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Les centres colorés NV (Nitrogen Vacancy) du diamant ont une structure de niveaux d’énergie similaire à celle des atomes. A l’inverse de ces derniers utilisés sous forme de gaz et libres de se déplacer car soumis à l’agitation thermique, les centres NV sont intégrés dans la maille atomique du diamant et possèdent une position fixe.

Ces atomes artificiels peuvent donc être adressés à l’aide de lasers de manière précise et reproductible un nombre illimité de fois. De plus leurs propriétés de spin ne sont pratiquement pas détériorées par leurs interactions avec les phonons, ceci explique leur structure électronique bien définie qui permet de les utiliser pour réaliser les expériences usuelles de physique atomique à l’état solide et à température ambiante. Ces propriétés rendent les centres NV très intéressants pour de nombreuses applications en métrologie.

La magnétométrie non invasive qui profite de la possibilité de détecter la résonance de spin des centres NV de manière optique est l’application la plus développée. Leur utilisation pour des mesures de contraintes ou de température a également été démontrée. De surcroît, un système à l’état solide fonctionnant à température ambiante permet d’envisager des dispositifs portables, dans ce sens, les centres NV apparaissent comme une plateforme prometteuse pour de nombreux capteurs. Pour l’application comme magnétomètre, deux techniques de détection de spin ont été démontrées dont les fonctionnements respectifs reposent sur la mesure (i) du signal de fluorescence des centres NV dans le visible, ou (ii) de leur absorption dans l’infrarouge autour d’une longueur d’onde de 1042 nm. La seconde méthode possède l’avantage de ne pas être limitée par la faible efficacité de collection du signal de fluorescence. Les activités de recherche de l’équipe SP dans ce domaine concernent l’adressage tout optique du spin des centres NV mettant en œuvre des méthodes innovantes comme l’utilisation de cavités optiques [2,3,5] ou d’architectures lasers [5].

Compétences et équipements associés

Collaborations

  • LUMIN, ENS Paris-Saclay
  • Université de Mayence
  • KWAN-TEK
  • FOTON-OHM

Personnel impliqué

Projets financés associés

  • Equipex E-DIAMANT
  • ANR SINFONIA

Publications et conférences associés

  • [1] “Controlling single diamond NV color center photoluminescence spectrum with a Fabry-Perot microcavity” Y. Dumeige, R. Alléaume, P. Grangier, F. Treussart, J.-F. Roch. New Journal of Physics 13 025015 (2011). ⟨hal-00578573⟩
  • [2] “Magnetometry with nitrogen-vacancy ensembles in diamond based on infrared absorption in a doubly resonant optical cavity” Y. Dumeige, M. Chipaux, V. Jacques, F. Treussart, J.-F. Roch, T. Debuisschert, V. Acosta, A. Jarmola, K. Jensen, P. Kehayias, D. Budker. Physical Review B 87 155202 (2013). ⟨hal-00975236⟩
  • [3] “Cavity-enhanced room-temperature magnetometry using absorption by nitrogen-vacancy centers in diamond” K. Jensen, N. Leefer, A. Jarmola, Y. Dumeige, V.M. Acosta, P. Kehayias, B. Patton, D. Budker. Physical Review Letters 112 160802 (2014). ⟨hal-01006411⟩
  • [4] “Miniature cavity-enhanced diamond magnetometer” G. Chatzidrosos, A. Wickenbrock, L. Bougas, N. Leefer, T. Wu, K. Jensen, Y. Dumeige, D. Budker. Physical Review Applied 8 044019 (2017). ⟨hal-01645212⟩
  • [5] “On the possibility of miniature diamond-based magnetometers using waveguide geometries” L. Bougas, A. Wilzewski, Y. Dumeige, D. Antypas, T. Wu, A. Wickenbrock, E. Bourgeois, M. Nesladek, H. Clevenson, D. Braje, D. Englund, D. Budker. Micromachines 9 276 (2018). ⟨hal-01939699⟩
  • [6] “Infrared laser threshold magnetometry with a NV doped diamond intracavity etalon” Y. Dumeige, J.-F. Roch, F. Bretenaker, T. Debuisschert, V. Acosta, C. Becher, G. Chatzidrosos, A. Wickenbrock, L. Bougas, A. Wilzewski, D. Budker. Optics Express 27 1706 (2019). ⟨hal-02107654⟩
  • [7] “Probing topological spin structures using light-polarization and magnetic microscopy” T. Lenz, G. Chatzidrosos, Z. Wang, L. Bougas, Y. Dumeige, A. Wickenbrock, N. Kerber, J. Zazvorka, F. Kammerbauer, M. Kläui, Z. Kazi, K.-M. C. Fu, K. Itoh, H. Watanabe, D. Budker. Physical Review Applied 15 024040 (2021). ⟨hal-04449073⟩
Magnétométrie à base de centres NV
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