Comment l’excitation optique modifie-t-elle les oscillations d’Aharonov-Bohm dans un anneau quantique ?

L’intensité croissante de l’excitation optique entraîne une modification notable de la localisation des porteurs de charge dans un anneau quantique GaAs/AlGaAs, influençant ainsi les oscillations d’Aharonov-Bohm (AB). Cette excitation semble renforcer la localisation effective induite par les défauts à l’interface (.ELoc), probablement via les porteurs piégés, et modifie de manière contrôlée le potentiel ressenti par les électrons et les trous.

En supposant une distribution aléatoire et non uniforme des charges piégées, les effets de l’excitation peuvent être interprétés à travers les paramètres effectifs .Re,h (rayons orbitaux des porteurs) et .We,h (largeurs des fonctions d’onde). L’observation expérimentale de la diminution des périodes d’oscillation ∆BX et ∆BXX avec l’augmentation de l’excitation indique une extension des trajectoires électroniques et, en parallèle, une réduction de la largeur effective des fonctions d’onde. Cela suggère une localisation plus marquée des porteurs, cohérente avec l’idée d’un confinement plus fort dû à une .ELoc accrue.

Le modèle quasi-1D utilisé s’avère utile pour estimer le degré de localisation des porteurs. Par exemple, à excitation faible, la probabilité .ρhe de trouver un trou à la position d’un électron fixe est cohérente avec une extension angulaire .ξX d’environ 25°, ce qui corrobore le modèle 1D dans lequel un exciton se comporte comme une quasi-particule unique. Pour le biexciton, les effets à quatre corps deviennent dominants : les deux excitons se localisent préférentiellement à des positions opposées sur l’anneau, conséquence directe des interactions dipôle-dipôle. L’angle caractéristique .ξXX mesuré autour de 71° reflète la faible rigidité de cette molécule de Wigner biexcitonique.

La variation énergétique du XX avec l’excitation, marquée par une baisse progressive de l’énergie de liaison, est compatible avec l’élargissement des trajectoires orbitales, induisant un raccourcissement des périodes AB. Cette évolution s’écarte du critère canonique de la molécule de Wigner (WM), selon lequel deux excitons peuvent être liés tant que .ξXX < π/2. L’augmentation du rapport ∆BX/∆BXX au-delà de 2 – atteignant près de 3,72 – indique une perte de rigidité biexcitonique pour des excitations fortes, révélant une limite au modèle 1D lorsqu’une largeur de jante finie est prise en compte.

Les structures d’anneaux quantiques, bien que géométriquement comparables à des objets topologiquement doublement connectés comme un tore, présentent en réalité une connectivité simple. La croissance par méthode de gouttelette induit une anisotropie marquée de hauteur de jante, créant deux vallées de potentiel distinctes et localisées. Ces vallées forment des états excitoniques distincts de forme croissante, et bien qu’énergétiquement non résonants, leur couplage peut être activé par ajustement de la morphologie ou application de champs externes.

Ce couplage permet la formation de biexcitons par interaction dipôle-dipôle entre états non résonants, avec la possibilité d’utiliser leur dégénérescence spectrale dans la génération de paires de photons intriqués. L’application d’un champ magnétique permet une fusion progressive des fonctions d’onde localisées en un état délocalisé, s’étendant sur tout le pourtour de l’anneau – un phénomène dont l’apparition dépend de la cohérence de phase circumférentielle et du potentiel anisotrope.

Enfin, les effets du désordre – structuraux ou induits – doivent être considérés non seulement dans une optique fondamentale, mais aussi pour leurs implications fonctionnelles. L’ingénierie des oscillations AB peut s’étendre à travers l’application contrôlée de champs électriques, de lumière incidente ou de contraintes mécaniques. Ces outils permettent un contrôle optique fin de la structure quantique et de ses réponses cohérentes, ouvrant la voie à des dispositifs quantiques reconfigurables à la demande.

Quelles sont les différences fondamentales entre les modes plasmons dans les nanorings cylindriques et Möbius ?

Les résonances plasmoniques dans les nanorings cylindriques et Möbius sont un phénomène complexe qui se manifeste lorsqu'une condition résonante est remplie, c'est-à-dire lorsqu'un nombre entier (m) de longueurs d'onde (λ) s'intègre dans le périmètre (L) de la trajectoire du nanoring. À la différence du mode dipolaire, les résonances plasmons d'ordre supérieur peuvent osciller dans la direction latérale de la bande, caractérisée par un nombre entier (l) du mode plasmon. Ainsi, chaque mode plasmon dans le nanoring peut être identifié par un indice (l, m). Pour la résonance plasmonique de base, le mode plasmon dipolaire (0, 1) n'oscille pas latéralement le long de la bande et est présent à la fois dans les nanorings cylindriques et Möbius. Ce mode est causé par des oscillations de charges, formant une onde longitudinale au sein de la structure métallique du nanoring, un phénomène que l'on retrouve dans toutes les structures métalliques.

Cependant, les nanorings Möbius supportent des résonances avec des nombres d'ondes fractionnaires, tels que m = 1.5, 2.5. La formation de ces résonances à demi-entier est induite par l'apparition de la phase de Berry dans le nanoring Möbius. Cet effet a été observé dans des résonateurs en anneau Möbius pour des résonances à des fréquences radio et visibles, ainsi que dans la structure de bande tordue des isolants topologiques pour le transport de spin. La phase de Berry conduit à des distributions de charges de surface anormales sur la surface non orientable du nanoring Möbius. Cette distribution de charges brise la symétrie typiquement présente dans les anneaux cylindriques conventionnels, générant ainsi un moment dipolaire net qui est actif dans l'excitation et l'émission du champ lointain.

Les modes plasmons avec un moment dipolaire net, comme les modes plasmons dipolaires, sont appelés "modes brillants". Ces modes peuvent être directement excités et caractérisés par des méthodes de champ lointain. À l'inverse, les modes plasmons d'ordre supérieur sans moment dipolaire net sont appelés "modes sombres", car ils ne peuvent pas être excités ou détectés dans le champ lointain en raison de leur suppression efficace des pertes radiatives.

Dans le nanoring Möbius, le pic résonnant du mode dipolaire (0, 1) se situe à 1416 nm, avec un léger décalage de mode de 8 nm par rapport au nanoring cylindrique, ce qui est dû à la différence de moment dipolaire formé dans ces deux structures. Contrairement aux nanorings cylindriques, où les modes plasmons d'ordre supérieur ont un caractère sombre, des pics de transmission et de diffusion efficaces sont observés pour les modes plasmons (1, 1.5) et (1, 2.5) à 550 et 522 nm, respectivement. Les résonances à demi-entier violant la condition résonante valide pour les anneaux conventionnels sont néanmoins supportées dans le nanoring Möbius grâce à la présence de la phase de Berry. Les modes à demi-entiers situés sur le plan non orientable du nanoring Möbius permettent la présence d'un moment dipolaire net et donnent lieu à des modes brillants.

Le facteur de qualité (Q) des modes plasmons dipolaires est relativement bas en raison des pertes radiatives importantes. Cependant, les Q-factors des modes d'ordre supérieur (1, 1.5) et (1, 2.5) sont environ six fois supérieurs à celui du mode dipolaire. Cette amélioration du facteur Q suggère un volume de mode plus petit pour les modes plasmons d'ordre supérieur dans le nanoring Möbius. Ce petit volume de mode, de l'ordre de 0,003 λ³, indique un champ électrique fortement localisé avec un facteur d'amplification de (Emax/E0)² ≈ 1000, ce qui est prometteur pour l'étude des interactions lumière-matière.

Les anneaux cylindriques présentent une symétrie de rotation autour de leur axe, ce qui entraîne une longueur d'onde résonante constante et une distribution de charges de surface uniforme pour les modes plasmons dipolaires et d'ordre supérieur, indépendamment de l'orientation de la polarisation d'excitation par rapport à l'axe de l'anneau. En revanche, le nanoring Möbius ne présente pas cette symétrie et exhibe des caractéristiques uniques en raison de sa géométrie non orientable.

Comment modéliser les propriétés électroniques et structurales des anneaux quantiques d’InAs/GaAs ?

La modélisation précise de la forme et de la composition matérielle des AQ repose sur l’analyse des relaxations superficielles après clivage, minimisant les contributions électroniques à l’image obtenue par microscopie à balayage local à haute tension (−3 V). Ces relaxations sont induites par le décalage de réseau de 7 % entre InAs et GaAs, et permettent d’estimer la composition en indium par comparaison avec des calculs basés sur la théorie de l’élasticité appliquée à un modèle d’anneau quantique intégré dans un milieu infini de GaAs. La géométrie de l’anneau est décrite par une couche d’In_xGa_1−xAs de profil variable en fonction des coordonnées radiale et angulaire, avec des paramètres ajustables contrôlant la hauteur au centre, la hauteur au bord, les pentes internes et externes, ainsi que l’anisotropie en forme d’anneau. Ce modèle reproduit fidèlement la distribution spatiale d’indium et la déformation de surface mesurée expérimentalement, avec une concentration moyenne d’environ 55 % en indium.

L’approche adiabatique, fondée sur une séparation des variables quantiques selon l’axe de croissance (z) et le plan transversal (ρ, ϕ), permet de calculer numériquement les potentiels adiabatiques associées aux sous-bandes de quantification de taille. Ces potentiels présentent souvent deux minima prononcés, pouvant être assimilés à deux puits quantiques distincts. Lorsque ces puits sont suffisamment profonds, l’électron se localise dans l’un d’eux, ce qui empêche l’apparition d’un courant persistant typique des géométries d’anneaux parfaits. La distribution en indium et la contrainte mécanique influencent fortement la profondeur et la forme de ces puits, réduisant notablement la barrière potentielle centrale. L’effet du potentiel piézoélectrique est généralement faible, sauf le long de certaines directions cristallographiques où il modifie légèrement le profil électronique.

Il est crucial de noter que la nature singulièrement connectée de l’anneau quantique d’InAs/GaAs remet en question la simplicité du modèle d’anneau doublement connecté idéal. Les perturbations structurelles et compositionaless induisent une complexité dans la localisation électronique et la dynamique quantique, soulignant la nécessité d’une modélisation multi-échelle intégrant à la fois l’élasticité, la composition chimique et les interactions électroniques couplées au champ magnétique.

Comprendre ces phénomènes est indispensable pour exploiter pleinement les propriétés optoélectroniques des AQ, notamment dans les applications en spintronique et en optoélectronique quantique. L’interprétation fine des données expérimentales telles que la photoluminescence, les images de topographie locale, et les mesures de magnétisation repose sur ce cadre théorique rigoureux. Par ailleurs, la maîtrise de la croissance et du contrôle de la composition à l’échelle nanométrique conditionne la reproductibilité des propriétés électroniques, ce qui est crucial pour la réalisation de dispositifs quantiques.

Au-delà des aspects techniques, il faut garder à l’esprit que les effets liés à la déformation du réseau cristallin, les interactions piézoélectriques, et la complexité du potentiel confiné constituent des défis fondamentaux dans la physique des nanostructures auto-organisées. Ils exigent une approche intégrée combinant expérimentation de pointe, modélisation avancée, et simulation numérique précise pour élucider le comportement réel des électrons et trous dans ces systèmes.

Les Structures Fermées et Leur Rôle dans la Superconductivité des Films Minces et Anneaux Quantiques

L'étude des structures fermées dans les matériaux quantiques est un domaine complexe mais fondamental pour la compréhension de la superconductivité à l'échelle nanométrique, en particulier dans les films minces et les anneaux quantiques. Ces structures, bien qu'apparaissant comme de simples configurations géométriques, possèdent des propriétés fascinantes qui influencent de manière significative les comportements électroniques, en particulier la formation des états supraconducteurs.

Les anneaux quantiques, quant à eux, représentent une géométrie encore plus sophistiquée. Leur structure fermée permet la formation d’états électroniques circulants, où les électrons se déplacent en boucle. Dans ces anneaux, la présence d'un champ magnétique peut induire des courants de superflux, un phénomène de grande importance pour les applications de stockage quantique ou les dispositifs quantiques à haute sensibilité. La topologie de la mer de Fermi dans les anneaux quantiques diffère également de celle des films minces. L'énergie de Fermi dans ces systèmes peut être calculée en tenant compte de la géométrie circulaire, où les effets de confinement deviennent encore plus marqués.

Il est essentiel de souligner que la transition vers la superconductivité dans ces structures n'est pas simplement une question de température. Les propriétés des électrons dans les films minces et les anneaux quantiques sont également fortement influencées par l'interaction électron-électron et les effets de bord, qui peuvent conduire à des phénomènes de localisation quantique. Dans ces conditions, la conductivité supraconductrice peut être modulée par de très petites variations de température ou de champ externe, rendant ces systèmes extrêmement sensibles et potentiellement plus efficaces pour des applications en technologie quantique.

Les recherches actuelles sur la superconductivité dans les films minces et les anneaux quantiques ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de dispositifs électroniques ultra-rapides et ultra-sensibles. La compréhension de la manière dont la géométrie affecte les états électroniques et supraconducteurs est donc cruciale pour le développement futur de technologies quantiques. Cela inclut des domaines tels que le calcul quantique, où la stabilité des qubits et la robustesse des états supraconducteurs sont des enjeux majeurs.

Comment les nanostructures comme les points quantiques et les anneaux quantiques améliorent les performances optoélectroniques des dispositifs semiconducteurs

L'intégration de nanostructures, telles que les points quantiques (QD), les nanofils et les molécules de points quantiques (QDM), dans les dispositifs à semiconducteurs permet d'améliorer considérablement leurs paramètres optoélectroniques. Parmi les avantages les plus notables, on trouve une stabilité accrue en température, une réduction des courants seuils, une extension du spectre de photosensibilité des photodétecteurs et un déplacement vers la gamme spectrale des longueurs d'onde longues. Cette approche permet également une amélioration de l'efficacité des cellules photovoltaïques (PV) et thermophotovoltaïques (TPV), ouvrant la voie à de nouvelles applications dans ces domaines. Les interactions entre points quantiques couplés et l'impact de ces derniers sur les caractéristiques courant-tension des structures de dispositifs ont également été étudiées en profondeur, jetant les bases pour des avancées futures dans le domaine de la physique fondamentale et des technologies associées.

Les matériaux semiconducteurs à large bande interdite tels que InAs, GaSb, InSb et leurs solutions solides jouent un rôle crucial dans l'accès aux régions infrarouges du spectre, allant de 2 à 50 micromètres. Par exemple, les QDs InAsSb sur substrat InAs, fabriqués par épitaxie en phase liquide améliorée, ont montré des émissions dans la région du mid-IR, atteignant des longueurs d'onde allant jusqu'à 4,29 μm. Cependant, des limitations existent, notamment l'extinction de l'émission au-delà de 100 K, due à la barrière peu profonde d'InAs.

Les anneaux quantiques (QR), une autre forme de nanostructures, suscitent un intérêt considérable pour leurs propriétés électroniques, magnétiques et optiques. Ces structures, en raison de leur forme géométrique, permettent une confinement électronique particulier qui induit des effets quantiques topologiques, tels que l'effet Aharonov-Bohm. Cet effet optique a été démontré et pourrait être utilisé dans des systèmes de traitement de l'information quantique. De plus, les anneaux quantiques présentent des applications potentielles en tant que photodétecteurs infrarouges, dans les plages spectrales du mid-IR et du THz, et sont étudiés pour leur utilisation dans la mémoire magnétique haute densité et les lasers quantiques.

La fabrication de ces structures de QDM reste un défi, notamment pour contrôler avec précision la densité, la taille ou l'emplacement spatial des QDs. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés, notamment grâce à l'utilisation de substrats semiconducteurs à motifs et à une croissance épitaxiale préférentielle, permettant un contrôle accru sur ces paramètres critiques.

Le contrôle précis de la croissance des QDs et des QDMs est donc essentiel pour obtenir des structures régulières et monodisperses. Cela nécessite une maîtrise des paramètres de nucléation et de coarsening des îles pendant la croissance. Différentes méthodes de croissance, telles que l'épitaxie par faisceau moléculaire, la déposition chimique en phase vapeur et l'épitaxie en phase liquide, ont été explorées pour répondre aux exigences de fabrication de ces nanostructures complexes.

Une attention particulière doit également être portée à la gamme de longueurs d'onde du mid-infrarouge (3–5 µm), qui est d'une importance particulière en raison de ses applications dans la détection des gaz industriels et les spectres d'absorption atmosphérique. Les détecteurs infrarouges à base de QDs, tels que les QDIPs, présentent un grand potentiel par rapport aux détecteurs à puits quantiques (QWIPs), en raison de leur meilleure sensibilité, de leur faible courant sombre et de leur haute responsivité.