gaas en cavites - Serveur des élèves de l`ENS Lyon

Caract´erisation de boˆıtes quantiques d’InAs - GaAs en cavit´es
semi - conductrices de type micropilier
Martin Robert de saint Vincent
8 octobre 2006

Table des mati`eres
1 Introduction 2
2 Synth`ese bibliographique et principe de l’exp´erience 3
2.1 G´en´eralit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Cadre du projet : le traitement de l’information quantique . . . . . . . . . 3
2.1.1.1 Les porteurs de l’information quantique . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1.2 Etat de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Le syst`eme micropilier - boˆıte quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2.1 Le micropilier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2.2 La boˆıte quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2.3 Conception du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Interaction du syst`eme boˆıte quantique - micropilier avec un LASER . . . . . . . 7
2.2.1 Excitation non r´esonante : caract´erisation du syst`eme . . . . . . . . . . . 7
2.2.1.1 Excitation LASER de la boˆıte quantique . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1.2 Emission spontan´ee de la boˆıte quantique . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1.3 Effet Purcell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Excitation r´esonante : effet Kerr g´eant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Exp´erimentation 13
3.1 Caract´erisation du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1.1 Presentation de l’´echantillon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1.2 Conditions exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.1.3 Montage optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.2 Resultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2.1 Premi`eres observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.2.2 R´eponse en intensit´e du syst`eme : ph´enom`ene de saturation . . . 15
3.1.2.3 Dependance en temp´erature : accord en longueur d’onde d’un
micropilier et d’une boˆıte quantique . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Etude de la non-lin´earit´e g´eante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Etat du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Avenir du montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2.1 Difficult´es `a r´esoudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2.2 D´eveloppements futurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Conclusion 22
5 Annexe 23
1

Chapitre 1
Introduction
Dans le cadre de l’information quantique photonique, divers syst`emes sont ´etudi´es pour
r´ealiser des op´erations logiques ´el´ementaires. L’emploi de non-lin´earit´es optiques est une piste
actuellement favoris´ee par de nombreuses ´equipes de recherche. Ainsi, le syst`eme boˆıte quantique
- micropilier ici pr´esent´e repose sur ce principe et serait apte `a permettre l’interaction entre deux
photons pour de telles op´erations. Il exploiterait la saturation d’un syst`eme `a deux niveaux pour
faire surgir une non-lin´earit´e g´eante d`es les faibles intensit´es.
Le travail de stage ici pr´esent´e fut d’une part de caract´eriser des ´echantillons afin de rep´erer
leurs propri´et´es et de cibler un micropilier aux caract´eristiques recherch´ee, et d’autre part de
mettre en place le montage exp´erimental de porte logique photonique. Tout ceci fut r´ealis´e au
Laboratoire de Spectrom´etrie Physique (LSP) de l’ Universit´e Joseph Fourier `a Grenoble. Le
projet est en partenariat avec le CEA de Grenoble, fabriquant les ´echantillons, et avec le LEOM
`a Lyon, ´etendant le sujet vers l’emploi de cristaux photoniques.
Dans un premier temps, nous poserons quelques bases th´eoriques sur le syst`eme physique ´etu-
di´e et son comportement en interaction avec la lumi`ere. Puis nous pr´esenterons l’exp´erience et
ses r´esultats concernants nos premi`eres caract´erisations des micropiliers. Enfin, le montage de
porte logique quantique sera pr´esent´e, en son ´etat actuel et avec quelques pistes `a suivre pour
son optimisation future.
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Chapitre 2
Synth`ese bibliographique et principe
de l’exp´erience
2.1 G´en´eralit´es
2.1.1 Cadre du projet : le traitement de l’information quantique
2.1.1.1 Les porteurs de l’information quantique
Le vaste domaine de l’information quantique, et `a long terme l’ordinateur quantique, n´eces-
sitent de pouvoir r´ealiser des calculs ´el´ementaires sur des bits d’informations. Ces Qubits peuvent
ˆetre port´es par diff´erents syst`emes physiques : ce peuvent ˆetre par exemple des spins atomiques
ou mol´eculaires, ou bien la polarisation de photons, ou encore la pr´esence ou l’absence de pho-
tons... De mani`ere g´en´erale, tout syst`eme capable de se situer dans une superposition quantique
d’´etats est un Qubit potentiel.
Les op´erations ´el´ementaires du calcul quantique se r´ealisent d’une part `a l’aide de portes
logiques universelles, effectuant des op´erations conditionnelles sur plusieurs Qubits, et d’autre
part en effectuant des rotations dans l’espace des ´etats du Qubit. Ainsi, disposant d’un porteur
d’information, il faut pouvoir le manipuler, le faire interagir de mani`ere contrˆol´ee, et tout ceci
en minimisant les processus de d´ecoh´erence. Certains calculs ´el´ementaires ont d´ej`a ´et´e r´ealis´es
avec des spins mol´eculaires, mais ces syst`emes sont difficiles `a ´etendre pr´ecis´ement en raison de
cette mˆeme d´ecoh´erence. Le photon, grˆace aux techniques LASER, pourrait s’affranchir de cette
limite, mais par contre il n’y a pas d’interaction spontan´ee entre deux photons dans le vide.
Le projet ´elabor´e par cette ´equipe est pr´ecis´ement la mise en place d’un montage pouvant faire
interagir fortement deux photons via un substrat semiconducteur.
2.1.1.2 Etat de l’art
Actuellement, l’information quantique photonique explore principalement deux voies . L’une
consiste en l’exploitation des interf´erences multi-photoniques. L’autre, choisie par notre ´equipe,
repose sur les non-lin´earit´es optiques. Ainsi, en se basant sur la saturation d’un syst`eme `a deux
niveaux, Turchette et al [2] ont r´ealis´e un syst`eme pr´esentant un d´ephasage non-lin´eaire de l’onde
de l’ordre de π/10 pour deux photons par temps de vie du syst`eme, en envoyant un faisceau
LASER att´enu´e dans une cavit´e macroscopique parcourue par un flux d’atomes de cesium.
Un pas suppl´ementaire peut ˆetre franchi si l’on couple finement ledit syst`eme `a deux niveaux
`a une cavit´e optique. Dans certaines conditions, il est possible d’exhalter l’´emission spontan´ee
vers un mode pr´ef´erentiel grˆace `a l’effet Purcell, pr´esent´e `a la section 2.2.1.3. Hoffman et al [4]
ont montr´e que l’on pouvait alors optenir une non-lin´earit´e de phase π`a deux photons. Notre
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projet vise `a mettre en place un syst`eme bas´e sur le mˆeme principe physique. Il exploitera les
avanc´ees r´ecentes en optique int´egr´ee et semiconducteurs, tels que la construction de micropiliers
ou autres microcavit´es optiques de facteurs de qualit´e de l’ordre de 1000 `a 10 000. De nombreuses
´equipes ´etudient ces microcavit´es contenant des boˆıtes quantiques, insertions de semi-conducteur
se comportant en quelque sorte comme des atomes artificiels, en vue de cr´eer des sources de
photons uniques. Ainsi, il existe d´ej`a des ´etudes tr`es d´etaill´ees du comportement des boˆıtes
quantiques en micropilier comme la th`ese de Bruno Gayral [1].
2.1.2 Le syst`eme micropilier - boˆıte quantique
Fig. 2.1 – A gauche : boˆıtes quantiques d’Inas sur un substrat GaAs. A droite : micropilier AlAs
- GaAs.
2.1.2.1 Le micropilier
Les dimensions moyennes des piliers ´etudi´es sont de un `a cinq microm`etres de large, pour une
vingtaine de microm`etres de hauteur. Un pilier est constitu´e d’une alternance des deux semi-
conducteurs AlAs et GaAs, le tout reposant sur un substrat de GaAs . Ces deux mat´eriaux,
d’indices optiques respectifs 2.95 et 3.495, forment deux miroirs de Bragg face `a face r´efl´echis-
sants pour la longueur d’onde λen vertu de l’´epaisseur λ/4nde chaque couche 1. De plus, la
couche centrale de GaAs a par construction une ´epaisseur de λ/n . Si le pilier est sym´etrique,
il se comporte alors vis `a vis de la lumi`ere comme un interf´erom`etre Fabry P´erot, totalement
r´efl´echissant pour la lumi`ere imparfaitement r´esonante avec un mode de cavit´e mais travers´e par
la lumi`ere r´esonante.
Nous pouvons ainsi remarquer que la longueur d’onde de r´esonance, d´ependante des di-
mensions g´eom´etriques du pilier, est d´ependante de sa temp´erature en raison de la dilatation
thermique. Nous aurons alors une relation affine λ(T) = λ0+a·T.
Par ailleurs, on peut construire des piliers sym´etriques comme assym´etriques en choisissant
le nombre des couches de semiconducteurs de chaque cˆot´e du micropilier. Ainsi, en d´eposant
beaucoup plus de couches du cˆot´e substrat que de l’autre cˆot´e, on peut faire en sorte que le signal
mˆeme parfaitement r´esonant sorte tout de mˆeme essentiellement par la face d’entr´ee du pilier.
Ces deux comportements induisent chacun une mani`ere diff´erente d’exploiter la non-lin´earit´e
pr´esent´ee section 2.2.2.
1. n repr´esentant l’indice optique de la couche concern´ee
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