Ingénierie du couplage spin-orbite pour l’étude d’états liés de Majorana dans les systèmes bidimensionnels

Abstract

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’élaboration d’une plateforme d’information quantique basée sur les états liés de Majorana. Ces états sont des candidats prometteurs à la réalisation de qubits topologiques tolérants aux fautes. Généralement, l’approche employée, laquelle a permis d’observer certaines signatures expérimentales de ces états, repose sur l’utilisation de matériaux à fort couplage spin-orbite. De manière alternative, ce mémoire présente l’étude de ces états dans les systèmes tirant profit des matériaux de la microélectronique via l’ingénierie du couplage spin-orbite produit par des microaimants en réseau.

D’abord, une étude de faisabilité de l’implémentation d’une plateforme versatile d’états liés de Majorana à base de gaz d’électrons bidimensionnel est effectuée. Une optimisation du réseau permet d’identifier des régimes de paramètres favorables à l’émergence de ces états dans le silicium. Bien que la protection topologique observée soit typiquement plus faible que pour matériaux à fort couplage spin-orbite intrinsèque, les limitations et bénéfices de cette approche sont identifiés. Finalement, la robustesse de la protection topologique a été démontrée en présence de désordre dans les réseaux d’aimants.

Dans l’optique de valider l’approche théorique, qui repose sur la création d’un couplage spin-orbite artificiel par un réseau d’aimant, une expérience visant à caractériser ce couplage a été conçue. En effet, une expérience de focalisation magnétique a été réalisée pour déterminer la force du couplage spin-orbite produit par un seul microaimant dans une hétérostructure à gaz d’électrons bidimensionnel. Également, le développement d’une plateforme de simulations numériques de transport quantique dans ces dispositifs a permis d’investiguer l’origine microscopique des signatures expérimentales observées.