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Faits d’actualité

Couplage hyperfin trou-noyau dans des boîtes quantiques semiconductrices

Le spin électronique confiné dans une boîte quantique fait l’objet de nombreuses études dans la perspective de disposer d’un bit quantique (ou qubit) contrôlable et manipulable, brique élémentaire en vue de la réalisation d’un ordinateur quantique. Cependant, le temps d’utilisation – ou temps de cohérence – de ce spin peut être fortement réduit par son interaction avec les spins nucléaires. Nous avons ainsi montré que les états électroniques de valence étaient soumis à un couplage hyperfin significatif, contrairement à l’hypothèse communément admise.

Un critère important dans le choix d’un qubit est son temps de cohérence qui déterminera son « temps d’utilisation » et le nombre de manipulations – opérations – quantiques. Dans un composé massif ou un puits quantique, ce temps est faible ( 10 ps) en raison du couplage spin-orbite et de la diffusion des charges. Dans une boîte quantique, le confinement de l’électron inhibe fortement ces processus, laissant espérer des temps de cohérence très longs. Cependant, le couplage du spin électronique avec les spins nucléaires du réseau, négligé auparavant car peu efficace, devient le processus dominant. Un temps de relaxation de spin d’environ 1 ns a ainsi été mesuré pour des électrons confinés dans des boîtes quantiques InAs. Ce temps est régi par le couplage hyperfin de type spin-spin dit « de contact » car proportionnel à la probabilité de présence de l’électron sur un noyau. Cette interaction peut être modélisée par l’action sur le spin électronique d’un champ magnétique nucléaire effectif, qui reproduit l’effet collectif des spins nucléaires de la boîte quantique.

Pour un électron de conduction, dont la fonction d’onde est de symétrie s, la probabilité des présences est maximale sur les sites occupés par les noyaux (cf. fig.1-a). Pour un état de valence (ou trou), de symétrie p, cette probabilité de présence est nulle (cf. fig. 1-b). Il était donc couramment admis que les états de valence devaient présenter des temps de cohérence de spin beaucoup plus élevés que ceux des états de conduction, étudiés jusqu’à présent.

Figure 1 : Probabilité de présence des états de conduction (a) et de valence (b) autour d'un spin nucléaire Ij du réseau cristallin. Ces fonctions orbitales sont respectivement de symétrie s et p. Dans le cas d'un état de valence, le spin nucléaire est situé au nœud de la fonction uv, ce qui annule l'interaction hyperfine de contact.

Figure 1 : Probabilité de présence des états de conduction (a) et de valence (b) autour d’un spin nucléaire Ij du réseau cristallin. Ces fonctions orbitales sont respectivement de symétrie s et p. Dans le cas d’un état de valence, le spin nucléaire est situé au nœud de la fonction uv, ce qui annule l’interaction hyperfine de contact.

Utilisant une technique pompe-sonde de dichroïsme circulaire photoinduit (DCP), nous avons étudié la dynamique du spin de trous confinés dans des boîtes quantiques InAs. Nous avons ainsi montré qu’il était possible de polariser ce spin par des excitations pulsées résonantes (cf. fig.2-a) et avons observé un signal de DCP proportionnel à la polarisation du spin résident. En présence d’un champ magnétique longitudinal (parallèle à l’axe de polarisation du spin), une augmentation rapide, suivie d’une saturation de la polarisation du spin du trou, a été observée (cf. fig. 2-b).

Figure 2 : (a) Signal de dichroïsme circulaire photoinduit en fonction du temps. L'excitation optique est périodique (13 ns). Le signal au temps négatif (c'est-à-dire aux temps longs par rapport aux pulses) correspond à la polarisation photoinduite du spin du trou. (b) La dépendance de cette polarisation avec le champ appliqué met en évidence la présence d'un couplage hyperfin trou-noyau.

Figure 2 : (a) Signal de dichroïsme circulaire photoinduit en fonction du temps. L’excitation optique est périodique (13 ns). Le signal au temps négatif (c’est-à-dire aux temps longs par rapport aux pulses) correspond à la polarisation photoinduite du spin du trou. (b) La dépendance de cette polarisation avec le champ appliqué met en évidence la présence d’un couplage hyperfin trou-noyau.

Ce comportement est la signature de l’existence d’un couplage hyperfin, écranté par le champ appliqué. Ce couplage est d’un ordre de grandeur plus faible que pour l’électron, confirmant les prédictions sur un temps de cohérence des états de valence plus long que ceux des états de conduction. Ces résultats auront une incidence sur l’utilisation possible du spin d’un état de valence comme qubit.

Pour en savoir plus :

Hole - Nuclear Spin Interaction in Quantum Dots B. Eble, C. Testelin, P. Desfonds, F. Bernardot, A. Balocchi, T. Amand, A. Miard, A. Lemaître, X. Marie and M. Chamarro, Phys. Rev. Lett. 102, 146601 (2009)

Hole-spin dephasing time associated with hyperfine interaction in quantum dots C. Testelin, F. Bernardot, B. Eble and M. Chamarro, à paraître dans Physical Review B

Figure 1 : Probabilité de présence des états de conduction (a) et de valence (b) autour d'un spin nucléaire Ij du réseau cristallin. Ces fonctions orbitales sont respectivement de symétrie s et p. Dans le cas d'un état de valence, le spin nucléaire est situé au nœud de la fonction uv, ce qui annule l'interaction hyperfine de (...) Figure 2 : (a) Signal de dichroïsme circulaire photoinduit en fonction du temps. L'excitation optique est périodique (13 ns). Le signal au temps négatif (c'est-à-dire aux temps longs par rapport aux pulses) correspond à la polarisation photoinduite du spin du trou. (b) La dépendance de cette polarisation avec le champ appliqué met en évidence la présence d'un couplage hyperfin (...)