Revealing synthetic spin textures with transport and microwave measurements

Dans cette thèse, nous avons étudié des nanocircuits à base de nanotubes de carbone intégrées dans une cavité micro-onde. Notre dispositif permet de réaliser simultanément des mesures de transport et des mesures micro-ondes, qui donnent des informations complémentaires sur le nanocircuit. Dans les deux expériences réalisées durant cette thèse, un nanotube de carbone est placé au-dessus d’un matériau magnétique qui présente plusieurs domaines d’aimantation. L’axe du champ magnétique de fuite résultant oscille le long du nanotube. Pour les électrons confinés, il est équivalent à un couplage spin-orbite synthétique et à un effet Zeeman. Cet effet synthétique est mis en évidence de deux manières. Dans une première expérience, nous avons mesuré l’évolution des niveaux d’énergie de la boîte quantique quand le matériau magnétique est progressivement aimanté par un champ extérieur, ce qui détruit le champ oscillant. Dans cette expérience, le nanotube a un très bon contact avec un métal supraconducteur en supplément des effets spin-orbite et Zeeman synthétique, qui sont les prérequis pour obtenir des quasiparticules de Majorana dans un nanoconducteur 1D. De telles quasiparticules sont activement recherchées pour leur utilisation pour le calcul quantique. Dans un second temps, nous avons réalisé une double boîte quantique, dans laquelle chaque boîte est constituée d’un segment de nanotube, situé au-dessus du même champ magnétique oscillant que dans la première expérience. Les transitions internes de ce système sont mesurées à l’aide de la cavité micro-onde. Nous avons mis en évidence une très forte dispersion de l’énergie de la transition interne avec un faible champ magnétique extérieur, qui peut être expliqué par un effet Zeeman pour lequel le facteur de Landé, g, a été fortement renormalisé par l’interaction spin-orbite synthétique.In this thesis, we have studied carbon nanotube-based nanocircuits integrated in a microwave cavity architecture. Our device is compatible with the simultaneous measurement of both the current through the nanocircuit and the frequency shift of the cavity. These two signals give complementary information about the device. In the two experiments presented in this thesis, the carbon nanotube was positioned above a magnetic material containing several magnetization domains. The resulting magnetic stray field’s axis oscillates along the carbon nanotube length. For the confined electrons, this is equivalent to both a synthetic spin-orbit interaction and a Zeeman effect. This synthetic effect is evidenced in two ways. In a first experiment, we have measured the evolution of the nanotube’s energy levels when the magnetic material is progressively magnetized by an external magnetic field, thus destroying the oscillations of the stray field. In this experiment, the carbon nanotube had a very transparent contact to a superconducting metal, in addition to the synthetic spin-orbit interaction and Zeeman effect. These ingredients are a pre-requisite to observe Majorana quasiparticles in a one-dimensional nanoconductor. Those quasiparticles are under intense study for their potential use in quantum computing. In the second experiment, we have realized a double quantum dot in which each dot similarly lays above an oscillating magnetic field. The internal transitions of this DQD are measured with the microwave cavity signal. We evidenced a strong dispersion of the energy of the double quantum dots’ internal transitions with a small external magnetic field. This dispersion can be explained by a Zeeman effect in which the Landé factor, g, has been strongly renormalized by the synthetic spin-orbit interaction