Croissance et caractérisation de nanofils coeur/coquille semiconducteur/supraconducteur pour les technologies quantiques

par An-hsi Chen

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Moira Hocevar.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Une proposition intéressante et prometteuse pour le calcul quantique repose sur les bits quantiques protégés topologiquement. La réalisation de tels bits quantiques dépend de la capacité à fabriquer des matériaux pouvant héberger des états liés de Majorana. En 2012, une signatures de tels états ont été signalées dans des semiconducteurs unidimensionnels à fort couplage spin-orbite, couplés à un supraconducteur. Depuis lors, les matériaux hybrides nanostructurés basés sur des interfaces supraconducteurs / semiconducteurs ont fait l'objet d'une attention accrue. Cependant, la formation contrôlée d'états protégés topologiques ne peut être réalisée que si l'interface supraconducteur / semiconducteur est de haute qualité. Créer ces interfaces de manière épitaxiale présenterait de nombreux avantages, parmi lesquels une meilleure transparence, une chimie d'interface contrôlée, une injection de courant plus élevée et un désordre moins important. Cependant, la combinaison de métaux cristallins et de semiconducteurs est un défi en raison des propriétés fondamentalement différentes des deux familles de matériaux. Récemment, la croissance épitaxiale in-situ de nanofils coeur/coquille présentait des interfaces homogènes et sans défaut. Les dispositifs ont révélé un gap dur supraconducteur démontrant le potentiel élevé de l'épitaxie de coquilles métalliques in-situ. Ici, nous proposons de développer de nouvelles interfaces utilisant un supraconducteur à champ critique plus élevé, comme le vanadium et le niobium, pour atteindre le régime de Majorana et réaliser de nouvelles expériences topologiques. Dans ce projet, la croissance de réseaux de nanofils hybrides sera réalisée dans un réacteur d'épitaxie à jet moléculaire III-V. En particulier, les nanofils coeur /coquille seront fabriqués à l'aide de réseaux de catalyseurs développés en salle blanche. La caractérisation des échantillons aura lieu par SEM, EDX et TEM. En collaboration avec des laboratoires partenaires aux États-Unis, plusieurs campagnes de mesure électriques à basse température auront lieu tout au long de la thèse, ainsi que des études structurelles avancées à l'aide d'équipements et d'installations de pointe.

  • Titre traduit

    Growth and characterisation of semiconductor/superconductor core/shell nanowires for quantum technologies


  • Résumé

    One interesting and promising proposal for quantum computation relies on the so called topological protected quantum bits. Realizing such quantum bits depends on the ability to make materials that can host Majorana bound states. In 2012, signatures of such states were reported in one-dimensional semiconductors with high spin-orbit coupling, coupled to a superconductor. Since then, nanostructured hybrid materials based on superconductor/semiconductor interfaces have received increased attention. Yet, controlled formation of topological protected states can only be realized if the superconductor/semiconductor interface is of high quality. Creating those interfaces in an epitaxial fashion would have many advantages, among them better transparency, controlled interface chemistry, higher current injection and lower disorder. However, combining crystalline metals and semiconductors is challenging because of the fundamental different properties of both families of materials. Recently, in-situ epitaxial growth of InAs/Al core-shell nanowires exhibited defect free and homogeneous interfaces. The devices revealed a superconducting hard gap demonstrating the high potential of in-situ shell epitaxy. Here, we propose to develop novel interfaces using a higher critical field superconductor such as vanadium and niobium to reach the Majorana regime and to perform further topological experiments. In this project, the student will carry out the growth of networks of hybrid nanowires in a III-V molecular beam epitaxy reactor. In particular, she/he will focus on core/shell nanowire fabricated using templates developed in the cleanroom. The student will perform the characterization of the samples by SEM, EDX and/or TEM. Together with partner labs in the USA, she/he will participate in several low temperature measurement campaigns throughout the course of her/his PhD, as well as perform high-end structural studies using advanced equipment and facilities.