Nanostructures à base de silicium pour la spintronique quantique – ACCESS

Le début du siècle dernier a été le témoin d’une révolution dans le domaine de la physique avec la découverte des postulats de la mécanique quantique. Aujourd’hui, quelques cent années plus tard, les mêmes postulats peuvent donner lieu à une nouvelle révolution en matière technologique. Il est probable que la prochaine génération de dispositifs électroniques tirera partie de la nature quantique des électrons, par opposition aux principes de fonctionnement classiques des dispositifs CMOS actuels. La nanoélectronique quantique est actuellement un domaine de recherche fondamentale, son implémentation technologique restant un objectif sur le long terme. La spintronique quantique, une branche émergente de ce domaine, vise à utiliser le moment magnétique de l’électron (le « spin ») pour apporter de nouvelles fonctionnalités dans les circuits logiques. Jusqu'à présent, les efforts expérimentaux ont principalement porté sur les semi-conducteurs III-V. Dans ce système, la cohérence quantique du spin électronique est fortement limitée par le couplage hyperfin avec les spins nucléaires. Dans ce projet, nous nous sommes concentrés sur les nanodispositifs à base de silicium, qui, en plus d'une compatibilité avec la technologie de référence de la microélectronique, sont beaucoup moins affectés par le problème du couplage hyperfin. En outre, pour le cas de dispositifs de type p, un couplage spin-orbite forte ouvre en principe la possibilité d’une manipulation du spin entièrement électrique. Nous avons mis au point de nouveaux types de dispositifs de type « bottom-up » sur la base de nanocristaux auto-assemblées de SiGe obtenus par épitaxie à faisceaux moléculaires sur des substrats de silicium sur isolant. Dans ces nanostructures, qui confinent des trous, nous avons étudié l'anisotropie et la dépendance en tension de grille du facteur gyromagnétique des trous. Nous sommes parvenu à la conclusion qu’une manipulation purement électrique (à travers une tension rf sur une grille) devrait permettre une manipulation efficace du spin électronique. Si l’injection de spin à partir de contacts ferromagnétiques s’est avérée difficile à obtenir, une approche alternative au tunnel sélective en spin a été découvert. Nous avons également étudié les dispositifs de nanofils de silicium fabriquées sur une plate-forme CMOS de niveau industriel. En particulier, nous avons été en mesure de réaliser le premier dispositif à double donneur.