Dynamics and Spin-Orbit Coupling Properties of Light Holes Confined in Group-IV Semiconductor Heterostructures

Une technologie de pointe particulièrement intéressante depuis quelques décennies est le processeur quantique. Contrairement au processeur classique, opérant sur des bits logiques dont la valeur peut être soit “0” ou “1”, un processeur quantique opère sur un bit quantique, un qubit, pouvant être dans un état de superposition des valeurs “0” et “1”. Un tel processeur exploite le principe de superposition quantique et l’intrication, lui permettant la résolution de problèmes dont la complexité nous est hors de portée, même pour les super-ordinateurs les plus puissants. Une implémentation du qubit prometteuse consiste à utiliser le spin des porteurs de charge dans les nanostructures semiconductrices. L’idée étant de confiner un petit nombre de particules dans une région nanométrique à l’aide de minces couches semiconductrices et des contacts électrostatiques, et d’ensuite manipuler leur spin à l’aide de champs électro-magnétiques alternatifs. L’étude de la physique des porteurs de charge est donc d’importance centrale dans la réalisation des qubits semiconducteurs. Il existe principalement deux types de porteurs de charge dans les semiconducteurs: les électrons et les trous. Un trou consiste en un état électronique inoccupé par un électron. Sachant qu’un état électronique ne peut accueillir qu’un seul électron à la fois, un trou peut disparaître et réapparaître ailleurs simplement par le mouvement des électrons quittant leur état pour se diriger vers un autre état inoccupé. Le trou peut donc effectivement être traité comme une particule à part entière, de charge positive, et possédant sa propre mobilité, sa propre masse effective, etc... Les trous lourds forment l’une des deux catégories de trous de faible énergie (les autres étant les trous légers) que l’on retrouve dans plusieurs semiconducteurs importants dont le silicium et le germanium. Depuis quelques années, d’immenses progrès ont été réalisés dans la conception de qubits à base de trous (lourds) dans le germanium. Ce système possède plusieurs caractéristiques favorables à l’implémentation d’un qubit. Premièrement, le germanium est compatible avec le silicium, facilitant ainsi la produc-tion éventuelle à grande échelle. Le germanium est également un matériau à grand couplage spin-orbite, signifiant que le mouvement des trous est fortement corrélé avec la précession de leur spin. Cela permet de manipuler ce dernier à l’aide de champs électriques plutôt que magnétiques, facilitant la miniaturisation et limitant la surchauffe du dispositif. De plus, le germanium possède des isotopes dont le noyau atomique ne possède aucun spin. Du germanium isotopiquement purifié pour contenir seulement de tels isotopes peut alors être utilisé dans la réalisation du dispositif, ce qui confère au qubit un temps de relaxation et de cohérence beaucoup plus grands. Dans les systèmes à base de germanium, la famille de trous impliquée dans la réalisation du qubit sont les trous lourds.

Abstract

One of the exciting potential technologies that has attracted significant attention in the last few decades is the quantum processor. In contrast to a classical processing unit, which operates on bits that can be in a state of value 0 or 1, a quantum processor operates on quantum bits, or qubits, which can be in a quantum superposition of the 0 and 1 states. This quantum superposition, as well as quantum entanglement, are leveraged in a quantum processor to solve specific problems of such complexity that they are out of reach to even the most powerful super-computers. One promising implementation of a qubit device uses the spin degree of freedom of charge carriers confined in semiconductor heterostructures. The idea is to confine a small number of carriers within a very thin layer of a semiconducting material and underneath a set of electrostatic gates, to then manipulate their spin with oscillating electro-magnetic fields. Understanding the spin physics in solid-state devices is thus of central importance in realizing semiconducting spin qubits. There are two broad categories of charge carriers in semiconductors: electrons and holes. In solid state physics, a hole is an empty, or unoccupied electronic level within the material. Knowing that levels cannot accommodate more than one electron at once, a hole can dis-appear and reappear elsewhere as a result of an electron hopping from one level to another. In fact, holes are treated as particles (or quasi-particles) as much as solid-state electrons are. Holes are therefore assigned a positive charge, with their own mobility, effective mass, etc. . . Heavy holes are one of the two categories of low energy holes (the other being light holes) in many important semiconductors, notably silicon and germanium. There has been significant progress in the last few years towards realizing (heavy) hole spin qubits in germa-nium. This system has many favorable characteristics for qubit devices. Firstly, germanium is silicon-compatible, thus providing great manufacturability. Germanium is also a high spin-orbit coupling material, meaning that the hole’s orbital motion is strongly correlated with the precession of its spin. This effect can effectively lead to manipulation schemes where the spin is controlled with oscillating electric fields instead of magnetic fields, reducing heat-ing and vibration issues caused by local magnets and making scaling-up easier. Moreover, germanium has isotopes with spin-free atomic nuclei. An isotopically purified material with zero nuclear spins can therefore provide an ideal environment where hyperfine interactions are eliminated, thus leading to highly coherent and long-lived qubits. State-of-the-art ger-manium qubit devices use heavy holes as the information carrier. This is mostly a material limitation, since the devices are constructed by growing germanium on a layer of silicon-germanium alloy.