Double boîte quantique en graphène et résonateurs hybrides pour les dispositifs quantiques THz

Double graphene quantum dots and hybrid resonators for THz quantum devices

• Auteur / Autrice : Solen Coeymans
• Direction : Juliette Mangeney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 07/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Lampin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cheryl Feuillet-Palma
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Gauthier-Lafaye, François Parmentier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs optiques

Spectroscopie terahertz

Points quantiques

Graphène

Mots clés libres

THz

Graphène

Boîte quantique

Résonateur

Cavité

THz

Graphene

Quantum dot

Resonator

Cavity

Résumé

Cette thèse se concentre sur le développement de dispositifs quantiques fonctionnant dans la gamme des fréquences térahertz (THz), en relevant le défi de coupler un système à deux niveaux à un résonateur THz. La gamme spectrale THz, située typiquement entre 100 GHz et 30 THz, a longtemps été considérée comme un ''fossé technologique'' en raison du manque de solutions viables pour la génération et la détection des ondes THz. Toutefois, les progrès remarquables réalisés récemment dans le domaine de la technologie THz ouvrent de nouvelles possibilités pour la recherche fondamentale et les applications et aujourd'hui, le fossé THz se situe clairement dans les technologies quantiques. En effet, les technologies quantiques aux fréquences THz n'en sont qu'à leurs balbutiements, alors que les domaines spectraux voisins des micro-ondes et de l'optique ont connus un essor considérable. Cependant, les propriétés uniques des ondes THz sont très prometteuses pour de nombreuses applications quantiques, telles que la communication quantique sans fil sécurisée, les qubits à l'état solide et la détection quantique. L'objectif principal de ce travail est d'évaluer le potentiel des doubles boîtes quantiques de graphène (doubles GQD) à agir comme un système à deux niveaux dans la gamme spectrale THz, et de les coupler à un résonateur THz. Les double GQDs sont très prometteurs pour le développement de dispositifs quantiques THz, car l'espacement de leurs niveaux d'énergie se situe dans la gamme THz, et ils présentent une sensibilité très élevée au rayonnement THz cohérent en raison de leur dipôle électrique THz particulièrement grand. Cette thèse aborde un premier défi, à savoir la nanofabrication en salle blanche de dispositifs à base de double GQD physiquement gravés et leur intégration à des résonateurs LC. La nanofabrication implique l'exfoliation et le transfert de graphène et de nitrure de bore hexagonal (hBN), la caractérisation de l'hétérostructure, la lithographie par faisceau d'électrons et les étapes de gravure. En utilisant la spectroscopie de transport dans l'obscurité à basse température (300 mK), nous démontrons qu'un double GQD agit comme un système à deux niveaux avec une fréquence de résonance dans la gamme de fréquences THz. Il s'agit d'une étape importante pour le développement de systèmes quantiques THz. Un autre objectif clé de cette thèse concerne le développement de résonateurs THz hybrides, pour l'exploration des interactions quantiques entre la lumière THz et un système à deux niveaux, tel qu'un double GQD. Notre approche repose sur le couplage ultra-fort d'une cavité Tamm THz à un métamatériau à circuit LC. Nous démontrons que ces résonateurs hybrides concilient un facteur Q élevé avec un confinement de mode très sous-longueur d'onde. Cependant, ces résonateurs THz hybrides ne sont pas optimisés pour être couplés à un matériau discret tel qu'un double GQD. Notre approche pour résoudre ce problème est de réduire l'extension spatiale dans le plan du mode de Tamm et ainsi améliorer son interaction avec un résonateur LC unique. Notre stratégie consiste à remplacer le miroir métallique plan de la cavité Tamm par un disque métallique de taille finie. En utilisant la simulation et l'expérience, nous caractérisons les propriétés de ces cavités Tamm THz originales à modes confinés. Les résultats de ce travail de thèse sont importants pour le développement de futurs dispositifs quantiques THz. En effet, le couplage d'un double GQD, agissant comme un système à deux niveaux aux fréquences THz, à des résonateurs THz hybrides en tirant parti de différents régimes de couplage, de faible à ultra-fort, permettra la génération et la détection d'états lumineux THz non classiques. L'amélioration de notre compréhension des interactions lumière-matière à THz devrait ouvrir la voie à des percées majeures dans les technologies quantiques à THz.

This thesis focuses on the development of THz quantum devices, addressing the challenge of coupling a two-level system to a THz resonator. The THz spectral range, typically situated between 100 GHz and 30 THz, has long been considered as a ''technological gap'' due to the lack of viable solutions for the generation and detection of THz waves. However, recent remarkable advances in THz technology are opening up new possibilities for fundamental research and applications are today, the current THz gap is clearly in quantum technologies. Indeed, quantum technologies at THz frequencies are still in their infancy, while the neighboring spectral domains of microwaves and optics have seen considerable growth. However, the unique properties of THz waves hold great promise for many quantum applications, such as secure wireless quantum communication, solid-state qubits and quantum sensing. The main objective of this work is to evaluate the potential of graphene double quantum dots (double GQDs) to act as a two-level system operating in the THz range, and to couple them to a THz resonator. GQDs hold great promise for the development of THz quantum devices, as their energy level spacing is in the THz range, and they exhibit ultrahigh sensitivity to coherent THz radiation due to their exceptionally large THz electric dipole. This thesis addresses a first challenge, which is the cleanroom nanofabrication of physically etched double GQD-based devices and their integration with LC resonators. Nanofabrication involves graphene and hexagonal boron nitride (hBN) exfoliation and transfer, heterostructure characterization, electron-beam lithography and etching steps. Using dark transport spectroscopy at low temperature (300 mK), we demonstrate that double GQD acts as a two-level system with a resonance frequency in the THz frequency range. This is a milestone towards the development of THz quantum systems. Another key objective of this thesis concerns the development of hybrid THz resonators, for exploiring the quantum interactions between THz light and a two-level system, such as double GQD. Our approach relies on the ultra-strong coupling of a THz Tamm cavity to an LC-circuit metamaterial. We demonstrate that these hybrid resonators conciliate a high Q factor with sub-wavelength mode confinement. However, these hybrid THz resonators are not optimized for coupling to a discrete material system such as double GQD. Our approach to overcome this issue is to reduce the in-plane spatial extension of the Tamm mode to thus enhance its interaction with a single LC resonator. Our strategy is to replace the plane metal mirror of the Tamm cavity with a finite-size metal disk. Using simulation and experiment, we characterize the properties of these original THz confined-mode Tamm cavities. The outcomes of this thesis work are important for the development of future THz quantum devices. Indeed, coupling double GQD, acting as a two-level system at THz frequencies, to hybrid THz resonators by leveraging various coupling regimes, from weak to ultra-strong, will enable the generation and detection of non-classical THz light states. Improving our understanding of light-matter interaction at THz frequencies should pave the way for major breakthroughs in THz quantum technologies.