senseurs quantiques de température aux échelles nanométriques

par Maxime Rollo

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Isabelle Robert-philip.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Axe de Recherche Physique de l'Exciton du Photon et du Spin (equipe de recherche) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Ces dernières années, les senseurs quantiques ont suscité un intérêt croissant du fait de leur capacité à combiner (i) une résolution spatiale nanométrique et (ii) une sensibilité à de très faibles signaux (champ magnétique ou température par exemple). Ce potentiel, inaccessible avec des capteurs classiques, est d'importance non seulement pour la recherche fondamentale dans un grand nombre de domaines (mécanique quantique, nanomagnétisme, science du vivant…) mais aussi pour des applications industrielles (microélectronique…). Une des avancées majeures dans le domaine a été le développement récent de senseurs quantiques en diamant, réalisant des capteurs ultimes de champ magnétique de très grande résolution spatiale. Ces nanomagnétomètres, aujourd'hui employés pour sonder des phénomènes magnétiques aux échelles nanométriques, exploitent la manipulation et lecture d'un spin individuel associé à une impureté atomique dans le diamant : le centre azote-lacune (ou centre NV). Les sondes à base de centres NV, aujourd'hui établies comme senseurs robustes de champ magnétique, offre aussi potentiel pour imager avec une très grande résolution spatiale des champs de température. L'objectif de la thèse est de confirmer ce potentiel, en réalisant un nouveau capteur basé sur des systèmes quantiques individuels pour imager la température aux échelles nanométriques. Le but sera d'étendre les techniques de manipulation des spins individuels à l'état solide pour mesurer localement la température et appliquer ce nouveau capteur à l'imagerie de gradient de chaleur à proximité de nanostructures plasmoniques et au sein de cellules biologiques individuelles.

  • Titre traduit

    Temperature quantum sensors at nanoscale


  • Résumé

    In recent years, quantum sensing has attracted increasing attention thanks to its ability to unprecedently combine nanoscale mapping capability and non-invasively probing of very weak signals such as magnetic field or temperature. Such potential, out of reach with conventional sensors, has strong implications both for fundamental physics in a wide range of fields (quantum mechanics, nanomagnetism, life science...) but also for industrial-scale applications (microelectronics...). One major breakthrough in this field has been the recent development of diamond-based quantum sensors as ultimate magnetic field sensors with nanometric spatial resolution [2-4]. Such sensors, now applied to harness nanoscale magnetic phenomena, exploit the quantum manipulation and read out of the single quantum spin state of an atomic impurity in natural diamond : the nitrogen-vacancy center (NV center). NV center-based probes, now established as robust sensors to image the magnetic field, also offer the potential for extraordinarily precise resolution of temperature with high spatial resolution [1]. The objective of the PhD is to address such a prospect, by implementing a novel sensory tool based on individual quantum systems for nanoscale thermal imaging. It will aim at extending the quantum manipulation techniques of the single solid-state spins for local temperature probing, and at applying this quantum-enabled technique to the mapping of the temperature gradients in the vicinity of plasmonic arrays and single biological cells.