Contrôle cohérent des excitations électroniques dans

Rapport de stage
Contrôle cohérent
des excitations électroniques
dans une boîte quantique unique
Directeurs de stage :
Valia VOLIOTIS
Roger GROUSSON
Alexandre ENDERLIN M2 Physique théorique
5 Septembre 2007

Table des matières
Introduction 3
1 Présentation des boîtes quantiques 4
1.1 Motivation : information quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Genèse des boîtes quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Croissance de fils quantiques gravés en V . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Confinement des porteurs dans une boîte quantique . . . . . . 7
1.3 L’exciton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Description des états excitoniques . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 Interaction exciton-lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Oscillations de Rabi 10
2.1 Un dispositif expérimental d’optique guidée . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.1 Principe de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Description du dispositif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Préparation d’une superposition cohérente via les oscillations de Rabi 12
2.2.1 Régime continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Régime impulsionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Micro-photoluminescence 16
3.1 Principe de la micro-luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Micro-luminescence résolue spatialement . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Micro-luminescence résolue temporellement . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Contrôle cohérent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Conclusion 24
Bibliographie 25
A Fonctionnement du cryostat 26
B Ralentissement de la lumière 28
2

Introduction
L’apparition des premières hétérostructures de semiconducteurs au début des
années 1970 a ouvert un vaste champ de recherche sur les propriétés des systèmes
de basse dimensionnalité. Les puits quantiques ont été les premières structures réa-
lisées. Il se distinguent du matériau massif par la quantification partielle des états
électroniques induite par le confinement dans une direction spatiale.
Depuis une décennie, d’importants efforts ont été réalisés en vue d’améliorer
les techniques de croissance des structures de plus basse dimension à l’instar des fils
quantiques, qui constituent des systèmes 1D, et des boîtes quantiques (BQ), qui sont
des systèmes 0D. La focalisation des recherches fondamentales sur l’étude des pro-
priétés des BQ est motivée par le fait qu’elles constituent potentiellement les briques
élémentaires du traitement quantique de l’information, appelées bits quantiques ou
qubits. Les BQ semiconductrices offrent des perspectives très prometteuses dans ce
domaine parce qu’elles allient les avantages des systèmes atomiques —discrétisation
des états propres électroniques— et des systèmes condensés —réalisation technolo-
gique et miniaturisation facilitées—.
Nous commençons ce rapport en expliquant brièvement les motivations de l’étude
des BQ et nous présentons leurs propriétés originales au sein du premier chapitre.
Ensuite, le deuxième chapitre est consacré à l’excitation des BQ par la lumière.
On y décrit en particulier comment préparer une BQ unique dans un état quantique
déterminé en exploitant le phénomène physique des oscillations de Rabi.
Enfin, dans le troisième chapitre, nous nous intéressons à la relaxation radiative
d’une BQ unique par des techniques de micro-photoluminescence résolue spatiale-
ment et temporellement.
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Chapitre 1
Présentation des boîtes quantiques
Les propriètés physiques originales des boîtes quantiques semiconductrices dé-
coulent principalement de leur basse dimensionnalité. Elles constituent des systèmes
0D qui confinent les porteurs de charges (électrons et trous) dans les trois dimen-
sions de l’espace, ce qui conduit à une quantification de l’énergie des électrons et des
trous.
De plus, les BQ étudiées peuvent être considérées comme de bons systèmes à deux
niveaux. Cette proprièté implique la possibilité prometteuse d’utiliser les BQ en tant
qu’unité fondamentale pour coder l’information quantique que nous définissons dans
la première section.
La deuxième section est consacrée à la méthode de croissance des BQ sur les-
quelles nous avons travaillé.
Enfin, les propriètés des BQ lièes au confinement sont décrites dans la troisième
section.
1.1 Motivation : information quantique
Une perspective à long terme d’utilisation des boîtes quantiques est la suivante :
utiliser les propriètés quantiques de ces objets nanométriques pour coder et traiter
l’information de manière infiniment plus rapide.
Rappelons que l’unité fondamentale de l’informatique classique est le bit. Il suit
une logique binaire classique et ne peut, par conséquent, prendre que deux valeurs
notées 0 ou 1.
Un bit quantique ou ‘qubit’ est matérialisé par l’état quantique |ψid’une BQ
considérée idéalement comme un système à deux niveaux. |ψipeut prendre, contrai-
rement au bit classique, non seulement les valeurs discrètes |0iou |1imais égale-
ment toutes les superpositions quantiques cohérentes du type α|0i+β|1itelles que
|α|2+|β|2= 1. La rapidité d’un ordinateur quantique par rapport à un ordinateur
classique provient de l’existence de telles superpositions cohérentes qui permettent
d’effectuer 2ncalculs en parallèle où n est le nombre de qubits, pendant qu’un ordi-
nateur classique ne réalise qu’un seul calcul [1].
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