Groupe Nanostructures et Systèmes Quantiques

Axe principal: EDS
Axes secondaires :
Groupe Nanostructures et Systèmes Quantiques
http://www.insp.jussieu.fr/-Nanostructures-et-systemes-.html
Institut des NanoSciences deParis
http://www.insp.jussieu.fr/
Contact C’nano de l’équipe
Perez Florent
Responsable d’équipe :
Catherine GOURDON
[email protected]
Membres permanents de l’équipe :
Catherine GOURDON
[email protected]
Laura THEVENARD
[email protected]
Florent PEREZ
[email protected]
Maria CHAMARRO
[email protected]
Benoit EBLE
[email protected]
Christophe TESTELIN
[email protected]
Bernard JUSSERAND
[email protected]
Frederic BERNARDOT
[email protected]
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Activités scientifiques de l’équipe :
Les recherches réalisées dans cette équipe se situent en grande partie dans la mouvance de
l’information quantique, de l’électronique de spin et de l’électronique moléculaire.
Elles sont construites autour de l’étude des propriétés électroniques d’objets quantiques de
taille nanométrique : puits quantiques (dopés, semi-magnétiques), fils quantiques
inorganiques et organiques (chaînes de polymères), boîtes quantiques et nanocristaux. Les
effets de confinement des phonons dans des cavités spécifiques constituent également un
nouveau domaine d’étude.
Un des objectifs est d’étudier et de contrôler à l’échelle de nano-objets individuels les
propriétés de cohérence spatiale et temporelle des excitations électroniques. Les propriétés de
cohérence d’états quantiques bien définis de spin ou de charge seront mises à profit pour
démontrer la manipulation et, à plus long terme, l’intrication de deux bits quantiques, étape
indispensable d’une ébauche de calcul quantique.
Pour l’électronique de spin, la compréhension des phénomènes liés au spin dans des
nanostructures dopées, magnétiques ou non, est fondamentale pour utiliser le spin comme
vecteur de l’information. Les excitations électroniques et vibrationnelles dans des
nanostructures bi- et unidimensionnelles de semiconducteurs sont aussi explorées par
spectroscopie Raman électronique : étude en champ magnétique des excitations collectives et
individuelles de spin de gaz d’électrons à deux dimensions polarisés, des excitations
électroniques dans des puits et fils quantiques, des vibrations acoustiques et des magnons dans
des superréseaux et des nanoparticules.
Les semiconducteurs ferromagnétiques, dans lesquels le ferromagnétisme est médié par les
porteurs, offrent de nouvelles possibilités de manipulation du spin à différentes échelles
spatiales et temporelles. Différentes voies sont explorées : la manipulation par des champs
magnétiques qui conduit à l’étude de la dynamique de parois magnétiques et la manipulation
ultrarapide de l’aimantation par des impulsions laser.
La réflexion théorique sur la nature exacte des bosons-composites est largement développée
dans l’équipe. Une nouvelle théorie à N corps à la représentation diagrammatique a été mise
au point. Les implications pour l’information quantique sont en discussion.
Un effort particulier a été entrepris pour développer de nouvelles expériences
complémentaires très compétitives : spectroscopie/imagerie de nano-objets uniques,
techniques pompe-sonde résolue en temps, microscopie Faraday, Raman électronique sous
champ magnétique résolu en angle.
•
Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Orientation inattendue de domaines magnétiques anisotropes
En utilisant des semiconducteurs ferromagnétiques
dont les propriétés d’anisotropie magnétique sont
facilement modulables, nous avons mis en évidence
pour la première fois, une orientation surprenante de
domaines magnétiques anisotropes résultant de la
dynamique complexe d’une paroi magnétique.
Cette image montre la position de la
paroi d’un domaine carré avec une
aimantation « up » dans un champ
« up » (en blanc) et de ce même
domaine avec une aimantation
« down » dans un champ « down » (en
noir). Suivant le sens du champ on
observe bien l’orientation des
diagonales des carrés à +π/8 ou –π/8
des axes d’anisotropie (axes <110>
en tirets). L’orientation des domaines
carrés est donc bien une propriété
intrinsèque et ne résulte pas de défauts
qui piègeraient les parois de manière
anisotrope.
Croissance de domaines magnétiques
simulée par une méthode de dynamique
de contour.
L’anisotropie joue un rôle important dans la
formation de domaines pour des systèmes bidimensionnels variés. Pour les films magnétiques, la
dynamique de parois est complexe en raison de la
nature vectorielle de l’aimantation. Les
semiconducteurs ferromagnétiques, objets de cette
étude, offrent la possibilité de faire varier la
symétrie de l’anisotropie magnétique. De plus, la
comparaison avec les modèles de propagation de
paroi est facilitée par la faible densité de centres de
piégeage des parois. Enfin, l’étude de la propagation
de parois dans les micro et nano-rubans est un enjeu
important dans le cadre du transport de
l’information.
Les semiconducteurs ferromagnétiques dilués
comme GaMnAs, dans lequel quelques pourcents
d’atomes de manganèse sont substitués au gallium,
sont activement étudiés pour valider des concepts
fondamentaux d’intérêt pour l’électronique de spin.
Leurs propriétés d’anisotropie magnétique sont
modulables, en raison du caractère particulier du
ferromagnétisme. Celui-ci résulte d’une interaction
d’échange entre ions magnétiques localisés et
porteurs délocalisés. La structure de la bande de
valence, sa modification par les contraintes, la
densité de porteurs, la concentration en manganèse
et la température vont définir l’amplitude respective
des contributions uniaxiale et biaxiale de
l’anisotropie.
Les domaines magnétiques sont visualisés par
microscopie Kerr, qui utilise la rotation de la
polarisation linéaire de la lumière lors de la réflexion
sur un film à aimantation perpendiculaire. On obtient
ainsi un contraste d’intensité entre les domaines
d’aimantation « up » et « down ». Pour atteindre le
régime hydrodynamique, où la propagation de paroi
n’est plus gouvernée par les défauts piégeants, on
utilise une technique d’impulsion de champ, pour
plus de détail : A. Dourlat et al. Phys. Rev. B 78,
161303 (R) (2008).
Des domaines magnétiques de forme carrée sont
observés dans une certaine gamme de champ
magnétique. L’orientation des côtés, à π/8 des axes
d’anisotropie, est surprenante car elle ne correspond
pas au minimum d’énergie d’une paroi statique. Nos
simulations incluant la symétrie tétragonale de
l’anisotropie magnétique reproduisent bien la forme
mais surtout l’orientation des domaines, ainsi que
leur domaine d’existence en champ. Ces résultats
mettent en évidence le rôle clé de la nature
vectorielle du paramètre d’ordre dans la
dynamique des domaines ferromagnétiques. Ils
sont également importants pour l’étude de la
propagation de parois de domaines dans les micro et
nano-rubans ferromagnétiques dans le cadre du
transport de l’information.
Pour en savoir plus
C. Gourdon, V. Jeudy, A. Cébers, A. Dourlat, Kh.
Khazen, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 80,
161202(R) (2009)
La cinétique des électrons limite la propagation du spin
Utiliser le spin pour transporter l’information est
une option prometteuse sur laquelle misent les
scientifiques. Pour y parvenir, ils recourent le plus
souvent à un courant polarisé en spin : une
technique où charge et spin ne sont pas découplés,
ce qui est source de dissipation. C’est pourquoi des
chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes
quantiques » se sont penchés sur une alternative :
utiliser des ondes de spin comme vecteur de
l’information. Mais les courants portés par ces
ondes sont-ils si purs en spin ? Cette équipe
démontre le contraire dans un conducteur standard.
Fig 1 : Spectres Raman obtenus à 2 Tesla
en faisant varier le vecteur d’onde q
transmis au gaz d’électrons. Pour chaque
q, le spectromètre mesure l’énergie d’un
photon diffusé, décalée de l’énergie de
l’onde de spin, « Raman shift », par
rapport au photon incident.
Fig 2 : Dispersion de l’onde spin
reconstruite à partir des spectres de la
Fig.1. (b) et (c) Largeur de raie : elle suit
une loi du type η=η0 + η2q2
caractéristique. Cette loi est également
présente dans l’échantillon H qui ne
possède pas de dopage Manganèse : elle
n’est donc pas causée par les impuretés
M n.
Aujourd’hui, pour manipuler de l’information,
l’industrie utilise communément le courant polarisé
en spin, obtenu dans un conducteur ferromagnétique,
lorsque celui-ci est soumis à un champ électrique.
Mais deux problèmes surgissent : ce courant déplace
la charge, en même temps que le spin, ce qui
échauffe le système par effet Joule ; le courant
polarisé est fortement ralenti par la force de
Coulomb, qui agit comme une force de friction,
entre porteurs de spins opposés. Les ondes de spin
pourraient être la solution alternative. Certes,
elles sont plus difficiles à manipuler que des
courants. Pour les exciter, il faut agir directement
sur le spin. Cela peut se faire avec un champ
magnétique tournant (peu intégrable) ou bien
avec des faisceaux lasers. Mais en tant
qu’excitation transverse de la matière, elles
semblent découplées des degrés longitudinaux de
charge ; le courant qu’elles portent ne déplacerait
donc pas de charge, seulement le spin. Il n’y
aurait plus ni dissipation Joule, ni friction
Coulombienne.
Une question demeure toutefois : sont-elles si pures
en spin ?
Lorsque les ondes existent dans un isolant,
indéniablement, oui. Mais dans un conducteur, fait
inattendu, des mécanismes subtils couplent ces
ondes transverses de spin aux degrés
longitudinaux. La force de Coulomb n’agit plus
comme friction, mais le principe de Pauli et la
dispersion des énergies cinétiques de chacun des
électrons qui portent le mode collectif de spin lui
font perdre sa cohérence, comme dans un système
composé d’un grand nombre d’oscillateurs de
fréquences toutes un peu différentes. Quand le
mode collectif perd sa cohérence, les dynamiques
des « individus » qui le composent prennent le
dessus sur la dynamique d’ensemble. Ces excitations
de spin individuelles, se couplent entre elles, par
paire…par multiplets, à cause de l’interaction de
Coulomb. Une paire peut être un complexe
intriquant une excitation individuelle transverse
(retournement d’un électron de spin -½ vers un spin
½) avec une excitation individuelle longitudinale
(excitation d’un électron de spin ½ vers un spin ½).
Cette dernière est une excitation de charge. Le spin
et la charge ne sont plus séparés ! Donc, dans un
conducteur, les ondes de spin se décomposent en
modes de spin individuels (effet de l’énergie
cinétique) qui se couplent aux modes de charge
(effet de l’interaction de Coulomb).
A l’aide d’expériences réalisées sur un système
modèle, un puits quantique de semi-conducteur
magnétique CdMnTe, l’équipe « Nanostructures et
systèmes quantiques » a mis en évidence la
présence d’ondes de spin se propageant dans le
plan du puits, en mesurant leur dispersion par
spectroscopie Raman sous champ (voir les
Fig.1(a) et 2(a)). Ce système paramagnétique permet
une polarisation de spin, comparable à celle d’un
ferromagnétique, tout en contenant un gaz
d’électrons bi-dimensionnels de haute mobilité. Ce
caractère original conduit à de fortes résonances
optiques.
En mesurant précisément, la largeur homogène de la
raie Raman η des ondes, les chercheurs de l’INSP
ont trouvé qu’elle suivait une loi du type : η=η0 +
η2q2 avec η2 fonction de la densité d’électrons et de
la polarisation en spin (voir Fig. 2(b) et 2(c)). Cette
loi est une conséquence directe de la forme
quadratique de l’énergie cinétique des électrons
E=ħk2/2m.Ce résultat important démontre donc
l’existence d’une limite intrinsèque pour la
pureté en spin des courants portés par les ondes
de spin d’un conducteur. Cependant, il dégage de
nouvelles perspectives. Car si l’énergie cinétique
des électrons était linéaire en k : E=ħvFk, comme
c’est le cas dans un nanotube conducteur, le mode
collectif de spin ne se décomposerait pas et ne
serait pas couplé à la charge.
J. Gómez, F. Perez, E. M. Hankiewicz, B. Jusserand,
G. Karczewski, and T. Wojtowicz, Phys. Rev. B 81,
100403(R) (2010)
Couplage hyperfin trou-noyau dans des boîtes quantiques semiconductrices
Le spin électronique confiné dans une boîte
quantique fait l’objet de nombreuses études dans la
perspective de disposer d’un bit quantique (ou qubit)
contrôlable et manipulable, brique élémentaire en
vue de la réalisation d’un ordinateur quantique.
Cependant, le temps d’utilisation – ou temps de
cohérence – de ce spin peut être fortement réduit par
son interaction avec les spins nucléaires. Nous avons
ainsi montré que les états électroniques de valence
étaient soumis à un couplage hyperfin significatif,
contrairement à l’hypothèse communément admise.
Figure 1 : Probabilité de présence des
états de conduction (a) et de valence
(b) autour d’un spin nucléaire Ij du
réseau cristallin. Ces fonctions
orbitales sont respectivement de
symétrie s et p. Dans le cas d’un état
de valence, le spin nucléaire est situé
au nœud de la fonction uv, ce qui
annule l’interaction hyperfine de
contact.
Un critère important dans le choix d’un qubit est son
temps de cohérence qui déterminera son « temps
d’utilisation » et le nombre de manipulations –
opérations – quantiques. Dans un composé massif ou
un puits quantique, ce temps est faible ( 10 ps) en
raison du couplage spin-orbite et de la diffusion des
charges. Dans une boîte quantique, le confinement
de l’électron inhibe fortement ces processus, laissant
espérer des temps de cohérence très longs.
Cependant, le couplage du spin électronique avec les
spins nucléaires du réseau, négligé auparavant car
peu efficace, devient le processus dominant. Un
temps de relaxation de spin d’environ 1 ns a ainsi été
mesuré pour des électrons confinés dans des boîtes
quantiques InAs. Ce temps est régi par le couplage
hyperfin de type spin-spin dit « de contact » car
proportionnel à la probabilité de présence de
l’électron sur un noyau. Cette interaction peut être
modélisée par l’action sur le spin électronique d’un
champ magnétique nucléaire effectif, qui reproduit
l’effet collectif des spins nucléaires de la boîte
quantique.
Pour un électron de conduction, dont la fonction
d’onde est de symétrie s, la probabilité des présences
est maximale sur les sites occupés par les noyaux
(cf. fig.1-a). Pour un état de valence (ou trou), de
symétrie p, cette probabilité de présence est nulle
(cf. fig. 1-b). Il était donc couramment admis que les
états de valence devaient présenter des temps de
cohérence de spin beaucoup plus élevés que ceux
des états de conduction, étudiés jusqu’à présent.
Figure 2 : (a) Signal de dichroïsme
circulaire photoinduit en fonction du
temps. L’excitation optique est
périodique (13 ns). Le signal au temps
négatif (c’est-à-dire aux temps longs
par rapport aux pulses) correspond à
la polarisation photoinduite du spin
du trou. (b) La dépendance de cette
polarisation avec le champ appliqué
met en évidence la présence d’un
couplage hyperfin trou-noyau.
Utilisant une technique pompe-sonde de dichroïsme
circulaire photoinduit (DCP), nous avons étudié la
dynamique du spin de trous confinés dans des boîtes
quantiques InAs. Nous avons ainsi montré qu’il était
possible de polariser ce spin par des excitations
pulsées résonantes (cf. fig.2-a) et avons observé un
signal de DCP proportionnel à la polarisation du spin
résident. En présence d’un champ magnétique
longitudinal (parallèle à l’axe de polarisation du
spin), une augmentation rapide, suivie d’une
saturation de la polarisation du spin du trou, a été
observée (cf. fig. 2-b).
Ce comportement est la signature de l’existence d’un
couplage hyperfin, écranté par le champ appliqué.
Ce couplage est d’un ordre de grandeur plus faible
que pour l’électron, confirmant les prédictions sur un
temps de cohérence des états de valence plus long
que ceux des états de conduction. Ces résultats
auront une incidence sur l’utilisation possible du
spin d’un état de valence comme qubit.
Pour en savoir plus :
Hole - Nuclear Spin Interaction in Quantum Dots B.
Eble, C. Testelin, P. Desfonds, F. Bernardot, A.
Balocchi, T. Amand, A. Miard, A. Lemaître, X.
Marie and M. Chamarro, Phys. Rev. Lett. 102,
146601 (2009)
Hole-spin dephasing time associated with hyperfine
interaction in quantum dots C. Testelin, F.
Bernardot, B. Eble and M. Chamarro, à paraître dans
Physical Review B
•
Programmes de recherche :
ANR, programme Blanc 2007, « Génération optique d'ondes de spin pour le
transport d'information », GOSPININFO (2007-2011), F. Perez (INSP), D.
Scalbert (GES), H. Mariette (NEEL), M. Dyakonov (LPTA)
CNANO, appel 2009, SPINWAVDYN (2009-2011), F. Perez (INSP), J. Tignon
(LPA).
Royal Society 2008 (2008-2011), Spin wave damping: exploring the limits for
spin based information transport, I. d’Amico (University of York), F. Perez
(INSP).
CNANO 2007, SpinGaMnAs, (2007-2011) Dynamique de spin dans le semi-conducteur
ferromagnétique GaMnAs, C. Gourdon, V. Jeudy
ANR,programme blanc 2010, « Manipulation de l’aimantation dans le composé
ferromagnétique GaMnAs », MANGAS, (2010-2012), partenaires : LPN-Marcoussis,
INSP Paris, LPS-Orsay, UMφ
φ−Thales, coordinateur A. Lemaître (LPN), participants
INSP équipe Nanostructures et systèmes quantiques : C. Gourdon (coordinateur
INSP), L. Thevenard, C. Testelin, M. Chamarro.
ANR PNANO QUAMOS : Boîtes QUantiques, Adressage et Manipulation
Optique de Spin O. Krebs, L. Besombes, B. Urbaszek, C. Testelin