Matériaux hybrides diamant-terres rares.

Diamond-rare earths hybrid materials.

• Auteur / Autrice : María Arranz martínez
• Direction : Philippe Goldner
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux pour la Photonique et l'Opto-Électronique (MPOE)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)

Mots clés

Mots clés libres

Diamant

Technologies quantiques

Terres rares

Matériaux hybrides

Diamond

Quantum technologies

Rare Earth Ions

Hybrid Materials

Résumé

Les technologies quantiques visent à développer de nouvelles fonctionnalités impossibles à obtenir dans les systèmes classiques, pour les communications, le traitement des données ou les capteurs. Ce domaine, actuellement en plein essor, est identifié comme stratégique aux niveaux européen et national. Cependant, les matériaux envisagés pour ces nouvelles technologies doivent présenter des propriétés exceptionnelles, permettant notamment de créer des états quantiques à longue durée de vie, ce qui représente un défi de taille. En outre, la capacité de combiner, ou d'interagir avec plusieurs systèmes quantiques est également recherchée. En particulier, la lumière est un excellent vecteur de l'information quantique, tandis que les spins sont des systèmes de choix pour la préserver. Parmi les matériaux capables d'interagir avec la lumière, les centres colorés dans le diamant et les cristaux dopés par des ions de terres rares (TR) sont particulièrement prometteurs. Ils font l'objet d'études intensives et ont permis des avancées significatives en magnétométrie, en mémoire quantique ou en informatique quantique. Bien que de nombreux efforts soient axés sur l'optimisation séparée de ces matériaux, ce projet vise à explorer de nouvelles caractéristiques dans ces domaines grâce à des structures hybrides diamant/terres rares. En effet, ces deux composants sont particulièrement efficaces dans des champs distincts : le centre azote-lacune (NV-) dans le diamant présente un spin électronique dont les états quantiques ont de longues durées de vie, même à température ambiante ; Les ions TR présentent des transitions optiques qui peuvent constituer des interfaces quantiques avec la lumière dans une large gamme spectrale allant de l'infrarouge à l'UV. Une structure hybride pourrait combiner ces propriétés remarquables au niveau quantique, ce qu'aucun système ne présente simultanément à ce jour. Ce projet de doctorat vise à atteindre cet objectif dans le cadre du projet ERC Advanced Grant RareDiamond. Il se déroulera au sein du groupe Cristaux et Dynamique des Etats Quantiques de l'IRCP, internationalement reconnu pour le développement de cristaux dopés par des ions de terres rares pour des applications dans les technologies quantiques et en collaboration avec le laboratoire LSPM, spécialisé dans la synthèse de diamant pour ces mêmes applications. Le projet comportera trois volets principaux : 1. Synthèse de matériaux hybrides nanostructurés diamant terres rares et caractérisation structurale. 2. Optimisation des structures hybrides vis à vis des propriétés spectroscopiques optiques et de spin pour les centres NV- et TR. 3. Évaluation du potentiel des structures hybrides dans le domaine des capteurs quantiques et des interfaces lumière-matière.

Quantum technologies aim to develop new features that are impossible to obtain in conventional systems, for communications, data processing or sensors. This area, currently in full swing, is identified as strategic at European and national levels. However, the materials foreseen for these new technologies must show exceptional properties, in particular the ability to create long-lived quantum states, which represents a significant challenge. In addition, the ability to combine, or interact with, several quantum systems is also sought. In particular, light is an excellent carrier of quantum information, while spins are systems of choice to preserve it. Among materials capable of interacting with light, color centers in diamond and crystals doped by rare earth (RE) ions are particularly promising. They are intensively studied and have enabled significant advances in magnetometry, quantum memory or quantum computing. While many efforts are focused on the separate optimization of these materials, this project aims to explore new features in these areas through hybrid diamond/rare earth structures. Indeed, these two components are particularly effective in distinct fields: the nitrogen-vacancy center (NV-) in diamond has an electronic spin whose quantum states have long lifetimes, even at room temperature; RE ions present optical transitions that can constitute quantum interfaces with light in a wide spectral field from infrared to UV. A hybrid structure could combine these remarkable properties at the quantum level, which no system presents simultaneously to date. This PhD project aims to achieve this goal within the framework of the ERC Advanced Grant RareDiamond. It will be carried out in the Crystals and Quantum State Dynamics group of the IRCP, which is internationally recognized for the development of RE ion doped crystals for quantum technologies, and in collaboration with the LSPM laboratory, specialized in diamond growth for these applications. The project will be divided in three main parts: 1. Synthesis of nanostructured diamond/rare earth hybrid materials and structural characterisation. 2. Detailed assessment of optical and spin spectroscopic properties for NV- and RE centers and optimization of hybrid structures. 3. Evaluation of the potential of hybrid structures as quantum sensors and light-matter interfaces.