Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Groupe d’Optique des nanoStructures Semiconductrices > Manipulation optique du spin électronique dans les boîtes quantiques
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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.

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Puce 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...

 Lemaitre Aristide  (+33) 1 69 63 60 72  
 Senellart Pascale  (+33) 1 69 63 61 96  

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Puce Publications

Publications dans des journaux
Publications dans des livres
  • 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 Contrats et projets

    Puce 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.
      En cours de renouvellement pour 2014-2017 (2010-2013)

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

      Référence de contrat : NanoSci-ERA
      Responsable(s) LPN : Isabelle Robert-Philip, Olivier Krebs
      Principaux objectifs : 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 : Boîtes QUantiques, Adressage et Manipulation Optique de Spin

      Référence de contrat : ANR-09-NANO-030-01
      Coordinateur, Partenaire(s) : L. Besombes (Institut Neel), B. Urbaszek (LNMO), C. Testelin (INSP )
      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 (TRT )
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaitre
      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)

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    Puce 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 : Olivier Krebs, Aristide Lemaitre
      Principaux objectifs : Injection de spin dans une boîte quantique unique (2004-2007)

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    Puce 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 Lemaitre, 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)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


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

  • A. Kudelski-(2005-01-10 / 2005-11-09)
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
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  • Microphotoluminescence en champ magnétique pour l'étude de boîtes quantiques magnétiques

  • A. Kudelski-(2005-11-10 / 2007-11-09)
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus

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

  • C. Arnold-(2011-01-15 / 2012-07-14)
    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.

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

  • E. Baudin-(2012-01-01 / 2012-12-31)
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    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

Thèse


  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Thèse de doctorat de l'Université de Par

  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Thèse en ligne : http://tel.ccsd.cnrs.fr/documents/archives0/00/00/70/28/

  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus

  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Thèse de l'Université de Paris XI

  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    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.

  • 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
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
                Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    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.

  • Excitation résonante et non-linéarité à faible nombre de photons d’une boîte quantique en microcavité

  • V. Loo-(2009-10-01 / 2012-09-30)
    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.

Stage


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

  • C. Guyon-(2001-01-01 / 2001-03-01)
    Niveau : Master2
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    DEA de Physique des solides

  • 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)
    Niveau : Master2
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    DEA de Sciences des matériaux

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

  • S. Ben Bouzid-(2002-10-15 / 2002-11-15)
    Niveau : Master2
    Contact : P. Voisin
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus

  • Détermination du dopage effectif de boîtes quantiques InAs

  • R. Bonilla-(2003-01-20 / 2003-03-15)
    Niveau : Master2
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    DEA de Physique des solides

  • 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)
    Niveau : Master2
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    DEA de Sciences des matériaux

  • Propriétés et contrôle optique d’une impureté magnétique unique dans une boîte quantique de semiconducteurs III-V

  • Niveau : Master2
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Les boîtes quantiques de semiconducteur InAs dans GaAs dopées par un atome unique de Manganèse (Mn) présentent un double intérêt pour des études de physique quantique dans la matière condensée: d’une part, une boîte quantique constitue une sorte de nano-laboratoire pour sonder l’interaction d’échange sp-d entre les électrons 3d5 de Mn (formant un spin 5/2) et des porteurs individuels (électron ou trou), d’autre part l’impureté magnétique ‘Mn + trou’ qui est formée à basse température fournit un système quantique à deux-niveaux tout à fait original, pouvant notamment servir de bit d’information quantique. Grâce aux propriétés optiques des boîtes quantiques (comparables à celles des atomes) ces deux aspects peuvent être explorés en utilisant des techniques de spectroscopie optique. Jusqu’à présent la photoluminescence a été principalement employée pour caractériser les niveaux d’énergie dans une boîte quantique [1,2] et récemment pour démontrer le pompage optique de l’impureté magnétique [3]. Pour aller plus loin, en particulier vers le contrôle cohérent d’un spin unique, notre ambition est de réaliser un montage de spectroscopie résonante des transitions optiques reposant sur la transmission différentielle d’un laser ultrafin et accordable. C’est une technique expérimentale récemment implémentée pour les boîtes quantiques qui a déjà fait ses preuves pour contrôler et lire un spin unique électronique. Avec cet outil nous comptons déterminer le temps de vie T 1 du spin magnétique, ainsi que sa cohérence par une expérience de piégeage cohérent de population. En parallèle nous comptons poursuivre l’étude de l’échange sp-d à l’échelle atomique, afin de vérifier des prédictions théoriques faites pour le composé GaMnAs dans le régime de très faible dopage. *Références* : [1] PRL 99,247209 (2007) , [2] PRB 80, 165315 (2009), [3] PRL 107, 197402 (2011)

  • Etude expérimentale de la photoluminescence d'hétérostrustures

  • V. Bregier-(2000-07-01 / 2000-07-31)
    Niveau : Licence
    Contact : O. Krebs
    Groupe : Groupe d'Optique des Structures Semi-conductrices (GOSS)
    En savoir plus
    Licence ENS-Lyon
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