Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des excitons dans des puitsquantiques polaires fabriqués à partir de semi-conducteurs à large bande interdite. En raison de la structure de ces matériaux à cristaux wurtzite, les électrons et les trous sont séparés le long de l'axe de croissance du puits quantique, de sorte que les excitons peuvent être considérés comme des excitons indirects (IX) : ils forment une famille de quasi-particules bosoniques à longue durée de vie, dont le moment dipolaire est orienté selon l'axe de croissance du puits. Les IX sont considérés comme un système modéle pour l'étude des états collectifs dans les gaz quantiques bosoniques. Ils sont aussi prometteurs pour le développement de dispositifs excitoniques. Leur longue durée de vie, leur répulsion dipolaire, permettent aux IXs de se déplacer sur de grandes distances avant de se recombiner, ce qui offre la possibilité d'étudier le transport d'exciton par imagerie optique. Dans cette thèse, nous abordons le transport des IXs dans des puits quantiques de GaN/(Al,Ga)N et de ZnO/(Mg,Zn)O. Ce choix de matériau est motivé par l'énergie de liaison élevée des IXs ainsi obtenue. Elle est suffisamment élevée pour, en thèorie, stabiliser les IXs jusqu'à la température ambiante. Mais ce choix poseaussi un certain nombre de défis expérimentaux, car (i) le temps de vie radiatifdépend fortement de la densité d'excitons, ce qui rend la mesure de la densitéexcitonique très complexe ; (ii) la recombinaison non radiative activée thermiquement supprime le signal de photoluminescence excitonique à température ambiante ; (iii) la propagation excitonique coexiste avec une propagation photonique le long du plan du puit quantique, ce qui complique l'analyse ; (iv) il existe un fort champ électrique le long de l'axe de croissance, et aussi desuctuations dans l'épaisseur du puits quantique, ce qui crée un fort élargissement inhomogène de l'émission excitonique. Nous avons abordé toutes ces questions et nous démontrons dans ce travail que les excitons se propagent effectivement dans le plan du puits quantique. Nous arrivons à cette conclusion en combinant des expériences de micro-photoluminescence en régime continu avec des mesures de spectroscopie résolues en temps, et en comparant nos données expérimentales avec divers modèles numériques basés sur les équations dedérive et de diffusion. Dans du matériau de qualité, des puits GaN/(Al,Ga)N obtenus sur substrats GaN, nous avons observé une propagation à temprature ambiante sur plus de 10 µm, et sur plus de 20 µm à 4 K. Nos résultats suggérent que la propagation des excitons sous excitation à onde continue est facilitée par l'écrantage du désordre par les excitons. Néanmoins, la propagation excitonique est encore limitée par la diffusion des excitons sur les défautsiii plutôt que par la diffusion exciton-exciton. Ainsi, l'amélioration de la qualité des interfaces du puits quantique pourrait encore permettre une propagation excitonique sur de plus grandes distances. / This thesis is devoted to experimental study of excitons in polar quantum wells(QWs) based on wide band-gap semiconductors. Due to wurtzite crystal structureof these materials, electron and hole are separated in the QW growth axis, sothat excitons can be considered as indirect excitons (IX), a family of long-living bosonic quasi-particles with dipole moment oriented along the QW growth axis. IX are considered as a model system for studies of collective states in quantum gases of bosons, and are also promising for the development of excitonic circuit devices. Long lifetimes and dipole repulsion allow IXs to travel over large distances before recombination providing the opportunity to study exciton transport by optical imaging. In this thesis we address IX transport in a set of GaN/(Al,Ga)N and ZnO/(Mg,Zn)O QWs. This choice of IX is motivated by high binding energy, and potential stability up to room temperature, but present a number of experimental challenges, including (i) dramatic dependence of the exciton radiative lifetime on the exciton density that makes exciton density measurement very complex, (ii) thermally activated nonradiative recombination that quenches exciton PL at room temperature,(iii) coexistence of photon propagation with exciton propagation along the QW plane, and strong inhomogeneous broadening of the exciton emission due to strong built-in electric field and the presence of both monolayeructuations of the QW thickness and the fluctuations of alloy composition in the barriers. We have addressed all these issues and demonstrated exciton propagation by combining continuous wave µ-photoluminescence and time-resolved spectroscopy measurements, supplemented by modelling of the exciton transport within drift-diffusion formalism. In the best quality GaN/(Al,Ga)N QWs grown on free-standing GaN substrates we achieved room-temperature propagation over ~10 µm and up to 20 µm at 4 K. Our results suggest that propagation of excitons under continuous-wave excitation is assisted by effcient screening of the in-plane disorder. Nevertheless, exciton propagation is still limited by the exciton scattering on defects rather than by exciton-exciton scatteringso that improving interface quality can boost exciton transport further.

Les excitons spatialement indirects, en tant que bosons composites, sont des candidats prometteurs pour l'exploration des systèmes corrélés à N-corps. Ils possèdent une dipôle électrique intrinsèque et une variété de spin 4 fois dégénérée, et devraient former un condensat de Bose-Einstein au-dessous de quelques Kelvins. De récents résultats théoriques montrent que cette condensation doit se produire au sein des états optiquement noirs. Néanmoins les interactions peuvent créer un couplage cohérent vers une population brillante, rendant ainsi accessible la détection du condensat par le biais de sa photoluminescence. Nos expériences portent sur un gaz froid d'excitons indirects dans un double puits quantique. Les excitons sont photo-générés par une excitation laser et confinés dans un piège électrostatique. Nous avons observé une réduction de la population d'excitons brillants pour un gaz de densité fixe à basses températures. Ceci contraste fortement avec le comportement attendu d'un gaz froid soumis à la statistique de Maxwell-Boltzmann. Ces résultats expérimentaux sont confirmés par un modèle phénoménologique montrant que la condensation dans les états noirs est compatible avec le noircissement anormal observé. Une réduction de la température pourrait en principe amplifier ces signatures, cependant dans le GaAs l'interaction exciton-phonon permettant le refroidissement est fortement réduite pour des températures inférieures au Kelvin. Nous avons donc développé une technique permettant le contrôle in-situ du confinement des excitons indirects sans échauffement du gaz, ouvrant ainsi la voie à l'exploration du refroidissement évaporatif des excitons. / Spatially indirect excitons, being composite bosons, are attractive candidates to explore correlated many-body systems. They possess an inherent electric dipole and a four-fold spin manifold. Indirect excitons are expected to form a BEC below a few Kelvins. Recent theoretical results show this condensation must occur in optically dark states. Interactions, however, can lead to a coherent coupling to a bright population, rendering the condensate accessible through its PL. Here we report on a cold gas of indirect excitons in coupled quantum wells. indirect excitons are photo-generated through pulsed laser excitation. Indirect excitons are confined in an electrostatic traps. Thus, we are able to observe an anomaluos depletion of the bright state population for a fixed gas density at lower bath temperatures. This stands in stark contrast to the expected classical behavior of a cold gas of indirect excitons obeying Maxwell-Boltzmann statistics. The experimental results are confirmed by a phenomenological model showing that condensation into the dark state is compatible with the observed anomalous darkening. Reducing the gas temperature should reinforce these signatures. However, in GaAs exciton-phonon interaction is strongly reduced for sub-Kelvin temperatures. We have thus developed a technique to control the indirect excitons confinement in-situ. Our method does not increase the gas temperature and thus paves the way towards the exploration of evaporative cooling for indirect excitons.

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 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.

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.

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