Superconducting circuits for characterizing spins and charge defects with microsecond coherence

La détection d'ensembles de dipôles électriques et magnétiques est un outil fondamental en physique, chimie et biologie. Dans cette thèse, nous combinons des circuits supraconducteurs micro-ondes à faibles pertes avec des techniques spectroscopiques avancées pour sonder des échantillons paramagnétiques et des défauts diélectriques à des températures de l'ordre du millikelvin. Dans ce régime, la polarisation entière, les amplificateurs à la limite quantique et les résonateurs supraconducteurs à largeur de raie étroite permettent d'augmenter considérablement la sensibilité. Ces capacités permettent même d'étudier des défauts diélectriques individuels au sein même des matériaux des circuits. Dans le contexte de la résonance de spin électronique (ESR), les plateformes hybrides spin-supraconductrices ont déjà atteint la détection de spin unique et des volumes d'échantillons inférieurs au picolitre. Dans une première expérience, nous avons observé pour la première fois l'émission d'échos de Hahn provenant de défauts diélectriques dans un amplificateur paramétrique à onde progressive de Josephson, un amplificateur quantique largement utilisé. Ces échos, émis pour des puissances d'impulsions de contrôle proches du seuil de saturation de l'amplificateur, peuvent dégrader les performances du dispositif. À l'aide de séquences d'impulsions standard, nous avons caractérisé leur dynamique, ce qui nous a permis d'estimer la densité des défauts dans les couches diélectriques du dispositif et de quantifier leur impact sur le fonctionnement de l'amplificateur.Dans une deuxième expérience, nous avons relevé le défi d'étendre la détection ESR de haute sensibilité à des ensembles de spins arbitraires, qui peuvent être très désordonnés et présenter des temps de cohérence courts. Alors que les résonateurs supraconducteurs à facteur de qualité élevé offrent une sensibilité exceptionnelle, leurs longs temps de décroissance empêchent l'étude des spins à déphasage rapide. Pour surmonter ce problème, nous avons développé un résonateur à accord dynamique basé sur l'inductance cinétique du nitrure de niobium-titane (NbTiN), un alliage supraconducteur résistant aux champs magnétiques. À l'aide d'impulsions de courant continu rapides, nous avons accordé la largeur de raie du résonateur à l'échelle de la microseconde tout en préservant ses performances ESR. Nous avons évalué le spectromètre en effectuant une spectroscopie résolue en temps sur un échantillon de 20 picolitres d'α,γ-bisdiphénylène-β-phénylallyle à des températures de l'ordre du millikelvin, obtenant une sensibilité inférieure d'un seul ordre de grandeur à celle des expériences de pointe sur des ensembles hautement cohérents.Nos résultats établissent une plateforme ESR polyvalente fonctionnant à des températures de l'ordre du millikelvin, avec des applications potentielles allant de la caractérisation des matériaux à la détection d'électrons non appariés dans des cellules biologiques individuelles.