Optical levitation of nanodiamonds in vacuum

Avec les nombreuses applications des pinces optiques, le développement des parti-cules en lévitation dans le vide connaît une période d’essor dans la recherche depuis plusieurs années. Le faible couplage à l’environnement permet d’avoir un système unique pour étudier les interactions fondamentales, de réaliser un capteur de forces et de couples très précis, de tester l’effet de la gravité sur des systèmes quantiques. L’observation récente du refroidissement de nanoparticules dans leur état fondamental quantique ouvre de belles perspectives dans l’étude de la transition entre le domaine de la mécanique quantique et classique. Le couplage entre la nanoparticule à un système à deux niveaux permet alors d’étendre le contrôle qu’il est possible d’appliquer sur la particule en lévitation dans le régime classique comme quantique, ainsi que d’étendre la sensibilité des mesures. Pour réaliser ce couplage, les centres NV, défauts colorés du diamant, sont de bons candidats car ils possèdent des propriétés de spin et optiques utilisables à température ambiante. Cependant, la lévitation optique de nanodiamants présente des limitations techniques, entre une instabilité du piège à pression modéré et un échauffement important du diamant induit par le laser de piégeage.Afin de réaliser des expériences de spin-optomécanique, nous commençons par démontrer dans cette thèse le piégeage optique de nanoparticules de diamant dopés fortement en centres NV, dans un vide modéré. Nous étudions ensuite l’échauffement des nanodiamants en bénéficiant des propriétés de thermométrie associées au centre NV. Cette étude nous permet de discuter des mécanismes d’absorption du diamant, à l’échelle de la particule unique, et ainsi de proposer des alternatives pour piéger des diamants sous des conditions de vide plus poussé. Nous discutons de l’impact de cet échauffement sur la dynamique de la particule, et sur sa stabilité dans le piège optique. Nous démontrons alors une méthode permettant de déterminer la température interne d’un nanodiamant à partir de sa dynamique.Finalement, nous réalisons les premières expériences de spin-optomécanique en lévitation optique, en couplant le spin des centres NV à un mode de libration du nanodiamant. Nous mettons en évidence la lecture du mouvement de la particule à travers sa résonance de spin. Nous démontrons que cette mesure peut être utilisée pour étalonner la lecture optique de la dynamique du nanodiamant.Ainsi, ces résultats proposent des voies encourageantes pour améliorer la stabilité des nanodiamants dans les pièges optiques. De plus, ils ouvrent la voie à un contrôle fin des modes mécaniques par le spin des centres NV avec de nombreuses perspectives dans la mesure de force, ou l’observation d’effets quantiques aux échelles mésoscopiques.Through the numerous applications of optical tweezers, the development of vacuum levitated particles has known an active research activity over the last few years. The weak coupling to the environment then provides a unique platform to study fundamental interactions, ultrasensitive force and torque sensing, and the effects of gravity on quantum systems. The recent possibility to reach the quantum ground state of nanoparticles by cooling them offers a good system to study the transition between the quantum world and the classical one. A nanoparticle coupled to a two-level system can extend the control on the levitated particle in both the quantum and classical regimes and can benefit to the sensitivity of measurements. To realize the coupling, the NV centres, color defects of diamond, could play the role due to its unique optical and spin properties at room temperature. However, it has been shown that the optical levitation of nanodiamonds is limited to moderate vacuum due to excessive heating of the diamond by the trapped laser.We demonstrate in this thesis the optical levitation of nanoparticles of diamond highly doped in NV centres in a moderate vacuum to realize spin-optomechanical experiments. Then, we study the heating of the nanodiamonds using the thermometry properties associated to the NV centre. This work provides a discussion on the absorption process at the particle scale, and proposes alternatives to trap nanodiamonds on high vacuum. We discuss the impact of this heating on the particle dynamics and on the stability of the optical trap. We demonstrate a method to determine the internal temperature of a nanodiamond by using its dynamics.Finally, we realize the first experiments of spin-optomechanics in optical levitation by coupling the spin of the NV centre to a librational mode of the nanodiamond. We highlight the possibility to use the spin resonance to detect the particle motion. We demonstrate that this measurement can be used to calibrate the optical detection of the nanodiamond dynamics.Our work offers new amazing perspectives to improve the stability of nanodiamonds trapped in optical tweezers. Moreover, it opens new paths to clearly control the mechanical modes by using the NV centres spin with several opportunities to measure tiny forces or torques, or to observe quantum effects at mesoscopic scale