, la polarisation du spin nucléaire de l'azote des centres NV sur une large gamme de fréquences (plus de 2 GHz).Le troisième chapitre est consacré à la mise en œuvre d'un analyseur de spectre RF en temps réel basé sur un ensemble de centres NV. Les principales caractéristiques physiques d’un ensemble de centres NV considéré comme un détecteur radiofréquence sont étudiées. Une architecture expérimentale qui permet une analyse spectrale RF en temps réel sur une gamme de fréquence accordable (10 MHz – 25 GHz), une largeur de bande jusqu’à 4GHz, une résolution en fréquence jusqu’au MHz et une résolution temporelle jusqu’à la milliseconde est proposée. La mise en place de ce dispositif a nécessité une analyse sur le comportement d'un ensemble de centres NV sous fort gradient de champ magnétique (plusieurs dizaines de Tesla par mètre) qui est aussi détaillée dans le chapitre.Le quatrième et dernier chapitre traite de l'imagerie en champ large des champs RF basée sur un ensemble de centres NV. Deux techniques sont proposées. La première est basée sur l'élargissement en puissance RF de la résonance de spin des centres NV et la seconde utilise la détection en champ large des oscillations de Rabi des centres NV. Ces deux techniques ont permis de reconstruire le champ proche magnétique radiofréquence émis par une antenne boucle. La première technique nécessite une calibration pour retrouver l'amplitude du champ RF alors que la seconde permet sa mesure directe. La détection champ large des oscillations de Rabi des centres NV a donc été étudiée à la fois expérimentalement et par des simulations. En particulier, les oscillations de Rabi des centres NV détectées expérimentalement à l'aide d’un système d’imagerie en champ large ont une forme asymétrique. Afin de comprendre cette forme, le comportement du centre NV pendant la séquence d'impulsions utilisée pour piloter l'oscillation de Rabi a été modélisé. Les résultats des simulations, en accord avec les résultats expérimentaux, permettent finalement d'avoir une meilleure compréhension de la polarisation optique et de la lecture du spin du centre NV pendant la séquence.

The nitrogen-vacancy center (NV) is a diamond spin defect consisting of a nitrogen atom and a carbon vacancy in two adjacent positions of the diamond lattice. Its remarkable spin-dependent optical properties make it a promising platform for quantum sensing and quantum information applications.In the present manuscript, two applications involving an ensemble of NV centers in diamond are investigated: a radio frequency (RF) spectrum analyser and a widefield imaging technique of the RF radiation emitted in near field by microwave devices.In the first chapter, the NV centers in diamond, their properties and the motivations behind the two NV centers based applications proposed in this manuscript are presented. The available solutions and the state-of-the-art techniques for both RF spectral analysis and near field imaging of RF radiation are reviewed and the potential of alternative solutions using NV centres are discussed.In the second chapter, a set-up for the widefield optical detection of the NV centers spin resonances is presented and used to investigate the main properties of this diamond defect. The NV center electron spin resonances are detected over a large frequency range (more than 10 GHz) and different phenomena are investigated: the behaviour of an ensemble of NV centers under a static magnetic field, the polarization properties of the NV center photoluminescence (PL) and how they can be exploited to recognise the NV centers orientations, the NV’s nitrogen nuclear spin polarization over a large frequency range (more than 2 GHz).The third chapter is devoted to the implementation of a real-time RF spectrum analyser based on an ensemble of NV centers. The main physical features of NV centers considered as MW detectors are investigated and an experimental architecture which allows a real time RF spectral analysis over a tuneable frequency range (10 MHz to 25 GHz), 4 GHz bandwidth, a MHz frequency resolution and a ms time resolution is demonstrated. The implementation of this device required an interesting analysis on the behaviour of an ensemble of NV centers under strong magnetic field gradient (tens of Tesla per meter) which is detailed in the chapter.The fourth and last chapter deals with the widefield imaging of RF field based on an ensemble of NV centers. Two techniques are proposed. The first is based on the RF power broadening of the NV center spin resonances in the continuous regime domain while the second is based on the widefield detection of NV centers Rabi oscillations in a pulsed regime. Both techniques allowed reconstructing the magnetic near field RF field emitted by a loop antenna. However, while the first technique requires a calibration to retrieve the amplitude of the RF field, the second allows a direct measurement of it. The widefield detection of the NV centers Rabi oscillations has thus been investigated both by means of experiments and simulations. Since the NV centers Rabi oscillations detected using our widefield experimental set-up showed an asymmetric shape, a model has been realized to figure out the NV centers behaviour during the pulse sequence employed to drive the Rabi oscillation. The results of the simulations, in agreement with the experimental results, enable to have a better insight of the NV center spin optical polarization and readout during the widefield detection of the Rabi oscillations.