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.