Contrôle Optique d'un Spin Individuel – CoSin

Le contrôle cohérent d'objets quantiques comme les porteurs confinés dans une boîte quantique de semi-conducteurs présente un grand intérêt tant pour ses aspects fondamentaux que pour des applications potentielles pour le traitement de l'information quantique en matière condensée. Le confinement des porteurs dans une boîte quantique conduit à une augmentation significative leur temps de relaxation et du temps de cohérence de spin. Cette propriété de cohérence du spin, qui est au centre de ce projet, rend ce système très attractif pour la réalisation de portes logiques quantiques dans un système solide. Le spin d'un porteur confiné constitue en effet un système quantique à deux niveaux qui pourrait représenter l'unité élémentaire de stockage de l'information quantique («qu-bit»). Les objectifs de ce projet sont d'analyser les possibilités de manipulation d'un spin individuel dans une boîte quantique par des méthode optique et micro-onde. Nous chercherons à exploiter les potentialités offertes par les boîtes quantiques de semi-conducteurs II-VI. Dans le domaine de l'électronique de spin, les composés II-VI sont en effet des matériaux modèles qui présentent certains avantages sur les matériaux III-V plus largement étudiés: Il est tout d'abord possible dans ces systèmes de parfaitement contrôler l'incorporation d'impuretés magnétiques isoélectroniques (Mn) comme le montre la réalisation récente de boîtes quantiques contenant un seul atome magnétique. La forte interaction d'échange entre les porteurs du semi-conducteur et le spin localisé des atomes magnétique offre alors un outil supplémentaire pour le contrôle du spin des porteurs. Ensuite, la faible valeur des spins nucléaires et le faible pourcentage d'isotopes portant un spin nucléaire permet aussi d'attendre une forte augmentation du temps de cohérence de spin pour un électron confiné dans une boîtes quantique de semi-conducteur II-VI. Ce long temps de cohérence est nécessaire pour envisager le développement de dispositifs utilisant un spin individuel comme support de l'information quantique. Nous nous attacherons dans un premier temps à la mise au point de techniques optiques (orientation de spin par absorption de photons polarisés circulairement) permettant d'accéder au temps de relaxation de spin d'un porteur confiné et d'un atome magnétique individuel localisé dans une boîte quantique de semi-conducteurs II-VI. Nous analyserons ensuite l'efficacité de ces expériences de pompage optique pour l'initialisation de l'état d'un spin électronique individuel, première étape nécessaire à tout protocole de calcul quantique utilisant le spin d'un porteur confiné comme support pour l'information. Dans ces protocoles de calcul quantique, une opération logique sur un « qu-bit » revient à effectuer un contrôle cohérent de l'état d'un spin individuel. Pour accéder au temps de cohérence et à plus long terme effectuer une opération cohérente sur un spin individuel, nous avons choisi de développer une technique hybride, optique et micro-onde, basée sur une expérience de résonance magnétique détectées optiquement. Une cavité résonante en technologie coplanaire sera réalisée à la surface des échantillons contenant des boîtes quantiques dopées ou des boîtes quantiques magnétiques. Cette technique nous permettra de combiner à la fois une excitation résonante hyperfréquence de forte intensité pour atteindre un régime de retournement cohérent de l'état de spin, et une détection optique de l'émission d'une boîte quantique individuelle. En parallèle nous développerons une expérience de fluorescence résonante sur boîtes quantiques individuelles qui permettra une lecture de l'état de spin d'un porteur confiné. Le développement de ces techniques de contrôle de spin nous permettra une étude détaillée des différents mécanismes responsable de la relaxation et du déphasage du spin d'un porteur confiné et d'un atome magnétique individuel dans une boîte quantique de semi-conducteurs II-VI. On estimera ainsi la possibilité d'utiliser un spin dans une boîte quantique auto-organisée comme support pour l'information dans un système qui doit a priori présenter de long temps de cohérence de spin.