Institut des
NanoSciences de Paris
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Nanostructures et systèmes quantiques

Cohérence et manipulation d’états excitoniques et de spin

Barisien Thierry, Bernardot Frédérick, Chamarro Maria, Grousson Roger, Legrand Laurent, Schott Michel, Testelin Christophe, Voliotis Valia,

Dubin François, doctorant ; Aubry Emilie, doctorante ; Eble Benoît, post-doc ; Melet Romain, doctorant

 

En lien avec les thématiques de l’information quantique, plus particulièrement avec la recherche de systèmes à 2 niveaux ayant de longs temps de cohérence pour constituer des bits quantiques, nous développons des expériences sur la cohérence et la manipulation d’états quantiques, exciton ou spin ½, dans des nanostructures semiconductrices. Le régime d’oscillation de Rabi a récemment été atteint dans les deux systèmes, exciton et spin. Pour l’exciton, il faut souligner que ce résultat a été obtenu sur une boîte quantique unique, excitée directement à la résonance de la transition.

L’émission résonnante cohérente de l’état fondamental de l’exciton a été observée dans une boîte quantique unique de GaAs, obtenue à partir des défauts d’interface d’un fil quantique [1]. Le régime résonant est réalisé grâce à une géométrie particulière où les boîtes quantiques sont immergées dans un guide d’onde optique, ce qui constitue une configuration expérimentale très originale au niveau mondial où excitation et détection se font suivant deux directions orthogonales. Le contrôle résonant de l’état fondamental de l’exciton dans une boîte quantique unique ouvre de nouvelles possibilités dans la manipulation des états quantiques et des perspectives de réalisation d’expériences d’optique quantique en physique de la matière condensée.

Un système prometteur en vue d’une inscription de spin et de sa manipulation, est constitué par un électron confiné dans une boîte quantique (boîte InAs dopée à un électron). L’orientation optique de ceux-ci est impossible au-delà du temps de vie des trions (≈ 600 ps), sous excitation résonante à champ nul, en raison du gel du trou. En effet, lors de l’excitation polarisée, la polarisation des électrons de dopage est causée par deux processus en compétition : la cohérence stimulée, induite par l’excitation optique, et la cohérence spontanée, due à la recombinaison des trions. Ces deux processus s’annihilent et aucune polarisation de spin n’est induite après désexcitation des trions, en l’absence de relaxation des trous. Nous avons montré qu’en présence d’un champ magnétique transverse, il est possible d’annihiler la cohérence spontanée, ce qui conduit à une polarisation des spins électroniques, dont la précession apparaît clairement dans la mesure du signal de dichroïsme circulaire obtenu sur un ensemble de boîtes à un électron. L’analyse de ces courbes donne directement accès au facteur de Landé de l’électron confiné, à son anisotropie, ainsi qu’à son temps de cohérence inhomogène T2 * ≈ 1 à 3 ns, entre 0,5 et 1,4 T [2]. Cette configuration expérimentale a ainsi permis de mettre en évidence le régime d’oscillation de Rabi.

La cohérence spatiale macroscopique d’un état excitonique, a été obtenu sur un fil quantique organique. Avant cette découverte les propriétés de cohérence quantique macroscopique n’ont été observées que sur des états collectifs comme dans les supraconducteurs, les liquides quantiques, les condensats d’atomes froids, ou encore dans le cas de condensats de polaritons en microcavité. Nous avons montré qu’un état excitonique photo-créé, sur une chaîne unique de polymère conjugué, présente une cohérence spatiale macroscopique pouvant atteindre plusieurs dizaines de microns et limitée uniquement par la longueur de la chaîne [3].

Ces chaînes fluorescentes de polymère que nous synthétisons sont des fils quantiques organiques ordonnés au caractère unidimensionnel quasi-parfait. Une propriété remarquable de l’émission d’une telle chaîne est sa répartition spatiale qui s’étend sur toute sa longueur. Cette répartition, suggère que la fonction d’onde de l’état radiatif est complètement délocalisée. Pour tester cette hypothèse, nous avons réalisé une expérience où nous sélectionnons deux points distincts spatialement sur la chaîne et nous faisons interférer la lumière émise par ces deux points. Des franges d’interférence de fort contraste et de période caractéristique de la distance entre les deux points sont ainsi obtenues démontrant ainsi la cohérence spatiale de la fonction d’onde électronique le long de la chaîne.

 

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Oscillation de Rabi en fonction de l’intensité d’excitation et de l’angle Rabi équivalent, pour une boîte quantique unique formée par un défaut d’interface.

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Evolution temporelle du dichroïsme circulaire mesuré sur un ensemble de boîtes quantiques InAs dopées à un électron, à 1,32 eV et 2K. La courbe à champ nul a un temps de décroissance de 600 ps ; la précession de spin apparaît clairement sous champ magnétique et dure au-delà de 1,2 ns. (a) Franges d’interférences obtenues à partir de l’émission à 10K de deux points distants de 2μm d’une chaîne unique de longueur 10 μm. (b) Le contraste des franges atteint 75%. [1]

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(a) Franges d’interférences obtenues à partir de l’émission à 10K de deux points distants de 2μm d’une chaîne unique de longueur 10 μm. (b) Le contraste des franges atteint 75%. [1]