Thèse soutenue

Contrôle optique et dynamique de spin d'un Cr individuel dans un semi-conducteur : vers un contrôle cohérent mécanique avec des ondes acoustiques de surface

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Auteur / Autrice : Vivekanand Tiwari
Direction : Lucien BesombesHervé Boukari
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Nanophysique
Date : Soutenance le 09/11/2021
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France)
Jury : Président / Présidente : Christopher Bäuerle
Examinateurs / Examinatrices : Benoît Eble
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Krebs, Masha Vladimirova

Mots clés

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Résumé

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Grâce à leur long temps de cohérence, les spins individuels localisés dans les semi-conducteurs sont des qubits prometteurs pour la mise en œuvre dans l'état solide de technologies quantiques émergentes, notamment l'informatique quantique et les capteurs quantiques. Cependant, la réalisation d'une interaction à longue portée entre des qubits de spin à l'état solide reste un objectif difficile à atteindre aujourd'hui. Les ondes acoustiques de surface (SAW), des excitations de type phonon liées à la surface d'un solide, sont proposées comme bus quantique efficace permettant le couplage à longue distance d'un large éventail de qubits.Nous avons étudié un nouveau système à spin unique avec une grande interaction intrinsèque entre le spin et la déformation : un atome de Cr individuel dans une boite quantique (BQ) de CdTe. Nous avons d'abord analysé la dynamique de spin d'un ion Cr2+ individuel en utilisant un pompage optique résolu en temps. Nous avons démontré que la relaxation du spin d'un Cr isolé est fortement sensible aux phonons hors équilibre. Nous avons trouvé des conditions d'excitation où l'état de spin préparé optiquement peut être préservé dans l'obscurité sur une échelle de temps µs. Cela ouvre la possibilité de contrôler de manière cohérente le qubit de spin du Cr avec le champ de déformation résonant de SAW. Nous avons conçu et fabriqué des transducteurs SAW dans la gamme GHz sur des structures à base de ZnTe. Malgré le très faible coefficient piézoélectrique du ZnTe, des ondes acoustiques de surface GHz peuvent être lancées sur une surface de ZnTe à l'aide de transducteurs inter-digités réalisés sur une couche de ZnO orientée selon l'axe c déposée sur du ZnTe contenant des BQs CdTe. Nous avons démontré la modulation radiofréquence de l'énergie de BQs CdTe/ZnTe individuelles par SAWs. Une contrainte de l'ordre de 10-4 peut être obtenue sur la couche de BQs. Nous avons observé dans le domaine temporel la propagation d'impulsions mécaniques de l'ordre de 100 ns dans des cavités et démontré la modulation de l'énergie de BQs individuelles par des ondes stationnaires SAW à phase contrôlée.Dans le processus d'optimisation des échantillons de BQs dopées au Cr, nous avons observé que l'état de charge du Cr pouvait fluctuer. Nous avons montré, en particulier, que l'ion Cr+ chargé négativement, un état excité du Cr dans les semi-conducteurs II-VI, peut être stable lorsqu'il est inséré dans une BQ. Le Cr+ attire un trou lourd et forme un complexe stable trou-Cr+. L’étude optique de ce système révèle un couplage ferromagnétique entre les trous lourds et le spin du Cr+. Nous avons étudié la dynamique du nano-aimant formé par l'interaction d'échange trou-Cr+. Les états fondamentaux avec Mz=±4 peuvent être contrôlés par pompage optique résonnant et un temps de relaxation du spin de l'ordre de 20 µs est obtenu à T=4.2 K.Ce travail montre que le Cr2+ est un qubit de spin adressable optiquement potentiellement utilisable dans des systèmes hybrides spin-mécaniques. Son fort couplage spin-contrainte et le développement réussi de dispositifs SAW sur ZnTe permettront un contrôle mécanique cohérent de ce qubit de spin. Ce travail ouvre également la voie à l'étude de nouveaux systèmes de semi-conducteurs magnétiques dilués basés sur le spin de l'accepteur ionisé Cr+.