Riassunto analitico
L’obbiettivo di questa tesi è la preparazione e l’ottimizzazione dell’apparato necessario per osservare l’interazione fra lo spin di un elettrone in un quantum dot semiconduttore e un fotone alle microonde, intrappolato in un risonatore. Questo lavoro è il passo preliminare per raggiungere un regime di accoppiamento forte, in cui l’interazione fra fotone e spin è molto più forte delle rate di decadimento dei fotoni e di sfasamento degli spin.
I risonatori superconduttori coplanari sono stati ampiamente utilizzati per accoppiare fotoni alle microonde con diversi tipi di sistemi a due livelli, inclusi qubit superconduttori, quantum dot e sistemi di spin. In particolare, risonatori fabbricati in YBCO, materiale superconduttore ad alta temperatura critica, hanno mostrato resistenza al campo magnetico e alla potenza delle microonde, oltre a un ampio intervallo di temperature di lavoro, fino alla temperatura dell’azoto liquido. Singoli spin elettronici confinati in quantum dot semiconduttori hanno dimostrato accoppiamenti nell’ordine dei MHz con fotoni alle microonde. Questi fotoni sono particolarmente interessanti per la realizzazione di sistemi ibridi con qubit di spin controllabili. Il mio lavoro di tesi si è incentrato sull’integrazione di quantum dot semiconduttori cresciuti in nanofili di InAs/InP e di un risonatore coplanare in YBCO e zaffiro.
In particolare il lavoro che ho svolto riguarda la caratterizzazione di risonatori e l’ottimizzazione del processo della loro fabbricazione. Dopodiché mi sono focalizzato sulla realizzazione dell’apparato necessario ad effettuare misure di trasporto sui nanofili semiconduttori e la loro caratterizzazione in diverse condizioni. Infine, l’interazione fra i fotoni e gli spin è stata studiata.
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Abstract
The objective of this thesis is the set up and optimization of the apparatus necessary to observe the interaction between an electron spin in a semiconductor quantum dot and a microwave photon, trapped in a superconducting resonator. This work is the preliminary step in the path to archive a high cooperativity, strong coupling regime, in which the spin-photon coupling rate is much higher than the photon decay rate and the spin dephasing rate.
Superconducting coplanar resonators have been widely used for the coupling of microwave photons to several kinds of two-levels quantum systems, including superconducting qubits, quantum dots and spin systems. In particular, high critical temperature YBCO resonators have demonstrated resilience to applied magnetic fields and high microwave power handling capabilities, in addition to a large working temperature range extending up to liquid nitrogen temperatures. Single electron spins confined in semiconductor quantum dot have demonstrated coupling strengths of the order of MHz with microwave photons. These systems are particularly appealing for the realization of hybrid circuits with controllable spin qubits. In my thesis work I focused on the integration of semiconductor quantum dots implemented on InAs/InP nanowires in a YBCO/sapphire coplanar microwave resonator.
In particular the work i performed involves the characterization of the microwave resonators and the optimization of the fabrication process. Then I focused on the realization of the setup necessary to perform transport measurements on the semiconductor nanowires, and their characterization in different conditions. Finally the interaction between a microwave photon and a spin was studied.
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