(Phys.org) —Les points quantiques semi-conducteurs sont largement étudiés pour leur utilisation potentielle dans les futures technologies quantiques. L'une des raisons de leur attrait est qu'ils peuvent confiner à l'intérieur des bits quantiques tels que des excitons et des spins. Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont créé une boîte quantique qui contient un exciton sous la forme d'un électron lié à un trou de lumière. L'utilisation d'un trou léger (par opposition à lourd) pourrait permettre aux points quantiques d'avoir des avantages spécifiques pour les technologies de l'information quantique.

L'équipe de chercheurs, Y. H. Huo, et al., des instituts en Allemagne, Les Pays-Bas, et l'Autriche, ont publié leur article sur les excitons de trous lumineux confinés dans des points quantiques dans un récent numéro de Physique de la nature .

Comme l'expliquent les chercheurs, les trous lourds et les trous légers se comportent différemment car ils sont situés sur des bandes d'énergie de valence différentes dans un matériau semi-conducteur. Pour créer ces trous, les chercheurs ont excité les électrons dans ces bandes d'énergie à l'aide de la lumière. Lorsqu'un électron excité se déplace vers la bande de conduction, il laisse un état vide dans l'une des bandes de valence. Cet électron manquant se comporte comme une particule (un trou) avec une charge positive et une masse qui dépend de la bande de valence dans laquelle il se trouve. fois inférieur à un trou dans la bande "heavy-hole".

Jusque là, toutes les études expérimentales dans lesquelles les trous sont confinés dans des boîtes quantiques ont utilisé des trous lourds car ils sont plus faciles à confiner d'un point de vue énergétique. Cependant, certaines analyses théoriques ont suggéré que l'utilisation de trous légers au lieu de trous lourds serait bénéfique pour les technologies de l'information quantique. Les avantages potentiels incluent la possibilité d'obtenir un contrôle plus rapide et des mesures plus directes des états de spin.

Afin d'étudier expérimentalement ces avantages potentiels, les chercheurs ont pour la première fois créé des points quantiques avec des états fondamentaux de trous légers. Au lieu de repenser complètement la géométrie des points quantiques, ils ont démontré que l'ingénierie des contraintes pouvait être utilisée pour créer ces points.

La méthode de déformation consiste à créer des points quantiques initialement non contraints dans des membranes précontraintes, puis induire une contrainte de traction sur les points en libérant les membranes du substrat. La contrainte de traction déplace le caractère des points quantiques d'un trou à dominante lourde à un trou à dominante léger. Lorsque les membranes sont placées sur un substrat piézoélectrique, la contrainte de traction peut être encore augmentée ou diminuée, permettant de régler l'énergie d'émission et le caractère du trou. Comme les chercheurs l'ont montré à la fois expérimentalement et théoriquement, les points quantiques qui contiennent principalement des états fondamentaux de trous légers ont une signature clairement distincte par rapport à ceux avec des états fondamentaux de trous dominants.

En utilisant l'ingénierie des contraintes, les chercheurs ont démontré que l'état du trou fondamental dans la boîte quantique peut avoir plus de 95 % de caractère de trou léger pour des déformations de traction de 0,4 %. Les points quantiques ont également une qualité optique élevée comparable à celle des points quantiques de pointe. Combiné au fait que les membranes sont compatibles avec la commande électrique, ces caractéristiques montrent que les points quantiques avec des trous de lumière confinés pourront bientôt être explorés en tant que nouveaux blocs de construction pour les technologies quantiques.

"Les excitons Light-hole peuvent permettre la conversion directe de la polarisation d'un photon (qubit volant) en l'état de spin d'un électron confiné dans une boîte quantique (qubit stationnaire), " co-auteur Armando Rastelli, Professeur de physique des semi-conducteurs à l'Université Johannes Kepler de Linz à Linz, L'Autriche, Raconté Phys.org . Rastelli est également affilié à IFW Dresden en Allemagne. "En outre, les spins des trous légers (une autre forme de qubit stationnaire) peuvent être directement manipulés via des micro-ondes et à des taux plus élevés que les spins des trous lourds. Des expériences dédiées seront nécessaires pour évaluer lequel de ces potentiels peut être réalisé dans la pratique. »

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier comment les trous lourds deviennent des trous légers, ainsi que d'autres questions ouvertes.

"Nous prévoyons ensuite d'examiner en détail la transition d'un état fondamental de trou lourd à un état fondamental de trou léger, " a déclaré Rastelli. "Avec l'approche technologique utilisée dans le papier, ce n'était pas possible. Nous concevons maintenant un actionneur piézoélectrique qui peut nous permettre de suivre en douceur les changements d'émission lorsque les états des trous lourds et légers se croisent. En outre, nous sommes en contact avec des collègues qui envisagent d'étudier les propriétés des spins des trous légers."

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