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Natalia Ares

Transport électronique et contrôle du spin dans les boîtes quantiques auto-organisées de SiGe

Publié le 24 octobre 2013



Thèse soutenue le 24 octobre 2013 pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Grenoble - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
La mécanique quantique affiche déjà toute son étrangeté en considérant l’équation de Schrödinger dans un puits de potentiel à une dimension. L’effet tunnel qui en résulte, en est un exemple frappant. La possibilité de récréer cette situation dans un système matériel est un enjeu excitant et un grand pas vers le contrôle des effets quantiques. Le confinement spatial des spins électroniques a été suggéré comme une approche possible pour la réalisation d’un ordinateur quantique. Chaque spin formant un système à deux niveaux pouvant coder une bit élémentaire pour l’information quantique (spin qubit). Cette proposition par Loss et DiVincenzo a contribué à l’ouverture d’un domaine de recherche important dénommé spintronique quantique. L’intérêt des qubits de spin s’appuie sur le fait que les états de spin ont des temps de cohérence beaucoup plus long que les qubits de charge (états orbitaux). Un potentiel de confinement de spin peut être créé de différentes façons, comme par exemple en utilisant l’alignement des bandes d’énergies de semi-conducteurs de différentes natures. Cependant, les dimensions spatiales du système obtenu doivent toujours être inférieures à la longueur de cohérence de phase des quasi-particules considérées afin de préserver leur comportement quantique. Jusqu’à présent, la plupart des progrès ont été réalisés en utilisant des hétérostructures semiconductrices à base d’arséniure de Gallium(GaAs). Dans de tels systèmes, le mouvement des porteurs de charges est limité à un plan bidimensionnel et le confinement latéral peut être obtenu par des techniques de lithographie. De cette façon, des systèmes quasi-zéro-dimensionnels dont les états électroniques sont parfaitement quantifiés (boîtes quantiques), sont réalisés. Diverses techniques utilisant des signaux hautes fréquences ont permis de manipuler et lire l’état de spin de tels boîtes quantiques de GaAs et, il y a quelques années, les premiers qubits de spin ont été démontrés. Cependant, ces systèmes ont montré des temps de cohérence relativement courts en raison de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. En dépit de progrès significatifs sur le contrôle de la polarisation, ce problème n’est toujours pas résolu. Au cours de ces dernières années, un effort croissant s’est donc concentré sur des systèmes à base de matériaux alternatifs pour lesquels l’interaction hyperfine est naturellement absente ou rendue très faible par des techniques de purification. Même si le Silicium, qui est le matériau de base en microélectronique, remplit cette condition, il souffre d’une faible mobilité par rapport aux semiconducteurs III-V, ce qui pose problème pour la spintronique quantique. Les structures à base Silicium-Germanium (SiGe) offrent un moyen de contourner ce problème tout en gardant un matériau compatible avec les procédés de fabrication standards. Durant mon travail de thèse, je me suis concentrée principalement sur l’étude des propriétés électroniques d’îlots auto-assemblés (nanocristaux) de SiGe. Le manuscrit de thèse qui relate les principaux aspects de cette étude est organisé en six chapitres. Dans le premier chapitre, je décris les principaux concepts de la croissance cristalline d’îlots auto-assemblés de SiGe ainsi que les propriétés du potentiel de confinement qu’ils définissent. Le chapitre 2 est consacré aux principes du transport électronique dans de telles structures. Le chapitre 3 traite de la modulation électrique du facteur de Landé (g) des trous confinés dans les îlots en vu de la manipulation rapide des états de spin. Dans le chapitre 4, je présente les résultats théoriques et expérimentaux relatifs à la sélectivité en spin dans les nanocristaux de SiGe. Le chapitre 5 décrit les résultats sur la réalisation d’une pompe électronique obtenue à partir de nanofils d’InAs/InP. Enfin, le chapitre 6 montre les progrès technologiques que j’ai obtenus vers la réalisation et l'étude de dispositifs couplés à base de nanocristaux de SiGe.

Jury :
Présidente : Prof. Julia Meyer
Rapporteur : Prof. Seigo Tarucha
Rapporteur : Dr Andreas Fuhrer
Examinateur : Prof. Yuli V. Nazarov
Directeur de thèse : Dr François Lefloch
Directeur de thèse : Dr Silvano De Franceschi

Mots clés :
Nanocristaux, Boîtes quantiques, Germanium, Spin qubit, Transport quantique, Silicium

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