Dissertationen: „Boîte quantique de graphène“

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Massabeau, Sylvain. „Optical and electronic properties of graphene quantum dots in the Terahertz spectral range“. Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2020. http://www.theses.fr/2020SORUS445.

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L’objectif de cette thèse est d'explorer les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques de graphène (BQG) dans le domaine spectral THz. En utilisant le formalisme des liaisons fortes, nous calculons d'abord les niveaux d'énergie de BQG (diamètres de 6 à 50 nm) et analysons leurs caractéristiques. Nous calculons ensuite leur couplage à des photons de faible énergie et déterminons les spectres de probabilité d'absorption des BQG dans la gamme spectrale THz, en fonction de leur taille, de la température et du dopage. Ensuite, nous mesurons les propriétés optiques des BQG aux fréquences THz, en utilisant un système de spectroscopie THz dans le domaine temporel. Des échantillons de graphène épitaxial multicouches (GEM) sont sondés puis nanostructurés en réseaux contenant 107 BQG. Nous montrons que la réponse THz de BQG de quelques dizaines de nm de diamètre est principalement caractérisée par une large absorption autour de 6 THz, à basse et à température ambiante. Ces résultats originaux sont étayés par l'analyse théorique et sont fortement différents de ce qui est observé dans le GEM.Enfin, nous étudions les propriétés de transport électronique d’une BQG unique. La BQG est formée à partir de graphène exfolié encapsulé dans des couches de hBN, et est insérée dans un transistor à électron unique couplé à une antenne THz. On observe le régime de blocage de Coulomb et les états excités de la BQG. Enfin, nous étudions la photoréponse à des photons THz incohérents d’une BQG dans le régime de blocage de Coulomb. Ces résultats ouvrent des perspectives très intéressantes pour le développement de dispositifs THz à base de BQG, comme les lasers THz
The goal of the present thesis is to explore the electronic and optical properties of graphene quantum dots (GQDs) in the THz spectral range. Using tight-binding modelling, we first calculate the energy levels of GQDs of diameters ranging from 6 to 50 nm and analyse the different nature of these energy states. We further calculate their coupling to low energy photons and determine the absorption probability spectra in the THz spectral range. We finally explore how the size, temperature and doping of the GQDs affect their absorption spectra. Secondly, we focus on the experimental investigation of the optical properties of GQDs at THz frequencies, using THz time-domain spectroscopy. Multilayer epitaxial graphene (MEG) samples are probed and then nanostructured in 107 GQDs arrays. We show that the THz response of GQDs with diameters of few tens of nm is mainly characterised by a deep absorption around 6 THz at low and room temperature. These original outcomes are supported by the theoretical analysis and are strongly different from what is observed in MEG. Finally, we study the electronic transport properties of a single GQD in the Coulomb-blockade regime. A single GQD, made of exfoliated graphene encapsulated with hBN layers, is inserted within single electron transistor coupled to a bow-tie THz antenna. Dark transport measurements in the GQD-based transistors show Coulomb blockade regime and excited states of the GQD. Finally, we provide the photoresponse of the GQD in the Coulomb blockade regime under incoherent THz illumination. These results open very exciting perspectives for the development of GQD-based devices for THz photonic applications such as THz lasers

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De, Cecco Alessandro. „Electronique quantique dans les nano-structures explorées par microscopie à sonde locale“. Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018GREAY035/document.

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Les nano-structures sont des systèmes physiques de premier intérêt pour les études de base et pour les applications, car elles montrent des effets quantiques comme le confinement, la discrétisation énergétique, la cohérence... Le comportement quantique des nano-dispositifs peut être cependant fortement influencé par le désordre, les effets thermiques et hors-équilibre. Dans cette Thèse, nous montrons, par exemple, comment la dissipation affecte le transport électronique dans les dispositifs supraconducteurs soumis aux fréquences micro-ondes.En utilisant un setup cryogénique AFM/STM fait maison, on peut étudier différents types de nano-structures. En premier, nous nous occupons de la réalisation d'un transistor à électron unique avec une sonde locale. Les nano-particules métalliques sont bien connues pour leur comportement comme boîtes quantiques zéro-dimensionnelles (QD), elles montrent du confinement quantique et des effets de charge, que l’on retrouve aussi dans nos mesures de microscopie à sonde locale à basse température. Nous démontrons comment un nouveau procédé de nano-fabrication peut être mis en œuvre avec l'introduction d' une électrode de grille suffisamment mince et sans-fuite, ce qui pourra fournir un réglage de précision des propriétés de la boîte quantique et permettre l'exploration résolue spatialement des phénomènes quantiques dans différents régimes de couplage. En deuxième, nous étudions le graphène épitaxial sur SiC comme un matériau 2D très prometteur pour l'électronique. En particulier, les nano-rubans de graphène obtenus par croissance épitaxiale sur des parois inclinées (GNRs) sont des nano-structures d'intérêt fondamental qui peuvent fournir un accès direct et contrôlable au graphène neutre. À cause du confinement quantique, ces systèmes peuvent montrer du transport balistique exceptionnel à température ambiante. Nous réalisons une technique novatrice de potentiométrie à sonde locale qui nous permet une résolution spatiale à l'échelle du nm et une résolution en tension à l'échelle du µV. Le potentiel locale et la résistance locale mesurés sur un dispositif unique basé sur des nano-rubans de graphène nous donnent des indications claires de transport non-diffusif.La physique explorée, les méthodes ainsi que les technique développées dans cette Thèse peuvent donc fournir des nouvelles visions aux nombreux (et assez divers) sujets en vogue
Nanostructures are physical systems of paramount interest for both fundamental studies and applications, since they display quantum effects such as confinement, energy discretization, coherence…The quantum behavior of nano-devices can however be strongly influenced by disorder, thermal and non-equilibrium effects. In this Thesis, we show, for instance, how dissipation deeply affects the electron transport in superconducting nano-devices at microwave frequencies.By using a home-made cryogenic AFM/STM setup, we are able to investigate different kinds of nanostructures. First, we address the realization of a Single Electron Transistor with a Scanning Probe. Metallic nanoparticles are well known for their behavior as 0D-Quantum Dots (QD), and they display quantum confinement and charging effects, which are evidenced in our low-temperature SPM measurements as well. We demonstrate how a novel nanofabrication process can be implemented with the addition of gate electrodes sufficiently thin and leakage-proof, which in the future can provide a fine-tuning of the QD's properties and allow spatially-resolved exploration of quantum phenomena in a variety of different coupling regimes. Second, we study epitaxial graphene on SiC as a very promising 2D material for electronics. In particular, epitaxial sidewalls graphene nanoribbons (GNRs) are nanostructures of fundamental interest which can provide direct and controllable access to charge neutral graphene. Due to quantum confinement, these systems can display exceptional ballistic transport at room temperature. We implemented an innovative Scanning Tunneling Potentiometry technique allowing for nm-scale spatial resolution and μ V-scale voltage resolution. Measured local potential and resistance of single GNRs devices provide clear indication of non-diffusive transport.The physics investigated and the methods and the techniques developed in this Thesis can thus provide a new insight on several (and quite diverse) on-trend topics

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Branchaud, Simon. „Vers des boîtes quantiques à base de graphène“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2010. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/4883.

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Le graphène est un matériau à base de carbone qui est étudié largement depuis 2004. De très nombreux articles ont été publiés tant sur les propriétés électroniques, qu'optiques ou mécaniques de ce matériel. Cet ouvrage porte sur l'étude des fluctuations de conductance dans le graphène, et sur la fabrication et la caractérisation de nanostructures gravées dans des feuilles de ce cristal 2D. Des mesures de magnétorésistance à basse température ont été faites près du point de neutralité de charge (PNC) ainsi qu'à haute densité électronique. On trouve deux origines aux fluctuations de conductance près du PNC, soit des oscillations mésoscopiques provenant de l'interférence quantique, et des fluctuations dites Hall quantique apparaissant à plus haut champ (>0.5T), semblant suivre les facteurs de remplissage associés aux monocouches de graphène. Ces dernières fluctuations sont attribuées à la charge d'états localisés, et révèlent un précurseur à l'effet Hall quantique, qui lui, ne se manifeste pas avant 2T. On arrive à extraire les paramètres caractérisant l'échantillon à partir de ces données. À la fin de cet ouvrage, on effectue des mesures de transport dans des constrictions et îlots de graphène, où des boîtes quantiques sont formées. À partir de ces mesures, on extrait les paramètres importants de ces boîtes quantiques, comme leur taille et leur énergie de charge.

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Ojeda-Aristizabal, Claudia. „Transport quantique dans le graphène“. Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112333.

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Cette thèse étudie le transport électronique dans le graphène, le cristal monoatomique de carbone où les électrons se déplacent comme si ils étaient sans masse. Les expériences faites dans cette thèse peuvent être classifiées en deux régimes, un régime macroscopique où la longueur de cohérence de phase est plus petite que la taille de l'échantillon et un régime mésoscopique où les paquets d'onde des électrons interfèrent. Dans le régime macroscopique, on a réalisé des expériences qui ont permis d'élucider la nature des impuretés dans le graphène. Des mesures de magnétorésistance ont permis de déduire les temps de collision caractéristiques dans le graphène. La dépendance en fonction du vecteur d'onde de Fermi permet de conclure que les principaux centres diffuseurs du graphène sont des impuretés neutres, fortes et de courte portée avec pour possibles candidats les ad-atomes ou les lacunes. Dans le régime mésoscopique, nous nous sommes intéressés aux fluctuations universelles de la conductance, la signature la plus importante du transport cohérent. Les fonctions de corrélation de ces fluctuations ont permis de mettre en évidence des fortes différences entre la physique de la monocouche de graphène et la bicouche de graphène. On a aussi observé que l'amplitude des fluctuations en fonction de l'énergie varie avec le vecteur d'onde de Fermi. Cette variation est similaire dans les deux systèmes. Finalement, on a étudié l'effet de proximité avec un supraconducteur, qui tient également compte du transport cohérent. Par des méthodes de recuit à fort courant, un supercourant a été induit de façon progressive dans le graphène
This thesis studies some aspects of quantum electronic transport in graphene, the two dimensional crystal made of carbon where conduction electrons behave as massless relativistic particles. Experiments done in this thesis can be classified in two different regimes, a macroscopic regime where there is no quantum interference effects between electrons (the phase coherence length is smaller than the size of the sample) and a mesoscopic regime, where electron's wave packets interfere. In the macroscopic regime, we have made experiments that led us conclude the nature of impurities that limit transport in graphene. With magnetoresistance measurements, we could deduce the characteristic scattering times in graphene. Their dependence on the Fermi wavelength let us conclude that the main scatterers in graphene are neutral strong short range impurities possibly ad-atoms or vacancies. In the mesoscopic regime, we were interested in universal conductance fluctuations, the most important signature of coherent transport in a system. Correlation functions of the conductance fluctuations show us the strong differences between the physics of the monolayer and the bilayer graphene. We found that the amplitude of fluctuations vary in a similar way in both systems as a function of the Fermi vector. Finally, we studied the superconducting proximity effect with a superconductor, which is also signature of coherent transport. Using a current annealing technique, we induced a supercurrent progressively in graphene

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Apretna, Thibault. „HgTe nanocrystals and graphene quantum dots for THz optoelectronics : intraband absorption, carrier dynamics and coherent THz emission“. Electronic Thesis or Diss., Sorbonne université, 2023. http://www.theses.fr/2023SORUS124.

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Bien que les applications potentielles des ondes Terahertz (THz) soient très prometteuses, leur développement est actuellement limité par le manque de sources et de détecteurs performants à ces fréquences. En effet, ce domaine spectral se situe en dehors des plages de fréquences accessibles par les dispositifs électroniques ou optiques conventionnels. La recherche de nouveaux matériaux et concepts ainsi que le développement de nouvelles technologies sont donc essentiels pour exploiter pleinement ces ondes THz. Dans ce contexte, mon travail de thèse vise à évaluer le potentiel de deux nouveaux nanomatériaux que sont les larges nanocristaux de HgTe ainsi que les larges boîtes quantiques de graphène pour le développement de dispositifs opto-électroniques opérant aux fréquences THz. Nous présentons tout d'abord une étude approfondie des propriétés optiques des nanocristaux de HgTe. Nous avons notamment démontré une large résonance dans le spectre d'absorption, centrée autour de 4.5THz. Nous avons développé un modèle microscopique et interprété cette absorption aux fréquences THz comme le résultat de multiples transitions intrabandes des porteurs confinés entre les états électroniques quantifiés. La deuxième partie de ce travail concerne l'étude de la photoréponse et de la dynamique des porteurs chauds dans les nanocristaux de HgTe. Nous rapportons un temps de recombinaison des porteurs hors-équilibre relativement long, de l'ordre de quelques picosecondes. La troisième partie, présente des mesures d'émission cohérente d'ondes THz par les nanocristaux de HgTe sous excitation optique femtoseconde. Nous y développons un formalisme décrivant les processus non-linéaires du second-ordre et nous démontrons que les phénomènes physiques mis en jeu dans l'émission cohérente THz mesurée sont les effets photo-galvanique et d'entraînement de photons (photon-drag). Enfin, la dernière partie est consacrée à des travaux théoriques et expérimentaux menés sur les propriétés optiques aux fréquences THz des boîtes quantiques de graphène
While the applications of terahertz (THz) electomagnetic waves are very promising, their development is still currently limited by the lack of efficient sources and detectors operating at these frequencies. Indeed, this spectral domain lies outside the frequency ranges accessible by conventional electronic or optical devices. The research of new materials and concepts as well as the development of novel technologies are thus essential to fully exploit these THz waves. In this context, my thesis work aims at evaluating the potential of two new nanomaterials, large HgTe nanocrystals and large graphene quantum dots (GQD), for the development of optoelectronic devices operating at THz frequencies. We first present an in-depth study of the optical properties of HgTe nanocrystals. In particular, we have demonstrated a broad resonance in the absorption spectrum, centered around 4.5THz. We have developed a microscopic model and interpreted this absorption at THz frequencies as the result of multiple intraband transitions of single carriers between quantized electronic states. The second part of this work concerns the study of the photoresponse and the dynamics of hot carriers in HgTe nanocrystals. We report a relatively long recombination time of non-equilibrium carriers, of the order of a few picoseconds. The third part presents coherent THz emission measurements from HgTe nanocrystals under femtosecond optical excitation. We develop a formalism describing the second-order nonlinear processes and we demonstrate that the physical phenomena involved in the measured THz coherent emission are the photo-galvanic and photon-drag effects. Finally, the last part is devoted to theoretical and experimental work on the optical properties at THz frequencies of graphene quantum dots

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Federspiel, Francois. „Etude optique du transfert d'énergie entre une nanostructure semiconductrice unique et un feuillet de graphène“. Thesis, Strasbourg, 2015. http://www.theses.fr/2015STRAE015/document.

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Mes travaux de thèse portent sur l’interaction de type FRET (tranfert d’énergie résonant de Förster) entre une nanostructure semiconductrice colloïdale individuelle et le graphène. La première partie concerne l’établissement de la théorie du FRET et ce pour plusieurs types de nanostructures. Vient ensuite la partie expérimentale, à commencer par le montage optique ainsi que les méthodes d’analyse, tant pour la spectroscopie que pour la photoluminescence. Par la suite, nous décrivons les résultats obtenus pour divers types de nanocristaux sphériques en interaction directe avec le graphène (incluant des multicouches) : le transfert d’énergie a des effets drastiques sur la photoluminescence mais aussi sur le clignotement des nanocristaux. Puis nous étudions la dépendance du FRET avec la distance ; dans le cas des boîtes quantiques, nous observons une loi en 1/z^4. Par contre, dans le cas de nanoplaquettes, la fonction est plus complexe et dépend de la température
My PhD subject is the FRET interaction (Förster-like resonant energy transfer) between single colloidal semiconductor nanostructures and graphene. The first part is about the development of the interaction theory with the graphene for several types of nanostructures. Then comes the experimental part, and firstly the optical setup together with the analysis methods, for both spectroscopy and photoluminescence. After that, we describe our results about different types of spherical nanocrystals directly interacting with graphene (which can be multilayer) : the energy transfer has a huge effect on the photoluminescence, as well as the blinking behaviour of the nanocrystals. Then we measure the dependency of the energy transfer as a function the distance ; in the case of quantum dots, we observe a 1/z^4 law. On another hand, in the case of nanoplatelets, the function is more complex and depends on the temperature

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Van, Zanten David. „Dynamique quantique dans un tourniquet à électrons basé sur une boîte quantique“. Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAY028/document.

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Le contrôle du nombre et de l'état quantique d'électrons individuels est un élément clé pour la construction d'applications innovantes comme les sources à un électron ou les standards métrologiques de courant. La difficulté d'atteindre la précision métrologique pour une source de courant alimente la recherche fondamentale sur le transport individuel d'électrons dans les structures mésoscopiques. Un candidat prometteur combine le concept de quantification de la charge dans un transistor à un électron et la bande interdite de la densité d'états d'électrodes supraconductrices. Le transport corrélé en temps d'électrons entre les électrodes supraconductrices est alors assuré par la densité d'états continue de l'ilot métallique central. Le grand nombre d'états électroniques disponibles dans l'ilot, bien que favorable en termes de couplage tunnel, a néanmoins deux conséquences importantes que sont les fluctuations thermiques et des processus parasites d'ordre supérieur, ce qui limite la performance de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous explorons le transport de charges dans un tourniquet à électrons hybride basé sur une boîte quantique en lieu et place de l'ilot métallique. Les dispositifs sont réalisés par l'électromigration contrôlée de constrictions d'Aluminium précédée par le dépôt aléatoire de nano-particules d'or. Ce procédé in-situ (réalisé à 4 K) permet l'obtention de jonctions tunnel entre des électrodes supraconductrices d'aluminium et nano-particules d'or avec un taux de succès de l'ordre de 4%. Nous caractérisons le transport statique et en fréquence dans ces nanostructures par la mesure statique du courant à une température de 100 mK dans un environnement fortement filtré, mais néanmoins compatible avec l'électro-migration, d'un réfrigérateur à dilution. L'analyse des cartes de conductance en fonction des tensions drain-source et de grille révèle une énergie de charge très élevée de l'ordre de 10 meV et un écart entre niveaux discrets d'énergie de l'ordre de 1 meV. Par une étude détaillée de l'élargissement des pics de cohérence au seuil du blocage de Coulomb, nous montrons que le transport électronique est assuré par un niveau unique dans la boîte quantique. Bien que le couplage tunnel soit faible, le temps de vie d'un électron dans un niveau donné est dominé par l'hybridation des états électroniques entre les électrodes et la boîte quantique. En effet, les fluctuations thermiques et les processus inélastiques sont inopérants du fait du grand écart d'énergie entre niveaux et de la bande interdite supraconductrice dans les électrodes. L'observation de résonances sous le seuil imposé par le blocage de Coulomb est décrite par des processus de cotunneling de type paire de Cooper-électron. Lorsqu'un signal radio-fréquence de forme sinusoïdale ou carrée est ajouté à la tension de grille, un fonctionnement de tourniquet à électron est montré. Nous obtenons un courant quantifié jusqu'à une fréquence de 200 MHz, au delà de laquelle la précision se dégrade à cause d'évènements tunnel manqués. Le couplage à un niveau unique dans la boîte quantique est clairement démontré par l'apparition d'effets de transport tunnel inversé à grande tension drain-source ainsi que l'insensibilité à la température jusqu'à environ 300 mK. Enfin, nous observons une suppression systématique du courant uniquement à basse fréquence et avec un signal r.f. sinusoïdal. En accord avec une prédiction théorique, nous montrons que les effets tunnel manqués sont causés par un processus adiabatique au travers l'anti-croisement d'un niveau quantique sur la boîte quantique avec la densité d'états des électrodes supraconductrices. Nos expériences fournissent la première démonstration expérimentale de la répulsion de niveaux entre un niveau discret et un semi-continuum, illustrant ainsi l'évolution cohérente de nos tourniquets hybrides à électron dans un régime adiabatique
Accurate control over the state and motion of single individual electrons would enable a variety of appealing applications reaching from quantized to quantum coherent electron sources. Realizing the accuracy of quantized current sources required for a metrological standard is however extremely challenging and has naturally fuelled fundamental research into single electron transport through mesoscopic structures. A promising candidate, foreseen to meet the demand, combines the concept of quantized charge in single electron transistors (SETs) and the gapped density of states in superconducting metals (hence called hybrid electron turnstile), to produce a quantized current. The time-correlated electron transport (sub-poissonian) between the superconducting leads is conveyed by the continuous density of states of the central normal island. The large amount of available states at the normal island, although favorable in terms of tunnel coupling, has nevertheless two important ramifications i.e. 1) thermal fluctuations and 2) adverse higher-order processes, which limit the performance of hybrid electron turnstiles. Inspired by this ingenious application and the advances in quantum dot trans- port, we explore the operation of a hybrid electron turnstile embodying a bottom-up quantum dot instead of the usual metallic island. The desired devices are obtained by controlled electromigration of aluminium nano-wires preceded by the deposition of gold nano-particles. This in-situ process (conducted at 4 K) produces pristine tunnel junctions between aluminium leads and gold nano-particles with a yield of about 4%. We characterize the stationary and turnstile operation by direct current measurements at 100 mK, in a heavily filtered, but electromigration compatible, inverse dilution refrigerator. Analysis of the acquired conductance maps under stationary conditions, reveal a large charging energy (> 10 meV) and mean level spacing (> 1 meV). With a detailed study of the coherence peak broadening at the Coulomb blockade (CB) threshold, we show that electron transport through the quantum dot is conveyed by a single quantum level. Although the tunnel coupling is weak, the single level life-time is dominated by the lead - quantum dot hybridization as thermal energy fluctuation and in-elastic scattering are suppressed by the large single level spacing on the quantum dot and the superconducting gap in the leads. The observation of sub-threshold resonances parallel to the CB diamond edges are consistent with earlier predicted higher-order Cooper-pair - electron (CPE) cotunneling processes. Under turnstile operation a periodic modulation signal (sine or square wave) is added to the static gate potential. We demonstrate quantized current up to 200 MHz at which its accuracy starts to worsen due to missed tunnel events. Strong experimental evidence of the single quantum dot level nature of our turnstile device is provided by a sharp onset of backtunneling processes and the temperature-robust operation beyond 300 mK. Finally we observe a systematic current suppression unique to the low frequency sine wave operation. Supported by theoretical work, we show that the underlying missed tunnel events are caused by adiabatic traverses across the avoided crossing of a quantum dot level and superconducting gap edges. These experiments deliver the first experimental observation of the level repulsion between an electronic discrete state and a semi-continuum and demonstrate the quantum coherent evolution of our devices under adiabatic operation conditions

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Enderlin, Alexandre. „Contrôle cohérent des états électroniques d'une boîte quantique unique“. Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00530599.

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Nous avons étudié les propriétés de cohérence d'une paire électron-trou confinée dans une boîte quantique (BQ) unique. Ce travail a été réalisé sur deux types de BQs : d'une part, des BDs de GaAs sur GaAlAs obtenues par fluctuations d'épaisseur aux interfaces, et d'autre part, des BQs auto-organisées d'InAs sur GaAs. Afin d'exciter de manière résonnante la transition fondamentale de BQs, celles-ci sont insérées dans un guide d'onde unidimensionnel. La luminescence des BQs est collectée par la surface du guide d'onde, de telle façon à séparer la luminescence du laser diffusé. Tout d'abord, nous avons observé des oscillations de Rabi sur l'intensité de la micro-photoluminescence en fonction de l'aire de l'impulsion lumineuse d'excitation. Ceci démontre l'existence d'une régime de couplage fort entre une BQ unique et l'impulsion. Deuxièmement, une paire électron-trou peut être manipuler par un train de deux impulsions, dans une expérience dite de contrôle cohérent. En fonction de la différence de phase entre les deux impulsions, des interférences constructives ou destructives entrainent, respectivement, une augmentation ou une diminution de l'intensité de la luminescence de la BQ. Nous avons montré que deux impulsions π permettent de mesurer le temps de vie, T1, de l'état excité et deux impulsions π/2 sont utilisées pour mesurer le temps de cohérence, T2. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de décohérence total, T2 (170 ps), est du même ordre de grandeur que le temps de vie T1 (200 ps) bien que le limite supérieure de 2T1 ne soit pas atteinte. Nous en concluons que la perte de cohérence est autant dû à l'émission spontanée qu'aux processus de déphasage pur.

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Tonin, Catherine. „Manipulation cohérente de l'émission résonnante d'une boîte quantique unique“. Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00839316.

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Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence

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Enderlin, Alexandre. „Contrôle cohérent des excitations électroniques d’une boîte quantique unique“. Paris 6, 2010. http://www.theses.fr/2010PA066170.

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Nous avons étudié les propriétés de cohérence d’une paire électron-trou confines dans une boîte quantique (BQ) unique. Ce travail a été réalisé sur deux types de BQs : d’une part, des BDs de GaAs sur GaAlAs obtenues par fluctuations d’épaisseur aux interfaces, et d’autre part, des BQs auto-organisées d’InAs sur GaAs. Afin d’exciter de manière résonnante la transition fondamentale de BQs, celles-ci sont insérées dans un guide d’onde unidimensionnel. La luminescence des BQs est collectée par la surface du guide d’onde, de telle façon à séparer la luminescence du laser diffusé. Tout d'abord, nous avons observé des oscillations de Rabi sur l'intensité de la micro-photoluminescence en fonction de l'aire de l'impulsion lumineuse d'excitation. Ceci démontre l'existence d'une régime de couplage fort entre une BQ unique et l'impulsion. Deuxièmement, une paire électron-trou peut être manipuler par un train de deux impulsions, dans une expérience dite de contrôle cohérent. En fonction de la différence de phase entre les deux impulsions, des interférences constructives ou destructives entrainent, respectivement, une augmentation ou une diminution de l'intensité de la luminescence de la BQ. Nous avons montré que deux impulsions π permettent de mesurer le temps de vie, T1, de l'état excité et deux impulsions π/2 sont utilisées pour mesurer le temps de cohérence, T2. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de décohérence total, T2 (170 ps), est du même ordre de grandeur que le temps de vie T1 (200 ps) bien que le limite supérieure de 2T1 ne soit pas atteinte. Nous en concluons que la perte de cohérence est autant dû à l'émission spontanée qu'aux processus de déphasage pur.

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Poulin-Lamarre, Gabriel. „La boîte quantique triple : nouvelles oscillations et incorporation de microaimants“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2014. http://hdl.handle.net/11143/5989.

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Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.

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Duchet, Maxime. „Émission de champ assistée par laser femtoseconde d’une boîte quantique“. Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSE1223.

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Cette thèse concerne l’étude et le contrôle de l’émission électronique d’une boîte quantique unique, attachée à une pointe nanométrique et irradiée par un laser femtoseconde. Nous avons mis en place un système expérimental complet sous ultra vide (UHV) permettant d’exciter par laser et d’analyser l’émission électronique. Nous utilisons un laser femtoseconde dont on minimise la durée d’impulsion et le rayon à l’emplacement de l’échantillon (14 fs de durée d’impulsion et 4 µm de largeur spatiale), et dont on contrôle la puissance et la polarisation. Nous taillons des fils de tungstène avec une réaction électrochimique afin d’obtenir des pointes extrêmement fines d’environ 25 nm de rayon, et sur lesquelles nous faisons croître des boîtes quantiques d’environ 1 nm de rayon. Dans la chambre UHV, des moteurs nous permettent de positionner l’échantillon au point de focalisation du laser. Un analyseur à retard de champ ainsi que des galettes de microcanaux (MCP) et un écran de phosphore pour l’imagerie nous permettent d’analyser l’émission électronique. Les résultats obtenus avec la pointe de tungstène nous permettent d’étudier les différents régimes d’émission électronique : champ DC sans laser, champ DC avec laser ou sans champ DC avec laser. Avec l’utilisation du laser femtoseconde, nous avons observé pour la première fois la photoémission assistée par émission de champ d’une boîte quantique unique. Avec la boîte quantique, les électrons sont filtrés en énergie en passant par effet tunnel résonant à travers ses niveaux discrets d’énergie. De plus, la variation du champ électrique DC appliquée sur la boîte quantique implique un déplacement de ces niveaux discrets d’énergie, permettant ainsi de contrôler l’énergie des électrons émis. Les impulsions électroniques de cette source d’électrons sont : - ultralocalisées grâce à l’amplification de champ au niveau de la boîte quantique. - ultracourtes car déclenchées par les impulsions du laser femtoseconde. - filtrées de façon contrôlable en énergie par déplacement des niveaux discrets d’énergie en variant le champ électrique DC appliqué
This thesis concerns the study and control of electron emission from a single quantum dot attached to a nanometer sized tip and irradiated by a femtosecond laser. A complete ultrahigh vacuum (UHV) setup has been constructed to laser stimulate and analyse electron emission. A femtosecond laser is used with a minimum pulse duration and width at the sample’s location (14 fs of pulse duration, 4 µm focal spot), and with a tunable power and polarisation. Wires of tungsten have been etched by an electrochemical reaction to produce very sharp tips of about 25 nm radius on which 1 nm quantum dots are grown in-situ. In the UHV chamber a 3D motors allow us to adjust the position of the tip apex into the laser focal spot. An in-situ retarding field analyser and a microchannel plate (MCP) with phosphor screen for imaging are used to analyse the electronic emission. The results obtained with the tungsten tip allows the study of several regimes of electronic emission: DC field with no laser, DC field with laser and no DC field with laser. With the use of the femtosecond laser, we observed for the first time photoassisted field emission from an individual quantum dot. With the quantum dot the emitted electrons are filtered in energy by passing through the discrete energy levels by resonant tunnelling. Also the variation of the DC electric field applied to the quantum dot induces shifts of the discrete energy levels thus allowing the control of the energy of the emitted electrons. The electron pulses from this electron source are: - extremely localised due to the amplification of the electric field above the quantum dot. - extremely short because the emission is triggered by the femtosecond laser pulses. - tunably filtered in energy by shifting the discrete energy levels using the variation of the DC applied electric field

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Melet, Romain. „Manipulation tout optique des états électroniques d'une boîte quantique unique“. Paris 6, 2008. http://www.theses.fr/2008PA066193.

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Les propriétés d’émission de la transition fondamentale d’une boîte quantique unique sous excitation résonnante ont été étudiées grâce au développement d’une configuration expérimentale originale, combinant optique guidée et micro-photoluminescence. Cette expérience nous a permis d’atteindre le régime de couplage fort, et d’observer le phénomène d’oscillations de Rabi. Des mesures du temps de vie de l’exciton sous excitation résonnante, ont montré une variation du taux d’émission en fonction de la puissance d'excitation. Un effet d'exaltation du couplage boîte quantique - photons résultant de la géométrie unidimensionnelle de notre expérience doit être introduit afin de rendre compte de ces observations. Des expériences de contrôle cohérent ont été réalisées, permettant la manipulation cohérente de la fonction d'onde de l'état étudié, ainsi que la mesure de son temps de cohérence. L'ensemble de ces expériences démontre la faisabilité d'initialiser et manipuler la transition fondamentale d'une boîte quantique unique, tout en contrôlant son état à travers la détection directe de la luminescence, et ceci au moyen d'une méthode tout optique.

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Bennaceur, Keyan. „Transport électronique dans le graphène“. Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00584925.

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Ce travail porte sur l'étude du transport électronique dans le graphène, en particulier à fort champs magnétiques, en régime d'Effet Hall Quantique. Il a pu être mis en évidence les mécanismes de transport électronique à énergie finie dans ce régime, les lois d'universalité de l'effet Hall quantique observées dans les gaz bidimensionnels d'électrons ont été retrouvées. Nous avons aussi pu observer pour la première fois la transition entre un régime de transport avec interactions et un sans interaction électronique grâce aux effets d'écrantage de la grille permettant de doper le graphène. Cette transition permet de confirmer une loi de saut à pas variable donnée par Efros-Shklovskii comme mécanisme de transport dominant dans l'effet Hall quantique.

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Le, Gall Claire. „Dynamique et contrôle optique d'un spin individuel dans une boîte quantique“. Phd thesis, Université de Grenoble, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00670963.

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Nous avons étudié les propriétés dynamique d'un spin individuel dans une boite quantique de semiconducteur II-VI (spin d'un atome de Mn ou electron résident). Une boîte quantique comportant un atome de manganese présente six raies qui permettent de sonder optiquement l'état de spin du Manganese. Des expériences pompe-sonde réalisées sur boîte unique ont permit de montrer que le spin du Mn peut être orienté optiquement en quelques dizaines de ns, que le temps de vie $T_1$ de ce spin est supérieur à la $mu$s, et que le pompage optique en champ nul est controlé par une anisotropie magnétique induite par les contraintes. Par ailleurs, dans le but d'identifier les mechanismes du pompage optique, nous avons mis en évidence des processus de relaxation de spin au sein du système exciton-manganese, durant la durée de vie de ce dernier. Enfin, nous avons mis en evidence un effet Stark optique sur chacune des raies d'une boîte quantique magnétique. Concernant la dynamique d'un électron dans une boîte quantique II-VI, nous avons mis en évidence le pompage du spin de l'électron résident ainsi que des noyaux.

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Rochette, Sophie. „Étude en transport électrique d'une double boîte quantique latérale en silicium“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2014. http://hdl.handle.net/11143/5913.

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Ce mémoire présente des résultats de caractérisation en transport électrique d’une double boîte quantique latérale en silicium de type MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi- conducteur). La double boîte permet d’isoler des électrons dans les trois dimensions, tout d’abord en formant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge près de la surface du substrat sous l’effet d’une grille d’accumulation, puis en déplétant certaines régions du gaz d’électrons avec des grilles de déplétion en polysilicium. Le dispositif a été fabriqué aux Sandia National Laboratories par l’équipe de Malcolm S. Carroll. Les mesures en transport électrique suggèrent l’atteinte du régime à un seul électron à une température relativement élevée de 1.5 K. En effet, des mesures de diamants de Coulomb montrent un diamant associé à la région à zéro électron qui ne se referme pas pour des biais source-drain supérieurs à 30 meV. Il s’agit d’une forte indication que les boîtes quantiques ont bien été vidées, bien que le nombre exact d’électrons n’ait pas pu être confirmé directement par détection de charge. Le diagramme de stabilité obtenu à une température de 8 mK indique la formation d’une double boîte quantique lithographique très stable. Enfin, l’étude des triangles de conduction à fort biais source-drain dans les polarités positive et négative permet d’observer le phénomène du blocage de spin sous l’application d’un champ magnétique parallèle de 450 mT. Une séparation singulet-triplet de ~ 400 μeV en est extraite, indiquant possiblement une levée importante de la dégénérescence de vallée associée au silicium. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent l’une des premières observations de l’isolation d’un seul électron dans une double boîte quantique en silicium de type MOSFET. Il s’agit aussi de la première observation du blocage de spin en transport dans ces dispositifs. Ces observations font partie des étapes initiales à réaliser pour obtenir des qubits de spin performants dans le silicium, un matériau pour lequel des longs temps de cohérence sont anticipés.

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Gaudreau, Louis. „Manipulation cohérente de qubits de spin dans une boîte quantique triple“. Thèse, Université de Sherbrooke, 2011. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/5157.

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Nous présentons dans cette thèse une étude détaillée du moment magnétique intrinsèque de l'électron, i.e. le spin électronique, incluant la manipulation quantique cohérente des états de spin de trois électrons couplés. À cette fin, nous utilisons des boîtes quantiques latérales pour confiner les électrons. Ces nano-structures, d'une grandeur autour de 1 [micro]m, permettent de confiner un nombre précis d'électrons de façon contrôlée, allant jusqu'à zéro électrons [sic]. Les développements technologiques et d'ingéniosité durant la dernière décennie ont permis de coupler trois boîtes quantiques, ainsi l'interaction entre plusieurs électrons confinés peut être contrôlée comme par exemple le couplage quantique tunnel et l'interaction d'échange entre les spins de chacun d'entre eux. À l'aide de boîtes quantiques couplées, il est possible de réaliser des expériences dans plusieurs domaines de la physique moderne : les états up et down du spin des électrons confinés peuvent être utilisés comme états quantiques binaires (qubits) dans le domaine de l'informatique quantique, la non-localité quantique peut être testée en séparant spatialement deux électrons enchevêtrés, il est possible de créer des 'courants de spin enchevêtrés' utiles en spintronique, et bien d'autres. La manipulation cohérente des états de spin du système à trois électrons se fait de façon purement électrique grâce à des pulses à haute fréquence qui permettent d'augmenter le couplage entre les électrons et de faire la mesure de l'état résultant après la manipulation. Nous utilisons l'interaction hyperfine entre les spins des électrons et ceux des noyaux du cristal dans lequel ils résident pour créer les rotations quantiques entre les états, notamment les états [barre verticale]Q[indice inférieur +3/2] [right angle bracket] et [barre verticale]D[indice inférieur +1/2] [right angle bracket]. Les résultats obtenus indiquent un temps de cohérence de l'ordre de 10 ns. Ces expériences démontrent un niveau de contrôle sans précédent de boîtes quantiques triples et pavent la voie vers des nano-structures plus sophistiquées dans lesquelles un plus grand nombre de qubits peuvent être couplés.

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Faizy, Namarvar Omid. „Structure électronique et transport quantique dans les nanostructures de Graphène“. Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00870405.

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Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche atomique de carbone et représente un sujet majeur de la physique de la matière condensée. Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables : structure électronique décrite par une equation de Dirac sans masse, forte mobilité électronique, effet Hall quantique anormal, résistance ,rigidité et conductivité thermique élevée. Cette these concerne la structure électronique et le transport dans le graphène. Nous considérons en particulier le cas des bicouches tournées de graphène. Ces systèmes ont été découverts en particulier dans le graphène produit sur le carbure de silicium et présentent des propriétés originales par rapport aux bicouches dans l' empilement AB qui existe par exemple dans le graphite. Nous analysons au moyen d'une théorie perturbative et aussi par des approches numériques la densité d'états dans ces systèmes.Nous montrons que la densité d'états présente des oscillations avec la même période que celle du Moiré produit par ces bicouches. Nous analysons aussi le rôle des défauts sur les propriétés de transport en particulier dans le cas ou les défauts sont répartis uniquement sur une des deux couches. Ici aussi notre approche combine théorie perturbative du couplage interplans et approches purement numérique en liaisons fortes. Nous considérons aussi le role joué par les adatomes comme l'hydrogène par exemple. Nous analysons la modification de la densité d'états induite autour de l'adatome et les variations correspondantes de densité de charge et de potentiel électrostatique. Ces systèmes tendent à produire des états resonants près de l'énergie de Dirac qui dependent beaucoup aussi de la position top ou hollow de l' adsorbat. Pour des orbitales de type "s" la resonance est plus marquée si l'adatome est en position hollow. Nous montrons que l'image par experience STM (microscopie à effet tunnel) depend beaucoup de la distance entre l'adsorbat et la pointe du STM. Dans un régime de champ proche la résonance de l'adsorbat peut même apparaître comme un creux dans le signal dI/dV du STM.

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Guignard, Jérémie. „Etude de l'effet Hall quantique dans le graphène exfolié en vue d'une application en métrologie quantique“. Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00664374.

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L'effet Hall quantique (EHQ), observé par exemple dans des gaz bidimensionnels d'électrons (2DEGS) à basse température et sous fort champ magnétique, a révolutionné la métrologie des résistances car il permet d'obtenir un étalon quantique de résistance qui ne dépend que de e et h (respectivement la charge de l'électron et la constante de Planck). Une des missions des métrologues est de développer les étalons en améliorant leurs performances ou en les rendant plus facile à mettre en oeuvre (travaillant à plus haute température ou plus faible champ magnétique). Dans ce contexte, la physique du graphène suscite l'intérêt pour une application en métrologie. Une monocouche de graphène est une feuille d'un seul atome d'épaisseur constituée d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Une bicouche de graphène est formée par empilement de deux monocouches. Les écarts en énergie entre les premiers niveaux de Landau dans la monocouche et dans la bicouche sont supérieurs par rapport à ceux dans GaAs ce qui rend l'EHQ dans le graphène plus robuste et laisse envisager le développement d'un étalon plus pratique. Durant ma thèse, nous avons mis en place un protocole de fabrication de barres de Hall en graphène exfolié comprenant un repérage optique, des lithographies électroniques, la métallisation, la gravure plasma... L'utilisation de substrat de silicium oxydé en surface rend possible l'utilisation d'une grille en face arrière. En outre la géométrie des échantillons répond au mieux aux critères métrologiques (canal central large, prises de tension bien définies, ...). A basse température, le dopage résiduel obtenu après le recuit in situ est de l'ordre de 3-4x1011 cm-2. Les mobilités sont proches de 3000 cm2/(V.s) et 4000 cm2/(V.s) respectivement pour les échantillons monocouche et bicouche à la fois pour les électrons et les trous. Le transport mésoscopique a été caractérisé à basse température par des mesures de localisation faible et de fluctuations universelles de conductance. La longueur de cohérence que nous avons extraite est de l'ordre de 0.5 µm à 1.5 K. La résistance des contacts mesurée en régime d'EHQ est plutôt faible (typiquement quelques ohms). L'EHQ a été étudié en détail à basse température (300 mK < T <1.5 K) et sous fort champ magnétique (jusqu'à 18.5T) à la fois dans la monocouche et la bicouche en mesurant de manière précise la résistance de Hall (RH) et la résistance longitudinale (Rxx). Les mesures fines de RH sont réalisées à l'aide d'un pont de comparaison basé sur un Comparateur Cryogénique de Courant ; elles consistent à comparer indirectement l'EHQ dans l'échantillon de graphène à l'EHQ obtenu dans une barre de Hall en GaAs/AlGaAs qui est supposée fournir la valeur exacte RH/2. Nos mesures révèlent un accord entre la résistance de Hall dans le graphène et la valeur attendue avec une incertitude de quelques 10-7. Au plus faible courant et dans l'état de dissipation minimale (Rxx→0), nous avons obtenu un accord avec une incertitude relative de 3.10-7. Ce niveau de précision est principalement limité par la petite taille de nos échantillons et par les inhomogénéités de la densité qui y sont présents, ces deux caractéristiques amenant de faibles courants de rupture de l'EHQ (1-2 µA). Toutefois, nos résultats sont à ce jour les tests les plus précis concernant l'EHQ dans du graphène exfolié et les premiers tests sur une bicouche. Ils confirment le potentiel de l'EHQ dans le graphène pour une application en métrologie.

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Bureau-Oxton, Chloé. „Fabrication de nanoaimants pour le contrôle rapide d'un spin électronique dans une boîte quantique double“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2014. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/5298.

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Un ordinateur quantique est un ordinateur formé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des propriétés quantiques de la matière. Un grand intérêt est porté au développement d’un tel ordinateur depuis qu’il a été montré que le calcul quantique permettrait d’effectuer certains types de calculs exponentiellement plus rapidement qu’avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. D’ailleurs, plusieurs algorithmes ont déjà été suggérés pour résoudre efficacement des problèmes tels que la factorisation de grands nombres premiers et la recherche dans des listes désordonnées. Avant d’en arriver à un ordinateur quantique fonctionnel, certains grands défis doivent être surmontés. Un de ces défis consiste à fabriquer des qubits ayant un temps d’opération nettement inférieur au temps de cohérence (temps durant lequel l’état du qubit est conservé). Cette condition est nécessaire pour parvenir à un calcul quantique fiable. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches visent à augmenter le temps de cohérence en choisissant judicieusement les matériaux utilisés dans la fabrication des qubits en plus d’imaginer de nouvelles méthodes d’utiliser ces dispositifs pour diminuer la durée des opérations. Une manière simple d’implémenter un qubit est de piéger quelques électrons dans l’espace et d’utiliser l’état de spin de cet ensemble d’électrons pour encoder les états du qubit. Ce type de dispositif porte le nom de qubit de spin. Les boîtes quantiques (BQs) latérales fabriquées sur des substrats de GaAs/AlGaAs sont un exemple de qubit de spin et sont les dispositifs étudiés dans ce mémoire. En 2007, Pioro-Ladrière et al. ont suggéré de placer un microaimant à proximité d’une BQ pour créer un gradient de champ magnétique non-uniforme et permettre d’effectuer des rotations de spin à l’aide d’impulsions électriques rapides. Ce mémoire présente comment modifier la géométrie de ces microaimants pour obtenir un plus grand gradient de champ magnétique dans la BQ. Une nouvelle technique de contrôle de spin menant à des rotations de spin et de phase plus rapides sera aussi détaillée. Enfin, il sera montré que le département de physique de l’Université de Sherbrooke possède tous les outils nécessaires pour implémenter cette méthode.

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Peter, Emmanuelle. „Couplage fort exciton-photon pour une boîte quantique de GaAs en microdisque“. Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00129086.

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Lorsqu'un émetteur est placé dans une cavité, il existe deux régimes de couplage lumière-matière : dans le régime dit de couplage faible, la cavité a pour effet de modifier le taux d'émission spontanée de l'émetteur. Cet effet perturbateur de la cavité est connu sous le nom d'effet Purcell. Dans le régime dit de couplage fort, l'interaction dipolaire électrique n'est plus perturbative ; les états-propres du système couplé sont des états mixtes lumière-matière. Dans le domaine temporel, ce couplage se traduit par le fait que l'émission spontanée devient réversible : le photon émis spontanément par l'émetteur dans le mode de cavité peut à nouveau être ré-absorbé par l'émetteur, puis ré-émis,...donnant ainsi lieu à un cycle d'oscillations de Rabi. Dans le domaine spectral, le couplage se manifeste par une levée de dégénerescence (ou doublet de Rabi) lorsqu'émetteur et mode de cavité sont mis en résonance. L'objet de cette thèse est la démonstration expérimentale du couplage fort entre un exciton confiné par une boîte quantique naturelle de GaAs et un mode de galerie d'un microdisque semi-conducteur.
Les paramètres-clefs pour atteindre ce régime sont, pour ce qui est de l'émetteur, sa force d'oscillateur ainsi que sa largeur spectrale, gouvernée par l'interaction avec l'environnement. Un chapitre est consacré à chacune de ces 2 notions-clefs. Concernant la cavité, les 2 figures de mérite pertinentes pour le renforcement de l'interaction lumière-matière sont le facteur de qualité et le volume modal. Nous présentons la réalisation technologique et la caractérisation des microdisques de GaAs (sur air et sur AlOx) les plus prometteurs en terme de facteur de qualité et volume modal.
Enfin, nous présentons la première démonstration expérimentale du régime de couplage fort pour une boîte quantique naturelle de GaAs en microdisque.

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Fève, Gwendal. „Quantification du courant alternatif : la boîte quantique comme source d'électrons uniques subnanoseconde“. Paris 6, 2006. http://www.theses.fr/2006PA066608.

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Cette thèse est dédiée à l'étude du transport subnanoseconde de charges dans un conducteur quantique modèle: la capacité mésoscopique. En appliquant une tension hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille micronique, on sonde la dynamique de transfert de charges de la boîte vers un réservoir. Dans le régime linéaire, ce circuit est équivalent à une capacité quantique reliée à la densité d'états de la boîte en série d’une résistance constante et égale au demi quantum de résistance h/2e2. Dans le régime non linéaire obtenu en appliquant une tension créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire à l’ajout d’une charge), le courant alternatif est quantifié en unité de 2ef traduisant l'émission et l'absorption par la boîte d'un unique électron par période. La phase du courant permet la détermination du temps d’échappement de la charge dans une gamme allant de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes.

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Zimmermann, Katrin. „Contacts ponctuels quantiques dans le graphène de haute mobilité“. Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAY008/document.

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Dans le régime de l'effet Hall quantique, les porteurs de charge se propagent le long de canaux unidimensionnels situés au bords d'un gaz d'électron bidimensionel (2D electron gas, 2DEG). Un contact ponctuel quantique (quantum point contact, QPC) - une constriction étroite confinant spatialement le gaz électronique - permet de contrôler la transmission de ces canaux de bords. Dans un 2DEG conventionnel, une tension négative appliquée sur les grilles électrostatiques du QPC engendre la déplétion locale du gaz électronique sous la grille, forçant les électrons à se propager au travers de la constriction. Cependant, dans le graphène, du fait de l'absence de bande interdite, une tension négative provoque la transition continue du dopage d'électrons à trous. Dans le régime de l'effet Hall quantique, électrons et trous se propagent le long de l'interface p-n dans la même direction, et la diffusion inélastique induit un transfert de charge et du mélange entre eux.Au cours de cette thèse, nous avons fabriqué des dispositifs à base de graphène encapsulé dans deux feuillets de hBN, et munis de grilles électrostatiques définissant un QPC. Nous avons étudié l'effet du QPC sur la propagation des canaux de bords entiers et fractionnaires de l'effet Hall quantique, et sur le mélange entre eux. Dans l'effet Hall quantique, nous avons démontré que les canaux entiers et fractionnaires peuvent être contrôlés et sélectivement transmis au travers de la constriction. Du fait de la haute mobilité de nos structures, et de la levée de dégénérescence complète des niveaux de Landau qui en résulte à fort champ magnétique, l'équilibrage à l'interface p-n est réduit aux sous-niveaux de même spin et au niveau de Landau N=0.Un QPC dans le régime de l'effet Hall quantique constitue également un système idéal pour l'étude de l'effet tunnel des porteurs de charge entre canaux de bords fractionnaires, unidimensionnels et fortement corrélés, se propageant dans des directions opposées, décrits par la théorie de Tomonaga-Luttinger. Nous avons étudié l'effet tunnel entre canaux de bords fractionnaires dans notre structure muni un QPC, en nous concentrant sur l'état fractionnaire 7/3 et la dépendance en température de ses propriétés tunnels
In the quantum Hall regime, the charge carriers are conducted within one-dimensional channels propagating at the edge of a two-dimensional electron gas (2DEG). A quantum point contact (QPC) – a narrow constriction confining spatially electron transport – can control the transmission of these quantum Hall edge channels. In conventional 2DEG systems, a negative voltage applied on the electrostatic split gates depletes locally the electrons underneath them forcing the electrons to pass through the constriction. In contrast, due to the absence of a band gap in graphene, a negative gate voltage induces a continuous shift of the doping from electrons to holes. In the quantum Hall regime, electron and hole edge channels propagate along the pn-interface in the same direction while inelastic scattering induces charge transfer and mixing between them.In this PhD thesis, we have fabricated ballistic graphene devices made by van der Waals stacking of hBN/Gr/hBN heterostructures, and equipped with split gates forming a quantum point contact (QPC) constriction. We have studied the effect of the QPC on the propagation of integer and fractional quantum Hall edge channels and the mixing among them. In the quantum Hall regime, we demonstrate that the integer and fractional quantum Hall edge channels can be controlled and selectively transmitted by the QPC. Due to the high mobility of our devices and the resultant full lifting of the degeneracies of the Landau levels in strong magnetic field, equilibration at the pn-interface is restricted to sublevels of identical spins of the N=0 Landau level.A QPC in the quantum Hall regime offers also an ideal system to study the tunnelling of charge carriers between counter-propagating fractional edge channels of highly correlated, one-dimensional fermions described by the theory of Tomonaga-Luttinger. We study the tunnelling between fractional quantum Hall edge channels in our QPC device in graphene and focus on the 7/3-fractional state to explore the temperature dependence of tunnelling characteristics

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Poumirol, Jean-Marie. „Etude des propriétés électroniques du graphène et des matériaux à base de graphène sous champs magnétiques intenses“. Thesis, Toulouse, INSA, 2011. http://www.theses.fr/2011ISAT0012/document.

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Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nanorubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration armchair du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi-feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couche de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhombohedral des trois couches de graphene constituant l'échantillon
This thesis presents transport measurements on two-dimensional and one-dimensional graphene-based systems under pulsed magnetic field (60T). The objective of this work is to probe the dynamics of charge carriers by changing the density of states of the system by applying a strong magnetic field. The first part is devoted to the study of the influence of electron-hole pockets on the transport properties of graphene near the charge neutrality point. We found the appearance of fluctuations in the magneto-resistance due to the progressive transition of the electron/hole puddles of finite size in the quantum regime as the magnetic field increases. We have also shown that the variation of the Fermi energy, due to the increase of orbital Landau level degeneracy, is directly responsible of a change in the electron and hole ratio. The second part is devoted to the study of graphene nano-ribbons, we explored two different ranges of width. In the broad nano-ribbons of width W larger than 60 nm, the quantification of the resistance is observed, revealing a clear signature of the quantization of the energy spectrum into Landau levels. We show for the first time the effect of valley degeneracy lifting induced by the magnetic confinement of charge carriers at the edges of the armchair nano-ribbons. For narrower nano-ribbons (W <30 nm) in presence of edge defects and charged impurities, the progressive formation of chiral edge states leads to a positive magneto-conductance whatever the carrier density. Finally, the last part of this thesis deals with magneto-transport fingerprints in multi-layer graphene as we observed the quantum Hall effect in tri-layer graphene. A comparative study of the experimental results with numerical simulations was used to determine the rhombohedral stacking of three layers of graphene in the sample

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Fève, Gwendal. „Quantification du courant alternatif : la boîte quantique comme source d' électrons uniques subnanoseconde“. Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00119589.

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Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dynamique subnanoseconde de charges
dans un conducteur quantique modèle : le circuit RC quantique. En appliquant des tensions
hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille submicronique,
on peut sonder la dynamique de transfert de charges de la boîte vers son réservoir. Dans
le régime linéaire, elle est caractérisée par une capacité quantique reliée à la densité d'états
de la boîte et une résistance de relaxation de charge constante et égale au demi quantum
de résistance h/2e^2 lorsqu'un seul mode de conduction est transmis du réservoir à la boîte. Je
me suis plus largement consacré à l'étude du régime non linéaire obtenu en appliquant des
tensions créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire
pour ajouter une charge élémentaire). J'ai mis en évidence dans ce régime une quantification
du courant alternatif en unité de 2ef qui traduit l'émission et l'absorption par la boîte d'une
charge unique à chaque période du signal d'excitation. Ce dispositif fonctionne alors comme
une source d'électrons uniques analogue aux sources de photons uniques en optique. L'évolution
du temps d'émission de la charge par effet tunnel en fonction des différents paramètres
contrôlables (couplage de la boîte au réservoir, potentiel de la boîte ...) a été déterminée dans
une large gamme temporelle, de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes. Ces
résultats sont en excellent accord avec un modèle théorique simple que j'ai développé durant
ma thèse. Ils ouvrent la voie à des expériences d'optique électronique à une seule particule.

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Gould, Charles. „Blocage de Coulomb dans une boîte quantique latérale contenant un faible nombre d'électrons“. Thèse, Université de Sherbrooke, 2000. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/5005.

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Dans ce travail on utilise une nouvelle géométrie pour augmenter le contrôle sur le nombre d'électrons contenus dans une boîte quantique latérale, et ainsi atteindre un régime de petit nombre d'électrons. Ces échantillons permettent une étude du blocage de Coulomb quand les électrons sont injectés à partir d'un gaz électronique à deux dimensions (2DEG). Les mesures à faible champ magnétique démontrent la grande flexibilité des échantillons et montrent que l'on peut faire varier le nombre d'électrons dans une boîte quantique à partir de plus de 40 électrons jusqu'à un seul électron, ce qui est assez courant dans les boîtes quantiques verticales, mais ce qui n'avait jamais été réussi dans une boîte quantique latérale. Nos résultats montrent également que dans les boîtes quantiques latérales il est possible de déterminer le spin du niveau qui participe au transport à l'aide du phénomène de blocage de spin. De plus, dans certaines circonstances il est même possible de déterminer le spin total de la boîte quantique, ce qui peut avoir des applications pratiques dans des domaines tels l'informatique quantique. Les mesures dans le régime de renversement de spin à un champ magnétique plus élevé montrent l'importance des corrélations électrons--électrons dans ces boîtes quantiques, qui mènent à des dépolarisations et à des structures de spins qui ont un effet sur le transport. En particulier, ces corrélations mènent à l'existence de niveaux excités de basse énergie qui causent une dépendance anormale de l'amplitude des pics de blocage de Coulomb en fonction de la température. Nos expériences démontrent également la possibilité d'utiliser ces boîtes quantiques comme sondes pour étudier les propriétés du bord d'un 2DEG. Une voie de recherche à être explorée.

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Proux, Raphaël. „Indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante continue“. Thesis, Paris, Ecole normale supérieure, 2015. http://www.theses.fr/2015ENSU0037/document.

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Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons
Quantum dots are good candidates as single photon emitters for quantum information networks, facilitating their integration in photonic circuits based on well known semiconductor technology. In this context, this work focuses on the indistinguishability of the photons emitted by semiconductor quantum dots excited resonantly. We use a peculiar configuration where the quantumdots are embedded in a planar microcavity, allowing for better excitation and collection efficiencies. We are then able to investigate very low excitation power regimes, where the photons are elastically scattered by the fundamental transition of the quantum dot (Resonant Rayleigh Scattering). In this regime, the coherence of the excitation laser is imprinted on the emitted photons, making the quantum dot a source of single photons with a very long coherence.The indistinguishability is investigated by using a Hong–Ou–Mandel interferometer to perform two-photon interference. We carry out a comprehensive experimental study of the excitation power dependence of the indistinguishability as well as its dependence on the excitation laser coherence, which shows the important role of elastic scattering in the low excitation power limit. It appears that a new figure of merit needs to be introduced to assess the indistinguishability as a temporal phenomenon, an aspect which is particularly relevant when dealing with continuous-wave excitation

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Demory, Justin. „Initialisation de spin et rotation de polarisation dans une boîte quantique en microcavité“. Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS006/document.

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Les photons uniques sont des candidats idéaux pour transporter l’information quantique et l'un des défis majeurs est de pouvoir faire interagir ces photons entre eux via une interface lumière-matière efficace. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche ont visé à implémenter une interface spin-photon, c’est-à-dire une interface entre les qubits volants (photons) et un qubit stationnaire (spin d’un porteur de charge confiné dans un dispositif à l’état solide). Des possibilités prometteuses ont en particulier été ouvertes suite à la démonstration du phénomène de rotation de polarisation induite par un spin unique. Cette rotation Faraday/Kerr, phénomène magnéto-optique bien connu mais appliqué ici à l’interaction avec un spin unique, permet en principe de transférer l’état quantique d’un spin sur l’état quantique des photons transmis/réfléchis. Néanmoins, ces observations de rotation de polarisation induite par un spin unique étaient restées limitées à des angles de rotation de l’ordre de quelques millidegrés.Pendant cette thèse, j'ai démontré qu’une exaltation géante de l’interaction spin-photon peut être obtenue en exploitant les effets de l’électrodynamique quantique en cavité. Le système étudié est constitué d'une boîte quantique semiconductrice (InAs/GaAs) couplée de façon déterministe à une microcavité optique de type micropilier : cette géométrie de cavité constitue une des interfaces les plus efficaces entre un faisceau incident et un système quantique confiné. De plus, la boîte quantique utilisée ici contient un porteur de charge résident dont le spin peut-être initialisé et mesuré optiquement.Durant cette thèse, j’ai réalisé un montage expérimental permettant d’initialiser l’état de spin confiné à l’intérieur de la boîte quantique et d’analyser la rotation de polarisation induite par ce spin. J'ai pu ainsi démontrer qu'il était possible d'initialiser l'état de spin à l'intérieur de la boîte quantique grâce à un faisceau polarisé circulairement. Ayant un état de spin initialisé, j'ai pu ensuite observer la rotation de polarisation induite par le spin confiné d'environ ± 6 °. Cette rotation macroscopique de la polarisation constitue trois ordres de grandeurs par rapport à l'état de l'art précédent. En parallèle des travaux expérimentaux, j'ai étudié théoriquement le phénomène d'initialisation et de rotation de polarisation dans nos systèmes boîte quantique en microcavité. J'ai pu développer des modèles analytiques permettant d'analyser et de prédire les expériences d'excitation résonante et de rotation de polarisation. Ces travaux théoriques ont notamment permis de déterminer des paramètres réalistes pour laquelle la rotation de polarisation optimale est atteinte permettant d'obtenir une interface spin-photon efficace.Cette nouvelle interface entre photon et mémoire quantique ouvre la voie à un large panel d’expériences pour l’information quantique et la communication quantique longue distance
Single photons are ideal candidates to carry quantum information and the major challenge that optical quatum computing must face is to engineer photon matter interaction. A promising way to do so is to implement an efficient spin-photon interface making use of the polarization rotation (so-called Faraday or Kerr rotation) induced by a single spin. Thanks to the polarization rotation, it is possible to transfer the spin state into a polarization state. However, observations of Kerr rotation induced by a single spin were reported only recently, with rotation angles in the few 10-3 degree range.Cavity-QED effects are used to demonstrate a giant exaltation of the spin-photon interaction. The device is a single semiconductor quantum dot spin inserted inside a micropillar, a geometry which currently constitutes the most efficient photonic interface between an external laser beam and a confined cavity mode. Further, quantum dots confine a spin state of charge carrier which can be initialized and optically measured.In this thesis, I realized an experimental setup used to initialize a spin state confined in the quantum dot and to analyze the polarization rotation induced by this spin state. I demonstrated that it was possible to initialize the spin state confined in quantum dot with a circularly polarized beam. Having a well-known spin state, I observed the polarization rotation of ± 6 ° induced by a single spin. This macroscopic polarization rotation is three orders of magnitude three orders of magnitude higher than the previous state of artIn parallel of this experimental work, I studied theoretically spin initialization and polarization rotation phenomenon in our systems. I developed analytical models to characterize and predict the resonant excitation and polarization rotation experiences. Thanks to this theoretical work, I determined realistic parameters for the device to realize an optimal spin-photon interface.This novel way of interfacing a flying qubit and a solid-state quantum memory opens the road for a wide range of applications for quantum information processing and long-distance quantum communication

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Brun-Picard, Jérémy. „Une nouvelle génération d'étalons quantiques fondée sur l'effet Hall quantique“. Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS549/document.

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Le futur Système International d'unités, fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que son homologue en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T⋍10 K), des champs magnétiques plus faibles (B ⋍ 3,5 T) et des courants de mesures plus importants (I⋍500 μA). Dans une optique de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ.Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques de tension et de résistance dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 μA jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre
The future International System of Units, based on fundamental constants, will allow to take full advantage of the quantum standards of resistance, current and voltage that are linked to the planck constant and the elementary charge only.In this thesis, we have developed and studied a resistance standard based on the quantum Hall effect in graphene obtained by chemical vapor deposition (propane/hydrogen) on silicon carbide substrate. For the first time we were able to show that a graphene resistance standard could operate at more practical experimental conditions than its counterpart in GaAs/AlGaAs, ie at higher temperatures (T⋍10 K), weaker magnetics fields (B ⋍ 3,5 T) and larger measurement currents (I⋍500 μA). From an understanding and improvement perspective, we have analyzed the fabrication process of the Hall bar and its reproducibility, tested a method to modify the electronic density, and investigated the quantum Hall effect dissipation mechanisms.In a second part, we have demonstrated that it was possible torealize a programmable and versatile quantum current source from the elementary charge, by combining the two quantum standards of voltage and resistance in a quantum circuit integrating a cryogenic current comparator. Currents were generated in the range from 1 μA to 5 mA, with a relative uncertainty never achieved before of 10⁻⁸. We have also showed that this current standard, realizing the new definition of the ampere, could be used to calibrate an ammeter

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Jbeli, Anouar. „Dynamique de photoluminescence dans les boîtes quantiques auto-assemblées InGaAs/GaAs : propriétés de spin et couplage électronique inter-boîte“. Toulouse, INSA, 2003. http://www.theses.fr/2003ISAT0015.

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Le présent mémoire est une contribution à l'étude des propriétés électroniques des boîtes quantiques semiconductrices "auto-assemblées" du type InGaAs/GaAs. Les propriétés de spin et les conséquences du couplage électronique entre boîtes sur les propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de photoluminescence résolue en temps à l'échelle picoseconde. L'enregistrement de la dynamique de polarisation linéaire de la photoluminescence réalisée dans des conditions d'excitation strictement résonante sur l'état fondamental les boîtes permet de démontrer le blocage de la relaxation de spin dans ces structures 0D à basse température. La dépendance de la dynamique de polarisation de la photolum- inescence avec la température met d'autre part en évidence le rôle clé joué par la diffusion vers les états excités de trou par interaction avec les phonons LO. Nous avons d'autre part étudié le couplage électronique vertical entre boîtes dans des structures multi-plans avec une épaisseur de barrière variable Les expériences de spectroscopie de photoluminescence résolue en temps réalisés dans des conditions d'excitation non-résonante (dans la barrière) ou strictement résonante sur les niveaux électroniques fondamentaux des boîtes montrent l'efficacité de cette technique pour sonder la délocalisation spatiale des fonctions d'onde liée au couplage électronique. Les conséquences de ce couplage électronique sur les propriétés optiques (décalage spectral, forces d'oscillateur, comportement en température,. . ) et sur le couplage électron-phonon sont discutés.

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Dousse, Adrien. „Deterministic cavity-quantum dot coupling and fabrication of an ultrabright source of entangled photon pairs“. Paris 7, 2010. http://www.theses.fr/2010PA077134.

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Les boîtes quantiques présentent des états quantiques discrets et apparaissent comme des atomes artificiels à l'état solide. Tout comme un atome, une boîte quantique peut émettre des photons uniques, ou des paires de photons intriqués en polarisation. Beaucoup de promesses d'applications reposent sur le contrôle de l'émission spontanée de boîtes quantiques uniques, insérées dans des microcavités. Par exemple, le régime d'accélération de l'émission spontanée (effet Purcell) permet d'extraire de manière efficace les photons émis par la boîte quantique et de fabriquer des sources très brillantes pour le traitement de l'information quantique. Le régime de couplage fort entre la boîte quantique et un mode de cavité donne lieu à des états mixtes lumière-matière qui peuvent servir pour intriquer des bits quantiques à distance. Néanmoins, le couplage boîte quantique-cavité est rendu particulièrement difficile car les techniques de croissance standard de ces émetteurs ne permettent pas de contrôler de façon déterministe leurs caractéristiques spatiales et spectrales. Le premier résultat de ce travail de thèse a été de mettre au point une technique de couplage déterministe entre une boîte quantique unique et un mode de cavité. Cette technique a été utilisée pour démontrer le contrôle de l'émission spontanée à la demande aussi bien en régime de couplage faible qu'en régime de couplage fort. Le second résultat de cette thèse porte sur la mise au point d'une cavité originale permettant l'extraction efficace de paires de photons intriqués en polarisation. En couplant de façon déterministe une boîte quantique aux modes d'une molécule photonique, nous avons fabriqué une source de paires de photons intriqués en polarisation, un ordre de grandeur plus brillante que toutes celles existantes
Quantum dots have discrete quantum states and for this reason are sometimes called artifîcial atoms. Just like an atom, a quantum dot can emit single photons, or polarization entangled photon pairs. A great number of potential applications rely on the control of spontaneous emission of quantum dots inserted in microcavities. For example, the spontaneous emission enhancement regime (Purcell effect) allows extracting photons emitted by a quantum dot, in an efficient manner so as to obtain very bright light sources for quantum information processing. In the strong coupling regime, between a quantum dot and a microcavity mode, arise light-matter mixed states which can be used for distant entanglement of spin cubits for example. However, quantum dot-cavity coupling is rendered difficult because the standard fabrication techniques of these emitters do not allow controlling, in a deterministic fashion, their spatial and spectral characteristics. The first result of the present PhD work has been to develop a deterministic coupling technique between a single quantum dot and a cavity mode. This technique has been used to demonstrate the control of spontaneous emission on demand in the weak coupling regime, as well as in the strong coupling regime. The second result has been to design and fabricate an original microcavity for the efficient extraction of polarization entangled photon pairs. With the deterministic coupling of a quantum dot to the modes of a photonic molecule, we have fabricated a source of polarization entangled photon pairs one order of magnitude brighter than any existing source so far

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Poumirol, Jean-Marie. „Étude des propriétés électroniques du graphène et des matériaux à base de graphène sous champs magnétiques intenses“. Phd thesis, INSA de Toulouse, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00646172.

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Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nano rubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration " armchair " du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couches de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhomboédrique des trois couches de graphène constituant l'échantillon.

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Cassabois, Guillaume. „Origines et limites du modèle de l'atome artificiel pour une boîte quantique de semiconducteurs“. Habilitation à diriger des recherches, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011932.

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Le modèle de l'atome artificiel est l'image physique intuitive qui découle de la discrétisation du spectre énergétique des électrons, qui sont confinés dans les trois directions de l'espace dans une boîte quantique de semiconducteurs. Cette analogie avec les systèmes atomiques s'est révélée commode et fructueuse
pour étudier les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques de semiconducteurs. Elle a conduit à des expériences élégantes qui utilisent les concepts de base de la physique quantique de systèmes élémentaires et qui montrent l'intérêt des boîtes quantiques pour l'information quantique.

Ces expériences ont cependant toutes en commun d'utiliser des boîtes quantiques à basse température et les mesures de spectroscopie optique sont faites sur l'état excitonique fondamental de la boîte quantique. Cette constatation lève d'emblée le problème des limites de validité du modèle de l'atome artificiel dont l'utilisation, certes fertile, semble pourtant se resteindre à des conditions expérimentales très précises.

Dans ce document, nous allons aborder plus généralement l'étude des propriétés électroniques et optiques de boîtes quantiques dans le système modèle de nanostructures auto-organisées InAs/GaAs afin de cerner les limites de validité du modèle de l'atome artificiel.

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Cao, Chonglong. „Modélisation de la dynamique de spin d'un atome magnétique individuel dans une boîte quantique“. Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00680070.

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Nous avons étudié la dynamique de spin d'un atome de Mn inséré dans une boite quantique CdTe. Nos résultats montrent que la relaxation de spin du Mn est plus rapide lorsque la boite quantique contient un exciton. Ceci peut permettre une orientation optique du spin du Mn. Le mélange de bande de valence est le paramètre essentiel permettant la relaxation rapide du spin du Mn dans le champ d'échange de l'exciton. Ce mélange de bande de valence est controlé par la forme et les contraintes dans la boite quantique. L'influence de ces paramètres sur la dynamique du pompage optique a été analysée en détail. Nos simulations du pompage optique sont en bon accord avec les expériences. La dynamique cohérente d'un Mn individuel a aussi été étudiée. L'influence sur le pompage optique de la dynamique cohérente du spin électronique et nucléaire est discutée. Nous avons montré que le couplage entre spin électronique et nucléaire peut être contrôlé optiquement permettant une manipulation du spin du Mn. Nous avons finalement montré que la combinaison d'une excitation résonante optique et micro-onde peut être utilisée pour détecter optiquement la résonance magnétique d'un Mn dans une boite quantique CdTe.

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Cao, Chong Long. „Modélisation de la dynamique de spin d'un atome magnétique individuel dans une boîte quantique“. Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2011GRENY062/document.

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Nous avons étudié la dynamique de spin d'un atome de Mn inséré dans une boite quantique CdTe. Nos résultats montrent que la relaxation de spin du Mn est plus rapide lorsque la boite quantique contient un exciton. Ceci peut permettre une orientation optique du spin du Mn. Le mélange de bande de valence est le paramètre essentiel permettant la relaxation rapide du spin du Mn dans le champ d'échange de l'exciton. Ce mélange de bande de valence est controlé par la forme et les contraintes dans la boite quantique. L'influence de ces paramètres sur la dynamique du pompage optique a été analysée en détail. Nos simulations du pompage optique sont en bon accord avec les expériences. La dynamique cohérente d'un Mn individuel a aussi été étudiée. L'influence sur le pompage optique de la dynamique cohérente du spin électronique et nucléaire est discutée. Nous avons montré que le couplage entre spin électronique et nucléaire peut être contrôlé optiquement permettant une manipulation du spin du Mn. Nous avons finalement montré que la combinaison d'une excitation résonante optique et micro-onde peut être utilisée pour détecter optiquement la résonance magnétique d'un Mn dans une boite quantique CdTe
We have studied the spin dynamics of an individual Mn atom embedded a CdTe quantum dot. Our results show that the Mn spin relaxation is faster when the quantum dot contains an exciton. This can result in an optical orientation of the Mn spin. The valence band mixing is the critical parameter for the fast relaxation rates of the Mn spin in the exchange field of the exciton. This valence band mixing is controlled by the shape and strain of the quantum dot. The influence of these parameters on the optical pumping dynamics were analyzed in detail. Our simulation of optical pumping are in good agreement with experiments. The coherent dynamics of an individual Mn spin was also investigated. We discussed the influence of the coherent dynamics of the coupled electronic and nuclear spins on the optical pumping. We have shown that optically controlled coupling between electronic and nuclear spins could be used for Mn spin switching. We finally demonstrated that the combination of resonant laser and microwave fields can be used to optically detect the magnetic resonance of a Mn spin in a CdTe quantum dot

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Maysonnave, Jean. „Dynamique ultrarapide de lasers à cascade quantique Terahertz - le graphène comme émetteur Terahertz“. Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066360/document.

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La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérés
The terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes

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Maysonnave, Jean. „Dynamique ultrarapide de lasers à cascade quantique Terahertz - le graphène comme émetteur Terahertz“. Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066360.

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La gamme des ondes terahertz (THz) se situe à l'interface des domaines électronique et optique. Malgré un potentiel d'applications élevé, elle souffre d'un manque de dispositifs performants. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur l'étude fondamentale et la réalisation de nouvelles fonctionnalités associées à différentes sources THz, en utilisant la spectroscopie THz dans le domaine temporel (TDS). Cet outil puissant permet de mesurer le profil temporel d'un champ électrique THz et est utilisé pour explorer l'émission THz de lasers à cascade quantique (LCQ) et de graphène.Dans une première partie, la réponse ultrarapide de LCQs est étudiée. Un contrôle de la phase du champ électrique de LCQs THz via la technique "d'injection seeding" est réalisé puis optimisé. Il nous permet de mesurer le profil temporel de l'émission laser. A l'appui de cette expérience et de simulations, une description quantitative de la dynamique du gain est faite. Ces informations sont critiques pour la production d'impulsions courtes. Une modulation rapide du gain de LCQ est ensuite réalisée et conduit à la génération d'impulsions courtes (durée ~ 15 ps) en régime de blocage de modes. Ces études permettent notamment d'envisager les LCQs comme sources puissantes pour la TDS. Dans une seconde partie, nous montrons que le graphène peut émettre un rayonnement THz sous excitation optique par un effet non linéaire d'ordre 2. Cette émission résulte d'un transfert de quantité de mouvement des photons aux électrons du graphène ("photon drag"). Elle permet ainsi d'explorer des propriétés subtiles du graphène, telles que de très faibles différences de comportement entre les électrons et trous photogénérés
The terahertz (THz) range is a region of the electromagnetic spectrum which lies at the limit between the electronic and optical domain. Currently, THz applications suffer from the lack of sources and detectors. In this context, this thesis focuses on the fundamental study and the development of new functionalities of different THz sources, usingTHz time-domain spectroscopy (TDS) as a base. This powerful tool enables to acquire the temporal profile of a THz electric field and is used to explore the THz emission properties of quantum cascade lasers (QCLs) and graphene.In the first part, the ultrafast response of QCLs is investigated. A phase control of the electric field of THz QCLs via injection seeding is realised and optimised. This enables the measurement of the amplitude and temporal profile of the laser emission. Throughthese experiments and simulations, a quantitative description of the gain dynamics can be accessed. This information is critical for modelocking. Finally, a fast modulation of the gain of QCLs is realized and leads to short pulses generation (15 ps) in a modelocked regime. These studies open the way for using QCLs as powerful sources in TDS.In the second part, THz radiation generation from graphene under optical excitation is demonstrated by a second order non-linear process. The THz emission results from themomentum transfer from the photons to the electrons of graphene (photon drag). As well as broadband THz generation, novel bandstructure properties of graphene can be explored such as the different dynamics between the photogenerated electrons and holes

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Varoutsis, Spyridon. „Génération de photons uniques indiscernables par une boîte quantique semi-conductrice dans une microcavité optique“. Paris 11, 2005. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011534.

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L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie
One of the main scientific achievement of the last century is certainly the development of quantum mechanics. Recently, computer scientists and engineers teamed with physical scientists to further our understanding of quantum phenomena, and to exploit this understanding to realize new devices with novel functionality for communication and computing, that can be directly engineered using correlations between quantum states, giving rise to a new field in physics : Quantum information science. These quantum states can be indistinguishable single photons. Our work aimed at the generation of such quantum states, from sefl-assembled quantum dots. These emitters can produce single photons on demand but the indistinguishability between photons is rapidly destroyed by decoeherence processes in the solid-state. In order to restore the indistinguishability between photons, the dot is coupled to the mode of a micropilar cavity, that accelerates its spontaneous emission rate by a factor 25, so that the photons are emitted before being “marked” by dephasing mechanisms. This acceleration leads to the generation of indistinguishable single photons with a degree of indistinguishability as high as 75%. In this context, two-photon interference phenomena occur, whereby two single photons entering the two input ports of a beamsplitter, emerge from the beamsplitter both in the same output port, as if they had "coalesced" into a two-photon state

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Roy, Anne-Marie. „Détection de charge rapide radiofréquence“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2015. http://hdl.handle.net/11143/8155.

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Dans ce travail, un circuit de détection de charge radiofréquence est construit et caractérisé à l'aide d'un dispositif de boîte quantique. Les radiofréquences permettent d'obtenir des mesures résolues en temps plus rapides par rapport à la méthode classique en courant continu. Cette méthode de détection est effectuée par réflectométrie d'un circuit RLC résonant dont fait partie le détecteur de charge du dispositif. L'intégration d'un condensateur à capacité variable à large plage est étudiée. On trouve que cette composante est nécessaire à l'adaptation rapide et efficace des nouveaux dispositifs au circuit. En plus de la capacité variable, le circuit comporte plusieurs paramètres à optimiser. Il s'agit de la conductance du détecteur de charge, la fréquence et la puissance du signal radiofréquence. Un protocole d'optimisation de ces paramètres a été mis sur pied. On obtient la sensibilité à la conductance du circuit radiofréquence de détection de charge. Elle est équivalente à celle des meilleurs circuits présents dans la littérature. On propose d'améliorer le détecteur de charge du dispositif, pour obtenir une meilleure sensibilité à la charge. Le circuit radiofréquence permet également d'effectuer la caractérisation du couplage tunnel d'un dispositif de double boîte quantique en silicium par la méthode des statistiques de comptage. Cette mesure aurait été impossible avec le circuit en courant continu. On a pu confirmer le comportement exponentiel du couplage tunnel en fonction de la tension appliquée sur une grille électrostatique. Les résultats de ce mémoire confirment que le circuit de détection de charge radiofréquence construit permet d'effectuer des mesures avec une meilleure résolution temporelle qu'en courant continu. Cette résolution ouvre la porte à une toute une gamme de mesures sur les dispositifs de boîtes quantiques qui étaient impossibles avec le circuit précédent, telles que la mesure en temps réel du spin de l'électron.

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Pioro-Ladrière, Michel. „Étude par spectroscopie de coulomb d'une boîte quantique latérale contenant de 1 à 12 électrons“. Mémoire, Université de Sherbrooke, 2002. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/4532.

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Une boîte quantique contenant un nombre discret et variable d'électrons est formée dans un gaz bi-dimensionnel d'électrons. On explique concrètement comment la géométrie des grilles utilisées pour former la boîte permet de contrôler exactement le nombre d'électrons jusqu'à zéro. Ce contrôle nous permet d'obtenir, par transport dans le régime de blocage de Coulomb, les spectres d'addition et d'excitation associés à l'ajout des 12 premiers électrons dans la boîte. On montre que le potentiel de confinement peut être approximé, près de son minimum, par celui d'un oscillateur harmonique dont l'énergie caractéristique est de l'ordre du meV. Ce résultat permet de calibrer l'énergie d'addition du premier électron et d'obtenir la variation en champ magnétique B du niveau de Fermi du gaz électronique bi-dimensionnel (GE2D) utilisé comme réservoir pour le transport à travers la boîte. Le résultat montre une oscillation périodique en 1/ B avec une amplitude beaucoup plus petite que l'énergie cyclotron. On observe ensuite la transition en champ magnétique entre les deux états de plus basse énergie d'une boîte contenant 2 électrons, soient les états singulet et triplet. On montre que l'approximation harmonique cesse d'être valide pour une boîte contenant plus d'un électron. Les résultats montrent que le champ critique de la transition dépend du potentiel appliqué sur les grilles. De plus, on observe une modulation de l'amplitude du courant circulant à travers la boîte lors de la transition. On attribue cette modulation à l'injection partiellement polarisée en spin, causée par la séparation spatiale des états de bords du GE2D de spin «1/2. Finalement, les résultats pour un plus grand nombre d'électrons montrent que l'hypothèse de l'injection partiellement polarisée est en accord avec les transitions en champ magnétique des configurations électroniques de la boîte et qu'elle permet de mesurer, par l'amplitude du courant, le spin total de la boîte.

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Loo, Vivien. „Excitation résonante et non-linéarité à faible nombre de photons d'une boîte quantique en microcavité“. Paris 7, 2012. http://www.theses.fr/2012PA077166.

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Des résultats de spectroscopie par excitation résonante sur une boîte quantique en couplage fort avec une microcavité sont exposés. En augmentant la puissance incidente, la réflectivité du dispositif change. Un seuil de ce comportement est observé pour 8 photons par impulsion, ce qui est un record. Il est possible d'observer des fluctuations de l'énergie d'émission de la boîte quantique en temps réel, à l'échelle de la microseconde
Results of resonant spectroscopy of a quantum dot strongly coupled to a microcavity are exposed. Rising the power makes the devices reflectivity to drop. This phenomenon has a threshold of 8 photons per pulse ? Which is a record. It is possible to observe fluctuations of the quantum dot emission energy at the scale of the microsecond

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Reigue, Antoine. „Boîte quantique en interaction avec son environnement : excitation résonante pour l'étude des processus de décohérence“. Thesis, Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066731/document.

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Les boîtes quantiques (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique
Developments in quantum information processes require the use of solid state qubits that would emit on demand single and indistinguishable photons. Semiconductor quantum dots (QDs) show an atom-like spectrum which makes them attractive in this regard. However, a single QD constitutes an open quantum system coupled to its surrounding solid-state environment, the phonon bath and the fluctuating electrostatic environment. This has important consequences on the coherence properties of the electronic system and the QD is a probe to study these fundamental interactions. Using Fourier spectroscopy and temperature-dependent resonant HOM experiments we show that these two mechanisms occur on very different time scales: spectral diffusion is a slow dephasing process acting on microseconds, while phonon interaction takes place in less than one ns. Then, the loss of ndistinguishability in HOM measurements is only related to dephasing induced by the coupling to the phonon bath. The TPI visibility is preserved around 85 % at low temperature, followed by a rapid loss of coherence. To fully understand the experimental results we developed a mircroscopic model for the electron-phonon interaction which allow to obtain analytic expressions for the dephasing rates. Below 10K the relaxation of the vibrational lattice is the dominant contribution to the loss of TPI visibility. This process corresponds to real phonon transitions resulting in a broad phonon sideband in the QD emission spectra. Above 10K, virtual phonon transitions to higher lying excited states become the dominant dephasing mechanism, leading to broadening of the zero phonon line and a corresponding rapid decay in the visibility

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Andreev, Thomas. „Growth and optical properties of GaN and InGaN quantum dots dops with rare earth ions“. Université Joseph Fourier (Grenoble), 2006. http://www.theses.fr/2006GRE10020.

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Ce travail est porté sur les propriétés structurales et optiques de structures à boîtes quantiques III-nitrures dopées avec des terres rares réalisées par épitaxie à jets moléculaires. Pendant la croissance, les terres rares ont une influence drastique sur les boîtes, expliquée par les propriétés surfactantes des atomes de terres rares. La caractérisation optique et structurale montre que les boîtes sont dopées efficacement avec les ions de Eu, Tm et Tb. D'autres localisations des terres rares ont été trouvées, par exemple, pour le Tm, à l'interface du GaN des boîtes et de l'AlN. Ce travail s'intéresse aussi à la dynamique d'excitation de boîtes quantiques dopées aux terres rares. La photoluminescence de couleurs intéressantes est stable de la température de l'hélium liquide jusque la température ambiante. Des structures à boîtes quantiques plus complexes sont aussi abordées : des boîtes InGaN:Eu QDs et des boîtes GaN co-dopées, importante pour la réalisation de composants. Une attention particulière a été mise sur les couches de GaN dopé Eu, où différents sites pour l'Eu ont été mis en évidence près de surface et à l'intérieur de matériau
This work reports on structural and optical properties of plasma assisted molecular beam epitaxy grown rare earth doped III – nitride quantum dots structures. During growth the rare earths have drastic influences on the quantum dot formation, assigned to surfactant properties of the rare earth atoms. Optical and structural characterizations have shown that GaN QDs are effectively doped with the rare earth atoms in the cases of Eu, Tm and Tb. Other rare earth locations have been also established, for example for Tm where a high amount has been found at the GaN QDs interface. The excitation dynamics of rare earth doped GaN QDs which show stable photoluminescence for the colors of interest between liquid helium and room temperature has been addressed. More complicate rare earth doped quantum dot structures are also discussed, like InGaN:Eu QDs and co-doped GaN QDs important for devices. Attention is put also onto rare earth doped GaN layers, where different Eu sites have been established, near the sample surface and inside bulk material

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Hagenmuller, David. „Electrodynamique quantique en cavité d'un système d'électrons bidimensionnel sous champ magnétique“. Paris 7, 2012. http://www.theses.fr/2012PA077263.

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Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons au couplage entre le champ électromagnétique quantifi au sein d'un résonateur optique et la transition cyclotron d'un gaz d'électrons bidimensionnel soumis à un champ magnétique perpendiculaire. Nous montrons que ce système peut atteindre un régime de couplage ultrafort inédit, dans lequel la fréquence de Rabi du vide (quantifiant l'intensité de l'interaction lumière-matière) devient comparable ou plus grande que la fréquence de la transition cyclotron pour des facteurs de remplissage suffisamment élevés. Nos prédictions théoriques ont alors donné lieu à une vérification expérimentale spectaculaire. En outre, nous avons généralisé la théorie au cas du graphène dont les excitations de basse énergie sont convenablement décrites par un hamiltonien de Dirac sans masse. Nous montrons que si le couplage ultrafort peut également être atteint dans ce cas, des différences qualitatives importantes apparaissent par rapport au cas des fermions massifs du semiconducteur
In this thesis manuscript, we present a theory describing the coupling between the quantized electromagnetic field of a cavity resonator and the cyclotron transition between Landau levels in a two¬dimensional electron gas in presence of a perpendicular magnetic field. We show that such a system can reach an unprecedented ultrastrong coupling regime, where the vacuum Rabi frequency (quantifying the strength of the light-matter interaction) can be comparable or bigger than the cyclotron transition frequency for large enough filling factor. Our theoretical predictions have been demonstrated by spectacular experimental results. Moreover, we have generalized the theory to the case of graphene, whose low-energy excitations are described by a massless Dirac Hamiltonian. We show that the ultrastrong coupling can be also achieved for graphene, leading to strong qualitative differences with respect te the case of massive fermions in a semiconductor

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Papic, Zlatko. „Fractional quantum hall effect in multicomponent systems“. Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112121.

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Nous étudions un certain nombre de manifestations de l’effet Hall quantique fractionnaire dans les bicouches d’effet Hall quantique, des puits quantiques larges ou le graphène, dans lesquels les degrées de liberté multicomposantes produisent des phénomènes physiques insolites. Dans la bicouche d’effet Hall quantique du remplissage total ν = 1, nous examinons les fonctions d’onde mixtes des bosons composites et fermions composites afin de décrire la destruction de la suprafluidité excitonique au fur et à mesure qu’on augmente la distance entre les deux couches. Nous proposons des fonctions d’onde d’essai qui décriraient bien l’´etat de la bicouche quand il s’agit de distances intermédiaires et nous y étudions leurs propriétés. Dans la bicouche d’effet Hall quantique du remplissage total ν = 1/2 et ν = 2/5, nous étudions la transition de phase quantique entre les états multicomposantes de Halperin et les phases polarisées (abeliannes et non-abeliannes) en fonction des modifications effectuées dans le terme tunnel. Afin d’étudier les transitions, nous utilisons à la fois la diagonalisation exacte et la théorie effective BCS. Nous présentons d’autre part un modèle réaliste du puits quantique large que nous utilisons dans l’examen des états avec un dénominateur pair, à ν = 1/2 et ν = 1/4 dans le plus bas niveau de Landau. Nous proposons enfin quelques états d’effet Hall quantique fractionnaire possibles dans le graphène, celles-ci reposant sur l’image multicomposante qui concerne les degrés de liberté de spin et de vallée
We study a number of fractional quantum Hall systems, such as quantum Hall bilayers, wide quantum wells or graphene, where underlying multicomponent degrees of freedom lead to the novel physical phenomena. In the quantum Hall bilayer at the filling factor ν=1 we study mixed composite boson-composite fermion trial wave functions in order to describe the disordering of the exciton superfluid as the bilayer distance is increased. We propose wave functions to describe the states of the bilayer for intermediate distances and examine their properties. At the bilayer total filling ν=1/2 and ν=2/5 we study the quantum phase transition between the multicomponent Halperin states and the polarized, Abelian and non-Abelian, phases as the tunneling term is varied. We use a combination of exact diagonalization and the effective BCS model to study the transitions. Furthermore we introduce a realistic model of the wide quantum well which is used to examine even-denominator quantum Hall states at ν=1/2 and ν=1/4 in the lowest Landau level. Finally, we explore some possibilities for the fractional quantum Hall effect in graphene based on the multicomponent picture of spin and valley degrees of freedom

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Valente, Daniel. „Optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs“. Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00859710.

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Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.

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Tribollet, Jérôme. „Dynamique des spins électroniques et excitoniques dans les hétérostructures semiconductrices 2D et 0D mesurée par rotation Faraday résolue en temps“. Paris 7, 2003. http://www.theses.fr/2003PA077121.

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Samaddar, Sayanti. „Désordre de charge et écrantage dans le graphène“. Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAY065/document.

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Le graphène héberge un gaz d'électrons bi-dimensionnel, sujet à un potentiel électrostatique désordonné dû aux impuretés de charge dans le substrat. Ce potentiel désordonné induit des inhomogénéités de la densité de porteurs de charge dans le graphène. Par ailleurs, l'écrantage dans le graphène mono-feuillet de ce potentiel dépend lui-même de la densité de porteurs de charge. L'effet du désordre de charge peut donc être modulé avec un potentiel de grille global, ce qui se manifeste en particulier dans la transconductance de dispositifs à base de graphène. Nous combinons des mesures par Microscopie/Spectroscopie à effet tunnel avec des mesures de transport in situ sur des dispositifs à base de mono-feuillets de graphène sur SiO2, à basse température. Les cartes de la densité locale d'états du graphène, à diverses tensions de grille, mettent en évidence l'augmentation progressive des dimensions latérales ainsi que de l'amplitude des inhomogénéités au voisinage du point de Dirac. Alors que la dépendance en grille de la taille des inhomogénéités est en bon accord avec les prédictions, leur amplitude est plus forte qu'attendue au point de Dirac. Nous expliquons ce désaccord en prenant en compte l'effet de grille local produit par la pointe elle-même, qui a pour effet d'amplifier expérimentalement toute variation de la densité de porteurs de charge lorsque celle-ci elle faible. Cette expérience est ainsi la première mesure qui relie quantitativement les propriétés de désordre de charge à l'échelle microscopique aux propriétés de transport macroscopiques d'un dispositif à base de graphène
Graphene presents a two-dimensional system whose charge carriers are subjected to a disordered potential created by random charge impurities trapped in the substrate. This impurity potential induces an inhomogeneous carrier concentration. On the other hand, the ability of single-layered graphene to screen this potential strongly depends on the charge carrier density. Thus the effect of the resulting charge disorder can be tuned with the backgate which manifests also in the transport properties of the device. By combining Scanning tunneling microscopy and spectroscopy with in-situ transport at dilution temperature, we probe a system of single-layered graphene on SiO2. Local density of states maps on graphene, acquired at various carrier concentrations show gradual increase of spatial extent and amplitude of inhomogeneities as the Dirac point is approached. While the variations of the spatial extent of the fluctuations with back-gate show very good agreement with predictions, the observed amplitude of inhomogeneities show a larger than expected increase at low densities. We explain this as a result of the local gating effect exerted by the tip on graphene which amplifies any change in the intrinsic doping at low carrier concentrations. This is the first experiment bridging the gap between microscopic disorder and macroscopic transport properties of a graphene device

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Lambert, Jules. „Ferro-aimants de Hall dans la bicouche de graphène“. Thèse, Université de Sherbrooke, 2013. http://hdl.handle.net/11143/6552.

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Dans cette thèse nous allons présenter nos résultats sur les différentes solutions pour le gaz d'électrons dans une bicouche de graphène sous fort champ magnétique en fonction de la différence de potentiel entre les deux couches et du facteur de remplissage entier de v = -3 à v = 3. Nos résultats seront comparés aux résultats expérimentaux pour expliquer, entre autres, l'apparition de sous plateau dans la conductivité pour les états de N = O. Nos états fondamentaux furent calculés à partir de l'approximation Hartree-Fock pour prendre en compte l'interaction coulombienne. Nous avons obtenu différentes solutions que l'on peut classifier comme les phases cohérentes : inter-couche simple, inter-couche double, inter-spin simple, inter-spin double et orbitale. Le reste des solutions que nous avons trouvées sont des phases sans cohérence. Ces phases peuvent être décrites comme des ferro-aimants de pseudo-spin de Hall. Pour chacune de ces phases, nous avons calculé les modes collectifs et l'absorption électromagnétique à l'aide de la théorie "Generalized Random-Phase Approximation" (GRPA) et le gap d'excitation du système. Nous avons porté une attention particulière aux modes collectifs dans la phase orbitale qui montrent une instabilité et à montrer que cette instabilité peut être décrite par une interaction de type Dzyaloshinskii-Moriya (DM) dans un hamiltonien effectif de spin pour décrire les modes collectifs. Nous avons aussi calculé des effets magnéto-électriques en calculant le changement de polarisation de spin qui se produit en appliquant un champ électrique dans le plan des couches aux facteurs de remplissage v = ±1, ±2.

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Carmier, Pierre. „Une étude semi-classique du magnéto-transport dans les jonctions n-p de graphène“. Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112039.

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Dans ce travail de thèse, j'étudie le transport des électrons dans le graphène en régime d'effet Hall, lorsqu'un potentiel électrostatique crée une jonction n-p dans le matériau. Cette configuration se distingue de celle dans les gaz d'électrons bidimensionnels usuels en raison de la structure de bande singulière du graphène, qui accroît significativement le couplage inter-bande via le paradoxe de Klein et entraîne également l'existence d'un effet Hall quantique anormal. Je commence par développer un formalisme semi-classique adapté à la nature pseudo-relativiste des électrons dans le graphène, dont l'outil central est l'approximation semi-classique de la fonction de Green à une particule. Cette dernière possède une contribution de phase dont je montre qu'elle doit être distinguée de la phase de Berry à laquelle il est communément fait référence dans ce contexte. Ce formalisme est ensuite mis à contribution afin d'étudier le magnéto-transport à travers une jonction n-p dans un ruban de graphène. Dans le régime magnétique (E < B), je montre que la conductance associée aux états excités est essentiellement nulle tandis que celle de l'état fondamental dépend des conditions aux bords du ruban. Dans le régime électrique (E > B), lorsque le potentiel électrostatique est abrupte à l'échelle de la longueur magnétique, j'obtiens en faisant appel au formalisme de Fisher-Lee-Baranger-Stone une expression semi-classique pour la conductance. Le comportement de cette dernière est discuté et comparé aux résultats expérimentaux obtenus en 2007 par Williams, DiCarlo et Marcus à Harvard
This thesis deals with electronic transport in graphene n-p junctions in the quantum Hall regime. The kind of transport featured in this configuration is different from what is commonly known in standard two-dimensional electron gases. Indeed, graphene's unusual band structure causes both a significant increase in the likeliness of inter-band tunneling via the Klein paradox and an anomalous quantum Hall effect. I start by developping a semiclassical formalism which takes into account the pseudo-relativistic nature of charge carriers in graphene. The central mathematical tool of this formalism is a semiclassical approximation to the single particle Green's function. Along the way, I comment on a particular phase contribution arising in the Green's function in graphene, and show it must be distinguished from a Berry phase which is commonly referred to in this context. The semiclassical Green's function is then put to use to study magnetotransport through a n-p junction in a graphene nanoribbon. In the magnetic regime (E < B), I show the conductance of excited states is essentially zero, while that of the ground state depends on the boundary conditions considered at the edge of the ribbon. In the electric regime (E > B), for a step-like electrostatic potential (abrupt on the scale of the magnetic length), I derive a semiclassical expression for the conductance based on the framework introduced by Fisher and Lee and generalized by Baranger and Stone. Behavior of the conductance is discussed and compared to what Williams, DiCarlo and Marcus observed experimentally at Harvard in 2007

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Dissertationen zum Thema „Boîte quantique de graphène“

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