en fr Electronic transport and spin control in SiGe self-assembled quantum dots Transport électronique et contrôle du spin dans les boîtes quantiques auto-organisées de SiGe Report as inadecuate




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1 LATEQS - Laboratoire de Transport Electronique Quantique et Supraconductivité 2 Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité

Abstract : Quantum mechanics displays all its exciting strangeness already by considering the Schrödingerequation in a one-dimensional square well potential; tunnelling events put this statement in evidence.To recreate this situation in a given material system is an inspiring playground and a big step towardstaking control of quantum mechanisms. For instance, it is now possible to confine electrons in solidstatedevices enabling amore efficient solar-cell technology. Confining individual electron spins has infact been suggested as a possible approach to the realization of a quantum computer. Each electronspin forms a natural two-level systems encoding an elementary bit of quantum information a socalledspin qubit. This proposal, by Loss and DiVincenzo, has contributed to the opening of an activeresearch field referred to as quantum spintronics. Spin qubits rely on the fact that spin states canpreserve their coherence on much longer time scales than charge i.e. orbital states.A confinement potential can be created artificially in many different ways; producing constantmagnetic fields and spatially inhomogeneous electric fields, applying oscillating electric fields, usingconductive oxide layers, etc. To take advantage of the band-alignment of different semiconductors isamong these. The relevant dimensions of the considered system should still be smaller than the phasecoherence length of the confined particles in order that their quantum behaviour is preserved.So far, most of the progress has been achieved using GaAs-based semiconductor heterostructures. Insuch layered systems themotion of carriers is confined to a plane and further confinement is achievedbymeans of lithographic techniques, which allow lateral confinement to be achieved on a sub-100 nmlength scale. In this way, quasi-zero-dimensional systems whose electronic states are completelyquantized, i.e. quantum dots QDs, can be devised.Various time-resolved techniques involving high-frequency electrical signals have been developed tomanipulate and read-out the spin state of confined electrons in GaAs QDs, and several years ago thefirst spin qubits were reported. In GaAs-based QDs, however, the quantum coherence of electronspins is lost on relatively short time scales due to the hyperfine interactionwith the nuclear spins bothGa and As have non-zero nuclear spin moments. In spite of significant advances on controlling thenuclear polarization 3, 4, this problem remains unsolved.In the past few years an increasing effort is concentrating on alternative material systems in whichhyperfine interaction is naturally absent or at least very weak and, in principle, controllable by isotopepurification. While Si fulfils this requirement and it is the dominant material in modernmicroelectronics, it suffers from low mobility compared to III-V semiconductors, which obstructs itsapplication for quantum spintronics. SiGe structures offer a way to circumvent this problem that isstill compatible with standard silicon processes.I have focused mainly on the study of the electronic properties of SiGe self-assembled islands, alsocalled SiGe nanocrystals. This work, which condensates the main points of this study, is organized insix chapters. In the first chapter, I describe the basics of the growth of SiGe self-assembled islands andthe properties of the quasi-zero-dimensional confinement potential that they define. Chapter 2 isdevoted to the basics of electronic transport in these structures. Chapter 3 deals with the electricmodulation of the hole g-factor in SiGe islands, which would enable a fast manipulation of the spinstates. In Chapter 4 I present theoretical and experimental findings related to spin selectivity in SiGeQDs and Chapter 5 is dedicated to the realization of an electron pump in InAs nanowires based on thiseffect. Finally, Chapter 6 exhibits our progress towards the study of coupled SiGe QD devices.

Résumé : La mécanique quantique affiche déjà toute son étrangeté en considérant l’équation de Schrödingerdans 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 grandpas vers le contrôle des effets quantiques.Le confinement spatial des spins électroniques a été suggéré comme une approche possible pour laréalisation d’un ordinateur quantique. Chaque spin formant un système à deux niveaux pouvant coderune bit élémentaire pour l’information quantique spin qubit. Cette proposition par Loss etDiVincenzo a contribué à l’ouverture d’un domaine de recherche important dénommé spintroniquequantique. L’intérêt des qubits de spin s’appuie sur le fait que les états de spin ont des temps decohérence 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 enutilisant 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 decohérence 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 semiconductricesà base d’arséniure de GalliumGaAs. Dans de tels systèmes, lemouvement des porteursde charges est limité à un plan bidimensionnel et le confinement latéral peut être obtenu par destechniques de lithographie. De cette façon, des systèmes quasi-zéro-dimensionnels dont les étatsélectroniques sont parfaitement quantifiés boîtes quantiques, sont réalisés.Diverses techniques utilisant des signaux hautes fréquences ont permis de manipuler et lire l’état despin de tels boîtes quantiques de GaAs et, il y a quelques années, les premiers qubits de spin ont étédémontrés. Cependant, ces systèmes ont montré des temps de cohérence relativement courts enraison de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. En dépit de progrès significatifs sur lecontrôle 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 dematériaux alternatifs pour lesquels l’interaction hyperfine est naturellement absente ou rendue trèsfaible par des techniques de purification. Même si le Silicium, qui est le matériau de base enmicroélectronique, remplit cette condition, il souffre d’une faible mobilité par rapport aux semiconducteursIII-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 matériaucompatible avec les procédés de fabrication standards.Durant mon travail de thèse, je me suis concentrée principalement sur l’étude des propriétésélectroniques d’îlots auto-assemblés nanocristaux de SiGe. Le manuscrit de thèse qui relate lesprincipaux aspects de cette étude est organisé en six chapitres. Dans le premier chapitre, je décris lesprincipaux concepts de la croissance cristalline d’îlots auto-assemblés de SiGe ainsi que les propriétésdu potentiel de confinement qu’ils définissent. Le chapitre 2 est consacré aux principes du transportélectronique dans de telles structures. Le chapitre 3 traite de la modulation électrique du facteur deLandé g des trous confinés dans les îlots en vu de la manipulation rapide des états de spin. Dans lechapitre 4, je présente les résultats théoriques et expérimentaux relatifs à la sélectivité en spin dansles nanocristaux de SiGe. Le chapitre 5 décrit les résultats sur la réalisation d’une pompe électroniqueobtenue à partir de nanofils d’InAs-InP. Enfin, le chapitre 6montre les progrès technologiques que j’aiobtenus vers la réalisation et létude de dispositifs couplés à base de nanocristaux de SiGe.

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Keywords : Spin qubit Quantum transport Silicon Germanium Nanocrystals Quantum dots

Mots-clés : Transport quantique Silicium Boîtes quantiques Nanocristaux





Author: Natalia Ares -

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



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