Le spin de l’électron est aujourd'hui utilisé en tant que support d'une information quantique par un grand nombre d’équipes de recherche pour développer la spintronique quantique. Ce champ de recherche a pour ambition de poser les fondements d'une électronique quantique basée sur des spins uniques avec comme fer de lance la réalisation d'un l’ordinateur quantique utilisant des bits quantiques (qubits) de spin. Une collaboration grenobloise faisant intervenir des chercheurs de l’Irig, du CEA-Leti et de l’institut Néel travaille actuellement sur cette nouvelle électronique en utilisant la technologie silicium CMOS. Cette collaboration vient de réaliser une nouvelle lecture originale d'un qubit de spin dans le silicium.

Avant d’entrer dans les détails de ce résultat, commençons par une analogie. Imaginons une petite fille faisant de la balançoire et focalisons-nous sur ces deux pouces (Figure A).


A - Fille sur une balançoire. La fréquence de la balançoire dépend finement de l'orientation de ses pouces.

En fonction de leur orientation vers le haut ou vers le bas, la répartition de la masse de l’enfant subira de très légères variations qui induiront une modification extrêmement faible de la fréquence de balancement. S’il est possible d’en mesurer très précisément la fréquence, alors il devient théoriquement envisageable de savoir si l’enfant à ses pouces tous les deux orientés dans la même direction (parallèles) ou positionnés en sens opposé (antiparallèles). En remplaçant les pouces de la petite fille par 2 spins, et la balançoire par un résonateur électrique inductif/capacitif (LC) nous avons une image de l’expérimentation mise en place par les physiciens grenoblois pour lire un qubit de spin.

Les chercheurs ont mis au point un dispositif de qubit de spin (Figure B) dont une des propriétés remarquables est le fait que sa capacité électrique dépend très légèrement de l'orientation des spins. Ces variations de capacité seront alors détectées par le résonateur LC dont la fréquence de résonance est extrêmement sensible à ces variations.


B - Schémas de principe de l’installation. L’échantillon utilisé est un transistor à nanofil à 2 grilles en silicium sur isolant. Proche du zéro absolu, il est possible d’isoler deux spins dans le nanofil, chacun sous une grille. La grille 1 est connectée à un résonateur LC et la grille 2 à un générateur micro-onde capable d’induire la précession de spin. Le résonateur LC est lu par un montage de réflectométrie.

Par impulsion micro-onde, les physiciens manipulent le qubit, autrement dit ils font tourner le spin du haut vers le bas. Comme le spin de lecture ne bouge pas, l’ensemble des deux spins oscille alors entre deux configurations : dans la même direction (parallèles) ou dans des directions opposées (anti-parallèles) (Figure C). Hors ces deux configurations influencent de manière très légèrement différente la fréquence de résonance du circuit LC. Ainsi en monitorant cette fréquence très précisément les physiciens arrivent à suivre l’état du qubit.


C - L’oscillation entre un état parallèle et un état anti-parallèle se traduit par une légère oscillation de la fréquence de résonance du résonateur LC. La variation de fréquence est montrée en couleur en fonction de la fréquence et du temps d'excitation du spin. Les oscillations de la fréquence résultent de la précession de spins dans le transistor silicium.