Fabrication and characterization of a hybrid quantum device for single spin microwave detection - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2020

Fabrication and characterization of a hybrid quantum device for single spin microwave detection

Fabrication et caractérisation d'un dispositif quantique hybride pour la détection micro-onde à simple spin

Abstract

The context of this thesis is a proposal by Haikka et al. [1] that aims at detecting individual spins with microwaves, using a superconducting micro-resonator that incorporates a nanometric constriction located close to the spin, cooled down to millikelvin temperatures. The electron spins of choice are shallow implanted ~ 20 nm depth single Nitrogen - Vacancy (NV) centers in an isotopically purified ¹²C diamond. Their transition frequency is ~ 2.88 GHz We report the fabrication of a single NV center grid with long coherence times and well localized with respect to alignment marks etched in the diamond. We demonstrate a method to determine the position of shallow individual implanted nitrogen-vacancy (NV) centers with respect to a metallic nanowire deposited on diamond. We use the NV center as a vector magnetometer [2, 3] to measure the field generated by passing a DC current through the wire, enabling to infer the NV centers position relative to the wire with a precision of ~ 10 nm. We fabricated and performed the characterization of a LC resonator of low impedance 11Ω, internal quality factor as high as 2.10⁵ and resonance frequency of ~ 2.93 GHz on top of such an ensemble of implanted NVs. The magnetic field resilience of the resonator was however not sufficient to observe the spin signal. [1] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet, and K. Mølmer, “Proposal fordetecting a single electron spin in a microwave resonator,” Phys. Rev. A, vol. 95,p. 022306, Feb 2017. [2] J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M. D. Lukin, “High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscaleresolution,” Nature Phys, vol. 4, pp. 810–816, Oct. 2008. [3] X.-D. Chen, F.-W. Sun, C.-L. Zou, J.-M. Cui, L.-M. Zhou, and G.-C. Guo, “Vector magneticfield sensing by a single nitrogen vacancy center in diamond,” EPL, vol. 101, p. 67003, Mar.2013.
Le contexte de cette thèse est une proposition théorique par Haikka et al [1] qui vise à détecter des spins individuels avec des micro-ondes, en utilisant un micro-résonateur supraconducteur incorporant une constriction nanométrique proche du spin, refroidi au millikelvin. Les spins utilisés sont des centres NV du diamant, implantés à une faible profondeur (20nm) dans un échantillon de diamant purifié isotopiquement en ¹²C. Sa fréquence de transition est ~ 2.88 GHz. Nous démontrons la fabrication d'une grille de NV unique avec de longs temps de cohérence et bien localisée par rapport aux marques d'alignement gravées dans le diamant. Nous démontrons une méthode pour déterminer la position de centres NV par rapport à un nanofil métallique déposé sur du diamant. Nous utilisons le centre NV comme magnétomètre vectoriel [2, 3] pour mesurer le champ généré par le passage d'un courant continu à travers le fil, permettant d'inférer la position des centres NV par rapport au fil avec une précision de ~ 10 nm. Nous avons fabriqué et réalisé la caractérisation d'un résonateur LC de faible impédance 11Ω, d'un facteur de qualité interne aussi élevé que 2.10⁵ et d'une fréquence de résonance d'environ 2,93 GHz au-dessus d'un tel ensemble de NV implantés. La résistance en champ magnétique de ce résonateur n'a cependant pas été suffisante pour voir le signal de spin. [1] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet, and K. Mølmer, “Proposal fordetecting a single electron spin in a microwave resonator,” Phys. Rev. A, vol. 95,p. 022306, Feb 2017. [2] J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M. D. Lukin, “High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscaleresolution,”Nature Phys, vol. 4, pp. 810–816, Oct. 2008. [3] X.-D. Chen, F.-W. Sun, C.-L. Zou, J.-M. Cui, L.-M. Zhou, and G.-C. Guo, “Vector magneticfield sensing by a single nitrogen vacancy center in diamond,” EPL, vol. 101, p. 67003, Mar.2013.
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tel-03229525 , version 1 (19-05-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03229525 , version 1

Cite

Jéssica Fernanda Da Silva Barbosa. Fabrication and characterization of a hybrid quantum device for single spin microwave detection. Quantum Physics [quant-ph]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP003⟩. ⟨tel-03229525⟩
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