Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique.

L'usage du spin des électrons pour le traitement de l'information est devenu un vaste sujet de recherche aujourd'hui, notamment grâce aux nombreuses possibilités qui en découlent. Les recherches actuelles s'étendent de la génération de courants polarisés en spin à la manipulation cohérente de spin d'électrons uniques dans des boîtes quantiques, avec des applications en électronique de spin ou en information quantique. L'objectif de cette thèse est d'étendre le développement de l'électronique de spin à l'échelle de l'électron unique. Pour cela, nous cherchons à accomplir le transport cohérent d'un spin d'électron entre deux boites quantiques. Cela constituerait un moyen prometteur d'interconnecter les différents nœuds d'un nanoprocesseur quantique. Le principe utilisé repose sur l'emploi d'ondes acoustiques de surface qui, grâce aux propriétés piézoélectriques du matériau, permettent la génération de boites quantiques en mouvement. Tout d'abord, une étude de l'injection d'un électron dans une de ces boites quantiques en mouvement a été effectuée. Le contrôle à la nanoseconde de ce processus a été démontré grâce à l'application de pulses de tension modifiant pendant un bref instant le potentiel qui confine l'électron. Dans un deuxième temps, la préparation d'une superposition cohérente d'états de spin a été réalisée à l'aide d'une double boite quantique isolée, dans une position compatible avec le transport par onde acoustique de surface. Enfin, le transport d'information de spin, codée sur un unique ou sur deux électrons, a été accompli avec une fidélité atteignant 30%. / Recently a growing interest emerged towards the use of electron spins for information processing. The current developments range from the generation of spin polarized currents to the coherent manipulation of single electron spins in quantum dots, with applications in spintronics and quantum information processing respectively. The main objective of this thesis was to develop the equivalent of spintronics at the single electron level. For that purpose, we try to achieve the coherent transport of a single electron spin between distant quantum dots. This could be a promising means of interconnecting different nodes of a quantum nanoprocessor. The electron transfer is ensured by a surface acoustic wave (SAW) that induces dynamical quantum dots thanks to the material piezoelectricity. First, the injection of a single electron from a static to a dynamical quantum dot has been studied. It enables the control of single electron transfer with unity probability down to the nanosecond timescale, thanks to a fast engineering of the static confining potential. Next, we demonstrate the possibility to prepare a coherent spin superposition, using an isolated double quantum dot in a metastable position that is compatible with SAW-assisted electron transfer. This type of isolated dot systems offers more liberty in terms of control. Taking advantage of this feature, a new scheme for coherent spin manipulations has been implemented and proved to have reduced noise sensitivity. Finally, transfer of spin information encoded in one or two electrons has been achieved, with fidelities reaching 30%.

Cette thèse s'intéresse à deux types de systèmes de différents degrés de liberté en interaction, et soumis à des fluctuations quantiques.Dans le premier projet abordé dans le manuscrit, on établit un diagramme de phase d'électrons en interactions dans un cristal bidimensionnel à géométrie kagome. Ce diagramme de phase est dressé en fonction de deux paramètres étant les interactions coulombiennes entre électrons sur un même atome pour le premier, et sur des atomes plus proches voisins pour le second. Les énergies caractéristiques de ces deux interactions sont quantifiées par rapport à une énergie de référence étant celle des fluctuations quantiques. On met alors en évidence quatre phases dont deux sont nouvelles, alors que les deux autres font le lien avec la littérature déjà existante, et sont en accord avec cette dernière. Ces deux nouvelles phases émergent lorsque l'énergie de répulsion coulombienne entre électrons sur un même atome domine devant l’énergie caractéristique des fluctuations quantiques. En présence d’une forte répulsion coulombienne entre électrons sur des atomes plus proches voisins, les charges électroniques ne peuvent se délocaliser pour former des ondes de Bloch et sont soumis à ce que l’on appelle une contrainte locale de charge. Apparaissent alors sous la compétition de ces deux interactions coulombiennes, des modes unidimensionnels collectifs le long des chaines d’atomes antiferromagnétiquement ordonnées. Ces modes ont la particularité d’être stabilisés à la fois par les fluctuations des degrés de liberté de spin, et de charge des électrons. La seconde de ces nouvelles phases émerge lorsque la répulsion coulombienne entre électrons sur des atomes voisins devient faible devant les fluctuations quantiques. La contrainte locale est alors relâchée et les électrons forment des ondes de Bloch le long de ce qui s’apparente à des bulles quantiques unidimensionnelles et polarisées en spin. Ces bulles sont alors piégées dans un cristal d’électrons inversement polarisés, avec lesquels elles sont en interaction antiferromagnétique.Le second projet porte sur l’étude d’un aimant moléculaire de Terbium Double-Decker. Cette molécule peut être modélisée par trois degrés de liberté interagissant en cascade les uns avec les autres. Le premier d’entre eux est un degré de liberté de spin nucléaire porté par le noyau de l’ion terbium de la molécule. Ce spin nucléaire est en interaction d’échange avec un degré de liberté de spin électronique porté par les électrons de l’ion terbium. Enfin, en première approximation, ce spin électronique génère un champ dipolaire auquel sont soumis les deux ligands de l’aimant moléculaire. Ces deux ligands sont couplés à deux électrodes de source et de drain, assurant le transport d’électrons uniques à travers ces deniers. Le tout forme donc un transistor à électron unique dans lequel les ligands servent de boîte quantique. Par mesure de magnéto-conductance, il est donc possible par une lecture en cascade, de remonter à l’état du spin électronique et du spin nucléaire. La première étape du projet a donc consisté à établir un modèle décrivant l’aimant moléculaire couplé à ces deux électrodes, afin de prédire les mesures de conductance réalisées au travers du transistor lors des thèses de Stefen Thiele et Clément Godfrin. Les résultats théoriques et expérimentaux obtenus sont en accord quantitatifs.D’autres part, à l’aide de champs électriques radio-fréquences, il est possible de manipuler expérimentalement et de façon cohérente le spin nucléaire. Cette manipulation cohérente du spin nucléaire se fait par l’intermédiaire du nuage électronique de l’ion, et permet ainsi d’être en mesure de réaliser un algorithme quantique sur le spin nucléaire de l’ion terbium. La réalisation d’un programme de simulation a permis de guider la réalisation expérimentale de l’algorithme de Grover, lequel a été implémenté avec succès au cours de la thèse de Clément Godfrin. / This thesis focuses on two different spin and charge systems, interacting under the effect of quantum fluctuations.The first project highlights the phase diagram of interacting electrons on a kagome lattice. This diagram is driven by two Coulomb repulsions. The first is a on site repulsion, and the second a nearest neighbor one. These two repulsions are in competition with quantum fluctuations of electronic charges. Four phases are depicted, two are unknown and the two other are in agreement with the literature. The two new phases are stabilized in the strong on site repulsion regime. When nearest neighbor repulsions are strong enough to induce a charge local constraint, the system enters in a so called Heisenberg-Loop Phase. These loops are antiferromagnetically arranged and can be described by a Heisenberg-like model in which both charge and spin play surprisingly a role in the exchange interaction. The second new phase is stabilized in the regime where nearest neighbor interactions are too weak to maintain the local constraint. Then, half of the electrons are delocalized in unidimensional Bloch states similar to quantum polarized electronic bubbles. These bubbles are trapped in an inversely polarized electronic cristal formed by the other electrons. This peculiar phase is favored by both quantum charge fluctuations in the bubbles, and antiferromagnetic exchanges between their electrons and the cristal ones.The second project deals with a Terbium Double-Decker molecular magnet. This molecule is modeled by three interacting degrees of freedom. The first is a nuclear spin of the Terbium ion, and the second is the electronic spin of this same ion. The two spins interact via a magnetic exchange.In a first approximation, the effect of the electronic spin is to induce a dipolar field. Finally, the last degree of freedom is carried by two ligands under the influence of the dipolar field. The ligands play the role of a read-out quantum dot, and by conductance measurements through this last one, we can probe the electronic spin and then, the nuclear spin. The first step of this project highlights the modeling of the global system. Then numerical computations are depicted and are in a quantitative agreement with the experimental measurements realized during the thesis of Stefan Thiele and Clément Godfrin.On the other hand, by applying electrical Radio Frequency Fields, we can drive quantum fluctuations on the nuclear spin. This quantum manipulation of the spin is realized by the dynamic deformation of the electron cloud under the effect of the Radio Frequency Field. As a result, we are able to implement a Grover Quantum Algorithm on the nuclear field. This thesis focuses on the realization of a simulation program that was a tool used by Clément Godfrin to successfully implement the Grover Algorithm.

Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique. / In this thesis we described a series of experimental works, which have been realized in the context of spin qubits, going from their use as information carriers to their use as very sensitive detectors. We use AlGaAs semiconducting heterostructures in which a single electron can be isolated in an electrostatic trap, the so-called quantum dot. The electron spin can be used in order to encode information, and the quantum dot containing this electron can therefore be seen as a qubit (quantum bit). During this thesis we demonstrate the first experimental realization of a single electron transport along a closed path inside a system composed of four coupled quantum dots. By considering spin-orbit interaction, this experiment opens the way toward coherent topological spin manipulations. In the context of quantum computing and spin qubits, we study the two-qubit gates. By considering two tunnel coupled quantum dots, we demonstrate by controlling the local Zeeman splitting that the natural two-qubit gate for spin qubits evolves from the SWAP gate to the C-phase gate. This work demonstrates the feasibility of the C-phase gate. Finally we use spin qubits as very sensitive detectors. A singlet-triplet qubit is a quantum system which can be tuned in order to be very sensistive to the electrostatic environment. Here we report the use of such a qubit to detect a single electron transported next to the detector.

L'introduction du transistor à un électron (SET) a secoué l'industrie des semi-conducteurs, avec des promesses d'efficacité inégalée. Cependant, le coût et la complexité associés à la réalisation d'un fonctionnement stable ont fortement entravé leur adoption. Après être tombé en dehors des grâces de l'industrie, la recherche universitaire a continué à pousser, démontrant des techniques novatrices pour la création de SET. Au cœur de ce problème de stabilité, il y a le besoin de construire de manière contrôlable des nanoislands de moins de 10 nm. Parmi les méthodes disponibles pour cette formation nanoisland, le dépôt de couche atomique (ALD) se distingue comme un processus hautement contrôlable industriellement. La deuxième barrière à l'entrée est la création d'électrodes nanogap, utilisées pour injecter du courant à travers ces nanoislands, pour lesquelles les chercheurs se sont largement appuyés sur des techniques de fabrication non évolutives comme la lithographie par faisceau d'électrons et le faisceau ionique focalisé. La technique d'évaporation de bord d'ombre surmonte les problèmes de complexité et d'échelle de la fabrication de nanogap, ouvrant de nouvelles possibilités. Dans ce travail, ALD sera démontré comme une superbe technique pour la culture de vastes réseaux 3D de nanoparticules de platine sous 2nm encapsulées dans Al2O3. ALD a fourni un moyen de faire croître ces matrices de nanoparticules en un seul processus, sous vide et à basse température. Grâce à l'évaporation du bord d'ombre, la lithographie UV a ensuite été utilisée pour former des électrodes nanogap avec des largeurs latérales élevées (100μm), avec des écarts démontrés au-dessous de 7 nm. La combinaison de ces techniques aboutit à un procédé de fabrication à haut rendement et à faible besoin pour la construction de SET complets. A partir des transistors résultants, de fines lamelles ont été préparées à l'aide de FIB et des modèles 3D ont été reconstruits par tomographie TEM pour analyse. La caractérisation électrique a été effectuée jusqu'à 77K, avec une modélisation révélant le transport de Poole-Frenkel en parallèle à un éventuel cotunneling. Des blocus de Coulomb stables, la signature des SET, ont été observés avec une périodicité régulière et étaient identifiables jusqu'à 170K. L'optimisation de ce processus pourrait produire des SETs de surface élevée capables de fonctionner de manière stable à température ambiante. / The introduction of the single electron transistor (SET) shook the semiconductor industry, with promises of unrivaled efficiency. However, the cost and complexity associated with achieving stable operation have heavily hindered their adoption. Having fallen out of the graces of industry, academic research has continued to push, demonstrating novel techniques for SET creation. At the core of this stability issue is a need to controllably build nanoislands smaller than 10nm. Among the methods available for this nanoisland formation, atomic layer deposition (ALD) sets itself apart as an industrially scalable, highly controllable process. The second barrier to entry is the creation of nanogap electrodes, used to inject current through these nanoislands, for which researchers have leaned heavily on non-scalable fabrication techniques such as electron beam lithography and focused ion beam. The shadow edge evaporation technique overcomes the complexity and scaling issues of nanogap fabrication, opening new possibilities. In this work, ALD will be demonstrated as a superb technique for growing vast 3D arrays of sub 2nm platinum nanoparticles encapsulated in Al2O3. ALD provided a means of growing these nanoparticle matrices in a single process, under vacuum, and at low temperatures. Through shadow edge evaporation, UV lithography was then utilized to form nanogap electrodes with high lateral widths (100µm), with gaps demonstrated below 7nm. The combination of these techniques results in a high yield, low requirement fabrication process for building full SETs. From the resulting transistors, thin lamellas were prepared using FIB and 3D models were reconstructed via TEM tomography for analysis. Electrical characterization was performed down to 77K, with modeling revealing Poole-Frenkel transport alongside possible cotunneling. Stable Coulomb blockades, the signature of SETs, were observed with regular periodicity and were identifiable up to 170K. Optimization of this process could yield high surface area SETs capable of stable operation at room temperature.

Au cours de la dernière décennie, un important effort a été fait dans le domaine des conducteurs électroniques de basse dimensionnalité afin de réaliser une électronique à électrons uniques. Une idée particulièrement attractive étant de pouvoir contrôler complétement la phase d’un électron unique volant pour transporter et manipuler de l’information quantique dans le but de construire un qubit volant. L’injection contrôlée d’électrons uniques dans un système électronique bidimensionnel balistique peut être fait grâce à une source d’électrons uniques basée sur des pulses de tensions lorentziens sub-nanosecondes. Une telle source peut aussi être utilisée pour mettre en évidence de nouveaux phénomènes d’interférences électroniques. Lorsqu’un pulse de tension court est injecté dans un interféromètre électronique, de nouveaux effets d’interférences sont attendus du fait de l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. Pour la réalisation de cette expérience, il est important de connaître avec précision la vitesse de propagation du paquet d’onde électronique créé par le pulse.Dans cette thèse, nous présentons des mesures résolues en temps d’un pulse de tension court (<100 ps) injecté dans un fil quantique 1D formé dans gaz d’électron bidimensionnel qui nous ont permis de déterminer sa vitesse de propagation. Nous montrons que le pulse se propage bien plus vite que la vitesse de Fermi d’un système sans interaction. La vitesse de propagation est augmentée par les interactions électron-électron. Pour un fil quantique contenant un grand nombre de modes, la vitesse mesurée est en excellent accord avec la vitesse d’un plasmon dans un système 2D en présence de grilles métalliques. En modifiant le potentiel de confinement électrostatique et donc l’intensité des interactions, nous montrons qu’il est possible de contrôler la vitesse de propagation. Nous avons ensuite étudié un interféromètre électronique à deux chemins basé sur deux fils couplés par une barrière tunnel. Nos mesures préliminaires font ressortir une signature qui peut être attribuée à des oscillations tunnel cohérentes des électrons injectés dans ce système. Dans un future proche, cet interféromètre pourrait être utilisé pour mettre en évidence ces nouveaux effets spectaculaires dus à l’interaction du pulse avec les électrons de la mer de Fermi. / Over the past decade, an important effort has been made in the field of low dimensional electronic conductors towards single electron electronics with the goal to gain full control of the phase of a single electron in a solid-state system. A particular appealing idea is to use a single flying electron itself to carry and manipulate the quantum information, the so-called solid state flying qubit. On demand single electron injection into such a ballistic two-dimensional electron system can be realized by employing the recently developed single electron source based on sub-nanosecond lorentzian voltage pulses. Such a source could also be used to reveal interesting new physics. When a short voltage pulse is injected in an electronic interferometer, novel interference effects are expected due to the interference of the pulse with the surrounding Fermi sea. For the realization of such experiments it is important to know with high accuracy the propagation velocity of the electron wave packet created by the pulse.In this thesis, we present time resolved measurements of a short voltage pulse (<100 ps) injected into a 1D quantum wire formed in a two-dimensional electron gas and determine its propagation speed. We show that the voltage pulse propagates much faster than the Fermi velocity of a non-interacting system. The propagation speed is enhanced due to electron interactions within the quantum wire. For a quantum wire containing a large number of modes, the measured propagation velocity agrees very well with the 2D plasmon velocity for a gated two-dimensional electron gas. Increasing the confinement potential allows to control the strength of the electron interactions and hence the propagation speed. We then have studied an electronic two-path interferometer based on two tunnel-coupled wires. Our preliminary measurements show a signature that can be attributed to the coherent tunneling of the electrons injected into this system. In the near future, this system could be used to reveal these new striking effects due to the interaction of the voltage pulse with the Fermi sea.

Cette thèse porte sur l’étude du transport de charge et de spin dans les nanostructures 0D, 2D et les hétérostructures 2D-0D de Van der Waals (h-VdW). Les nanocristaux pérovskite de La0.67Sr0.33MnO3 ont révélé des magnétorésistances (MR) exceptionnelles à basse température résultant de l’aimantation de leur coquille indépendamment du coeur ferromagnétique. Les transistors à effet de champ à base de MoSe2 ont permis d’élucider les mécanismes d’injection de charge à l’interface metal/semiconducteur 2D. Une méthode de fabrication des h-VdW adaptés à l’électronique à un électron est rapportée et basée sur la croissance d’amas d’Al auto-organisés à la surface du graphene et du MoS2. La transparence des matériaux 2D au champ électrique permet de moduler efficacement l’état électrique des amas par la tension de grille arrière donnant lieu aux fonctionnalités de logique à un électron. Les dispositifs à base de graphene présentent des MR attribuées aux effets magnéto-Coulomb anisotropiques. / This thesis investigates the charge and spin transport processes in 0D, 2D nanostructures and 2D-0D Van der Waals heterostructures (VdWh). The La0.67Sr0.33MnO3 perovskite nanocrystals reveal exceptional magnetoresistances (MR) at low temperature driven by their paramagnetic shell magnetization independently of their ferromagnetic core. A detailed study of MoSe2 field effect transistors enables to elucidate a complete map of the charge injection mechanisms at the metal/MoSe2 interface. An alternative approach is reported for fabricating 2D-0D VdWh suitable for single electron electronics involving the growth of self-assembled Al nanoclusters over the graphene and MoS2 surfaces. The transparency the 2D materials to the vertical electric field enables efficient modulation of the electric state of the supported Al clusters resulting to single electron logic functionalities. The devices consisting of graphene exhibit MR attributed to the magneto-Coulomb effect.