Etude et réalisation de capteurs à base de centres NV du diamant exploitant la détection photo-électrique de la résonance magnétique

Study and realization of sensors based on NV centers in diamond exploiting the photo-electric detection of the magnetic resonance

• Auteur / Autrice : Xuan Phuc Le
• Direction : Thierry Debuisschert, Jean-François Roch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 24/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Détection photoélectrique de la résonance magnétique

Centres NV du diamant

Capteurs

NV centers in diamond

Photo-electric detection of magnetic resonance

Sensors

Résumé

De par leurs performances et leur fonctionnement à température ambiante, les centres NV du diamant sont particulièrement attractifs pour les applications. Ce sont des centres colorés constitués d'un atome d'azote substitué à un atome de carbone dans la maille du diamant et combiné à une lacune adjacente. L'ensemble se comporte comme un atome à l'état solide avec une structure de niveaux bien définie. Le spin électronique du centre NV peut être contrôlé et manipulé de manière cohérente en combinant des champs optique et micro-onde. Il est alors possible de détecter optiquement le signal de résonance magnétique des centres NV en observant la variation de la fluorescence qu'ils émettent (Optical Detection of Magnetic Resonance, ODMR). Une nouvelle technique de mesure de la résonance magnétique par détection d'un signal photoélectrique (Photo-electrical Detection of Magnetic Resonance, PDMR) a été proposée récemment. Le signal est un courant qui est détecté au moyen d'électrodes de lecture déposées directement sur le cristal de diamant. La suppression de la partie imagerie optique entraine un gain de compacité notable. De plus, certains travaux récents ont montré que les performances à la fois en terme de contraste des raies de résonance et de sensibilité magnétique peuvent être améliorées par le PDMR. L'utilisation du PDMR est donc une piste prometteuse pour la réalisation de capteurs plus performants. Il est nécessaire pour cela d'étudier en détail les effets physiques associés et leurs spécificités de mise en œuvre dont la compréhension est encore à un stade préliminaire. L'objectif global de la thèse sera d'étudier et de modéliser la détection PDMR des centres NV puis de réaliser ses capteurs de champ magnétique ou de champ radiofréquence avec cette nouvelle technique.

Because of their performance and operation at room temperature, NV centers in diamond are particularly attractive for applications. They are colored centers consisting of a nitrogen atom substituted to a carbon atom in the diamond lattice and combined with an adjacent vacancy. The ensemble behaves like a solid state atom with a well defined level structure. The electron spin of the NV center can be controlled and manipulated coherently by combining optical and microwave fields. It is then possible to optically detect the magnetic resonance signal of NV centers by observing the variation of the fluorescence they emit (Optical Detection of Magnetic Resonance, ODMR). A new technique to measure the magnetic resonance by detection of a photoelectric signal (Photo-electrical Detection of Magnetic Resonance, PDMR) has been proposed recently. The signal is a current that is detected by means of electrodes deposited directly on the diamond crystal. The suppression of the optical imaging part leads to a notable gain in compactness. Moreover, some recent works have shown that the performances in terms of contrast of resonance lines and magnetic sensitivity can be improved by the PDMR. The use of PDMR is therefore a promising avenue for the realization of more efficient sensors. It is necessary to study in detail the associated physical effects and their specificities of implementation which are still at a preliminary stage of understanding. The overall objective of the thesis will be to study and model the PDMR detection of NV centers and then to realize magnetic field or radio frequency sensors with this new technique.