Détection et caractérisation d’un centre NV unique

Dans le chapitre 2, nous avons décrit les caractéristiques d’un centre NV, ainsi que la préparation des échantillons dans le diamant massif. Nous allons à présent étudier la fluorescence d’un centre NV unique sous excitation continue.Dans un premier temps, on verra comment isoler un centre NV unique à l’aide du microscope confocal décrit dans le chapitre précédent. On analysera la lumière de fluorescence grâce au mon- tage d’autocorrélation d’intensité,afind’observer les effets de dégroupement et d’anticorrélation de photons qui constituent la signature d’un objet unique. Nous détaillerons aussi plusieurs études pho- tophysiques effectuées sous excitation continue, qui nous permettront d’observer et de caractériser quantitativement des effets de pompage vers un état métastable.Nous aborderons ensuite les expériences réalisées avec des nanocristaux de diamant. Nous dé- taillerons la préparation de ces cristaux, ainsi que les observations effectuées, qui ont montré un changement de la durée de vie des centres NV par rapport à la valeur observée dans le diamant massif. Ce changement sera attribué au fait que le taux d’émission spontanéedépend de l’indice du matériau environnant le centre émetteur.Le montage expérimental décrit dans la section 2.3 est utilisé pour isoler les centres NV uniques dans le cristal de diamant. L’expérience consiste à trouver un centre émetteur, puis à analyser sa lumière de fluorescence. Nous avons examiné des échantillons de diamant massif irradiés et non- irradiés. Il s’est avéré que les diamants non-irradiésprésentent la bonne concentration de centres NV, soit environ 3 − 4 par zone de 10 × 10 × 1µmmontrer que l’on est effectivement capable d’isoler un centre NV unique. Cependant nous n’avons pas poursuivi leur étude, car la concentration de centres NV dans ce type d’échantillon est trop élevée. Tous les résultats présentés dans la suite proviennent donc d’échantillons de diamant massif non irradiés.

Recherche d’un centre dans le diamant

Dans les expériences suivantes, le trou de filtrage spatial du microscope confocal a un diamètre de 50µm. On utilise l’objectif de microscope Zeiss à immersion d’ouverture 1.3.La recherche d’un centre NV est contrôlée par ordinateur. Un programme informatique permet de balayer l’échantillon sur la zone accessible par les cales piézoélectriques. L’utilisateur choisit ensuite le centre qu’il veut étudier, et le programme place le faisceau sur ce centre. Puis un asservissement informatique maintient le faisceau lumineux en place pour compenser les dérives du système de microscopie.La figure 3.1 représente une coupe du diamant massif en déplaçant le point focal à travers l’échan- tillon. On remarque que sur les deux surfaces du cristal le taux de fluorescence est bien plus élevé qu’à l’intérieur du cristal. Afin de supprimer la fluorescence des surfaces du diamant, on a essayé d’effectuer un nettoyage sous plasma d’hydrogène à 750. La première étape a pour but de saturer les liaisons libres de carbone sur la surface de diamant. La deuxième permet de nettoyer le cristal des résidus de la colle utilisée pour maintenir le cristal dans le plasma. Cependant ce procédé crée une quantité importante de centres NV en surface. Par la suite les surfaces ne seront pas traitées, et on placera le plan focal d’observation approximativement à une distance de 20 − 30µm sous la surface.

Une fois la profondeur d’observation fixée, on procède à un balayage horizontal. La figure 3.2 représente un balayage 5×5µmavecunerésolution de 83 nm/pixel, suivant les axes X-Y de l’échanti-llon. Le balayage est effectué ligne par ligne en déplaçant le faisceau à l’aide des cales piézoélec- triques. Pour éviter la déformation des images (à cause de l’hystérésis), le balayage est toujours effectué de la gauche vers la droite. En effet, l’hystérésisdelapiézoélectrique induit un déplacement de trois pixels pour le balayage de la droite vers la gauche par rapport au sens inverse. Le temps de comptage par pixel est de 32 ms, ainsi l’acquisition d’une image de 50 × 50 pixels nécessite 2.5La figure 3.3 représente une coupe suivant le trait pointillé de la figure 3.2. Un ajustement par une gaussienne permet d’identifier les contributions respectives du fond et du centre NV. On estime une largeur à mi-hauteur de 570 nm, en accord avec la valeur théorique du spot d’excitation.