Antenne micro-ondes, sensibilités des centres NV à un champ hyperfréquence

Dans ce paragraphe, nous présentons l’antenne micro-onde qui permet de convertir un signal électrique hyperfréquence de puissance XfŽ propagé dans un câble coaxial en un champ magnétique d’amplitude ‚fŽ, oscillant à la même fréquence, permettant de susciter les résonances magnétiques des centres NV.

II.4 Antenne micro-ondes, sensibilités des centres NV à un champ hyperfréquence

II.4.1 Problématique

Dans le cadre de la cartographie de champ magnétique développée Chapitre III, un générateur hyperfréquence fournit un signal dont la puissance maximale de 25 dBm peut être largement suffisante pour saturer la transition magnétique des centres NV (cf.

Chap. III § III.4.4.2). En revanche, dans le cadre d’analyse de spectres de signaux hyperfréquences, le signal à analyser peut être beaucoup plus faible. Par ailleurs, selon l’application visée, ce signal peut se présenter sous différentes formes, dont la plus probable est celle d’un signal électrique se propageant dans un câble coaxial d’impédance caractéristique Ω. Enfin, les centres NV sont sensibles à l’intensité du champ magnétique oscillant à la fréquence micro-onde considérée. Afin d’optimiser la détectivité des centres NV, il faut convertir au mieux le signal électrique, de puissance XfŽ, en un champ magnétique oscillant d’amplitude ‚fŽ.

II.4.2 Design des antennes micro-ondes

En règle générale, il faut réaliser une adaptation d’impédance entre le câble coaxial de transfert et l’antenne en elle-même. Cela permet de minimiser les réflexions à l’entrée de l’antenne, de sorte que toute la puissance générée par le générateur soit rayonnée par celle-ci. Dans notre cas, néanmoins, nous souhaitons d’avantage maximiser l’amplitude du champ dans une petite zone de l’espace, plutôt que la puissance totale rayonnée. Par ailleurs, les résonances magnétiques que l’on considère sont proches de ~fŽ = 3 GHz, soit à une longueur d’onde dans le vide de l’ordre de 6fŽ ≈ 10 cm. Ainsi, nous choisissons une antenne qui « entoure » les centres NV et dont la taille caractéristique est de l’ordre du millimètre, compatible avec les dimensions du diamant. Cette antenne génère un champ magnétique en son centre, proportionnel au courant dans la boucle, et inversement proportionnel à la surface de celle-ci18. De ce fait, maximiser l’amplitude du champ au centre de l’antenne revient à maximiser l’intensité du courant électrique qui parcourt le parcours.

Nous avons donc choisi une configuration qui court-circuite l’extrémité du câble coaxial, de sorte que l’impédance de sortie du câble coaxial soit aussi faible que possible. Dans ce cas d’une impédance nulle, on obtiendrait une onde réfléchie qui forme, avec l’onde incidente, une onde stationnaire dans le câble coaxial. L’extrémité en court-circuit formera un nœud de tension, associé à un ventre d’intensité. Une impédance de 50 ohm pourrait également convenir, mais l’absence d’onde réfléchie aurait diminué l’intensité électrique d’un facteur 2. En revanche, un circuit ouvert aurait signifié un nœud d’intensité, et l’absence de champ rayonné à l’intérieur de l’antenne.

Nous avons fabriqué ces deux types d’antennes :

- la première, notée A est présentée Figure II.8.a. Une couche d’or de 200 nm d’épaisseur est lithographiée sur une plaque de verre. Un connecteur coaxial de

18 La longueur d’onde du champ variable étant grande devant les dimensions de l’antenne, nous pouvons utiliser les lois de la magnétostatique.

Chapitre II

Microscopie de photoluminescence d’une couche de centres NV

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type SMA est soudé sur les zones larges prévues à cet effet (à droite de l’image). Le diamant est alors collé ou simplement posé sur la lame de verre en regard de l’antenne. C’est cette antenne qui a été utilisée dans le cadre de la cartographie de magnétique présentée Chapitre III ; elle est visible Figure III.1.b ;

- une seconde antenne, notée B, est présentée Figure II.8.b. Elle a notamment été utilisée dans le cadre de l’analyse de spectre détaillé Chapitre IV et est visible

Figure IV.4.b. Cette antenne est constituée d’un fil de cuivre de diamètre 100 μm, entortillé sur lui-même pour former une ligne de propagation torsadée. Une boucle en court-circuit ferme une extrémité de l’antenne, tandis que l’autre est soudée sur l’âme d’un câble coaxial dénudée pour l’un des brins, et sur son blindage pour le second. Cette antenne est généralement placée entre le diamant et l’objectif de microscope. Avec l’objectif à immersion et avec les objectifs à air à faible grossissement (X10 et X20), la distance disponible est toujours suffisante (parfois de justesse), quelle que soit la profondeur où l’on effectue la mise au point dans le diamant.

Figure II.8 : Antennes micro-onde.

a) Antenne lithographiée sur une lame de verre. Le diamant est collé ou posé sur l’antenne.

b) Antenne réalisée à partir d’un fil de cuivre de 100 μm de diamètre. Elle est positionnée entre le diamant et l’objectif de microscope.

II.4.3 Performances attendues

Ici, nous considérons que le plan des centres NV et le plan de l’antenne sont confondus. Nous considérons également que l’impédance caractéristique de l’antenne est nulle et parfaitement localisée au niveau de la boucle. Ces approximations permettent d’estimer l’amplitude du champ magnétique rayonné à l’intérieur de cette boucle, en utilisant les lois de la magnétostatique.

Soit ¹ = 1 mm le diamètre de l’antenne, et MfŽ l’amplitude du courant électrique. Le champ intérieur possède une amplitude majorée par :

‚fŽ € MfŽ

¹ .

(II.37) Si le générateur fournit une puissance incidente XfŽ, soit un courant incident MfŽ = XfŽ⁄ , le courant dans l’antenne vaut : Ω