Que ce soit dans les domaines miniers, de la détection de défauts en microélectronique ou même dans celui de l’imagerie par résonance magnétique, la cartographie magnétique est omniprésente. Il est possible d’incorporer des magnétomètres, ces appareils qui mesurent le champ magnétique, sur des drones pour améliorer la vitesse et la portée des cartographies. Par leur petite taille, leur grande sensibilité et leur fonctionnement à température ambiante, les centres azote-lacune dans le diamant sont les candidats idéaux pour ce genre de magnétométrie. Cette nouvelle technologie quantique peut aussi remplacer les systèmes actuels qui sont lourds, énergivores ou cryogéniques. Le développement d’un prototype utilisant ces centres azote-lacune comporte beaucoup de défis d’ingénierie, notamment en ce qui a trait à sa sensibilité. En effet, pour contrôler son état quantique, le système possède plusieurs sous-modules : un laser pulsé, un générateur de micro-ondes et un module de photodétection, chacun ajoutant une certaine proportion de bruit dans la mesure finale. Pour éventuellement atteindre une sensibilité de 10 pT/√Hz, chaque module doit être optimisé avec de l’électronique de pointe. Toutefois, cela ne représente qu’une partie de la solution. La grande majorité des travaux sur les centres azote-lacune se basent sur la détection de la photoluminescence rouge. Or, un faible signal infrarouge est également émis de façon simultanée. Ce projet de recherche démontre les impacts d’une nouvelle méthode de mesure simultanée et différentielle combinant à la fois les photoluminescences rouge et infrarouge des centres azote-lacune sur la réduction de bruit. Avec le prototype actuel, une analyse approfondie des sources de bruit a démontré que la puissance laser et les vibrations de composants optiques constituent les principales sources de bruit. La mesure combinée rouge/infrarouge améliore alors grandement les performances en permettant d’éliminer le bruit en mode commun. En effet, bien que le signal infrarouge soit plus difficile à mesurer, cette nouvelle méthode permet de réduire le bruit jusqu’à deux ordres de grandeur. Couplé à un algorithme simple qui traite les données pour optimiser le rapport signal sur bruit, la sensibilité en champ magnétique du prototype a été améliorée d’un facteur 10.
Que ce soit dans les domaines miniers, de la détection de défauts en microélectronique ou même dans celui de l’imagerie par résonance magnétique, la cartographie magnétique est omniprésente. Il est possible d’incorporer des magnétomètres, ces appareils qui mesurent le champ magnétique, sur des drones pour améliorer la vitesse et la portée des cartographies. Par leur petite taille, leur grande sensibilité et leur fonctionnement à température ambiante, les centres azote-lacune dans le diamant sont les candidats idéaux pour ce genre de magnétométrie. Cette nouvelle technologie quantique peut aussi remplacer les systèmes actuels qui sont lourds, énergivores ou cryogéniques. Le développement d’un prototype utilisant ces centres azote-lacune comporte beaucoup de défis d’ingénierie, notamment en ce qui a trait à sa sensibilité. En effet, pour contrôler son état quantique, le système possède plusieurs sous-modules : un laser pulsé, un générateur de micro-ondes et un module de photodétection, chacun ajoutant une certaine proportion de bruit dans la mesure finale. Pour éventuellement atteindre une sensibilité de 10 pT/√Hz, chaque module doit être optimisé avec de l’électronique de pointe. Toutefois, cela ne représente qu’une partie de la solution. La grande majorité des travaux sur les centres azote-lacune se basent sur la détection de la photoluminescence rouge. Or, un faible signal infrarouge est également émis de façon simultanée. Ce projet de recherche démontre les impacts d’une nouvelle méthode de mesure simultanée et différentielle combinant à la fois les photoluminescences rouge et infrarouge des centres azote-lacune sur la réduction de bruit. Avec le prototype actuel, une analyse approfondie des sources de bruit a démontré que la puissance laser et les vibrations de composants optiques constituent les principales sources de bruit. La mesure combinée rouge/infrarouge améliore alors grandement les performances en permettant d’éliminer le bruit en mode commun. En effet, bien que le signal infrarouge soit plus difficile à mesurer, cette nouvelle méthode permet de réduire le bruit jusqu’à deux ordres de grandeur. Couplé à un algorithme simple qui traite les données pour optimiser le rapport signal sur bruit, la sensibilité en champ magnétique du prototype a été améliorée d’un facteur 10.
Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.
Le centre coloré NV, constitué d’un atome d’azote et d’une lacune, est un défaut ponctuel du diamant qui se comporte comme un atome artificiel piégé dans cette matrice. Grâce aux propriétés de son spin électronique, qui peut être lu et manipulé comme un système quantique élémentaire, le centre NV as de nombreuses applications comme qubit pour l’information quantique ou comme sonde de champ magnétique. Cependant, ces applications nécessitent de contrôler les propriétés des centres NV ainsi que leur position dans le cristal. Cette thèse examine des méthodes pour atteindre ces objectifs en combinant des techniques d’implantation d’atomes et de croissance assistée par plasma (CVD) de diamant.Le mémoire est divisé en six chapitres. Le premier chapitre résume les propriétés des centres NV, ce qui permet de définir les objectifs principaux dans la fabrication des centres NV. Le chapitre deux montre qu’il est possible de créer un réseau de centres NV par implantation au moyen d’une colonne d’ions focalisés. Cette technique est adaptée à la création de centres NV dans des nanostructures comme des cristaux photoniques ou des pointes de type AFM. Cependant la faible énergie cinétique des ions, nécessaire pour atteindre une résolution meilleure que 10 nm en diamètre de spot, conduit à une implantation proche de la surface ce qui affecte fortement les propriétés des centres NV. Le troisième chapitre examine comment la recroissance d’une couche de diamant sur des centres NV implantés permet de réduire l’impact négatif de la surface. Les quatrième et cinquième chapitres décrivent des méthodes pour la fabrication des centres NV en contrôlant les paramètres de la croissance CVD. Des couches minces fortement dopées avec les centres NV peuvent être créées, et un contrôle quasi parfait de l’orientation de l’axe du centre NV peut être obtenu. Dans l’objectif d’optimiser les propriétés du temps de cohérence du spin, le sixième chapitre étudie comment le spin électronique du centre NV peut être protégé contre les effets de décohérence induits par les spins non-polarisés dans la matrice du diamant.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
Ingénierie de centres colorés NV du diamant pour l’information quantique et magnétométrie Le centre coloré NV, constitué d’un atome d’azote et d’une lacune, est un défaut ponctuel du diamant qui se comporte comme un atome artificiel piégé dans cette matrice. Grâce aux propriétés de son spin électronique, qui peut être lu et manipulé comme un système quantique élémentaire, le centre NV as de nombreuses applications comme qubit pour l’information quantique ou comme sonde de champ magnétique. Cependant, ces applications nécessitent de contrôler les propriétés des centres NV ainsi que leur position dans le cristal. Cette thèse examine des méthodes pour atteindre ces objectifs en combinant des techniques d’implantation d’atomes et de croissance assistée par plasma (CVD) de diamant.Le mémoire est divisé en six chapitres. Le premier chapitre résume les propriétés des centres NV, ce qui permet de définir les objectifs principaux dans la fabrication des centres NV. Le chapitre deux montre qu’il est possible de créer un réseau de centres NV par implantation au moyen d’une colonne d’ions focalisés. Cette technique est adaptée à la création de centres NV dans des nanostructures comme des cristaux photoniques ou des pointes de type AFM. Cependant la faible énergie cinétique des ions, nécessaire pour atteindre une résolution meilleure que 10 nm en diamètre de spot, conduit à une implantation proche de la surface ce qui affecte fortement les propriétés des centres NV. Le troisième chapitre examine comment la recroissance d’une couche de diamant sur des centres NV implantés permet de réduire l’impact négatif de la surface. Les quatrième et cinquième chapitres décrivent des méthodes pour la fabrication des centres NV en contrôlant les paramètres de la croissance CVD. Des couches minces fortement dopées avec les centres NV peuvent être créées, et un contrôle quasi parfait de l’orientation de l’axe du centre NV peut être obtenu. Dans l’objectif d’optimiser les propriétés du temps de cohérence du spin, le sixième chapitre étudie comment le spin électronique du centre NV peut être protégé contre les effets de décohérence induits par les spins non-polarisés dans la matrice du diamant.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.