Single spin control and readout in silicon coupled quantum dots

par Andrea Corna

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Marc Sanquer et de Xavier Jehl.

Le président du jury était Hervé Courtois.

Les rapporteurs étaient Gwendal Fève, Dominique Mailly.

  • Titre traduit

    Contrôle et lecture de spin unique dans des boites quantiques de silicium couplés


  • Résumé

    Au cours des dernières années le silicium est apparu comme un matériau hôte prometteur pour les qubits de spin. Grâce à la microélectronique moderne, la technologie du silicium a connu un formidable développement. Réaliser des qubits utilisant la technologie bien établie de fabrication CMOS de semi-conducteurs favoriserait clairement leur intégration à grande échelle.Dans cette thèse nous présentons les travaux effectués dans une perspective des qubits CMOS. En particulier, nous avons abordé les problèmes de confinement des charges et des spins dans les boîtes quantiques, la manipulation des spins et la lecture des charges et des spins.Nous avons exploré les différentes propriétés de confinement de charge et de spin dans des échantillons de tailles et de géométries différentes. Les MOSFETs de taille extrêmement réduites montrent du blocage de Coulomb jusqu'à température ambiante, avec des énergies de charges jusqu'à 200meV. Les dispositifs multi-grilles avec des dimensions géométriques plus grandes ont été utilisés pour confiner les spins et lire leur état par blocage de spin, en réalisant ainsi une conversion spin / charge.La manipulation des spins est réalisée au moyen d'un dipôle électronique induisant la résonance de spin (EDSR). Les deux plus basses vallées de la bande de conduction du silicium sont visibles sous forme de transitions de spin intra et inter-vallées. Nous observons une levée de dégénérescence de vallée d'amplitude 36μeV. La résonance de spin que l'on observe résulte de la géométrie spécifique de l'échantillon, de la physique des vallées et de l'interaction spin-orbite de type Rashba. Des signatures de manipulation cohérente, sous forme d'oscillations de Rabi, ont été mesurées, avec une fréquence de Rabi de 6MHz. Nous discutons également de la lecture rapide des charges et des spins effectuée par réflectométrie dispersive couplée à la grille. Nous montrons comment l'utiliser pour reconstruire le diagramme de stabilité de charge du dispositif et le signal attendu pour un système à double boîte isolé. La tension de polarisation finie modifie la réponse du système et nous l'avons utilisée pour sonder les états excités et leur dynamique.


  • Résumé

    In the recent years, silicon has emerged as a promising host material for spin qubits. Thanks to its widespread use in modern microelectronics, silicon technology has seen a tremendous development. Realizing qubit devices using well-established complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication technology would clearly favor their large scale integration.In this thesis we present a detailed study on CMOS devices in a perspective of qubit operability.In particular we tackled the problems of charge and spin confinement in quantum dots, spin manipulation and charge and spin readout.We explored the different charge and spin confinement capabilities of samples with different sizes and geometries. Ultrascaled MOSFETs show Coulomb blockade up to room temperature with charging energies up to 200meV. Multigate devices with larger geometrical dimensions have been used to confine spins and read their states through spin-blockade as a way to perform spin to charge conversion.Spin manipulation is achieved by means of Electron Dipole induced Spin Resonance (EDSR). The two lowest valleys of silicon's conduction band originate as intra and inter-valley spin transitions; we probe a valley splitting of 36μeV. The origin of this spin resonance is explained as an effect of the specific geometry of the sample combined with valley physics and Rashba spin-orbit interaction. Signatures of coherent Rabi oscillations have been measured, with a Rabi frequency of 6MHz. We also discuss fast charge and spin readout performed by dispersive gate-coupled reflectometry. We show how to use it to recover the complete charge stability diagram of the device and the expected signal for an isolated double dot system. Finite bias changes the response of the system and we used it to probe excited states and their dynamics.


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