Compteur de photons micro-ondes haute performance et application à la résonance magnétique de spins individuels

Depuis plusieurs décennies, la détection de photons uniques dans les longueurs d'ondes optiques est réalisée de manière routinière dans nombre d'expériences. En revanche, le même type de détection dans les micro-ondes est une invention récente. Le schéma de détection est basé sur un mélange à quatre ondes, convertissant le photon à détecter et un photon de pompe en un autre photon plus l'excitation d'un bit quantique supraconducteur. L'excitation du bit quantique permet d'enregistrer l'évènement de conversion de fréquence, et donc d'effectivement détecter un photon micro-onde par lecture de l'état du bit quantique. L'objectif principal de cette thèse fut d'améliorer la sensibilité de ce détecteur en jouant sur deux paramètres : d'une part, l'amélioration de l'efficacité de détection, et d'autre part, la réduction des faux positifs d'origine thermique. L'efficacité de détection a été augmentée par diverses améliorations de la fabrication du détecteur ayant permis l'augmentation du temps de relaxation du bit quantique (autrement dit, de ralentir l'oubli de la détection). Quant à la réduction du bruit thermique, elle a été obtenue par filtrage par la bande passante du détecteur rendue réglable. Toutes ces améliorations ont permis d'atteindre une sensibilité de 3∙10 ⁻²³ W/√Hz. Cette sensibilité, trois fois meilleure que celle de la génération précédente, a été mise à profit dans des expériences de détection de spins dans des cristaux de tungstate de calcium. Dans ces expériences, les spins d'électrons d'ions erbium sous forme d'impuretés du cristal sont soumis à un champ magnétique provoquant une levée de dégénérescence Zeeman et sont couplés à un résonateur accélérant leur relaxation radiative dans les micro-ondes. Excités à l'aide d'impulsions micro-ondes qui leur sont envoyées par l'intermédiaire du même résonateur, les spins soumis à l'effet Zeeman y relaxent par émission de photons micro-ondes, à raison d'un photon pour chaque spin. La fréquence exacte de chacun de ces photons dépendant de l'environnement cristallin au voisinage direct des spins qui les ont émis, et le détecteur de photons micro-ondes étant en mesure de discriminer ces fréquences, ce montage permet effectivement la détection de spins électroniques individuels. Par ailleurs, chacun de ces spins électroniques étant sensible aux variations de son environnement magnétique, majoritairement constitué en l'occurrence de spins nucléaires de tungstène, de légères variations de la fréquence de ces spins électroniques peuvent être observées à l'aide du détecteur de photons micro-ondes uniques, cela revenant à connaître l'état de chacun de ces spins nucléaires. Cette détection indirecte de spins nucléaires a été rendue possible par la sensibilité accrue du détecteur, permettant de diviser le temps de détection par presque dix. Par ailleurs, divers travaux ont été menés afin de faire passer la fabrication de ce détecteur de la puce individuelle à la pleine plaque.