Les gaz atomiques dégénérés représentent des systèmes modèles pour étudier la superfluidité. Ils offrent la possibilité d'explorer la physique en dimensions restreintes, profondémentdifférente par rapport au cas tridimensionnel. Nous disposons d'un gaz de Bose bidimensionnel dégénéré confiné dans un potentiel très anisotrope et dont on peut changer la géométrie dynamiquement. Une déformation contrôlée du piège permet d'exciter les modes collectifs du gaz. Nous avons fait d'abord une analyse en composantes principales du gaz, et nous avons montré que ces dernières coïncident avec les modes de Bogoliubov. Nous avons ensuite effectué une étude détaillée du mode ciseaux, dont nous nous servons pour sonder le caractère superfluide du gaz, en développant une nouvelle technique d'analyse, appelée "analyse de la moyenne locale". Enfin nous avons réalisé un piège en anneau, obtenu à l'intersection d'un piège en forme de bulle et du potentiel optique d'un faisceau qui présente un noeud d'intensité au centre, la "double nappe", et nous proposons différentes protocoles de mise en rotation des atomes dans l'anneau. / Degenerate atomic gases can be a versatile tool to study superfluidity. They also offer the possibility to explore the low-dimensions physics, which is deeply different from the three dimensional case. We prepare a degenerate Bose gas in a very anisotropic trap, dynamically adjustable. A controlled deformation of the trapping potential can excite the collective modes of the trapped cloud. First we perform a « principal components analysis » of the gas and we show that the principal components coincide with the Bogoliubov modes. We then restrain our analysis on the scissors mode, which we use to probe superfluidity of the sample, by introducing a new analysis technique, called « local average analysis ». Finally I will report on the realization of a ring trap, obtained by superposing a double sheet light beam to a bubble trap, and describe the different possibilities we planned to set atoms into rotation.

Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d'un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d'hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l'influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d'électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l'optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d'étudier des guides d'onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d'autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d’un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d’hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l’influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d’électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l’optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d’étudier des guides d’onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d’autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord. / In the THz frequency gap between electronics and optics, the development of compact, tunable, less costly and room temperature operating sources, detectors, amplifiers and passive devices is growing. Electronic devices based on two dimensional (2D) plasmons in heterostructures open up the possibility of tunable emission and detection of THz radiation. For short distance THz transmission, the increased radiation loss as well as other types of loss (dielectric and ohmic loss) may handicap the applications of conventional planar waveguides well studied in the microwave band. Reevaluation of their propagation properties and comprehension of the physical nature of each kind of loss are necessary.This work is divided into two main sections. The first part deals with the optimization of THz resonant detection by quasi 2D plasmons-polaritons (PP) in the quantum wells (QW) among four heterostructures: III-V (AlGaN/GaN, InAlN/GaN, AlGaAs/GaAs) and IV-IV (SiGe/Si/SiGe). With the aid of metallic grating coupler, both ANSOFT HFSS and an indigenously developed program are used to investigate quantitatively the influences of structural parameters (grating period, metal strip width and thickness of barrier layer) and natural properties of 2D plasmons (electron concentration and mobility) on the PP resonances (frequency and amplitude) up to 5 THz. Transmission spectra of sample AlGaN/GaN have been measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) in 0.6-1.8 THz for various metal widths and at different temperatures to compare with the simulated results. At last, two types of modulated 2D electron gas in AlGaAs/GaAs are analyzed. One is the natural electron variation below and between metal fingers due to the difference between the barrier height at the interface metal/semiconductor and Fermi level pinning at the interface air/semiconductor. The other type is the forced modulated 2DEG by biasing voltage on metal fingers. These two parametric studies allow us to analyze and tune the frequency and amplitude of the THz detection. The second part separately studies the dispersions and attenuations of four waveguides (CPW, Microstrip, Stripline and Slotline) with the variation of geometric dimensions and properties of dielectric and metal by ANSOFT HFSS and CST MWS. Their performances are compared until 1 THz based on the same characteristic impedance. The advantages and the limitations of each waveguide are outlined and an optimal THz transmission line is proposed. Furthermore, preliminary measured attenuation of CPW in the frequency range 340-500 GHz are demonstrated and compared with numerical results. The design of transitions for adapting experimental probes by HFSS and the de-embedding method for extracting scattering and attenuation parameters of CPW by ADS are also presented..

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dynamique subnanoseconde de charges<br />dans un conducteur quantique modèle : le circuit RC quantique. En appliquant des tensions<br />hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille submicronique,<br />on peut sonder la dynamique de transfert de charges de la boîte vers son réservoir. Dans<br />le régime linéaire, elle est caractérisée par une capacité quantique reliée à la densité d'états<br />de la boîte et une résistance de relaxation de charge constante et égale au demi quantum<br />de résistance h/2e^2 lorsqu'un seul mode de conduction est transmis du réservoir à la boîte. Je<br />me suis plus largement consacré à l'étude du régime non linéaire obtenu en appliquant des<br />tensions créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire<br />pour ajouter une charge élémentaire). J'ai mis en évidence dans ce régime une quantification<br />du courant alternatif en unité de 2ef qui traduit l'émission et l'absorption par la boîte d'une<br />charge unique à chaque période du signal d'excitation. Ce dispositif fonctionne alors comme<br />une source d'électrons uniques analogue aux sources de photons uniques en optique. L'évolution<br />du temps d'émission de la charge par effet tunnel en fonction des différents paramètres<br />contrôlables (couplage de la boîte au réservoir, potentiel de la boîte ...) a été déterminée dans<br />une large gamme temporelle, de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes. Ces<br />résultats sont en excellent accord avec un modèle théorique simple que j'ai développé durant<br />ma thèse. Ils ouvrent la voie à des expériences d'optique électronique à une seule particule.

Les expériences présentées dans ce mémoire ont été effectuées sur des atomes de Césium piégés dans un réseau lumineux non dissipatif produit par deux faisceaux d'un laser Nd:YAG. Verticalement, les atomes sont confinés dans des micro-puits indépendants au fond de chaque maximum d'intensité et le confinement horizontal est assuré par la forme gaussienne des faisceaux. Le fort confinement vertical nous a permis, en mettant au point un refroidissement optique par bandes latérales, d'accumuler environ 95% des atomes dans l'état fondamental du mouvement dans la direction verticale. A partir de cet état quantique pratiquement pur, nous avons produit d'autres états quantiques et, grâce à une technique d'imagerie en absorption, nous avons visualisé directement leur distribution en vitesse. Tout d'abord, nous avons réalisé le premier état excité du mouvement des atomes dont la distribution en vitesse s'annule en v = 0. Nous avons ensuite réalisé des états non stationnaires du mouvement et visualisé l'évolution temporelle de leur distribution en vitesse. Ainsi, l'évolution d'une superposition des deux premiers niveaux vibrationnels et celle d'états comprimés ont été enregistrées. Les états comprimés sont, comme l'état fondamental, des états d'incertitude minimum (ΔpΔz = \hbar /2) mais leur distribution en impulsion est plus fine que celle de l'état fondamental. Une réduction d'un facteur 4 a été obtenue. En appliquant le refroidissement du mouvement vertical pendant un temps long, grâce au transfert d'énergie du mouvement horizontal au mouvement vertical assuré par les collisions, nous avons refroidi le mouvement dans les trois directions. Nous avons ainsi obtenu une température T ~ 3 µK pour laquelle 80% des atomes sont dans l'état fondamental du mouvement vertical. Enfin, une étude de temps de thermalisation montre que la résonance de diffusion à énergie nulle du Cesium n'est pas affectée par le fort confinement vertical.

L'objet de cette thèse est la caractérisation d'une source d'électrons uniques subnanoseconde réalisée à partir d'une boîte quantique dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Nous avons tout d'abord mis en évidence la quantication du courant alternatif moyen en unités de 2ef, où f est la fréquence d'excitation de la source, lorsque la tension appliquée compense l'énergie d'addition de la boîte. Cette quantication correspond à l'injection d'un unique électron et d'un unique trou par période du signal excitateur, au début de chaque alternance. Le temps de sortie des charges, mesuré expérimentalement, est contrôlé par la transmission de la barrière tunnel entre la boîte et le réservoir. Nous avons ensuite construit un dispositif cryogénique original de mesure de bruit haute fréquence extrêmement sensible et très stable, qui nous a permis de mesurer le bruit de la source d'électrons uniques. Nos résultats sont en très bon accord avec deux modèles théoriques que nous avons développés. Le premier est un modèle de diusion que nous avons adapté à l'étude de notre source, permettant l'étude numérique du bruit en fonction d'un grand nombre de paramètres. Le second est un modèle heuristique simple, permettant de mieux comprendre les origines physiques du bruit observé. Nous avons ainsi identié un régime de bruit de grenaille, lorsque la charge émise par demi-période est très petite devant 1. À l'inverse, lorsque la charge émise par demi-période est proche de 1, le modèle prédit un régime de bruit de phase correspondant à l'incertitude quantique sur l'instant de sortie des charges. L'accord observé avec les mesures conrme l'émission de charges uniques par notre source dans certains régimes. Celle-ci sera ensuite utilisée pour réaliser des expériences similaires à celles de l'optique quantique avec des électrons uniques.

L'émergence d'une une nouvelle classe de matériaux, des isolants topologiques, a stimulé un vaste champ de recherche. Bismuth, un élément du groupe V du tableau périodique, est un des ingrédients clé d'une famille d'isolants topologiques. Pour des applications dans la technologie des composants électroniques, il est essentiel de maîtriser la préparation des matériaux en couches minces. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la croissance et la structure électronique de bismuth sur les surfaces (100) et (111) de semi-conducteur III-V InAs.Déposition de Bi sur la surface InAs(100) résulte en une auto-organisation de Bi qui forme des lignes de taille atomique. On montre que le bismuth interagit extrêmement faiblement avec la surface car la structure d'origine de la surface propre de l'InA(100) reste intacte. L'étude de la bande valence montre la présence d'états résonants fortement dépendants de l'énergie de photons et de la polarisation de la lumière, en cohérence avec la structure quasi unidimensionnelle de la surface.La spécificité de la surface InAs(111) est qu'elle a deux terminaisons différentes: par In, (face A) et par As, (face B). Les deux faces présentent des reconstructions différentes. Par la photoémission des niveaux de coeur nous avons montré une différence de réactivité chimique entre les faces A et B. La croissance de Bi sur la face A résulte en un monocristal de haute qualité pour les films à partir de 10 monocouches. Par contre, lors du dépôt de premières couches, la face B montre une croissance en îlots et un bon monocristal est obtenu seulement pour des films d'au moins de 50 monocouches.Pour la même face, A ou B, nous avons observé des différences de croissance plus subtiles entre les surfaces préparées soit par le bombardement ionique et des recuits soit par l'épitaxie par jets moléculaires.La photoémission résolue en angle a permit de caractériser la dispersion des bandes dans les films de Bi. La dispersion est tout à fait comparable au cristal massif de Bi. La dernière étape consistait à étudier la structure électronique d'un monocristal de Sb déposé sur le film de Bi.Les surfaces propres de InAs(111)A et InAs(111)B présentent une courbure de bande qui résulte en formation d'une couche d'accumulation d'électrons. En déposant le Bi sur ces surfaces, la couche d'accumulation est préservée, elle est même amplifié, car Bi agit comme le donneur dans l'InAs.La couche d'accumulation se traduit par un confinement quantique des électrons, mesurable par la photoémission résolue en angle.Mots clés :Structure électronique de surface, ARPES, semimétal, courbure de bande, Gaz-2D, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, puits quantique, surface Fermi, couches minces. / A new class of material is coming up, Topological Insulators, have opened a wide field of research. Bismuth, an element of group V of periodic table, is one of the key ingredient of this Topological Insulators family. With the aim of improving technological applications, especially the electronic compounds, it is of most importance to control the preparation of thin films materials. Within this Phd work, we studied the growth and Bismuth electronic structure on (100) and (111) semiconductor III-V InAs surfaces.Bi deposition on InAs(100) surface result of a Bi self-assembly which forms lines at atomic scale. We show Bi interact extremely weakly with the surface because the beginning structure of clean InAs(100) surface stay unharmed. The study of valence band sheds light on the existence of resonant states strongly photon energy dependent and also depend on the light polarization, consistent with almost one dimensional structure surface.InAs(111) surface specific feature is that it has both surface ending different : In ending, (face A) and As ending, (face B). The both faces pointed out distinguishable reconstructions. By the core-level photoemission we identified a chemical reactivity difference taking place between A and B faces. Bi growth on A-face tend to be a high quality monocrystal for those films from a thickness of 10 monolayers. On the other hand, during the deposition of first layers, the B-face show an island growth and a good monocrystal is obtained only available for films with 50 monolayers at least.For the same face, A or B, we have seen some growth discrepancies more subtle between prepared surfaces either by ionic bombardment and annealing (IBA) either by molecular beam epitaxy (MBE).The angular resolved photoemission allowed to identify the band dispersion inside of this Bi films. The dispersion is absolutely relative to the bulk Bi crystal. The final step involved the study of Sb monocrystal electronic structure deposited onto Bi film.Clean InAs(111)A and InAs(111)B surfaces indicate a band bending which result in the accumulation electron charge formation. With depositing Bi onto these surfaces, the accumulation layer would be kept, it is also increased, given that Bi acts as a donor-like in InAs. The accumulation layer is characterized by an electron quantum confinement, measurable by angle resolved photoemission.Keywords:Electronic structure surface, ARPES, semimetal, band bending effect, 2DEG, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, quatum wells, Fermi surface, thin films.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs, fonctionnant dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande. Les états mixtes issus de ce couplage sont appelés polaritons inter-sous-bandes. Dans la première partie de la thèse, nous démontrons un dispositif électroluminescent dans lequel la branche polaritonique supérieure est peuplée à une énergie qui dépend de la tension appliquée au dispositif. De plus, nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait permettre d'obtenir de l'émission stimulée de polaritons. En augmentant la densité d'électrons dans le puits il est possible d'accéder au régime de couplage ultra-fort, caractérisé par une énergie de Rabi comparable avec celle de la transition inter-sous-bande. Pour cela la deuxième partie de la thèse est centrée sur l'étude de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Plus particulièrement, nous réalisons une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons inter-sous-bandes associés aux différentes transitions optiquement actives. Nous présentons un dispositif basé sur un puits quantique avec deux sous-bandes occupées, dans lequel une tension de grille contrôle la densité d'électrons dans le puits, ce qui modifie l'interaction entre les plasmons et donc la réponse optique. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, nous démontrons que la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions inter-sous-bandes. Cette excitation collective est observée en absorption et en électroluminescence. Lorsqu'on l'insère dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort avec une énergie de Rabi qui croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Ce régime est démontré expérimentalement dans deux géométries de microcavité : planaire et zéro-dimensionnelle. Nos travaux montrent que l'interaction entre la lumière et la matière dans les puits quantiques dopés doit être pensée comme un processus purement collectif, régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge.

Les expériences présentées dans ce mémoire ont été effectuées sur des atomes de Césium piégés dans un réseau lumineux non dissipatif produit par deux faisceaux d'un laser Nd:YAG. Verticalement, les atomes sont confinés dans des micro-puits indépendants au fond de chaque maximum d'intensité et le confinement horizontal est assuré par la forme gaussienne des faisceaux. Le fort confinement vertical nous a permis, en mettant au point un refroidissement optique par bandes latérales, d'accumuler environ 95% des atomes dans l'état fondamental du mouvement dans la direction verticale. A partir de cet état quantique pratiquement pur, nous avons produit d'autres états quantiques et, grâce à une technique d'imagerie en absorption, nous avons visualisé directement leur distribution en vitesse. Tout d'abord, nous avons réalisé le premier état excité du mouvement des atomes dont la distribution en vitesse s'annule en v=0. Nous avons ensuite réalisé des états non stationnaires du mouvement et visualisé l'évolution temporelle de leur distribution en vitesse. Ainsi, l'évolution d'une superposition des deux premiers niveaux vibrationnels et celle d'états comprimés ont été enregistrées. Les états comprimés sont, comme l'état fondamental, des états d'incertitude minimum (Delta p Delta z=\hbar/2) mais leur distribution en impulsion est plus fine que celle de l'état fondamental. Une réduction d'un facteur 4 a été obtenue. En appliquant le refroidissement du mouvement vertical pendant un temps long, grâce au transfert d'énergie du mouvement horizontal au mouvement vertical assuré par les collisions, nous avons refroidi le mouvement dans les trois directions. Nous avons ainsi obtenu une température d'environ 3 microKelvin pour laquelle 80\% des atomes sont dans l'état fondamental du mouvement vertical. Enfin, une étude de temps de thermalisation montre que la résonnance de diffusion à énergie nulle du Cesium n'est pas affectée par le fort confinement vertical.