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Transporter l’information stockée sur un électron unique

30 janvier 2017

Ins. Néel - UPR 2940

Des physiciens viennent de réaliser un canal permettant de transférer un électron unique entre deux boites quantiques distantes de 4 micromètres sans perdre l’information stockée sur ce dernier.

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Un électron unique piégé dans une nanostructure semi-conductrice constitue une mémoire magnétique élémentaire pour stocker un bit d’information quantique. Cette mémoire est bien protégée par son environnement solide, mais si l’on souhaite l’utiliser pour communiquer ou calculer, encore faut-il être capable de déplacer cette information en la préservant. Jusqu’à présent, cela n’était possible qu’à l’échelle de quelques centaines de nanomètres et nécessitait le contrôle complexe de réseaux de boîtes quantiques couplées par effet tunnel. Des physiciens de l’Institut Néel (CNRS) en collaboration avec des chercheurs japonais et allemands viennent de concevoir et réaliser un dispositif permettant de transférer l’information stockée sur le spin d’un électron unique entre deux boites quantiques distantes de 4 microns. Ils ont pour cela réalisé un canal vide d’électron entre deux boites semi-conductrices et propulsé dans ce canal l’électron stocké dans l’une des deux boites à l’aide d’une onde acoustique de surface. La durée de transfert, de l’ordre la nanoseconde, est alors assez rapide pour que l’information portée par l’électron ne soit pas détruite par les mécanismes de relaxation et de décohérence. Ce travail est publié dans la revue Nature Nanotechnology.

Pour réaliser leurs boites quantiques, les chercheurs ont déposé de fines grilles d’or à la surface d’une couche d’arséniure de gallium et d’aluminium (AlGaAs) déposée sur un substrat d’arséniure de gallium (GaAs). Ils piègent ainsi des électrons se déplaçant librement à l’interface entre les deux matériaux semi-conducteurs à l’aide du potentiel électrostatique créé par les grilles. Ce dispositif leur permet aussi de réaliser in situ un électromètre qui leur permet de mesurer simultanément la présence d’un électron dans la boite et son état de spin. Des travaux antérieurs avaient déjà permis aux physiciens de conserver pendant quelques millisecondes une information de spin stockée sur un électron unique et piégé. Pour transférer cet électron entre deux boites, les chercheurs ont utilisé le même principe de grille électrostatique pour réaliser un canal quasi unidimensionnel et vide d’électrons entre deux boites quantiques statiques et séparées de 4 micromètres. L’électron se déplace alors dans des boites quantiques en mouvement générées dans le canal par effet piézoélectrique grâce à l’envoi contrôlé d’onde acoustique de surface à une fréquence de 2.6 GHz. L’électron se déplace alors à la vitesse du son et met 1.3 ns pour passer d’une boite quantique à l’autre. La procédure complète de transfert d’information à l’aide d’électrons uniques revient alors à stocker une information de spin dans l’électron initialement piégé dans la première boite quantique statique, à l’injecter dans une boite quantique en mouvement afin de le transférer dans la seconde boite statique. Finalement, le spin de l’électron est mesuré dans cette seconde boite quantique. En répétant cette procédure une dizaine de milliers de fois, les physiciens ont quantifié la fidélité du transfert d’information. Celle-ci approche actuellement les 65 %. Elle est limitée pour l’instant par des processus de dépolarisation de spin principalement actif au cours l’injection entre boites quantiques statiques et en mouvement.


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Illustration du transfert d’un électron unique assisté par une onde acoustique de surface. Des grilles métalliques, de quelques dizaines de nanomètre de largeur, permettent de définir deux boîtes quantiques connectées par un canal unidimensionnel dans lequel se propage l’électron. © Benoit Bertrand - NEEL

En savoir plus

Fast spin information transfer between distant quantum dots using individual electrons
B. Betrand, S. Hermelin, S. Takada, M. Yamamoto, S. Tarucha, A. Ludwig, A. D. Wieck, C. Bäuerle et T. Meunier
Nature Nanotechnology (2016), doi:10.1038/nnano.2016.82

Contact chercheur

Tristan Meunier, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

Institut Néel (CNRS)

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Marie Signoret,
Marine Charlet-Lambert
inp.com cnrs.fr