Présentation

L’orientation du spin d’un électron est très sensible à son déplacement dans un cristal semi-conducteur, à cause des champs magnétiques effectifs qu’il induit et qui font précesser le spin. En revanche elle doit être une grandeur très robuste lorsque l’électron est piégé dans une boîte quantique de type InAs/GaAs. Cette propriété de cohérence du spin, qui est au cœur de cette action, rend ce système très attractif pour la réalisation de portes logiques quantiques dans la matière condensée, utilisant le spin comme « quantum-bit ».

L’objectif de cette action est d’étudier par des méthodes optiques qui reposent sur l’orientation du spin par absorption d’un photon polarisé circulairement, les propriétés fondamentales qui peuvent limiter la cohérence de spin dans une boîte quantique, comme par exemple l’interaction hyperfine avec les noyaux ou bien le rôle du couplage spin-orbite. Ce faisant, nous comptons explorer les possibilités de manipulation optique du spin en s’attachant en particulier à la réalisation des fonctions d’écriture et de lecture de l’orientation du spin dans une boîte quantique individuelle.

Membres

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

Et aussi...

Lemaître Aristide	(+33) 1 69 63 60 72
Senellart Pascale	(+33) 1 69 63 61 96
Arnold Christophe	(+33) 1 69 63 60 46
Loo Vivien	(+33) 1 69 63 60 54
Baudin Emmanuel	(+33) 1 69 63 60 62

Publications

• Single-shot initialization of electron spin in a quantum dot using a short optical pulse , V. Loo, L. Lanco, O. Krebs, P. Senellart, C. Voisin, Phys. Rev. B 83, 033301 (2011)
• Optical Pumping and a Nondestructive Readout of a Single Magnetic Impurity Spin in an InAs/GaAs Quantum Dot , E. Baudin, E. Benjamin, A. Lemaître, O. Krebs, Phys. Rev. Lett. 107, 197402 (2011)
• Fast coherent control of nuclear spins in an optically pumped single quantum dot , M. N. Makhonin, K. V. Kavokin, P. Senellart, A. Lemaître, A.J. Ramsay, M. Skolnick, A. I. Tartakovskii, Nature Materials 10, 844 (2011)
• Anomalous Hanle Effect due to Optically Created Transverse Overhauser Field in Single InAs/GaAs Quantum Dots , O. Krebs, P. Maletinsky, T. Amand, B. Urbaszek, A. Lemaître, P. Voisin, X. Marie, A. Imamoglu, Phys. Rev. Lett. 104, 056603 (2010)
• Optically tunable nuclear magnetic resonance in a single quantum dot , M. N. Makhonin, E. A. Chekhovich, P. Senellart, A. Lemaître, M. Skolnick, A. I. Tartakovskii, Phys. Rev. B 82, 161309 (2010)
• Controlling the Polarization Eigenstate of a Quantum Dot Exciton with Light , T. Belhadj, C.-M. Simon, T. Amand, P. Renucci, B. Chatel, O. Krebs, A. Lemaître, P. Voisin, X. Marie, B. Urbaszek, Phys. Rev. Lett. 103, 086601 (2009)
• Magnetic anisotropy of singly Mn-doped InAs/GaAs quantum dots , O. Krebs, E. Benjamin, A. Lemaître, Phys. Rev. B 80, 165315 (2009)
• Suppression of nuclear spin diffusion at a GaAs/AlxGa1-xAs interface measured with a single quantum-dot nanoprobe , A. E. Nikolaenko, E. A. Chekhovich, M. N. Makhonin, I. W. Drouzas, A. B. Van'kov, J. Skiba-Szymanska, M. S. Skolnick, P. Senellart, D. Martrou, A. Lemaître, A. I. Tartakovskii, Phys. Rev. B 79, 081303 (2009)
• Optical alignment and polarization conversion of the neutral-exciton spin in individual InAs/GaAs quantum dots , K. Kowalik, O. Krebs, A. Lemaître, J. A. Gaj, P. Voisin, Phys. Rev. B 77, 161305 (2008)
• Hyperfine interaction in InAs/GaAs self-assembled quantum dots: dynamical nuclear polarization versus spin relaxation , O. Krebs, B. Eble, A. Lemaître, P. Voisin, B. Urbaszek, T. Amand, X. Marie, C.R. Phys. 9, 874 (2008)
• Manipulating the exciton fine structure of single CdTe/ZnTe quantum dots by an in-plane magnetic field , K. Kowalik, O. Krebs, A. Golnik, J. Suffczynski, P. Wojnar, J. Kossut, J. A. Gaj, P. Voisin, Phys. Rev. B 75, 195340 (2007)
• Manipulating exciton fine structure in quantum dots with a lateral electric field , B.D. Gerardot, S. Seidl, P.A. Dalgarno, R.J. Warburton, D. Granados, J.M. Garcia, K. Kowalik, O. Krebs, K. Karrai, A. Badolato, F. Petroff, Appl. Phys. Lett. 90, 041101 (2007)
• Electron spin quantum beats in positively charged quantum dots: nuclear field effects , L. Lombez, P.-F. Braun, X. Marie, P. Renucci, B. Urbaszek, T. Amand, O. Krebs, P. Voisin, Phys. Rev. B 75, 195314 (2007)
• Monitoring electrically driven cancellation of exciton fine structure in a semiconductor quantum dot by optical orientation , K. Kowalik, O. Krebs, A. Lemaître, B. Eble, A. Kudelski, P. Voisin, S. Seidl, J. A. Gaj, Appl. Phys. Lett. 91, 183104 (2007)
• Efficient dynamical nuclear polarization in quantum dots: Temperature dependence , B. Urbaszek, P.-F. Braun, T. Amand, O. Krebs, M. Belhaj, A. Lemaître, P. Voisin, X. Marie, Phys. Rev. B 76, 201301 (2007)
• Diamagnetic contribution to the effect of in-plane magnetic field on a quantum-dot exciton fine structure , M.M. Glazov, E. L. Ivchenko, O. Krebs, K. Kowalik, P. Voisin, Phys. Rev. B 76, 193313 (2007)
• Optically probing the fine structure of a single Mn atom in an InAs quantum dot , A. Kudelski, A. Lemaître, A. Miard, P. Voisin, T.C.M. Graham, R.J. Warburton, O. Krebs, Phys. Rev. Lett. 99, 247209 (2007)
• Negative circular polarization as a general property of n-doped self-assembled InAs/GaAs quantum dots under nonresonant optical excitation , S. Laurent, M. Senes, O. Krebs, V. K. Kalevich, B. Urbaszek, X. Marie, T. Amand, P. Voisin, Phys. Rev. B 73, 235302 (2006)
• Charge-controlled nuclear polarization of a single InAs/GaAs quantum dot under optical pumping , B. Eble, O. Krebs, A. Lemaître, K. Kowalik, A. Kudelski, B. Urbaszek, T. Amand, X. Marie, P. Voisin, Phys. Stat. Sol. (c) 3, 3752 (2006)
• Dynamic nuclear polarization of a single charge-tunable InAs/GaAs quantum dot , B. Eble, O. Krebs, A. Lemaître, K. Kowalik, A. Kudelski, P. Voisin, B. Urbaszek, X. Marie, T. Amand, Phys. Rev. B 74, R081306 (2006)
• Bistability of the nuclear polarization created through optical pumping in In1−xGaxAs quantum dots , P.-F. Braun, B. Urbaszek, T. Amand, X. Marie, O. Krebs, B. Eble, A. Lemaître, P. Voisin, Phys. Rev. B 74, 245306 (2006)
• Influence of an in-plane electric field on exciton fine structure in InAs/GaAs self-assembled quantum dots , K. Kowalik, O. Krebs, A. Lemaître, S. Laurent, P. Senellart, J. A. Gaj, P. Voisin, Appl. Phys. Lett. 86, 041907 (2005)
• Electrical control of hole spin relaxation in charge tunable InAs/GaAs Quantum Dots , S. Laurent, B. Eble, O. Krebs, A. Lemaître, B. Urbaszek, X. Marie, T. Amand, P. Voisin, Phys. Rev. Lett. 94, 147401 (2005)
• Direct observation of the electron spin relaxation induced by nuclei in Quantum Dots , P.-F. Braun, X. Marie, L. Lombez, B. Urbaszek, T. Amand, P. Renucci, V. K. Kalevich, K. V. Kavokin, O. Krebs, P. Voisin, Y. Masumoto, Phys. Rev. Lett. 94, 116601 (2005)
• Mémoire de spin dans les boîtes quantiques de semiconducteurs , P. Voisin, O. Krebs, X. Marie, T. Amand, Images de la Physique , 52 (2004)
• Optically driven spin memory in n-doped InAs-GaAs quantum dots , S. Cortez, O. Krebs, X. Marie, S. Laurent, M. Senes, J. M. Gérard, R. Ferreira, G. Bastard, P. Voisin, T. Amand, Phys. Rev. Lett. 89, 207401 (2002)
• Spin relaxation quenching in semiconductor quantum dots , M. Paillard, X. Marie, P. Renucci, T. Amand, A. Jbelli, J. M. Gérard, Phys. Rev. Lett. 86, 1634 (2001)

• Exciton spin dynamics in semiconductor quantum dots , X. Marie, B. Urbaszek, O. Krebs, T. Amand, Spin Physics in Semiconductors 157, chap.4 (2008)

Contrats et projets

Projets Internationaux

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

Référence de contrat : Laboratoire International Associé (LIA) CNRS - Université de Montpellier - INSA Toulouse / Académie des Sciences de Russie - Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale
Responsable(s) LPN : Frank Glas
Principaux objectifs : Coordonner et développer les collaborations scientifiques entre les laboratoires du CNRS et les laboratoires et instituts de l'académie des sciences russe basés à Saint-Petersbourg dans le domaine de la croissance et de l'étude des propriétés physiques des nanostructures de semiconducteurs composés, et des composants basés sur ces structures. (2010-2013)

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

Référence de contrat : NanoSci-ERA
Responsable(s) LPN : Alexios Beveratos, Isabelle Robert-Philip, Olivier Krebs
Principaux objectifs : Development of deterministic solid-state source of polarization entangled photons with a high collection efficiency. (2007-2010)




ANR PNANO

QUAMOS : Boîtes QUantiques, Adressage et Manipulation Optique de Spin

Référence de contrat : ANR-09-NANO-030-01
Coordinateur, Partenaire(s) : C. Testelin (Université De Reims Champagne-Ardenne ), C. Testelin (GPS), C. Testelin (INSP ), L. Besombes (LSP), L. Besombes (Institut Néel), B. Urbaszek (LNMO)
Responsable(s) LPN : Olivier Krebs
Principaux objectifs : Initialiser, lire, et manipuler de manière cohérente un spin unique dans une boîte quantique de semiconductor, fourni par une charge piégée (électron ou trou) ou les électrons 3d5 d'un atome magnétique incorporé. (2010-2013)

MOMES : Manipulation Optique, Magnétisme et Electronique de Spin

Référence de contrat : ANR PNANO
Coordinateur, Partenaire(s) : J.-M. George (IPCMS), J.-M. George (UMR CNRS-Thalès)
Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître
Principaux objectifs : 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)




Projets Incitatifs du Ministère de la Recherche

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

Référence de contrat : ACI
Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître, Olivier Krebs
Principaux objectifs : Injection de spin dans une boîte quantique unique (2004-2007)




Contrat Cnano

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

Référence de contrat : financement de Thèse C'Nano IdF
Coordinateur, Partenaire(s) : A. Bhattacharjee (LPS)
Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître, Olivier Krebs
Principaux objectifs : 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)

Stages passés et en cours

Post-doctorat

• Un spin unique en microcavité: initialisation et mesure non-destructive

C. Arnold-(En cours depuis 2011-01-15)
Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
            Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : L. Lanco
Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
En savoir plus

Les boîtes quantiques semiconductrices sont des très bonnes candidates pour la réalisation d’expériences d’information quantique dans un système à l’état solide. Au cours des dernières années, notre groupe a acquis une forte expertise dans le contrôle du couplage lumière-matière pour des boîtes quantiques en microcavité. Nous avons récemment développé une technique de lithographie in-situ permettant de coupler de façon déterministe une boîte quantique avec le mode optique d’une cavité. Nous sommes actuellement en train de réaliser un montage expérimental pour exciter/sonder de façon résonante ou quasi-résonante nos dispositifs, avec plusieurs perspectives prometteuses. Par exemple, le spin d’un électron unique confiné dans une boîte quantique peut occasionner une légère rotation de la polarisation d’un faisceau laser. Cet effet, s’il est amplifié à l’intérieur d’une microcavité optique, permet de réaliser la mesure non-destructive de ce spin et, à terme, d’observer en temps réel les sauts quantiques du spin. En parallèle, nous prévoyons de tirer avantage de l’exaltation du couplage lumière-matière pour obtenir l’initialisation ultrarapide du spin de l’électron. Les candidats à cette offre doivent avoir une solide expérience en optique ou en physique de la matière condensée, et être également intéressés par le travail technologique en salle blanche.

Thèse

• Boites quantiques en microcavité : de l’excitation résonante à la mesure non-destructive d’un spin unique

V. Loo-(En cours depuis 2009-10-01)
Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
            Optique quantique et non linéaire (OQNL)
Contact : L. Lanco
Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
En savoir plus

Dans le cadre de cette thèse, nous travaillons à l’excitation résonante de systèmes boites quantiques/microcavités pour lesquels l’interaction lumière-matière est particulièrement forte. Le dispositif expérimental réalisé permet la spectroscopie extrêmement fine de ces systèmes et, dans le cas de boites quantiques chargées avec un électron unique, permet d’envisager l’initialisation rapide ainsi que la mesure non-destructive du spin de l’électron.


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

E. Benjamin-(2008-10-01 / 2011-09-30)
Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
Contact : O. Krebs , A. Lemaître
Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
            Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
En savoir plus

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.