Les boîtes quantiques distinguées

Damien Riedel

Joanne C. Baker

Roland L. Omnes

Alice Berthelot, Guillaume Cassabois, Christophe Voisin +7 more

Depuis plusieurs années, de nombreux groupes essayent d'exploiter les postulats de la physique quantique pour d'éventuelles applications dans les sciences des télécommunications, stockage et transmissions de l'information ou même cryptographie. Dans ce contexte, ces travaux ont mis en évidence le rôle essentiel que pourrait jouer un quasi atome en tant que stockage de qbit ou comme source de photon unique. La boîte quantique de semiconducteur, produite par croissance auto-organisée (Stranski-Krastanov), apparaît pour l'instant comme une des meilleurs candidats pour remplacer l'atome unique. En effet la boîte quantique, de par ses dimensions nanométriques, assure un confinement tridimensionnel des porteurs et possède donc des niveaux d'énergie discrets. Mais encore faut-il préciser les limites de cette analogie. On ne peut pas isoler totalement la boîte quantique de son environnement. Une boîte est en contact avec un certain nombre de réservoirs (phonons du réseau, environnement électrostatique fluctuant) Nos travaux ont donc pour but de comprendre des phénomènes de décohérence pouvant perturber la boîte quantique Au cours de la présentation, après avoir rappeler les propriétés essentielles des boîtes quantiques, je présenterai les expériences avec lesquelles on peut sonder les phénomènes de décohérence (Spectrométrie par transformée de Fourier sur la raie de la transition fondamentale d'une boîte quantiques). Puis j'exposerai les résultats obtenus qui nous ont permis de mettre en évidence le rôle essentiel que jouent les fluctuations de l'environnement électrostatique sur la cohérence des états de la boîte quantique. Ce sont ces fluctuations qui engendrent un phénomène de rétrécissement par le mouvement affectant la largeur de la raie à 0 phonon et expliquant son élargissement en température [1]. Enfin j'exposerai les dernières expérimentations qui placent les boîtes quantiques sous champ électrique transverse, permettant de modifier les fluctuations de l'environnement électrostatique et donc de contrôler les phénomènes de décohérence. [1] A. Berthelot, I. Favero, G. Cassabois, C. Voisin, C. Delalande, Ph. Roussignol, R. Ferreira, and J. M. Gerard, Nature Phys. 2, 759 (2006).

Roland L. Omnes

T. Brunhes

Cette these est consacree a l'etude des proprietes non-lineaires, de coherence et a la realisation de dispositifs opto-electroniques dans les boites quantiques auto-assemblees de semiconducteurs. Les etudes ont ete realisees sur deux types de structures : les boites quantiques inas/gaas et les boites quantiques ge/si. Nous avons etudie en premier les proprietes optiques non-lineaires des boites quantiques inas/gaas. Les transitions intra-bandes ont ete utilisees pour generer un signal de second harmonique, a la fois en bande de conduction (boites dopees n) et en bande de valence (boites dopees p). Dans les deux cas, le doublement de frequence peut etre obtenu dans des conditions de double resonance. Des susceptibilites elevees ont ainsi pu etre mesurees soit, pour un plan de boites, ( 2 ) z x x = 2 10 - 7 mv - 1 dans le cas des boites dopees p et ( 2 ) z x x = 2,5 10 - 6 mv - 1 pour les boites dopees n. La valeur elevee de la susceptibilite s'explique par les valeurs elevees a la fois des dipoles et des temps de coherence associes aux transitions intra-bandes dans les boites. Notons que les susceptibilites les plus elevees presentent un tenseur du type ( 2 ) z x x. Par la suite, les boites ont fait l'objet d'une etude de spectroscopie resolue en temps. Nous avons pour la premiere fois observe le phenomene d'echo de photons en resonance avec une transition intra-bande polarisee dans les plan des couches. A basse temperature, le temps de coherence de cette transition est egal a 20 ps. L'etude des boites quantiques ge/si a egalement constitue une partie importante de ce travail. La caracterisation optique de ces ilots a d'abord ete effectuee par des experiences de photoluminescence. Par la suite, nous avons etudie les proprietes spectroscopiques des boites dans la gamme du moyen-infrarouge. Ces dernieres mesures ont permis d'etablir un diagramme d'energie experimental des niveaux confines au sein des boites ge/si. Une autre partie importante de ce travail est consacree a la realisation et a la caracterisation de dispositifs opto-electroniques. Nous avons realise une diode electro-luminescente dont la partie active est composee de cinq plans de boites ge/si. Cette hetero-jonction est capable d'emettre un signal dans la gamme des longueurs d'onde des telecommunications ( 1,5 m) jusqu'a temperature ambiante. Enfin, nous avons realise deux types de photo-detecteurs a boites quantiques (qdips) fonctionnant dans la gamme du moyen-infrarouge. La region active du premier type de detecteur est composee de boites quantiques ge/si. Le second type de photo-detecteur possede une zone active constituee de boites inas/gaas. Dans les deux cas, nous avons etabli une comparaison directe entre l'absorption intra-bande des boites et les mecanismes participant au photo-courant. En particulier, les proprietes d'absorption des boites dans le plan des couches permettent a ces photo-detecteurs de fonctionner sous incidence normale.