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Single-chip electron spin resonance detectors: limit of detection, applications, and exotic phenomena

English title Single-chip electron spin resonance detectors: limit of detection, applications, and exotic phenomena
Applicant Boero Giovanni
Number 175939
Funding scheme Project funding
Research institution Laboratoire de microsystèmes 1 EPFL - STI - IMT - LMIS1
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Microelectronics. Optoelectronics
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2023
Approved amount 409'010.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Microelectronics. Optoelectronics
Condensed Matter Physics
Physical Chemistry
Electrical Engineering

Keywords (3)

Electron paramagnetic resonance (EPR); Electron spin resonance (ESR); CMOS

Lay Summary (French)

Lead
Le but de ce projet est d'étudier, de concevoir et d'appliquer des détecteurs monopuce sous forme de détecteurs inductifs micro-ondes à haute sensibilité pour la spectroscopie par résonance de spin électronique (ESR) d'échantillons sub-nanolitres.
Lay summary
Le but de ce projet est d'étudier, de concevoir et d'appliquer des détecteurs monopuce sous forme de détecteurs inductifs micro-ondes à haute sensibilité pour la spectroscopie par résonance de spin électronique (ESR) d'échantillons sub-nanolitres. Notre approche est basée sur l'intégration de tous les éléments significatifs pour leur sensibilité de spin dans une seule puce ayant une surface inférieure à 1 mm2. Dans le précédent projet du FNS, nous avons identifié les principaux problèmes qui limitent actuellement la sensibilité de l'approche proposée, ainsi que les stratégies possibles pour les surmonter. Les stratégies pour les résoudre comprennent l'étude de différentes technologies de circuits intégrés et la mise en œuvre de différentes topologies d'oscillateurs. Dans ce nouveau projet, nous visons à étudier et mettre en œuvre expérimentalement telles stratégies, afin de démontrer que l'approche du détecteur monopuce peut dépasser l'état de l'art en termes de sensibilité et de polyvalence, ouvrant de nouvelles possibilités en spectroscopie ESR d'échantillons sub-nanolitres. Nous cherchons à étudier l'approche du détecteur monopuce sur une large gamme de fréquences (de 10 GHz à 300 GHz) et de températures (de 0,3 K à 300 K). En particulier, nous allons concevoir des détecteurs monopuce pour (1) étudier et améliorer leur limite de détection, (2) effectuer des expériences ESR jusqu'ici au-delà des limites de sensibilité des systèmes inductifs, (3) étudier des phénomènes exotiques dans leur "limite quantique" .
Direct link to Lay Summary Last update: 09.04.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
108162 Innovative detection methods for electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy on small samples 01.04.2005 Project funding
157771 Cryofree magnet with variable temperature insert 01.02.2015 R'EQUIP
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100585 Innovative detection methods for electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy on small samples 01.04.2003 Project funding
205378 Cryogenic RF Probe Station 01.08.2022 R'EQUIP
153360 Nanometer scale electron spin resonance spectroscopy by single-chip microwave inductive detection 01.09.2014 Project funding

Abstract

The aim of this project is to study, design, and apply single-chip detectors as high sensitivity microwave inductive detectors for electron spin resonance (ESR) spectroscopy of sub-nanoliter samples. Our approach is based on the integration of all elements that are significant for their spin sensitivity into a single-chip having an area smaller than 1 mm2. In the previous SNSF project we identified the major issues currently limiting the achievable spin sensitivity of the proposed approach, together with possible strategies to overcome them. The identified major issues are the large 1/f frequency noise and the large minimum microwave magnetic field B1. Strategies to solve them include the investigation of different integrated circuit technologies and the implementation of different oscillator topologies. In this new project we aim to study and experimentally implement such strategies, with the aim to demonstrate that the single-chip detector approach can go beyond the state-of-the art in terms of spin sensitivity and versatility, opening new possibilities in ESR spectroscopy of sub-nanoliter samples. Thanks to an SNSF Re’equip grant, we have recently installed a cryofree superconducting magnet, specifically conceived for ESR experiments and ideally suited for the project aim of investigating the single-chip detector approach over a broad range of microwave frequencies (from 10 GHz to 300 GHz) and temperatures (from 0.3 K to 300 K). In particular, we will design single-chip detectors to (1) study and improve their limit of detection, (2) perform ESR experiments hitherto beyond the sensitivity limitations of inductive systems, (3) investigate exotic phenomena in their “quantum condition limit”.The limit of detection studies have the aim of achieving spins sensitivities better than 108 spins/Hz1/2 at 300 K and 10 GHz on sensitive volumes in the order of (100 µm)3, and better than 1000 spins/Hz1/2 at 3 K and 300 GHz on sensitive volumes in the order of (10 µm)3. Such spin sensitivities, operating frequencies and temperatures, will allow us to investigate the use of single chip ESR detectors for dynamic nuclear polarization (DNP) experiments on sub-nanoliter samples, for the study of spin centers in microelectronics devices, and for the study of frequency jumps in their time-domain frequency noise and of frequency “quantum” discretization in their frequency noise spectral density.
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