Compteur de photons micro-ondes haute performance et application à la résonance magnétique de spins individuels 

Manuscrit de la thèse

Résumé :

Depuis plusieurs décennies, la détection de photons uniques dans les longueurs d’ondes optiques est réalisée de manière routinière dans nombre d’expériences. En revanche, le même type de détection dans les micro-ondes est une invention récente. Le schéma de détection est basé sur un mélange à quatre ondes, convertissant le photon à détecter et un photon de pompe en un autre photon plus l’excitation d’un bit quantique supraconducteur. L’excitation du bit quantique permet d’enregistrer l’évènement de conversion de fréquence, et donc d’effectivement détecter un photon micro-onde par lecture de l’état du bit quantique.

L’objectif principal de cette thèse fut d’améliorer la sensibilité de ce détecteur en jouant sur deux paramètres : d’une part, l’amélioration de l’efficacité de détection, et d’autre part, la réduction des faux positifs d’origine thermique. L’efficacité de détection a été augmentée par diverses améliorations de la fabrication du détecteur ayant permis l’augmentation du temps de relaxation du bit quantique (autrement dit, de ralentir l’oubli de la détection). Quant à la réduction du bruit thermique, elle a été obtenue par filtrage par la bande passante du détecteur rendue réglable. Toutes ces améliorations ont permis d’atteindre une sensibilité de 3.10^-23 W/Hz^1/2. Cette sensibilité, trois fois meilleure que celle de la génération précédente, a été mise à profit dans des expériences de détection de spins dans des cristaux de tungstate de calcium. Dans ces expériences, les spins d’électrons d’ions erbium sous forme d’impuretés du cristal sont soumis à un champ magnétique provoquant une levée de dégénérescence Zeeman et sont couplés à un résonateur accélérant leur relaxation radiative dans les micro-ondes. Excités à l’aide d’impulsions micro-ondes qui leur sont envoyées par l’intermédiaire du même résonateur, les spins soumis à l’effet Zeeman y relaxent par émission de photons micro-ondes, à raison d’un photon pour chaque spin. La fréquence exacte de chacun de ces photons dépendant de l’environnement cristallin au voisinage direct des spins qui les ont émis, et le détecteur de photons micro-ondes étant en mesure de discriminer ces fréquences, ce montage permet effectivement la détection de spins électroniques individuels.

Par ailleurs, chacun de ces spins électroniques étant sensible aux variations de son environnement magnétique, majoritairement constitué en l’occurrence de spins nucléaires de tungstène, de légères variations de la fréquence de ces spins électroniques peuvent être observées à l’aide du détecteur de photons micro-ondes uniques, cela revenant à connaître l’état de chacun de ces spins nucléaires. Cette détection indirecte de spins nucléaires a été rendue possible par la sensibilité accrue du détecteur, permettant de diviser le temps de détection par presque dix. Par ailleurs, divers travaux ont été menés afin de faire passer la fabrication de ce détecteur de la puce individuelle à la pleine plaque.

Mots-clés : RPE, Spins électroniques et nucléaires, Circuits supraconducteurs, Fabrication, Compteur de photons micro-Ondes, Simulations.

Manuscript of the thesis

Abstract:

Since several decades, single photon detection in the optical domain is a routine feature of many experiments. In contrast, the same type of detection in the microwave domain is a recent invention. The detection scheme is based on a four-wave mixing, converting the photon to be detected and a pump photon into another photon plus the excitation of a superconducting quantum bit. The frequency conversion event is recorded by the excitation of the quantum bit, so that one microwave photon is effectively detected by quantum bit state readout.

The main goal of this thesis was to improve the sensitivity of this detector, acting on two parameters : on one hand, the enhancement of detection efficiency, and on the other hand, the reduction of thermal photons detection. Detection efficiency has been enhanced by several improvements of detector’s fabrication, yielding a longer quantum bit decay time (otherwise said, detection record is forgotten more slowly). Regarding thermal noise reduction, it has been obtained by filtering with a tunable detection bandwidth. All these improvements have yielded a sensitivity of 3∙10 ⁻²³ W/√Hz. We have taken advantage of this threefold-enhanced sensitivity (compared to previous detector generation) in spin detection experiments in calcium tungstate crystals. In these experiments, erbium ions electron spins, as impurities in the crystal, are subjected to a magnetic field, causing a Zeeman splitting, and are coupled to a resonator enhancing their radiative decay in the microwave domain. The Zeeman split spins are excited by microwave pulses sent through the very same resonator, and then relax back in it by microwave photons emission, each spin emitting one single photon. The exact frequency of each of these photons depends on the crystalline environment in the vicinity of the spins that emitted them. Moreover, the microwave photon detector has enough frequency resolution to differentiate these frequencies. Hence, this setup effectively detects single electron spins.

Besides, each of these electron spins being sensitive to variations of its magnetic environment, which is mostly made of tungsten nuclear spins in the specific case of this experiment, some slight variations of the frequency of these electron spins can be witnessed with the single microwave photon detector, which amounts to measure the state of all these nuclear spins. This indirect detection of nuclear spins has become possible thanks to the enhanced sensitivity of the detector, dividing the detection time by almost ten. Besides, several workflows have been lead in order to switch from single chip to wafer-scale fabrication of this detector.

Keywords: EPR, Electron and nuclear spins, Superconducting circuits, Fabrication, Microwave photon counter, Simulations.