Couplage et dynamique de boîtes quantiques en technologie MOS silicium étudiés par réflectométrie radio-fréquence sur grille

Coupling and dynamics of quantum dots in silicon MOS nanowires studied with gate-coupled radio frequency reflectometry

• Auteur / Autrice : Anthony Amisse
• Direction : Xavier Jehl, Louis Hutin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Saminadayar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maryline Bawedin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georgios Katsaros, Francis Calmon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de réflectance

Spintronique

MOS (électronique)

Mots clés libres

Cryogénie

Réflctométrie radio-Fréquence

Mosfet

Silicium

Ingénieurie quantique

Boîtes quantiques

Cryogenics

Quantum engineering

Quantum dots

Mosfet

Silicon

Radio frequency reflectometry

Résumé

Nous mesurons à très basse température des transistors nanofils silicium en technologie MOS dans lesquels le transport électronique à travers le canal a lieu via une ou des boîtes quantiques. Nous avons aussi construit un dispositif de réfléctométrie radio-fréquence qui permet de sonder l'état de charge et de spin d’un porteur de charge piégé dans une de ces boîtes, même dans le cas d'une transition de charge interne qui ne donne pas lieu à du courant drain-source. Nous utilisons ce dispositif pour lire la charge et le spin dans des échantillons dédiés qui comportent deux grilles. Cette tâche principale implique des mesures à basse température, sous champ magnétique, avec de faibles signaux. Le but est de contrôler l'état de charge et de spin pour deux applications différentes : les pompes à électrons pour la métrologie quantique de l'ampère et les bits quantiques, ou qubits, de spin.Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les problématiques liées aux qubits de spin. En effet en 2016, notre laboratoire a réalisé le premier qubit de spin de trous dans des boîtes quantiques réalisées en technologie MOS silicium. Plus précisément, nous nous sommes penchés sur deux points essentiels du fonctionnement d’un tel qubit et, par extension, d’un réseau de qubits : le contrôle du couplage entre les boîtes quantiques et la lecture du spin.Dans un premier temps, nous avons regardé trois façons différentes d’agir sur le couplage : via la polarisation de la grille arrière ou via la polarisation d’une ligne métallique toutes deux capacitivement couplées au nanofil et enfin via une troisième boîte quantique. Les deux premières façons sont directement liés au design des dispositifs. La troisième façon est bien plus subtile. Nous avons montré que lorsque deux boîtes quantiques sont couplées via une troisième boîte, le couplage effectif entre les deux boîtes extérieures dépend fortement de l’état interne de la boîte centrale.Dans un deuxième temps, nous avons mis en place dans un cryostat une nouvelle façon de lire le spin d’un porteur via une sélectivité en énergie, impliquant des manipulations rapides sur les grilles. Après avoir monté et caractérisé les lignes nécessaires dans le cryostat, il a fallu configurer à la fois l’envoi et l’analyse de signaux pulsés. L’expérience est un succès à champ magnétique nul. Nous obtenons exactement ce à quoi nous nous attendons. Cela a permis de valider le dispositif expérimental. A champ magnétique non nul en revanche, les résultats obtenus sont non-triviaux, indiquant qu’effectivement le champ magnétique joue un rôle mais il a été difficile pointer avec exactitude un signal de spin.Ce travail a été mené en étroite collaboration avec le CEA-LETI, pour le design et la fabrication des échantillons sur leur plate-forme SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS 300mm. Cette compatibilité de nos dispositifs avec des chaînes de production industrielles de microélectronique pourrait être un grand atout dans la quête de l’intégration à grande échelle de qubits.

We measure at very low temperature silicon MOS nanowire transistors in which the electronic transport through the channel takes place via one or more quantum dots. We have also built a radio frequency reflectometry device that allows us to probe the charge and spin state of a charge carrier trapped in one of these dots, even in the case of an interdot charge transition that does not give rise to drain-source current. This main task involves measurements at low temperature, under magnetic field, with low signals. The goal is to control the state of charge and spin for two different applications: electron pumps for quantum ampere metrology and spin quantum bits, or qubits.In the framework of this thesis, we focused on the problems related to spin qubits. Indeed, in 2016, our laboratory realized the first spin qubit of holes in quantum dots realized in silicon MOS technology. More precisely, we focused on two essential points of the functioning of such a qubit and, by extension, of a network of qubits: the control of the coupling between the quantum dots and the readout of the spin.First, we looked at three different ways of acting on the coupling: via the polarization of the backgate or via the polarization of a metallic line, both capacitively coupled to the nanowire, and finally via a third quantum dot placed in between the two dots. The first two ways are directly related to the design of the devices. The third way is much more subtle. We have shown that when two quantum dots are coupled via a third dot, the effective coupling between the two outer dots strongly depends on the internal state of the central dot.In a second step, we set up in a cryostat a new way to read the spin of a carrier via energy selectivity, involving fast electrical manipulations on the gates. After setting up and characterizing the necessary lines in the cryostat, we had to configure both the sending and the analysis of pulsed signals. The experiment was a success at zero magnetic field. We are getting exactly what we expect. This allowed us to validate the experimental set-up. At a non-zero magnetic field, on the other hand, the results obtained are non-trivial, indicating that indeed the magnetic field plays a role but it was difficult to pinpoint a spin signal accurately.This work was carried out in close collaboration with CEA-LETI, for the design and fabrication of the samples on their 300mm SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS platform. This compatibility of our devices with industrial microelectronics production lines could be a great asset in the quest for large-scale qubit integration.