Capteurs quantiques à centres NV : vers de nouvelles modalités d'imagerie

La compréhension des phénomènes physiques et le développement technologique de composants et systèmes aux nano-échelles, requièrent des outils de mesure résolus à ces échelles. Un moyen est d’utiliser des capteurs de très faibles volumes. Parmi ceux-ci, les capteurs s’appuyant sur les spins électroniques individuels associés au centre azote-lacune (ou centre NV pour Nitrogen-Vacancy) dans le diamant, sont devenus une technique d’intérêt fort. Ces capteurs, de volume atomique, sont en effet extrêmement sensibles à plusieurs grandeurs physiques dans leur environnement. Ces grandeurs peuvent sondées en mesurant le spectre de résonance magnétique du spin électronique par des moyens optiques. Ces capteurs sont aujourd’hui employés pour cartographier des champs magnétiques statiques avec une sensibilité en deçà du µT/√Hz et une résolution spatiale de l'ordre de 50 nm en conditions ambiantes.Ce spin est aussi sensible à d’autres grandeurs physiques, notamment le bruit magnétique, la température et le champ électrique. Ce travail de thèse a porté sur l’extension des modalités d’imagerie des capteurs à centre NV, pour en faire un imageur polyvalent. La configuration d’imagerie est une configuration à balayage dans laquelle le centre NV est isolé au sein d’une pointe en diamant montée dans un microscope à force atomique. J'ai tout d’abord considéré une pointe hébergeant un ensemble de centres NV et optimisée pour la cartographie de la température dans le but de déterminer ses performances ultimes en termes de sensibilité et de résolution spatiale. J'ai ensuite étudié l'effet du champ électrique sur les propriétés de spin du centre NV, et présenté les conditions expérimentales requises pour réaliser une cartographie du champ électrique. Enfin, j'ai proposé un nouveau protocole tout-optique pour cartographier qualitativement le bruit magnétique, bruit qui affecte la dynamique de relaxation entre les niveaux de spin et par là-même le niveau de photoluminescence du centre NV. Ce protocole a été validé en imageant des parois de domaines dans un matériau antiferromagnétique synthétique.Ce microscope à balayage polyvalent pourra permettre l’étude, sur un dispositif unique, des propriétés magnétiques (champ et/ou bruit magnétique), électriques ou encore thermiques d'un matériau d'intérêt et par la même de sonder le couplage entre ces différents paramètres physiques. The understanding of physical phenomena and the technological development of components and systems at the na