Negatively Curved Nanographene with Heptagonal and [5]Helicene Units

Negatively curved nanographene (NG) 4, having two heptagons and a [5]helicene, was unexpectedly obtained by aryl rearrangement and stepwise cyclodehydrogenations. X-ray crystallography confirmed the saddle-shaped structures of intermediate 3 and NG 4. The favorability of rearrangement over helicene formation following radical cation or arenium cation mechanisms is supported by theoretical calculations. NG 4 demonstrates a reversible mechanochromic color change and solid-state emission, presumably benefiting from its loose crystal packing. After resolution by chiral high-performance liquid chromatography, the circular dichroism spectra of enantiomers 4-(P) and 4-(M) were measured and showed moderate Cotton effects at 350 nm [Formula: see text]

Research campaign : macroscopic quantum resonators (MAQRO)

The objective of the proposed macroscopic quantum resonators (MAQRO) mission is to harness space for achieving long free-fall times, extreme vacuum, nano-gravity, and cryogenic temperatures to test the foundations of physics in macroscopic quantum experiments at the interface with gravity. Developing the necessary technologies, achieving the required sensitivities and providing the necessary isolation of macroscopic quantum systems from their environment will lay the path for developing novel quantum sensors. Earlier studies showed that the proposal is feasible but that several critical challenges remain, and key technologies need to be developed. Recent scientific and technological developments since the original proposal of MAQRO promise the potential for achieving additional science objectives. The proposed research campaign aims to advance the state of the art and to perform the first macroscopic quantum experiments in space. Experiments on the ground, in micro-gravity, and in space will drive the proposed research campaign during the current decade to enable the implementation of MAQRO within the subsequent decade

Réalisation d'un magnétomètre à centre coloré NV du diamant

Imaging weak magnetic fields at the nanoscale is a challenge for many field of reasearch, and for a wide range of applications, such as in material science, for the magnetic storage of the information, or in quantum optics with the opportunity to control a single spin used as a quantum bit, or in biophysics where magnetic resonance can enable structural imaging of a protein. In that context, this thesis describes the realisation of a scanning probe magnetometer based on the electron spin resonance of a single NV colour centre in diamond. Such a magnetometer provides unprecedented properties, consisting of a sub-nanometric spatial resolution, given by the effective atomic size of the defect, combined with a high sensitivity (< 1 µT/Hz^(-1/2)), even at room temperature. Moreover magnetic field ca be measured quantitatively, with no perturbation induced, which is a major asset comparing to what can be done using the usual magnetic force microscopy technique. We will first describe the realisation of the magnetic probe, consisting of a single NV colour centre in a diamond nanocristal, grafted at the apex of an AFM tip. Properties of this magnetometer will be then characterized by imaging the stray field generated by a magnetic hard disk. Different imaging techniques will be presented, and compared during this study. Finally, magnetic vortex in patterned ferromagnetic thin film will be imaged, especially the vortex core, which is known to be one of the smallest object of micromagnetism. The exceptional properties of NV based magnetometry, demonstrated in ths work, might enable various applications in nanomagnetisms and spintronics.L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique

Realisation of a NV coulour centre based magnetometer

L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique.Imaging weak magnetic fields at the nanoscale is a challenge for many field of reasearch, and for a wide range of applications, such as in material science, for the magnetic storage of the information, or in quantum optics with the opportunity to control a single spin used as a quantum bit, or in biophysics where magnetic resonance can enable structural imaging of a protein. In that context, this thesis describes the realisation of a scanning probe magnetometer based on the electron spin resonance of a single NV colour centre in diamond. Such a magnetometer provides unprecedented properties, consisting of a sub-nanometric spatial resolution, given by the effective atomic size of the defect, combined with a high sensitivity (< 1 µT/Hz^(-1/2)), even at room temperature. Moreover magnetic field ca be measured quantitatively, with no perturbation induced, which is a major asset comparing to what can be done using the usual magnetic force microscopy technique. We will first describe the realisation of the magnetic probe, consisting of a single NV colour centre in a diamond nanocristal, grafted at the apex of an AFM tip. Properties of this magnetometer will be then characterized by imaging the stray field generated by a magnetic hard disk. Different imaging techniques will be presented, and compared during this study. Finally, magnetic vortex in patterned ferromagnetic thin film will be imaged, especially the vortex core, which is known to be one of the smallest object of micromagnetism. The exceptional properties of NV based magnetometry, demonstrated in ths work, might enable various applications in nanomagnetisms and spintronics

Réalisation d'un magnétomètre à centre coloré NV du diamant

L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 T/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique.Imaging weak magnetic fields at the nanoscale is a challenge for many field of reasearch, and for a wide range of applications, such as in material science, for the magnetic storage of the information, or in quantum optics with the opportunity to control a single spin used as a quantum bit, or in biophysics where magnetic resonance can enable structural imaging of a protein. In that context, this thesis describes the realisation of a scanning probe magnetometer based on the electron spin resonance of a single NV colour centre in diamond. Such a magnetometer provides unprecedented properties, consisting of a sub-nanometric spatial resolution, given by the effective atomic size of the defect, combined with a high sensitivity (< 1 T/Hz^(-1/2)), even at room temperature. Moreover magnetic field ca be measured quantitatively, with no perturbation induced, which is a major asset comparing to what can be done using the usual magnetic force microscopy technique. We will first describe the realisation of the magnetic probe, consisting of a single NV colour centre in a diamond nanocristal, grafted at the apex of an AFM tip. Properties of this magnetometer will be then characterized by imaging the stray field generated by a magnetic hard disk. Different imaging techniques will be presented, and compared during this study. Finally, magnetic vortex in patterned ferromagnetic thin film will be imaged, especially the vortex core, which is known to be one of the smallest object of micromagnetism. The exceptional properties of NV based magnetometry, demonstrated in ths work, might enable various applications in nanomagnetisms and spintronics.CACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Temperature dependence of the longitudinal spin relaxation time T1 of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds

International audienceWe report the experimental study of the temperature dependence of the longitudinal spin relaxation time T1 of single nitrogen-vacancy (NV) centers hosted in nanodiamonds. To determine the relaxation mechanisms at stake, measurements of the T1 relaxation time are performed for a set of individual NV centers both at room and cryogenic temperatures. The results are consistant with a temperature-dependent relaxation process, which is attributed to a thermally activated magnetic noise produced by paramagnetic impurities lying on the nanodiamond surface. These results confirm the existence of surface-induced spin relaxation processes occurring in nanodiamonds, which are relevant for future developments of sensitive nanoscale NV-based quantum sensors

Spin-Mechanics with Nitrogen-Vacancy Centers and Trapped Particles

International audienceControlling the motion of macroscopic oscillators in the quantum regime has been the subject of intense research in recent decades. In this direction, opto-mechanical systems, where the motion of micro-objects is strongly coupled with laser light radiation pressure, have had tremendous success. In particular, the motion of levitating objects can be manipulated at the quantum level thanks to their very high isolation from the environment under ultra-low vacuum conditions. To enter the quantum regime, schemes using single long-lived atomic spins, such as the electronic spin of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond, coupled with levitating mechanical oscillators have been proposed. At the single spin level, they offer the formidable prospect of transferring the spins’ inherent quantum nature to the oscillators, with foreseeable far-reaching implications in quantum sensing and tests of quantum mechanics. Adding the spin degrees of freedom to the experimentalists’ toolbox would enable access to a very rich playground at the crossroads between condensed matter and atomic physics. We review recent experimental work in the field of spin-mechanics that employ the interaction between trapped particles and electronic spins in the solid state and discuss the challenges ahead. Our focus is on the theoretical background close to the current experiments, as well as on the experimental limits, that, once overcome, will enable these systems to unleash their full potential

Synthesis and optical properties of rod-shaped graphene nanoparticles

International audienceThe scientific community has given much interest to graphene in recent years because of its good mechanical, thermal and electrical properties. Nonetheless, applications in optics and optoelectronics can be limited due to the absence of a bandgap. In order to engineer a bandgap, we can reduce the size of graphene into graphene quantum dots (GQDs). GQDs synthesis is primarily described via top-down methods (lithography, hydrothermal and electrochemical approaches). Though effective, these methods do not allow accurate control of the size, shape and edges of the GQDs. On the other hand, bottom-up graphene materials have developed exponentially for the last decade with the synthesis of highly controlled graphene nanoribbon structures and moderately soluble graphene quantum dots. Our group demonstrated that bottom-up GQDs could act as singlephoton emitters exhibiting high brightness and stabilit