CONTRÔLE COHÉRENT D'UN ENSEMBLE DE CENTRES NV DU DIAMANT

par Simone Magaletti

Projet de thèse en Physique quantique

Sous la direction de Thierry Debuisschert et de Jean-François Roch.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec LUMIN - Laboratoire Lumière-Matière aux Interfaces (laboratoire) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 01-09-2018 .


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est d'évaluer des méthodes par lesquelles la sensibilité des senseurs quantiques à base de centres NV du diamant peut être augmentée en utilisant les techniques du contrôle quantique optimal. Dans le régime de pompage continu, la transition induite entre les niveaux de spin par le signal micro-onde est en concurrence avec le pompage optique, ce qui limite le contraste à quelques pourcents. Une première étape consistera à étudier le comportement des ensembles de centres NV en régime impulsionnel, ce qui permet de découpler les deux effets. En plus d'augmenter le contraste, le fonctionnement en régime impulsionnel permet de découpler les centres NV de leur environnement et réduire la largeur de raie. Il est donc attendu une augmentation globale de la sensibilité en utilisant des séquences d'impulsions rectangulaires. Nous chercherons également à synchroniser le pompage des centres NV sur le temps d'ouverture de la caméra afin de limiter la puissance de pompe et éviter l'élargissement en puissance. Dans une seconde étape, les profils d'impulsions, leur durée et leur cadence seront optimisés en exploitant les techniques de contrôle cohérent développées par les partenaires de QuSCo. Il doit en résulter une amélioration supplémentaire de la sensibilité. Une caractéristique particulière des centres NV est de pouvoir exister avec 4 orientations différentes dans le cristal de diamant. Dans les échantillons standards orientés selon 100, les 4 orientations sont présentes. Cela se traduit par 4 couplages différents du champ électromagnétiques et 4 fréquences de Rabi différentes. Cet effet sera pris en compte pour étudier quelles sont les limites du contrôle cohérent dans cette configuration. Dans le cas où cela représente une limitation importante, nous utiliserons des échantillons de diamant dont la croissance a été effectuée selon l'axe 111 ou 113. Dans ce cas, les centres NV sont préférentiellement orientés selon une direction particulière, ce qui ne laisse subsister qu'une seule fréquence de Rabi. Nous utiliserons notre dispositif pour tester les techniques de contrôle cohérent optimales en fonction de : • La dispersion des propriétés NV en raison de la fluctuation du bain de spins dans l'environnement du centre NV. • L'homogénéité des échantillons • L'Influence des orientations multiples centres NV qui peuvent aller d'une absence d'orientation préférentielle (100), une orientation partielle (113) ou une orientation totale (111). Les techniques étudiées dans le travail proposé seront testées sur les deux plates-formes expérimentales que nous avons développées [1-3]. Ceci aboutira à l'amélioration de leurs performances et donnera aussi de nouvelles indications sur des techniques de contrôle cohérentes appliquées au cas d'un grand ensemble de spins. Les résultats attendus sont : • Une amélioration de la sensibilité des dispositifs d'imageur magnétique grand champ et d'analyseur de spectre en les faisant fonctionner en régime impulsionnel • Une amélioration supplémentaire de la sensibilité en prenant en compte les spécificités des ensembles de centres NV • Une plateforme expérimentale permettant d'évaluer les techniques de contrôle cohérent pour différentes orientations des spins et différents environnements.

  • Titre traduit

    COHERENT CONTROL OF AN ENSEMBLE OF NV CENTRES IN DIAMOND


  • Résumé

    The objective of the thesis is to evaluate methods by which the sensitivity of quantum sensors based on diamond NV centers can be increased using optimal quantum control techniques. In continuous pumping mode, the transition induced between spin levels by the microwave signal competes with optical pumping, limiting contrast to a few percent. A first step will consist in studying the behaviour of the sets of NV centres in impulse mode, which makes it possible to decouple the two effects. In addition to increasing contrast, pulse mode operation decouples the NV centres from their environment and reduces line width. An overall increase in sensitivity is therefore expected using rectangular pulse sequences. We will also seek to synchronize the pumping of the NV centers over the camera opening time to limit pump power and avoid power expansion. In a second step, the pulse profiles, pulse duration and pulse rate will be optimized using the consistent control techniques developed by QuSCo's partners. This should result in a further improvement in sensitivity. A particular characteristic of NV centres is that they can exist with 4 different orientations in diamond crystal. In standard samples oriented according to 100, the 4 orientations are present. This results in 4 different couplings of the electromagnetic field and 4 different Rabi frequencies. This effect will be taken into account when considering the limitations of coherent control in this configuration. If this represents a significant limitation, we will use diamond samples grown along axis 111 or 113. In this case, the NV centres are preferably oriented in a particular direction, which leaves only one Rabi frequency. We will use our device to test the optimal coherent control techniques according to: • The dispersion of NV properties due to the fluctuation of the spin bath in the NV center environment. • homogeneity of samples • Influence of multiple NV center orientations which may range from no preferential orientation (100), partial orientation (113) or total orientation (111). The techniques studied in the proposed work will be tested on the two experimental platforms we have developed[1-3]. This will improve their performance and also give new indications on consistent control techniques applied to a large set of spins.