Transport in weakly coupled vertical double quantum dots: single-particle energy level spectroscopy and hyperfine interaction effects

Performing transport measurements on weakly coupled vertical double quantum dots, we study by magneto-resonant-tunneling spectroscopy, single-particle energy spectra of the constituent dots over a wide energy window. The measured energy spectra are well modeled overall by ideal spectra calculated for elliptical and parabolic in-dot-plane confinement potentials. However, in regions where single-particle energy levels are naively expected to cross, we observe pronounced level anti-crossing behaviour and strong resonant current variations (both enhancement and suppression). Within a coherent tunneling picture, these effects can be attributed to coherent level mixing induced by weak perturbations in the nearly ideal dot confinement potentials. We analyze the energy spectra in detail, and focus on examples of two-, three- and four-level crossings where we observe the suppression of an otherwise strong current resonance, a signature of dark state formation due to destructive interference. The mixing we measure and model at two three-level crossings represents an all-electrical analogue of coherent population trapping. We also explore the limitations of the applicability of the coherent level mixing model and demonstrate in-situ alteration of the coupling between levels.We further examine the electron spin-nuclear spin (hyperfine) interaction. In the familiar two-electron spin blockade regime, on application of an out-of-dot-plane magnetic field, we observe current switching and hysteresis, and a funnel-like structure in the leakage current, all hallmarks of the hyperfine interaction. The measurements bring to light a strong gate voltage dependence, significant device-to-device variations, and an intricate bias voltage history dependence not accounted for in any existing model. Unexpectedly, we also observe signatures of the hyperfine interaction at high bias, well outside the spin blockade regime. We characterize these features and suggest how the hyperfine interaction may play a role at high bias, although the electronic states involved generally can not easily be identified. As a first step toward understanding this new regime, we describe another hysteretic funnel-like structure observed at high bias where the electronic states involved can be identified as two-electron states, so allowing us to postulate a specific mechanism for this funnel.En effectuant des mesures de transport sur des boîtes quantiques doubles faiblement couplées, nous étudions, par la spectroscopie par effet tunnel magnetorésonant, les spectres d'énergie de particule simple dans une grande fenêtre d'énergie. Les spectres d'énergie mesurés sont modélisés par les spectres calculés pour des potentiels de confinement elliptique et parabolique. Cependant, dans les régions où les niveaux d'énergie de particule simple doivent se croiser, nous observons des comportements de croisements évités et des variations du courant résonnant. Dans le cadre de l'effet tunnel cohérent, ces effets peuvent être attribués au mélange cohérent des niveaux induit par les faibles perturbations du confinement. Nous analysons les spectres d'énergie et focalisons sur des exemples de croisements de deux à quatre niveaux où nous observons la suppression d'une résonance de courant qui est une signature de la formation d'un état sombre dû à de l'interférence destructive. Le mélange que nous mesurons et modélisons à deux croisements de trois niveaux représente un piégeage cohérent de population.Nous examinons plus en détail l'interaction hyperfine entre les spins des électrons et des noyaux. Dans le régime du blocage de spin avec deux électrons, lors de l'application d'un champ magnétique hors plan, nous observons un courant intermittent avec de l'hystérèse et une structure en entonnoir dans le courant de fuite, qui sont des aspects marquants de l'interaction hyperfine. Les mesures dévoilent une dépendance sur la tension de grille, des variations d'un dispositif à l'autre et une dépendance sur l'histoire de la tension de biais qui apparaît dans aucun modèle existant. Nous observons également des signatures de l'interaction hyperfine à biais élevé, au-delà du régime du blocage de spin. Nous caractérisons ces aspects et suggérons comment l'interaction hyperfine peut jouer un rôle à biais élevé, quoique les états électroniques impliqués ne puissent pas être identifiés facilement. Comme première étape vers la compréhension de ce nouveau régime, nous décrivons une autre structure hystérétique en entonnoir observée à biais élevé où les états électroniques impliqués peuvent être identifiés comme des états à deux électrons, ce qui nous permet de postuler un mécanisme spécifique pour cet entonnoir