Mesure de la fluorescence de spin avec un compteur de photons à micro-ondes

Measuring spin fluorescence with a microwave photon detector

• Auteur / Autrice : Emanuele Albertinale
• Direction : Patrice Bertet, Emmanuel Flurin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• 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
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Flurin, Gunnar Jeschke, Yasunobu Nakamura, Yuimaru Kubo, Anaïs Dréau, Audrey Bienfait
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gunnar Jeschke, Yasunobu Nakamura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bits quantiques

Détecteurs de photons

Circuits pour microondes

Supraconducteurs

Résonance paramagnétique électronique

Spectroscopie de fluorescence

Spin

Mots clés libres

Fluorescence de spin

ESR

Transmon qubit

Micro-ondes

Compteur de photons

Spin fluorescence

ESR

Transmon qubit

Microwave

Photon counter

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 domaines: la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui vise à détecter les spins des noyaux, et la résonance de spin électronique (ESR) qui concerne la détection du spin des électrons non appariés. Dans cette thèse, nous introduisons une nouvelle méthode pour la spectroscopie ESR, consistant en la détection du signal de fluorescence micro-onde incohérent émis par un ensemble de spins relaxant vers leur état fondamental après avoir été excités. Afin de démontrer cette méthode, nous utilisons les spins électroniques appartenant aux donneurs de bismuth dans le silicium. L’émission du signal de fluorescence est favorisée par l’effet Purcell, dû au couplage de l’ensemble de spins à un résonateur supraconducteur ayant un petit volume de mode et de faibles pertes. Nous connectons le port de sortie du système spin-résonateur à l’entrée d’un détecteur de photons micro-ondes accordable en fréquence (SMPD) récemment développé, basé sur le mélange à quatre ondes avec un qubit supraconducteur. Après une impulsion d’excitation, les spins relaxent vers leur état fondamental en émettant un flux de photons incohérents qui constitue le signal de fluorescence et qui est détecté par le SMPD. Nous montrons que le signal de fluorescence peut être utilisé pour effectuer la spectroscopie de l’ensemble et mesurer ses propriétés. Nous comparons cette technique à la détection par écho et discutons l’avantage en sensibilité pour un petit nombre de spins.

Magnetic resonance is a branch of science that aims to detect spins via their absorption and emission of electromagnetic radiation. Two areas can be distinguished: nuclear magnetic resonance (NMR) which aims at detecting the spins of nuclei, and electron spin resonance (ESR) that concerns the detection of the spin of unpaired electrons. In this thesis, we introduce a new method for ESR spectroscopy, consisting of the detection of the incoherent microwave fluorescence signal emitted by an ensemble spins relaxing to their ground state after an excitation pulse. In order to demonstrate this method, we use the electronic spins belonging to bismuth donors in silicon. Emission of the fluorescence signal is favored by the Purcell effect, due to the coupling of the spin ensemble to a superconducting resonator with small mode volume and low losses. We connect the output port of the spin-resonator system to the input of a newly-developed frequency-tunable single microwave photon detector (SMPD), based on four-wave mixing with a superconducting qubit. After an excitation pulse, the spins relax to their ground state emitting a stream of incoherent photons which constitutes the fluorescence signal and is detected with the SMPD. We show that the fluorescence signal can be used to perform spectroscopy of the ensemble and measure relevant properties. We compare this technique to standard echo detection and discuss its increased sensitivity for small numbers of spins.