Les nanostructures auto-assemblées sont particulièrement intéressantes pour des applications en opto-électronique et en photonique, notamment sur substrat de GaAs. Néanmoins, leur répartition spatiale à longue distance est aléatoire, leur densité est difficile à contrôler, leur distribution en taille peut être large et leurs formes peuvent êtres différentes. En palliant ces limitations, on devrait pouvoir améliorer les performances de dispositifs existants ou d'en fabriquer de nouveaux. Ce travail étudie la possibilité d'organiser à longue distance des nanostructures auto-assemblées sur substrat de GaAs, grâce aux champs élastiques produits en surface par des réseaux de dislocations (RDs) périodiques faiblement enterrés. Ces RDs se forment à l'interface cristalline entre une fine couche de GaAs et un substrat de GaAs (joints par <>) pour accommoder des désorientations entre leurs plans cristallins. Nous avons montré par l'intermédiaire d'une étude de microscopie électronique en transmission que les désorientations peuvent être choisies de sorte que les dislocations forment un réseau hexagonal périodique présentant des caractéristiques favorables à l'organisation bidimensionnelle à longue distance de nanostructures. Nous avons démontré expérimentalement une telle organisation pour des nanostructures auto-assemblées de GaAs et d'InGaAs.

Dans l'ère actuelle de l'informatique la quantité d'informations à stocker a connu un essor considérable. Dans ce contexte l'évolution des mémoires a été importante, tant pour les mémoires vives que pour les enregistreurs magnétiques sur bande. Ainsi le travail proposé vise à améliorer ces deux types de dispositifs. Une première partie traite de la modélisation et de la conception d'une tête de lecture pour enregistreur sur bande magnétique. Pour cela un nouveau type de design 'yoke' a été mis en avant couplé à l'utilisation d'un matériau à magnétorésistance géante. Dans un deuxième temps, nous avons mené une réflexion sur les diverses approches pour modéliser le processus d'écriture dans le cas d'une mémoire vive magnétique à accès aléatoire (MRAM). Ceci nous a ensuite conduit à étudier le phénomène de diaphonie lorsque la densité de la mémoire augmente.

On étudie l'influence du désordre et de l'interaction sur les courants permanents dans des anneaux unidimensionnels d'électrons fortement corrélés modélisés par l'hamiltonien de Hubbard-Anderson. L'outil numérique DMRG est utilisé afin de calculer les énergies des états fondamentaux à N corps pour des conditions de bord périodique et antipériodique, ce qui permet d'obtenir la raideur de charge qui est une mesure du courant permanent. Pour des désordres non nuls, on trouve une augmentation des courants permanents quel que soit le remplissage pour des valeurs modérées de l'interaction pour un nombre pair d'électrons. Ce comportement est qualitativement différent de celui obtenu pour des fermions sans spin, ce qui confirme l'influence du spin dans la hausse des courants permanents. L'étude de la longueur de localisation à demi-remplissage permet de confirmer cet effet délocalisant et de l'extrapoler vers des systèmes plus grands. Dans la limite des interactions fortes, la raideur de charge décroît lorsque l'interaction augmente. On trouve deux lois de décroissance différentes avec l'interaction si on est à demi-remplissage ou en dehors. A demi-remplissage seulement, pour de fortes interactions, le désordre fait augmenter le courant permanent. Ce phénomène inattendu est confirmé par le comportement de la longueur de localisation et persiste pour des systèmes plus grands. Dans un calcul analytique, le terme cinétique de l'hamiltonien est traité en perturbation afin de calculer les corrections à l'énergie et la sensitivité de phase. On retrouve les lois de décroissance dans la limite des fortes interactions. Un développement limité par rapport au désordre est effectué et permet de trouver une dépendance de la sensitivité de phase avec le désordre. A demi-remplissage, ceci confirme que le désordre fait augmenter les courants permanents.

Nous avons analysé la luminescence excitonique d'une chaîne unique et isolée d'un poly-diacétylène en matrice cristalline, la phase rouge du poly-3BCMU, par microphotoluminescence. A partir des formes de raie de micro-photoluminescence, nous avons montré que les états permis pour le centre de masse de l'exciton rouge forment une bande dans l'espace réciproque, de densité d'états parfaitement unidimensionnelle. Nous avons aussi montré que l'interaction entre l'exciton et les phonons longitudinaux acoustiques du cristal de monomère entourant la chaîne assure la mise à l'équilibre thermodynamique de l'exciton avec le réseau, et gouverne aussi la largeur de raie d'émission homogène. Par ailleurs, partant du modèle d'exciton de Wannier quasi-1D, en tenant compte du désaccord entre les constantes diélectriques de la chaîne et du cristal de monomère, nous avons montré que le confinement peut rendre compte de la grande énergie de liaison de l'exciton. En conséquence, les chaînes rouges de poly-3BCMU sont non seulement un système modèle d'étude des polymères conjugués, mais aussi un système modèle d'étude des propriétés électroniques des excitons de Wannier quasi-1D. Nous avons aussi étudié l'interaction entre l'exciton et les photons. Sous excitation résonnante, nous avons mis en évidence la saturation de l'absorption excitonique rouge dans un régime où les excitons photocréés forment un gaz de bosons sans interaction. En reliant les résultats expérimentaux à ceux du calcul de l'interaction entre photons et excitons habillés par la relaxation, nous avons conclu que le nombre d'excitons créés sur la chaîne varie sous linéairement avec la puissance d'excitation résonnante lorsque leur temps de vie devient comparable à la période de l'oscillation de Rabi. Nous avons enfin présenté la forme spatiale de la fluorescence d'une chaîne rouge. Nos études montrent que la recombinaison de l'exciton a lieu sur toute la longueur de la chaîne, i.e., sur une longueur caractéristique de 10 µm. Par ailleurs, la forme de la fluorescence ne dépend pas de la puissance d'excitation, ni de la position de l'excitation le long de la chaîne. Nous avons aussi montré que la forme spectrale de l'émission rouge est constante sur toute la longueur de la chaîne. D'après l'ensemble des résultats que nous avons présenté, il paraît très vraisemblable que le centre de masse de l'exciton rouge soit délocalisé sur toute la longueur de la chaîne.

L'imagerie des propriétés spectroscopiques locales, par microphotoluminescence, nous a permis de comprendre et d'analyser les propriétés de localisation dans les fils quantiques semiconducteurs gravés en V, et d'identifier les causes structurales de désordre. Nous avons ainsi mis en évidence les différences entre deux générations de fils quantiques. Dans la première, la rugosité des hétéro-interfaces impliquées dans le confinement des porteurs est importante et donne lieu à la localisation des excitons; le fil quantique, dit en "régime 0D", se comporte comme une collection de boîtes quantiques. Dans la deuxième génération, les fluctuations des hétéro-interfaces sont beaucoup plus rares (2 par µm dans les meilleurs échantillons) et les excitons sont délocalisés sur plusieurs centaines de nanomètres. Chaque îlot peut alors être considéré comme une portion de fil quantique, justifiant l'appellation de "régime 1D". Les propriétés électroniques des fils quantiques ont été étudiées en microluminescence sur une boîte quantique ou un îlot unique, et ont été corrélées à leurs propriétés structurales. Cette approche "nano-objet individuel" nous a donné accès aux propriétés intrinsèques de ces objets, en nous affranchissant de l'élargissement inhomogène des résultats habituellement obtenus sur une population macroscopique. Dans les fils quantiques en régime 0D, la structure fine du doublet radiatif de l'exciton localisé dans les boîtes quantiques a été mise en évidence expérimentalement et reliée à l'interaction Coulombienne d'échange. L'évolution en température des spectres de microluminescence a été interprétée comme l'établissement du couplage fort entre excitons et phonons acoustiques : le pic zéro phonon observé à basse température disparaît dès 30 K au profit d'une raie plus large de luminescence assistée par les processus d'émission et d'absorption de phonons. Dans les fils quantiques en régime 1D, nous avons montré que les excitons délocalisés dans les îlots sont sensibles au désordre résiduel, principalement dû à la présence de champs piézoélectriques internes. La théorie de l'exciton a été reprise dans le cas des fils quantiques, dont la singularité nécessite une grande rigueur dans la résolution de l'hamiltonien de l'atome d'hydrogène à 1D. Le temps de vie radiatif des excitons a été mesuré et suit à basse température une loi en sqrt(T), prouvant que les excitons de bas de bande sont localement à l'équilibre thermique et que leur densité est en 1/sqrt(E) à l'échelle de kT, comme attendu pour un système unidimensionnel. Nous avons enfin mis en évidence la transition de Mott entre un gaz dilué d'excitons en interaction Coulombienne et un plasma dense d'électrons et de trous lorsque la densité de porteurs photocréés est augmentée, et nous avons caractérisé ces différents régimes de densité. La formation de biexcitons dans le gaz dilué d'excitons a en particulier été confirmée.

La combinaison des techniques de microscopie en champ proche avec celles d'imagerie par résonance magnétique permet une étude locale de la dynamique magnétique. Dans cet exposé, nous démontrerons que d'un point de vue à la fois analytique et expérimental, cette détection mécanique, mesurant la composante longitudinale de l'aimantation avec un levier oscillant dans la bande audio, permet de remonter à la dynamique de relaxation transverse et longitudinale, à l'échelle de la nanoseconde, aussi bien sur un système de spins paramagnétiques que ferromagnétiques.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale de l'origine de l'Effet Hall Anormal (EHA) et de la propagation d'une paroi de domaine. Pour cela, j'ai développé une technique de mesure basée sur l'effet Hall Anormal (EHA) qui a permis de suivre en temps réel la propagation d'une paroi magnétique dans des pistes submicroniques. La première partie est consacrée à étudier l'origine de l'EHA dans des films ultraminces de Pt/Co/Pt/Al2O3 à anisotropie magnétique perpendiculaire. En modifiant les propriétés structurales des interfaces par irradiation ionique, j'ai montré que la diffusion à la surface et aux interfaces sont les mécanismes dominants contribuant à l'EHA. En parallèle, j'ai utilisé l'EHA pour étudier la dynamique d'une paroi de domaine 1D dans des pistes submicroniques de largeur w0 gravées dans les films de Pt/Co/Pt/Al2O3. La vitesse de propagation de la paroi de domaine v(H) est fortement réduite lorsque w0 diminue et elle suit un comportement de reptation. Le champ critique effectif est proportionnel à 1/w0. Des mesures dans des pistes avec des défauts artifiellement contrôlés nous montrent que cet effet est du à la présence de la rugosité de bords de la piste introduite pendant les étapes de lithographie et de gravure. Un modèle théorique de reptation a été développé et il est en accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, dans la dernière partie, nous avons démontré que la dynamique de propagation de la paroi peut être fortement modifiée par l'irradiation.

Dans cet ouvrage, nous présentons deux types d'expériences sur des nanotubes uniques caractérisés parallèlement par microscopie électronique en transmission. Le premier type d'expériences a été mené sur des jonctions métal-nanotube de carbone-métal. La résistance différentielle de ces jonctions a été mesurée à des températures allant de 50 mK à 1K. Lorsque les contacts sont supraconducteurs, nous avons montré qu'il était possible d'induire par effet de proximité un supercourant au sein d'une corde ou d'un tube monoparoi. Lorsque les contacts sont normaux, nous avons pu mettre en évidence une transition supraconductrice intrinsèque dans des cordes de nanotubes à une température critique de environ 500 mK. Nous avons discuté ces résultats en prenant en compte les paramètres modifiant la supraconductivité dans des systèmes à faible nombre de canaux. Nous avons montré ainsi la possibilité d'observer un transport ohmique et cohérent dans des nanotubes de carbone. Dans le second type d'expériences, nous avons cherché à caractériser la réponse diélectrique de nanotubes multifeuillets de carbone, nitrure de Bore (BN) et de disulfure de tungstène (WS2). Pour cela, nous avons effectué des mesures de spectroscopie de perte d'énergie résolues spatialement. Nous avons d'abord montré l'adéquation d'une description classique pour rendre compte des propriétés diélectriques (1-50 eV) de nanotubes à l'aide de mesures sur des nanotubes de carbone et BN. L'importance de l'anisotropie locale dans l'interprétation des spectres a été démontrée. Les mêmes expériences menées cette fois sur des tubes de WS2 de parois d'épaisseur différentes a permis de mettre en évidence l'existence de modes électromagnétiques de surface de symétrie bien déterminée résultant du couplage des modes des surfaces internes et externes. Une même interprétation a permis de d'analyser la réponse diélectrique de tubes de carbone en termes classiques, même lorsque la paroi se réduit à un plan monoatomique.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du phénomène de transfert de spin. Ce mécanisme, introduit théoriquement en 1996 par J. Slonczewski, permet d'orienter l'aimantation d'un matériau ferromagnétique sans champ appliqué, mais seulement par injection d'un courant polarisé en spin et transfert de spin vers le matériau considéré. Les fortes densités de courant à injecter pour observer l'effet, de l'ordre de 107 A.cm-2, imposent le recours à des nanostructures. Nous avons suivi deux voies pour caractériser cet effet nouveau de transfert de spin depuis un courant vers une aimantation. D'une part, à l'instar des tout premiers résultats expérimentaux obtenus à Cornell University en 2000, nous avons étudié cet effet dans des piliers magnétiques submicroniques de Co/Cu/Co. Nous avons pu clairement mettre en évidence le renversement d'aimantation par un courant polarisé en spin a champ nul. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dépendance en champ des courants critiques. Cette étude approfondie nous a permis de tracer le diagramme de phase champ-courant, nous fournissant des informations importantes quant aux mécanismes microscopiques à l'origine du phénomène de renversement d'aimantation par injection de spin. La deuxième partie de ma thèse concerne le cas des barreaux de vanne de spin Co/Cu/NiFe dans lesquels la modification d'aimantation est due au déplacement de paroi magnétique induit par transfert de spin à partir d'un courant polarisé en spin. Pour des champs proche de zéro, une paroi magnétique peut être déplacée uniquement sous l'action du courant entre des centres de piégeage et, en accord avec les conclusions du modèle de Berger, le déplacement s'effectue dans des directions opposées pour des courants opposés. La densité de courant critique requise pour déplacer la paroi est de l'ordre de quelques 106 A/cm², un ordre de grandeur plus faible que les courants nécessaires pour entraîner un renversement d'aimantation dans les structures multicouches de type piliers. Ces mesures constituent la première mise en évidence directe et en temps réel de déplacement de parois par transfert de spin dans des nanostructures magnétiques.

Il existe des projets d'ordinateurs quantiques pour résoudre certains problèmes difficiles, comme la factorisation des grands nombres, beaucoup plus rapidement qu'avec un ordinateur classique. L'unité de base de l'ordinateur quantique est un système quantique à deux niveaux nommé bit quantique, qui doit satisfaire des critères très stricts. Parmi les nombreux systèmes proposés pour réaliser un bit quantique, les circuits électroniques sont des candidats intéressants en raison de leur grande intégrabilité. L'objet ce cette thèse est de réaliser un bit quantique à partir d'un circuit supraconducteur à base de jonctions Josephson nommé ``boîte à paires de Cooper''. L'état de cette boîte peut être déterminé soit par une mesure de courant, soit par une mesure de charge. Dans cette thèse sont étudiées trois différentes stratégies pour réaliser le bit quantique, qui diffèrent par le mode de lecture de l'état de la boîte. Pour chaque stratégie, le temps de vie d'une superposition cohérente d'états de la boîte est évaluée théoriquement et l'appareil de mesure associé est testé expérimentalement. Cette étude permet de déterminer la stratégie la plus prometteuse qui est finalement implémentée dans ce travail de thèse sous le nom de ``quantronium''. L'état du quantronium a été manipulé à l'aide d'impulsions radiofréquence, et le temps de vie d'une superposition quantique d'états de ce circuit a été déterminée. Ce temps est suffisamment long pour envisager la construction de portes logiques élémentaires.