Saclay IRAMIS/SPEC/GQ Résonance electronique de spins

Institut Rayonnement MatIère de Saclay / IRAMIS - Saclay
Résonance electronique de spins individuels dans les solides
Spécialité Physique de la matière condensée
Candidature avant le 30-06-2016
Niveau d'étude Bac+5
Durée 6 mois
Formation Master 2
Poursuite possible en thèse oui
Unité d'accueil IRAMIS/SPEC/GQ
Contact BERTET Patrice
+33 1 69 08 55 29
[email protected]
Résumé
Le but de ce stage est de détecter des spins électroniques individuels dans des solides par des méthodes microondes.
Sujet détaillé
La détection et caractérisation de centres paramagnétiques par spectroscopie de résonance de spin électronique
(ESR) a de nombreuses applications en chimie, biologie, et science des matériaux. La plupart des spectromètres ESR
sont basés sur la détection inductive des petits signaux micro-ondes émis par les spins durant leur précession de
Larmor vers un résonateur micro-onde auquel ils sont couplés. Les meilleurs spectromètres aujourd'hui sont capables
de détecter typiquement la présence de 10^7 spins en une seule séquence expérimentale.
Depuis quelques années, dans le cadre d'un projet ERC, nous sommes engagés dans un projet de recherche qui vise
à améliorer considérablement la sensibilité de la spectroscopie ESR, en utilisant des micro-résonateurs
supraconducteurs de très haut facteur de qualité ainsi que des amplificateurs micro-ondes ultra-bas bruit basés sur
des jonctions Josephson, appelés amplificateurs paramétriques Josephson ou JPA, le tout étant refroidi à 10mK dans
un réfrigérateur à dilution. Un brevet a été déposé sur cette idée.
En 2014-2015, en utilisant des donneurs de bismuth dans du silicium couplés à un micro-résonateur en aluminium, et
un JPA pour amplifier le signal, nous avons démontré la détection de 1700 spins avec rapport signal-à-bruit égal à 1,
ce qui constitue un gain de 10^4 en sensibilité par rapport à l'état de l'art [1,2].
Le but de ce stage est d'aller plus loin que ces expériences initiales, et d'atteindre la sensibilité ultime pour détecter
des spins individuels. Les 3 ordres de grandeur à gagner en sensibilité seront obtenus en réduisant encore plus loin
les dimensions transverses du résonateur, en introduisant une courte constriction de longueur 200nm et de largeur
~20nm pour une épaisseur de 15nm. Cela augmentera le couplage entre le spin et le résonateur par 2 ordres de
grandeur, et devrait nous permettre d'effectuer la première détection de spins individuels en utilisant uniquement des
signaux micro-ondes. Les spins à détecter seront de 2 types : les centres NV dans le diamant, et les donneurs de
bismuth dans le silicium.
Ce stage expérimental couvrira : la détection optique ainsi que la caractérisation de centres NV individuels dans le
diamant en utilisant un microscope confocal, la fabrication par des techniques de salle blanche du micro-résonateur
avec la constriction nanométrique, et la mesure à des températures de 10mK en utilisant un réfrigérateur à dilution
déjà prêt avec l'équipement micro-onde nécessaire. En plus de l'encadrant, l'étudiant travaillera avec une étudiante en
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thèse de 3eme année et un postdoc.
[1] A. Bienfait et al., arxiv:1507.06831, accepted in Nature Nanotechnology (2015)
[2] A. Bienfait et al., arxiv:1508.06148, submitted to Nature (2015)
Mots clés
Résonance magnétique, supraconductivité, physique quantique
Compétences
Micro- et nanofabrication (salle blanche) microscopie confocale cryogénie à dilution mesures micro-ondes ultra-basbruit
Logiciels
Labview Matlab Matematica
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Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Electron spin resonance of individual spins in solids
Summary
The goal of the intership is the detection of individual electronic spins in solids by microwave methods
Full description
The detection and characterization of paramagnetic species by electron-spin resonance (ESR) spectroscopy has
numerous applications in chemistry, biology, and materials science. Most ESR spectrometers rely on the inductive
detection of the small microwave signals emitted by the spins during their Larmor precession into a microwave
resonator in which they are embedded. The best spectrometers so far are able to detect typically the presence of 10^7
spins in a single experimental sequence.
Since a few years, within the framework of an ERC project, we are engaged in a research program that aims at
improving enormously the sensitivity of ESR spectroscopy, using superconducting micro-resonators of very high
quality factors and ultra-low-noise microwave amplifiers based on Josephson junctions (called Josephson Parametric
Amplifiers or JPA), cooled at 10mK in a dilution refrigerator. A patent has been deposited on this idea.
In 2014-2015, using bismuth donors in silicon coupled to an aluminum micro-resonator, with a JPA to amplify the
signal, we have already demonstrated the detection of 1700 spins with unity signal-to-noise ratio, which constitutes a
gain of 10^4 in sensitivity compared to the state-of-the-art [1,2].
The goal of the internship is to go further than these first experiments, and to reach the sensitivity to detect individual
spins. The extra 3 orders of magnitude sensitivity gain that we need to gain will be obtained by scaling down even
further the resonator transverse dimensions, by introducing a narrow short constriction of length 200 nm and width
~20nm for a 15nm height in the resonator. This will enhance the spin-resonator coupling by 2 orders of magnitude, and
should enable the first detection of individual spins with microwave signals. The spins to detect are of 2 kinds : NV
centers in diamond, or Bismuth donors in silicon.
This experimental internship will cover : optical detection and characterization of individual NV centers in diamond
using a confocal microscope, fabrication by cleanroom techniques of the micro-resonator with nanometric constriction,
and measurement at millikelvin temperatures using a dilution refrigerator fully equipped with microwave equipment. In
addition of the supervisor, the student will work with a 3rd year PhD student and a postdoc.
[1] A. Bienfait et al., arxiv:1507.06831, accepted in Nature Nanotechnology (2015)
[2] A. Bienfait et al., arxiv:1508.06148, submitted to Nature (2015)
Keywords
Magnetic resonance, superconductivity, quantum physics
Skills
Micro- and nanofabrication (cleanroom) confocal microscopy dilution cryogenics ultra-low-noise microwave
measurements
Softwares
Labview Matlab Matematica
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