Spin-mechanics with micro-particle levitating in a Paul trap

Couplage Spin-mécanique avec des micro-particules en lévitation dans un piège de Paul Inspirée des expériences d’atomes froids ou d’ions piégés, l’opto-mécanique a réalisé d’importants progrès vers des expériences de mécanique quantique avec un oscillateur mécanique macroscopique. Une autre approche prometteuse est l'utilisation de systèmes hybrides ou le couplage entre un atome et un oscillateur mécanique permet le contrôle cohérent de ce dernier. Dans ce travail, les modes de librations (oscillation angulaire) de micro-diamants en lévitation constituent l'oscillateur mécanique. Celui-ci est couplé via un champ magnétique aux spins de centres azote-lacune (NV) contenus dans le micro-diamant. Ce couplage permet alors le refroidissement du mouvement du micro-diamant, similairement au refroidissement Doppler d'ions ou d'atomes piégés. La lévitation est réalisée à l’aide d’un piège de Paul qui confine le centre de masse, mais également les degrés de liberté angulaires d’un micro-diamant chargé. Lors des premières expériences, nous utilisons les centres NV pour démontrer la stabilité angulaire et montrons que leurs propriétés de spin (cohérence, temps de vie) ne sont pas affectées par le piège. Nous faisons ensuite léviter des diamants hautement dopés contenant un grand nombre de centres NV et utilisons leur spin pour exercer un couple sur le micro-diamant en lévitation. L’observation de ce couple ouvre de nombreuses perspectives telles que le contrôle de l’oscillateur mécanique dans le régime quantique, le couplage spin-spin et dans la limite du spin unique, la mesure non-destructive d’un spin NV à température ambiante. Ici l’application la plus directe de cet effet est l’utilisation de ces ensembles de spins pour exercer une rétroaction non-conservative sur le mouvement angulaire du diamant. Cela résulte en un refroidissement ou une amplification du mode de libration du diamant. La principale limitation de ce système est la faiblesse des fréquences de l’oscillateur mécanique comparées au taux de décohérence des spins des centres NV. Pour résoudre ce problème, nous utilisons des particules ferromagnétiques ainsi que des particules composites ferromagnétique-diamant en lévitation. Nous montrons que le moment magnétique de ces particules peut être utilisé pour augmenter le confinement angulaire de deux ordres de grandeur, plaçant ainsi les fréquences de l’oscillateur mécanique au-delà des taux de décohérences typiques de centres NV dans des diamants ultra-pures.