information quantique TRANSPORT DE TROUS DANS UNE BOÎTE QUANTIQUE DE SiGe Contact : Georgios Katsaros – SPSMS – [email protected] A partir d’un îlot auto-assemblé de SiGe, nous avons fabriqué un dispositif dans lequel nous contrôlons précisément le nombre de porteurs de charge. Grâce aux propriétés du matériau utilisé, ce dispositif va nous permettre de manipuler le spin de ces porteurs dans des conditions inégalées. Une des pistes de recherche les plus fascinantes pour l’électronique du futur vise à utiliser les électrons non plus pour leur charge électrique mais pour leur spin. Ce spin, qui forme un système quantique à deux niveaux, pourrait en effet se prêter à un traitement quantique de l’information. Alors que les charges électriques sont sujettes à l’interaction électrostatique à longue portée (interaction de Coulomb), les spins électroniques interagissent moins entre eux. Leur temps de cohérence est donc relativement long, ce qui en fait des candidats prometteurs pour des qubits. A ce jour, les expériences ont principalement concerné des boîtes quantiques d’arséniure de gallium. Cependant, du fait d’un couplage spin-orbite relativement fort et d’effets de relaxation induits par un couplage du spin de l’électron avec les spins des noyaux de Ga et d’As, le temps de cohérence reste assez court (environ 30 ns). Nous nous sommes donc tournés vers le SiGe pour lequel le couplage avec les spins nucléaires est bien plus faible. Avant d’agir sur le spin des électrons, il est nécessaire de préparer une boîte quantique de ce matériau, et d’y adjoindre un dispositif permettant de contrôler le nombre de porteurs de charge qu’elle contient. Ilots auto-assemblés de SiGe Le silicium et le germanium ont des paramètres de maille suffisamment différents pour qu’un film mince de Ge déposé par épitaxie sur un substrat de Si ne soit pas stable. Le système minimise son énergie élastique en fabriquant spontanément des îlots de SiGe à la surface. C’est ainsi que nos échantillons sont fabriqués à l’institut Max Planck de Stuttgart. Pour contrôler le nombre d’électrons dans la boîte quantique que constitue l’îlot, il faut déposer des électrodes - ici en aluminium - qui formeront le drain et la source d’un transistor (Fig. 1). Cette opération est effectuée à la Plateforme Technologique Amont. Pour la grille, nous avons employé une méthode originale qui remplace les dépôts successifs d’un isolant et d’un conducteur au-dessus de la boîte. Le substrat de croissance des îlots est un silicium sur isolant (SOI) qui sert aussi de grille arrière (la tricouche Si/SiO2/Si sur le schéma de la Fig. 1). Notre SOI est préparé spécialement par le Leti à partir de silicium fortement dopé, car le SOI standard est insuffisamment conducteur à la température de fonctionnement du dispositif. Diamants de Coulomb Ces mesures doivent en effet être effectuées à basse température afin que l’agitation Fig. 1. Image en microscopie électronique à balayage du dispositif. L’îlot de 80 nm de diamètre, constituant la boîte quantique, est connecté à des électrodes en aluminium (barre d’échelle : 200 nm). Blocage de Coulomb Le blocage de Coulomb est dû à la répulsion coulombienne que ressent, par exemple, un électron lorsqu’il s’approche d’un objet de petite dimension déjà chargé négativement. Il s’observe lorsque l’énergie nécessaire pour rajouter un électron dans cet objet est grande, et plus précisément supérieure à l’énergie thermique. Compte tenu des dimensions de nos boîtes, nous devons nous placer à basse température pour observer cet effet. thermique des porteurs de charge, qui sont ici des trous, ne vienne pas brouiller les résultats. La figure 2 montre la conductance entre drain et source en fonction de la tension drain-source et de la tension de grille. Il s’agit en fait de la conductance différentielle mesurée autour d’une tension de polarisation donnée entre drain et source. La figure obtenue, qui dessine les diamants de Coulomb, est la signature du phénomène de blocage de Coulomb (encart). A partir du centre de la figure, le franchissement d’une ligne de haute conductance correspond à l’ajout ou au retrait d’un porteur de charge dans l’îlot. Ces mesures donnent également accès aux niveaux d’énergie des porteurs dans la boîte quantique. La prochaine étape, qui ouvrira la voie pour la manipulation des spins, consistera à mesurer précisément le facteur de Landé de ces niveaux. Fig. 2. Conductance différentielle de notre dispositif, mesurée à 16 mK, en fonction des tensions drain-source et de grille. Le fond très sombre correspond à une conductance nulle, les zones colorées à une conductance élevée. Fixons la tension de grille à 5,3V (flèche jaune); la conductance différentielle reste très faible tant que la tension de polarisation drain-source est inférieure à 15mV environ. Pour cette valeur un porteur passe de l’îlot à l’électrode ou réciproquement. LA FEUILLE ROUGE - N°552 avril 2009 Comité de rédaction : E. Molva, J. Planès (DIR), P. Dalmas de Réotier (SPSMS), L. Dubois (SCIB), S. Lyonnard (SPRAM), G. Prenat (SPINTEC), R. Vallcorba (SBT), P. Warin (SP2M) - Mise en page : M. Benini (DIR) tél. 04 38 78 36 33 Institut Nanosciences et Cryogénie Commissariat à l’Énergie Atomique - Direction des Sciences de la Matière - Centre de Grenoble - inac.cea.fr/feuille_rouge