Spectroscopie de précision et contrôle de spins nucléaires individuels à l’état solide
Résumé
Repousser la sensibilité de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire jusqu’à la limite du spin nucléaire unique est un objectif poursuivi de longue date. Une telle avancée trouverait des applications aussi bien en informatique quantique qu’en spectroscopie de haute précision. Jusqu’à présent, les seuls mécanismes permettant de détecter des spins nucléaires individuels reposent sur l’utilisation d’un spin électronique situé à proximité, qui se couple via l’interaction hyperfine et agit comme une antenne locale. Ainsi, la détection d’un spin nucléaire individuel nécessite la lecture d’un spin électronique unique.
Jusqu’à récemment, la détection de spins électroniques uniques était limitée à des méthodes de lecture électrique ou optique, qui ne permettent la détection que pour certains systèmes spécifiques, restreignant ainsi le champ d’étude. Notre groupe a récemment développé une nouvelle méthode permettant de détecter des spins électroniques à 10 mK. En couplant le spin électronique à un résonateur de faible volume modal et à facteur de qualité élevé, le taux de relaxation radiative du spin est augmenté par l’effet Purcell. L’émission spontanée est détectée par un détecteur novateur reposant sur un qubit transmon supraconducteur, le SMPD. Comme cette méthode repose uniquement sur le couplage dipolaire magnétique entre le moment magnétique du spin et un résonateur, cette approche entièrement micro-ondes devrait en principe être largement applicable à une grande variété de systèmes à spins électroniques non appariés.
Dans cette thèse, nous développons un ensemble de nouvelles méthodes pour lire et mesurer le spectre de spins nucléaires individuels couplés à un spin électronique, lui-même mesuré par comptage de photons micro-ondes. Nous appliquons ces méthodes à l’exploitation d’un registre à deux qubits de spins nucléaires, ainsi qu’à la spectroscopie haute résolution d’une impureté individuelle de spin nucléaire 9/2.
Dans l’ensemble, les méthodes présentées dans cette thèse démontrent le potentiel du comptage de photons micro-ondes pour l’informatique quantique et la spectroscopie de précision.