Dissertations / Theses on the topic 'Effets quantiques des noyaux'

Le spin d’un trou confiné à l’intérieur d’une boite quantique d’InAs/GaAs constitue un observable bien protégé des interactions avec l’environnement extérieur. La symétrie de type p de la fonction de Bloch du trou limite en théorie l’efficacité des mécanismes de relaxation exaltés par le confinement tels que l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. Cependant il a été montré dans ce travail de thèse que les contraintes ressenties en cours de croissance par les boites sont à l’origine d’un fort mélange entre états de trous lourds et de trous légers. Ce mélange favorise une relaxation du spin du trou par interaction hyperfine dipôle-dipôle avec les noyaux. Du point de vue du spin du trou, cette interaction, profondément anisotrope, est équivalente à l’action d’un champ magnétique aléatoire de l’ordre du mT en un temps caractéristique d’une dizaine de nanosecondes. Pour caractériser la dynamique associée à ce phénomène, une étude expérimentale par spectroscopie pompe sonde sous champ magnétique (Faraday et Voigt) a été menée sur une population de boites quantiques d’InAs/GaAs dopées p. Elle a permis de montrer, conformément aux prévisions de notre modèle théorique, que l’interaction hyperfine dipôle-dipôle ressentie par le spin du trou est du même ordre de grandeur que l’interaction hyperfine de contact ressentie par le spin de l’électron. Ce résultat pose la question de la capacité de l’interaction hyperfine dipôle-dipôle à polariser l’environnement nucléaire des boites quantiques

Le spin d'un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l'information, dans des dispositifs pour l'électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d'InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l'expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu'à l'exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d'environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l'électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l'ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d'un temps de vie de spin très long (ms) peut, à son tour devenir, un support robuste de l'information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l'on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l'énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d'une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d'une part, l'intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l'information quantique, et d'autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.

Les liaisons hydrogène sont des interactions intermoléculaires faibles qui perturbent profondément l'environnement chimique des noyaux atomiques et contribuent à l'anharmonicité des surfaces d'énergie potentielle. De plus, ils impliquent l'atome d'hydrogène, qui, même dans des conditions ambiantes, peut manifester des propriétés quantiques non négligeables en raison de sa faible masse. La structure chimique et la dynamique des systèmes avec liaison hydrogène sont influencées par l'anharmonicité et la nature quantique des noyaux. Dans cette thèse, nous étudions différents systèmes solides ou moléculaires contenant des liaisons hydrogène en décrivant les noyaux par des méthodes quantiques approchées qui vont au-delà de l'image classique et harmonique. Le premier système étudié est une transition de phase à l'état solide. L'hydroxyde de potassium cristallin est caractérisé par la présence de liaisons hydrogène faibles et subit une transition de phase ordre-désordre. La même transition se produit dans le cristal deutéré mais la température de Curie augmente de 24 K en raison de la différente délocalisation du proton et du deutéron. De plus, un effet isotopique H/D géométrique caractérise les liaisons hydrogène et influence les propriétés structurales du système. La deuxième étude porte sur l'adsorption d'une molécule organique sur une surface d'oxyde. L'acide formique est l'acide carboxylique le plus simple et un matériau porteur d'hydrogène prometteur. Son adsorption sur la surface TiO2 anatase (101) présente des configurations d'adsorption concurrentes qui font encore débat. Le type d'adsorption moléculaire monodentate est caractérisé par la présence d'une forte liaison hydrogène, qui stabilise l'interaction molécule-surface et font faire la navette au proton entre sa position stable sur la molécule d'acide formique et la surface. La troisième étude porte sur un système biomoléculaire complexe. Un exemple crucial de l'importance des liaisons hydrogène dans les systèmes biologiques est l'appariement des nucléobases dans l'ADN, où les liaisons hydrogène contribuent à la stabilité de la double hélice de l'ADN. La conformation Watson et Crick du dimère de guanine et de cytosine présente trois liaisons hydrogène. La délocalisation du proton est pertinente même à 300 K dans le dimère en phase gazeuse. Des spectra vibrationnels simulés on été obtenus
Hydrogen bonds are weak intermolecular interactions that can modify the chemical environment of atomic nuclei and contribute to the anharmonicity of the potential energy surfaces. Furthermore, they involve the hydrogen atom, which, even at ambient conditions, can manifest non negligible quantum properties due to its small mass. Both the chemical structure and the dynamics of hydrogen-bonded systems are influenced by the anharmonicity and the quantum nature of the nuclei. In this thesis we investigate different molecular systems containing hydrogen bonds by describing the nuclei by approximated quantum methods that overcome the classical and harmonic pictures. The first system investigated is a phase transition in the solid state. Crystalline potassium hydroxide is characterized by the presence of weak hydrogen bonds and undergoes an order-disorder phase transition. The same transition happens in the deuterated crystal but the Curie temperature shifts up about 24 K due to the different proton and deuteron delocalization. Furthermore, a geometric H/D isotope effect characterizes the hydrogen bonds and it relates to the structural properties of the system. The second study is about the adsorption of an organic molecule on an oxide surface. Formic acid is the simplest carboxylic acid and a promising hydrogen carrier material. Its adsorption on the TiO2 anatase (101) surface presents competing adsorption configurations that are still debated. The molecular monodentate type of adsorption is characterized by the presence of a strong hydrogen bond, that stabilizes the molecule-surface interaction and make the proton shuttle between its stable position on the formic acid molecule and the surface. The third study is about a complex biomolecular system. A crucial example of the importance of hydrogen bonds in biological systems is the pairing of nucleobases in DNA, where the hydrogen bonds contribute to the stability of the DNA double helix. The Watson and Crick conformation of guanine and cytosine dimer presents three hydrogen bonds. The proton delocalization is relevant even at 300 K in the gas-phase dimer. Simulated vibrational spectra were obtained

La décomposition rapide (t<10-21 seconde) du noyau en plusieurs fragments, appelée multifragmentation, est théoriquement associée à une transition de phase de type liquide-gaz. Depuis plusieurs années, les physiciens tentent d'observer une preuve expérimentale de ce phénomène. Afin d'y parvenir, il a été suggéré d'étudier une signature propre du mécanisme par lequel une telle transition procéderait: la décomposition spinodale. La signature de ce mécanisme est la production de fragments de tailles égales. La méthode proposée pour observer cette signature est celle des corrélations en charge à l'aide du calcul des probabilités intrinsèques. La 5ième campagne d'expériences du multidétecteur INDRA a été réalisée au GANIL afin d'obtenir la statistique nécessaire pour avoir un signal positif avec un niveau de confiance de 5σ. Les systèmes 124Xe+112Sn et 136Xe+124Sn ont été étudiés à 32 et 45 AMeV afin d'étudier l'influence du ratio N/Z sur la transition de phase dans les noyaux. La présence d'événements avec une distribution en charge très étroite, conformément à l'hypothèse d'une décomposition spinodale a été confirmée. L'impact de la densité neutronique sur la configuration de la voie de sortie des fragments, dans les collisions centrales a été mis en évidence : un système initialement riche en neutrons produit davantage de fragments et moins de particules qu'un système initialement pauvre. Finalement, une étude du ratio N/Z des fragments en fonction de leur énergie cinétique, dans le but d'obtenir une contrainte expérimentale sur l'énergie de symétrie est réalisée.

La décomposition rapide (t<10-21 seconde) du noyau en plusieurs fragments, appelée multifragmentation, est théoriquement associée à une transition de phase de type liquide-gaz. Depuis plusieurs années, les physiciens tentent d'observer une preuve expérimentale de ce phénomène. Afin d'y parvenir, il a été suggéré d'étudier une signature propre du mécanisme par lequel une telle transition procéderait: la décomposition spinodale. La signature de ce mécanisme est la production de fragments de tailles égales. La méthode proposée pour observer cette signature est celle des corrélations en charge à l'aide du calcul des probabilités intrinsèques. La 5ième campagne d'expériences du multidétecteur INDRA a été réalisée au GANIL afin d'obtenir la statistique nécessaire pour avoir un signal positif avec un niveau de confiance de 5σ. Les systèmes 124Xe+112Sn et 136Xe+124Sn ont été étudiés à 32 et 45 AMeV afin d'étudier l'influence du ratio N/Z sur la transition de phase dans les noyaux. La présence d'événements avec une distribution en charge très étroite, conformément à l'hypothèse d'une décomposition spinodale a été confirmée. L'impact de la densité neutronique sur la configuration de la voie de sortie des fragments, dans les collisions centrales a été mis en évidence : un système initialement riche en neutrons produit davantage de fragments et moins de particules qu'un système initialement pauvre. Finalement, une étude du ratio N/Z des fragments en fonction de leur énergie cinétique, dans le but d'obtenir une contrainte expérimentale sur l'énergie de symétrie est réalisée
The rapid decomposition (t<10-21 seconds) of a nucleus into multiple fragments, named multifragmentation, is associated to a liquid-gas phase transition. For many years, physicists have tried to obtain an experimental proof of this behaviour. It has been suggested that, to achieve this, one could observe the particular signature of the mechanism of such a transition: the spinodal decomposition, through the production of equal size fragments. A method is that of charge correlation using intrinsic probabilities. The 5th campaign for the INDRA multidetector which took place at GANIL was aimed at obtaining a high number of events, in order to sign the spinodal decomposition with a high confidence level. The chosen systems were 124Xe+112Sn and 136Xe+124Sn at beam energies of 32 and 45 AMeV. The acquired statistics allowed to confirm the existence of events with very narrow charge distributions, which agrees with the spinodal decomposition hypothesis. The study of 124,136Xe+112,124Sn at 32 and 45 AMeV shows the impact of neutron density on the exit channel: a neutron-rich system produces more fragments and fewer particles than a system initially neutron-poor. Finally, the modification on 27 modules from the INDRA multidetector allows the isotopic resolution of fragments up to oxygen (Z=8). This provides the information required for the study of the N/Z ratio of fragments versus their kinetic energy with the goal of obtaining an experimental constraint on the symmetry term of the equation of state

Cette thèse concerne l'étude des propriétés de champs scalaires classiques et quantiques en présence d'un environnement inhomogène et/ou dépendant du temps. Nous nous concentrerons sur des modèles pouvant être décrits, fondamentalement ou de manière effective, par un espace-temps courbe contenant un horizon des événements. Nous verrons en particulier comment une correspondance mathématique, provenant d'une symétrie de Lorentz effective à basse énergie, permet de relier les comportements des ondes dans un cadre non relativiste à la physique des trous noirs, quelles en sont les limites et dans quelle mesure les résultats ainsi obtenus sont og analogues fg à leurs pendants gravitationnels. Après un premier chapitre d'introduction rappelant quelques bases de relativité générale puis une dérivation de la radiation de Hawking et de la correspondance avec des systèmes non relativistes, je présenterai le détail de quatre travaux effectués durant ma thèse. Les autres articles écrits dans ce cadre sont résumés dans le dernier chapitre, précédant une conclusion générale. Mes collaborateurs et moi nous sommes concentrés sur trois aspects du comportement des champs près de l'analogue d'un horizon des événements dans des modèles avec une symétrie de Lorentz effective à basse énergie. Le premier concerne les effets non linéaires, cruciaux pour comprendre l'évolution de la radiation de Hawking ainsi que pour les réalisations expérimentales mais auparavant peu étudiés. Nous montrerons comment ceux-ci déterminent les possibles comportements aux temps longs pour des systèmes stables ou instables. Le second aspect a trait aux effets linéaires et quantiques, en particulier la radiation de Hawking elle-même, son devenir lorsque l'horizon est continûment effacé, ainsi que les diverses instabilités à même de survenir dans différents modèles. Enfin, nous avons participé à l'élaboration, à l'analyse et à l'étude d’expériences dites de og gravité analogue fg dans des condensats de Bose-Einstein et des systèmes hydrodynamiques ou acoustiques, dont je rapporte les principaux résultats
The present thesis deals with some properties of classical and quantum scalar fields in an inhomogeneous and/or time-dependent background, focusing on models where the latter can be described as a curved space-time with an event horizon. While naturally formulated in a gravitational context, such models extend to many physical systems with an effective Lorentz invariance at low energy. We shall see how this effective symmetry allows one to relate the behavior of perturbations in these systems to black-hole physics, what are its limitations, and in which sense results thus obtained are “analogous” to their general relativistic counterparts. The first chapter serves as a general introduction. A few notions from Einstein's theory of gravity are introduced and a derivation of Hawking radiation is sketched. The correspondence with low-energy systems is then explained through three important examples. The next four chapters each details one of the works completed during this thesis, updated and slightly reorganized to account for new developments which occurred after their publication. The other articles I contributed to are summarized in the last chapter, before the general conclusion. My collaborators and I focused on three aspects of the behavior of fields close to the (analogue) event horizon in models with an effective low-energy Lorentz symmetry. The first one concerns nonlinear effects, which had been given little attention in view of their crucial importance for understanding the evolution in time of Hawking radiation as well as for experimental realizations. We showed in particular how they determine the late-time behavior in stable and unstable configurations. The second aspect concerns linear and quantum effects. We studied the Hawking radiation itself in several models and what replaces it when continuously erasing the horizon. We also characterized and classified the different types of linear instabilities which can occur. Finally, we contributed to the design and analysis of “analogue gravity” experiments in Bose-Einstein condensates, hydrodynamic flows, and acoustic setups, of which I report the main results

Nous étudions les propriétés quantiques des images
optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ
électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que
mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche
multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode
de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque
de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire.

Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images
optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du
champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à
deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que
le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de
déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous
appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton
spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même
si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la
diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de
correlations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une
expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré
transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un
grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre
deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes
transverses.

Nous etudions les proprietes quantiques des images optiques. Sur le plan theorique, nous nous placons dans le plan transverse du champ electromagnetique pour definir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les detecteurs en optique. Nous montrons alors la necessite d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous elaborons une methode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs apres leur interaction avec un cristal non lineaire. Nous appliquons ces principes pour definir les limites de resolution dans les images optiques imposees par la mecanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuees par un detecteur a deux zones. Nous montrons alors, a la fois theoriquement et experimentalement, que le choix adequat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de deplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre cote, nous appliquons la methode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, systeme permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, meme si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des proprietes quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de correlations entre deux points transverses. Finalement, nous decrivons une experience realisee avec un oscillateur parametrique optique degenere transversalement, qui permet de faire osciller pour une meme longueur de cavite un grand nombre de modes transverses. La presence d'un cristal non lineaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.

La comprehension et la description de l'univers primordial necessitent la prise en compte de la relativite generale et de la mecanique quantique. Les effets quantiques en cosmologie peuvent etre separes en deux categories. Une premiere categorie correspond a une situation ou l'espace-temps doit etre quantifie dans sa totalite. C'est le domaine de la cosmologie quantique proprement dite qui se propose d'explorer la structure de l'espace-temps au voisinage de la singularite initiale (i. E. Big bang). Une seconde categorie correspond a une situation ou l'espace-temps de base est traite classiquement et ou seules les petites fluctuations de la metrique sont quantifiees. Ces perturbations sont a l'origine des grandes structures observees et des anisotropies du rayonnement de fond decouvertes par le satellite cobe (cosmic bacground explorer). Dans le cadre de la premiere categorie, les solutions avec changement de signature sont plus particulierement etudiees. Il est notamment montre que le caractere restrictif des conditions de jonction sur la surface de changement de signature limite beaucoup la pertinence de ces solutions. Les perturbations d'origine quantique et les contraintes imposees a la theorie par les donnees de cobe font l'objet de la seconde partie de ce travail doctoral. Il est prouve que la classe de modeles multidimensionnels (usuellement consideres dans les extensions du modele standard) compatible avec les observations est tres limitee

Nous considérons un ion hydrogénoïde (un noyau et un électron) en interaction avec le champ électromagnétique quantifié dans le modèle mathématique standard de l'électrodynamique quantique non relativiste. Plutôt que de supposer que le noyau est fixe, nous supposons seulement que le centre de masse de l'ion est confiné par un potentiel. Cette hypothèse est utilisée en physique théorique pour expliquer l'effet Lamb-Dicke. Dans un premier temps, à l'aide de conditions de liaison bien choisies, nous établissons l'existence d'un état fondamental pour l'opérateur Hamiltonien de Pauli-Fierz associé au modèle, sans condition sur la constante de couplage. Dans un second temps, en adaptant les techniques de V. Bach, J. Fröhlich et I. M. Sigal basées sur l'application d'un groupe de renormalisation, nous obtenons l'existence de résonances pour un modèle régularisé, en supposant cette fois-ci que la constante de couplage est suffisamment petite.

Les univers en expansion sont l'objet central de cette thèse. Tout d'abord, nous étudions la théorie quantique des champs dans le prototype de ces univers, à savoir l'espace-temps de de Sitter. En effet, les ( de la théorie des champs dans cet espace souffrent de toutes sortes de divergences infrarouges. Comment calculer correctement en présence de ces divergences et quel est leur sens ultime sont des questions centrales pour les cosmologistes. Nous étudions cette question en détail dans le cas de l'électrodynamique quantique. Nous étudions ensuite plusieurs aspects des théories de modification de la relativité générale. La principale motivation de ces théories est qu'élit donnent naturellement lieu à une phase d'expansion, soit dans l'univers primitif (inflation), soit aujourd'hui (énergie noire). Un trait caractéristique ces modèles est qu'ils conduisent à des théories avec des dérivées d'ordre supérieur, ce qui complique grandement leur analyse. Nous examinons l'équivalence de différentes formulations Hamiltoniennes de ces théories. Nous analysons ensuite les perturbations cosmologiques dans le cas d' modèle particulier, à savoir la gravité de Weyl, à nouveau dans le contexte des univers en expansion
Expanding spacetimes are the central object of this thesis. First, we investigate quantum field theory (QFT) in the prototype of these spacetimes, the de Sitter spacetime. In particular, QFT calculations in Sitter space are plagued by ail sorts of infrared divergences. How to correctly compute in presence of these divergences and vvhat they ultimately are central questions to cosmologists. We study this issue in detail for free electrodynamics. We then study several aspects of higher-derivatives theories of gravity whose major motivation is that they give rise quite naturally to an examine phase either in the early universe (inflation), either today (dark energy). We examine the equivalence of different Hamiltonian formulations of the theories. We also analyze cosmological perturbations of a special higher-derivative theory of gravity, namely Weyl gravity, again in the context expanding spacetimes

Cette thèse étudie l'amplification
d'une image par un processus paramétrique. Réaliser cette
amplification de manière continue nécessite de placer le milieu
paramétrique dans une cavité optique. En théorie, cette
amplification est sans bruit, et permet de générer des états
non-classiques du champ.

On étudie tout d'abord classiquement la propagation d'une image
dans un système paraxial, puis les cavités dégénérées
transversalement. On en déduit un formalisme permettant de décrire
la transmission d'une image à travers une cavité paraxiale
quelconque. Ce formalisme est illustré par l'étude théorique et
expérimentale de la transmission d'une image à travers une cavité
particulière : la cavité hémi-confocale. Une partie théorique
s'intéresse ensuite aux spécificités de l'amplification d'image.
L'amplificateur paramétrique en cavité sous le seuil
d'oscillation, connu pour générer du vide comprimé, peut également
amplifier un faible signal injecté. On montre l'apparition de
bruit supplémentaire sur le signal amplifié, spécifique à
l'amplification, dû au couplage au bruit de la pompe. On étudie
ensuite du point de vue quantique le comportement multimode
transverse d'un amplificateur paramétrique optique en cavité
hémi-confocale.

Enfin, une partie expérimentale étudie le comportement d'un
oscillateur paramétrique optique confocal au dessus du seuil et on
prouve qu'il produit des faisceaux non-classiques multimodes
transverses. On montre ensuite qu'il est possible d'amplifier de
manière sensible à la phase un signal dans cette même cavité sous
le seuil d'oscillation. Dans une seconde expérience en
configuration de double cavité hémi-confocale, plus stable, on
réalise la première amplification paramétrique multimode d'une
image en cavité.

Effets quantiques mésoscopiques d'ions de terres rares faiblement couplés. Quel peut-être l'apport d'ions de terres rares fortement dilués au magnétisme mésoscopique ? Ce travail décrit l'origine d'une dynamique quantique lente du renversement du moment magnétique d'un ion Ho$^(3+)$, en présence d'une forte anisotropie uniaxiale (retournement d'un aimant atomique par effet tunnel sous la barrière d'anisotropie). Dans le monocristal quadratique LiYF$_4$, les mécanismes de relaxation paramagnétique dus aux couplages spin-phonons sont inefficaces à très basse température, et l'allure singulière des cycles d'hystérésis observés à faible vitesse de balayage du champ appliqué selon l'axe de facile aimantation, en marches d'escalier, révèle un effet de mécanique quantique non stationnaire. Ces transitions non adiabatiques correspondent au retournement cohérent du moment électronique et du spin nucléaire d'un ion Ho$^(3+)$ quasi-isolé (couplage hyperfin fort). La dynamique quantique d'un centre tunnel est cependant rendue incohérente par de faibles couplages à l'environnement de spins nucléaires, ceux des ions diamagnétiques de la matrice d'accueil non magnétique. De plus, en présence d'un phénomène dit de goulot d'étranglement des phonons, l'allure des cycles mesurés est fortement modifiée à plus grande vitesse de balayage du champ. Des sauts supplémentaires, attribués à une dynamique quantique à plusieurs ions (relaxations croisées), apparaissent pour d'autres champs résonants. Une interprétation à deux ions démontre que des transitions de co-tunnel à deux ions et des transitions tunnel à un ion décalées par les interactions dipolaires dominent la relaxation dans ce régime tunnel, en accord avec des mesures de susceptibilité alternative à T>1.75K. Les ions dilués de terres rares constituent non seulement une alternative aux aimants moléculaires pour une compréhension plus approfondie du magnétisme mésoscopique, mais ils permettent aussi d'envisager sérieusement l'observation de la cohérence quantique en magnétisme ainsi que l'étude des phénomènes de dissipation/décohérence, notamment dus aux porteurs libres. En outre, la mise en évidence d'une dynamique quantique à plusieurs corps apporte des éléments nouveaux à l'étude de la nature des fluctuations quantiques dans des systèmes complexes, comme dans les verres de spins.

Nous avons étudié les mécanismes responsables de la perte de cohérence dans des boîtes quantiques uniques auto-organisées InAs/GaAs. Dans un premier temps, une étude sous excitation continue de ces systèmes nous a permis d'observer un signal de photoluminescence anti-Stokes c'est à dire de la photoluminescence à plus haute énergie que l'énergie d'excitation. l'étude de ce signal a mis en évidence l'existence d'un continuum d'états descendant depuis la couche de mouillage jusqu'aux transitions des boîtes. Ce continuum d'états couplé à la fois aux niveaux discrets des boîtes et au continuum bidimensionnel de la couche de mouillage est en fait une propriété intrinsèque de ces systèmes car il provient de l'existence de transitions mixtes entre un état discret de la boîte et un état du continuum de la couche de mouillage. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de cohérence des excitations électroniques grâce à des mesures de largeur spectrale des transitions. Pour atteindre la résolution nécessaire à cette étude, nous avons mis au point un dispositif de spectroscopie de la photoluminescence par transformée de Fourier. La résolution ainsi atteinte est de 0,5 microeV. Nous avons alors mis en évidence que, pour les transitions excitées des boîtes, le couplage aux phonons acoustiques, contrairement aux prédictions théoriques de goulot d'étranglement de phonons, est très efficace, aussi efficace que dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette efficacité est due à la présence du continuum des états mixtes mentionné précédemment. A l'inverse, la transition fondamentale des boîtes présente bien une inhibition du couplage aux phonons acoustiques pour des boîtes dont la transition fondamentale est bien isolée énergétiquement de ce même continuum. Enfin, nous avons montré qu'une excitation non-résonante des boîtes est responsable d'un élargissement des transitions et qu'une excitation résonante permet de limiter les interactions des boîtes avec leur environnement pour atteindre la limite ultime d'un temps de décohérence limité par le temps de vie radiatif.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un effort de recherches, actuellement mene, visant a la comprehension des mecanismes de transport et a leur exploitation dans de nouveaux composants pour lesquels les effets quantiques sont preponderants. Dans ce contexte, nous avons etudie les proprietes du transport balistique dans des nanostructures unidimensionnelles elaborees a partir d'heterostructures de semiconducteurs algaas/gaas. Nous avons observe sur des fils quantiques le phenomene, maintenant bien connu, de la quantification de la conductance en fonction de l'energie de fermi ou de la largeur du canal. L'ajout d'un bras de propagation de longueur variable (c'est-a-dire un elargissement du fil a une abscisse donnee) permet de moduler les parcours des electrons et d'agir ainsi sur les differences de phase entre les ondes electroniques. A l'aide d'un modele, nous montrons que la presence de ce bras est a l'origine d'oscillations qui se superposent aux marches de conductance quand les dimensions du canal sont modifiees par une tension de grille. Ces predictions sont confirmees par des resultats experimentaux et les structures observees dans le profil de transmission peuvent etre definitivement attribuees aux interferences quantiques dans le regime balistique, notamment grace a des mesures en champ magnetique faible. Nous nous proposons ensuite de tirer parti des specificites de certains de ces composants en elaborant un projet d'application aux convertisseurs analogiques-digitaux. Dans la deuxieme partie de ce travail, nous etudions des transistors a effet de champ composes de fils quantiques en parallele dans lesquels on s'attend a une meilleure transconductance que dans les structures bidimensionnelles. Il est montre que cette amelioration est conjointement due a une mobilite plus elevee et a un meilleur controle de charges. Des confirmations experimentales en regime lineaire et en regime de saturation sont donnees et les limitations de tels systemes sont enumerees

Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux.
Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante.
Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.

L'avènement d'une nouvelle génération de lasers ultra-relativistes (d'éclairement supérieur à 10^22 W/cm2), tels le laser APOLLON sur le plateau de Saclay, donnera lieu à un régime d'interaction laser-matière sans précédent, couplant physique des plasmas relativistes et effets électrodynamiques quantiques. Sources de particules et de rayonnements aux propriétés énergétiques et spatio-temporelles inédites, ces lasers serviront, entre autres applications, à la mise au point de nouveaux concepts d'accélérateurs et de diagnostics radiographiques, au chauffage de plasmas denses, comme à la reproduction de configurations astrophysiques en laboratoire. En prévision des futures expériences, les codes particle-in-cell (PIC), qui constituent les outils de référence pour la simulation de l'interaction laser-plasma, doivent être enrichis des processus radiatifs et quantiques propres à ce nouveau régime d'interaction. C'est le cas du code CALDER développé au CEA/DAM, qui modélise désormais l'émission de photons énergétiques et la conversion de ceux-ci en paires électron-positron ; autant d'effets susceptibles d'affecter le bilan d'énergie de l'interaction laser-cible et, plus précisément, le rendement du laser en particules et rayonnements énergétiques. L'objet de ce stage théorique est d'étudier, à l'aide du code CALDER, l'influence de ces processus dans un certain nombre de scénarios physiques en champ extrême (accélération électronique et ionique dans un plasma surcritique, production de rayonnement, génération de choc non-collisionnel…)
Forthcoming multi-petawatt laser systems, such as the French Apollon and European Extreme Light Infrastructure facilities, are expected to deliver on-target laser intensities exceeding 10^22 W/cm^2. A novel regime of laser-matter interaction will ensue, where ultra-relativistic plasma effects are coupled with copious generation of high-energy photons and electron-positron pairs. This will pave the way for many transdisciplinary applications in fundamental and applied research, including the development of unprecedentedly intense, compact particle and radiation sources, the experimental investigation of relativistic astrophysical scenarios and tests of quantum electrodynamics theory.In recent years, most theoretical studies performed in this research field have focused on the impact of synchrotron photon emission and Breit-Wheeler pair generation, both directly induced by the laser field and believed to be dominant at intensities >10^22 W/cm^2. At the lower intensities (≲10^21 Wcm^(-2)) currently attainable, by contrast, photon and pair production mainly originate from, respectively, Bremsstrahlung and Bethe-Heitler/Trident processes, all triggered by atomic Coulomb fields. The conditions for a transition between these two regimes have, as yet, hardly been investigated, particularly by means of integrated kinetic numerical simulations. The purpose of this PhD is precisely to study the aforementioned processes under various physical scenarios involving extreme laser-plasma interactions. This work is carried out using the particle-in-cell CALDER code developed at CEA/DAM which, over the past few years, had been enriched with modules describing the synchrotron and Breit-Wheeler processes.Our first study aimed at extending the simulation capabilities of CALDER to the whole range of photon and positron generation mechanisms arising during relativistic laser-plasma interactions. To this purpose, we have implemented modules for the Coulomb-field-mediated Bremsstrahlung, Bethe-Heitler and Trident processes. Refined Bremsstrahlung and Bethe-Heitler cross sections have been obtained which account for electronic shielding effects in arbitrarily ionized plasmas. Following validation tests of the Monte Carlo numerical method, we have examined the competition between Bremsstrahlung/Bethe-Heitler and Trident pair generations by relativistic electrons propagating through micrometer copper foils. Our self-consistent simulations qualitatively agree with a 0-D theoretical model, yet they show that the deceleration of the fast electrons due to target expansion significantly impacts pair production.We then address the competition between Bremsstrahlung and synchrotron emission from copper foils irradiated at 10^22 Wcm^(-2). We show that the maximum radiation yield (into >10 keV photons) is achieved through synchrotron emission in relativistically transparent targets of a few 10 nm thick. The efficiency of Bremsstrahlung increases with the target thickness, and takes over synchrotron for >2μm thicknesses. The spectral properties of the two radiation processes are analyzed in detail and correlated with the ultrafast target dynamics.Finally, we investigate the potential of nanowire-array targets to enhance the synchrotron yield of a 10^22 Wcm^(-2) femtosecond laser pulse. Several radiation mechanisms are identified depending on the target parameters and as a function of time. A simulation scan allows us to identify the optimal target geometry in terms of nanowire width and interspacing, yielding a ∼10% radiation efficiency. In this configuration, the laser-driven nanowire array rapidly expands to form a quasi-uniform, relativistically transparent plasma. Furthermore, we demonstrate that uniform sub-solid targets can achieve synchrotron yields as high as in nanowire arrays, but that the latter enable a strong emission level to be sustained over a broader range of average plasma density

Nous présentons une étude expérimentale des effets quantiques dans deux systèmes de spins réalisée avec un magnétomètre à SQUID couplé à une dilution. Ce système expérimental permet des mesures en champ fort (8 Tesla) et à très basses températures (70 mK). La partie principale de ce travail est centrée sur l'effet tunnel du spin dans un aimant moléculaire Fe8. Ce composé est un assemblage tridimensionnel régulier d'aimants nanoscopiques identiques de spin S=10. Nous présentons une étude détaillée du régime de température [70 mK, 1. 8 K] et caractérisons une compétition entre effets tunnels thermiquement activé et purement quantique. Nous mettons en évidence l'existence d'un nouvel état d'équilibre pour le système. Celui-ci est dépendant du champ magnétique. Il s'établit à partir de T=1 K et persiste jusqu'à 70 mK. La seconde partie est consacrée à une chaîne de spins S=1 en interaction antiferromagnétique. Le composé pur, Y2BaNiO5, présente un gap de Haldane. Nous proposons une étude de l'influence du dopage non-magnétique en zinc sur la physique de ce composé aux plus basses températures. L'introduction de ces défauts génère des spins non compensés permettant des corrélations entre chaînes. L'état fondamental résultant est une coexistence entre dimères non magnétiques et de l'antiferromagnétisme. Nous montrons que le composé pur présente des défauts intrinsèques et présentons une description quantitative des défauts dans les échantillons dopés. Pour T<200 mK, nous mettons en évidence la possibilité d'une température de Néel dépendante du dopage, en accord avec un modèle en champ moyen.

Dans la premiere partie de la these on etend les resultats de sigal, soffer et graf sur la completude asymptotique pour des systemes quantiques a n-corps a interactions a courte-portee en eliminant toutes les conditions de decroissance sur les derivees des perturbations. On trouve aussi une large classe de hamiltoniens auto-adjoints verifiant le theoreme de propagation a vitesse maximale. Dans la deuxieme partie on etudie les proprietes de propagation pour des pseudo-resolvantes associees a un hamiltonien a n-corps a potentiels infinis sur un compact de l'espace des configurations (probleme a n-corps a noyaux durs) ; on demontre l'existence et la completude asymptotique des operateurs d'onde construits en termes de pseudo-resolvantes et on montre que le principe d'invariance est valable pour des operateurs construits avec des limites abeliennes absolues

Le but de cette thèse est de décrire l'impact des fluctuations thermiques quantiques sur les spectres XANES et RMN du solide, à l'aide d'une étude conjointe expérimentale et théorique. Ce projet comporte deux volets. D'une part, il s'agit d'acquérir des données expérimentales de très bonne qualité, afin d'observer et comprendre l'influence des vibrations quantiques dans les oxydes d'éléments légers. D'autre part, un modèle théorique est mis en place afin de reproduire les effets observés expérimentalement et décrire leur origine d'un point de vue fondamental. L'approche théorique développée est fondée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Dans le cadre de l'approximation de Born-Oppenheimer et de l'approximation quasi-harmonique, les fluctuations thermiques de nature quantiques sont modélisées en générant des configurations atomiques obéissant à la statistique quantique à température finie. Les spectres XANES et paramètres RMN sont, par la suite, calculés dans ces configurations et les résultats moyens sont comparés aux données spectroscopiques à température finie. Cette approche a été validée par une étude menée dans une série d'oxydes d'éléments légers, où les résultats se sont avérés être en excellent accord avec les données expérimentales originales que nous avons enregistrées. En outre, il est montré que les fluctuations quantiques des noyaux ne jouent pas le même rôle selon la symétrie locale du site atomique sondé
In this thesis the impact of quantum thermal fluctuations on XANES and solid-state NMR spectra is described using an experimental and theoretical joint study. This project has two components. First, high-quality experimental data are acquired in order to observe and understand the influence of quantum vibrations in light-elements oxides. Second, a theoretical model is set up to reproduce the effects observed experimentally and describe their origin from a fundamental point of view. The developed theoretical approach is based on the density-functional theory. Within the Born-Oppenheimer and quasiharmonic approximations, the quantum thermal fluctuations of nuclei are modeled by generating atomic configurations obeying quantum statistics at finite temperature. The XANES spectra and NMR parameters are subsequently calculated in these configurations and the average results are compared with spectroscopic data at finite temperature. This approach has been validated by a joint theoretical-experimental study conducted in a series of light-element oxides, where the results were found to be in excellent agreement with the original experimental data. In addition, it is shown that the impact of the quantum fluctuations of the nuclei is influenced by the local symmetry of the probed atomic site

Le but de cette thèse est de décrire l'impact des fluctuations thermiques quantiques sur les spectres XANES et RMN du solide, à l'aide d'une étude conjointe expérimentale et théorique. Ce projet comporte deux volets. D'une part, il s'agit d'acquérir des données expérimentales de très bonne qualité, afin d'observer et comprendre l'influence des vibrations quantiques dans les oxydes d'éléments légers. D'autre part, un modèle théorique est mis en place afin de reproduire les effets observés expérimentalement et décrire leur origine d'un point de vue fondamental. L'approche théorique développée est fondée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Dans le cadre de l'approximation de Born-Oppenheimer et de l'approximation quasi-harmonique, les fluctuations thermiques de nature quantiques sont modélisées en générant des configurations atomiques obéissant à la statistique quantique à température finie. Les spectres XANES et paramètres RMN sont, par la suite, calculés dans ces configurations et les résultats moyens sont comparés aux données spectroscopiques à température finie. Cette approche a été validée par une étude menée dans une série d'oxydes d'éléments légers, où les résultats se sont avérés être en excellent accord avec les données expérimentales originales que nous avons enregistrées. En outre, il est montré que les fluctuations quantiques des noyaux ne jouent pas le même rôle selon la symétrie locale du site atomique sondé
In this thesis the impact of quantum thermal fluctuations on XANES and solid-state NMR spectra is described using an experimental and theoretical joint study. This project has two components. First, high-quality experimental data are acquired in order to observe and understand the influence of quantum vibrations in light-elements oxides. Second, a theoretical model is set up to reproduce the effects observed experimentally and describe their origin from a fundamental point of view. The developed theoretical approach is based on the density-functional theory. Within the Born-Oppenheimer and quasiharmonic approximations, the quantum thermal fluctuations of nuclei are modeled by generating atomic configurations obeying quantum statistics at finite temperature. The XANES spectra and NMR parameters are subsequently calculated in these configurations and the average results are compared with spectroscopic data at finite temperature. This approach has been validated by a joint theoretical-experimental study conducted in a series of light-element oxides, where the results were found to be in excellent agreement with the original experimental data. In addition, it is shown that the impact of the quantum fluctuations of the nuclei is influenced by the local symmetry of the probed atomic site

Dans cette thèse, nous utilisons le Kicked Rotor, paradigme du chaos quantique, pour d’étudier certains aspects nouveaux de de la physique des systèmes désordonnés. Nous apportons ainsi la première observation expérimentale, avec des ondes de matières atomiques, d’un phénomène lié à la localisation faible qui est l’augmentation de la probabilité de retour à l’origine. Nous montrons également que ce phénomène peut être utilisé comme outil précis de diagnostique de la décohérence dans le système. Nous présentons une nouvelle méthode expérimentale, pour contrôler les propriétés de symétries du Kicked Rotor. Cela nous permet de créer un système désordonné dans lesquel il existe un flux Aharonov-Bohm artificiel non trivial dans une dimension synthétique. Cela nous offre l’opportunité de briser la symétrie par renversement du temps et d’étudier la physique de la localisation d’Anderson dans deux classes d’universalités différentes : la classe orthogonale et la classe unitaire. Nous avons investigué l’effet de cette brisure de symétrie sur les propriétés des systèmes désordonnés 1D en regardant deux signatures du transport quantique.Nous observons ainsi pour la première fois expérimentalement, l’effet de Coherent Forward Scattering, récemment prédit, qui constitue un nouveau marqueur interférientiel de la localisation d’Anderson. Nous mettons en évidence ses signatures caractéristiques et nous trouvons qu’elles sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Enfin, nous réalisons les premières mesures expérimentales des fonctions d’échelles (G), dans les deux classes de symétries et nous démontrons leur universalité
In this thesis, we use the Kicked Rotor, paradigm of quantum chaos, to study new physical aspects of disordered systems.We thus present the first experimental observation with atomic matter wave of a phenomenon directly linked to weak localization which is the Enhanced Return to the Origin. We show that this effect can be used as a tool to measure accuratly the decoherence in the system. We present a novel, outstandingly simple, experimental method to control symmetry properties of the Kicked Rotor. This allows us to study a disordered system in presence of a non-trivial artificial Aharonov-Bohm flux in a synthetic dimension. This gives us the opportunity to break the time reversal symmetry and then to study the physics of Anderson localization in two different symmetry classes : the orthogonal class and the unitary class. We have investigated the effect of this symmetry breaking on physical properties of 1D disordered systems by looking two signatures of quantum transport. We observe thus experimentally, for the first time, the Coherent Forward Scattering effect, predicted recently and which represents a novel genuine signature of Anderson localization. We show its distinctive signatures and a good agreement with theoretical predictions. Finally, we realise the first experimental measurements of the (G) scaling function, characteristic of transport in disordered medium, in two symmetry classes and we demonstrate their universality

Un défi mondial fondamental est de développer des technologies peu coûteuses et stables pour récolter efficacement l'énergie solaire et la transformer en formes pratiques. Ainsi pour la conversion photovoltaïque plusieurs générations de cellules solaires ont émergé. En général, on peut diviser les types existants de cellules solaires en deux classes distinctes: les photovoltaïques inorganiques conventionnels (IPV), comme les jonctions silicium p-n, et les cellules solaires excitoniques (XSCs). Selon le type de matériaux utilisés les cellules solaires excitoniques sont classées en deux catégories: les cellules solaires à colorant (DSC) et les cellules organiques (OPV) développées en couche unique, ou en bi-couche, et les hétérojonction en volume (BHJ). Les cellules solaires à base de points quantiques (QDSC) sont un autre type de cellules solaires qui ont une configuration similaire aux DSCs ou OPVs.Bien que la performance des cellules solaires excitoniques ait été un thème central de la communauté scientifique pendant de nombreuses années, des approches théoriques facilitant sa compréhension sont nécessaires. Les théories semi-classiques son inadaptées pour traiter les phénomènes quantiques dans les cellules solaires nano-structurées. De plus, en raison de l'attraction coulombienne entre les porteurs photo-générés, l'application du formalisme de la fonction de Green hors équilibre (NEGF) pose certaines difficultés. Par conséquent, dans cette thèse, nous développons un nouveau formalisme quantique, basé sur la théorie de la diffusion quantique et sur l'équation de Lippmann-Schwinger, pour fournir un cadre complet pour comprendre les processus fondamentaux intervenant dans le fonctionnement des cellules solaires excitoniques.En particulier, nous nous concentrons sur des aspects qui ont été peu pris en compte dans le passé et nous abordons, au travers d’un modèle à deux niveaux, l'interaction Coulombienne électron-trou à courte et à longue portée, la recombinaison électron-trou, l'existence de canaux d'évacuation supplémentaires, le couplage électron phonon et la formation de bandes polaroniques.Ici, les cellules solaires excitoniques à deux niveaux sont considérées dans les régimes permanents et transitoires d'injection de charge. Les photocellules moléculaires où le processus de conversion de l'énergie se déroule dans un seul complexe donneur-accepteur moléculaire attaché aux électrodes sont considérées comme étant représentatives des XSC dans le régime permanent. A titre d'exemple pour les dispositifs photovoltaïques dans le régime transitoire, nous considérons les cellules photovoltaïques organiques hétéro-jonctions massives (BHJ OPV) qui sont l'approche la plus courante des OPV et se composent d'espèces mixtes donneuses et accepteuses. Dans ces systèmes, l'exciton créé par l'absorption des photons dans le côté donneur doit atteindre d'abord l'interface donneur-accepteur. A partir de ce moment, seulement un régime transitoire commence où les charges peuvent être séparées et injectées dans leurs côtés respectifs.Nous démontrons que la séparation du porteur de charge est un processus complexe qui est affecté par différents paramètres, tels que la force de l'interaction électron-trou et le taux de recombinaison non radiative. En outre, en fonction de la structure de la cellule, l'interaction électron-trou peut normalement diminuer ou augmenter anormalement l'efficacité. Le modèle proposé aide à comprendre les mécanismes des cellules solaires excitoniques, et il peut être utilisé pour optimiser leur rendement
A fundamental global challenge is to develop an inexpensive, stable and scalable technology for efficiently harvesting solar photon energy and converting it into convenient forms. Photovoltaic energy conversion is attracting great attention such that several generations of solar cells have emerged. The existing types of solar cells roughly fall into two distinct classes: conventional inorganic photovoltaics (IPVs), such as silicon p-n junctions, and excitonic solar cells (XSCs). The mechanistic distinction of IPVs and XSCs results in fundamental differences in their photovoltaic behavior.According to the type of materials used in their structure, excitonic solar cells are classified into two categories: dye-sensitized solar cells (DSC) and organic photovoltaics (OPV) developed in single-layer and bi-layer including planar and bulk hetero--junction configurations. Quantum dot solar cells (QDSC) are another type of solar cells that have a similar configurations to DSCs or OPVs.While understanding the performance of excitonic solar cells has been a central effort of the scientific community for many years, theoretical approaches facilitating the understanding of electron-hole interaction and recombination effects on the cell performance are needed. Semiclassical theories are inefficient tools to treat quantum phenomena in nano-structured solar cells, and on the other hand, due to the Coulomb attraction between the photo generated carriers, the application of standard Non-Equilibrium Green Function (NEGF) formalism presents some difficulties although some specific methods allow to circumvent this problem.In this thesis we develop a new quantum formalism, which is based on quantum scattering theory and on the Lippmann-Schwinger equation, to provide a comprehensive framework for understanding the fundamental processes taking place in the operation of excitonic solar cells. Considering simple two-level models we address important effects such as the short--range and long--range electron--hole Coulomb interaction, the electron--hole recombination, the existence of extra evacuation channels, and the electron--phonon coupling and polaronic bands formation.Here, the two-level excitonic solar cells are considered in the permanent and transitory regimes of charge injection. The molecular photocells where the energy conversion process takes place in a single molecular donor-acceptor complex attached to electrodes are considered as a representative of XSCs in the permanent regime. As an example for the photovoltaic devices in the transitory regime, we consider the bulk hetero--junction organic photovoltaic cells (BHJ OPVs) which are the most common approach to OPVs and consists of mixed donor and acceptor species that form interpenetrating connective networks. In these systems the exciton created by the photon absorption in the donor side must reach first the donor--acceptor interface. From this moment only a transitory regime begins where the charges can be separated and injected in their respective sides.We demonstrate that the charge carrier separation is a complex process that is affected by different parameters, such as the strength of the electron--hole interaction and the non--radiative recombination rate. Furthermore, depending on the cell structure, the electron-hole interaction can normally decrease or abnormally increase the cell efficiency. The proposed model helps to understand the mechanisms of excitonic solar cells, and it can be used to optimize their yield

Ce travail detaille les proprietes electroniques d'echantillons semiconducteurs de basse dimensionalite constitues par des puits quantiques gaas-(gaal)as epitaxies selon la direction 311. Une analyse theorique de la structure electronique de ces echantillons a ete developpee, en utilisant le modele des fonctions enveloppes. Ce modele a permis d'interpreter les etats electroniques dans nos echantillons et de suivre leurs evolutions ou melanges lorsque la symetrie cristalline est reduite par application de diverses perturbations mecaniques telles que contrainte uniaxiale, biaxiale ou pression hydrostatiques. Des mesures experimentales ont ete realisees dans un deuxieme temps et l'accord theorie experience s'est avere excellent ce qui justifie a posteriori l'utilisation du formalisme des fonctions enveloppes pour decrire les etats quantiques dans les semiconducteurs de basse dimensionnalite

Dans une première partie nous explorerons les effets d'impuretés désordonnées et paramagnétiques sur l'effet spin-Hall intrinsèque dans un gaz d'électrons bi-dimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. A faible désordre, la conductivité de spin-Hall reste proche de sa valeur d'échantillon pur, comme le montrent un calcul analytique de réponse linéaire et une étude numérique. De fortes fluctuations sont toutefois observées, elles augmentent avec l'importance du désordre. Pour caractériser la dynamique d'un paquet d'onde sur un réseau, nous mesurons sa taille, le taux de participation inverse, et sa dimension de corrélation. Le système subit une transition de localisation à une valeur critique du désordre. Dans le régime localisé, la densité locale d'états n'est plus uniforme et ne coïncide plus avec la densité totale d'états. Une corrélation antiferromagnétique entre les impuretés et les électrons de conduction est observée. Après la transition de localisation, la conductivité de spin augmente significativement. La première correction quantique dans le formalisme de réponse linéaire, contribue positivement à la conductivité de spin-Hall. Dans une seconde partie, le modèle de Hubbard avec double échange avec corrélations électroniques est étudié par la méthode du champ moyen dynamique (DMFT) dans l'approximation de non-croisement pour la résolution du problème d'impureté (NCA). Autour du quart remplissage, un polaron orbital est observé et décrit à l'aide d'un Hamiltonien effectif. Le double échange dans les semi-conducteurs magnétiques dilués est étudié dans l'approximation du potentiel cohérent (CPA)
Spintronics is a research area that is concerned with the storage and transfer of information by means of electron spins. In the first part we investigated the intrinsic spin Hall effect in the presence of disordered magnetic impurities in a paramagnetic state in a two dimensional electron gas with Rashba spin-orbit coupling. In the presence of weak magnetic disorder the spin Hall conductivity stays close to its universal (clean system) value, as shown by analytical linear response calculations and numerical simulations. Heavy spin conductivity fluctuations are observed, that increase with disorder strength. To investigate the spreading of a wavepacket on a lattice we measure the wavepacket width, the inverse participation ratio and the (2)-fractal dimension. It is shown the system undergoes a localization transition at a critical disorder strength. In the localized regime the local density of states is not uniform anymore. An anti-ferromagnetic correlation between electron spins and impurity magnetic moments is observed. Beyond the localization transition the spin conductivity increases significantly. The first quantum (Cooperon) corrections in the linear response formalism are shown to contribute positively to the spin Hall conductivity. In the second part the double exchange Hubbard model for correlated electron systems is studied using dynamical mean field theory (DMFT) with the non-crossing approximation (NCA). Around quarter filling an orbital polaron is observed, numerically and in an effective Hamiltonian. Double exchange in dilute magnetic semiconductors is studied using the coherent potential approximation (CPA)

Dans une première partie nous explorerons les effets d'impuretés désordonnées et paramagnétiques sur l'effet spin-Hall intrinsèque dans un gaz d'électrons bi-dimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. A faible désordre, la conductivité de spin-Hall reste proche de sa valeur d'échantillon pur, comme le montrent un calcul analytique de réponse linéaire et une étude numérique. De fortes fluctuations sont toutefois observées, elles augmentent avec l'importance du désordre. Pour caractériser la dynamique d'un paquet d'onde sur un réseau, nous mesurons sa taille, le taux de participation inverse, et sa dimension de corrélation. Le système subit une transition de localisation à une valeur critique du désordre. Dans le régime localisé, la densité locale d'états n'est plus uniforme et ne coïncide plus avec la densité totale d'états. Une corrélation antiferromagnétique entre les impuretés et les électrons de conduction est observée. Après la transition de localisation, la conductivité de spin augmente significativement. La première correction quantique dans le formalisme de réponse linéaire, contribue positivement à la conductivité de spin-Hall. Dans une seconde partie, le modèle de Hubbard avec double échange avec corrélations électroniques est étudié par la méthode du champ moyen dynamique (DMFT) dans l'approximation de non-croisement pour la résolution du problème d'impureté (NCA). Autour du quart remplissage, un polaron orbital est observé et décrit à l'aide d'un Hamiltonien effectif. Le double échange dans les semi-conducteurs magnétiques dilués est étudié dans l'approximation du potentiel cohérent (CPA)
Spintronics is a research area that is concerned with the storage and transfer of information by means of electron spins. In the first part we investigated the intrinsic spin Hall effect in the presence of disordered magnetic impurities in a paramagnetic state in a two dimensional electron gas with Rashba spin-orbit coupling. In the presence of weak magnetic disorder the spin Hall conductivity stays close to its universal (clean system) value, as shown by analytical linear response calculations and numerical simulations. Heavy spin conductivity fluctuations are observed, that increase with disorder strength. To investigate the spreading of a wavepacket on a lattice we measure the wavepacket width, the inverse participation ratio and the (2)-fractal dimension. It is shown the system undergoes a localization transition at a critical disorder strength. In the localized regime the local density of states is not uniform anymore. An anti-ferromagnetic correlation between electron spins and impurity magnetic moments is observed. Beyond the localization transition the spin conductivity increases significantly. The first quantum (Cooperon) corrections in the linear response formalism are shown to contribute positively to the spin Hall conductivity. In the second part the double exchange Hubbard model for correlated electron systems is studied using dynamical mean field theory (DMFT) with the non-crossing approximation (NCA). Around quarter filling an orbital polaron is observed, numerically and in an effective Hamiltonian. Double exchange in dilute magnetic semiconductors is studied using the coherent potential approximation (CPA)

Le but de cette thèse est d'améliorer la prise en compte des effets de solvant dans les calculs quantiques faisant appel au modèle à cavité. Deux améliorations sont apportées: la première consiste à définir une cavité rendant convenablement compte des caractéristiques géométriques du soluté et la deuxième à introduire une représentation multicentrique de la distribution de charges moléculaires globales. Ce nouveau formalisme est ensuite implanté dans les procédures SCRF (self consistent reaction field), d'une part, et d'optimisation de géométrie, d'autre part. Finalement, dans le cadre des calculs ab initio, l'introduction des termes de cavitation et de dispersion dans l'évaluation de l'énergie de perturbation donne lieu à un dernier perfectionnement

Cette thése porte sur l'étude des relations entre la symétrie des boîtes quantiques de semiconducteur auto-assemblées III-V et II-VI (QDs, anglais quantum dots) et leurs propriétés optiques. L' intrication de polarisation d'une paire de photon émise dans la cascade biexciton-exciton d'une boîte quantique d'InGaAs a été récemment démontrée par deux groupes [1, 2]. En principe, l'éclatement de structure fine (FSS, anglais fine structure splitting) du niveau fondamental d'un exciton neutre, qui caractérise l'anisotropie native des boîtes quantiques, doit être inférieur à la largeur des raies radiatives. Dans le cas contraire, la collection de photons intriquées nécessite une post-sélection draconienne, qui réduit fortement l'effcacité d'une telle source [2]. Une technique fiable permettant un tel contrôle de la structure fine est fortement souhaitable afin d'envisager de futures applications des boîtes quantiques comme source des photons intriqués en polarisation. Dans ce but, l'application d'une perturbation externe semble être une technique très prometteuse. Différentes stratégies pour lutter contre cette levée de dégénérescence ont été abordées par divers groupes de recherche ces derniµeres années : (i) effectuer un traitement post-croissance tel qu'un recuit pour modifier les propriétés structurale des boîtes [3, 4]), (ii) appliquer une perturbation externe comme par exemple une contrainte uni-axiale [5], en vue de compenser l'anisotropie, (iii) chercher à produire une dégénérescence fortuite en appliquant un champ magnétique transverse [6]. C'est cette dernière méthode qui en 2006 a donné les résultats les plus probants, en démontrant le contrôle du degré d'intrication des photons émis par une boîte quantique unique. C'est donc dans un contexte d'intense compétition internationale que nos propres travaux ont été menés. Nous nous sommes concentrés sur l'exploration de deux effets: (i) la déformation par un champ électrique externe de la fonction d'onde des excitons de boîtes quantique [7], (ii) le déplacement Zeeman des niveaux excitoniques par un champ magnétique transverse pouvant conduire µa une dégénérescence accidentelle des deux niveaux d'exciton [8].
Le premier Chapitre 1 (Introduction: quantum dots for entangled photons emission) sert à introduire brièvement les propriétés fondamentales des boîtes quantiques de semiconducteur. Nous donnerons une description simple de leurs états électroniques, suffisantes pour discuter les propriétés optiques de ces objets et bien comprendre le rôle que joue l'anisotropie des boîtes. En particulier la levée de dégénérescence des niveaux excitoniques sera décrite ainsi que ses conséquences pour l'émission de photons intriqués en polarisation.
Dans le Chapitre 2 (Samples and Experimental setups) nous décrirons les échantillons de boîtes quantiques étudiés au cours de cette thèse, à savoir des boîtes InAs/GaAs et CdTe/ZnTe. Nous présenterons les procédés technologiques utilisés pour réaliser des structures à effet de champ en vue de l'application d'un champ électrique. Enfin les différents montages expérimentaux de micro-photoluminescence seront détaillés.
Dans la partie suivante (Chapitre 3, Influence of electric field on quantum dots) nous présenterons des résultats de spectroscopie de boîtes quantiques individuelles dans un champ électrique. La levée de dégénérescence des excitons est reliée µa l'interaction anisotrope d'échange entre électron et trou laquelle dépend sensiblement de la forme de la fonction d'onde excitonique. Un champ électrique semble être un bon moyen pour modifier cette dégénérescence et donc éventuellement l'annuler. Le champ est d'abord appliqué dans le plan des boîtes, géométrie qui semble la plus propice à changer la symétrie des fonction d'ondes. Selon la direction du champ par rapport aux axes principaux des boîtes il devrait être possible d'augmenter ou diminuer le FSS. Par la technologie de contacts sur des matériaux d'III-V (structures de diode n-Schottky et Schottky-Schottky) il nous a été possible d'appliquer le champ électrique avec succµes sur des boîes quantiques. Des changements systématiques de l'anisotropie optique de la luminescence étaient obtenus [7]. Ceux-ci sont le fruit de deux effets concurrents : la modification prévue de la symétrie des fonction d'ondes et la modification du recouvrement des fonctions d'onde d'électron et trou. Le dernier effet devrait toujours mener a la réduction de l'interaction d'échange. Afin d'estimer sa valeur nous avons exécuté des expériences dans une configuration de champ électrique parallèle à la direction
de croissance des QDs. Dans cette configuration le champ ne semble pas devoir modifier significativement la symétrie des fonctions d'ondes pour un électron et un trou. Les changements de structure fine devraient être provoqués principalement par la séparation spatiale des porteurs. Les variations observées dans le champ vertical étaient plus petites que pour la configuration dans le plan, ce qui confirme notre hypothµese. Mais pour autant, l'asymétrie observée en renversant le sens du champ électrique indique aussi que le champ vertical produit un effet sur la symétrie des excitons [9]. Ceci se comprend assez bien car le champ électrique vertical déplace les porteurs par rapport aux régions de forte anisotropie des boîtes quantiques situées au dessus et au dessous du coeur de la boîte.
Les changements de FSS dans le champ horizontal qui on été obtenus, sont relativement grands (comparable au décalage Stark), mais l'utilité de cette méthode reste limitée par la diminution d'intensité (due à la séparation spatiale des porteurs, et à leur ionisation hors des boîtes par échappement tunnel). Toutefois, l'annulation complète de la structure vine a été observée sur quelques boîtes quantiques possédant une anisotropie initiale faible.
D'autres mesures sur les complexes excitoniques tels que biexciton et trions nous ont permis de déterminer la position spatiale relative d'un électron et d'un trou à l'intérieur d'une boîte [9]. Les études de l'influence du champ électrique sur les propriétés optiques de boîtes II-VI ont été limitées à des observations liées aux fluctuations de champs électriques locaux, responsables de variations noncontrôlées de la structure fine excitonique [10].
Le Chapitre 4 (Influence of magnetic field on quantum dots) est consacré à la description de l'influence du champ magnétique externe sur l'émission des boîtes. Pour des boîtes II-VI, la technologie de fabrication d'électrodes n'étant pas disponible, l'application d'un champ magnétique mérite vraiment d'être explorer. Nous avons expérimentalement observé que pour des boîtes CdTe/ZnTe les changements de FSS dépendent de l'amplitude et de la direction du champ magnétique appliqué. Pour le champ appliqué oblique aux axes principaux d'une boîte nous avons noté une rotation de la polarisation d'émission. L'explication de ces résultats repose sur le couplage très particulier entre les états "brillants" et les états "noirs" dans la configuration de champ transverse, comme le montre un modèle théorique de l'interaction Zeeman dans cette configuration. Il faut pour cela introduire un facteur de Landé transverse non nul pour les trous, ce qui suggère d'inclure le mélange de bande entre trous lourds et trous légers. Nous avons obtenu une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et la théorie [8]: qualitative en ce qui concerne la rotation de la polarisation et de l'intensité des raies de luminescence, et quantitative pour l'évolution des niveaux d'énergie et de la structure fine. Très important d'un point de vue théorique, ont été prises en considération non seulement la direction du champ par rapport aux axes des boîtes, mais également par rapport aux axes du cristal. Le formalisme théorique était nécessaire pour comprendre comment le champ magnétique peut modifier la dégénérescence du spin dans certains cas seulement, et pour expliquer le rôle de l'anisotropie du facteur g transverse des états de trou. Les mesures dans le champ longitudinal ont quant-à elles fourni des informations sur le facteur g longitudinal des excitons. Elles montrent la gamme de champ pour laquelle l'anisotropie de QD devient négligeable par rapport a l'énergie Zeeman, conditions dans lesquelles on obtient l'émission des états propres bien polarisés circulairement.
Les études de la rotation du spin de l'exciton considéré comme un système a deux niveaux sont présentées dans le Chapitre 5 (Towards entanglement) dans l'optique principale d'étudier sa cohérence quantique. En premier lieu, nous montrons la disparition de cette précession quand l'éclatement de structure fine est annulée grâce µa un champ électrique: cela se manifeste par une résonance de l'orientation optique du spin de l'exciton sous excitation quasi-résonnante. La largeur de cette résonance permet de remonter de manière très originale à la largeur de raie homogène de la boîte quantique. Réciproquement, on observe que pour des boîtes quantiques avec une forte levée de dégénérescence, on peut réaliser l'alignement optique des excitons par une excitation résonnante (assistée par un phonon LO) polarisée linéairement et parallèlement aux axes de la boîte quantique. De manière plus générale, en fixant la polarisation de l'excitation et en variant la base de détection de la polarisation de la luminescence, nous mettons en évidence de forts effets de conversion de la polarisation (circulaire en linéaire et réciproquement) provoquées par la précession du spin de l'exciton dans le champ magnétique effectif (champ externe + interaction d'échange anisotrope). Ces effets sont la preuve que l'exciton garde parfaitement sa cohérence quantique aux échelles de temps de la luminescence. Tous les résultats présentés sont en bon accord avec une description théorique basée sur le formalisme de la matrice densité.
Le dernier Chapitre 6 (Conclusions) présente un sommaire des résultats obtenus. Les études expérimentales et modélisations théoriques confirment que les perturbations externes, comme le champ électrique et magnétique, peuvent être utilisées pour modifier la structure des niveaux excitoniques des boîtes afin de contrôler leurs propriétés optiques. Les études détaillées de la direction de perturbation par rapport aux axes de l'anisotropie nous ont permis de comprendre les mécanismes de l'influence de ces champs sur les niveaux excitoniques. Le contrôle de la structure fine donne une chance d'augmenter la symétrie pour améliorer le degré d'intrication des pairs de photons corrélés émis par un biexciton.

[1] R. J. Young et al,. New J. Phys., 8:29, 2006.
[2] N. Akopian et al., Phys. Rev. Lett., 96:130501, 2006.
[3] R. J. Young et al., Phys. Rev. B, 72:113305, 2005.
[4] A. I. Tartakovskii et al., Phys. Rev. B, 70:193303, 2004.
[5] S. Seidl et al., Appl. Phys. Lett., 88:203113, 2006.
[6] R. M. Stevenson et al., Phys. Rev. B, 73:033306, 2006.
[7] K. Kowalik et al., Appl. Phys. Lett., 86:041907, 2005.
[8] K. Kowalik et al., Phys. Rev. B, 75:195340, 2007.
[9] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:3890, 2006.
[10] K. Kowalik et al., Phys. Stat. Sol. (c), 3:865, 2006.
[11] A. Kudelski et al., J. Lumin., 112:127, 2005.

Cette thèse est consacrée à l'étude des effets du couplage spin-orbite dans des puits quantiques semi-conducteurs dopés (GaAs et CdMnTe), par spectroscopie Raman électronique. Dans ces structures existent des champs magnétiques intrinsèques (Dresselhaus et Rashba). Ces champs offrent des moyens attractifs pour manipuler le spin des électrons, mais contribuent aussi à la relaxation de spin via leur dépendance avec le vecteur d'onde de l'électron (mécanisme D'yakonov-Perel'). Nous montrons que pour les modes collectifs de spin de puits quantiques, le scénario destructif D'yakonov-Perel' est transformé en un scénario constructif : les interactions Coulombiennes font émerger un champ spin-orbite collectif, proportionnel au vecteur d'onde de l'excitation, et renforcé d'un facteur de plusieurs unités par rapport aux champs spin-orbite individuels. Nous mettons d'abord en évidence ces effets spin-orbite géants sur le plasmon de spin inter-sous-bande, dans des puits quantiques de GaAs. Le champ spin-orbite collectif, qui conduit à un éclatement de structure fine du spectre plasmon, est superposé à un champ magnétique extérieur et cartographié dans l'espace réciproque. Nous étudions ensuite l'onde de spin intra-sous-bande du gaz d'électrons polarisé en spin, dans des puits quantiques magnétiques dilués de CdMnTe. Le champ spin-orbite collectif se superpose ici au champ Zeeman géant du composé. Nous mesurons le facteur de renforcement du champ spin-orbite collectif. Enfin, nous déterminons la dépendance du facteur de renforcement avec la densité électronique, et démontrons la possibilité de contrôler l'amplitude du champ spin-orbite collectif à l'aide d'une grille optique.

Nous presentons des etudes de magnetotransport dans des dispositifs a multiples puits quantiques a base des systemes gaas/algaas et ingaas/inalas. Dans ce type d'heterostructure tres complexe, les effets quantiques affectent la structure de bande et la densite d'etats, et l'effet tunnel resonnant controle le transport. Une etude magneto-spectrale nous permet d'identifier les principaux phenomenes de collisions responsables de la deterioration des caracteristiques statiques de tels dispositifs. Nous caracterisons les differentes regions ou des accumulations de charges conduisent a une importante non-uniformite du champ electrique. Grace a des simples modeles semi-classiques, et en utilisant le champ magnetique comme un troisieme contact, nous verifions la rigidite des regles de selection de l'effet tunnel, et caracterisons le transport loin des conditions d'equilibre d'une distribution electronique balistique. Nous etudions l'effet de la region separant deux diodes a effet tunnel resonnant integrees verticalement, sur les composantes balistiques et thermalisees de la distribution electronique. Le controle de la composante balistique a permis la caracterisation de differents mecanismes d'effet tunnel en fonction du couplage entre ces deux structures. Nous discutons la validite de calculs auto-consistants pour prevoir le profil de potentiel dans ce type de structure

Le spin d'un électron piégé dans une boîte quantique d'InAs est une observable a priori bien protégée des perturbations de l'environnement solide. En particulier, les mécanismes de relaxation présents habituellement dans les matériaux massifs ou puits quantiques sont inhibés en raison de la discrétisation des niveaux d'énergie. Le spin représente de ce fait un système très attractif pour la réalisation d'une porte logique quantique dans la matière condensée. Toutefois, le fort confinement exalte d'autres mécanismes dépendant du spin. C'est le cas de l'interaction hyperfine avec les spins nucléaires.
Celle-ci, équivalente pour le spin électronique µa un champ magnétique aléatoire de quelques dizaines de mT d'amplitude, est à l'origine d'un mécanisme de déphasage en un temps de l'ordre de la nanoseconde.
Ce travail de thèse mets en lumière le rôle fondamental joué par ce couplage hyperfin lors des expériences d'orientation optique des porteurs dans des boîtes quantiques InAs dont la charge est contrôlée par une tension de grille. La spectroscopie haute résolution de la photoluminescence de boîtes uniques, ainsi que des mesures sur ensemble, résolues en temps ou en présence d'un champ magnétique, permettent de dresser un panorama assez complet. En particulier, la polarisation dynamique des noyaux et la relaxation de spin induite par l'interaction hyperfine apparaissent comme deux manifestations majeures et antagonistes du couplage hyperfin intrinsèques au système "électron-noyaux".

Le phenomene de bandes superdeformees identiques et la quantification de leurs spins relatifs ont ete etudies en utilisant le concept de champ moyen deforme de woods et saxon ainsi qu'avec un traitement exact des modeles nucleaires de la rotation collective. Apres le premier formalisme, nous avons developpe une methode d'analyse pour trouver les configurations nucleoniques des bandes relatives au noyau terbium, des trois premieres bandes du noyau gadolinium et des bandes trouvees dans le noyau cesium. Cette methode inclu le calcul de l'alignement incremente qui fut developpe pour la premiere fois. Une telle approche nous permet de reproduire les resultats experimentaux et apporte donc une certaine assurance que la structure microscopique traitee est correcte. Avec le deuxieme formalisme nous avons montre que le phenomene de bandes identiques peut etre genere par un hamiltonien standard utilise depuis plusieurs annees en structure nucleaire; compose d'un champ moyen, d'un terme qui represente l'interaction d'appariement, et d'un terme de rotation. De meme, nous avons vu que l'alignement relatif a ces differentes bandes degenerees est souvent quantifie

Cette these presente une etude experimentale, par mesure magneto-optique in-situ, des proprietes magnetiques des structures a base de films ferromagnetiques f(co, fe) deposes sur un substrat d'au(111) et recouverts par un metal de couverture m(au, cu ou v). L'etude de la structure cristallographique, par diffraction des electrons rapides sous incidence rasante et par diffraction des rayons x, des films de v deposes sur un substrat de co(0001) a permis d'identifier une structure cubique centree (cc) du v avec un axe de texture 110 perpendiculaire au plan des couches. Nous avons mis en evidence dans l'evolution de la rotation kerr polaire a saturation #k une variation quasi-lineaire en fonction de l'epaisseur de co, avec une contribution independante de t#c#o. Nous avons montre dans ce cas que cette contribution est liee a la formation des interfaces m/co avec m(au, v), de la meme facon que les comportements transitoires de #k aux faibles epaisseurs de couverture m. Par ailleurs nous avons montre que le modele magneto-optique decrit parfaitement les tendances generales des effets magneto-optiques dans nos echantillons. Nous avons observe des oscillations nettes de #k dans les systemes m(au,cu)/co/au(111) en fonction des epaisseurs d'au ou de cu de couverture. Nous avons propose de les expliquer en termes d'interferences quantiques dependant du spin des electrons de conduction dans la couche paramagnetique de couverture. De la meme maniere, le champ coercitif de films de co(0001) recouverts par du cu oscille quand l'epaisseur de cu augmente. Ce comportement est lie a des oscillations de l'anisotropie perpendiculaire de ces echantillons dues aux d'etats de puits quantique. Enfin, nous avons montre que le couplage intercouche dans au/co/au/co/au(111) presente un comportement oscillant clair en fonction de l'epaisseur de la couche de couverture d'or, avec la meme periode (5 pa) que les oscillations du couplage en fonction de l'epaisseur intercalaire. Ce comportement est observe aussi bien dans le cas du couplage ferromagnetique que antiferromagnetique, dependant de l'epaisseur intercalaire d'or.

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Nous présentons une expérience visant à mettre en évidence ces limites, basée sur la détection ultra-sensible des déplacements d'un miroir mobile inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse. Grâce aux améliorations que nous avons apportées à ce dispositif, nous avons observé des corrélations entre un bruit classique d'intensité et la phase de faisceaux lumineux, induites par couplage optomécanique avec le miroir mobile. Nous décrivons les conditions expérimentales nécessaires pour prolonger ces expériences au niveau quantique, afin d'observer les corrélations optomécaniques produites par les fluctuations quantiques de la pression de radiation, mais aussi pour réaliser une mesure quantique non destructive de la lumière par des moyens purement mécaniques. Nous présentons également plusieurs conséquences de la pression de radiation que notre montage nous a permis de mettre en évidence : annulation de l'action en retour dans les mesures de longueur ou de force, refroidissement laser du miroir dans une cavité désaccordée, et enfin un effet dynamique de l'action en retour qui conduit à l'amplification d'un signal par la mise en mouvement du miroir. Cet effet, prédit dans le cadre de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles, devrait permettre d'améliorer la sensibilité au-delà de la limite quantique standard, qui devrait être atteinte dans les antennes gravitationnelles de seconde génération.

L’étude et le contrôle du spin d’un porteur dans une boîte quantique unique (BQ) est un élément clé en vue du développement de la spintronique et des composants de base nécessaires au stockage et à la manipulation de l’information quantique (e. G. Pour la création d’un ordinateur quantique). Dans cette thèse, on s’intéresse donc aux spins électroniques et nucléaires, couplés par interaction hyperfine, dans des BQs individuelles auto-organisées d’InAs/GaAs. Ce travail met plus particulièrement en avant la dynamique de spin des électrons, des noyaux et du système couplé. Une des motivations en est que, si l’on parvient à polariser fortement en spin les noyaux d’une boîte quantique, il devient dès lors imaginable de transférer un état cohérent électronique à un ensemble de noyaux pour en assurer le stockage. Pour ce faire, des expériences de pompage optique orienté par photoluminescence sont réalisées. Un microscope confocal original résolu en temps, en température, en champ magnétique et en polarisation, destiné à l’analyse par micro-photoluminescence de boîtes individuelles, est conçu et développé. Les mesures effectuées mettent d’une part en évidence le déphasage du spin électronique dû aux fluctuations du champ nucléaire. Cependant, nous montrons que s’il est possible de supprimer l’effet de déphasage pour la composante longitudinale du spin électronique, il n’en est rien concernant la composante transverse. D’autre part, les conditions d’obtention d’une forte polarisation nucléaire équivalente à un champ effectif de plusieurs Teslas ont été déterminées et des effets originaux de bistabilité de la polarisation nucléaire sur nano-objets uniques sont décrits et modélisés
The study and control of carrier spins in quantum dots is important for the development of future spintronic and elementary devices that process and store quantum information (e. G. In order to build a quantum computer). In this thesis electron and nuclear spins that are coupled by hyperfine interaction in single InAs/GaAs self-assembled quantum dots are investigated. This work focuses on the spin dynamics of the electron, the nuclei and the coupled system. When a strong nuclear polarisation is achieved in the dots, the transfer of a coherent electron spin state to the nuclei is anticipated, which represents a motivation for this study. To achieve these targets, photoluminescence experiments have been carried out. The design and construction of an original confocal time-, temperature-, magnetic field- and polarisation-resolved microscope, which allows us to record spectra of individual dots in micro-photoluminescence, is described. The experimental studies uncover the dephasing of the electronic spin due to nuclear field fluctuations. We show that the relaxation of the longitudinal spin component can be suppressed, but not the relaxation of the transverse component. Finally, the conditions required to achieve a strong nuclear polarisation equivalent to an effective field of several Teslas have been found and novel bistability effects of the nuclear polarisation in single nano-objects are recorded and quantitatively understood with a model

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Ceci provoque un bruit supplémentaire dans la mesure de longueur des bras de l'interféromètre et conduit à l'existence d'une limite quantique pour la sensibilité de la mesure. Ces effets produisent également des corrélations entre l'intensité de la lumière et le mouvement du miroir, qui pourraient être mises à profit en optique quantique. Nous avons développé une expérience destinée à l'étude des bruits dans les mesures interférométriques ultrasensibles, qu'ils soient d'origine classique comme le bruit thermique des miroirs, ou bien d'origine plus fondamentale, comme le bruit quantique de la pression de radiation, qui n’a encore jamais été mis en évidence à ce jour. L'expérience est basée sur une cavité Fabry-Pérot de grande finesse, dans laquelle les déplacements du miroir sont mesurés à un niveau meilleur que l'attomètre en détectant les variations de phase du faisceau réfléchi par la cavité. Nous présentons l'ensemble des améliorations que nous avons apportées à notre système, destinées avant tout à favoriser le bruit quantique de pression de radiation par rapport au bruit thermique, ainsi que les importants ajustements de notre dispositif qui ont eux-mêmes découlé de ces améliorations. Pour pouvoir atteindre cet objectif, nous avons suivi trois stratégies en parallèle: nous avons tenté de diminuer la force thermique de Langevin en installant un cryostat fonctionnant à 4 K, nous avons amélioré les propriétés mécaniques de notre résonateur de manière à ce qu'il réponde plus favorablement à la pression de radiation, et nous avons enfin augmenté l'amplitude des effets de pression de radiation, en améliorant la finesse de la cavité. Ces améliorations nous ont permis d’obtenir un fonctionnement cryogénique mécaniquement stable à une température se situant vraisemblablement autour de la dizaine de Kelvin, mais elles ont surtout permis l’obtention de facteurs de qualité mécaniques de l’ordre de 800000, et des masses de l’ordre de quelques dizaines de milligrammes, de concert avec une finesse record de 330000, ce qui correspond à une amélioration du rapport entre les effets de pression de radiation et les effets thermiques de plus de deux ordres de grandeur comparativement à nos précédentes cavités à miroir mobile. Nous avons présenté une étude détaillée des effets optomécaniques de la pression de radiation, d'abord théorique, puis expérimentale. La particularité de notre approche est la prise en compte de la nature multimode de notre résonateur, dont nous avons présenté les conséquences sur la mise en évidence de l'action en retour, ainsi que sur la sensibilité de la mesure. Nous avons ensuite présenté l'étude expérimentale de la réponse spectrale du mode fondamental Gaussien de notre résonateur plan-convexe à une force de pression de radiation, qui nous a permis de valider notre approche théorique, ainsi que de préciser les conditions les plus favorables à la mise en évidence des corrélations optomécaniques quantiques. Nous avons également démontré expérimentalement qu'il était possible de profiter de la nature multimode de nos miroirs pour améliorer la sensibilité de la mesure. Enfin, nous avons présenté une étude des corrélations optomécaniques au niveau classique entre l’intensité d’un faisceau signal et la phase d’un faisceau de mesure, que nous avons réalisée à l'aide de bruits d'intensité arbitraires, construits pour être aussi semblables que possible au bruit quantique, bien qu'ayant une puissance spectrale beaucoup plus grande. Nous avons étudié en détails les conditions expérimentales limitant l'observation des corrélations quantiques lorsque l'on se trouve en régime thermique. Nous avons tout d'abord présenté une technique de moyennage permettant de mettre en évidence les déplacements induits par un bruit de pression de radiation arbitraire et périodique, dont la densité spectrale faible devant celle du bruit thermique. Nous avons ensuite expliqué comment il est possible d'étendre cette technique de moyennage au cas du bruit quantique de pression de radiation, en nous intéressant tout particulièrement à la durée de moyennage nécessaire pour pouvoir extraire les corrélations avec une précision suffisante, et nous avons illustré expérimentalement les concepts proposés, toujours à l'aide d'un bruit de pression de radiation classique. Nous avons ensuite vu que la durée du moyennage n'était pas la seule limitation expérimentale à l'observation des corrélations quantiques, mais que l'existence de pertes optiques dans la cavité peuvent être à l'origine d'une contamination de la quadrature d'intensité du champ réfléchi par les fluctuations de position du miroir, qui induisent des conditions très fortes sur la qualité de l'asservissement de la fréquence du laser sur la résonance optique. Nous avons explicité ces conditions dans le cas de corrélations mesurées à résonance mécanique et hors résonance mécanique, et nous avons terminé par la mise en évidence expérimentale de ce phénomène de contamination. Nous avons consacré la dernière partie de ce manuscrit à une étude du couplage optomécanique dans une cavité désaccordée. Nous avons tout d'abord présenté une description théorique des effets de pression de radiation dans une cavité désaccordée, également appelés "action en retour dynamique", dont nous avons vu qu'ils se décomposaient en deux contributions, l'une dissipative, et l'autre conservative. Nous avons illustré expérimentalement des applications de chacune de ces contributions: nous avons d'abord présenté une démonstration de refroidissement passif de notre résonateur plan-convexe, puis nous avons montré qu'il était possible d'utiliser la contribution conservative de l'action en retour dynamique afin d’amplifier une variation de longueur apparente de la cavité, c'est-à-dire une variation de longueur indépendante de la réponse mécanique du miroir mobile, comme en génère par exemple une onde gravitationnelle. Nous démontrons également que cet effet d’amplification peut être associé dans certaines conditions à une amélioration de la sensibilité de la mesure. Nous avons ainsi démontré expérimentalement une amplification d’un facteur 6 sur un signal consistant en une modulation de fréquence du laser. Nous avons également démontré que cette amplification est associée à une amélioration de la sensibilité de 5 dB par rapport à la limite quantique standard.

Nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible de petits déplacements d'un miroir placé dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse, avec une sensibilité au niveau de l'attomètre.
Nous avons mesuré le bruit thermique du miroir et suivi son évolution temporelle dans l'espace des phases. Nous avons refroidi le miroir en exerçant une force de friction froide et obtenu une compression du bruit thermique dans l'espace des phases.
Une étude spatiale des modes acoustiques internes a été réalisée pour différentes géométries du miroir, en balayant une force de pression de radiation sur la surface du miroir. Les résultats valident les modèles théoriques utilisés pour les interféromètres gravitationnels et permet de définir une géométrie favorable à la démonstration des effets quantiques du couplage optomécanique.
Nous présentons également une étude théorique des bruits thermiques et quantiques dans un nouveau type d'antenne gravitationnelle, constituée de deux sphères imbriquées.

Dans cette thèse, on s'intéresse au transport quantique des électrons dans des nano-systèmes et des cavités chaotiques . En particulier, on apporte dans un premier temps la base théorique qui permet d'expliquer les expériences de microscopie à effet de grille dans des contacts quantiques ponctuels.

Les structures a puits quantiques et a multi-puits quantiques (mpqs) ultraminces utilisees notamment pour les circuits destines a la telecommunication par fibres optiques fonctionnant dans la gamme de 1. 38 m, necessitent un controle rigoureux de la morphologie des interfaces. Dans ce but, nous avons etudie une serie de mpqs gainas/inp (0