Détection in situ de la supraconductivité à haute température critique sous haute pression par magnétométrie à centres NV

L'application de hautes pressions permet d'accéder à de nouvelles phases de la matière, en modifiant profondément les propriétés structurales, électroniques et magnétiques des matériaux. Cette stratégie est aujourd'hui essentielle à la découverte et la compréhension de matériaux supraconducteurs à température critique élevée. Ces hautes pressions sont obtenues à l'aide de cellules à enclumes de diamant (CED), permettant de comprimer un échantillon de dimensions micrométriques jusqu'à plusieurs centaines de gigapascals. Toutefois, la détection de la supraconductivité dans ces conditions extrêmes reste délicate en raison des limitations des méthodes conventionnelles de mesure, souvent incompatibles avec le très faible volume disponible in situ et les contraintes imposées par la CED. Cette thèse propose d'utiliser une méthode alternative, fondée sur la magnétométrie optique à centres NV du diamant, pour détecter in situ des signatures magnétiques de la supraconductivité à haute pression. Les centres NV sont créés par implantation d'ions à la surface d'une des deux enclumes de la CED et permettent de sonder localement l'expulsion du champ magnétique par un échantillon dans l'état supraconducteur, apportant ainsi une observation directe de l'effet Meissner. Le premier chapitre présente le contexte de la supraconductivité à haute pression et les techniques de détection usuelles. Il décrit les défis techniques liés à leur mise en œuvre en CED. Le deuxième chapitre introduit le fonctionnement des centres NV, leur réponse à un champ magnétique, ainsi que leur intégration dans un environnement contraint par la pression. Les effets des contraintes mécaniques sur les états quantiques du centre NV sont étudiés, montrant qu'un régime de compression hydrostatique est nécessaire pour conserver les mécanismes induisant la sensibilité au champ magnétique. Le troisième chapitre explore plusieurs stratégies pour obtenir ce régime hydrostatique, notamment par la microstructuration de l'enclume. Cette approche permet d'étendre la sensibilité du capteur NV au-delà de 100 GPa. Les deux derniers chapitres sont consacrés à l'application de cette technique pour détecter la supraconductivité d'un composé modèle, le cuprate de mercure. En imagerie confocale, nous détectons la transition supraconductrice via la réduction du champ magnétique local liée à l'effet Meissner, et nous mesurons l'évolution de la température critique avec la pression jusqu'à 45 GPa. En imagerie en champ large, nous cartographions spatialement la transition, la distribution du champ magnétique, et le piégeage de flux magnétique à l'échelle micrométrique. Ce travail montre que la magnétométrie à centres NV est une méthode robuste pour sonder des transitions magnétiques sous haute pression. Elle pourrait permettre également d'étudier l'existence de phases supraconductrices associées à des controverses récentes, comme celles des super-hydrures.