Ce travail de thèse a porté sur la synthèse de boîtes quantiques (BQs) de semi-conducteurs nitrures orientés (11-22) ou (0001) par épitaxie par jets moléculaires à plasma d'azote, pour des applications aux capteurs chimiques pour la détection du niveau de pH, d'hydrogène ou des hydrocarbures dans des environnements gazeux ou liquides. Dans la première partie de ce manuscrit, je décri la synthèse des couches bidimensionnelles semi-polaires (11-22) : des couches binaires (AlN, GaN, and InN) et des ternaires (AlGaN et InGaN), qui sont requises pour le contact de référence dans les transducteurs et aussi pour établir une connaissance de base pour comprendre la transition dès la croissance bidimensionnelle à la croissance tridimensionnel des BQs. Un résultat particulièrement relevant est l'étude de la cinétique de croissance et l'incorporation de l'indium dans les couches d'InGaN(11-22). De même que pour InGaN polaire (0001), les conditions optimales de croissance pour l'orientation cristallographique semi-polaire correspondent à la stabilisation de 2 ML d'In sur la surface, en excellent accord avec des calculs théoriques. Les limites de la fenêtre de croissance en termes de température du substrat et de flux d'In sont les mêmes pour les matériaux semi-polaire et polaires. Cependant, j'ai constaté une inhibition de l'incorporation de l'In dans les couches semi-polaires, même pour une température en dessous du seuil de la ségrégation pour l'InGaN polaire. Dans une deuxième étape, j'ai fabriqué des super-réseaux de BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN, à la fois dans l'orientation polaire et semi-polaire. Les mesures de photoluminescence et de photoluminescence en temps résolu confirment la réduction du champ électrique interne dans les boîtes semi-polaires. D'autre part, les BQs semi-polaires à base d'InGaN doit relever le défi de l'incorporation d'In dans cette orientation cristallographique. Pour surmonter ce problème, l'influence de la température de croissance sur les propriétés des boîtes quantiques InGaN polaires et semi-polaires a été étudiée, en considérant la croissance à haute température (TS = 650-510 °C, où la désorption d'In est active) et à basse température (TS = 460-440 °C, où la désorption d'In est négligeable). J'ai démontré que les conditions de croissance à faible TS ne sont pas compatibles avec le plan polaire, tandis qu'ils fournissent un environnement favorable au plan semi-polaire pour améliorer l'efficacité quantique interne de nanostructures InGaN. Enfin, j'ai synthétisé un certain nombre de transducteurs à BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN selon les axes de croissance polaire et semi-polaire. Dans chaque cas, les conditions de croissance pour atteindre la fourchette spectrale ciblée (420-450 nm d'émission à avec une couche contact transparente pour des longueurs d'onde plus courtes que 325 nm) ont été identifiés. L'influence d'un champ électrique externe sur la luminescence des transducteurs ont confirmé que la meilleure performance (plus grande variation de la luminescence en fonction de la polarisation) a été fournie par des structures à base de BQs d'InGaN/GaN. Avec ces données, les spécifications des transducteurs opto-chimiques ont été fixées : 5 perides de BQs d'InGaN/GaN sur une couche contact d'Al0.35Ga0.65N:Si). Puis, j'ai synthétisé un certain nombre de ces transducteurs afin d'obtenir un aperçu sur la reproductibilité, limites et les étapes critiques du processus de fabrication. En utilisant ces échantillons, nous avons réalisé un système capteur intégré qui a été utile pour le suivi de la valeur du pH de l'eau.

Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance.

Les excitons-polaritons sont des particules mixtes de lumière et de matière. Ils peuvent être le futur des applications optoélectoniques, en vertu de leur réponse optique non-linéaire qui est extrêment forte. Cette thèse est consacrée aux effets non-linéaires et aux applications variées des excitons-polaritons dans les nanostructures à base de semi-conducteurs. Les microcavités planaires et les polaritons 2D sont étudiés dans les premiers chapitres, alors que le dernier chapitre est consacré à l'étude du système de boites quantiques en cavité (polaritons 0D). L'oscillateur paramétrique et la bi stabilité sont le sujet de la première partie de la thèse. Une approche mathématique intermédiaire entre les approches semi-classiques et purement cohérente est présentée. L'impact des fluctuations proches du seuil de bi stabilité est étudié. La deuxième partie est consacrée à la présentation de différentes applications basées sur les propriétés des polaritons. Un laser à polaritons basé sur une cavité de ZnO est modélisé et les résultats soulignent les avantages de l'utilisation de ce matériau pour la réalisation de ce type d'application à température ambiante. La structure de spin particulière des polaritons est par la suite utilisée pour proposer deux nouvelles applications. La première est un analogue optique du transistor de spin pour les électrons, appelé transistor Datta et Das. La deuxième propose d'utiliser le comportement chaotique d'une jonction Josephson polaritonique afin d'implémenter un système de crytage chaotique d'un signal. Le dernier chapitre est consacré aux polaritons 0D. Nous montrons comment la réalisation du régime de couplage fort permet de réaliser une source de photons intriqués basée sur le déclin du bi exciton dans une boite quantique en résolvant un certain nombre de difficultés par rapport au système constitué d'une boite quantique simple.

L’optique quantique avec électron est un domaine de recherche en expansion depuis ses débuts au cours des années 90 prenant suite aux premières expériences d’interférence avec électrons réalisées dans les années 80. Ce domaine est dédié à la réalisation d’expérience d’optique quantique avec des électrons plutôt que des photons. Leur intérêt est double, d’une part les électrons étant des fermions de nouveaux phénomènes, en comparaison des photons qui sont des bosons, peuvent être observés. L’électron anti-bunching, en comparaison du bunching des photons obtenu dans des expériences de corrélations en est un exemple. Le deuxième avantage des électrons est le fait qu’ils peuvent être contrôlés et manipulés à l’aide de champ électrique, un tel contrôle n’est pas possible avec des photons. Alors que les composants de base pour la réalisation de ces expériences sont déjà existant comme la lame séparatrice, ou encore les sources cohérentes à électrons uniques, la détection immédiate d’un électron unique dans de telles expériences est toujours manquante. La difficulté étant le faible temps d’interaction entre l’électron en déplacement et le détecteur de charge qui est limité typiquement à moins de 1ns principalement à cause de la vitesse élevée de déplacement de l’électron qui est égale à la vitesse de Fermi soit 10-100km/s. Ce temps d’interaction est environ deux ordres de grandeurs plus petits que ce qui est nécessaire pour le meilleur détecteur de charge démontré jusqu’à présent.Dans ce manuscrit est présenté le développement d’un détecteur ultra-sensible pour la détection immédiate d’un électron se déplaçant à la vitesse de Fermi. Notre stratégie est de détecter un électron unique se déplaçant dans les canaux de bords (ECs) de l’effet Hall quantique à partir de la mesure d’une variation de phase d’un bit quantique singlet-triplet, appelé qubit détecteur par la suite. La détection immédiate de cet électron en déplacement n’étant possible que si l’interaction avec ce dernier induit une variation de phase de pi, avec une lecture immédiate de l’état de spin du qubit détecteur.Grâce au développement et à l’utilisation d’un RF-QPC, cette lecture immédiate de l’état de spin est tout d’abord démontrée. Par la suite le développement du qubit détecteur avec la réalisation d’oscillations cohérentes d’échange est décrit. Sa sensibilité en charge est démontrée avec l’observation d’une phase induite par l’interaction avec un courant d’électrons dans les ECs. Ce courant est imposé par l’application d’un biais de tension contrôlant le potentiel chimique de ces ECs.Après optimisation de ce qubit détecteur pour la détection d’un électron unique, il est calibré en utilisant le même procédé de courant imposé par application d’un biais de tension. Cette calibration nous fournie la variation de signal attendue pour l’interaction avec cette charge unique est indique que sa détection immédiate est impossible dans nos conditions expérimentales. Notre détecteur ayant une sensibilité de charge de l’ordre de 8.10-5 pour une bande passante allant de DC à 1THz. Cette sensibilité est environ deux ordres de grandeur trop petite que ce qui est nécessaire pour la détection immédiate de cette charge unique. Finalement, ce qubit détecteur est utilisé pour détecté, dans une expérience moyennée, ce qui est appelé un edge magneto plasmon composé par moins de 5 électrons. Néanmoins, atteindre la détection de la charge unique dans n’a pas été possible, la sensibilité en charge étant légèrement trop petite pour y arriver.Les différentes limites de notre détecteur sont listées et expliquées tout au long du manuscrit, avec une présentation de différents axes de développement qui devraient permettre de réussir cette détection d’un électron unique dans une nouvelle expérience. / The electron quantum optics field is a research topic with an interest growing over the years since the 80's and the first interference experiment with electrons. This field is dedicated to the implementation of quantum optics experiments with electrons instead of photon. The advantage is twofold, one is the fermion nature of the electrons which ensure the observation of phenomenon which cannot be observed with photon (boson), the anti-bunching of the electrons in correlation experiments contrary to the bunching for photons illustrates this point. The second advantage is the possibility to interact and control electrons with electric fields since they are charged particles. Such control does not exist with photon. In addition to these fundamental experiments, it has been recently demonstrated that this topic presents a possible candidate for quantum information with so called flying qubit. While the based components to mimic the quantum optics experiments are already demonstrated like the beam splitter, phase shifter or coherent single electron source, the single electron detection in a single shot manner in such system is still lacking. The difficulty being the short interaction time between the travelling charge and the charge detector, being of less than 1ns in such system where the electron propagate at the Fermi velocity 10-100km/s. This interaction is approximately two orders of magnitude shorter than what is required with the actual best on chip charge detector.In this thesis is presented the development of an ultra-sensitive detector for the single shot detection of an electron travelling at the Fermi velocity. Our strategy was to detect a single travelling electron propagating in the edge channels (ECs) of the quantum Hall effect by measuring the induced phase shift of a singlet-triplet qubit, referred as to the qubit detector. The single shot detection being only possible if the interaction with the travelling electron induces a complete π phase shift and the spin readout of the qubit detector being performed in a single shot manner.Thanks to the development and use of a RF-QPC the single shot spin readout of the qubit detector has been first demonstrated. Its development with the implementation of coherent exchange oscillations is then described. The charge sensitivity of the qubit detector is validated in an experiment consisting in recording a phase shift of these oscillations due to the interaction with an imposed flow of electrons in the ECs. This flow of electron was induced by a DC voltage bias applied on the ECs to tune their chemical potential.This qubit detector is then optimised for the single travelling charge detection. Its calibration has been implemented using the same imposed flow of electrons by application of a DC bias. This calibration provides the expected signal variation induced by the interaction with a single travelling electron, and indicates the impossibility to implement this detection in a single shot manner in our experimental conditions. Our detector exhibits a charge sensitivity estimated close to 8.10-5 e/Hz-1/2 for a detection bandwidth from DC to 1 THz. The sensitivity is close to two orders of magnitude smaller than required for a single shot detection. Finally this qubit detector has been employed to detect in average measurements an edge magneto plasmon composed by less than 5 electrons. However, the single electron level could not be reached in statistical measurement neither, the sensitivity of our qubit detector being too limited.The different limitations of our experiment are listed and explained with the presentation of different axes of development which could permit to succeed this detection in another experiment.

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse de boîtes quantiques (BQs) de semi-conducteurs nitrures orientés (11-22) ou (0001) par épitaxie par jets moléculaires à plasma d'azote, pour des applications aux capteurs chimiques pour la détection du niveau de pH, d'hydrogène ou des hydrocarbures dans des environnements gazeux ou liquides. Dans la première partie de ce manuscrit, je décri la synthèse des couches bidimensionnelles semi-polaires (11-22) : des couches binaires (AlN, GaN, and InN) et des ternaires (AlGaN et InGaN), qui sont requises pour le contact de référence dans les transducteurs et aussi pour établir une connaissance de base pour comprendre la transition dès la croissance bidimensionnelle à la croissance tridimensionnel des BQs. Un résultat particulièrement relevant est l'étude de la cinétique de croissance et l'incorporation de l'indium dans les couches d'InGaN(11-22). De même que pour InGaN polaire (0001), les conditions optimales de croissance pour l'orientation cristallographique semi-polaire correspondent à la stabilisation de 2 ML d'In sur la surface, en excellent accord avec des calculs théoriques. Les limites de la fenêtre de croissance en termes de température du substrat et de flux d'In sont les mêmes pour les matériaux semi-polaire et polaires. Cependant, j'ai constaté une inhibition de l'incorporation de l'In dans les couches semi-polaires, même pour une température en dessous du seuil de la ségrégation pour l'InGaN polaire. Dans une deuxième étape, j'ai fabriqué des super-réseaux de BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN, à la fois dans l'orientation polaire et semi-polaire. Les mesures de photoluminescence et de photoluminescence en temps résolu confirment la réduction du champ électrique interne dans les boîtes semi-polaires. D'autre part, les BQs semi-polaires à base d'InGaN doit relever le défi de l'incorporation d'In dans cette orientation cristallographique. Pour surmonter ce problème, l'influence de la température de croissance sur les propriétés des boîtes quantiques InGaN polaires et semi-polaires a été étudiée, en considérant la croissance à haute température (TS = 650–510 °C, où la désorption d'In est active) et à basse température (TS = 460–440 °C, où la désorption d'In est négligeable). J'ai démontré que les conditions de croissance à faible TS ne sont pas compatibles avec le plan polaire, tandis qu'ils fournissent un environnement favorable au plan semi-polaire pour améliorer l'efficacité quantique interne de nanostructures InGaN. Enfin, j'ai synthétisé un certain nombre de transducteurs à BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN selon les axes de croissance polaire et semi-polaire. Dans chaque cas, les conditions de croissance pour atteindre la fourchette spectrale ciblée (420-450 nm d'émission à avec une couche contact transparente pour des longueurs d'onde plus courtes que 325 nm) ont été identifiés. L'influence d'un champ électrique externe sur la luminescence des transducteurs ont confirmé que la meilleure performance (plus grande variation de la luminescence en fonction de la polarisation) a été fournie par des structures à base de BQs d'InGaN/GaN. Avec ces données, les spécifications des transducteurs opto-chimiques ont été fixées : 5 perides de BQs d'InGaN/GaN sur une couche contact d'Al0.35Ga0.65N:Si). Puis, j'ai synthétisé un certain nombre de ces transducteurs afin d'obtenir un aperçu sur la reproductibilité, limites et les étapes critiques du processus de fabrication. En utilisant ces échantillons, nous avons réalisé un système capteur intégré qui a été utile pour le suivi de la valeur du pH de l'eau. / This thesis work has focused on the synthesis of (In)GaN-based quantum dot (QD) structures by plasma-assisted molecular-beam epitaxy (PAMBE), deposited in both polar (0001) and semipolar (11-22) crystallographic orientations, for application as optical transducers for chemical sensors for detection of pH levels, and hydrogen or hydrocarbon concentrations in gas or liquid environments. In the first part of this work, I describe the synthesis of semipolar-oriented two-dimensional layers: binary alloys (AlN, GaN and InN) and ternary alloys (AlGaN and InGaN), which are required for the reference contact of the transducers and set the basic know-how to understand the transition from two-dimensional growth to three-dimensional QD nanostructures. It is particularly relevant the study of indium kinetics and indium incorporation during the PAMBE growth of InGaN(11-22) layers. Similarly to (0001)-oriented InGaN, optimum growth conditions for this semipolar crystallographic orientation correspond to the stabilization of 2 ML of In on the growing InGaN surface, in excellent agreement with first-principles calculations. The limits of the growth window in terms of substrate temperature and In flux lie at same values for polar and semipolar materials. However, I observe an inhibition of the In incorporation in semipolar layers even for substrate temperatures below the segregation threshold for polar InGaN. In a second stage, I report the successful fabrication of superlattices (SLs) of GaN/AlN and InGaN/GaN QDs, both in polar and semipolar orientations. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence confirmed the reduction of the internal electric field in the semipolar GaN/AlN QDs in comparison with polar structures. On the other hand, semipolar InGaN QDs must face the challenge of In incorporation in this crystallographic orientation. To overcome this problem, the influence of the growth temperature on the properties of the polar and semipolar InGaN QDs has been studied, considering growth at high temperature (TS = 650–510 °C, where In desorption is active) and at low temperature (TS = 460–440 °C, where In desorption is negligible). I demonstrate that low-TS growth conditions are not compatible with polar plane whereas they provide a favorable environment to semipolar plane to enhance the internal quantum efficiency of InGaN nanostructures. Finally, I have synthesized a number of GaN/AlN and InGaN/GaN QD optical transducers, grown in polar and semipolar orientations. In each case, the growth conditions to attain the targeted spectral range (emission at 420-450 nm with buffer transparent for wavelengths shorter than 325 nm) were identified. The influence of an external electric field on the luminescence of the transducers confirmed that the best performance (larger variation of the luminescence as a function of bias) was provided by InGaN/GaN QD structures. With this feedback, the specifications of the targeted opto-chemical transducer structures have been established (5 InGaN/GaN QD layers on Al0.35Ga0.65N:Si). Then, I have synthesized a number of InGaN/GaN opto-chemical transducers in order to get an insight on the reproducibility, limitations and critical steps in the fabrication process. Using these samples, we have achieved an integrated sensor system based on polar InGaN QD SLs, and the system was useful for monitorization of the pH value of water.

Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance. / This PhD thesis is at a cross-road between three different fields : the spintronics which uses the spin degree of freedom of the electron to build new devices ; the molecular electronics which tries to take advantage of the new development of the chemistry, to give a workaround to the all semiconductor paradigm of the microelectronics industry; and the molecular magnetism which synthesizes molecular magnet with properties of an increasing richness. Our work has been dedicated to the fabrication of a molecular magnet based electronic device with which we could use the spin of the electron to study the magnetic properties at a single molecule level. Such device could, in the future, be used in the field of quantum information. We have decided to fabricate a field effect molecular transistor in which a well known molecular magnet, the Terbium double-decker or TbPc2, acts as a channel. Thanks to this device, we evidenced the quantum tunnelling of the magnetization (QTM) at single molecule level. We demonstrated that the magnetic moment reversal induces an abrupt change in the differential conductance of the system. By performing a statistical study, we highlighted four resonances that were attributed to QTM. We also measured a single nuclear spin state : each resonance being directly associated with one particular nuclear spin state. We studied the nuclear spin temperature and showed that it could be influenced by the electrostatic environment. Furthermore, the spin state lifetime was assessed and estimated to few seconds, highlighting the low invasive character of our measurement technique. This work give the foundation of the first molecular magnet based Qbit. With radio frequency techniques, the nuclear spin could be manipulated, the readout being performed through conductance measurement.

Le développement de circuits mesoscopiques avec une architecture hybride cette dernière décennie a permis d’étudier l’interaction lumière matière dans son aspect fondamental avec des photons dans le régime micro-ondes. Ces développements permettent aujourd’hui d’étudier cette interaction dans le domaine terahertz, gamme spectrale s’étendant de 0.1 THz à 10 THz (0.4 meV-41,3 meV). L’apparition de sources performantes et de méthodes de spectroscopie efficaces telles que la spectroscopie dans le domaine temporel sont des outils utilisables pour l’étude de l’interaction lumière matière dans ce domaine spectral. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un outil afin d’étudier cette interaction dans son aspect le plus fondamental composé d’un nanotube de carbone en régime de boîte quantique et d’une cavité térahertz. Le nanotube de carbone est un élément d’autant plus adapté que sa structure électronique est régie par des énergies dont la fréquence équivalente se situe dans le terahertz. La cavité térahertz est un "split ring resonator". Le travail s’est décomposé en deux aspects, avec dans un premier temps le développement d’un banc de spectroscopie térahertz large bande (0.3 THz-20 THz) dans le domaine temporel pour l’étude des résonateurs. En utilisant un procédé original de contrôle du front d’onde d’émission de l’antenne, nous démontrons que le champ térahertz est focalisé en limite de diffraction ce qui ouvre la possibilité d’étudier des résonateurs uniques. Dans un second temps, des mesures de transport électronique ont été effectuées afin de mettre en évidence un couplage entre le résonateur et la boîte quantique. Un couplage avec un mode bosonique est observé. La conductance de ces états est modulée par la source de photons utilisée dans cette étude. Cependant, l’énergie du mode est inférieure à celle observée par les mesures de spectroscopie ne permettant pas de conclure de manière définitive sur l’origine de ce mode. / In the last ten years, research has been devoted to the development of hybrid architecture mesoscopic circuit to study the ligh-matter interaction in the microwaves range. These improvements allow us to study this interaction in the terahertz range extending from 0.1 THz to 10 THz (0.4 meV - 41.3 meV). Moreover, new efficient sources and new spectroscopy schemes like time domain spectroscopy set-up are some tools that can be used to study the light-matter interaction in this range. In this work, we developed a paradigm to study the interaction in the fundamental aspect composed of a carbon nanotube in a quantum dot regime embedded in a terahertz cavity. Carbon nanotube quantum dot is well adapted because of its electronic levels which are separated by energy in the terahertz range. The cavity used for the study is a "split ring resonator". This thesis is decomposed in two parts. Firstly, we built an ultrabroadband terahertz time domain spectroscopy set-up (0.3 THz -20 THz) to study the terahertz resonators. We demonstrated that the terahertz field is focused at the diffraction limit by exciting the antenna with an original scheme based on a control wavefront. Then, electronic transport measurements have been done to highlight the coupling between the cavity and the quantum dot. A coupling with a bosonic mode is observed. The conductance of these states is modified by the source that we used in this work. However, the energy of the observed mode is lower than the fundamental energy mode of the cavity that do not allow us to conclude about the origin of this mode.

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

Ce mémoire porte sur les mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans des systèmes de boîtes quantiques(BQs) d’InAs/InP. Les systèmes sont composés d’un sub- strat volumique d’InP, appelé matrice (M), d’un puits quantique d’InAs, nommé couche de mouillage (CM), et des familles de BQs d’InAs. La distinction entre les familles est faite par le nombre de monocouche d’épaisseur des boîtes qui sont beaucoup plus larges que hautes. Une revue de littérature retrace les principaux mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans les systèmes. Ensuite, différents modèles portant sur la fuite thermique des excitons des BQs sont comparés. Les types de caractérisations déjà produites et les spécifications des croissances des échantillons sont présentés. L’approche adoptée pour ce mémoire a été de caractériser temporellement la dynamique des BQs avec des mesures d’absorbtion transitoire et de photoluminescence résolue en temps (PLRT) par addition de fréquences. L’expérience d’absorption transitoire n’a pas fait ressortir de résultats très probants, mais elle est expliquée en détails. Les mesures de PLRT ont permis de suivre en température le temps de vie effectif des excitons dans des familles de BQs. Ensuite, avec un modèle de bilan détaillé, qui a été bien explicité, il a été possible d’identifier le rôle de la M et de la CM dans la relaxation et la fuite des excitons dans les BQs. Les ajustements montrent plus précisément que la fuite de porteurs dans les BQs se fait sous la forme de paires d’électrons-trous corrélées. / This thesis focuses on the mechanisms of relaxation and leakage of excitons in systems of quantum dots (QDs) InAs / InP. The systems are composed of a substrate of InP volume, called matrix (M), of a quantum well of InAs, named wetting layer (CM), and of QD families of InAs. The distinction between the families can be explained by the number of monolayer-thick boxes that are wider than high. A literature review highlights the main relaxation mechanisms and leakage of excitons in systems. Then, different models on the thermal leakage of the QD excitons are compared.Then, a presentation of the different types of characterizations already and of the specifications on the samples growths. The approach used for this thesis is to temporarily characterize the dynamic of the QDs with transient absorption and upconversion. The transient absorption experiment’s results are not very convincing, but are minutely explained. PLRT measures were used to follow in temperature the excitons effective lifetime in the QDs families. Then, with a detailed balance model, which has been well explained, it was possible to identify the role of theMand CM in relaxation and leakage of excitons in QDs. As shown by the adjustement, the escape of carriers in the QDs is made in a correlated electron-hole pairs form.

Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude. / This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured.