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Patrick Torresani

Spintronique quantique de trous dans des hétérostructures de germanium contraint

Publié le 14 juin 2017


Thèse soutenue le 14 juin 2017 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
Le travail exposé dans cette thèse de doctorat présente des expériences à basse température dans le domaine de la spintronique quantique sur des hétérostructures à base de germanium. Tout d’abord, les avantages attendus du germanium pour la spintronique quantique sont exposés, en particulier la faible interaction hyperfine et le fort couplage spin-orbite théoriquement prédits dans le Ge. Dans un second chapitre, la théorie des boîtes quantiques et systèmes à double boîte sont détaillés, en se focalisant sur les concepts nécessaires à la compréhension des expériences décrites plus tard, c’est-à-dire les effets de charge dans les boîtes quantiques et double boîtes, ainsi que le blocage de spin de Pauli. Le troisième chapitre s’intéresse à l’interaction spin-orbite. Son origine ainsi que ses effets sur les diagrammes d’énergie de bande sont discutés. Ce chapitre se concentre ensuite sur les conséquences de l’interaction spin-orbite spécifiques aux gaz bidimensionnels de trous dans des hétérostructures de germanium, c’est-à-dire l’interaction spin-orbite Rashba, le mécanisme de relaxation de spin D’Yakonov-Perel ainsi que l’antilocalisation faible. Le chapitre quatre présente des mesures effectuées sur des nanofils cœur coquille de Ge/Si. Dans ces nanofils une boîte quantique se forme naturellement et celui-ci est étudié. Un système à double boîte quantiques est ensuite formé par utilisation de grilles électrostatiques, révélant ainsi du blocage de spin de Pauli. Dans le cinquième chapitre sont détaillés des mesures de magnéto-conductance de gas de trous bidimensionnels dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique se situe à la surface. Ces mesures montrent de l’antilocalisation faible. Les temps de transport caractéristiques sont extraits ainsi que l’énergie de séparation des trous 2D par ajustement de courbe de la correction à la conductivité due à l’antilocalisation. De plus, les mesures montrent une suppression de l’antilocalisation par un champ magnétique parallèle au puit quantique. Cet effet est attribué à la rugosité de surface ainsi qu’à l’occupation virtuelle de sous-bandes inoccupées. Finalement, le chapitre six présente des mesures de quantisation de la conductance dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique est enterré. Tout d’abord, l’hétérostructure est caractérisée grâce à des mesures de magnéto-conductance dans une barre de Hall. Ensuite, un second échantillon dessiné spécialement pour la réalisation de points de contact quantiques est mesuré. Celui-ci montre des marches de conductance. La dépendance en champ magnétique de ces marches est mesurée, permettant ainsi une extraction du facteur gyromagnétique de trous lourds dans du germanium.

Jury :
Président : Pr Marco Fanciulli
Rapporteur : Ptr Wilfred van der Wiel
Rapporteur : Pr Stefano Roddaro
Examinateur : Dr Hermann Sellier
Directeur de thèse : Dr Silvano De Franceschi
Co-directeur de thèse : xx

Mots clés :
Boîtes quantiques, Nanofils, Spintronique, Trous

Thèse en ligne.