Etude des bits quantiques de spin des ions Co2+ dans le ZnO par résonance paramagnétique électronique continue et impulsionnelle

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Stage de master 2

(2012/2013)

INSTITUT DE CHIMIE - UMR 7177

Laboratoire : « propriétés optiques et magnétiques des architectures

Moléculaires ».

Spécialité : physique.

Présenté par : CHETOUI ABDELMOUNAIM Pour obtenir le diplôme de master 2.

Etude des bits quantiques de spin

des ions Co²⁺ dans le ZnO par

résonance paramagnétique électronique

continue et impulsionnelle.

Encadrants :

PR. PHILIPPE TUREK

DR. JEROME TRIBOLLET

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SOMMAIRE

La partie théorique 6

I-Introduction générale 7

I.1.Principe des transitions RPE. 8

I.1.1- Effet Zeeman et distribution de Maxwell-Boltzmann. 8

I.2.Condition de résonance paramagnétique 9

I.3. Instrumentation 10

I.4. Description générale d'un spectromètre. 11

I.5. Enregistrement d'un spectre RPE. 12

I.5.1.Exemple d'un spectre RPE. 12

I.6. La RPE en onde continue. 13

I.7.les Interactions étudiées 14

I.7.1.interaction ZEEMAN électronique. 14

I.7.2.le terme d'éclatement en champ nul. 14

I.7.3.L'interaction hyperfine 14

I.8.Comment Mesurer de petits signaux noyés dans le bruit ? 15

I.8.1.Effet de la modulation de champ sur le spectre enregistré. 15

I.8.2.Principe de la détection synchrone. 16

I.9.Exploitation d'un spectre RPE en onde continue. 16

La partie expérimentale 19

II-Introduction 20

II.1.Mécanismes de relaxation 20

II.1.1.La relaxation longitudinale (relaxation spin-réseau): 20

II.2.2.La relaxation transversale (relaxation spin-spin): 20

II.3.INTRODUCTION A LA CONCEPTION DES BITS QUANTIQUES 20

II.3.1.Historique : 20

II.4.Qu'est ce qu'un bit quantique(Qubit) ? 21

Exemple illustrant l'avantage de l'ordinateur quantique par rapport à son analogue classique 21

II.5.INTRODUCTION A LA RéSONANCE PARAMAGNéTIQUE éLECTRONIQUE PULSéE. 21

II.6.Echos de spins. 23

II.6.1.Echo de spin a deux impulsions 23

II.6.1.1.Mesure de T2 (temps de relaxation spin-spin). 23

II.7.Echo de spin a trois impulsions. 24

II.7.1.Mesure de T1 par la méthode inversion-récupération (inversion-recovery). 24

II.8. spectre du Co²⁺ par RPE continue. 25

II.9.valeurs expérimentale des temps de relaxation du cobalt 27

II.9.1.mesure de T1 (temps de relaxation spin-réseau). 27

II.10.1Etude du T1 28

II.10.2.Etude du T2. 29

Oscillations de RABI du Co²⁺ dans le ZnO. 31

Discussions : 32

Conclusion 36

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Remerciements

Rien ne serait possible sans les nombreux échanges scientifiques et humains qui permettent a chaque étudiant d'avancer quelles que soient les difficultés aux quelles il est confronté.

Ce travail a été effectué au sein du laboratoire «propriétés optiques et magnétiques des architectures moléculaires -POMAM» a l'institut de chimie de l'université de Strasbourg dans le cadre d'une collaboration entre l'université de Sétif et celle de Strasbourg.

Ce travail n'aurait pas pu voir le jour sans l'aide et les encouragements de plusieurs personnes qui ont contribuées soit avec leurs idées, la richesse des discussions scientifiques que j'avais avec eux ou bien leur gentillesse.

J'adresse mes sincères remerciements a Mr. MUSTAPHA MAAMACHE, doyen de la faculté des sciences a l'université « FERHAT ABBES » de Sétif de m'avoir fait confiance de pouvoir effectuer ce stage avec succès.je tiens à remercier également

Mme. SETIFI FATIMA, professeur au laboratoire de chimie en ingénierie moléculaire et nanostructures a la faculté des sciences de l'université « FERHAT ABBES » pour ces encouragements et ces efforts.

Je remercie très profondément Mr. PHILIPPE TUREK, professeur des universités et directeur du laboratoire de « propriétés optiques et magnétiques des architectures moléculaires »a l'institut de chimie de l'université de Strasbourg, de m'avoir chaleureusement accueilli et avec amabilité au sein de son laboratoire et pour ses encouragements qui m'ont permis d'avancer et de donner de mon mieux tout au long de mon stage.

Je remercie également mon encadrant Mr. JÉRÔME TRIBOLLET, docteur en physique des solides et milieux denses de m'avoir guidé dans l'apprentissage expérimental et théorique de la RPE continue et pulsée, mais également de m'avoir transmis la passion de la recherche, et son enthousiasme.

Les autres membres de l'équipe du laboratoire « POMAM » ont eu certainement une grande importance .je remercie spécialement Mr. MAXIME BERNARD, ingénieur de

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recherche au CNRS et directeur du servie de RPE de la faculté de chimie a Strasbourg. Comme je tiens à remercier Mr. BERTRAND VILENO, pour sa vivacité, et sa dynamique permanente.

Je présente mes remerciements à chacune de Mme. NATHALIE PARIZEL et Mme. SYLVIE CHOUA pour leur extrême gentillesse avec moi.

Je ne peux m'empêcher d'associer a mes collègues qui m'ont aidé dès mon arrivé a Strasbourg, RIADH BOURZAMI, KHALIF BENZID ET FATIMA DJEGHLOUL.

Un merci très spécial a KHALISSA MERAHI qu'a partagé avec moi le bureau durant (05 mois), pour ces encouragements, sa gentillesse et ses vifs conseils.

Enfin, je remercie mes parents, ma soeur, mon oncle ZIDANE, CHOUWKI et DJAMEL et toute ma famille qui m'a aidé et encouragée pour arriver à faire de si longues études.

La partie

théorique

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I-Introduction générale

La résonance paramagnétique électronique est par définition une spectroscopie qui permet l'observation d'un signal d'absorption d'un rayonnement micro-onde par le ou les spins d'un ou plusieurs électrons non-appariés placés dans un champ magnétique homogène B0. [13]

Cette spectroscopie tire partie de l'effet Zeeman pour sonder la matière ^[1]. Elle a été observé pour la première fois par le physicien soviétique «YEVGENY KANSTANTINOVITCH ZAVOISKY » en 1945. Les premiers spectromètres utilisaient une fréquence de 9 GHz qui est très largement utilisée de nos jours [2].

La résonance paramagnétique électronique (RPE) est applicable uniquement aux espèces paramagnétiques. L'étude de ces espèces peut se faire par deux principales méthodes en RPE : la RPE en onde continue et la RPE en onde pulsée. Il existe également des méthodes plus complexes, telles la double résonance électronique et nucléaire (ENDOR), la RPE détectée optiquement(ODEPR) ou encore l'ENDOR détectée optiquement (ODENDOR).

La RPE en onde pulsée a été proposée pour la manipulation des bits quantiques de spin (qubits en abrégé) en vue de la réalisation d'un ordinateur quantique^[1]. Le principe de ce dernier repose principalement sur une propriété quantique fascinante de la matière : la possibilité de superposer des états quantiques, l'usage de ces superpositions permettant en quelque sorte de réaliser plusieurs calculs simultanément sur la même machine quantique. Cette dernière pourrait potentiellement résoudre des problèmes de calculs qui sont actuellement insolubles avec un ordinateur classique.

Dans le cadre de mon stage de M2, réalisé au sein du laboratoire POMAM de l'Université de Strasbourg, j'ai réalisé une étude par RPE en onde continue et pulsée des spins des ions Co²⁺ dans l'oxyde de zinc massif (ZnO), afin d'évaluer leur potentiel en tant que bit quantique de spin électronique. La spécificité de ce spin électronique réside dans sa grande anisotropie magnétique (Zero Field Splitting, en anglais), dont nous démontrons ici qu'elle est néfaste aux propriétés de cohérence quantique de ces spins électroniques.

Le plan de ce rapport est divisé en deux parties. La première présente les éléments théoriques permettant de comprendre les méthodes de RPE en onde continue. La deuxième contient d'une part, une initiation a la RPE pulsée, et d'autre part, une présentation et une discussion des différents résultats expérimentaux obtenus.

, d'où une aimantation moyenne non nulle, manipulable hors équilibre par des micro-ondes.

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