Development of scanning magnetic field microscope at cryogenic temperatures based on the electron spin resonance of the NV center

Développement d'un magnétomètre à balayage à température cryogénique basé sur la résonance du spin électronique du centre coloré NV du diamant

Timothée de Guillebon (1)

1 LAC - Laboratoire Aimé Cotton

The development of magnetic imaging systems at the nanoscale has been of central importance for many scientific advances, in particular in nanomagnetism Part of actual challenges are displaced towards materials displaying magnetic properties only at low temperatures. Imaging in these conditions creates new constraints on pre-existing techniques, which increases experimental challenges. These last years have seen the development of scanning magnetic field microscope based on the electron spin resonance of the NV center, a colored center in diamond. These devices, combining great sensitivity and excellent spatial resolution, have brought great results in nanomagnetism at room temperature. This technique relies on the mesure of the Zeeman displacement between two sublevels of the electronic spin of a unique NV center, and it can be adapted at cryogenic temperatures, bringing thereby several hopes in sensitive and resolved magnetic imaging. These thesis describes the implementation of such a microscope, at cryogenic temperatures.In the first chapter, we will present the context of this work, especially concerning the study of magnetic domain walls, a concept studied these last years for magnetic memories applications. After discussing few magnetic imaging techniques at cryogenic temperatures, we will discuss how to use the NV center as a magnetic sensor. The second chapter will be devoted to the experimental development of this magnetic microscope as well as the different imaging techniques used in this work. Our NV center magnetometer will then be used to study (Ga,Mn)(As,P), a ferromagnetic semiconductor displaying very interesting properties towards high-performance memory architectures. We will show the first domain wall images along with a study of the homogeneity of the magnetization in this material. The last part of the manuscript will be dedicated to the study of the processes at stake in the relaxation of NV centers in nanodiamonds in the prospect of using it as a fluctuating magnetic fields sensor.

Le développement de systèmes d'imagerie magnétique à l'échelle nanométrique a été au coeur de nombreuses avancées scientifiques, en nanomagnétisme notamment. Une partie des enjeux actuels se portent sur des matériaux ne présentant des propriétés magnétiques qu'à basse température. L'imagerie dans ces conditions impose donc une augmentation des contraintes sur les dispositifs préexistants, majorant ainsi les enjeux expérimentaux. Ces dernières années ont vu le développement de microscopes de champ magnétique à balayage basés sur la résonance du spin électronique du centre NV, un centre coloré du diamant. Ces dispositifs, combinant une grande sensibilité et une excellente résolution spatiale en champ magnétique, ont apporté de nombreux résultats pour la communauté du nanomagnétisme à température ambiante. Cette technique repose sur la mesure d'un déplacement Zeeman entre deux sous-niveaux du spin électronique d'un centre NV unique et peut être adaptée à température cryogénique, portant ainsi de nombreuses promesses dans l'imagerie résolue et sensible de champ magnétique. Cette thèse décrit la réalisation d'un tel microscope à température cryogénique.Dans un premier temps, nous présenterons le contexte dans lequel se place ce travail, notamment concernant l'étude des parois de domaines magnétiques, concept très étudié ces dernières années dans l'optique de réaliser des applications dans le domaine des mémoires magnétiques. Après avoir discuté de quelques techniques d'imagerie magnétique à température cryogénique, nous présenterons l'utilisation du centre NV comme capteur magnétique. Le chapitre 2 sera dévoué à la présentation du développement expérimental à température cryogénique ainsi que des techniques d'imagerie accessibles avec ce dispositif. Le magnétomètre à centre NV à température cryogénique sera ensuite utilisé pour l'étude de (Ga,Mn)(As,P), un semiconducteur ferromagnétique porteur d'espoirs en vue du développement d'architectures de mémoires performantes. Nous présenterons les premières imageries de parois de domaines ainsi que l'étude de l'homogénéité de l'aimantation à saturation dans ce matériau. La dernière partie du manuscrit sera allouée à l'étude des processus mis en jeu dans la relaxation du centre NV dans les nanodiamants, dans l'optique de l'utiliser comme capteur de champ fluctuants.

Mots clés: NV center

Mots clés: Résonance de spin

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Timothée de Guillebon. Développement d'un magnétomètre à balayage à température cryogénique basé sur la résonance du spin électronique du centre coloré NV du diamant. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. ⟨NNT : 2018SACLN049⟩. ⟨tel-01997873⟩