Extending electron spin resonance using superconducting quantum circuits to spin species with short coherence times

Electron spin resonance (ESR) is a widely diffused technique to characterize unpaired electrons.The recent developments in circuit quantum electrodynamics have allowed to probe samples down to the fL volume thanks to cryogenic temperatures, quantum limited amplification and superconducting resonator characterized by low electromagnetic mode volumes and very small spectral linewidths. The proof-of-concept realized have shown an unprecedented increase in the sensitivity of such technique but the are restricted to spins with narrow linewidths, limiting chemical and biological applications. The goal of this work is to address more spin species by dynamically acting on the ESR resonator linewidth to enlarge its excitation bandwidth. Firstly, we study the spin echo sequence numerically, showing an advantage in varying the resonator linewidth. Then we design an on-chip superconducting filter able to perform such task. Finally, we fabricate and measure the device, gaining important insights for future improvements.

La risonanza di spin elettronico (ESR) é una tecnica estremamente diffusa per caratterizzare specie paramagnetiche. I recenti sviluppi nelle tecnologie quantistiche basate su circuiti superconduttori hanno permesso la misura di campioni con volumi fino al femtolitro grazie alle temperature criogeniche, alla possibilità di utilizzare amplificatori cosidetti « quantum limited » e a risonatori superconduttori caratterizzati da un limitato volume del modo elettromagnetico generato e da una fine larghezza spettrale. I risultati ottenuti con tale tecnologia hanno mostrato un aumento eccezionale della sensibilità di questa tipologia di spettroscopia. Essi sono tuttavia limitati a spin elettronici con ridotta larghezza spettrale, aspetto che riduce notevolmente le applicazioni chimiche e biologiche. L’obiettivo di questo lavoro é permettere la misura di una più larga classe di spin agendo dinamicamente sulla banda passante del risonatore ESR. Viene innanzitutto studiata numericamente la sequenza di misura chiamata « spin echo », mostrando un vantaggio nel variare la larghezza spettrale del risonatore . In seguito é proposto un filtro capace di realizzare quanto mostrato nelle simulazioni precendenti. Come ultimo é discussa la realizzazione e la misura del dispositivo, ottenendo importanti informazioni per miglioramenti futuri.