Le contrôle des propriétés et la maîtrise du couplage cohérent d'objets quantiques individuels dans une matrice solide sont un enjeu essentiel pour le développement de l'information quantique. Les centres colorés dans le diamant, équivalent aux molécules artificielles, présentent des caractéristiques qui sont très prometteuses pour la réalisation d'une telle application. Parmi les centres colorés, le centre NV (azote-lacune) est le plus intéressant, dû en particulier à sa grande photostabilité à température ambiante. Le travail de cette thèse est consacré à l'étude des propriétés optiques et électroniques des centres colorés NV à température ambiante. / Researches over the past decade in many fields of science, including physics, chemistry have initiated the dream of building computers that work according to the rules of quantum mechanics, and computer and quantum information have been proposed. The Nitrogen-Vacancy color center in diamond is one of the most promising candidate due to several advantages: no blinking and no photo bleach at room-temperature, single photon generation, electron spin manipulated with microwave and readout optically. This thesis concentrates on the study of optical and spin properties of NV color center.

Le contrôle des propriétés et la maîtrise du couplage cohérent d'objets quantiques individuels dans une matrice solide sont un enjeu essentiel pour le développement de l'information quantique. Les centres colorés dans le diamant, équivalent aux molécules artificielles, présentent des caractéristiques qui sont très prometteuses pour la réalisation d'une telle application. Parmi les centres colorés, le centre NV (azote-lacune) est le plus intéressant, dû en particulier à sa grande photostabilité à température ambiante. Le travail de cette thèse est consacré à l'étude des propriétés optiques et électroniques des centres colorés NV à température ambiante.

Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes.<br /> Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. <br /> La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.

Les fibres dopées erbium couvrent de nombreuses applications, particulièrement dans le domaine des télécommunications terrestres et sous marines, avec les amplificateurs optiques. Aujourd’hui, il existe un réel intérêt pour l’industrie spatiale d’utiliser ces fibres dans les satellites. Cependant, pour utiliser leur potentiel, une qualification en milieu radiatif doit être effectuée, c'est justement l'objet principal de ce travail de thèse. Grâce au partenariat industriel avec Draka-Prysmian, nous avons accès à une grande diversité de fibres en termes de compositions chimiques : ceci nous permet d’étudier leur sensibilité aux radiations, et de comprendre le rôle essentiel des dopants et des codopants dans cette sensibilité. Une étude de celle-ci en temps réel, associée à une caractérisation pré et post-irradiation des fibres optiques, rend possible l'identification fine des défauts induits sous irradiation, et la compréhension de leur mécanisme de formation, en fonction de la composition de ces fibres. Cette étude permet ainsi de proposer un modèle physique de leur dégradation, et aussi de leur guérison, complété par un modèle d'amplificateur. Il permet de prédire, en fonction de la composition des fibres, le comportement quantitatif des amplificateurs optiques associés, en termes de gain et et de bande passante, versus un dépôt de dose typique d'une mission spatiale ; il répond ainsi aux attentes des principaux acteurs du domaine. En outre, le bénéfice de ce travail ouvre des portes dans le domaine de la dosimétrie par fibre optique active, dans différents environnements radiatifs autres que le domaine spatial, tels que le milieu médical ou l'environnement nucléaire. / Erbium-doped optical fibers open up many applications, especially in the field of terrestrial and underwater telecommunications, with optical amplifiers. Nowadays, there is a real interest for the space industry to use these fibers in satellites. However, in order to use their full potential, qualification in radiative environments is to be carried out, this is the main focus of this PhD work. Thanks to the partnership with Draka-Prysmian group, we have a full access to a large diversity of specialty fibers, in terms of chemical compositions : this allows us to study their sensitivity to radiations, and to determine the important role of dopants and co-dopants in this sensitivity. A real-time study of it, associated with a qualification of pristine and irradiated optical samples, enables the detection of radiation-induced defects, and the understanding of their creation process, as a function of the fiber structure. This study provides a physical model describing the degradation and the recovery of these fibers, enhanced with an amplifier modeling. It allows the prediction of the quantitative behavior of specialty fiber-based amplifiers, in terms of gain and bandwidth, versus the chemical composition of the fibers used, for a typical space mission dose ; thus this modeling meets the needs of the spatial market key actors. Furthermore, the benefit of this work opens up another avenues for some larger opportunities, in various radiative environments, such as the medical field or the areas of nuclear facilities.

Ce travail de thèse porte sur l'utilisation des NanoDiamants Photoluminescents (NDPs) pour des applications en bio-imagerie. Les nanodiamants (NDs) sont photoluminescents grâce à la présence de centres colorés azote-lacune (NV) dans leur maille cristalline. Le manuscrit est divisé en deux parties. La première concerne l'étude des propriétés optiques des centres colorés NV dans des NDs. Après l'optimisation de la concentration des centres NV, nous comparons la photoluminescence des NDPs à celle des nanoparticules semi-conductrices commerciales; nous concluons qu'elle peut être équivalente, même supérieure dans le cas des NDPs. Pour augmenter le contraste d'imagerie intracellulaire des NDPs, nous avons étudié l'excitation à 2-photons des centres NV. Lors de cette étude avec un laser impulsionnel, nous avons découvert que le signal de photoluminescence des NDPs excité à un photon chute très fortement lorsque l'impulsion infrarouge est simultanée de l'excitation visible. Nous avons étudié la façon d'utiliser cet effet pour l'imagerie de super-resolution. La deuxième partie porte sur l'étude des applications des NDPs comme sondes pour la bio-imagerie. Dans le but d'utiliser des NDPs comme véhicules de biomolécules, nous avons étudié leurs mécanismes d'internalisation et avons élucidé leur localisation intracellulaire, en inhibant des voies différentes d'internalisation et par des expériences d'immunofluorescence. De plus, nous avons montré que les NDPs ne sont pas toxiques pour des cellules en culture. Un premier essai de vectorisation a été mené avec de NDPs couverts d'ADN plasmidique.

Nous avons étudié expérimentalement des propriétés de la lumière émis par des objets individuels. Nos études ont essentiellement porté sur la fluorescence d'émetteurs individuels en vue de disposer d'une source de photons uniques déclenchée fonctionnant à température ambiante et utilisable pour la cryptographie quantique. Cette source repose sur l'excitation impulsionnelle d'un seul émetteur placé au foyer d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique. Sur un système moléculaire organique, nous avons mis en évidence le caractère non-classique de la lumière émise. Nous avons étudié le bruit d'intensité en mesurant le paramètre de Mandel de la distribution temporelle de photons. Une réduction du bruit par rapport à une source de lumière classique équivalente est observée aux temps courts. La technique de mesure mise au point, qui repose sur l'acquisition de tous les instants d'arrivée des photons détectés, permet en outre de remonter à la dynamique de la molécule, fournissant ainsi une alternative à l'enregistrement direct des corrélations temporelles habituellement utilisé.<br />Pour pallier l'inévitable photoblanchiment des molécules de colorants, difficilement compatible avec les applications, nous leur avons préféré un centre coloré unique dans un nanocristal de diamant. Ce dernier se comporte du point de vue de sa fluorescence comme un système moléculaire avec l'avantage supplémentaire d'être parfaitement photostable à température ambiante. Nous avons utilisé la source de photons uniques reposant sur ce centre coloré dans une expérience de distribution quantique de clé de cryptage avec une transmission des photons en espace libre. Nous avons montré qu'une telle source permettait encore le partage d'une clé sûre en présence d'une forte atténuation sur la ligne, là où les impulsions laser atténuées ne peuvent plus permettre un tel partage de secret.<br />Nous décrivons également dans ce mémoire quelques résultats obtenus sur la génération de second harmonique par des nanocristaux organiques et l'utilisation d'un tel signal comme diagnostic du caractère cristallin du nano-objet ainsi détecté. Enfin, nous concluons sur le projet en cours portant sur la manipulation cohérente d'un spin individuel d'un centre coloré du diamant, pour le traitement quantique de l'information.