La recherche sur le contrôle des effets d'interférence quantique dans les anneaux quantiques à semi-conducteurs, via l'application de champs externes, a suscité un intérêt considérable dans les dernières décennies. Des transitions à des fréquences térahertz (THz) dans des anneaux quantiques infinitésimalement fins, soumis à un champ électrique externe, ont montré qu'elles pouvaient produire des oscillations magnétoélectriques du moment dipolaire d'un anneau. Ce phénomène est accompagné de changements périodiques des règles de sélection pour les transitions optiques entre les niveaux. Les radiations électromagnétiques associées à ces transitions dans des anneaux quantiques de taille radiale de 10 à 20 nm se produisent effectivement à des fréquences THz.

Les anneaux quantiques percés par un flux magnétique et soumis à un champ électrique latéral dans des microcavités à mode unique et à haute qualité ont montré que les champs magnétiques et électriques sont des moyens efficaces pour ajuster la force de couplage entre l'anneau quantique et la microcavité, et par conséquent, pour contrôler le spectre d'émission du système. Cela a permis de suggérer que les anneaux quantiques pourraient être de bons candidats pour des dispositifs photoniques opérant dans la gamme spectrale THz. Un autre paramètre de contrôle pertinent est l'angle entre le champ électrique latéral et le plan de polarisation du champ de pompage optique. La fonctionnalité optique d'un anneau quantique semi-conducteur manipulé par deux grilles électrostatiques latérales dépend de la création d'un double puits quantique induit le long de l'anneau. Les paramètres du puits et les espacements de niveaux correspondants (dans la gamme THz) s'avèrent être très sensibles aux tensions appliquées sur les grilles.

Les règles de sélection pour les transitions dipolaires entre les niveaux, induites par des excitations linéairement polarisées, dépendent de l'angle du vecteur de polarisation par rapport aux grilles. La géométrie de l'anneau permet des transitions dépendantes de la polarisation entre l'état fondamental et le deuxième état excité, ce qui ouvre des perspectives d'utilisation de cette structure dans un schéma de laser à trois niveaux, offrant un contrôle sur la fréquence de la transition de laser. Un anneau quantique et un anneau quantique à double grille permettent tous deux de contrôler les propriétés de polarisation des radiations THz associées.

Un autre développement théorique repose sur les cyclocarbones, ces anneaux formés par une chaîne fermée d'atomes de carbone et présentant une structure polyynique (avec des liaisons simples et triples alternées). Ce type de matériau fait l'objet d'une étude active dans le domaine des anneaux quantiques. Le modèle de liaison forte pour un anneau polyyne idéal prédit un écart de fréquence THz modulable dans le spectre moléculaire en raison de l'effet Stark sous l'effet d'un champ électrique externe atteignable expérimentalement. Ce modèle est également utilisé pour décrire un cyclocarbone à dimère impair, qui subit un phénomène de rupture de symétrie spontanée dû à l'effet Jahn-Teller, agissant comme un dipôle à travers l'anneau idéal.

L'impact d'un rayonnement laser THz intense et du champ électrique appliqué sur les états électroniques et les propriétés optiques intrabandes des anneaux quantiques couplés latéralement dans les systèmes GaAs/GaAlAs a révélé de nouvelles potentialités THz des anneaux quantiques pour les applications optoélectroniques. Ces matériaux présentent des caractéristiques intéressantes qui pourraient révolutionner les dispositifs optoélectroniques opérant dans le domaine des fréquences THz.

L’analyse théorique de l'interaction entre l'interférence quantique et la localisation du courant dans les anneaux quantiques supraconducteurs non idéaux a mené au développement d'un modèle de transmission pour les courants supraconducteurs dans des anneaux quantiques de largeur finie avec des branches d’entrée et de sortie. Ce modèle permet d'interpréter les oscillations de la magnéto-résistance observées expérimentalement dans des anneaux quantiques supraconducteurs de type YBa2Cu3O7-δ. Ce phénomène d’interférence, activé par l’anneau, est encore influencé par la présence de vortex supraconducteurs piégés, ce qui engendre une redistribution supplémentaire des super-courants et affecte les quasiparticules détectées par voltmètre.

Les anneaux supraconducteurs composites, constitués d'un supraconducteur de type p (onde triplet) relié aux deux extrémités par un supraconducteur de type s (onde singlet), ont permis d'observer une quantification du flux avec des numéros quantiques demi-entiers, distincts de la quantification ordinaire du flux avec des numéros quantiques entiers. Ce phénomène a servi de base aux mesures sensibles de la phase des oscillations de la magnéto-résistance dans un anneau composite, visant à déterminer de manière univoque la symétrie d'appariement des nouveaux supraconducteurs étudiés.

Les développements récents dans ce domaine ont aussi montré que les propriétés des anneaux quantiques sont hautement dépendantes de leur topologie. Les structures nanométriques à double connexion, ou anneaux quantiques, ne présentent des effets de cohérence de phase que lorsqu'elles sont d’une qualité extrêmement élevée. Par exemple, les structures hétéroélectroniques en 2D nécessaires pour l'observation des oscillations d'Aharonov-Bohm se révèlent particulièrement exigeantes, car des irrégularités d'interface ou des fluctuations d'alliage entraînent une perte de cohérence de phase spatiale des excitons, induisant leur localisation. De plus, des structures nanométriques auto-assemblées, bien que prometteuses, souffrent de difficultés liées à la précision du contrôle de leur forme et de leur taille. Quant aux anneaux nanométriques définis lithographiquement, ils sont également soumis aux effets néfastes des surfaces libres.

Quelle est l'influence de la confinement quantique sur les propriétés électroniques et supraconductrices des films métalliques fins?

Dans le cas des films métalliques fins, l’effet de la confinement quantique est crucial pour comprendre la distribution des états électroniques dans l'espace réciproque et les transitions supraconductrices. Lorsque l’épaisseur du film devient suffisamment petite, les états électroniques ne peuvent plus être traités comme dans un gaz de Fermi tridimensionnel classique. Le confinement réduit l’espace disponible pour les électrons, ce qui modifie leurs comportements énergétiques et l'état de densité des états (DOS). Plus précisément, pour des films où la longueur caractéristique LL est plus grande que la longueur d'onde de Fermi kF−1k_F^{ -1}, les états électroniques sont confinés dans une région limitée de l’espace réciproque, modifiant ainsi la densité des états.

Lorsqu'on considère un système de films fins avec un nombre limité d’états accessibles à l’électron, la densité des états dans l'espace réciproque, notée g(ϵ)g(\epsilon), prend une forme qui diffère de celle observée dans des systèmes de dimensions plus grandes. Pour les faibles énergies, elle devient linéaire avec l'énergie, ce qui contraste avec la dépendance racine carrée typique observée dans un gaz de Fermi à trois dimensions. Cette dépendance linéaire se maintient jusqu’à une certaine énergie, au-delà de laquelle la densité des états retrouve une forme proche de celle du gaz de Fermi en trois dimensions. Ce changement de comportement est directement lié à la topologie de l’espace réciproque du système confiné et est essentiel pour la compréhension de la supraconductivité dans ces matériaux.

Lorsque la température approche du zéro absolu, l’énergie de Fermi ϵF\epsilon_F des électrons peut être calculée en intégrant la densité des états sur toutes les énergies. Le résultat de cette intégration montre que la Fermi énergie est non seulement une fonction de la densité de porteurs libres ρ\rho dans le matériau, mais aussi de l’épaisseur du film LL. La présence d’un confinement fort dans les films fins implique que la Fermi énergie sera plus faible que celle des matériaux bulk, et le paramètre critique de la transition supraconductrice TcT_c en dépend directement.

Le modèle BCS de la supraconductivité peut être appliqué aux films métalliques fins en tenant compte des interactions phononiques responsables de la formation de paires de Cooper. Ces interactions sont dominées par les phonons optiques et non par les phonons acoustiques, car les effets de confinement n'affectent principalement que ces derniers. L’interaction de la fonction d'onde des électrons près de la surface de Fermi joue un rôle clé dans l’établissement du phénomène supraconducteur dans ces films. La température critique de supraconductivité TcT_c peut ainsi être prédite en fonction de la densité des états et de l'énergie de Debye ϵD\epsilon_D, qui caractérise les phonons optiques.

Il est intéressant de noter qu’il existe un maximum dans la température critique en fonction de l’épaisseur du film. Ce maximum est dû à une transition topologique de la surface de Fermi, qui passe d’une sphère de Fermi classique à une forme déformée à cause de la confinement. Cependant, ce maximum n’est pas aussi net que prévu initialement, car un modèle plus précis qui prend en compte des effets de couplage plus forts (via la théorie d’Eliashberg) montre que la transition est plus douce, en particulier pour des films très fins.

En effet, la théorie permet d’établir que, pour une certaine épaisseur critique LcL_c, la température critique de supraconductivité TcT_c commence à diminuer après avoir atteint un maximum. Ce phénomène a été observé dans plusieurs systèmes expérimentaux, notamment pour les films de plomb cristallins, où l’accord entre les données expérimentales et les prédictions théoriques est assez précis. Bien que des ajustements soient nécessaires pour une prédiction quantitative exacte, la théorie fournit une compréhension générale de la supraconductivité dans les films métalliques fins et souligne l'importance du confinement quantique pour ces systèmes.

L’une des particularités de ce modèle est que la tendance de TcT_c en fonction de l’épaisseur des films ne montre pas de comportements oscillants réguliers, contrairement à certaines théories plus anciennes qui prédisaient de telles oscillations. Cela est dû à l'absence de discrétisation du moment kzk_z, ce qui empêche l'apparition de telles oscillations dans le cadre des films métalliques fins confinés.

Il est important de souligner que le modèle BCS utilisé dans ce contexte est fondamentalement valable pour des films métalliques dans des régimes où les effets de confinement sont dominants, mais des recherches supplémentaires avec des modèles plus complexes, comme la théorie Eliashberg en couplage fort, sont nécessaires pour obtenir des prévisions pleinement quantitatives. Les expériences réalisées avec des films ultra-fins de plomb et d'aluminium offrent un excellent cadre pour tester et affiner ces modèles théoriques.

Comment les anneaux quantiques peuvent révolutionner les dispositifs optoélectroniques et spintroniques

La fabrication auto-assemblée des anneaux quantiques, notamment par l'épitaxtie en gouttes, est un domaine en pleine expansion. Ce procédé, qui consiste à déposer des gouttes de Ga sur des substrats en AlGaAs, permet la formation de structures nanométriques particulièrement complexes et intéressantes. Les anneaux quantiques, en particulier ceux fabriqués de cette manière, sont à la pointe de la recherche en raison de leurs propriétés électroniques et optiques uniques. Les avancées récentes dans la compréhension et la manipulation de ces structures ouvrent la voie à des applications prometteuses dans divers domaines de la technologie, notamment l’optoélectronique, la spintronique et le stockage de l'information.

Un des aspects majeurs du travail sur les anneaux quantiques concerne leur fonctionnalisation par gravure sélective de gouttes. Cela implique la recristallisation du GaAs, la modulation de la fonction d'onde des points quantiques en forme de V par une tension de grille, et la déplétion partielle d’un puits quantique GaAs en raison du phénomène de tunnel. Ces techniques permettent de manipuler et de contrôler les propriétés des nanostructures, rendant ainsi ces systèmes idéaux pour des applications nécessitant une grande précision et des matériaux hautement contrôlables. Des recherches approfondies, comme celles menées par Heyn et ses collaborateurs, montrent qu’il est possible de créer des systèmes de points quantiques et d'anneaux quantiques en utilisant ces méthodes, ouvrant ainsi la voie à une meilleure compréhension des phénomènes à l'échelle nanométrique.

Les complexes d'anneaux quantiques en semi-conducteurs, tels que les anneaux concentriques multiples, ainsi que les structures couplées anneau-disque ou point-anneau, ont également fait l’objet d’études détaillées, notamment par Vichi et ses collègues. Ces structures présentent un intérêt majeur en raison de leurs propriétés de conduction, mais aussi de leurs propriétés optiques uniques, qui les rendent particulièrement adaptées à des applications dans des dispositifs optoélectroniques avancés.

Un autre développement majeur concerne les structures moléculaires de points quantiques. Par exemple, les points quantiques à composition variable InAs1-x-ySbxPy, étudiés par Gambaryan et ses collaborateurs, présentent des caractéristiques électrophysiques et optoélectroniques remarquables, notamment dans la région infrarouge moyen. Grâce à des techniques de fabrication de haute précision, telles que l'épitaxie en phase liquide, ces structures permettent des études approfondies sur les propriétés de transport et la réponse optoélectronique des matériaux semi-conducteurs.

Les effets des ondes de spin dans les nanodisques magnétiques et les nanorings ont également été largement explorés, notamment par Dobrovolskiy et Kakazei. La résonance ferromagnétique, mesurée dans des structures magnétiques, et l’étude des ondes de spin dans des systèmes de nanostructures complexes comme les nanodisques et les nanovolcans 3D, ouvrent de nouvelles perspectives pour le stockage de données magnétiques et la manipulation de l'information à l’échelle nanométrique. Ces recherches sont particulièrement pertinentes pour les applications de la spintronique, où l’on cherche à exploiter le spin des électrons pour le traitement et le stockage de l'information.

Les oscillations optiques d'Aharonov-Bohm dans les anneaux quantiques, pour les excitons et plasmons, sont un autre domaine de recherche majeur. Les travaux théoriques et expérimentaux sur ces phénomènes, comme ceux présentés par Yang et al., ont démontré l'impact des champs électriques internes et des impuretés sur les propriétés optiques des anneaux quantiques. Les oscillations de photoluminescence détectées à des champs magnétiques élevés montrent l’existence de paires d'excitons fortement corrélées, ce qui pourrait être exploité pour des applications de détection optique et de contrôle quantique dans les dispositifs nanométriques.

La recherche sur les anneaux quantiques ne se limite pas seulement aux applications classiques. Elle s’étend à des domaines plus théoriques, comme les effets d'interférence de spin dans les anneaux quantiques Rashba, étudiés par Ortix. Ces travaux théoriques permettent d’expliquer comment la géométrie et le champ magnétique influencent la conductance de ces systèmes, et ouvrent la voie à des technologies utilisant l'interférence de spin pour des dispositifs de calcul quantique ou de détection à haute sensibilité.

Les anneaux quantiques, les molécules d'anneaux quantiques et même les cyclocarbons, qui sont des anneaux quantiques formés par des chaînes fermées d'atomes de carbone, sont envisagés comme des candidats prometteurs pour des dispositifs optiques opérant dans les fréquences THz. Les recherches menées par Alexeev et al. sur les propriétés électroniques et optiques de ces structures dans des champs électromagnétiques montrent que leur utilisation dans des applications optoélectroniques de prochaine génération, notamment dans les télécommunications et les capteurs à haute résolution, pourrait avoir un impact majeur sur l’industrie.

La théorie des nanostructures doubly-connectées, telles que les nanofils cœur-coquille, est également d’une grande importance. Trallero-Giner et al. ont étudié l'interaction électron-photon dans ces systèmes à l'aide de la théorie quantique des champs, montrant ainsi l'énorme potentiel de ces structures dans les technologies de communication et de détection optique.

Enfin, la géométrie différentielle appliquée aux anneaux quantiques et aux structures complexes comme les bandes de Möbius est un domaine de recherche innovant. Lassen et ses collaborateurs ont montré comment l’utilisation de méthodes de géométrie différentielle permet de dériver des expressions pour l'énergie élastique des coquilles minces, ce qui peut être crucial pour la conception de nouveaux matériaux aux propriétés mécaniques et optiques uniques.

En somme, la combinaison des techniques de fabrication avancées, des recherches théoriques sophistiquées et des simulations numériques a permis d’accumuler une quantité considérable de connaissances sur le comportement des anneaux quantiques. Ces connaissances fondamentales sont la base d'un grand nombre de propositions d'applications dans divers domaines technologiques. Les anneaux quantiques et les nanostructures à topologie non triviale offrent un potentiel énorme pour la création de dispositifs optoélectroniques, spintroniques et de mémoire magnétique, ainsi que pour le développement de sources et détecteurs photoniques.

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