Laboratory for Photonics and Nanostructures
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Optic of Semiconductor nanoStructures Group > Optical manipulation of electron spin in quantum dots
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In a semiconductor crystal, the spin orientation of an electron is very sensitive to its motion, because of the induced effective magnetic fields that leads to spin precession. On the opposite, it should be very robust as soon as the electron is trapped in a quantum dot. The present action is focused on this spin coherence property, which seems besides very promising for the realization of an elementary quantum gate in condensed matter, based on the electronic spin as "quantum-bit".

Our first goal is to study with optical methods based on the spin orientation of electron by absorption of circularly polarized photon, the fundamental properties that may limit the spin coherence in a quantum dot, like e.g. the hyperfine interaction with nuclei or the spin-orbit coupling. We also plan to investigate the feasibility of optical spin driving, with a particular attention to the spin-writing and reading of an electron trapped in a single quantum dot.

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Puce Members

Contacts

 Lanco Loic  (+33) 1 69 63 60 45  
 Voisin Paul  (+33) 1 69 63 61 93  
 Krebs Olivier  (+33) 1 69 63 61 92  

And also...

 Nestoklon M. O.  (+33) 1 69 63 61 72  
 Arnold Christophe  (+33) 1 69 63 60 46  
 Lemaitre Aristide  (+33) 1 69 63 60 72  
 Senellart Pascale  (+33) 1 69 63 61 96  

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Puce Publications

Publication in journals
Publications in books
  • Exciton spin dynamics in semiconductor quantum dots , X. Marie, B. Urbaszek, O. Krebs, T. Amand, Spin Physics in Semiconductors 157, chap.4 (2008)
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Puce Contracts and projects

    Puce International Projects

      ILNACS : Nanostructures of Compound Semiconductors (Growth, properties, devices)

      Reference contract : Laboratoire International Associé (LIA) CNRS - Université de Montpellier - INSA Toulouse / Académie des Sciences de Russie - Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale
      LPN leader(s): Frank Glas
      Main goals : Organize and develop scientific collaborations between the CNRS laboratories and the laboratories and institutes of the Russian Academy of Sciences based in Saint Petersburg in the domains of growth and study of the physical properties of nanostructures of compound semiconductors, and of compounds based on the latter. (2010-2013)

      NanoEPR : Deterministic single quantum dot Nano-sources of Entangled Photons paiRs

      Reference contract : NanoSci-ERA
      LPN leader(s): Isabelle Robert-Philip, Olivier Krebs
      Main goals : Development of deterministic solid-state source of polarization entangled photons with a high collection efficiency. (2007-2010)

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    Puce ANR PNANO

      QUAMOS : QUantum Boxes, Addressing and Manipulating Optically the Spin

      Reference contract : ANR-09-NANO-030-01
      Coordinator, Partner(s) : L. Besombes (Institut Neel), B. Urbaszek (LNMO), C. Testelin (INSP )
      LPN leader(s): Olivier Krebs
      Main goals : Initializing, reading-out, and coherently manipulating a single spin confined in a semiconductor quantum dot, provided by a trapped excess charge (electron or hole) or by the /3d5 /electron of an embedded Mn atom. (2010-2013)

      MOMES : Manipulation Optique, Magnétisme et Electronique de Spin

      Reference contract : ANR PNANO
      Coordinator, Partner(s) : J.-M. George (TRT )
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre
      Main goals : Mise en œuvre de moyens d’injection et de détection de porteurs polarisés en spin, la compréhension des mécanismes de relaxation de spin dans des objets aux dimensions réduites et le développement de techniques de manipulation du spin. (2005-2008)

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    Puce Incentive Projects of the Ministry of Research

      BOITQUAN : Boîtes quantiques et semiconducteurs ferromagnétiques (GaMn)As pour l'électronique de spin

      Reference contract : ACI
      LPN leader(s): Olivier Krebs, Aristide Lemaitre
      Main goals : Injection de spin dans une boîte quantique unique (2004-2007)

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    Puce Cnano contrat

      SOMASUMAQ : Spectroscopie Optique et Manipulation d'un Spin Unique de Manganèse dans une boîte Quantique III-V

      Reference contract : financement de Thèse C'Nano IdF
      Coordinator, Partner(s) : A. Bhattacharjee (LPS)
      LPN leader(s): Aristide Lemaitre, Olivier Krebs
      Main goals : Spectroscopie Optique et Manipulation d'un Spin Unique de Manganèse dans une boîte Quantique III-V Objectif principal : Etude des boîtes quantiques auto-assemblées InAs/GaAs contenant un seul atome magnétique de manganèse afin de caractériser l'interaction d'échange sp-d au niveau microscopique et de déterminer le potentiel d'un tel système dans le cadre de l'information quantique, en tentant de réaliser la préparation et manipulation d'états cohérents du spin magnétique. (2008-2011)

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Puce Past and current Internship Training

Post-docs


  • Contrôle Optique d’une Impureté Magnétique dans une Boîte Quantique InAs/GaAs (COMAQ)

    • E. Baudin-(2012-01-01 / 2012-12-31)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Le projet COMAQ vise à exploiter les propriétés d\'un atome de manganèse (Mn) inséré dans une boîte quantique InAs/GaAs qui se présente à basse température comme un système à deux niveaux. Celui-ci correspond aux deux orientations du spin effectif constitué par la configuration anti-ferromagnétique du spin 5/2 de l\'atome Mn et du spin 3/2 d\'un trou de la bande de valence (lié au Mn en raison de son caractère accepteur). L\'objectif est de réaliser un montage de mesure de la transmission différentielle d\'une boîte quantique unique afin de démontrer la préparation de ce système par pompage optique et mesure nondestructive, en utilisant pour cela un schéma de transitions en W. Par cette technique, nous comptons aussi déterminer le temps T1 de relaxation du spin, démontrer la possibilité de manipulation par effet Stark optique ainsi que le piégeage cohérent de population. Cette dernière expérience permettrait en outre d\'obtenir une première estimation du temps de décohérence pour qualifier ce système en vue de futures expériences de contrôle cohérent. Par ailleurs, nous comptons poursuivre l\'investigation des propriétés matériau liées au manganèse dans une matrice III-V, en réalisant une structure permettant d\'observer par photocourant l\'état ionisé de l\'accepteur. L\'atome se comporte alors comme un spin 5/2, permettant d\'une part, la mesure directe de l\'échange avec un électron ou un trou dans une boîte quantique, et d\'autre part l\'étude de l\'anisotropie de magnéto-résistance tunnel. *Financement* : RTRA Triangle de la Physique, N°: 2011-081T-COMAQ

  • A single spin in a microcavity: initialization and non-destructive measurement

    • C. Arnold-(2011-01-15 / 2012-07-14)
    Contact : L. Lanco
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Semiconductor quantum dots are promising systems for the practical implementation of quantum information and cavity quantum electrodynamics in the solid state. Over the last years, our group has demonstrated a strong experience in light-matter coupling with single quantum dots in cavities. We have recently developed an in-situ lithography technique allowing to couple, in a deterministic way, a quantum dot to an optical cavity mode. We are currently building a set-up for the resonant or nearly-resonant pumping/probing of these devices, with several exciting perspectives. For example, a single electron spin can induce a small rotation in a laser beam polarization; this effect, if enhanced by an optical microcavity, can lead to the non-destructive measurement of the spin state, and to the real-time observation of the spin quantum jumps. In parallel, we plan to take advantage of the increased light-matter coupling for the ultrafast initialization of the electron spin. We welcome applications from excellent candidates with a PhD in condensed matter or optical physics. Candidates must prove a strong attitude towards experimental physics and show interest for technological work and/or optics.

  • Microphotoluminescence under a magnetic field for studying single magnetic quantum dots

    • A. Kudelski-(2005-11-10 / 2007-11-09)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More

  • Etude de boîtes quantiques InAs/GaAs avec inclusion de Manganèse en champ magnétique

    • A. Kudelski-(2005-01-10 / 2005-11-09)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More

PhDs


  • Quantum dots in a microcavity: from resonant excitation to the non-destructive measurement of a single spin

    • V. Loo-(2009-10-01 / 2012-09-30)
    Contact : L. Lanco
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    In this project we work on the resonant excitation of coupled quantum dot/microcavity systems with a strongly enhanced light-matter interaction. The experimental setup allows for a very precise spectroscopy of these devices and, in the case of quantum dots charged with a single electron, can lead to the fast initialization as well as the non-destructive measurement of the electron spin.

  • Pompage optique du spin d’un atome de Manganèse dans une boîte quantique InAs

    • E. Benjamin-(2008-10-01 / 2011-09-30)
    Contact : O. Krebs , A. Lemaitre
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
                Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)
    More
    L’objectif du projet consiste à étudier la possibilité de polariser un spin unique (S=5/2) d’un atome magnétique de Manganèse (Mn) inséré dans une boîte quantique de semiconducteur InAs dans GaAs par la méthode de pompage optique. Un tel système a été caractérisé optiquement pour la première fois dans notre équipe en Février 2007 (http://arxiv.org/abs/0710.5389, Phys. Rev. Lett. 99,247209 (2007)). L’idée du pompage optique repose sur l’orientation du moment angulaire des paires électron-trou photocréées par une excitation polarisée circulairement, puis de son transfert au spin d’un atome Mn par le biais de l’interaction d’échange sp-d entre les porteurs et les électrons 3d5 du Manganèse.

  • Non destructive measurement of a single electron spin in a semiconductor quantum dot

    • Contact : L. Lanco , O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Summary : The realization of quantum bits in the solid state is a major technological and experimental challenge for quantum information. To develop these elementary tools for quantum computation, semiconductor quantum dots are promising candidates : for example, the spin state of an electron trapped in such a quantum dot can keep its coherence for as long as a few microseconds. Our team masters the technological and experimental know-how to realize and study various kinds of quantum nano-devices (positively or negatively charged quantum dots, possibly with the addition of a magnetic atom or insertion in an optical microcavity). In the scope of this stage/phd thesis, our goal is to set up new experiments for the manipulation and measurement of electron spin in these objects. As a first development we will use resonant pumping, so as to selectively excite a single optical transition between two energy levels of the quantum dot. Apart from the possibility to probe our nano-devices with a far better resolution, this will give us a way to prepare the spin state in a deterministic way. A second development, also fundamental for the manipulation of the quantum bit, will consist in the realization of an experimental setup for non-destructive read-out of the spin state : under the influence of a single electron spin a rotation of polarization is induced on a optical beam. These two techniques will constitute major tools to study the dynamics of a single spin and to perform quantum optics experiments in the solid state.

  • Effet d'un champ électrique latéral sur le splitting d'échange anisotrope des boîtes quantiques

    • K. Kowalik-(2004-10-01 / 2007-09-30)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Les boîtes quantiques présentent en général une légère anisotropie qui se traduit par une structure fine des excitons: l'interaction d'échange électron-trou comporte un terme anisotrope qui lève la dénérescence de spin des états radiatifs, et donne lieu à un doublet de raies polarisées linéairement. Cette propriété est un grave obstacle à l'obtention de paires de photons intriqués lors de la cascade radiative biexciton-exciton, parce que les chemins empruntant l'un ou l'autre des états excitoniques deviennent distinguables. Notre projet consiste à contrôler la symétrie effective de la boîte à l'aide d'un champ électrique latéral. Les premiers résultats (APL 2005) montrent qu'il est effectivement possible de diminuer très sensiblement le splitting d'échange anisotrope. L'enjeu est maintenant, via des mesures à très haute résolution spectrale, de vérifier s'il est vraiment possible de l'annuler et d'obtenir une cascade radiative dégénérée en polarisation.

  • Orientation optique des excitons multichargés dans les boîtes quantiques et influence de l'interaction hyperfine

    • B. Eble-(2003-10-01 / 2006-09-30)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
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  • Etude des boîtes quantiques pour la génération de q-bit à l'état solide

    • E. Peter-(2003-10-01 / 2006-10-01)
    Contact : P. Senellart
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
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    Thèse de l'Université de Paris XI

  • Orientation optique et relaxation du spin du trion dans les boîtes quantiques d'InAs/GaAs

    • S. Laurent-(2001-10-01 / 2004-09-30)
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
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    Thèse en ligne : http://tel.ccsd.cnrs.fr/documents/archives0/00/00/70/28/

  • Brisure de symétrie dans les hétérostructures de semiconducteurs III-V: de l'anisotropie optique des puits à l'orientation de spin dans les boîtes quantiques

    • S. Cortez-(1998-09-01 / 2001-11-19)
    Contact : P. Voisin
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Thèse de doctorat de l'Université de Par

Internship Training


  • Properties and optical control of a single magnetic impurity in a III-V semiconductor quantum dot

    • Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
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    : Doping InAs/GaAs semiconductor quantum dots (QDs) with a single Manganese (Mn) atom presents a twofold interest to investigate quantum mechanics in condensed matter: on the one hand, a quantum dot can be seen as a nano-lab enabling us to probe the sp-d exchange interaction between the Mn 3d5 electrons (a 5/2 spin) and individual carriers (electron or hole). On the other hand, the magnetic impurity 'Mn+hole', which is formed at low temperature, provides a very specific 2-level quantum system which could be used as a quantum bit. Thanks to the optical properties of quantum dots (similar to those of individual atoms) these two aspects can be explored with optical spectroscopy techniques. So far, photoluminescence has been mostly employed to characterize the corresponding quantum states in a quantum dot [1,2], and more recently to demonstrate the optical pumping of the impurity spin [3]. To go further, toward the coherent control of a single spin, our current aim is to develop a resonant spectroscopy set-up of the optical transitions relying on the differential transmission of an ultra-narrow and spectrally tunable laser line. Such experimental technique has already proven very high capability to manipulate a single electron or hole spin in a quantum dot. With this new tool, our aim will be to determine the longitudinal relaxation time T1 of the impurity spin, as well as its coherence properties through a coherent population trapping experiment. In parallel, we plan to study further the sp-d exchange interaction at the atomic scale, in particular to check the validity of some theoretical predictions made for the GaMnAs compound at very low Mn doping level. *References* : [1] PRL 99,247209 (2007) , [2] PRB 80, 165315 (2009), [3] PRL 107, 197402 (2011)

  • Contrôle optique de la charge d'une boîte quantique unique.

    • Level : Master2
    Contact : P. Senellart
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    L’émergence du traitement quantique de l’information suscite un grand nombre de recherches dans le domaine des boîtes quantiques semi-conductrices. Très récemment, de nombreux travaux se sont ainsi attachés à démontrer le contrôle de la charge d’une boîte quantique unique et le contrôle du spin porté par cette charge. La solution couramment utilisée est d’insérer le plan de boîtes quantiques dans une jonction de type p-i-n ou Schottky-n puis d’appliquer un champ électrique sur la structure. Cependant, les phénomènes physiques alors observés sont dominés par le court temps de transit des électrons dans la boîte quantique. Il est alors difficile d’envisager des effets de mémoire sur le spin de l’électron. Nous proposons ici de réaliser un contrôle de la charge dans une boîte quantique unique par une méthode toute optique. Un dessin astucieux de la structure de bande permet, lors d’une excitation lumineuse, de séparer les électrons et les trous de façon à créer, soit un gaz d’électrons, soit un gaz de trous dans le plan des boîtes quantiques. Dans un tel système, la densité des porteurs créés est très faible et le champ électrique qui s’établit est négligeable. Nous espérons ainsi pouvoir contrôler l’état de charge d’une boîte quantique unique tout en maintenant un temps de vie long des excitations élémentaires au sein de la boîte quantique. Nous avons déjà réalisé des premières mesures qui ont démontré le contrôle du nombre de trous injectés dans une boîte quantique unique. Nous dessinons maintenant des structures qui devraient nous permettre d’injecter des électrons de manière contrôlée. Le stage consistera à effectuer les mesures optiques sur les nouvelles structures ainsi qu’à tester par des mesures résolues en polarisation l’adressage du spin porté par la charge élémentaire de la boîte quantique. Le stagiaire participera également au calcul des structures de bandes optimales ainsi qu’aux réalisations technologiques de base nécessaires à la réalisation des mesures.

  • Manipulation of a single electron spin in a semiconductor quantum dot

    • Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Les boîtes quantiques auto-assemblées d’InAs/GaAs sont souvent assimilées à des atomes artificiels au sein d’une matrice de semiconducteur GaAs en raison de la discrétisation de leurs niveaux électroniques. En outre, la remarquable qualité cristalline de ces objets leur confère de très bonnes propriétés optiques grâce auxquelles on peut les étudier individuellement. L’objectif de ce stage sera de manipuler, c’est à dire écrire, « faire tourner » et lire, le spin d’un électron unique piégé dans une boîte quantique. Etre capable de réaliser ces opérations élémentaires durant le temps de cohérence du spin est le challenge que tentent de relever nombre de physiciens de la matière condensée dans la perspective encore assez lointaine d’utiliser le spin comme « bit quantique » d’information. Un tel système sera obtenu en contrôlant par une tension de grille le potentiel chimique de la boîte quantique par rapport à celui d’un réservoir d’électrons. L’application d’un champ magnétique et le pompage optique orienté seront associés pour contrôler et étudier la dynamique de spin de l’électron, afin de déterminer l’influence de l’environnement (spins nucléaires, couplage spin-orbite, phonons, charges locales, ...) sur les temps de relaxation T1 et de décohérence T2 du spin. En particulier on tentera de mettre en évidence l’augmentation du temps de cohérence du spin engendrée par la polarisation (ou refroidissement) des spins nucléaires de la boîte quantique obtenue par pompage optique. Les moyens d’investigations qui seront utilisés reposeront en grande partie sur la spectroscopie de photo-luminescence à basse température (2K). Pour les études en champ magnétique, une bobine supraconductrice de 10 Teslas est en train d’être équipée d’un microscope piloté par des moteurs piézo-électriques et devrait être opérationnelle en début d’année 2006. Au besoin, le stagiaire pourra aussi participer à la préparation d’échantillons en salle blanche par lithographie optique et gravure chimique.

  • Vers l'étude de la cohérence de spin des électrons dans les boîtes quantiques InAs/GaAs individuelles

    • B. Eble-(2003-04-01 / 2003-06-30)
    Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    DEA de Sciences des matériaux

  • Détermination du dopage effectif de boîtes quantiques InAs

    • R. Bonilla-(2003-01-20 / 2003-03-15)
    Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    DEA de Physique des solides

  • Spectroscopie de photo-courant dans les puits quantiques InGaAsN/GaAs

    • S. Ben Bouzid-(2002-10-15 / 2002-11-15)
    Level : Master2
    Contact : P. Voisin
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More

  • Etude expérimentale de la photoluminescence d'hétérostructures et de boîtes quantiques; structure électronique et largeur de raie.

    • S. Laurent-(2001-04-01 / 2001-06-30)
    Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    DEA de Sciences des matériaux

  • Etude expérimentale de la transmission optique de boîtes émettant à 1.55 mm

    • C. Guyon-(2001-01-01 / 2001-03-01)
    Level : Master2
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    DEA de Physique des solides

  • Etude expérimentale de la photoluminescence d'hétérostrustures

    • V. Bregier-(2000-07-01 / 2000-07-31)
    Level : Licence
    Contact : O. Krebs
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
    More
    Licence ENS-Lyon
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Last update :
05/07/2012

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