rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Manipulation optique et lecture résistive
de spins nucléaires de GaAs
Chercheur : Guillaume Gervais
Collaborateurs : M.P. Lilly et J.L. Reno (Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), USA)
Étudiant : Jonathan M. Buset
Contact : Guillaume Gervais; gervais@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/~hedbergj/labpage/home.htm
Nous étudions les effets de la manipulation optique de spins nucléaires près de l’état Hall quantique
n =1 de GaAs/AlGaAs. Nous avons construit sur mesure un contrôleur de polarisation permettant
à un laser de lumière infrarouge-proche polarisé arbitrairement d’être transmise à un échantillon
à travers une fibre optique. En utilisant une lecture de sortie résistive, différentes polarisations
induisent des changements spécifiques dans les propriétés des premiers niveaux de Landau du
puits quantique GaAs/AlGaAs.
60 | RQMP | projets | Propriétés électroniques et quantiques des matériaux
Les dispositifs opérant en vertu des propriétés des spins électroniques
sont une alternative intéressante à l’électronique
conventionnelle pour la prochaine génération de matériaux
semiconducteurs. Les avantages de ces dispositifs « spintroniques
» sont les plus grands degrés de liberté offerts par les
spins ainsi qu’une meilleure isolation de l’environnement; les
états quantiques sont donc moins portés à la décohérence. Le
potentiel des spins nucléaires de GaAs comme porteurs d’information
quantique pourra cependant être exploité seulement
lorsqu’il sera possible d’initialiser, contrôler et lire efficacement
leurs états mécanico-quantiques. La cohérence quantique
multiple des spins nucléaires du GaAs, récemment détectée
localement par des méthodes résistives, présente des temps
de cohérence relativement longs, de l’ordre des millisecondes :
un avantage pour implémenter des algorithmes quantiques.
Nos résultats préliminaires démontrent que les différentes
polarisations de la lumière induisent des changements spécifiques
des propriétés du transport du premier niveau de Landau
du puits quantique GaAs/AlGaAs.
Nous utilisons l’effet Overhauser optique pour interagir avec
les spins nucléaires du GaAs : une lumière dans l’infrarougeproche
(l = 800 nm) avec une polarisation circulaire définie,
crée une large polarisation hors-équilibre des spins nucléaires.
Puisque le couplage effectif de l’effet Overhauser est optimal
pour de la lumière avec une polarisation circulaire, et minimal
pour une polarisation linéaire, le contrôle de la polarisation de
la lumière in situ permet de manipuler la polarisation d’un petit
ensemble de spins nucléaires.
Figure 1. Diagramme schématique du contrôleur de polarisation utilisant une nouvelle
technique de mesure de réflexion de retour. (Mack, 2007)
À faible puissance laser, une lumière dans l’infrarouge-proche,
polarisée circulairement, est requise afin de pomper optiquement
les spins nucléaires de GaAs efficacement. Afin de
contrer l’effet de la biréfringence variable dans la fibre optique,
un contrôleur de polarisation (Figure 1) a été construit de sorte
à permettre la transmission d’une lumière de n’importe quelle
polarisation sur l’échantillon en tournant simplement une série
de plaques d’ondes l/4 et l/2.
Nos résultats préliminaires sont montrés en figure 2. À gauche,
la polarisation sortante en fonction de l’angle des plaques
(a et b) : les maximums correspondent à la lumière polarisée
circulairement (s) et les minimums, à la sortie de lumière polarisée
linéairement (||). À droite, une corrélation claire existe où
les régions de polarisation circulaire droite (s + ) correspondent
aux maximums locaux de résistance R xx et les régions de polarisation
circulaire gauche (s - ) correspondent aux minimums.
Figure 2. Relation entre la polarisation de la lumière et la résistance R xx du transport
de l’état Hall quantique.
Cette recherche est effectuée en collaboration avec les « Sandia
National Laboratories » et a été supportée par le CRSNG,
FQRNT, la fondation Alfred P. Sloan et le RQMP.
Références
• “Towards optical manipulation and resistive readout of the GaAs nuclear spins”,
J.M. Buset, A.H. Mack, D. Laroche, C.R. Dean, M.P. Lilly, J.L. Reno et G. Gervais,
Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 40, 1252 (2008).
• “Local control of light polarization with low-temperature fiber optics”,
A.H. Mack, J. Riordon, C.R. Dean, R. Talbot and G. Gervais,
Optics Lett. 32, 1378 (2007).