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- Membres permanents : Benoit Eble, Valia Voliotis, Paola Atkinson
L’équipe NQMAG de l’INSP (Institut de Nanosciences de Paris) est la seule en France à étudier les boîtes quantiques (BQ) GaAs/Al(1-x)GaxAs créées par remplissage de nano-trous. Ces BQ, émettant dans la gamme de 720 à 800 nm, présentent des avantages uniques pour les applications en information quantique, notamment grâce à leur compatibilité avec les mémoires quantiques à base de rubidium. Leur méthode de croissance permet un contrôle précis de la densité, de la forme et de la longueur d’onde des BQ, offrant des performances optimales pour les sources de photons uniques indiscernables. De plus, l’asymétrie accrue de certaines BQ permet un mélange significatif des états excitoniques brillants et sombres, rendant les excitons noirs optiquement actifs sans besoin de champ magnétique transverse. Ces BQ sont également pratiquement exemptes de contraintes, permettant d’utiliser les spins nucléaires comme mémoires quantiques manipulées par radiofréquences.
Les recherches actuelles menées par l’équipe NQMAG explorent l’interaction entre les électrons dans les vallées Gamma et X pour des boîtes quantiques avec des barrières très concentrées en aluminium, ainsi que le contrôle cohérent des états quantiques à deux particules dans des systèmes de doubles boîtes épitaxiées, couplées par effet tunnel.
- Publications récentes:
- Unveiling the spin-singlet states of two electron-hole pair complexes using two-photon excitation in a GaAs / AlAs quantum dot, Germanis, S.; Atkinson, P.; Bach, A.; Hostein, R.; Braive, R.; Vabre, M.; Margaillan, F.; Bernard, M.; Voliotis, V.; Eble, B., Rev. B. 105, 235430 (2022)
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Cet article a été mis en avant par l’éditeur de PRB, étant désigné comme une « suggestion de l’éditeur ». Il présente une expérience d’optique non linéaire d’excitation à deux photons permettant d’initialiser un état biexciton, c’est-à-dire deux paires électron-trou, construites avec des états orbitaux différents dans la boîte quantique de GaAs. La résolution de la structure fine complexe est détaillée à la fig.(b), et la signature distinctive de la résonance à deux photons est illustrée à la fig. (a). Nos résultats démontrent par ailleurs que cette résonance à deux photons offre une détection aisée des différentes composantes singulet de spin, une tâche ardue avec d’autres méthodes expérimentales. Ces découvertes ouvrent la possibilité de manipuler les états de spin des électrons localisés sur des orbites de haute énergie dans des protocoles de manipulation quantique. |
2. Emission properties and temporal coherence of the dark exciton confined in a GaAs/AlxGa1-xAs quantum dot, Germanis, S.; Atkinson, P.; Hostein, R.; Majrab, S.; Margaillan, F.; Bernard, M.; Voliotis, V.; Eble, B., Phys. Rev. B., 104, 115306 (2021)
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Cette étude explore une particularité des boîtes quantiques GaAs/AlAs, à savoir que les excitons noirs (une paire électron-trou de spins parallèles), normalement non couplés aux photons, émettent de la lumière, contrairement au cas des boîtes d’InAs. Nous avons interprété cette « anomalie » comme étant causée par une brisure de symétrie de la boîte quantique, en particulier du nano-trou dans lequel elle est formée (fig.c), image AFM haute résolution). La réduction de symétrie de C2v à Cs permet un couplage via le terme d’échange électron-trou entre l’exciton brillant et noir, conférant à ce dernier une activité optique. Nous avons mesuré l’intensité de ce couplage par magnéto-spectroscopie, mettant en évidence un anti-croisement (15µeV@1.7T) entre les branches noires et brillantes (fig.a), et confronté son amplitude à un modèle théorique. Une observation inattendue a émergé lors de la mesure des largeurs des interférogrammes des excitons noirs et brillants de la même boîte quantique, lorsque la largeur spectrale est dominée par les fluctuations électrostatiques de proximité. Nous avons montré expérimentalement que la largeur de l’interférogramme est 30% plus grande pour l’exciton noir, attribuable à un mécanisme subtil d’écrantage. Cette étude met en lumière notre maîtrise expérimentale dans la mesure de quantités extrêmement faibles, ainsi que notre compréhension approfondie de la physique excitonique dans les boîtes quantiques. |
3. Electrical control of optically pumped electron spin in a single GaAs/AlAs quantum dot fabricated by nanohole infilling, Germanis, S.; Atkinson, P.; Hostein, R.; Suffit, S.; Margaillan, F.; Voliotis, V.; Eble, B., Phys. Rev. B. 102, 035406 (2020)
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Ce travail met en évidence la possibilité de manipuler électriquement l’émission circulairement polarisée du trion chargé négativement (composé de deux électrons et un trou) dans une boîte quantique GaAs/AlAs insérée dans une structure à effet de champ. La polarisation négative du trion varie en fonction de la tension appliquée (fig.a) et de l’énergie d’excitation du laser (fig.c), deux paramètres qui influent sur l’absorption de l’état triplet de spin de plus haute énergie (fig.b). Un de ces états permet le retournement simultané de la paire électron-trou, induisant une polarisation circulaire contra-polarisée du trion par rapport à la polarisation circulaire du laser d’excitation. Ce mécanisme démontre le contrôle par des impulsions de tension électrique, de la polarisation de la lumière émise par des émetteurs de photons uniques, tels que les boîtes quantiques GaAs/AlAs utilisées dans cette étude.
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- Quelques ouvrages de références:
- Meier, F.; Zakharchenya, B. P. Optical Orientation (Modern Problems in Condensed Matter Sciences) : Ce livre offre une analyse approfondie et systématique de divers aspects physiques de l’orientation des spins électroniques et nucléaires dans les semi-conducteurs par des moyens optiques.
- M. Dyakonov, « Spin Physics in Semiconductors », Springer: Ce livre offre une introduction approfondie au domaine extrêmement riche et fascinant des phénomènes liés au spin dans les semi-conducteurs. Dans cette deuxième édition, tous les chapitres ont été mis à jour pour inclure les dernières recherches expérimentales et théoriques. De plus, il couvre l’ensemble du domaine : semi-conducteurs en volume, structures semi-conductrices bidimensionnelles, boîtes quantiques, effets optiques et électriques, effets liés au spin, interactions spin électron-noyaux, effet Hall de spin, couples de spin, etc. Grâce à son style autonome, le livre est idéalement adapté aux étudiants de troisième cycle et aux chercheurs nouveaux dans ce domaine.
- Glazov, « Electron & Nuclear Spin Dynamics in Semiconductor Nanostructures »: Ces dernières années, les nanosciences ont connu un regain d’intérêt pour les effets de spin dans les systèmes à l’état solide. D’une part, les systèmes à l’état solide, en particulier les semi-conducteurs et les nanosystèmes semi-conducteurs, permettent de réaliser des études de phénomènes quantiques et relativistes en laboratoire. D’autre part, cet intérêt est soutenu par les perspectives de réalisation de l’électronique basée sur le spin, où les spins des électrons ou des noyaux peuvent jouer le rôle de porteurs d’information quantique ou classique. Ce livre examine en détail la physique des systèmes couplés de spins d’électrons et de spins nucléaires dans les semi-conducteurs, avec un accent particulier sur les structures de basse dimension.
