Étude du diagramme de stabilité d`un système composé de trois

Étude du diagramme de stabilité d'un système composé de trois boîtes quantiques
couplées contenant peu d'électrons
par
Louis Gaudreau
Mémoire présenté au Département de physique en vue de l’obtention du
grade de maître ès sciences (M. Sc.)
FACULTÉ DES SCIENCES
UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Sherbrooke, Québec, septembre 2006

SOMMAIRE
Les boîtes quantiques sont des nano-structures qui permettent de confiner et de manipuler un
nombre exact d’électrons, allant de zéro jusqu’à N. De nombreuses recherches théoriques et
expérimentales dans le domaine de l’informatique quantique reposent sur ce type de
dispositif, l’idée de base étant d’utiliser les états quantiques binaires naturels aux électrons
confinés comme qubits (analogues aux bits en informatique conventionnelle). Afin de
pouvoir utiliser les boîtes quantiques comme composants de circuits d’informatique
quantique, il est essentiel de pouvoir en coupler un grand nombre. Dans les dernières années
il a été démontré qu’il est possible de confiner un seul électron dans une boîte quantique; peu
de temps après, deux boites quantiques ont été couplées, chacune pouvant contenir un seul
électron, créant ainsi un système de deux qubits couplés.
Nous présentons dans ce mémoire le premier circuit composé de trois boîtes quantiques
couplées pouvant contenir chacune un électron, ce qui correspond à l’étape suivante, en
termes d’extensibilité de circuits quantiques. Pour mieux comprendre ce nouveau système,
nous faisons un résumé des systèmes à une et deux boîtes quantiques couplées. Les étapes de
fabrication du dispositif seront décrites de façon générale, ainsi que la création et le
fonctionnement de la triple boîte quantique.
Nous révélons par la suite le diagramme de stabilité de charge pour la triple boîte quantique,
sondé par une technique de détection de charge, qui dévoile des nouveaux effets de
redistribution de charge non présents pour deux boîtes quantiques, mais qui doivent
nécessairement être pris en considération dans des circuits quantiques plus complexes.
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L’analyse de la triple boîte quantique est faite avec deux modèles théoriques, un classique et
un quantique, qui permettent de comprendre les nouveaux effets observés dans le système et
qui sont cohérents avec les résultats expérimentaux obtenus. À la fin de cet ouvrage, nous
présentons des mesures préliminaires de transport électronique à travers la triple boîte
quantique, qui démontrent le niveau de complexité caché sous ce système.
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REMERCIEMENTS
Je tiens à souligner ma reconnaissance envers l’équipe de physique quantique du Conseil
National de Recherche du Canada (CNRC). Plus précisément, envers mon co-directeur de
maîtrise, le Dr. Andrew Sachrajda, qui m’a offert l’opportunité de joindre ce groupe et qui
m’a guidé patiemment et sans interruption durant toute la durée de ma maîtrise. Ses notions
en physique expérimentale ont été la fondation sur laquelle repose tout mon travail. Je
remercie aussi mes collègues Piotr Zawadzki et Sergei Studenikin. Piotr m’a introduit aux
systèmes de cryogénie sans épargner les détails de chaque étape accomplie, ce qui m’a
permis de conquérir une indépendance dans le laboratoire que j’apprécie énormément. Sergei
a été un support moral constant durant ces travaux en plus d’être une aide indispensable
concernant la physique des semi-conducteurs. Je suis redevable égalemen, au groupe de
physique théorique du CNRC : Pawel Hawrylak et Marek Korkusinski, qui ont montré leur
intérêt de chercheurs pour mes travaux et qui continuent de faire des efforts pour mieux
comprendre le système physique sur lequel nous travaillons. Ma directrice de maîtrise, le Dr.
Karyn Le Hur, m’a introduit à la physique des systèmes mésoscopiques en me guidant à
travers les aspects théoriques nécessaires à la compréhension de ces systèmes et je lui suis
bien reconnaissant d’avoir accepté de superviser mon projet de maîtrise. Le Dr. Michel
Pioro-Ladrière s’est montré un collègue de travail exceptionnel qui m’a aidé à approfondir
des connaissances en physique mésoscopique et physique générale et cela au niveau
théorique comme au niveau expérimental; je le remercie beaucoup. Finalement, je remercie
le corps professoral du Département de physique de l’Université de Sherbrooke qui m’a
inculqué les connaissances nécessaires pour bâtir une carrière dans ce merveilleux monde de
la physique.
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TABLE DES MATIÈRES
SOMMAIRE............................................................................................................................. i
REMERCIEMENTS .............................................................................................................iii
TABLE DES MATIÈRES..................................................................................................... iv
LISTE DES FIGURES .......................................................................................................... vi
INTRODUCTION................................................................................................................... 1
CHAPITRE 1 NOTIONS PRÉLIMINAIRES ..................................................................... 5
1.1 BOÎTE QUANTIQUE INDIVIDUELLE .................................................................................... 5
1.1.1 Analyse électrostatique ............................................................................................ 5
1.1.2 Blocage de Coulomb dans le régime linéaire.......................................................... 6
1.1.3 Diamants de Coulomb dans le régime non linéaire................................................. 9
1.2 DOUBLE BOÎTE QUANTIQUE............................................................................................ 12
1.2.1 Modèle électrostatique........................................................................................... 12
1.2.2 Système à deux niveaux.......................................................................................... 16
1.2.3 Transport linéaire .................................................................................................. 20
1.2.4 Transport non linéaire ........................................................................................... 21
1.2.5 Blocage de spin...................................................................................................... 23
1.3 TRANSPORT COHÉRENT À TRAVERS LES BOÎTES QUANTIQUES ........................................ 25
1.3.1 Phase électronique à travers une boîte quantique................................................. 25
1.3.2 Rigidité de phase.................................................................................................... 27
CHAPITRE 2 ASPECTS EXPÉRIMENTAUX................................................................. 31
2.1 FABRICATION DU DISPOSITIF .......................................................................................... 31
2.1.1 Fabrication du GE2D ............................................................................................ 31
2.1.2 Fabrication de la microstructure........................................................................... 32
2.2 POTENTIEL DE CONFINEMENT......................................................................................... 33
2.3 MONTAGE EXPÉRIMENTALE ........................................................................................... 36
2.3.1 Cryostat à dilution ................................................................................................. 36
2.3.2 Équipement électronique ....................................................................................... 38
2.4 MESURES PRÉLIMINAIRES............................................................................................... 39
2.4.1 Contacts ohmiques................................................................................................. 40
2.4.2 Test des grilles et des points de contact quantique................................................ 40
2.5 STABILITÉ DU DISPOSITIF ............................................................................................... 42
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