Shaping the spectrum of carbon nanotube quantum dots with superconductivity and ferromagnetism for mesoscopic quantum electrodynamics

par Tino Cubaynes

Thèse de doctorat en Physique mésoscopique

Sous la direction de Takis Kontos.

Soutenue le 07-12-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de physique de l'ENS (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Brune.

Le jury était composé de Hélène Bouchiat, Denis Feinberg.

Les rapporteurs étaient Kasper Grove-Rasmussen, Christopher Bauerle.

mots clés

• Boîtes quantiques en nanotubes de carbone
• Electrodyamique quantique en cavité
• Lame séparatrice à paires de Cooper
• Couplage fort
• Qubit de spin
• Points quantiques
• Nanotubes
• Électrodynamique quantique en cavité
• BCS, Théorie

Titre traduit

Façonnage du spectre de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbones avec la supraconductivité et le ferromagnétisme pour l'électrodynamique quantique mésoscopique

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire afin de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les fluctuations des spins nucléaires.

mots clés

• Carbon nanotube quantum dots
• Cavity quantum electrodynamics
• Cooper pair splitter
• Strong coupling
• Spin-qubit

Résumé

In this thesis, we study carbon nanotubes based quantum dot circuits embedded in a microwave cavity. This general architecture allows one to simultaneously probe the circuit via quantum transport measurements and using circuit quantum electrodynamics techniques. The two experiments realized in this thesis use metallic contacts of the circuit as a resource to engineer a spin sensitive spectrum in the quantum dots. The first one is a Cooper pair splitter which was originally proposed as a source of non local entangled electrons. By using cavity photons as a probe of the circuit internal dynamics, we observed a charge transition dressed by coherent Cooper pair splitting. Strong charge-photon coupling in a quantum dot circuit was demonstrated for the first time in such a circuit. A new fabrication technique has also been developed to integrate pristine carbon nanotubes inside quantum dot circuits. The purity and tunability of this new generation of devices has made possible the realization of the second experiment. In the latter, we uses two non-collinear spin-valves to create a coherent interface between an electronic spin in a double quantum dot and a photon in a cavity. Highly coherent spin transitions have been observed. We provide a model for the decoherence based on charge noise and nuclear spin fluctuations.