Developing an inductive spectrometer for electron paramagnetic resonance detection and imaging at the micron scale using superconducting quantum circuits.

Projektinformationen

INDIGO

ID Finanzhilfevereinbarung: 101039953

DOI 10.3030/101039953

EK-Unterschriftsdatum 15 März 2022

Startdatum 1 Oktober 2022

Enddatum 30 September 2027

Finanziert unter

• European Research Council (ERC)

Gesamtkosten € 1 992 500,00

EU-Beitrag € 1 992 500,00

Koordiniert durch

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS
France

Projektbeschreibung

Supraleitende Schaltkreise könnten Empfindlichkeit der paramagnetischen Elektronenresonanz erhöhen

Die paramagnetische Elektronenresonanz ist eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung von Materialien, die ungepaarte Elektronen umfassen. Die Methode erkennt und charakterisiert paramagnetische Spezies, in der Regel durch Messung der Mikrowellenemission oder -absorption durch ihre Elektronenspins. Da Spins nur schwach an Mikrowellen gekoppelt sind, kann die Methode nur für ausreichend große und konzentrierte Proben eingesetzt werden. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts INDIGO werden Verfahren aus dem Bereich der supraleitenden Schaltkreise genutzt, um die Empfindlichkeit der Detektion paramagnetischer Elektronenresonanz erheblich zu steigern, womit die Abbildung neuartiger Proben in Mikrogröße möglich ist. INDIGO bietet ein vielversprechendes Instrument für Biologie, Chemie und Physik der kondensierten Materie, mit dem sich beispielsweise Signale der paramagnetischen Elektronenresonanz in Einzelzellen, Mikroproteinkristallen oder von organischen Halbleitern nachweisen lassen.

Ziel

Electron paramagnetic resonance (EPR) is a powerful spectroscopy method which allows to identify paramagnetic species and quantify their interactions with their environment. Because of the weak spin-microwave coupling, conventional EPR spectroscopy has a low sensitivity which limits its use to samples of macroscopic size. Recent experiments demonstrated that superconducting quantum circuits have the potential to drastically enhance the spin detection sensitivity down to the detection of ~10 spins within 5 fL. However, these demonstrations have so far been done using well-known model spin systems and in restrictive conditions: very narrow spin and detector linewidths, extremely low microwave losses, and low static magnetic fields. They are thus incompatible with modus operandi that are typical in EPR spectroscopy: probing aqueous or non-crystalline samples, applying strong magnetic fields, or studying species with short coherence lifetimes or spin-spin interactions which require large excitation bandwidth. The restrictive conditions of these proof-of-concepts are however not a prerequisite for achieving high-sensitivity EPR detection. Using recent advances made in the fabrication process and in the design of quantum circuits, I propose to lift these restrictions and build a quantum-circuit based EPR spectrometer able to probe a large scope of spin species and to detect, characterize and image EPR signals in micron-sized samples. We will meet this goal by 1) developing a resilient high-sensitivity spectrometer able to probe spins with short coherence times and characterize spin-spin interactions; 2) implementing imaging techniques with sub-micron resolution; and 3) benchmarking our spectrometer for typical volume-limited applications. Our EPR spectrometer will open interesting research paths in biology chemistry or condensed matter, for instance by allowing to detect EPR signals in single cells, micro-protein crystals or from organic semiconductors.

Wissenschaftliches Gebiet

• Naturwissenschaften › Naturwissenschaften › Elektromagnetismus und Elektronik › Supraleiter
• Naturwissenschaften › Naturwissenschaften › Optik › Spektroskopie

Schlüsselbegriffe

• Electron spin resonance. High-sensitivity detection and imaging. Quantum circuits technologies. Application to biology and chemistry

Programm/Programme

• HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme

Thema/Themen

• ERC-2021-STG - ERC STARTING GRANTS

Aufforderung zur Vorschlagseinreichung

ERC-2021-STG

Finanzierungsplan

HORIZON-ERC - HORIZON ERC Grants

Koordinator

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS

• Netto-EU-Beitrag: € 1 992 500,00
• Adresse: Rue michel ange 3 ; 75794 Paris ; Frankreich
• Region: Ile-de-France › Ile-de-France › Paris
• Aktivitätstyp: Research Organisations
• Weitere Finanzmittel: € 0,00