Lecture radiofréquence de spins de trou confinés dans des boîtes quantiques semiconductrices

Radiofrequency readout of hole spins confined in semiconductor quantum dots

• Auteur / Autrice : Estelle Vincent
• Direction : Silvano De Franceschi, Romain Maurand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 08/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble, Isère, France ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Buisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hermann Sellier, Eva Dupont-Ferrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexei Orlov, Edward Laird

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échange de spins

Germanium -- Composés

Points quantiques

Spectroscopie des radiofréquences

Mots clés libres

Radiofréquences

Trous

Spins

Silicium

Germanium

Boîtes quantiques

Radiofrequency

Holes

Spins

Silicon

Germanium

Quantum dots

Résumé

Les trous dans la bande de valence des semi-conducteurs du groupe IV bénéficient d’une interaction spin-orbite naturelle. Par conséquent, les spins de ces trous peuvent être manipulés avec le champ électrique, ce qui offre d’intéressantes perspectives pour la réalisation de processeurs quantique. Parmi les différents matériaux semi-conducteurs, le Silicium et le Germanium se distinguent pour la fabrication de dispositifs à boîtes quantiques. D'une part, le Silicium isotopiquement purifié offre un environnement magnétique propre ainsi qu'un processus de fabrication très mature. D'autre part, le Germanium présente des mobilités élevées et de faibles masses effectives dans des hétérostructures à puits quantiques, offrant une grande liberté dans la conception des dispositifs. Dans ce manuscrit, nous explorons la physique des spins de trous confinés dans des boîtes quantiques semi-conductrices, en nous concentrant sur les techniques de lecture permettant la détection des états de spins. Nous explorons d'abord la lecture dispersive de trous piégés dans des nanofils de Silicium sur isolant. À cette fin, nous concevons et fabriquons des résonateurs micro-onde supraconducteur en nitrure de Nobium et mettons en œuvre un setup de réflectométrie de grille fonctionnant à quelques gigahertz pour sonder leur réponse en fréquence. Dans un deuxième temps, nous nous concentrons sur la détection de charges dans des doubles boîtes quantiques (DQD) fabriquées dans des hétérostructures en Ge/SiGe. Nous implémentons un setup radiofréquence sur un capteur de charge constitué d'une seule boîte quantique, permettant la différenciation des états de charge du DQD en moins d'une microseconde. Associée à un bruit de charge mesuré autour de 0.2 microEv/sqrt(Hz), le setup permet d'atteindre le régime du dernier trou du DQD. Finalement, nous démontrons la détection du blocage de Pauli. En utilisant ce mécanisme de conversion spin-charge, nous accédons aux états de spin du DQD et rapportons leurs taux de relaxation.

Holes in the valence band of group-IV semiconductors benefits from natural spin-orbit interaction. Consequently, holes spins can be manipulated with the electric field offering perspectives for quantum information processing. Among the different semiconducting materials, Silicon and Germanium stand out for the fabrication of quantum dot devices. On one hand, isotopically purified Silicon offers a clean magnetic environment together with very mature fabrication process. On the other hand, Germanium shows high mobilities and low effective masses in Ge/SiGe quantum well heterostructures, offering a large freedom in device design. In this manuscript, we explore the spin physics of holes confined in semiconductor quantum dots focusing on readout techniques allowing for spin state detection. We first explore the dispersive readout of holes in Silicon-on-insulator nanowires. For these purpose, we design and fabricate Nobium nitride superconducting microwave resonator, and implement a gate-reflectometry setup working at a few gigahertz to probe their frequency response. Second, we focus on the charge sensing of double quantum dots (DQDs) in Ge/SiGe heterostructure. We implement a radiofrequency setup on the charge sensor made of a single quantum dot allowing for the differentiation of charge states of the DQD in less than a microsecond. Associated with a measured charge noise around 0.2 microEv/sqrt(Hz), this setup allows to reach the last hole regime of the DQD. Eventually we demonstrate the detection of Pauli Spin Blockade. Using this spin-to-charge conversion mechanism, we access the spin states of the DQD and report on their energy relaxation rates.