Ensembles de centres azote-lacune du diamant pour la cartographie de champs magnétiques à l'échelle microscopique et l'analyse de spectres de signaux dans le domaine hyperfréquence

Ensembles of Nitrogen-vacancy centers of diamond for the cartography of magnetic fields at the microscopic scale and the spectral analysis of signals in the microwave domain

• Auteur / Autrice : Mayeul Chipaux
• Direction : Thierry Debuisschert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne) - Laboratoire Aimé Cotton / LAC
• Jury : Président / Présidente : Alix Gicquel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Debuisschert, Jean-François Roch, Patrick Maletinsky, Antoine Nowodzinski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Carminati, Dafiné Ravelosona

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Domaines magnétiques

Microscopie

Mots clés libres

Analyse spectrale

Capteur

Centres NV

Diamant

Hyperfréquence

Imagerie magnétique

Microscopie

Diamond

Magnetic imaging

Microscopy

Microwave

NV centers

Sensor

Spectral analysis

Résumé

Le centre coloré azote-lacune du diamant, appelé centre NV, est comparable à un atome piégé à l’état solide. Ses propriétés de spin, conservées à température ambiante, permettent la détection de résonances magnétiques par voie purement optique. Le travail décrit dans cette thèse est centré sur l’utilisation d’ensembles de centres NV pour répondre à des problématiques à la fois scientifiques et industrielles. Nous avons réalisé un microscope de photoluminescence permettant d’exploiter les propriétés d’une couche nanométrique de centres NV. Les images obtenues ont une résolution spatiale de 500 nm et les fluctuations du signal sont limitées par le bruit de photons. En soumettant les centres NV à un signal hyperfréquence connu, nous pouvons reconstituer la cartographie à l’échelle microscopique des trois composantes d’espace d’un champ magnétique : par exemple, celui produit par un conducteur parcouru par un courant. La sensibilité associée à une surface d’intégration de 1 µm² de la couche de centres NV est de l’ordre du microtesla par racine de hertz. Notre dispositif d’imagerie permet également d’analyser le spectre d’un signal hyperfréquence. En soumettant les centres NV à un gradient de champ magnétique connu, l’information spectrale est transformée en information spatiale. Des résultats préliminaires montrent l’analyse simultanée d’une bande de fréquences de 700 MHz associée à une résolution de 7 MHz et à un taux de rafraîchissement de 4 ms. Ces travaux illustrent les perspectives prometteuses du centre NV du diamant, notamment pour le contrôle de circuits électroniques et l’analyse en temps réel de spectres hyperfréquences pris dans leur ensemble.

The nitrogen-vacancy color center of diamond, called NV center, is an atom like system trapped in a solid lattice. Its spin properties, kept at room temperature, allow the detection of magnetic resonances by purely optical means. The work described in this thesis is focused on the use of NV centers’ ensembles targeting both scientific and industrial issues. We realized a photoluminescence microscope that exploits the properties of a nanoscale layer of NV centers. The spatial resolution of the resulting image is around 500 nm and the fluctuations of the signal is limited by the shot-noise. When the NV centers are submitted to a microwave signal witch frequency is known, the cartography of the three spatial components of the magnetic field, the one produced by a conductor carrying a current for example, can be determined at the microscopic scale. The sensitivity associated to an integration surface on the NV center layer of 1 µm² is in the order of the microtesla per square root of hertz. Our imaging device also leads to the spectral analysis of a microwave signal. When the NV centers are submitted to a known magnetic field gradient, the spectral information is transformed into spatial information. Preliminary results show the simultaneous analysis of a 700 MHz frequency band associated to a resolution of 7 MHz and a refresh rate of 4 ms. These works illustrate promising perspectives for the NV center of diamond, especially for the control of electronic circuits and the real time analysis of a whole microwave spectrum.