En régime de couplage fort lumière-matière, les microcavités de semiconducteurs contenant des puits quantiques abritent des quasi-particules appelées exciton-polaritons de microcavité. Leur caractère hybride mi-électronique, mi-photonique, leur confère des propriétés optiques non-linéaires remarquables. Nous nous intéressons dans cette thèse à des microcavités structurées qui permettent la coexistence de branches polaritoniques de symétrie et d'énergie différenciées. Une microcavité gravée en rubans de quelques micromètres de large est d'abord étudiée. Le confinement latéral lève la dégénérescence entre les modes polarisés parallèlement et orthogonalement à la direction du ruban. Nous montrons que ce dédoublement résulte de contraintes structurales intrinsèques, de sorte que son amplitude peut être décidée dès la conception du dispositif. Nous nous intéressons ensuite à une microcavité double. En régime de diffusion Rayleigh élastique, le dédoublement TE-TM conduit à une séparation spatiale et angulaire des polaritons de pseudo-spins différents. Nous montrons que ce phénomène, appelé "effet Hall optique de spin" peut être contrôlé par un faisceau de pompe intense. Dans le régime d'oscillation paramétrique optique, la lumière s'auto-organise pour former un motif dans le champ lointain. Les règles de sélection concernant l'orientation et la polarisation de ces motifs sont explorées dans le régime d'amplification paramétrique optique. Ces études ouvrent la voie de la conception de "dispositifs de microphares" (capables d'orienter continûment la lumière par un simple contrôle en polarisation) et d'interrupteurs tout-optique ultra-rapides. / Semiconductor microcavities with embedded quantum wells in the strong light-matter coupling regime host quasi-particles called microcavity exciton-polaritons. Their hybrid nature, half-electronic, half-photonic, brings about remarkable nonlinear optical properties. In this work, we focus on microcavities that are structured to enable the coexistence of polaritonic branches with various symmetries and energies. First, a microcavity etched to form micrometers-wide wires is studied. The lateral confinement lifts the degeneracy between the modes which are polarized parallel and orthogonal to the wire direction. We show that this splitting results from built-in constraints which make a precise engineering of the splitting magnitude possible. We then focus on a double microcavity. In the elastic Rayleigh scattering regime, the TE-TM splitting induces a spatial and angular separation of polaritons with different pseudospins. We show that this phenomenon, called "Optical Spin Hall Effect", can be controlled by a strong optical pump beam. In the regime of Optical Parametric Oscillation, the light self-organizes to form patterns in the far field. The selection rules for the orientation and polarization of these patterns are explored in the regime of Optical Parametric Amplification. These studies pave the way for the realization of microscopic "lighthouse" devices (able to continuously orientate the light by a simple polarization control) and ultrafast all-optical switches.

Dans les microcavités semiconductrices, les polaritons excitoniques sont obtenus à partir du couplage fort entre l'exciton et le photon. Le régime de laser à polaritons à température ambiante, première étape vers le condensat de Bose-Einstein (BEC), a été atteint dans des microcavités ZnO et nous avons dans cette thèse étudié les propriétés des condensats de polaritons. Nous avons réalisé la spectroscopie linéaire et déterminé les propriétés spatiales de nouvelles microcavités ZnO sur substrat Si structuré en mesa, de haut facteur de qualité Q. Plusieurs géométries de génération de condensats de polariton ont été mises en oeuvre et comparées. Nous avons également mesuré, au travers d'expériences d'imagerie 2D en champ proche et en champ lointain, et modélisé, en résolvant l'équation de Gross-Pitaevskii, la propagation des condensats. Nous avons ainsi pu décrire les phénomènes mis en jeu dans la propagation des condensats à 80 et 300K pour une excitation fortement focalisée par rapport à une excitation étendue à 2D. Ces travaux posent les bases de dispositifs polaritoniques à 300K dans lesquels les condensats seront façonnés et contrôlés. / In semiconductors microcavities, exciton-polaritons arise from the strong coupling between excitons and photons. The polariton laser at room temperature, which is the first step to Bose-Einstein condensation (BEC), has been achieved in ZnO microcavities and the study of polariton condensates is the main issue of this work. We have studied the linear spectroscopy and measured the spatial properties of new high-Q ZnO microcavities grown on a patterned Si-substrate. Many generation geometries have been set up and compared to control the shape of polariton condensates. We have also measured and simulated polariton condensates propagation, using respectively 2D imaging experiments in near-field and far-field and by resolving the Gross-Pitaevskii equation. Then we were able to describe the variety of phenomena involved in the condensates propagation at 80 and 300 K for a tightly focused excitation compared to a wide 2D excitation. Those experiments pave the way for the development of polariton devices operating at 300 K in which polariton condensates can be patterned and controlled.

We report on the occupation of the lower exciton–polariton branch in a ZnO-based microcavity as a function of the detuning between the exciton and the uncoupled cavity-photon mode and on the optical excitation density. We emphasize the difference in the dispersion and occupation of the lower polariton branch as a function of the linear polarization of the emitted light. For the negative detuning regime, we found an energy splitting between the transverse electric (TE)- and transverse magnetic (TM)-polarized states at inplane wave vectors between 0.4×107 m−1 and 1.2×107 m−1, which is caused by the polarization dependence of the dispersion of the uncoupled cavity-photon mode. The maximum energy splitting of about 6 meV was observed for a detuning of about 1 = −70 meV. From the integrated photoluminescence peak, we deduce the occupation of the lower polariton branch as well as the scattering rates of exciton–polaritons into the lower polariton branch. We found that the energy splitting causes an enhanced scattering of exciton–polaritons into the lower polariton branch for the TM-polarized light compared with that of the TE-polarized light. By varying the excitation density, we observe a superlinear growth of the lower polariton branch occupation for negative and intermediate detuning regimes. For an accumulation of exciton–polaritons in the ground state at low temperatures (T = 10 K), we found an intermediate detuning regime (−20 meV < 1 < +20 meV) as the optimum. With increasing temperature, this optimum detuning range shifts to larger negative values.

Cette thèse est consacrée à de nouveaux phénomènes en physique liées au spin et à la topologie des quasi-particules lumière-matière dans des hétérostructures. Elle est divisée en quatre parties. Chapitre 1 donne un fond nécessaire et introduit les propriétés fondamentales des polaritons et des excitons indirects dans des puits quantiques couplés. Chapitre 2 est concentré sur la dynamique de spin et sur formation de défauts topologiques dans des systèmes aux excitons indirects. Les 2 derniers chapitres considèrent les structures basées sur les microcavités. Chapitre 3 est consacré à la dynamique de spin des polaritons dans des oscillateurs paramétriques optiques. Finalement, chapitre 4 étudie les réseaux des microcavités en forme des piliers et introduit l’isolant topologique polaritonique. / The present thesis manuscript is devoted to new phenomena in physics of light-matter quasiparticles in heterostructures, related to spin and topology. It is divided into four parts. Chapter 1 gives a necessary background, introducing basic properties of microcavity polaritons and indirect excitons in coupled quantum wells. Chapter 2 is focused on spin dynamics and topological defects formation in indirect exciton many-body systems. The last 2 chapters are related to microcavity-based structures. Chapter 3 is devoted to polariton spin dynamics in optical parametric oscillators. Finally, Chapter 4 studies pillar microcavity lattices and introduces the polariton topological insulator.

Quelques particularités des polaritons, (quasi) particules-modes normaux du système d'excitons en interaction avec des photons en régime de couplage dit fort, sont théoriquement et numériquement analysés dans les systèmes de dimensionnalité basse. Dans le chapitre 1 est donné un bref aperçu en structure 0D, 1D et 2D semi-conductrices avec une introduction générale au domaine des polaritons. Le chapitre 2 est consacré aux micro / nano fils. Les modes de galerie sifflants sont étudiés dans le cas général d'un système anisotrope ainsi que la formation des polaritons dans les fils de ZnO. Le modèle théorique est comparé à l’expérience. Dans le chapitre 3 la dynamique de type Josephson pour les condensats de Bose-Einstein des polaritons est analysé en prenant en compte le pseudospin. Le chapitre 4 commence par une introduction à l'effet Aharonov-Bohm, qui est la phase géométrique la plus connue. Une autre phase géométrique - phase de Berry, qui existe pour une large classe de systèmes en évolution adiabatique sur un contour fermé, est l'objet principal de cette section. Nous avons examiné une proposition d'un interféromètre en anneau avec exciton-polaritons basé sur l'effet phase de Berry. Le chapitre 5 concerne un système 0D: un exciton d’une boîte quantique fortement couplé avec des photons dans une cavité optique. Nous avons discuté de la possibilité d'obtenir des états intriqués à partir d'une boîte quantique embarquée dans un cristal photonique en régime polaritonique. / Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase – Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.

Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase - Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.

Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés. / Along this thesis manuscript I shall present some emergent nonlinear phenomena in spinor exciton polariton condensates. After an introductory chapter bringing the necessary background, I will in a first part focus on half-integer topological defects discussing their stability, acceleration and nucleation in the presence of effective magnetic fields. We will see that these objects behave as magnetic charges being fascinating dirac's monopole analogues. Remarkably we will see as well how they can be used as stable signals allowing to seed the physics acoustic black holes analogues. In a second part I will concentrate on low dimensional structures. Especially, I'll describe the formation of gap solitons and the Bloch oscillations of exciton-polaritons in periodically patterned microwires, and besides, the room temperature Josephson oscillations within pairs of coupled micropillars.

Dans ma thèse, je discute des phénomènes collectifs dynamiques impliquant des excitons et des exciton-polaritons dans des nanostructures de semiconducteurs. Dans le premier chapitre j’introduis brièvement des éléments de physique des semiconducteurs. Les quatre chapitres suivants sont dédiés à la présentation de résultats originaux. Le chapitre 2 décrit les phénomènes d’interaction cohérente entre phonons et condensats d’exciton. Le chapitre 3 décrit un laser à boite quantique dont l’émission peut être amplifiée par l’excitation par un pulse acoustique. Les chapitres 4 et 5 sont respectivement dédiés à l’étude du phénomène de multistabilité des exciton-polaritons et à l’étude d’un condensat d’excitons indirects. / In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.

Cette thèse est consacrée à la description de la physique à une particule ainsi qu'à celle de fluides quantiques bosoniques dans des systèmes topologiques. Les deux premiers chapitres sont introductifs. Dans le premier, nous introduisons des éléments de théorie des bandes et les quantités géométriques et topologiques associées : tenseur métrique quantique, courbure de Berry, nombre de Chern. Nous discutons différents modèles et réalisations expérimentales donnant lieu à des effets topologiques. Dans le second chapitre, nous introduisons les condensats de Bose-Einstein ainsi que les excitons-polaritons de cavité.La première partie des résultats originaux discute des phénomènes topologiques à une particule dans des réseaux en nid d'abeilles. Cela permet de comparer deux modèles théoriques qui mènent à l'effet Hall quantique anormal pour les électrons et les photons dû à la présence d'un couplage spin-orbite et d'un champ Zeeman. Nous étudions aussi l'effet Hall quantique de vallée photonique à l'interface entre deux réseaux de cavités avec potentiels alternés opposés.Dans une seconde partie, nous discutons de nouveaux effets qui émergent due à la présence d'un fluide quantique interagissant décrit par l’équation de Gross-Pitaevskii dans ces systèmes. Premièrement, il est montré que les interactions spin anisotropes donnent lieu à des transitions topologiques gouvernées par la densité de particules pour les excitations élémentaires d’un condensat spineur d’exciton-polaritons.Ensuite, nous montrons que les tourbillons quantifiés d'un condensat scalaire dans un système avec effet Hall quantique de vallée, manifestent une propagation chirale le long de l'interface contrairement aux paquets d'ondes linéaires. La direction de propagation de ces derniers est donnée par leur sens de rotation donnant lieu à un transport de pseudospin de vallée protégé topologiquement, analogue à l’effet Hall quantique de spin.Enfin, revenant aux effets géométriques linéaires, nous nous sommes concentrés sur l’effet Hall anormal. Dans ce contexte, nous présentons une correction non-adiabatique aux équations semi-classiques décrivant le mouvement d’un paquet d’ondes qui s’exprime en termes du tenseur géométrique quantique. Nous proposons un protocole expérimental pour mesurer cette quantité dans des systèmes photonique radiatifs. / This thesis is dedicated to the description of both single-particle and bosonic quantum fluid Physics in topological systems. After introductory chapters on these subjects, I first discuss single-particle topological phenomena in honeycomb lattices. This allows to compare two theoretical models leading to quantum anomalous Hall effect for electrons and photons and to discuss the photonic quantum valley Hall effect at the interface between opposite staggered cavity lattices.In a second part, I present some phenomena which emerge due to the interplay of the linear topological effects with the presence of interacting bosonic quantum fluid described by mean-field Gross-Pitaevskii equation. First, I show that the spin-anisotropic interactions lead to density-driven topological transitions for elementary excitations of a condensate loaded in the polariton quantum anomalous Hall model (thermal equilibrium and out-of-equilibrium quasi-resonant excitation configurations). Then, I show that the vortex excitations of a scalar condensate in a quantum valley Hall system, contrary to linear wavepackets, can exhibit a robust chiral propagation along the interface, with direction given by their winding in real space, leading to an analog of quantum spin Hall effect for these non-linear excitations. Finally, coming back to linear geometrical effects, I will focus on the anomalous Hall effect exhibited by an accelerated wavepacket in a two-band system. In this context, I present a non-adiabatic correction to the known semiclassical equations of motion which can be expressed in terms of the quantum geometric tensor elements. We also propose a protocol to directly measure the tensor components in radiative photonic systems.

La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont<br />considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En e_et leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation<br />à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à<br />ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure<br />photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons con_nés dans le puits quantique et les photons con_nés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec<br />celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états<br />mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein.<br />Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagn<br />ée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.