Comment les trous nanométriques et les anneaux quantiques sont formés par la gravure locale des gouttes : étude des propriétés et des applications des structures quantiques

Les anneaux quantiques (QR) semiconducteurs représentent une catégorie fascinante de structures quantiques dont les propriétés intriguent depuis leur découverte. Ces structures permettent d'observer des phénomènes d'interférence quantique, tels que l'effet Aharonov-Bohm, qui sont au cœur de nombreuses recherches en physique quantique. Récemment, l'existence de courants persistants oscillants portés par un seul électron dans des anneaux quantiques auto-assemblés d'InAs/GaAs a été mesurée par des expériences ultrasensibles de magnétisation.

Une avancée significative réside dans l'utilisation de la technique de gravure locale des gouttes (LDE), qui permet la création de QRs de GaAs sans contrainte. Lors de l'épithaxie par goutte, on commence par déposer des gouttes métalliques sur un substrat de GaAs ou d'AlGaAs dans le mode de croissance Volmer-Weber. Ces gouttes liquides sont ensuite cristallisées dans une atmosphère d'arsenic, ce qui conduit à la formation de structures quantiques telles que des points quantiques (QD), des paires de QD latéraux et des complexes d'anneaux quantiques. Ce processus offre une grande flexibilité, et il a été démontré que la cristallisation des gouttes métalliques pouvait également être réalisée à une pression d'arsenic très faible, permettant ainsi la formation de trous nanométriques dans le substrat.

Les trous nanométriques ainsi créés sont entourés de parois formées par des composés cristallins d'arsenic provenant des gouttes métalliques. Ces parois, lorsqu'elles sont formées avec des gouttes de Ga, produisent des anneaux quantiques GaAs, tandis que celles créées avec des gouttes d'Al forment des structures optiquement inactives. En d'autres termes, la gravure locale des gouttes permet non seulement de créer des trous nanométriques dans les matériaux semiconducteurs, mais aussi de façonner des anneaux quantiques dans des structures de GaAs, qui sont essentielles pour l'étude des effets quantiques.

Lorsque des champs électriques et magnétiques verticaux sont appliqués aux points quantiques en forme de V, des oscillations optiques d'Aharonov-Bohm peuvent être observées. Cette propriété pourrait avoir des applications dans le stockage de porteurs de charge photo-excités. Ces effets sont particulièrement intéressants dans la perspective des dispositifs quantiques, où l’on cherche à exploiter des phénomènes de quantification des niveaux électroniques et des effets de transport quantiques.

Le processus de formation des trous nanométriques par gravure locale des gouttes suit deux étapes clés : tout d'abord, des gouttes métalliques sont déposées sur la surface du substrat, suivies d'une étape de recuit thermique. Cette dernière permet de transformer les gouttes en trous entourés de parois cristallines. Les paramètres de ce processus, tels que la profondeur du trou, la hauteur des parois et l'angle d'inclinaison des facettes, sont cruciaux pour la formation réussie des QRs. Une fois les trous formés, ils peuvent être remplis avec des matériaux comme le GaAs pour créer des structures plus complexes, comme des points quantiques de GaAs en forme de V.

La technique de LDE offre des avantages significatifs en termes de contrôle spatial et de flexibilité dans la fabrication de structures quantiques. Elle permet, par exemple, de réaliser des QRs à partir de structures initialement amorphes, avec un degré de précision plus élevé que d'autres méthodes de fabrication d'anneaux quantiques. Cette technique pourrait ouvrir la voie à des applications dans les dispositifs optoélectroniques et quantiques de prochaine génération, où la manipulation des états quantiques des électrons et des trous devient essentielle.

Les résultats expérimentaux obtenus grâce à ces structures suggèrent également un fort potentiel pour des applications en stockage de données quantiques et en effets de spintronique, grâce à la possibilité de manipuler les fonctions d'onde des particules confinées dans des structures à faible dimensionnalité. En combinant ces propriétés avec des champs électriques et magnétiques, on peut imaginer des systèmes qui exploitent les effets quantiques à des fins de calcul et de stockage d'informations.

Quel est l'impact des champs électriques sur les propriétés optiques des nanostructures quantiques en forme de points et anneaux quantiques?

L'étude des propriétés énergétiques de ces structures, comme celle des trous dans les QD en forme de V, révèle une dynamique complexe influencée par les champs magnétiques et électriques. Par exemple, pour un champ électrique nul (F = 0), l'énergie du trou reste constante avec l'augmentation du moment angulaire radial |lh|. Cependant, l'application d'un champ magnétique (B) modifie cette énergie de manière significative, en augmentant l'énergie pour |lh| ≤ 0 et en la réduisant pour |lh| > 0. Cette relation entre le champ magnétique et l'énergie est parfaitement rendue par le modèle de Fock-Darwin, qui prédit une telle dépendance pour un QD en forme de V sans champ électrique. L’ajout d’un champ électrique vertical (F = 60 kV/cm) modifie cependant cette dynamique, les énergies des états des trous devenant moins prévisibles et se détachant des prédictions du modèle théorique. Cela indique un changement fondamental dans la nature du confinement, passant d’un disque à un anneau pour la fonction d'onde du trou.

Les transitions optiques entre les états d'excitons dans ces QDs peuvent être utilisées pour stocker des porteurs de charge photo-excités de manière contrôlée. Les simulations montrent qu’à un champ magnétique de 2.48T, une transition de l’état brillant (avec lh = 0) à un état sombre (avec lh > 0) peut avoir lieu, marquant une possible application pour le stockage de porteurs de charge dans des dispositifs optoélectroniques.

L’un des aspects cruciaux à prendre en compte est que la présence d’un champ électrique permet de contrôler de manière dynamique la transition d’un point quantique en un anneau quantique, ce qui ouvre des possibilités intéressantes pour la fabrication de dispositifs à mémoire optique ou à stockage de charge, où la manipulation de l'exciton dans un état hybride (dot-ring) devient un levier stratégique. Ce phénomène offre un contrôle plus précis des propriétés optiques des excitons, contrairement aux structures classiques où l'exciton est confiné de manière plus traditionnelle.

Enfin, ces recherches sur la fonction d'onde et la dynamique des excitons dans les QDs en forme de V renforcent l'idée que l'ingénierie de ces nanostructures permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux du confinement quantique mais aussi de développer des applications pratiques dans des domaines comme l’informatique quantique, le stockage optique, ou encore la photonique à haute performance.