Conception d'une cavité 3D à fréquence de résonance ajustable par capacités variables pour le contrôle d'ensemble de systèmes quantiques

Abstract

Les ensembles de centres azote-lacune dans le diamant peuvent être utilisés pour construire des magnétomètres précis, avec des niveaux de sensibilité équivalents aux produits offerts sur le marché. Contrairement aux magnétomètres à vapeur d'atomes qui sont généralement volumineux, les ensembles azote-lacune peuvent fournir le vecteur du champ magnétique dans un volume d'ordre millimétrique. Par contre, pour atteindre cette sensibilité, les centres doivent être contrôlés de façon cohérente. Pour ce faire, une cavité résonante 3D à haut facteur de qualité est utilisée afin d'appliquer un champ électromagnétique uniforme sur l'ensemble du volume du diamant. La conception de cavités précédentes se basait sur un actuateur piézoélectrique qui est volumineux, lent à contrôler, et qui nécessite de la haute tension. L'objectif du projet de maitrise étant de miniaturiser le système de contrôle de la cavité 3D et d'atteindre les performances requises pour les applications de magnétométrie, une nouvelle méthode de contrôle de la fréquence de résonance avec des capacités variables a été explorée avec des simulations par éléments finis. Un circuit imprimé contenant les sous-systèmes indispensables à la magnétométrie à base de défauts dans le diamant a été conçu pour tester les performances du nouveau résonateur. Cette cavité et son système de contrôle permettent au prototype de magnétomètre de manipuler l'état des centres azote-lacune de façon cohérente, ce qui est indispensable pour obtenir la sensibilité au champ magnétique désirée. Lors des tests expérimentaux, une fréquence de Rabi de 2,49 MHz a été atteinte, avec une inhomogénéité de champ micro-onde sous 0,2 %. Ces caractéristiques ont permis de mesurer les franges de Ramsey sur un diamant isotopiquement purifié en carbone 12, démontrant un contrôle cohérent d'un ensemble de systèmes quantiques avec un temps de déphasage de 421 ns. Ces expériences de contrôle quantique sur un système compact et autonome ouvrent la voie à une future génération de magnétomètres quantiques miniatures.