Using diamond defects as sensors in extreme conditions

La magnétométrie à centre NV du diamant est une technique d'imagerie magnétique bien établie permettant de réaliser des mesures quantitatives et non-perturbatives du champ magnétique avec une résolution allant du micromètre jusqu'au nanométre. Ce mémoire de thèse décrit la mise en place d'expériences de magnétométrie NV dans des conditions expérimentales complexes, encore peu étudiées à l'aide du centre NV du diamant : les températures cryognéiques, les hautes pressions et les matériaux magnétiques fortement aimantés. Notre objectif est de repousser les limites d'utilisation de cette technique afin d'étendre la gamme des matériaux pouvant être étudiés. Après avoir présenté les propriétés physiques du centre NV dans le premier chapitre, nous appliquerons, dans le chapitre 2, la magnétométrie NV à des expériences à basse température (4 kelvins) avec l'étude du semiconducteur ferromagnétique GaMnAsP. Nous avons ainsi mesuré l'homogénéité des propriétés magnétiques d'un film mince de GaMnAsP. Les résultats présentés dans le chapitre 3 montrent qu'il est également possible de dépasser la limite aux champs forts (quelques mT) qui restreint les applications de la magnétométrie NV. Le protocole mis en place sur le matériau magnétique multicouche [Ir,Co,Pt](14) permet de mesurer la morphologie des structures magnétiques, même dans ce régime de forts champs. Enfin, le chapitre 4 décrit des expériences de magnétométrie NV à haute pression grâce à l'utilisation de la cellule à enclumes de diamant. Nous avons en particulier étudié l'évolution des niveaux d'énergie du centre NV en fonction de la pression grâce à la mesure de son spectre de luminescence. Cette étude a été ensuite étendue à d'autres centres colorés du diamant : les centres SiV et GeV. Ces expériences permettent de comprendre l'effet des contraintes sur les propriétés de ces défauts ponctuels, avec de nombreuses applications tant pour les centres NV, que pour les centres SiV et GeV.NV center magnetometry is a well-established magnetic imaging technique that provides quantitative and non-perturbative magnetic field measurements with a spatial resolution ranging from the micrometer to the nanometer. This thesis describes the implementation of NV magnetometry measurements under complex experimental conditions, which are still not fully studied using the diamond NV center: cryogenic temperatures, high pressures and magnetic materials with high magnetisation. The purpose of this thesis is to push the limits of NV magnetometry in order to extend the range of materials studied by this technique. After introducing the physical properties of the NV center in the first chapter, we apply, in chapter 2, NV magnetometry to low temperature experiments (4 kelvins) thanks to the study of the ferromagnetic semiconductor GaMnAsP. We measured the homogeneity of the magnetic properties in a GaMnAsP thin film. The results presented in chapter 3 demonstrate that the strong fields limit (of few mT) can be exceeded to widen the applicability of NV magnetometry. The protocol we implemented on [Ir,Co,Pt](14) magnetic multilayer films allows us to measure the morphology of magnetic structures, even in this strong field regime. Finally, Chapter 4 describes high pressure NV magnetometry experiments using the diamond anvil cell. We have studied in particular the evolution of the energy levels structure of the NV center as a function of the pressure thanks to its luminescence spectrum. We then expanded this study to other color centers in diamond: the SiV and GeV centers. These experiments allow the understanding of the effect of strain on these point defects properties, with several applications for NV, SiV and GeV centers