Manipulation terahertz de charges et de spins dans des boîtes quantiques – TERADOT

La dynamique haute fréquence du transport électronique dans les nanostructures quantiques a récemment reçu une attention particulière en raison de la possibilité de manipuler des états quantiques sur des échelles de temps inférieures au temps de relaxation et de décohérence de ces états en vue d'applications dans le traitement quantique de l'information. Dans ce domaine, les boîtes quantiques semiconductrices présentent un intérêt particulier car elles peuvent piéger des électrons individuels qui peuvent être ensuite manipulés électriquement ou optiquement. Pour cette raison les boîtes quantiques ont été particulièrement utilisées pour l'étude des limites de la mécanique quantique au niveau de particules individuelles, aussi bien que comme élément de base pour le traitement quantique de l'information.

Dans ce projet nous proposons d'étudier expérimentalement la manipulation cohérente d'états électroniques dans des boîtes quantiques aux fréquences terahertz. Le domaine de fréquence que nous voulons explorer (100 GHz à 1 THz) constitue la première originalité du projet car elle est intermédiaire entre les fréquences micro-onde et optiques utilisées habituellement pour ces structures. Le but final du projet est de démontrer la manipulation cohérentes d'états de charge et de spin dans des boîtes quantiques aux fréquences terahertz, et donc à des échelles d'énergie et de temps encore peu explorées. Nous nous concentrerons plus particulièrement sur le degré de liberté de spin, qui a reçu récemment une attention plus particulière pour le traitement quantique de l'information. En combinant la haute fréquence et des boîtes quantiques dans des matériaux à fort couplage spin-orbite, nous proposons de montrer la manipulation électrique d'un spin unique à une fréquence beaucoup plus élevée que montré précédemment, et donc sur une échelle de temps qui permettrait de mettre en oeuvre des algorithmes de correction à la décohérence, ce qui n'a pas encore été démontré pour les boîtes quantiques semiconductrices.

La raison pour laquelle ce domaine de fréquences a peu été utilisé pour l'étude de système quantique est due à la difficulté d'intégrer une source terahertz à un environnement cryogénique parfaitement écranté. Pour cette raison nous proposons de développer une solution originale basée sur la photo-génération de terahertz et l'intégration de la source à proximité de l'échantillon. Le second point fort du projet est l'utilisation de boîtes quantiques à base de nanofils InAs et InSb, qui présentent des intérêts non seulement pour la manipulation de spin, mais aussi pour l'électronique haute mobilité. Alors que plusieurs points clés du projets ont été séparément démontrés dans la littérature, e.g. la génération de terahertz dans la gamme de fréquence appropriée ou la réalisation de boîtes quantiques dans des nanofils InAs, la principale difficulté réside dans l'intégration de ces différents résultats de pointe dans un système complet. La force du projet réside alors dans la composition de l'équipe, regroupant des jeunes chercheurs très complémentaires et ayant déjà montré des résultats à l'état de l'art dans ces différents domaine.