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 : Pr Wilfred van der Wiel
Rapporteur : Pr Stefano Roddaro
Examinateur : Dr Hermann Sellier
Directeur de thèse : Dr Silvano De Franceschi

Mots clés :
Boîtes quantiques, Nanofils, Spintronique, Trous

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