Structures quantiques d'oxydes pour les dispositifs topologiques – QUANTOP

Les gaz d’électron bidimensionnels dans les hétérostructures semiconductrices ont joué un rôle crucial à la fois en science fondamentale et dans les applications technologiques. Grâce aux progrès récents en matière de croissance de films minces, il est aujourd’hui possible de façonner artificiellement des structures similaires à base d’oxydes dans lesquels de nouveaux phénomènes physiques sont attendus. Dans ce contexte, l' heterostructure LaAlO3/SrTiO3 découverte par Ohtomo et Hwang en 2004, s'est révélée être une plate-forme prometteuse pour manipuler les degrés de liberté orbitaux, de spin et de charge. Bien que les deux matériaux soient des isolants à large bande interdite, la croissance d’une couche mince de LaAlO3 sur SrTiO3 conduit à la formation d’un gaz d'électrons 2D de haute mobilité dont les propriétés sont radicalement différentes de celles rencontrées dans les hétérostructures semiconductrices conventionnelles. En particulier, cette interface présente à la fois une supraconductivité et un fort couplage spin-orbite de type Rashba comparable voire supérieur à celui des semi-conducteurs classiques. De plus, ces deux quantités peuvent être continument modifiées par effet de champ électrique à l'aide d'une tension de grille. Depuis une dizaine d'année, l’interaction entre la supraconductivité et le couplage spin-orbite a suscité un intérêt considérable, car cette combinaison unique peut favoriser l'émergence d'un état électronique exotique, appelé supraconductivité topologique et doté de remarquables propriétés chirales. En particulier, les supraconducteurs topologiques devraient accommoder des modes de Majorana, qui pourraient être utilisés pour coder et manipuler des informations quantiques non locales, ouvrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de calculateur quantique "tolérant aux erreurs" et robuste contre la décohérence. Alors que la plupart des expériences dans ce domaine se concentrent sur des dispositifs hybrides constitués de nanofils semi-conducteurs couplés à des supraconducteurs classiques, nous proposons d'aborder cette problématique en utilisant de nouveaux matériaux.

Le projet QUANTOP a pour objectif de réaliser de nouveaux types de dispositifs topologiques exploitant la combinaison unique des propriétés des interfaces LaAlO3/SrTiO3, et de montrer que ce système est une plate-forme viable pour le développement futur du calcul quantique topologique. Le premier objectif est d'étudier des dispositifs de type point contact quantique (QPC) formés par le confinement électrostatique du gaz 2D dans la direction latérale. Nous effectuerons des mesures de transport dc et des mesures de bruit de grenaille pour étudier la quantification de la conductance dans l'état normal et nous étudierons la possibilité de moduler latéralement le couplage spin-orbite Rashba afin de contrôler l'état de spin dans le QPC et réaliser ainsi un polariseur de spin contrôlé électriquement. Dans l’état supraconducteur, nous étudierons le courant Josephson contrôlable par effet de champ électrique, qui est porté par les états liés d'Andreev localisés dans le QPC. Le deuxième et principal objectif est d’étudier des nanodispositifs mésoscopiques comportant des parties supraconductrices couplées à une région normale à fort couplage spin-orbite Rashba. Les expériences seront réalisées sur des canaux quasi-1D connectés à des réservoirs supraconducteurs. Le couplage spin-orbite devrait affecter fortement les états d'Andreev en levant la dégénérescence de spin dans la région normale. La présence de modes de Majorana à énergie nulle, situés aux deux extrémités du canal, modifiera alors la relation courant-phase du courant Josephson qui sera étudiée en mesurant les marches de Shapiro sous excitation hyperfréquence dans les caractéristiques courant-tension de la jonction. La présence de modes de Majorana à énergie nulle sera également sondée par spectroscopie tunnel.