L'3He est un liquide de Fermi modèle, isotrope, pur, de température de Fermi accessible, et dont les interactions sont aisément contrôlées en faisant varier la pression du liquide. Ce manuscrit présente des mesures précises de susceptibilité magnétique nucléaire par RMN continue de l'3He liquide en fonction de la température et de la pression. Les principaux efforts expérimentaux sont portés sur la thermométrie, la mesure de la pression de l'3He in situ pour étendre les mesures jusqu'à la pression de solidification, ainsi qu'une caractérisation soigneuse du spectromètre RMN. <br /><br />Nos mesures remettent en cause d'environ 5% les résultats de référence pour la température de Fermi effective en fonction des interactions. L'extraction du paramètre de Landau F0a dépend aussi de la masse effective déterminée par des mesures de chaleur spécifique, et par conséquent de l'échelle de température. La ré-analyse des mesures de chaleur spécifique dans l'échelle PLTS-2000 implique une augmentation de la masse effective de 4,5%. F0a est donc déterminé dans ce manuscrit pour deux échelles de température (PLTS-2000 et Greywall). Contrairement aux résultats antérieurs, la dépendance en densité de F0a ne montre pas de saturation vers les hautes pressions.

Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons de cavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie très court et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmes fondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliqués d’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou la génération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieurs méthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide de polaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, du désordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polaritonpolariton" sont étudiés. Nous démontrons la conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre et ouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularités de phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférences disparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du moment angulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé de manière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir la voie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dans la seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime de variables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, la génération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation de protocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grand potentiel pour la realization d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange à quatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observons un comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournant de la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux de compression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discrets protégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nous obtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20,3%, et estimée à 35,8% après correction des pertes de détection. / Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons and excitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and their strong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems of out-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantum optics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation of non-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict several schemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid, in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder, and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angular momentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system. In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of the angular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create in a controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to the study of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light.A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In the second part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light in pillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generation of squeezedand entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantum information protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential for the implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degenerate polariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe a bistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of the bistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing than planar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzing the noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20,3%, inferred to be 35,8% after corrections for losses in the detection setup.

Les microcavités à semiconducteurs apparaissent aujourd’hui comme une plateforme particulièrement propice à l’étude des fluides quantiques en interactions. Dans ces cavités, la lumière et les excitations électroniques sont confinées dans de petits volumes et leur couplage est rendu si fort que les propriétés optiques sont gouvernées par des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de cavité. Ces quasi-particules se propagent comme des photons, mais interagissent avec leur environnement via leur partie matière. Elles peuvent occuper massivement un même état quantique et se comporter comme une onde macroscopique cohérente et non-linéaire. On parle alors de fluide quantique de lumière. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique de fluides quantiques de polaritons dans différentes microstructures unidimensionnelles. La technologie de gravure de microcavités planaires, développée au C2N, permet de réaliser une ingénierie complète du potentiel dans lequel nous générons ces fluides de polaritons et d’implémenter des géométries complexes. Dans une première partie, nous avons étudié les propriétés de localisation des états propres de réseaux synthétiques quasi-périodes. L’exploration théorique du diagramme de phase de localisation des modes propres a dévoilé une nouvelle transition de type délocalisation-localisation lors d’une déformation originale d’un quasi-cristal, transition que nous avons pu observer expérimentalement. Une deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude de la dynamique non-linéaire de deux fluides contra-propageant dans un canal unidimensionnel. La compétition entre énergie cinétique et énergie d’interactions conduit alors à l’apparition de solitons sombres, dont le nombre discret et la position peuvent être contrôlés optiquement. Nous avons mis en évidence une bistabilité contrôlée par la différence de phase imprimée sur les deux fluides. La dernière partie du travail concerne l’étude des non-linéarités pour un fluide de polaritons occupant une bande plate. L’énergie cinétique du fluide y est nulle, si bien que sa propagation est gelée. Nous observons alors la formation de domaines non-linéaires de taille quantifiée. Ce travail ouvre des perspectives prometteuses, tout particulièrement pour l’exploration de phases topologiques de bosons en interactions. De plus, augmenter les interactions permettrait d’utiliser notre plate-forme comme un simulateur quantique. / Semiconductor microcavities have emerged as a powerful platform for the study of interacting quantum fluids. In these cavities, light and electronic excitations are confined in small volumes, and their coupling is so strongly enhanced that optical properties are governed by hybrid light-matter quasiparticles, known as cavity polaritons. These quasiparticles propagate like photons and interact with their environment via their matter part. They can macroscopically occupy a single quantum state and then behave as an extended coherent nonlinear wave, i.e. as a quantum fluid of light. In this thesis, we study the nonlinear dynamics of polariton quantum fluids in various one-dimensional microstructures. The possibility to etch microstructures out of planar cavities, a technology developed at C2N, allows full engineering of the potential landscape for the polariton fluid, and implementing complex geometries. In a first part, we have studied the localization properties of the eigenstates in synthetic quasiperiodic lattices. Theoretical exploration of the localization phase diagram revealed a novel delocalization-localization transition in an original deformation of a quasicrystal and we have experimentally evidenced this transition. A second part of the thesis is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of two counterpropagating polariton fluids in a one-dimensional channel. The interplay between kinetic and interaction energy is responsible for the formation of dark solitons, whose number and position can be controlled by optical means. We have evidenced a bistable behaviour controlled by the phase twist imprinted on the two fluids. The last part of this work addresses the study of nonlinearities for a fluid injected in a flat band. Therein, the kinetic energy of the fluid is quenched, so that propagation is frozen. We then observe the formation of nonlinear domains with quantized size. This work opens us exciting perspectives, specifically towards the exploration of topological phases of interacting bosons. Enhancing interactions would also allow using our platform for quantum simulation.

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L’étude des corrélations dans les fluides quantiques est abordée dans cette thèse par le biais de mesures neutroniques de leurs excitations élémentaires. Nos recherches sont motivées par les théories récentes qui permettent désormais de décrire ces excitations jusqu’à des vecteurs d’onde atomiques. Par ailleurs, les nouvelles performances du spectromètre temps de vol IN5 de l’ILL offrent la possibilité de réaliser des mesures précises dans une large gamme d’énergie et de vecteur d’onde. Dans le cas de l’4He, l’isotope bosonique, les mesures de diffusion inélastique ont été réalisées à très basse température, de la pression de vapeur saturante jusqu’à la solidification. Les relations de dispersion des excitations élémentaires correspondantes ont été obtenues avec une grande précision. A des énergies supérieures, nous avons observé dans le facteur de structure dynamique une réponse de multi-excitations très fortement structurée, caractérisée par des seuils correspondant à l’interaction entre les modes élémentaires. En particulier, nous avons observé un phonon “fantôme” associé à l’interaction phonon-phonon. Nos mesures dans l’4He superfluide confirment qualititativement les prédictions de la théorie dynamique à N-corps (2015) et même quantitativement jusqu’à une énergie de 2 meV. Les études effectuées dans le cas de l’3He ont été menées jusqu’à des températures bien inférieures à 100 mK dans une cellule spécialement conçue. Les mesures inélastiques sur cet isotope fermionique ont permis de déterminer avec une grande précision les modes collectifs, zéro-son et paramagnon, ainsi que la bande particule-trou. Couvrant une région encore jamais explorée, elles nous ont permis de confirmer la présence prévue par la théorie d’une excitation de type rotonique dans l’3He liquide massif. Ce mode reste ici confiné dans la bande particule-trou, contrairement au cas de l’3He bidimensionnel. L’ensemble de nos mesures apporte une vision complète du facteur de structure dynamique de ces systèmes modèles pour les bosons et les fermions en interaction, depuis le régime de quasi-particules de Landau et des multi-excitations, jusqu’à la limite des hautes énergies où la dynamique rejoint celle des particules indépendantes. / The effect of correlations in quantum fluids is investigated in the present work by inelastic neutron scattering measurements of their elementary excitations.Recent theories provide us with a detailed description of the dynamics up to atomic wave vectors. In addition, the recent improvement of the time-of-flight IN5 spectrometer at the ILL opens new experimental possibilities in terms of neutron flux and resolution, as well as accessible energy and wave vector ranges. In the case of 4He, the bosonic isotope, the neutron measurements have been performed at very low temperatures, from the saturated vapor pressure up to the melting curve. The dispersion relations of the corresponding elementary excitations have been accurately determined. At higher energies, we observe in the dynamic structure factor a highly structured multi-excitation response, characterized by sharp thresholds due to the coupling of elementary excitations. In particular, we observe a ghost phonon related to phonon-phonon coupling. Our measurements on superfluid 4He confirm the predictions of the dynamic many body theory (2015), the agreement being quantitative up to an energy of 2 meV. The investigations on normal liquid 3He were carried out at temperatures well below 100 mK in a cell specially designed for this purpose. Ourmeasurements on this fermionic isotope yield a high precision determination of the collective modes, zero-sound and paramagnon, as well as the particle-hole band. Since they also cover an unexplored region, we were able to confirm the theoretical prediction of a roton-like excitation in bulk liquid 3He. This mode remains within the particle-hole band, contrarily to the case of two-dimensional 3He. A broad vision of the dynamics of interacting Bose and Fermi systems, going from the Landau quasi-particles and multi-excitations regimes up to the high-energy limit, where the independent particle dynamics is recovered, emerges from our work.

L'4He et l'3He sont des systèmes modèles pour comprendre les propriétés quantiques de la matière fortement corrélée. C'est pour cette raison que plusieurs études ont été consacrées à la compréhension de leur dynamique. A basses températures où les effets quantiques jouent un rôle essentiel, les excitations élémentaires dans l'4He sont décrites par un mode collectif d'excitations: phonon-roton. Par contre pour un système d'3He la description est plus complexe, le spectre d'excitation a deux composantes: un mode collectif (zéro-son) et un continuum d'excitations incohérentes de type particule-trou. Les deux sont bien décrites par la théorie de Landau des liquides de Fermi qui trouve sa validité pour des petits vecteurs d'onde. Jusqu'à présent, on supposait que la dynamique dans les liquides de Fermi à vecteurs d'onde élevés était essentiellement incohérente. Cette thèse porte sur l'exploration, par diffusion inélastique de neutrons, des excitations collectives dans l'3He liquide 2D adsorbé sur un substrat de graphite. Un tel travail expérimental requiert trois ingrédients essentiels : un réfrigérateur à dilution afin de travailler à basses températures, un spectromètre temps de vol afin de mesurer le facteur de structure dynamique du système et un substrat solide (graphite exfolié ZYX) pour la préparation de films d'3He-2D par physisorption. Nos expériences sur ces films d'3He déposés en deuxième couche sur de l'4He solide adsorbé sur le graphite nous ont permis de faire les observations suivantes : à petit vecteur d'onde, le zéro-son est plus proche de la bande particule-trou que celui observé dans le cas de l'3He massif, tandis qu'à fort vecteur d'onde le mode collectif entre dans le continuum et réapparait de l'autre côté. Cette nouvelle branche, observée pour la première fois, est aujourd'hui décrite par la théorie dynamique à N-corps développée par nos collaborateurs de l'université Johannes Kepler de Linz, Autriche. Au cours de ce travail de thèse plusieurs techniques expérimentales ont été développées, en particulier, un réfrigérateur à dilution sans fluide cryogénique robuste adapté à des expériences de diffusion neutronique. Son optimisation a permis de réduire le temps de refroidissement de ce type de réfrigérateurs.

L'4He et l'3He sont des systèmes modèles pour comprendre les propriétés quantiques de la matière fortement corrélée. C'est pour cette raison que plusieurs études ont été consacrées à la compréhension de leur dynamique. A basses températures où les effets quantiques jouent un rôle essentiel, les excitations élémentaires dans l'4He sont décrites par un mode collectif d'excitations: phonon-roton. Par contre pour un système d'3He la description est plus complexe, le spectre d'excitation a deux composantes: un mode collectif (zéro-son) et un continuum d'excitations incohérentes de type particule-trou. Les deux sont bien décrites par la théorie de Landau des liquides de Fermi qui trouve sa validité pour des petits vecteurs d'onde. Jusqu'à présent, on supposait que la dynamique dans les liquides de Fermi à vecteurs d'onde élevés était essentiellement incohérente. Cette thèse porte sur l'exploration, par diffusion inélastique de neutrons, des excitations collectives dans l'3He liquide 2D adsorbé sur un substrat de graphite. Un tel travail expérimental requiert trois ingrédients essentiels : un réfrigérateur à dilution afin de travailler à basses températures, un spectromètre temps de vol afin de mesurer le facteur de structure dynamique du système et un substrat solide (graphite exfolié ZYX) pour la préparation de films d'3He-2D par physisorption. Nos expériences sur ces films d'3He déposés en deuxième couche sur de l'4He solide adsorbé sur le graphite nous ont permis de faire les observations suivantes : à petit vecteur d'onde, le zéro-son est plus proche de la bande particule-trou que celui observé dans le cas de l'3He massif, tandis qu'à fort vecteur d'onde le mode collectif entre dans le continuum et réapparait de l'autre côté. Cette nouvelle branche, observée pour la première fois, est aujourd'hui décrite par la théorie dynamique à N-corps développée par nos collaborateurs de l'université Johannes Kepler de Linz, Autriche. Au cours de ce travail de thèse plusieurs techniques expérimentales ont été développées, en particulier, un réfrigérateur à dilution sans fluide cryogénique robuste adapté à des expériences de diffusion neutronique. Son optimisation a permis de réduire le temps de refroidissement de ce type de réfrigérateurs. / 4He and 3He are model systems for understanding quantum properties of strongly interacting matter. For this reason many studies have been devoted for the understanding of their dynamics. At low temperatures at which quantum effects play an essential role, the elementary excitations in 4He are described by a phonon-roton collective mode. For 3He, the physical description is more complicated, the spectrum has two components: collective excitations (zero-sound) and incoherent particle-hole excitations. Both are described by Landau's theory of Fermi liquids which is valid at low wave vectors. So far, it was thus believed that the dynamics at high wave vectors is essentially incoherent. This thesis is mainly concerned by exploring the collective excitations of a two dimensional 3He film adsorbed on graphite, using inelastic neutron scattering. Such an experiment has three main requirements: a dilution refrigerator in order to work at low temperatures, a time of flight spectrometer for measuring the dynamical structure factor of 3He and a solid substrate (exfoliated graphite ZYX) to obtain a two dimensional film by physical adsorption. Our investigations of the dynamics in two-dimensional 3He adsorbed on graphite preplated with 4He films have revealed important features: At low wave-vectors, the zero-sound mode is considerably depressed compared to bulk 3He. At higher wave vectors, the collective excitations branch enters the particle-hole continuum, and reappears at the lower energy branch of the continuum. This new branch, observed for the first time, is described by the dynamic many-body theory developed by our collaborators from Johannes Kepler University, Linz, Austria. During this work several low temperature techniques have been developed, in particular a robust, cryogen-free dilution refrigerator adapted to the demanding conditions of a neutron scattering experiments. Due to its efficient design, the cooling time has been considerably reduced compared to that of refrigerators of the same type developed in the past.

Le sujet de la thèse porte sur l'étude d'une nouvelle classe de modèles de transport quantique: les modèles fluides quantiques issus du principe de minimisation d'entropie. Ces modèles ont été dérivés dans deux articles publiés en 2003 et 2005 par Degond, Méhats et Ringhofer dans Journal of Statistical Physics en adaptant au cadre de la théorie quantique la méthode des moments développée par Levermore dans le cadre classique. Cette méthode consiste à prendre les moments de l'équation de Liouville quantique et à fermer ce système par un équilibre local (ou Maxwellienne quantique) défini comme minimiseur d'une certaine entropie quantique sous contrainte de conservation de certaines quantités physiques comme la masse, le courant, et l'énergie. Le principal intérêt des modèles quantiques ainsi obtenus provient du fait qu'étant macroscopiques, ils sont biens moins coûteux numériquement que des modèles microscopiques comme l'équation de Schrödinger ou l'équation de Wigner, et de plus, ils prennent en compte implicitement des effets de collision bien plus difficiles à modéliser à un niveau microscopique. Le but de cette thèse est donc de proposer des méthodes numériques pour implémenter ces modèles et de les tester sur des dispositifs physiques adéquats.<br />Nous avons donc commencé dans le chapitre I par proposer une discrétisation du plus simple de ces modèles qu'est le modèle de Dérive-Diffusion Quantique sur un domaine fermé. Puis nous avons décidé dans le chapitre II et III d'appliquer ce modèle au transport d'électrons dans les semiconducteurs en choisissant comme dispositif ouvert la diode à effet tunnel résonnant. Ensuite nous nous sommes intéressés au chapitre IV à l'étude et l'implémentation du modèle d'Euler Quantique Isotherme, avant de s'attaquer aux modèles non isothermes dans le chapitre V avec l'étude des modèles d'Hydrodynamique Quantique et de Transport d'Énergie Quantique. Enfin, le chapitre VI s'intéresse à un problème un petit peu différent en proposant un schéma asymptotiquement stable dans la limite semi-classique pour l'équation de Schrödinger écrite dans sa formulation fluide: le système de Madelung.