Centre for Nanosciences and Nanotechnology - Marcoussis Campus
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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...

 Lemaître 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 : LIA
      Coordinator, Partner(s) : F. Glas (LPN ),
      C2N 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.
      (2010-2017)

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

      Reference contract : NanoSci-ERA
      C2N 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 )
      C2N 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 )
      C2N leader(s): Aristide Lemaître
      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
      C2N leader(s): Aristide Lemaître, Olivier Krebs
      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 )
      C2N leader(s): Olivier Krebs, Aristide Lemaître
      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)


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    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

  • K. Piven-(2011-01-15 / 2012-07-14)
    Contact : L. Lanco
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
                NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)


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    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)


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  • 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)


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PhDs


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

  • V. Loo-(2009-10-01 / 2012-12-07)
    Contact : L. Lanco
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
                NanoPhotonIQ (NanoPhotonIQ)


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    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. Lemaître
    Group : Optic of Semiconductor nanoStructures Group (GOSS)
                Elaboration and Physics of Epitaxial Structures (ELPHYSE)


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    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.

  • 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)


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    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.

  • 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 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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  • 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)


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    Thèse de doctorat de l'Université de Par

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