Thèse soutenue

Spectroscopie de résonance de spin électronique des ions de terres rares dans la Scheelite détectée par fluorescence micro-ondes, à une température de l’ordre du millikelvin
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Auteur / Autrice : Eric Billaud
Direction : Patrice BertetDenis VionEmmanuel Flurin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 31/01/2023
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
Examinateurs / Examinatrices : Dieter Suter, Mikael Afzelius, Jean-Damien Pillet, Hélène Bouchiat, Diana Serrano Garcia
Rapporteurs / Rapporteuses : Dieter Suter, Mikael Afzelius

Résumé

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La spectroscopie de Résonance de Spin Electronique (ESR) est une méthode de caractérisation applicable à une grande variété de systèmes de spin. Cette méthode, généralement basée sur la Détection Inductive (ID) de l'écho de spin, a une faible sensibilité, limitant la détection aux grands ensembles de spin. Améliorer la sensibilité de cette technique de caractérisation tout en gardant la généralité de son application est souhaitable pour caractériser les propriétés de petits ensembles de spin.Cette thèse explore une nouvelle méthode de détection ESR - la Détection par Fluorescence (FD) - récemment développée dans le groupe Quantronique. Nous l'appliquons à la spectroscopie des ions de terres rares dans la Scheelite en utilisant un dispositif de Détection de Photon à Micro-onde Unique, opérant à la température de quelque millikelvin. Notre expérience utilise un résonateur supraconducteur couplé magnétiquement à l'ensemble de spin résonnant afin de manipuler et de détecter le signal de spin. Nous présentons des spectres FD-ESR à grande échelle montrant des signaux d'une grande variété d'espèces de spin, ce qui prouve la généralité de cette méthode de détection. Comme la FD donne un accès immédiat à la fluorescence de spin, elle nécessite une meilleure compréhension de la courbe de relaxation de spin. En nous concentrant sur les ions Erbium, nous modélisons la dynamique d'ensemble des spins comme la somme des contributions des spins individuels et nous effectuons des simulations qui reproduisent quantitativement le signal de fluorescence sur trois ordres de grandeur de la force de l'impulsion d'excitation. La comparaison de l'ID et de la FD dans des conditions similaires d'excitation de spin confirme un gain de sensibilité avec la FD pour la détection de spin, atteignant un facteur 15 à la plus faible force d'excitation employée. Cette plus grande sensibilité nous permet de mesurer les décalages de fréquence causés par une contrainte mécanique sur un petit sous-ensemble de spin, et d'étudier sa dépendance avec l'angle du champ magnétique statique. Grâce à l'homogénéité du couplage du sous-ensemble de spin, nous observons des oscillations cohérentes de spin. Bien que la FD soit sensible aux photons incohérents, nous utilisons une séquence de trois impulsions pour réaliser la FD des échos de Hahn. Nous caractérisons le temps de cohérence des spins en utilisant la FD, et proposons une méthode pour contourner la limitation du temps de cohérence des spins due au bruit du champ magnétique. Enfin, nous montrons qu'il y a également un gain de sensibilité avec la FD par rapport à la ID pour la détection des échos.