Among several hundred impurities and defects that can occur in diamond, the nitrogenvacancy (NV) center is one of the most interesting for quantum technologies at room temperature. Several properties make it an excellent platform for many applications, from nanosensor to quantum information processing. This thesis presents the first explorations of NV-based technologies in our laboratory, investigating three sets of studies aimed at learning the know-how of this field of research and developing the necessary infrastructure to explore them in future quantum technologies. The first set of studies focus on magnetometry and how to improve NV-based magnetic sensing. We show that, using engineered ensembles of NV centers in ultrapure synthetic diamonds, one can build a relatively simple apparatus to do magnetic imaging of relatively large areas while determining the full vector field with high spatial resolution and very good sensitivity. We also show that these measurements can be used to reconstruct the current density distribution of nearby sources, opening exciting possibilities to study two-dimensional materials. Another set of studies involve spin coherence of an ensemble of NV centers. For that, we developed a method based on a CCD camera and an imaging protocol that allows implementing pulse sequences like Rabi, Ramsey and Hahn echo, performing Electron Spin Resonance (ESR) spectroscopy over extended areas. Using this method we extract parameters from our sample, including measurements for T1, T2 and T*2. The method was also used to observe Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM), due to hyperfine interaction with nearby 15N nucleus, resulting in improved frequency sensitivity. The third set of studies explore how to use femtosecond lasers to produce NV centers in diamond and investigated the nonlinear index of refraction (n2) of the diamond (type IIa) in a broad spectral region, from the infrared (1500 nm) to the ultraviolet (260 nm). / Entre várias centenas de impurezas e defeitos que podem ocorrer no diamante, o centro Nitrogênio-Vacância (NV) é um dos mais interessantes para tecnologias quânticas em temperatura ambiente. Diversas propriedades fazem dele uma excelente plataforma para muitas aplicações, desde nanosensores até o processamento de informações quânticas. Esta tese apresenta a primeira exploração de tecnologias baseadas em NV no nosso laboratório, investigando três conjuntos de estudos com objetivo de aprender o know-how desta área de pesquisa e desenvolver a infra-estrutura necessária para explorá-los em futuras tecnologias quânticas. O primeiro conjunto de estudos enfoca a magnetometria e como melhorar o sensores magnético baseado em centros NV. Mostramos que um aparato relativamente simples pode ser usado para produzir imagens magnéticas do campo vetorial, usando ensembles de centros NV em diamantes sintéticos ultrapuros. Também mostramos que essas medidas podem ser usadas para reconstruir a distribuição de densidade de corrente de fontes próximas, abrindo possibilidades interessantes para o estudo de materiais bidimensionais. Outro conjunto de estudos envolve a coerência de spin de um ensemble de centros NV. Para isso, desenvolvemos um método baseado em uma câmera CCD e um protocolo de imagem que permite implementar sequências de pulsos como Rabi, Ramsey e eco Hahn, realizando espectroscopia de ressonância de spin eletrônico (ESR) sobre áreas estendidas. Usando esse método, extraímos parâmetros de nossa amostra, incluindo medidas para T1, T2 e T*2. O método também foi usado para observar o efeito ESEEM (Envelope de Modulação de Eco de Spin Eletrônico), devido à interação hiperfina com o núcleo próximo de 15N, resultando numa melhor sensibilidade de freqüência. Finalmente, o terceiro conjunto de estudos explorou como usar lasers de femtossegundos para produzir centros NV em diamante e investigou o índice de refração não-linear (n2) do diamante (tipo IIa) em uma ampla região espectral, desde o infravermelho (1500 nm) até o ultravioleta (260 nm).

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro e Jose Antonio Brum / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T11:01:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alegre_ThiagoPedroMayer_D.pdf: 15787837 bytes, checksum: a41c0877b93a156734db9d614610e2f4 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Esta tese consistiu na proposição e implementação de um sistema para processamento de informação quântica, focando a instrumentação necessária. Os aspectos físicos da computação, como a energia associada, entropia de Shannon, entre outros conceitos básicos observados na perspectiva de física, foram revistos. Pontos quânticos semicondutores de InAs:GaAs foram eleitos como candidatos para a implementação física do sistema; em particular, focou-se no grau de liberdade de spin do elétron. Conseqüentemente, investigaram-se as propriedades de tensor-g dos elétrons aprisionados em pontos quânticos e o grau de polarização de spin, como função do campo magnético e da temperatura. Naturalmente, as propriedades eletrônicas, como o potencial de confinamento e as transições ópticas, foram caracterizadas e modeladas através da teoria de massa efetiva, assumindo-se um potencial de confinamento lateral parabólico. Dado que o grau de liberdade de spin foi eleito, construiu-se um sistema de medidas de ressonância paramagnética de spins. Optou-se por não se utilizar sistemas comerciais padrão. Em lugar disto, foi projetada uma montagem conectorizada, onde o material semicondutor se encontra dentro de umchip desenhado para concentrar o campo magnético de microonda sobre o dispositivo, campo este necessário para a realização de ressonância paramagnética. O chip consistiu basicamente de uma cavidade de microfita de meia onda. Foi construída também uma cavidade com duas entradas, permitindo o controle arbitrário da polarização aplicada à amostra. Finalmente, a leitura de estados quânticos de spin em centros paramagnéticos é demonstrada através de detecção óptica. A alta sensibilidade desse tipo de detecção permite que um único defeito seja mapeado. A seletividade, tanto do ponto de vista das transições ópticas quanto das transições de spin, é estudada e manipulada, utilizando-se da montagem experimental de cavidades ressonantes. Adicionalmente, perspectivas de experimentos sobre a integração e utilidade do sistema são apresentados / Abstract: This thesis proposes and implements a system for quantum information processing, focusing primarily on the associated instrumentation. The basic physical aspects for computation, such as the associated energy and Shannon's entropy, were revisited. InAs:GaAs quantum dots were elected as the physical system of choice for this implementation; in particular, the spin degree of freedom of the trapped electrons was utilized. Therefore, the electronic properties of the quantum dots, as well the g-tensor and the polarization degree, were investigated as a function of the temperature and magnetic field. It was possible to describe the electronic properties within the effective mass formalism, assuming a parabolic lateral confinement. Since the spin degree of freedom was elected as the basis for the quantum computation, a system for spin paramagnetic resonance was devised. The choice for not using a commercial system was made. Instead, a connectorized setup was designed, permitting the semiconductor material to be within a chip, and additionally allowing for focusing the microwave magnetic field above the device. Basically, this chip consisted of a half-wavelength microstrip cavity. A second microstrip cavity with two input ports was also designed to allow the arbitrary control of microwave polarization delivered to the sample. Finally, the quantum state read-out was demonstrated through an optical technique on Nitrogen-Vacancy complexes in diamond. The high sensitivity of the system allows for single spin detection. The selectivity for the optical and spin transitions was characterized and manipulated, using the resonant cavity experimental setup. As a perspective, experiments exploring integration issues on the system are shown / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências