Contrôle optique de l'exciton dans des boîtes quantiques individuelles, Optical control of the exciton in a single quantum dot

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Sous la direction de Beatrice Chatel, Pierre Renucci
Thèse soutenue le 06 juillet 2010: INSA de Toulouse
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
-Spintronique
-Interaction hyperfine
-Spectroscopie de photoluminescence
-Boite quantique semiconductrice
-Passage adiabatique rapide
-Implusions à dérive de fréquence
Semiconductor quantum dots InAs/GaAs exhibit optical and electronic properties for which they are often compared to an individual atom. This thesis work focuses on different aspect of light-matter interaction in a single semiconductor quantum dot. The coupled system constituted by the electron spin and the nuclei spins have been studied in a single quantum dot. Photoluminescence experiments resolved in polarization have been carried out, with non resonant optical pumping : comprehensive studies in photoluminescence excitation under various experimental conditions (excitation power and polarization) have been performed. They point out the quantum dots fluctuating charge state and the strong coupling between the electron spin and the nuclear spins via hyperfine interaction. This enables the optical neutral exciton eigenstates orientation without any external magnetic field. We have confirmed these experimental results using a Fabry-Perot interferometer in order to increase the spectral resolution of our microphotoluminescence set up. In a second step, we present experiments performed in the coherent regime, in a time scale shorter than the system dephasing time, in a sample where the quantum dots are embedded in a Schottky-diode structure. The quantum dot is excited resonantly with short pulses (Fourier transform limited) and, using an original detection scheme, we detect the luminescence signal on a spectator state. We demonstrate the Rabi oscillations of the exciton state in a single quantum dot. Finally, using frequency swept chirped pulses, we show that it is possible to prepare robustly and with a strong fidelity an exciton state in a single quantum dot. This is a first step toward the Q-bit implementation and manipulation in a single quantum dot
Source: http://www.theses.fr/2010ISAT0009/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSEDOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l'Université Toulouse III - INSA
Discipline ou spécialité : Nanophysique
Présentée et soutenue par Claire-Marie Simon
Le 06 juillet 2010
Titre : Contrôle optique
de l’exciton dans des boîtes quantiques individuelles.
JURY
Manuel Joffre (rapporteur)
Guillaume Cassabois (rapporteur)
Maria Chamarro
Isabelle Robert
Christoph Meier
Béatrice Chatel
Thierry Amand
Pierre Renucci
Ecole doctorale : Ecole doctorale des Sciences de la matière
Unité de recherche : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité UMR 5589
Laboratoire de Physique et de Chimie des Nano-Objets UMR 5215
Directeur(s) de Thèse : Béatrice Chatel
Thierry Amand-Pierre Renucci InAs=GaAs
spinTh?seourSpF?cialit?tes:l'excitonNanophspinsysiquer?soluesNomdans:d'unSIMONtPr?nomcoupl?:tiqueClaire-Marieutilis?Titredesdehargelaenth?seerneendefran?aisexterne.:hauteConlatr?ledeoptiqueunedenonl'excitonnousdansdedes:blao?testales.quanquantiquespartindividuellesnSoutenl'inuetleil:les6dejuilletexp2010spNum?round'ordreen:d?tection.1033duNometbreucl?airesdeo?tepagessous:te.250expJuryv:tecM.JOFFRE,sta-G.CASSABOIS,pM.CHAMARRpr?senO,compl?tesI.RdansOBERexpT,deC.MEIER,bB.CHAuctuanTEL,tempsT.AMAND,lePles.RENUCCIetTh?sel'?lectroneectuh?epartaula:originalLabporatoiredierdepropresPhenysiquehampetr?sul-ChimietauxdesparNano-Obdejetsquideterf?rom?trel'Institut?rotNationaltdesha?neSciencessyst?meAppliqu?esconstitu?etspinLabl'?lectronoratoiredesCollisionsnAgr?gatsdansR?activit?.bR?sum?quandeunique,laexcitationth?ser?sonanenPfran?aisces:?riences,Lesabonso?tesdesquanhniquestiquesphotoluminescencesemiconductricestionnairedeentolarisationypnousetonsdemesuresR?sum?d'excita-tiondeonphotoluminescence,tdi?rendesconditionspropri?-?riment?sL'?tat?lectroniquescetdesoptiqueso?tesquitiqueslestrapprolecd'unehenettcouplagedetrel'atomespinsunique.ucl?airesC'estledansdeceviaconteractiontexteypqued'autresesonsitue?cebasetraeetv:ailestdeossibleth?se,moquioptiquements'in?tatst?ressede?neutredi?renl'absencetscaspmagn?tiqueectsNosdetatsl'in-?rimenteractionsonlumi?re-mati?reconrm?sdansuneceectroscopietplusypr?solution,eutilisedeinsyst?me.deNousabry-Paplac?vamononsded'abcordde?tudi?le»
depr?senMots-Cl?stonsatiqueensuite.desfa?onexpde?riencesunique,r?alis?esenenossibler?gime,coh?rentalt,Q-bitc'est-?-direerne,dansd?rivuno?tetempsimpulsionsplustronscourtpqued?leleuntempsCede?tapd?phasagededuo?tesyst?me,Indansphotolu-destique?cPhan-unetillonstique?tcd?rivhargenousaestjustable.g?n?rerNousd'excitonalavronsr?alisanexcit?assagelaapidebexpo?teunequanentiquetation?manipulationr?sonanceune(surtiquesonSpin?tathfondamenectroscopietal)d'obao?tevImpulsionsecdedesadiabatiqueimpulsionsdanscourtesb(dur?equanNousunique.Ensuite,1ps)utilisanlimit?esdespar?laetransform?efr?quence,demonFqu'ilourier).pEndes'appuyuneanopulationtdesur?unfoissceth?maobustedeend?tectiontoriginal,pnousadiabd?tectonsrle.signalr?sultatde?rimenluminescenceestsurpremi?reune?tatvuespl'impl?menectateurpuissitu?la?d'unquelquesdansmebVquandeunique.la:transitiontronique,excit?e.teractionCeciypnousSpadepminescenceermisjetdebmettrequanensemiconductrice,?vidence?leseoscillationsfr?quence,deassageRabirapide.de.l'excitonInAs=GaAs
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.ABLE.DES4.3.2.3MA.TI?RESdesviid'in3.3.3.Le.bi-exciton4.3.1.adiabatique.......en.quatre.198...........210.....de.4.2.2...par.......oscillations........148.3.4taleMiseaen.?vidence.exp??rimendutalefr?quencede.laerspstructure.ne.des4.2.1.2di?ren.ts.complexestalesexcitoniques....propres.....ulations...sur.....?rimen.passage.........?rimen.....201.taux...en.Rabi...ligne..151.3.4.1d?rivLe.cas207duulationstrion..cen.la.......4.4.............sc.original.......exp.mo.......4.2.2.1.des.l'exciton.ectroscopie152.3.4.2.Le.cas4.2.2.2desyst?mel'excitoneauxneutre..4.2.2.3.sp.........R?sultats.:.Rabi.batique.................cole..153.3.4.3.Le.cas.du.bi-excitonPr?sen.exp.......4.3.2.1.exp.oscillations.du.de.4.3.2.2.ec...........de.de.......In.des156um?riques4.Manipulations4.3.3.1coh?renbretesdesurInuencebeo?tel'impulsionquan4.3.3.3tique.unique.:.Mise.en.?videnceetdesesoscillations.de.Rabi.et.P.assage.adiabatique.159.4.1.Etude.th?orique180duUnpassageh?maadiabatiqued?tectionrapide.et.des.oscillations.de.Rabi..184.Limites.?rimen.et.d?lisation.............189.Mise.?vidence.?tats.de.neutre.sp.d'absorption.............189.Sim.d'un.?.niv.......192.Discussion.le162ectre4.1.1.Etat.de.l'art..........4.3.exp.taux.des.de.au.adia-.rapide...............................201162Proto4.1.2expEtudetalth?orique......................4.3.2.tation.r?sultats.?rimen.............204.Mise.?vidence.?rimen.des.de164et4.2passageMiserapideenl'excitono204euvreEtudeexpv?rimenlatale4f.................206.Etude.la.e.fr?quence.............4.3.3.terpr?tations.l'aide179sim4.2.1nLes.outils.exp.?rimen208tauxInuence.nom.d'onde.tralT.l'impulsion.4.3.3.2.de.d?riv.de.de...212.Pistes.terpr?tations................1802134.2.1.1ConclusionL'?cphanectivtillon........................214.?viii.TneutreABLE.DES223MAdeTI?RESlimit?eConclusion.217.Annexesindirecte219:A.PropagationA.2.1dans.un.milieuA.2.2dispfr?quenceersif.219deA.1OvEtudeormalismedeelapassagetra.v.ers?ed'uned'un.milieu.optique.disp.ersif.pard'uneuneeimpulsion.ultracourte....Pro.:.d?placemen.de.C.pseudo-spin.in.os-.et.rapide.......222.Cas.impulsion.TF.................223.Cas.impulsion.d?riv.de....220.A.2.Notations.du.cBhapitrec?dure4t.Mesure.du.t.erhauser.l'exciton.225.F.de.eectif.visualisation.tuitiv.des.cillations.Rabi.du.adiabatique.231.

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