Academic literature on the topic 'Phénomènes quantiques'

Gaston Bachelard (1884-1962), philosophe français, a suivi une période de ruptures, c'est-à-dire celle des changements conceptuels et méthodologiques de la physique contemporaine. Il est l'un des penseurs majeurs ayant présenté d’importantes analyses pour la compréhension de l'atomistique contemporaine. Cet article met en lumière ses principales réflexions philosophiques sur les fondements de la mécanique quantique. Pour cela, il mobilise des concepts centraux de son épistémologie sans lesquels ses idées deviennent incompréhensibles. Ainsi, cet article se propose de mettre en évidence comment la physique rompt avec les idées scientifiques et philosophiques traditionnelles dans la première moitié du XXe siècle, présentant un nouvel objet de connaissance, à savoir les corpuscules quantiques. Afin de caractériser la philosophie de la physique quantique bachelardienne, nous mettons en évidence, après l’auteur, la nature des particules atomiques, comment est constituée l'activité scientifique de cette science dans la création de nouveaux phénomènes et son rationalisme appliqué comme posture philosophique la plus adaptée. Enfin, il est souligné dans ce travail combien les idées de Bachelard diffère des autres interprétations de la mécanique quantique.

Refroidis proche du zéro absolu, les atomes se comportent non plus comme des particules, mais comme des ondes de matière dont la propagation peut conduire à des phénomènes d'interférence. Ces interférences peuvent être exploitées pour mesurer l’accélération avec une très haute précision. Les capteurs inertiels quantiques qui en découlent sont aujourd’hui des dispositifs prometteurs de nombreuses applications comme le guidage et la navigation, ou la gravimétrie ultra-précise.

Une interprétation de la physique quantique est un système de propositions philosophiques (ontologiques) qui cherche à expliquer les phénomènes quantiques observés expérimentalement en décrivant la constitution de la matière au sens large, ainsi que ses propriétés. L’interprétation relationnelle en est une, qui est présentée ici sous un angle réaliste (en l’occurrence sans donner de statut physique particulier aux observateurs conscients) de manière à pouvoir être comprise par la majorité, et sans prérequis, c’est-à-dire en évitant d’utiliser le formalisme mathématique. Bien qu’on puisse la présenter simplement, elle soulève tout de même des questions qui seront brièvement traitées pour donner un aperçu des pistes de recherches dans ce domaine. * * * Interpretating quantum physics involves creating a system of philosophical (ontological) propositions that attempts to explain experimentally observed quantum phenomena by describing the composition of matter (in the broad sense of the term), as well as its properties. One of these is the relational interpretation, which is presented here from a purely realistic point of view (i.e., without granting any particular physical status to conscious observers) so as to be more widely understood, without the need for any prerequisite training, and thus excludes the use of mathematical formalism. Although presenting this interpretation is a fairly simple task, it still raises certain questions that will briefly be addressed in order to provide an overview of the various avenues of research in this field.

Cet article expose les premières pistes d’une réflexion sur la dramaturgie espagnole récente à partir de la notion de « quantique ». L’hypothèse de départ est la suivante : la physique quantique aurait joué un rôle fondamental dans le « désordre » de la postmodernité et aurait servi de terreau fertile à l’élaboration des grandes théories (philosophiques, historiques, sociologiques, esthétiques et dramaturgiques) du siècle dernier et du XXIe siècle. La physique quantique, en remettant en cause les principes de la physique classique, l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell et la mécanique newtonienne principalement, oppose le discontinu au continu, le hasard à la causalité, l’interdépendance des atomes à la séparabilité et à l’objectivité. Dans le domaine des arts, l’association des oeuvres à l’esthétique quantique semble un phénomène surtout espagnol. Non seulement l’adjectif « quantique » réapparaît comme épithète pour désigner des formes artistiques diverses, mais le quantique, comme esthétique et comme éthique, devient le fer de lance d’une association internationale créée à Grenade en 1994 et connue sous le nom de Salon des Indépendants. Un des cofondateurs, Gregorio Morales, journaliste et écrivain, a publié en 1998 un essai intitulé Le cadavre de Balzac : une vision quantique de la littérature et de l’art, qui synthétise les débats qui ont eu lieu à Valence, au cours des différentes rencontres entre les membres fondateurs. Y sont réunis des articles théoriques qui étudient les différentes applications du quantique au cinéma, à la poésie, au roman, à partir d’exemples tirés des oeuvres d’Henry James, d’Antonio Enrique et de Rubén Darío. Les auteurs de cet article analysent les formes dramaturgiques contemporaines à partir de certains concepts propres à la physique quantique et particulièrement adaptés à l’étude de l’évolution du théâtre (sans pour autant, bien sûr, qu’ils soient exclusifs à l’étude du genre dramatique) : le vide quantique rempli d’énergie potentielle, la modification de l’objet observé par l’observateur, la mise en scène de l’espace-temps quantique. Le corpus de pièces quantiques sera principalement composé d’oeuvres tirées de la collection « Nouvelles scènes hispaniques », élément clef du chaînage toulousain autour du théâtre espagnol contemporain.

La génération de second-harmonique (GSH) est le phénomène le plus connu de l’optique non-linéaire et peut-être le plus étudié jusqu’à ce jour tant en recherche fondamentale que pour ses applications. Ce domaine n’a cessé depuis de progresser et de se renouveler au rythme des progrès de l’expérimentation optique, de la théorie quantique en amont comme de la science des matériaux et en particulier des nanotechnologies, de façon à répondre aux besoins des ingénieurs et aux questionnements des physiciens.

La Physique est une science naturelle exacte, pourtant l’incertitude y joue un rôle croissant. En dissociant la cause efficiente et la cause finale d’Aristote, Galilée et la physique classique ramènent tout à du calculable, vouant l’incertitude à disparaître en principe. L’irruption de la physique quantique, et de son principe d’indétermination, aboutit à une incertitude radicale dont on a prouvé qu’elle ne provient pas de « variables cachées ». Ceci nous invite, désormais, à distinguer l’Être (en soi) et l’Existence, c’est-à-dire les phénomènes perçus, qui procèdent tous de l’Être sans que l’Être ne leur soit réductible. Cette étrangeté de l’Être, et sa capacité à nous dire « Non », garantissent, paradoxalement, que les lois physiques ne sont pas le seul produit de notre (inter)subjectivité. Ainsi l’attitude sceptique et son symétrique – la domination absolue par le savoir – deviennent déraisonnables. Nous proposons une analogie avec les principes des pratiques psychanalytiques.

La réalité des modèles comme des théories fait aujourd’hui l'objet de nombreux débats. Pourtant, ce critère essentiel reste actuellement négligé du fait de l’expansion d'un certain constructivisme, qui admet implicitement une forme d’équivalence entre justesse des prédictions et réalité physique. Dans cet article, nous entendons par modèle physique, un système mathématico-logique prédictif, permettant de simuler le comportement d’un objet. Une théorie, plus générale qu’un modèle, désignera un objet cognitif qui prétend décrire et expliquer la nature et le comportement réel d’un phénomène. Nous considérons ensuite qu’un modèle est opérationnel lorsqu’il décrit précisément les processus physiques qui engendrent l’action. Tandis qu’un modèle sera dit nonopérationnel s'il met en oeuvre des évaluations qui ne peuvent être obtenues que rétrospectivement, par exemple par un calcul d’extremum. Enfin, nous qualifions un modèle de réel, s’il est opérationnel et si, de plus, ses variables et opérations sont prises strictement dans le domaine de réalité considéré (en référence aux poupées russes de Bitbol [9]). Une théorie est donc nécessairement un modèle réel, ou supposé tel.Il nous est apparu que les théories physiques sont la plupart du temps, organisées de manière hiérarchique, comportant à leur base des modèles réels surmontés de modèles non-réels. Les modèles réels permettent de découvrir de nouveaux phénomènes, par exemple la découverte de la circulation aérodynamique autour d’une aile d’avion par Nikolaï Joukovski. Par contre, la non-réalité de certains modèles peut conduire à des raisonnements erronés, en suggérant une fausse réalité. Toutefois, les modèles non-réels peuvent être très utiles lorsque les objets manipulés sont inobservables, car trop petits ou imaginaires. La qualité de leurs prédictions peut être aussi bonne que celle fournie par les modèles réels. C'est le cas de la mécanique quantique, développée au début du XXème siècle, qui a montré sa très grande utilité pratique et la surprenante exactitude de ses prédictions. Lors de son développement, les niveaux de réalité concernés étaient alors complètement inobservables. Ils ont donc été imaginés. L’évolution actuelle de la technologie, commence à permettre une certaine visibilité des atomes et des couches électroniques, ce qui pourrait profondément remettre en cause ce modèle en exhibant sa non-réalité.

La supraconductivité est un phénomène quantique fascinant, car les effets qu’elle produit sont visibles à l’œil nu. Bien comprise dans les métaux standard (plomb, aluminium, étain...), elle reste largement incomprise dans certains oxydes de cuivre, appelés cuprates. Cette énigme en cache une autre, celle de la phase « métallique » des cuprates, de laquelle surgit la supraconductivité. Cette phase « métallique » est étonnamment complexe. Elle héberge plusieurs ordres électroniques qui sont interconnectés. À quel type de connections sommes-nous confrontés ? Quels rôles peuvent jouer ces ordres dans l’émergence de la supraconductivité à haute température critique ? Ces questions interpellent les physiciens, car elles annoncent une nouvelle ère de la physique des matériaux, où les ordres de la matière s’entremêlent. Cet article est divisé en deux parties. La première est une introduction générale à la physique des cuprates, et la seconde est une étude avancée sur les ordres électroniques qui s’y développent en fonction de l’évolution de la topologie de la surface de Fermi.

La neurosémiotique s’intéresse au(x) bouddhisme(s) dans le cadre d’un dialogue entre la science et la conscience. La neurosémiotique envisage un rapport fonctionnel entre la représentation qui découle du rapprochement Sa/Sé et l’émergence d’un état de conscience, de sorte que la manière de penser le réel détermine la façon de le vivre. Il en découle un paradoxe qui consiste à envisager la fiction comme précédant la réalité. Dès lors, la neurosémiotique propose d’expliquer l’émergence du sens à partir de l’élaboration de champs énergétiques formant une structure tensive articulant la mimesis à la semiosis à travers la diegesis. Le questionnement du rapport du sujet observant à l’objet observé intègre les données de la physique quantique afin d’expliciter le phénomène de participation au réel avec lequel le cerveau entre en connexion dans sa quête de compréhension. Cela conduit donc à s’interroger sur la nature même de la conscience qui s’auto-organise dans une coproduction conditionnée. Le dialogue interculturel qui s’établit à partir de résonances entre les investigations de la science et les pratiques du bouddhisme finit par devenir transculturel dans la mesure où la conscience de la science a son origine dans l’absence de ses assises, car l’univers évacue peu à peu le sujet et l’objet qui le forment dans le je(u) complexe des représentations en régime sémiotique.

La relativité d'Einstein est née en 1905 pour répondre aux paradoxes posés par l'invariance de la vitesse c de la lumière. Ces paradoxes concernent la dilatation des durées et la contraction des temps observés pour des événements ayant lieu dans un référentiel en mouvement par rapport à un Observateur. La relativité postule que c'est l’interaction entre l'Observateur et l'objet observé qui est la cause des paradoxes. Mais elle ne fait aucune hypothèse concernant la nature de l'Observateur. Or celui qui observe un phénomène n'est jamais un point mais c'est un système ayant une frontière et qui est piloté comme la conscience humaine pilote le corps humain. L'interprétation cognitive et systémique de l'invariance de la vitesse de la lumière permet de prouver l'existence d'un Observateur Universel présent en un point intérieur à tous les systèmes physiques et analogue à la conscience humaine. Contrairement aux systèmes physiques, l'Observateur ne serait pas soumis à la causalité temporelle. Par sa présence inspatiotemporelle à l'intérieur de tous les systèmes, cet Observateur imposerait la valeur des constantes de l'univers, vitesse de la lumière et constante de Planck en particulier. Cette hypothèse raisonnable permet de donner une représentation nouvelle de l'Univers qui serait un multivers composé de tous les univers qui correspondent à tous les systèmes de l'Univers. Elle permettrait aussi de donner une représentation nouvelle de la lumière qui serait constituée de photons qui naîtraient du néant pour y retourner selon un rythme donné. Il y aurait un photon primordial analogue au bit de l'informatique. Il serait le constituant unique de tous les systèmes de l'univers. Cette approche cognitive et systémique de la relativité devrait permet de rapprocher les deux théories de la relativité et de la mécanique quantique. A terme, elle devrait même rapprocher les sciences physiques et les sciences humaines.

Les théories physiques classiques peuvent être interpretées comme représentant le monde en termes d'intéractions causales à la fois locales et déterministiques entre des systèmes characterisés par des propriétés bien définies. Il est bien connu que la mécanique quantique orthodoxe, qui se trouve être une de nos théories les mieux confirmées, ne peut pas être interprétée dans les termes du cadre décrit ci-dessus. Au début des années soixante, John Bell a démontré que toute théorie représentant son domaine dans les termes du cadre classique ci-dessus satisfait une série d'inégalités, les inégalités de Bell. Certains physiciens ont développé des théories alternatives à la théorie quantique orthodoxe, théories dont les interprétations associées abandonnent au moins une des charactéristiques du cadre classique. Les philosophes s'efforcent d'interpreter ce resultat de la physique contemporaine, i.e. s'efforcent de comprendre à quoi peut ressembler le monde s'il est vrai que les interactions entre les systèmes physiques sont soit non-locales, soit non-déterministiques, ou bien que ces systèmes physiques ne possèdent pas de propriétés définies. Cette ligne de pensée a atteint son apogée avec la "métaphysique expérimentale" qui s'est développée après que la violation des inégalités de Bell par l'expérience a été observée. L'interprétation orthodoxe est que les expériences de type Bell nous forcent à accepter certaines formes d'interactions non-locales, et peut- être non causales, au niveau fondamental. Dans cette thèse, j'évalue dans quelle mesure l'investigation philosophique de nos meilleures théories scientifiques peut nous aider à décider de ce que peut être le monde au niveau fondamental. J'étudie cette question en considérant le domaine quantique, et en particulier les phénomènes de type Bell. Mes conclusions pointent dans la direction d'une vue plus modeste du rôle possible de la philosophie de la physique que celle que les programmes de métaphysique expérimentale suggèrent. Dans une première partie, j'étudie le rôle que la philosophie de la physique peut légitimement jouer dans le développement et l'évaluation des différentes theories quantiques. Je soutiens que le rôle de la philosophie de la physique ne consiste pas à imposer des critères d'acceptabilité pour les théories physiques en plus des critères usuels de cohérence interne et d'adéquation empirique. Un rôle à la fois important et légitime que peut jouer la philosophie de la physique consiste à distinguer clairement, pour nos théories et leurs interprétations, ce qui est imposé par les phénomènes et les théories de ce que relèvent de nos choix et préférences. Je soutiens enfin qu'un tel travail d'analyse peut se faire sur la base de l'analyse structurelle de nos théories et de nos modèles de données. Dans la seconde partie de la thèse, j'étudie spécifiquement le cas de l'interprétation des théorèmes de Bell et des expériences associées. J'évalue systématiquement l'interprétation orthodoxe selon laquelle les résultats de ces expériences nous force à accepter une forme "bénigne" de non-localité, ``bénigne" parce que de type non-causal. Je montre que l'interprétation orthodoxe comprends trois thèses différentes, la première portant sur la question de la localité, la seconde portant sur la question de la causalité et la troisième concernant le holisme. Je fournis des cadres théoriques rigoureux afin d'évaluer ces trois thèses. Le résultat de mon analyse concernant la question de la localité est que l'interprétation orthodoxe peut être défendue. En revanche, concernant les questions de causalité, aucun des cadres théoriques existant ne permet de soutenir l'interprétation orthodoxe, si cette dernière est comprise dans sa version forte de métaphysique expérimentale. Dans les deux cas cependant, une version faible peut être défendue. En particulier, un résultat important de ma thèse est que l'interprétation orthodoxe peut être défendue rigoureusement au niveau empirique
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Il aura fallu plusieurs années après que l'idée d'une transition de phase à température nulle émerge pour que l'on comprenne l'impact d'un tel point critique quantique sur une vaste région du diagramme de phase. Observé dans de nombreux exemples expérimentaux, ce régime critique quantique n'est toutefois pas encore bien compris sur le plan théorique et nécessite de nouvelles approches. Dans une première partie, nous nous intéressons au point critique quantique ferromagnétique. Après avoir construit une approche contrôlée permettant de décrire le régime critique quantique, nous montrons au travers de la susceptibilité statique de spin que le point critique quantique ferromagnétique est instable, détruit par une interaction effective dynamique à longue portée générée par l'amortissement de Landau des fluctuations de spin. Dans une seconde partie, nous revisitons le cas d'une impureté Kondo exactement écrantée avec une représentation bosonique du spin local et dans une limite de grande dégénérescence de spin N. Nous montrons que dans ce régime, l'état fondamental est un liquide de Fermi non-trivial contrairement à ce qui était communément admis. Nous étendons alors notre méthode au cas de deux impuretés couplées où nos résultats coincident qualitativement avec les approches déjà existantes. Ensuite, nous développons un formalisme de Luttinger-Ward capable de pallier certains défauts de l'approche originale pour la description d'une impureté isolée. Enfin, nous détaillons les bases ainsi que les premiers résultats de l'extension à un réseau Kondo de moments locaux, pertinent pour la compréhension du régime critique quantique des matériaux de type fermions lourds.

Le travail aborde deux grandes problématiques d'actualité des systèmes quantiques. La première concerne les systèmes quantiques ouverts, typiquement un bit quantique (qubit) couplé à un bain. Dans cette partie on présente l'étude de la décohérence et la relaxation du qubit. La seconde partie concerne les systèmes quantiques isolés. Dans cette partie on présente l'étude de la thermalisation de deux systèmes quantiques macroscopiques après un quench Décohérence et relaxation d'un qubit. L'étude de la dynamique réduite d'un qubit couplé à un réservoir est intéressant pour deux points de vue complémentaires, l'un lié à l'informatique quantique et l'autre lié à la physique quantique de N corps. Pour construire des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de comprendre l'effet de l'environnement sur la décohérence des qubits. D'autre part, d'un point de vue de la physique des systèmes quantiques, ou bien des systèmes quantiques hors équilibre, les qubits peuvent être utilisés pour mesurer et comprendre les propriétés thermodynamiques et dynamiques du bain. Dans ce second sens, tout à fait d'actualité, il existent nombreux travaux théoriques et expérimentales récentes. Des expériences récentes suggèrent utiliser des dispositifs semi-conducteurs tels que les Josephson jonctions ou des spins dans les boîtes quantiques pour l'informatique et la communication quantique. Ces appareils ont l'avantage de taille par rapport aux autres systèmes physiques qui ont également été proposées pour l'informatique quantique, comme des atomes en cavité, les ions piégés dans un champ magnétique ou des molécules en résonance magnétique nucléaire. L'unité de base de ces dispositifs est un système quantique à deux niveaux, connu dans la littérature comme un quantum bit ou qubit. L'utilisation de bits quantiques (qubits) dans n'importe quel contexte est limitée par interaction avec leur environnement (réservoir ou bain). En fait, l'interaction leur fait perdre leur caractère quantique, un processus appelé décohérence. Les premiers études qui ont modelé la perte de la cohérence sont ceux de Caldeira et Leggett dans les années quatre-vingt. Dans ces études le réservoir était composé des bosons indépendants. Le modèle proposé, appelé Spin-Boson, est pertinente lorsque l'on considère un bain des photons ou des phonons. Cependant, dans le cas des dispositifs semi-conducteurs mentionnés au paragraphe précédent, des expériences ont montré qu'il est nécessaire d'envisager des réservoirs plus complexes composés des spins et électrons en interaction. De plus, il est important de considérer les effets non markoviens (effets de mémoire sur la dynamique des qubits. Le traitement théorique de bains quantiques avec interactions est beaucoup plus difficile que le traitement pour le bain des bosons indépendants et nous devons recourir à des méthodes théoriques puissantes. Le chapitre introductif présente les techniques d'opérateurs de projection qui sert a dériver les équations maîtresses qui régissent l'évolution du qubit, dans la thèse on se concentre sur les approximations Nakajima Zwanzig (NZ) et Time convolutionless technique (TCL). Ces techniques sont élégantes et, bien que perturbatives, sont capables de décrire certains aspects non markoviens de la dynamique. Nous avons étudie dans une première partie, la décohérence et relaxation d'un qubit couplé a un bain électronique sans interaction décrivant un métal ou un semi-conducteur Les résultats reflètent la richesse car la dynamique réduite du qubit dépend de façon subtile de plusieurs paramètres: la densité d'états des électrons, le champ magnétique, etc. Dans le chapitre 3 nous avons considéré un qubit couplé à un bain possédant un ordre supraconducteur. Pour un couplage de type Kondo à température fini nous avons trouvé une décohérence et relaxation non markoviens et ultra rapides, pour un couplage direct au paramètre d'ordre nous avons trouvé une dynamique plus complexe qui dépend des conditions initiales. Pour certaines conditions initiales la dynamique est sensible aux fluctuations de spin et ressemble a la situation du couplage Kondo. Pour autres conditions initiales, la dynamique est sensible aux fluctuations de charge et relaxe de façon markovien. Ces résultats donnent des pistes pour réduire les effets de décohérence dans les dispositifs et motivent des nombreux questions. Ces travaux ont aboutit à la publication des articles suivantes: “Effect of a gap on the decoherence of a qubit” J. Restrepo, E. Dupont, S. Camalet, R. Chitra (submitted to Phys Rev B) “Decoherence induced by an ordered environment” J. Restrepo, S. Camalet, R. Chitra (in preparation) Thermalisation d'un système quantique isolé. L'étude de la dynamique hors équilibre après un quench est devenu particulièrement d'actualité depuis l'avènement des expériences d'atomes ultra-froids qui représentent des systèmes quantiques isolés idéaux Pour les systèmes quantiques, la plupart des questions fondamentales sur la thermalisations restent ouvertes. Il y a deux types de questions : Quel est l'état asymptotique après un quench ? Est-il un état d'équilibre ? Quels sont les mécanismes qui expliquent la thermalisation ? Jusqu'au présent, il existent soit des hypothèses générales avec aucune preuve rigoureuse soit des résultats particuliers. Les résultats sont obtenus analytiquement lorsque le système est intégrable et numériquement quand il ne l'est pas. Dans notre travail (chapitre 4), nous abordons la question de la stabilité de l'équilibre thermique dans les systèmes quantiques, nous modélisons les systèmes quantiques par des champs bosoniques libres. L’intérêt de ce modèle est de pouvoir apporter des réponses claires à certaines des questions fondamentales sur la thermalisation. Il a deux ingrédients intéressantes. Tout d'abord, il considère un état initial qui n'est pas l'état fondamental. Deuxièmement, il considère un système composite où les deux parties sont de taille comparable, ce qui permet de voir comment l'état asymptotique est atteint dans l'espace. L'effet d'avoir des champs bosoniques libres conduit à un hamiltonien quadratique pour lequel on a calculé l'énergie et les fonctions de corrélation de façon exacte aux temps longs. Ainsi on a pu montré que dans le cas d'un contact thermique modifié soudainement, le système n'atteint pas un état stationnaire, et il ne se produit pas de relaxation. Ces résultats peuvent en fait être partiellement compris du fait de la nature particulière du spectre des excitations. Néanmoins, ils motivent des nombreuses questions. Ce travail a abouti à la publication de l'article suivante: “Sudden Change of the thermal contact between two quantum systems” New Journal of Physics 12 055011, 2010.

Les hétérostructures AlGaN/GaN ont la particularité de supporter à leur interface des puits quantiques, dont la densité électronique peut atteindre des valeurs aussi élevées que 10 ^13 cm-2 sans dopage volontaire. Ils offrent ainsi la possibilité de fabriquer des composants électroniques de puissance ainsi que des composants hyperfréquences, dans la mesure où leur qualité cristalline permet également aux porteurs de charge d'avoir une bonne mobilité. Nous nous sommes intéressés à l'étude théorique des mécanismes de diffusion présents dans ces matériaux, de façon à identifier la nature des défauts responsables des faibles valeurs de mobilité mesurées sur des échantillons obtenus dans l'état de l'art de la croissance épitaxiale. Nous avons, avant tout, montré par des calculs auto-cohérents, que ces puits quantiques étaient caractérisés par la présence de plusieurs sous-bandes notablement peuplées, ce qui nous a ensuite amené à devoir établir une méthode de résolution de l'équation de Boltzmann, permettant de tenir compte de la possibilité de transitions interbandes, et à devoir établir un formalisme permettant de calculer la réponse diélectrique de ces systèmes multi sous bandes, nécessaire à la détermination des potentiels diffuseurs écrantés
Nous avons ensuite abordé l'étude des mécanismes de diffusion intrinsèques, en établissant pour ces systèmes bidimensionnels le potentiel diffuseur associé aux pseudo particules hybrides, résultant de l'interaction entre les phonons optiques et les plasmons. Fort de cette base, qui a permis pour la première fois le calcul de la mobilité théorique maximum, nous avons pu enfin aborder l'étude des centres diffuseurs extrinsèques les plus déterminants Nous avons démontré qu'ils étaient liés à la présence de dislocations ainsi qu'à la qualité des interfaces présentant des rugosités (ou des fluctuations) liées aussi bien à leur structure géométrique qu'à la répartition hétérogène des charges d'interface La comparaison de nos résultats théoriques avec différents résultats expérimentaux a permis de démontrer que les dislocations introduisent des niveaux extrinsèques légers situés à environ 110 meV sous la bande de conduction de GaN et que leur potentiel détermine en grande partie la mobilité des échantillons contenant de faibles valeurs de densité de porteurs, alors que les mécanismes de rugosité, caractérisés par le biais d'un paramètre de corrélation, sont responsables de la chute des valeurs de mobilité dans le domaine des hautes densités de porteurs libres. Ces résultats devraient permettre d'affiner les méthodes de croissance cristalline selon le domaine de densité de porteurs qui sera choisi pour la réalisation des composants

Nous présentons une étude des processus de relaxation d'énergie et de phase des paires électron-trou dans une hétérostructure CdTe/ZnTe contenant des boîtes quantiques. Elle se présente sous la forme de plusieurs puits quantiques CdZnTe à forte concentration en zinc, séparés par des barrières en ZnTe, et incluant sous forme d'îlots les boîtes quantiques à forte concentration en cadmium. Dans des expériences d'excitation de la photoluminescence nous avons mis en évidence deux types de processus de relaxation des paires électron-trou. Celles-ci sont photocréées dans le puits quantique de CdZnTe et y relaxent par émission d'une cascade de phonons longitudinaux optiques jusqu'à leur piégeage dans les boîtes quantiques. Elles subissent ensuite une relaxation intra-boîte. Ceci est interprété comme un mécanisme de polarisation des boîtes quantiques précédant la recombinaison radiative des paires. Ces deux relaxations, dans les puits et dans les boîtes, sont favorisées par le caractère fortement polaire des liaisons dans les matériaux II-VI qui renforce le couplage des excitations électroniques avec les phonons. Des mesures de variation de transmission en configuration pompe-sonde, nous ont permis d'analyser la dynamique de population des paires électron-trou au cours de ces processus de relaxation. Nous avons pu mettre en évidence que la relaxation des paires électron-trou par la cascade se faisait sur un temps de l'ordre de 2 ps et menait à un blocage des transitions optiques dans les boîtes quantiques. Nous avons également mesuré un temps de relaxation intra-boîte de 25 ps. La comparaison entre différentes cascades nous a permis d'estimer le temps d'émission d'un phonon longitudinal optique dans le puits quantique à une centaine de femtosecondes. Dans des expériences de mélange de quatre ondes nous avons observé des battements quantiques que nous avons analysés en terme de battements entre les transitions excitoniques et biexcitoniques. Les temps de déphasage mesurés en fonction de la densité de photons montrent que les excitons sont fortement localisés dans les boîtes quantiques. Ces temps sont beaucoup plus courts que le temps de vie radiatif observé et sont contrôlés par le temps de relaxation intra-boîte
We present a study of the electron-hole pair energy and phase relaxation processes in a CdTe/ZnTe heterostructure, in which quantum dots are embedded. CdZnTe quantums wells with a high Zinc concentration, separated by ZnTe barriers, contain islands with a high cadmium concentration. In photoluminescence excitation spectroscopy experiments, we evidence two types of electron hole pair relaxation processes. After being excited in the CdZnTe quantum well, the pairs relax their energy by emitting a cascade of longitudinal optical phonons until they are trapped in the quantum dots. Before their radiative recombination follows an intra-dot relaxation, which is attributed to a lattice polarization mechanism of the quantum dots. It is related to the coupling between the electronic and the vibrationals states. Both relaxation mechanisms are reinforced by the strong polar character of the chemical bond in II-VI compounds. Time resolved measurements of transmission variations in a pump-probe configuration allowed us to investigate the population dynamics of the electron-hole pairs during the relaxation process. We observe a relaxation time of about 2 ps for the longitudinal phonon emission cascade in the quantum well before a saturation of the quantum dot transition. We also measured an intra-box relaxation time of 25 ps. The comparison of various cascades allows us to estimate the emission time of a longitudinal optical phonon in the quantum well to be about 100 fs. In four waves mixing experiments, we observe oscillations that we attribute to quantum beats between excitonic and biexcitonic transitions. The dephasing times that we measure as function of the density of photons shows that excitons are strongly localized in the quantum dots. The excitonic dephasing time is much shorter than the radiative lifetime and is thus controlled by the intra-dot relaxation time

La propagation d'ondes dans des guides optiques couplés et la dynamique de transfert de population dans des systèmes quantiques discrets et couplés possèdent un formalisme commun via l'équation de Schrödinger. Une telle analogie permet un enrichissement mutuel de ces deux domaines. D'une part, des phénomènes complexes de physique quantique peuvent être démonter en optique, où les expériences sont généralement plus accessibles. D'autre part, les concepts de l'un des domaines peuvent être traduits dans l'autre pour concevoir, des dispositifs aux fonctionnalités étendues. Dans ce contexte, l'élément moteur de cette thèse est l'analogie entre les systèmes quantiques adiabatiques et robustes et des systèmes de guides d'onde analogues. En optique, la robustesse se traduit par une tolérance fortement accrue aux variations de longueur d'onde (achromaticité), de température ou aux perturbations et imperfections des guides. Les travaux précédents du laboratoire, portant sur ces analogies, ont traité de guides monomodes, et n'ont pas considéré les deux modes de polarisation orthogonale. Aussi, nous élargissons, ces travaux afin obtenir un séparateur de polarisation intégré, et un convertisseur de modes, tous deux large bande. Ils sont composés de trois guides couplés où les guides latéraux sont courbés selon une évolution adiabatique. Nous considérons enfin, un troisième système de guides, constants et droits, où une dissipation du guide central permet une répartition de puissance ultra-large bande. Les diviseurs de faisceaux polarisants intégrés jouent un rôle important dans de nombreux dispositifs photoniques intégrés nécessitant la manipulation de la polarisation lumineuse, avec un besoin d'être le plus large bande possible. Aussi, je propose dans cette thèse, une configuration à trois guides avec des indices de réfraction anisotropes qui s'inspire du phénomène quantique de STIRAP (STImulated Raman Adiabatic Passage). Cette étude montre qu'un rapport de 5 entre les contrastes d'indice des modes TM et TE est suffisant pour séparer efficacement les deux polarisations sur une plage d'environ 350 nm autour de la longueur d'onde centrale à 1,55 µm. La bande passante augmente avec le rapport d'anisotropie et la longueur d'onde centrale peut être ajustée en modifiant les paramètres. Par ailleurs, l'un des moyens envisagés pour augmenter la capacité des systèmes de télécommunications optiques repose sur le multiplexage spatial, où chaque canal est transmis sur un mode spatial différent d'une fibre multimode. Cette approche nécessite des (dé)multiplexeurs qui séparent ou en convertissent les modes. Là encore, un système adiabatique à trois guides d'onde peut être mis à profit pour concevoir une conversion entre un mode d'ordre supérieur et le mode fondamental (ou le contraire) sur une large gamme spectrale. Ce dispositif peut à nouveau être analogue au STIRAP, mais aussi au phénomène d'élimination adiabatique. Dans ce dernier cas, le guide d'onde central est fortement désaccordé avec les deux autres. Le troisième système étudié dans cette thèse ne repose pas sur des guides à évolution adiabatique, mais est analogue à un système quantique non hermitien, où le transfert de population s'effectue via un état intermédiaire dissipatif. Ici les trois guides sont parallèles et le guide central présente des pertes importantes. Cela conduit à une division de puissance ultra-large bande en contrepartie d'une perte globale de 50% (pour une diviseur puissance symétrique). L'absence d'évolution adiabatique permet des systèmes plus compacts, en particulier si le guide central est un guide plasmonique. Cette thèse démontre le fort potentiel des approches s'inspirant des phénomènes quantiques pour la photonique, où des fonctionnalités robustes, polyvalentes et larges bandes sont requises. De tels dispositifs peuvent être utilisés en photonique intégrée classique, ou avec comme perspective la manipulation de photons uniques en optique quantique
Wave propagation in coupled optical waveguides and population dynamics in quantum systems composed of coupled discrete levels share a common mathematical formalism related to the underlying Schrödinger equation. In the context of this thesis the key role is played by the relation between robust adiabatically evolving quantum systems and corresponding adiabatically evolving waveguide systems. In the optics case the robustness reflects in a strongly increased tolerance with respect to changes in wavelength (achromaticity), temperature, or unwanted variations in the waveguide parameters.Earlier works in our laboratory in the context of the above analogy were related to waveguides allowing propagation of the fundamental mode only and did not consider the possible propagation of both orthogonal polarization modes. In the present thesis we fill this gap by discussing ways for achieving broadband polarization separation as well as broadband mode conversions. The investigated systems are composed of three coupled waveguides with a spatial adiabatic evolution. In addition, we consider a third system where a dissipation in one of three waveguides allows to achieve ultra-broadband power splitting despite for the absence of any adiabatic evolution of the waveguide parameters.Integrated polarization beam splitters (PBS) play a significant role in many integrated photonic devices where the polarization state of light requires manipulation and important efforts are under way to make such a functionality as broadband as possible. Our proposal in this context involves a three-waveguides configuration with anisotropic refractive index either in the core or in the cladding and is inspired by the quantum STIRAP process (STImulated Raman Adiabatic Passage). Our analysis shows that an anisotropy ratio of 5 (ratio between the refractive index contrasts for the TM and TE waves) is sufficient for separating efficiently the two polarizations over a spectral range of ≈ 350 nm around the 1550 nm central wavelength. The bandwidth of such PBS increases by increasing the anisotropy factor and the central wavelength can be adjusted by modifying the waveguides.One of the ways presently envisaged for increasing the nearly saturated capacity of optical telecommunication systems relies on space division multiplexing, where signals are transmitted on different spatial modes of a multimode optical fiber. This kind of approach requires elements capable of demultiplexing the modes by separating and converting them. Our proof of concept in this context is based again on an adiabatic three-waveguide systems and permits conversion between a higher order mode and the fundamental mode (or vice-versa) over a wide spectral range. The underlying waveguide design is again analogous to the above quantum STIRAP process or in alternative to Adiabatic Elimination (AE) in which case the central waveguide is strongly detuned from the two others.As mentioned above, the third system studied in this thesis does not rely on adiabatically evolving waveguides but is related to the behavior of non-Hermitian quantum systems, specifically to quantum population transfer through a decaying intermediate state. Our approach is based on three parallel waveguides of which the central one is highly dissipating. It leads to ultra-broad band power division that has to be paid by a 50% overall loss if equal power is wished in the two output ports. Here the absence of the slow adiabatic variation allows for more compact systems, especially if the central waveguide is of the plasmonic type.The three systems that are discussed in this thesis show the great potential of quantum-inspired approaches for robust photonics, where tolerant, versatile and broadband functionalities are required. While devices of this kind may be used principally in classical integrated photonics, their use for single photon management in quantum optics is also an attractive perspective

Ce travail de thèse étudie les phénomènes quantiques qui apparaissent dans les dispositifs électroniques aux dimensions nanométriques. A cet effet des simulations fondées sur une résolution Monte Carlo de l'équation de Wigner-Boltzmann sont mises en œuvre. Après des rappels de base, cette équation qui permet de modéliser les effets de collisions dans le transport quantique est démontrée. La nouvelle technique Wigner Monte Carlo pour la résoudre est introduite, et est mise en œuvre pour simuler des diodes tunnel résonantes (RTD). Les résultats sont cohérents avec des calculs basés sur les fonctions de Green, et avec des réalisations expérimentales simples. La théorie de la décohérence est ensuite utilisée pour analyser les résultats, et comprendre l'émergence de comportements semi-classiques dans les nano-dispositifs. La décohérence induite par les phonons est comparée au modèle du mouvement brownien quantique. La transition entre les régimes résonants et séquentiels à travers un niveau quasi-lié est analysée. Dans une RTD, la transition d’une région active quantique à des accès semi-classiques est observée. Les phénomènes quantiques dans les MOSFET les plus courts fabriqués aujourd'hui sont ensuite étudiés. Il apparaît un régime hybride, où aussi bien le transport quantique que les collisions jouent un rôle important. Les effets de dégénérescence et la décohérence subie par les électrons sont étudiés. Des comparaisons à des résultats expérimentaux sont proposées. Finalement, deux études portant sur des nanostructures envisagées pour les dispositifs électroniques du futur (les nanotubes de carbone et les nanorubans de graphène) sont proposées
This work studies the quantum phenomena that appear in nanometer-scaled electron devices. To this aim, Monte Carlo type simulations based on the Wigner-Boltzmann equations are performed. After a presentation of general theory, this equation which allows including collision effects in a quantum transport simulation is proved. The new Wigner Monte Carlo approach to solving it is introduced, and is employed to simulate resonant tunneling diodes (RTD). The results are consistent with Green's functions based calculations and simple experiments. The theory of decoherence is then applied to interpret the results and understand the emergence of semi-classical behavior in nanodevices. Phonon-induced decoherence is compared to the quantum Brownian motion model. The transition between resonant and sequential transport through a quasi-bound state is analyzed. In a RTD, the transition from a quantum active region to semi-classical access regions is observed. Quantum phenomena in the shor test MOSFETs demonstrated in research labs are then studied. A hybrid regime is evidenced, where both quantum transport and collisions play a significant role. Degeneracy effects and decoherence experienced by electrons in MOSFETs are studied. Comparisons with experimental results are then performed. Finally, two studies concerning nanostructures considered for electron devices of the future (carbon nanotubes and graphene nanoribbons) are proposed

Le sujet de cette thèse concerne l'étude de transistors bipolaires submicroniques à émetteur polysilicium, compatibles avec une technologie silicium CMOS (BICMOS) du ÇNET de Meylan, et au premier chef le développement d'une modélisation afférente. Après un rappel d'une investigation sur des profils mesurés (SIMS) ayant amené à développer un modèle de (co)diffusions, nous présentons des mesures électriques en statique (cf. "Gummel") et en dynamique, capacitives essentiellement. Une discussion s'appuie sur ce travail, qui permet d'étudier l'influence de différentes variantes sur le process, particulièrement au ni veau du polysilicium et du collecteur, vis à vis, en particulier, du gain en courant et de la fréquence de transition. Les mesures électriques mettent aussi enexergue les défauts structurels du composant Nous avons alors développé un logiciel numérique bidimensionnel, résolvant les équations de Poisson et de continuité des courants, qui plus est couplées avec l'équation de Schroedinger. Cette dernière est en effet introduite pour décrire le transport tunnel à travers une fine couche d'oxyde (typiquement 15 A) sous le polysilicium (elle induit un accroissement du gain, en diminuant le courant de trous de la base). La dernière partie du travail concerne la modélisation du BICMOS à base SiGe, donc d'une structure à hétérojonctions, pouvant fonctionner à de très hautes fréquences (cf. Circuits RF)
The aim of this work is the study of a submicronic bi polar transistor, compatible with a silicon technology (BICMOS), developed by CNET lndustry (Meylan-France). First of all, we discuss with the doping level profiles. We develop a (co)diffusion modeling into the polysilicon and the monocrystalline silicon underneath. Then, we present static electrical characteristics such Gummel's ones, and dynamic measurements such as capacitances. We consider the effects of process on device parameters such as current gain and cut-off frequency. These characterizations point out the technological drawbacks concerning the device behavior. The core of the subject lies in developing a bidimensional device simulator dealing with the so-called drift-diffusion model. Moreover, we have to model the electrical transport through a very thin oxide (15 A) located between polysilicon and monosilicon, which increases the gain current by decreasing the hale current. Then we add the resolution of the Schroedinger equation to make the simulations fully numerical. The method used for this former one is a transfer matrix algorithm. Finally, we study a hetero junction transistor structure: a bipolar transistor with a SiGe-doped base. This structure gives high cut-off frequency specified for RF applications

Ce mémoire est une présentation de nos travaux de recherches s'étendant sur les dix dernières années. Ils ne sont pas consacrés à un domaine particulier de la physique, mais se répartissent suivant trois grands thèmes : aspects algébriques de la diffusion des ondes, utilisation des méthodes semiclassiques en diffusion et renormalisation en théorie des champs en espacetemps courbe.