Ref HAL: hal-04258263_v1
DOI: 10.1140/epjd/s10053-022-00528-x
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Résumé:

We employ the electronic spin of a single nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond to detect and control the quantum state of remote nuclear spins coupled by hyperfine interaction. More precisely, our work focuses on individual 13C nuclei featuring a moderate hyperfine coupling strength (∼ 1 MHz) with the NV’s electron spin. Two different methods providing an efficient room-temperature polarization of these peculiar 13C nuclear spins are described. The first one is based on a polarization transfer from the NV electron spin to the 13C nucleus, which is mediated by the anisotropic component of the hyperfine interaction. The second one relies on coherent population trapping (CPT) within a Λ-type energy-level configuration in the microwave domain, which enables to initialize the 13C nuclear spin in any quantum state superposition on the Bloch sphere. This CPT protocol is performed in an unusual regime for which relaxation from the excited level of the Λ-scheme is externally triggered by optical pumping and separated in time from coherent microwave excitations. For these two polarization techniques, we investigate the impact of optical illumination on the nuclear spin polarization efficiency. This work adds new methods to the quantum toolbox used for coherent control of individual nuclear spins in diamond, which might find applications in quantum metrology.

Ref HAL: tel-04095502_v1
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Résumé:

La deuxième révolution quantique, née dans les années 1980, vise à exploiter les propriétés de la mécanique quantique pour concevoir et construire des dispositifs innovants.Les défauts ponctuels optiquement actifs dans les semiconducteurs font partie des systèmes quantiques étudiés et ont la particularité de se comporter comme des atomes artificiels à l'état solide.Cela implique que, isolés à l'échelle individuelle, ils présentent une émission de photons uniques qui peut être utilisée pour les communications quantiques.De plus, certains défauts présentent un état de spin électronique ou nucléaire détectable et contrôlable qui peut être utilisé comme mémoire ou capteur quantique.Le silicium est le principal semiconducteur de l'industrie électronique et la plateforme idéale pour la nanofabrication à grande échelle de circuits quantiques.Cependant, les défauts luminescents de ce semiconducteur à faible bande interdite ont été peu étudiés pour les applications quantiques, avec le premier isolement d'un défaut optiquement actif n'ayant été rapporté que récemment.L'étude de ces défauts s'est d'abord concentrée sur le centre G, un défaut à base de carbone, qui présente une émission de photoluminescence aux longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications par fibre optique, et possède un état de spin non nul qui peut être exploité pour les technologies quantiques.Dans ce contexte, des échantillons de silicium implantés en carbone ont été explorés, assurant non seulement la création et la détection de centres G uniques, mais révélant également de multiples défauts fluorescents individuels non identifiés émettant dans le proche infrarouge.Parallèlement à cette exploration, des échantillons de silicium implanté ont été analysés, permettant la première isolation du centre W, un défaut intrinsèque du silicium.Sur ces différents émetteurs, des études de spectroscopie optique couplées à l'analyse de l'émission de photons uniques ont révélé des propriétés non accessibles par des mesures d'ensemble.L'observation de défauts individuels intégrés dans des plaquettes de silicium sur isolant ouvre la possibilité d'explorer les technologies quantiques basées sur les défauts dans le silicium, telles que la photonique quantique intégrée et les communications quantiques.Une prochaine étape consisterait à démontrer le contrôle des états de spin, ce qui pourrait conduire au développement d'une interface spin-photon efficace fonctionnant à la longueur d'onde des télécommunications.

Ref HAL: tel-04062607_v1
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Résumé:

La compréhension des phénomènes physiques et le développement technologique de composants et systèmes aux nano-échelles, requièrent des outils de mesure résolus à ces échelles. Un moyen est d’utiliser des capteurs de très faibles volumes. Parmi ceux-ci, les capteurs s’appuyant sur les spins électroniques individuels associés au centre azote-lacune (ou centre NV pour Nitrogen-Vacancy) dans le diamant, sont devenus une technique d’intérêt fort. Ces capteurs, de volume atomique, sont en effet extrêmement sensibles à plusieurs grandeurs physiques dans leur environnement. Ces grandeurs peuvent sondées en mesurant le spectre de résonance magnétique du spin électronique par des moyens optiques. Ces capteurs sont aujourd’hui employés pour cartographier des champs magnétiques statiques avec une sensibilité en deçà du µT/√Hz et une résolution spatiale de l'ordre de 50 nm en conditions ambiantes.Ce spin est aussi sensible à d’autres grandeurs physiques, notamment le bruit magnétique, la température et le champ électrique. Ce travail de thèse a porté sur l’extension des modalités d’imagerie des capteurs à centre NV, pour en faire un imageur polyvalent. La configuration d’imagerie est une configuration à balayage dans laquelle le centre NV est isolé au sein d’une pointe en diamant montée dans un microscope à force atomique. J'ai tout d’abord considéré une pointe hébergeant un ensemble de centres NV et optimisée pour la cartographie de la température dans le but de déterminer ses performances ultimes en termes de sensibilité et de résolution spatiale. J'ai ensuite étudié l'effet du champ électrique sur les propriétés de spin du centre NV, et présenté les conditions expérimentales requises pour réaliser une cartographie du champ électrique. Enfin, j'ai proposé un nouveau protocole tout-optique pour cartographier qualitativement le bruit magnétique, bruit qui affecte la dynamique de relaxation entre les niveaux de spin et par là-même le niveau de photoluminescence du centre NV. Ce protocole a été validé en imageant des parois de domaines dans un matériau antiferromagnétique synthétique.Ce microscope à balayage polyvalent pourra permettre l’étude, sur un dispositif unique, des propriétés magnétiques (champ et/ou bruit magnétique), électriques ou encore thermiques d'un matériau d'intérêt et par la même de sonder le couplage entre ces différents paramètres physiques.

Ref HAL: hal-03951311_v1
Ref Arxiv: 2207.10477
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.L061002
WoS: WOS:000905309300005
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

Optically active spin defects hosted in hexagonal boron nitride (h-BN) are promising candidates for the development of a two-dimensional (2D) quantum sensing unit. Here, we demonstrate quantitative magnetic imaging with h-BN flakes doped with negatively charged boron-vacancy (VB-) centers throughneutron irradiation. As a proof-of-concept, we image the magnetic field produced by CrTe2 , a van der Waals ferromagnet with a Curie temperature slightly above 300 K. Compared to other quantum sensors embedded in 3D materials, the advantages of the h-BN-based magnetic sensor described in this work areits ease of use, high flexibility, and, more importantly, its ability to be placed in close proximity to a target sample. Such a sensing unit will likely find numerous applications in 2D materials research by offering a simple way to probe the physics of van der Waals heterostructures.

Ref HAL: hal-03884890_v1
DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c02430
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Résumé:

Low-dimensional boron nitride (BN) chains were prepared in the one-dimensional pores of the siliceous zeolites theta-one (TON) and Mobil-twelve (MTW) by the infiltration, followed by the dehydrocoupling and pyrolysis of ammonia borane under high-pressure, high-temperature conditions. High-pressure X-ray diffraction in a diamond anvil cell and in a large-volume device was used to follow in situ these different steps in order to determine the optimal conditions for this process. Based on these results, millimeter-sized samples of BN/TON and BN/MTW were synthesized. Characteristic B–N stretching vibrations of low-dimensional BN were observed by infrared and Raman spectroscopies. The crystal structures were determined using a combination of X-ray diffraction and density functional theory with one and two one-dimensional zig-zag (BN)x chains per pore in BN/TON and BN/MTW, respectively. These 1-D BN chains potentially have interesting photoluminescence properties in the far ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.

Ref HAL: hal-03842086_v1
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.094009
WoS: WOS:000860686400005
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Résumé:

We report hyperspectral microscopy in sp2-bonded boron nitride polytypes with a simultaneous inspection of the photoluminescence signal in the UV-C and UV-B spectral ranges. By comparing two different polytypes extracted from the same polycrystalline sample, we reveal that the well-known “4 eV defect” does not emit at the same energy for polytypes in the AB and AA′ stackings. The zero-phonon line is either at 4.14 or 4.16 eV for the noncentrosymmetric AB stacking, instead of the usual 4.09 eV energy in the AA′ stacking. Our results open the way for different characterization methods of the stacking order in sp2-bonded boron nitride, and bring alternative inputs for the elucidation of the atomistic configuration of points defects by advanced ab initio calculations.

Ref HAL: hal-03837709_v1
Ref Arxiv: 2210.05485
Ref INSPIRE: 2164234
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

We report successful incorporation of an ensemble of G centers in silicon-on-insulator (SOI) microrings using ion implantation and conventional nanofabrication. The coupling between the emitters and the resonant modes of the microrings is studied using continuous-wave and time-resolved microphotoluminescence (PL) experiments. We observe the resonant modes of the microrings on PL spectra, on the wide spectral range that is covered by G centers emission. By finely tuning the size of the microrings, we match their zero-phonon line at 1278 nm with a resonant mode of quality factor around 3000 and volume 7.2 (lambda over n)^3. The zero-phonon line intensity is enhanced by a factor of 5, both in continuous-wave and time-resolved measurements. This is attributed to the Purcell enhancement of zero-phonon spontaneous emission into the resonant mode and quantitatively understood considering the distribution of the G centers dipoles. Despite the enhancement of the zero-phonon emission, we do not observe any sizeable decrease of the average lifetime of the G centers, which points at a low radiative yield (<10%). We reveal the detrimental impact of parasitic defects in heavily implanted silicon, and discuss the perspectives for quantum electrodynamics experiments with individual color centers in lightly implanted SOI rings. Our results provide key information for the development of deterministic single photon sources for integrated quantum photonics.