Equipe
De la gauche vers la droite : Louis Nicolas (actuellement en post-doc dans le groupe de Mickaël Afzelius), Joachim Leibold, Paul Huillery (Post-doc), Clément Pellet-Mary et Maxime Perdriat (doctorants), Gabriel Hétet (chef d’équipe) et Tom Delord (actuellement en post-doc dans le groupe de Carlos Meriles).
Travaux de recherche
Notre groupe de recherche étudie les propriétés des centres colorés du diamants pour leur utilisation dans des expériences de couplages des spins entre eux, et avec des modes mécaniques d’objets en lévitation.
Les centres colorés sont des défauts ponctuels dans la matrice carbonée du diamant. Les niveaux électroniques de ces défauts sont très loin (quelques électrons-volts) des bandes de conduction et de valence du diamant, ce qui confère aux centres NV une très grande photo-stabilité.
De plus, l’état chargé négativement du centre azote-lacune, le centre NV- (pour Nitrogen-Vacancy center) possède un triplet de spin purement magnétique dans l’état fondamental du centre NV.
Une des propriétés remarquables de ce spin est qu’il est possible de le polariser et lire son état optiquement à température ambiante.
Cette propriété permet par exemple de contrôler le mouvement d’un diamant en lévitation et d’exercer des forces non-conservatives sur ce dernier.
Manipulation du spin des centres colorés du dimant pour l’opto-mécanique
Geler la rotation d’un diamant en lévitation grâce au spin des centres NV
Certaines questions fondamentales demeurent quant à la description complète du passage entre le monde quantique et le monde classique -la décohérence-. Un moyen pour répondre à ces questions pourrait être de mettre des objets macroscopiques, tels que des oscillateurs mécaniques, dans des états de superposition quantique. Cet objectif ambitieux nécessite en premier lieu de pouvoir contrôler de manière extrêmement précise le mouvement d’un oscillateur mécanique.
Des progrès considérables ont été réalisés dans ce sens en utilisant l’action mécanique que la lumière peut exercer sur des objets. Plus récemment, une approche alternative a émergée, visant à utiliser le magnétisme inhérent au spin des électrons. Cette idée a pu naitre grâce aux propriétés électroniques remarquables de certains matériaux. En l’occurrence, les électrons localisés sur un default cristallin particulier du diamant, le centre NV, sont suffisamment isolées de leur environnement pour permettre une manipulation efficace de leur état de spin, et donc de leur magnétisme, grâce à des champs laser et micro-onde. En principe, un seul de ces aimants quantiques pourrait permettre d’influencer le mouvement d’un objet macroscopique, créant un pont entre monde quantique et monde classique. Cependant, la réalisation d’un tel processus est un formidable challenge expérimental.
Nous avons réussi à agir sur le mouvement d’un oscillateur mécanique, un diamant en lévitation dans un piège électrostatique, en utilisant le spin de quelques milliards de centres NV contenus dans le diamant. Nous avons notamment démontré qu’il est possible d’utiliser ces spins pour refroidir le mouvement du diamant induit par les collisions avec les molécules d’air qui l’entoure. La route vers des tests fondamentaux de la physique quantique est encore bien longue mais ce résultat en est une étape importante.
Pour obtenir ces résultats, l’expérience mise au point pendant près de 5 ans consiste tout d’abord en un piège électrostatique, une petite boucle métallique à laquelle une tension alternative est appliquée, permettant de faire léviter des diamants d’une taille d’environ 10um. Une fois un diamant piégé, le spin des quelques milliard de centres NV contenus dans le diamant est maintenus dans un état non magnétique en illuminant le diamant avec un laser vert. L’application d’un champ micro-onde à une fréquence bien précise permet alors de magnétiser les spins. Tels des petites boussoles, les centres NV cherchent alors à s’aligner avec le champ magnétique généré par un aimant placé à proximité du piège, exerçant un couple sur le diamant et un changement de son orientation. Une lecture optique de l’orientation du diamant a permis d’observer ce mécanisme, démontrant ainsi la possibilité d’agir sur le mouvement du diamant en manipulant le spin des centres NV. Il a de plus été possible d’exploiter la dynamique de la magnétisation des centres NV couplée à celle de l’orientation du diamant pour créer une force visqueuse permettant de refroidir le mouvement angulaire du diamant. A une pression de 1mbar et à température ambiante (300 Kelvin), une température de 80 Kelvin a pu ainsi être observée.
Interactions entre ensembles de spins
Manipulation Cohérente du Spin Nucléaire d’ensembles de centres NV
Nous avons observé des transitions “interdites” en couplant des spins électroniques et des spins nucléaires entre eux.
Nous avons ainsi pu observé des oscillations de Rabi rapides, signature d’un basculement des spins nucléaires et du piégeage cohérent de population (CPT) des spins nucléaires.
Coherent Microwave Control of a Nuclear Spin Ensemble at Room Temperature P Huillery, J Leibold, T Delord, L Nicolas, J Achard, A Tallaire, G Hétet arXiv preprint arXiv:2005.13082 (2020) | ||
Narrow linewidth ensembles of SiV centers in a nanostructure
Nous avons montré qu’il était possible d’isoler un ensemble d’émetteurs de largeur spectrale très fine, proche de la limite radiative, dans une nanostructure en diamant.
Pour ce faire nous avons contrôlé l’état de charge de centres SiV avec un laser résonant :