Quantum sensing en régime micro-onde avec des centres colorés du diamant – MICROSENS

Nous construisons deux prototypes différents de capteurs hyperfréquences basés sur les propriétés de spin NV : un détecteur à photons hyperfréquences unique et un analyseur de spectre quantique à large bande. Les aspects théoriques sont également abordés conjointement dans la proposition MICROSENS puisque la compréhension des limites ultimes du bruit pour la détection de spin à haute fréquence est l'un des principaux objectifs de la proposition MICROSENS.

Pour atteindre ces objectifs, nous avons construit une cavité QED à température ambiante comprenant une cavité à micro-ondes et un diamant densément dopé avec des centres NV. Le contrôle quantique pulsé a été implémenté dans cette configuration. Il s'agit d'une étape importante sur la voie de la détection de photons micro-ondes avec une telle configuration.
La gamme spectrale de l'analyseur de spectre a été étendue pour couvrir une grande partie de la gamme de fréquences du radar. La sensibilité a été améliorée à basse fréquence. L'obtention d'une sensibilité élevée à des fréquences plus élevées nécessiterait l'optimisation de l'antenne. La résolution spectrale a été améliorée en supprimant la structure hyperfine naturelle des résonances du centre NV par pompage optique.
La sensibilité des mesures a été améliorée par des techniques de découplage dynamique et de double résonance. Ces techniques sont compatibles avec une haute densité de NV et permettent d'atteindre une sensibilité sans précédent pour la magnétométrie d'ensemble.
Des cristaux de diamant ont été produits le long de la direction 113 ou 111 pour favoriser l'une des quatre directions NV possibles et ainsi améliorer le couplage avec le champ micro-ondes. Une orientation presque parfaite a été observée avec des cristaux de diamant produits le long de l'axe 111. En utilisant un diamant enrichi en isotope 12C, nous avons observé une augmentation du temps de cohérence des centres NV. La structure hyperfine est donc clairement visible. Pour augmenter la force du couplage, des cristaux de diamant à très haute densité de centres NV (diamant rouge) ont été produits et seront évalués par le consortium. La création de fils conducteurs dans le diamant est en cours de développement.

Au cours de la première partie des projets, nous avons développé les premiers éléments du détecteur hyperfréquence à photon unique et de l'analyseur de spectre hyperfréquence. Dans la partie suivante, nous continuerons à améliorer les performances de ces dispositifs afin d'obtenir un impact significatif dans tous les domaines des technologies quantiques.

articles de revue

1. Optimizing synthetic diamond samples for quantum sensing technologies by tuning the growth temperature; S. Chouaieb, L.J. Martínez, W. Akhtar, I. Robert-Philip, A. Dréau, O. Brinza, J. Achard, A. Tallaire, V. Jacques, Diam. Relat. Mat., 96, pp 85-89 (2019), www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963519301700

2. Osterkamp et.al., Engineering preferentially-aligned nitrogen-vacancy centre ensembles in CVD grown diamond. Scientific Reports 2019, 9, 5786.

3. Zhou et.al., Quantum Metrology with Strongly Interacting Spin Systems. arXiv e-prints 2019, arXiv:1907.10066

4. A. Tallaire, O. Brinza, M. De Feudis, A. Ferrier, N. Touati, L. Binet, L. Nicolas, T. Delord, G. Hétet, T. Herzig, S. Pezzagna, P. Goldner, J. Achard, Synthesis of Loose Nanodiamonds Containing Nitrogen-Vacancy Centers for Magnetic and Thermal

Conférences (partenaires français)

1. J. Achard et al, Engineering doped single crystal diamond films for electronic and quantum applications; Fall Meeting MRS 2018, Boston, USA, 26 - 30 November 2018 (Invited)

2. J. Achard et al, Towards optimized (113) doped diamond films with NV colour centres for quantum sensing, ICDCM 2019, Seville, Spain, 8-12 September 2019

3. J. Achard et al, Engineering Doped Single Crystal Diamond Films For Quantum Applications, Quantum 2019, Torini, Italy, 26 May-1 June 2019 (Invited)

4. M. De Feudis et al, NV, SiV and GeV centers incorporated into CVD nanodiamonds : study of the growth process and the optical properties, Quantum 2019, Torino 26 May-1 June (2019)

5. L. Mayer et al., European Material Research Society Fall Meeting, Varsovie septembre 2018

6. T. Debuisschert et al., Heraeus Seminar, Bad Honnef, 25-27 mars 2019