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1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris

Abstract : The spin of a carrier confined in a semiconductor quantum dot QD is an observable highly protected from the environment. It-s a promising candidate to be a new vector of information for spintronic or quantum calculation based devices. Indeed, the confinement induces the suppression of the relaxation mechanisms linked to the carrier move in the space. In this thesis different aspects about the resident hole spin dynamic in InAs p-doped QDs are studied. The first part is dedicated to the microscopic description of the time resolved pump-probe experiment as well as the mechanisms of hole spin polarization under resonaznat and non resonant excitation. Second, the question about the nature of the mechanisms which induce the total hole spin relaxation is studied. The works performed at the INSP have highlighted that the hole spin relaxation is dominated by the dipolar term of the hyperfine interaction. This interaction leads to a partial relaxation of the hole spin polarization in a characteristic time of 10 ns. With the aim of exploring longer dynamics 100 ns - 1 ms, I have proceeded to a novel experiment which is based on a frequency analysis. Through the magnetic field and the temperature dependencies of long time-scale hole spin relaxation, the ultimate mechanisms of spin relaxation are determined. As well, a study about the possibility to induce a nuclear polarization by the hole spin is performed. Indeed, when the career spin relaxes, it hands his spin kinetic momentum to the nuclear bath. If this process is repeated faster than the relaxation time of nuclei, the nuclear bath can be polarized. This phenomenon has already been observed in QDs. Nevertheless, it always has been associated to the electron. In our sample, we have obtained a possible signature of nuclear polarization created by the hole. This polarization generates an effective magnetic field of around one milli-Teslat. Notice that, the nuclear polarization, with extended spin life-times, can also be used as a robust spin information media. The last part of the thesis is dedicated to the hole spin Qbit coherence. The hole spins are analysed in transverse magnetic field. In this configuration we have demonstrated the mode locking of the hole spin precession and measured the intrinsic coherence time around one micro-second. This value, in the one hand, demonstrates the interest of hole spin as a robust candidate to code quantum information, and in the other hand, opens the door to quantum manipulations such as the phase control of the spin Qbit with the optical Strak effect.

Résumé : Le spin d-un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l-information, dans des dispositifs pour l-électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d-InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l-expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu-à l-exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d-environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l-électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l-ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d-un temps de vie de spin très long ms peut, à son tour devenir, un support robuste de l-information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l-on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l-énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d-une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d-une part, l-intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l-information quantique, et d-autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.

Mots-clés : Boite quantique spin trou trion électron noyaux nucléaire interaction hyperfine phonons relaxation initialisation cohérence pompage orientation précession synchronisation champ magnétique température pompe-sonde résonnant faraday dichroïsme transmission laser





Author: François Fras -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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