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Anthony Amisse

Couplage et dynamique de boîtes quantiques en technologie MOS silicium étudiés par réflectométrie radio-fréquence sur grille

Publié le 10 décembre 2020
Thèse soutenue le 10 décembre 2020 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Résumé :
Nous mesurons à très basse température des transistors nanofils silicium en technologie MOS dans lesquels le transport électronique à travers le canal a lieu via une ou des boîtes quantiques. Nous avons aussi construit un dispositif de réfléctométrie radio-fréquence qui permet de sonder l'état de charge et de spin d’un porteur de charge piégé dans une de ces boîtes, même dans le cas d'une transition de charge interne qui ne donne pas lieu à du courant drain-source. Nous utilisons ce dispositif pour lire la charge et le spin dans des échantillons dédiés qui comportent deux grilles. Cette tâche principale implique des mesures à basse température, sous champ magnétique, avec de faibles signaux. Le but est de contrôler l'état de charge et de spin pour deux applications différentes : les pompes à électrons pour la métrologie quantique de l'ampère et les bits quantiques, ou qubits, de spin.
Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les problématiques liées aux qubits de spin. En effet en 2016, notre laboratoire a réalisé le premier qubit de spin de trous dans des boîtes quantiques réalisées en technologie MOS silicium. Plus précisément, nous nous sommes penchés sur deux points essentiels du fonctionnement d’un tel qubit et, par extension, d’un réseau de qubits : le contrôle du couplage entre les boîtes quantiques et la lecture du spin.
Dans un premier temps, nous avons regardé trois façons différentes d’agir sur le couplage : via la polarisation de la grille arrière ou via la polarisation d’une ligne métallique toutes deux capacitivement couplées au nanofil et enfin via une troisième boîte quantique. Les deux premières façons sont directement liés au design des dispositifs. La troisième façon est bien plus subtile. Nous avons montré que lorsque deux boîtes quantiques sont couplées via une troisième boîte, le couplage effectif entre les deux boîtes extérieures dépend fortement de l’état interne de la boîte centrale.
Dans un deuxième temps, nous avons mis en place dans un cryostat une nouvelle façon de lire le spin d’un porteur via une sélectivité en énergie, impliquant des manipulations rapides sur les grilles. Après avoir monté et caractérisé les lignes nécessaires dans le cryostat, il a fallu configurer à la fois l’envoi et l’analyse de signaux pulsés. L’expérience est un succès à champ magnétique nul. Nous obtenons exactement ce à quoi nous nous attendons. Cela a permis de valider le dispositif expérimental. A champ magnétique non nul en revanche, les résultats obtenus sont non-triviaux, indiquant qu’effectivement le champ magnétique joue un rôle mais il a été difficile pointer avec exactitude un signal de spin.
Ce travail a été mené en étroite collaboration avec le CEA-LETI, pour le design et la fabrication des échantillons sur leur plate-forme SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS 300 mm. Cette compatibilité de nos dispositifs avec des chaînes de production industrielles de microélectronique pourrait être un grand atout dans la quête de l’intégration à grande échelle de qubits.

Jury :
Rapporteur : Georgios Katsaros
Rapporteur : Francis Calmon
Rapporteur : Louis Hutin
Examinateur : Laurent Saminadayar
Examinateur : Maryline Bawedin
Directeur de thèse : Xavier Jehl

Mots clés :
Boîtes quantiques, réflectométrie radio-fréquence, cryogénie, silicium, MOSFET, ingénierie quantique