Coherent transfer of electron spins in tunnel-coupled quantum dots

par Hanno Flentje

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Tristan Meunier.

Soutenue le 26-09-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était David Ferrand.

Le jury était composé de Wolfgang Wernsdorfer.

Les rapporteurs étaient Takis Kontos, Ferdinand Kuemmeth.

  • Titre traduit

    Transport cohérent des spins d’électrons dans des boîtes quantiques couplées


  • Résumé

    De récentes avancées technologiques laissent entrevoir le potentiel des spins électroniques uniques comme supports pour le stockage et la manipulation de l'information. En raison de leur nature quantique, les spins électroniques contrôlé à l’échelle de l’électron unique peuvent non seulement être utilisés pour stocker l'information classique, mais pourraient également être mis en œuvre pour réaliser des qubits dans un ordinateur quantique. Dans un tel dispositif, les superpositions de différents états de spin peuvent être utilisées pour calculer plus efficacement que les ordinateurs classiques.Une mise en œuvre prometteuse d'un tel système est un électron piégé dans une boite quantique latérale. Ce dispositif nanométrique défini dans des structures semiconductrices permet d'isoler et de manipuler le spin d’un électron de façon cohérente avec des potentiels électrostatiques. Dans cette thèse, nous manipulons les électrons dans des boites quantiques dans un régime dit « isolé». La manipulation de charges électroniques individuelles en plusieurs boites quantiques connectées entre elles apparaît alors être simplifiée. Cette manipulation de spin se fait grâce à l’échange cohérent d’un quantum de spin entre deux électrons piégés. Le contrôle du couplage tunnel entre ces deux boites quantiques rend cet échange contrôlé. De cette façon, la manipulation de spin peut se faire à un "sweet spot", un point insensible au bruit de charge, permettant ainsi d'obtenir des oscillations de spin de haute qualité.Le contrôle précis de la charge dans le régime isolé est ensuite utilisé pour contrôler le déplacement d’un électron dans un système circulaire de trois boites quantiques qui sont fortement couplées par effet tunnel. Ainsi la cohérence d'une superposition de deux spins électroniques déplacée le long d’une boucle fermée a été étudiée. Nos mesures montrent le transport cohérent de spins électroniques uniques sur des distances allant jusqu'à 5 μm. Pendant le transfert, le temps de cohérence se révèle être considérablement augmenté. Nous avons identifié le mécanisme sous-jacent à cette amélioration comme provenant d’un rétrécissement, lors du mouvement, des gradients de champ nucléaires générées par l'environnement cristallin. Les sources de décohérence sont discutées et permettent d’obtenir de nouvelles connaissances sur la dynamique interne du processus de transfert entre des boites quantiques couplées. Nos résultats sur le transport cohérent d'électrons peuvent être utilisés pour évaluer les possibilités d’intégration à grande échelle de qubits de spin dans des réseaux de boites quantiques à deux dimensions.


  • Résumé

    Recent technological advances hint at the future possibility to use single electron spins as carriers and storage of information. Due to their quantum nature, individually controlled electron spins can not only be used to store classical information, but could also find implementation as quantum bits in a quantum computer. In this envisioned device, the superposition of different spin states could be used to perform novel calculation procedures more efficiently than their classical counterparts.A promising implementation of a controllable single electron spin system is an electron trapped in a lateral quantum dot. This nanoscale solid state device allows to isolate and coherently manipulate the spin of individual electrons with electrostatic potentials. In this thesis we study electrons in quantum dot structures using a manipulation technique which we call the "isolated regime". In this regime the manipulation of individual electron charges in several connected quantum dots is shown to be simplified. This allows to implement a novel spin manipulation scheme to induce coherent exchange of a quantum of spin between two electrons via a variation of the tunnel-coupling between adjacent quantum dots. This manipulation scheme is observed to lead to a reduced sensibility to charge noise at a "sweet spot" and thereby allows to obtain high quality spin oscillations.The improved charge control in the isolated regime is then used to achieve circular coupling in a triple quantum dot device with high tunnel-rates. This allows to directly probe the coherence of a superposition of two electron spins which are displaced on a closed loop in the three quantum dots. Our measurements demonstrate coherent electron transport over distances of up to 5 μm. During the transfer the coherence time is found to be significantly increased. We identify the underlying mechanism for the enhancement with a motional narrowing of the nuclear field gradients originating from the crystal environment. The limiting decoherence source is found to be single electron spin-flips induced by a real space motion of the electrons. Our results on the coherent transport of electrons can be used to asses the scaling possibilities of spin qubit implementations on two-dimensional lattices.


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