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Travaux pratiques en physique quantique avec WAINTEACH

1. Résonance de spin et Effet Zeeman

Le centre NV du diamant possède un spin électronique S=1. On distingue donc trois niveaux fins, correspondant à la projection du spin sur l’axe du centre NV, |𝑚_𝑠=0, ±1⟩.

Lorsqu’on l’éclaire avec un laser vert, le spin du centre NV est pompé dans l’état, |𝑚_𝑠=0⟩, qui émet plus de lumière que les états, |𝑚_𝑠=±1⟩. Si on balaye la fréquence d’une micro-onde, on observe une chute de lumière lorsque celle-ci est résonante avec la transition |𝑚_𝑠=0⟩ ↔|𝑚_𝑠=−1⟩ ou |𝑚_𝑠=0⟩ ↔|𝑚_𝑠=+1⟩.

En champ magnétique nul, |𝑚_𝑠=−1⟩ et |𝑚_𝑠=+1⟩ sont confondus. On n’observe alors qu’une seule fréquence de résonance. En appliquant un champ magnétique, la dégénérescence est levée entre |𝑚_𝑠=−1⟩ et |𝑚_𝑠=+1⟩, et la levée de dégénérescence est proportionnelle à la projection du champ magnétique sur l’axe N-V.

Dans un diamant dopé avec les quatre orientations, les étudiants peuvent observer quatre familles de deux raies, dont l’écart varie avec le champ magnétique.

2. Observation du couplage hyperfin

En étudiant une raie de résonance de plus près, les étudiants peuvent observer qu’elle correspond en réalité à trois raies distinctes. Ces transitions mettent en évidence le couplage hyperfin, entre le spin électronique S=1 et le spin nucléaire I=1 de l’atome d’azote du NV (14N ).

3. Temps de relaxation longitudinal T1

Le temps de relaxation longitudinal de spin – ou T1 – caractérise le temps de retour à l’équilibre thermodynamique pour un centre NV hors-équilibre, par exemple préparé dans l’état

Après un temps de pompage, le laser est coupé pendant un certain temps. On peut ensuite rallumer le laser et observer la quantité de lumière émise par le centre NV. En faisant varier le temps sans laser, les étudiants peuvent observer le retour à l’équilibre et mesurer le temps T1.

4. Oscillations de Rabi

À un champ magnétique donné, il est possible d’exciter uniquement une des transition ou , en fixant la fréquence de la micro-onde. À puissance fixe, les étudiants peuvent faire varier le temps d’interaction entre le NV et le champ micro-onde, et ainsi observer des oscillations de Rabi. Il est ensuite possible d’étudier l’évolution de ces oscillations en fonction du désaccord en fréquence ou en changeant la puissance de la micro-onde.

5. Franges de Ramsey

Les étudiants peuvent également observer des franges de Ramsey, et leur brouillage dû à la décohérence. Le temps de cohérence quantique – ou T2* – permet de caractériser la vitesse à laquelle une superposition d’état est détruite, et correspond au temps de décroissance de l’enveloppe des franges de Ramsey.

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