Contrôle cohérent du spin d'un atome magnétique individuel avec une onde acoustique de surface

par Vivekanand Tiwari

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Lucien Besombes et de Hervé Boukari.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Grâce à leur long temps de cohérence, les spins localisés dans les semi-conducteurs sont des qubits prometteurs pour la mise en œuvre à l'état solide des technologies quantiques émergentes comme le calcul quantique ou la détection quantique. Cependant, réaliser une interaction cohérent à longue distance entre des qubits de spin dans l'état solide, élément essentiel de la fabrication de dispositifs pratiques, demeure un objectif difficile aujourd'hui. Le couplage spin-spin assisté par phonon dans un résonateur mécanique a été suggéré comme une voie prometteuse pour réaliser une interaction cohérente entre les spins distants localisés. Des ondes acoustiques de surface (SAW), des excitations de type phonon liées à la surface d'un solide, sont également proposées en tant que bus quantique efficace permettant le couplage à longue distance d'une large gamme de qubits. Le développement de tels systèmes hybrides spin-mécanique nécessitera des qubits de spin avec un grand couplage intrinsèque spin-contrainte. Certains atomes magnétiques, tels que le chrome (Cr), incorporés dans les semi-conducteurs peuvent être très sensibles à la déformation du réseau. Le spin d'un tel atome magnétique peut être sondé optiquement lorsqu'il est inséré dans une boite quantique. Dans ce projet de thèse, nous démontrerons le potentiel du spin d'un atome de Cr individuel dans une boîte quantique en tant que qubit optiquement adressable pour des systèmes hybrides spin-mécanique. Le fort couplage spin contrainte du Cr permettra d'exploiter son interaction avec le champ de déformation d'une SAW pour un contrôle mécanique du spin du Cr. Nous déterminerons au niveau de l'atome unique l'efficacité du couplage dynamique spin-contrainte et sonderons mécaniquement la cohérence de ce qubit de spin. Cet ensemble d'expériences sera la première démonstration d'un contrôle cohérent mécanique complet d'un spin unique avec des SAW.

  • Titre traduit

    Coherent control of the spin of an individual magnetic atom with surface acoustic waves


  • Résumé

    Thanks to their long coherence time, individual localized spins in semiconductors are promising qubits for the implementation in the solid state of emerging quantum technologies including quantum computing and quantum enhanced sensing. However, achieving long-range interaction between remote solid-state spin qubits, an essential element of practical device fabrication, is still a challenging goal today. Phonon assisted spin-spin coupling in a mechanical resonator has been suggested as a promising route to mediate coherent interaction between localized remote spins. Surface Acoustic Waves (SAW), phonon-like excitations bound to the surface of a solid, are also proposed as efficient quantum bus enabling long-range coupling of a wide range of qubits. Developing such hybrid spin-mechanical systems will require spin qubits with large intrinsic spin to strain interaction. Some magnetic atoms, as Chromium (Cr), incorporated in semiconductors can be strongly sensitive to lattice deformation. The spin of such individual magnetic atom can be probed optically when it is inserted in a quantum dot. In this PhD project, we will demonstrate the potential of using the spin of an individual Cr atom in a semiconductor quantum dot as an optically addressable qubit for hybrid spin-mechanical systems. The large intrinsic spin to strain coupling of Cr will permit to exploit its interaction with the strain field of a SAW for a mechanical driving of the Cr spin. We will determine at the single atom level the efficiency of the dynamical spin to strain coupling and mechanically probe the coherence of this spin qubit. This ensemble of experiments will be the first demonstration of a full coherent mechanical driving with the SAW at the single spin level.