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Laboratoire Pierre Aigrain

Accueil du site > La recherche au L.P.A. > Propriétés optiques et électroniques des nano-objets > Magnéto - spectroscopie IR/THz > Boîtes quantiques > Boîtes quantiques dopées InAs/GaAs

Boîtes quantiques dopées InAs/GaAs

Polarons dans les boîtes quantiques dopées n

On associe souvent une boîte quantique comportant un ou plusieurs électrons à un atome artificiel du fait du confinement des électrons dans les trois directions et la séquence discrète des niveaux électroniques. Nous avons étudiés les niveaux d’énergie des boîtes quantiques dopées InAs/GaAs (fabriquées au LPN) par des expériences de magnéto-transmission dans l’infrarouge lointain (IRL) jusqu’à 28 Teslas. Le dopage des échantillons utilisés est ajusté pour avoir en moyenne un électron par boîte. La dispersion en champ magnétique des minima de transmission présente des déviations spectaculaires par rapport à celle prévue à partir d’un modèle de niveaux purement électroniques (modèle d’atome artificiel), montrant ainsi que l’analogie avec des atomes doit être reconsidérée. Afin d’expliquer ces déviations, nous avons calculé, en collaboration avec l’équipe de G.Bastard, le couplage entre les états mixtes électron-réseau en utilisant l’hamiltonien de Fröhlich. Les états résultant de ce couplage sont les états polarons. Un accord remarquable est obtenu avec les expériences. Un des résultats importants de ce travail a été de montrer que l’image usuelle en physique des semiconducteurs de l’émission irréversible d’un phonon LO par un électron dans un état excité pour relaxer dans l’état fondamental devient caduque dans une boîte quantique du fait des états électroniques discrets et du continuum de largeur finie des phonons. La vision correcte de l’interaction électron-phonon dans une boîte quantique est celle d’un électron émettant continuellement et réabsorbant de façon cohérente des phonons LO. Ce régime de couplage fort avec la formation des polarons constitue un aspect nouveau et original en physique des solides.


Analyse des fluctuations de population électronique des boîtes dopées.

L’utilisation de boîtes dopées étant envisagée dans plusieurs types d’applications (détecteurs IR, qubits à l’état solide…), il est important de connaître l’uniformité spatiale de la population électronique des boîtes dont l’inhomogénéité peut avoir plusieurs origines : les fluctuations de composition, la distribution statistique des dopants ou la dispersion de taille des boîtes. Nous avons abordé ce problème en étudiant en magnéto-optique IRL des structures avec un dopage planaire variable permettant d’obtenir une population moyenne de N=1 à 6 électrons par boîte. Des variations notables de la dispersion en champ magnétique et des largeurs des transitions IRL sont observées lorsque le dopage varie. Ces résultats sont très bien compris et interprétés à partir des calculs de l’énergie des transitions et du potentiel chimique en fonction de N et du champ magnétique que nous avons menés en incluant la dispersion de taille des boîtes. Nous avons également évalué les effets de la distribution statistique des dopants. Le résultat principal de notre analyse est qu’une variation de hauteur des boîtes de seulement ± une monocouche atomique conduit à des fluctuations significatives de remplissage N qui expliquent parfaitement les largeurs des résonances observées et qui constituent l’origine principale de l’inhomogénéité de population des boîtes. Un autre résultat intéressant que nous avons observé et expliqué est que les boîtes quantiques pouvaient accommoder jusqu’à 6 électrons mais que les configurations N ≥ 5 pouvaient être instables avec une délocalisation d’un ou plusieurs électrons dans la couche de mouillage.