Les gaz de trous bidimensionnels en Ge combinent de nombreuses propriétés attractives pour le développement de la nanoélectronique et des technologies d’information quantique, tels que de hautes mobilités électroniques et un fort couplage spin-orbite. Les chercheurs de notre institut ont réalisé des dispositifs d’électronique quantique à partir d’hétérostructures de SiGe/Ge/SiGe fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur afin d’explorer le potentiel de ce matériau. 

Dans une première étude ^[1], les chercheurs ont défini des points de contact quantique à l’aide de grilles électrostatiques latérales. En appliquant une tension positive sur les grilles latérales ils ont confiné les trous dans une construction 1D de largeur comparable à leur longueur d’onde. Cela résulte en la discrétisation du spectre d’énergie des porteurs transmis par le canal et à la quantification de la conductance en régime de transport balistique, effets que les chercheurs ont mis en évidence par des mesures de transport à basse température. En appliquant un champ magnétique d’orientation variable, ils ont alors mis en évidence une forte anisotropie du facteur g, qui caractérise la sensibilité au champ des niveaux d’énergie des trous. Ce facteur varie de 1 à 10 en valeur absolue selon l’orientation du champ, en cohérence avec le caractère de trous lourds des porteurs dans la bande de valence.

Dans une seconde étude ^[2], les chercheurs ont fabriqué une jonction Josephson en connectant des électrodes supraconductrices en Al au canal de Ge. Ils ont mis en évidence la propagation d’un supercourant contrôlable par une grille dans le Ge, par des mesures de transport électrique à 16 mK. Ensuite, ils ont réalisé des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID) en connectant deux jonctions similaires dans une boucle supraconductrice. Enfin, ils ont fabriqué des dispositifs équipés de grilles latérales pour induire une barrière tunnel au milieu de la jonction afin de réaliser une spectroscopie tunnel et révéler le gap supraconducteur induit.

Ces résultats ouvrent la voie à la fabrication de nouveaux dispositifs quantiques tels que des Transmons (qubits supraconducteurs) contrôlables par une grille. De plus, le fort couplage spin-orbite des trous devrait permettre la manipulation rapide et cohérente des spins à partir d’un champ électrique externe. Enfin, induire la supraconductivité dans un canal 1D avec un fort couplage spin-orbite devrait générer des états topologique supraconducteurs avec des quasi-particules de Majorana.

Ce travail a été réalisé au laboratoire PHELIQS/LATEQS avec l’aide de la Plate-forme Technologique Amont (PTA). Les hétérostructures de Ge/SiGe ont été fabriqué à l’Université de Warwick pour la première étude et à l’Université Technique de Delft pour la seconde. Les chercheurs ont reçu le soutien de l’Agence Nationale de la Recherche au travers le projet TOPONANO et du programme CEA DRF impulsion Super-G. Les chercheurs remercient leurs collaborateurs de l’Université de Pittsburgh et le support du projet HYBRID NSF PIRE-1743717, ainsi que la Fondation Nanoscience de Grenoble.


Vue schématique d’un puit quantique de Ge avec des contacts supraconducteurs et surmonté d’une grille d’accumulation et de deux grilles latérales.