Développement de la spectroscopie par résonance de spin électronique pour les échantillons picolitre à l'aide de circuits supraconducteurs

Developing electron spin resonance spectroscopy for pL samples using superconducting circuits

• Auteur / Autrice : Arne Bahr
• Direction : Benjamin Huard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : David Carpentier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Huard, David Carpentier, Sylvain Bertaina, Sebastian de Graaf, Sophie Guéron, Audrey Bienfait
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bertaina, Sebastian de Graaf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spin

Mots clés libres

Résonance paramagnétique électronique

Dispositifs quantiques hybrides

Spin

Circuit quantique

Resonateur supraconducteur

Electron paramagnetic resonance

Hybrid quantum systems

Spin

Quantum circuits

Superconducting resonator

Résumé

La résonance de spin électronique (RSE) est une méthode de spectroscopie qui permet d'identifier et de caractériser les espèces paramagnétiques. Elle repose généralement sur la détection du rayonnement micro-onde absorbé ou émis par des spins inséré dans un résonateur micro-ondes accordé à leur fréquence de précession de Larmor. En raison du faible couplage entre le spin et le champ micro-onde, la spectroscopie RSE conventionnelle a une faible sensibilité. Des expériences récentes ont démontré que les circuits quantiques supraconducteurs ont le potentiel d'améliorer la sensibilité de la détection des spins jusqu'à la détection d'un seul spin, notamment en utilisant un résonateur à petit volume de mode et à facteur de qualité élevé. Cependant, ces démonstrations ont été réalisées dans des conditions très restrictives, en utilisant des systèmes de spin cristallins bien connus. Pour sonder des échantillons chimiques ou biologiques, les spectromètres à circuits quantiques doivent être adaptés pour être robustes aux pertes. Celles-ci ont typiquement deux origines : les pertes diélectriques introduites par les échantillons, le plus souvent aqueux, et les pertes provenant du champ magnétique statique nécessaire pour accorder les spins électroniques à la fréquence du résonateur. Ce doctorat s’est focalisé sur la mise en œuvre d'un résonateur qui atteindrait une sensibilité RSE proche de l’état de l’art tout en étant robuste aux pertes diélectriques et aux champs magnétiques intenses. En utilisant des films de NbTiN déposés sur du saphir, il est démontré que les résonateurs micro-ondes ont des facteurs de qualité supérieurs à Q=105 dans le champ magnétique, même lorsque des échantillons avec des pertes diélectriques supérieures à tan d > 0,05 sont introduits. Les pertes intrinsèques du résonateur s’avèrent néanmoins dépendre du champ magnétique, avec notamment des raies apparaissant à des champs magnétiques spécifiques démontrant un couplage à des systèmes de spins parasites. Au cours de la thèse, des techniques de nanofabrication atténuant la contribution de ces contaminants ont été mises au point, telles que la gravure par masque dur et le recuit post-fabrication, menant à l’élimination de toutes les raies sauf une. Enfin, le spectromètre a été testé sur une espèce de référence, le BDPA (α,γ-Bisdiphenylene-β-phenylallyl), un marqueur RSE fréquemment utilisé.

Electron spin resonance (ESR) is a powerful spectroscopy method which allows to identify and characterize paramagnetic species. It usually relies on detecting microwave radiation absorbed or emitted by the spins into a microwave resonator tuned to their Larmor precession frequency. Because of the weak spin-microwave coupling, conventional ESR spectroscopy has a low sensitivity. Recent experiments have demonstrated that superconducting quantum circuits have the potential to enhance the spin detection sensitivity to single spin detection; by namely using high quality factor small mode volume resonator. However, these demonstrations have been realized in very restrictive conditions, using well-known spin systems. To probe samples coming from chemistry or biology, quantum-circuit enabled spectrometers have to be adapted to be robust to losses. They have typically two origins: the dielectric losses introduced by the samples, mostly aqueous, and losses coming from the strong magnetic field required to tune the electronic spins to the resonator frequency. This PhD work centered on implementing a resonator that would achieve the same ESR sensitivity while being robust to dielectric losses and strong magnetic fields. Using NbTiN films deposited on sapphire, microwave resonators were shown to have quality factors above Q=105 in magnetic field, even when samples with dielectric losses above tan d > 0.05 were introduced. A study of the resonator intrinsic losses showed marked drops at multiple specific magnetic fields: a signature of coupling to spurious systems. Over the course of the PhD, mitigation nanofabrication techniques for these contaminants were developed, such as hard mask etching and annealing, to remove all but one of this contaminants. Finally, test of the spectrometer on a benchmark species (BDPA, α,γ-Bisdiphenylene-β-phenylallyl, a known ESR marker) were realized.