Ce manuscrit de thèse est une contribution à l’étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d’oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l’interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l’hélium liquide qu’à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d’obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV). / This thesis manuscript is a contribution to the study of strong light-matter coupling in zinc oxide-based planar microcavities. We have determined the properties of the exciton-photon interaction through angle resolved measurements on structures grown by molecular beam epitaxy (MBE) on silicon. Thus, we have demonstrated strong coupling at both cryogenic and room temperatures. A substantial work on the conception of cavities and on the calculation of their optical response has been realized to obtain a coherent emission of light based on the condensation of polaritons as predicted by theoretical works. The latest measurements on an optimized microcavity lead to a quality factor close to 500 and a high Rabi splitting of 120 meV.

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.

Le problème de la détection et de ladescription des nouveaux états quantiquesmacroscopiques, caractérisées par des propriétésexotiques et non-conventionnelles, estd’importance fondamentale dans la physiquemoderne. Ces états offrent des perspectivesfascinantes dans le domaine de traitementd’information, de simulations quantiques et derecherche des nouveaux types des matériaux.Dans ce travail de thèse nous développons unethéorie qui permet de décrire des phases non conventionnellesdans des systèmes des gazultra-froids dipolaires. Ces systèmes sontactivement étudiés expérimentalement enutilisant des atomes à grand-spins, desmolécules polaires et des excitations dipolairesdans des semi-conducteurs. Nous mettonsl'accent sur la révélation du rôle de l’interactiondipôle-dipôle à long porté.Nous considérons l’effet de rotonization dansun système de gaz des bosons dipolaires «tiltés»aux interactions faibles dans une couchehomogène. Nous prédisons l’effet derotonization pour un gaz de Bose faiblementcorrélé des excitons dipolaires dans une couchede semi-conducteur et nous calculons lediagramme de stabilité. Ensuite, nousconsidérons des superfluides d’onde-p desfermions identiques dans des réseaux 2D.Finalement, nous faisons une discussion sur unautre état superfluide intéressant des moléculespolaires fermioniques, qui devrait apparaitredans des systèmes bicouches. / The problem of revealing anddescribing novel macroscopic quantum statescharacter- ized by exotic and non-conventionalproperties is of fundamental importance formodern physics. Such states offer fascinatingprospects for potential applications in quantumin- formation processing, quantum simulation,and material research. In the present Thesis wedevelop a theory for describing nonconventionalphases of ultracold dipolar gases.The related systems of large-spin atoms, polarmolecules, and dipolar excitons in semiconductorsare actively studied in experiments.We put the main emphasis on revealing the roleof the long-range character of the dipole-dipoleinteraction.We consider the effect of rotonization for a 2Dweakly interacting gas of tilted dipolar bosonsin a homogeneous layer. We predict the effectof rotonization for a weakly correlated Bosegas of dipolar excitons in a semiconductorlayer and calculate the stability diagram. Wethen consider p-wave superfluids of identicalfermions in 2D lattices. Finally, we discussanother interesting novel superfluid offermionic polar molecules

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, motivée par le développement récent des techniques d’obtention de molécules froides, présente une étude théorique assez complète du système collisionnel ionique 3,4He + N2+. La relaxation rotationnelle de l’ion moléculaire a été décrite dans les régimes froid et ultrafroid, pour lesquels l’interaction spin-rotation du radical paramagnétique joue un rôle crucial. L’apparition de nouvelles résonances spécifiques de cette interaction a été analysée. Un autre phénomène directement lié à cette interaction, celui de la réorientation du moment magnétique associé au spin électronique du diatome induite par collision avec l’hélium, a été étudié d’abord en l’absence puis en présence d’un champ magnétique externe. Les mêmes méthodes de dynamique quantique inélastique ont été utilisées pour l’étude de la collision H2 + HF d’intérêt astrochimique. / Abstract

Nous décrivons une approche théorique nouvelle pour étudier des gaz dilués-dégénérés, le formalisme des opérateurs d'Ursell. Nous déterminons la fonction de partition d'un gaz quantique en deux étapes. Dans un premier temps les interactions sont traitées pour un système auxiliaire de particules discernables dans une approximation de faible densité (le rapport entre portée du potentiel et distance moyenne entre particules étant beaucoup plus petit que l'unité). En second lieu la statistique quantique est introduite; aucune approximation n'est nécessaire pendant cette étape ce qui permet le traitement des gaz dégénérés. Il nous est possible de déduire des expressions des opérateurs densité réduits à partir du potentiel thermodynamique. Nous sommes alors en mesure d'étudier des systèmes macroscopiques à l'échelle microscopique. Nous aboutissons à une expression de la fonction de corrélation d'un système de sphères dures qui reproduit les « bonnes » propriétés physiques même à courte distance, un grand avantage par rapport au méthodes habituelles du type de champ moyen. Nous déterminons des expressions des quantités macroscopiques diverses dans une approximation valable pour des systèmes à faible densité (formule de Beth-Uhlenbeck généralisée). Le potentiel d'interaction y intervient par l'intermédiaire d'un nouveau paramètre, la longueur d'Ursell. Une comparaison de nos resultats avec ceux de la théorie des pseudopotentiels démontre que cette dernière donne une image acceptable des phénomènes pour des bosons. En revanche, pour des fermions, nous trouvons une différence importante: à température suffisamment basse, même des potentiels entièrement repulsives donnent lieu à une attraction effective. Nous effectuons également une étude numérique sur la dépendance de la température critique de condensation de Bose-Einstein d'un gaz de sphère dures bosoniques en fonction de la densité. Notre calcul des intégrales de chemin par une méthode Monte Carlo montre que cette température augmente par rapport à celle du gaz parfait à basse densité (maximal d'un facteur 1.07).

La première partie de cette thèse concerne les phases inhomogènes<br />FFLO. Celles-ci peuvent apparaître dans les supraconducteurs<br />ou les gaz d'atomes froids fermioniques en présence d'une différence<br />homogène de potentiels chimiques entre les deux états de spin.<br />Nous regardons la compétition<br />entre les différentes phases FFLO près de la transition.<br />A 2D, nous utilisons une approche de type Ginzburg-Landau <br />pour prédire une cascade de transitions entre des phases inhomogènes<br />de plus en plus complexes.<br />A 3D ou la transition FFLO est du premier ordre, <br />nous présentons une méthode numérique <br />de résolution des équations quasiclassiques d'Eilenberger <br />basée sur un développement de Fourier. <br />Nous déterminons ainsi les phases inhomogènes de plus basse énergie.<br /><br />Dans la seconde partie, nous étendons la théorie perturbative<br />de Bogoliubov aux quasicondensats dans une représentation densité-phase.<br />Nous obtenons des prédictions pour différentes observables.

Cette thèse présente deux expériences de physique atomique, réalisées sur un échantillon de Rubidium 87 ultra-froid. Nous abordons les thématiques de l'interférométrie atomique, ainsi que des propriétés de transport en milieu désordonné. Dans la première expérience, nous développons une méthode de suspension des atomes contre la gravité, en vue d'optimiser le temps d'interrogation d'interféromètres atomiques. Les atomes sont périodiquement diffractés sur une onde lumineuse stationnaire, utilisée comme miroir de Bragg pour réfléchir l'échantillon et ainsi empêcher sa chute. Toutefois, en approchant le régime de réseau mince, l'onde atomique est séparée vers de nombreuses trajectoires qui se recombinent périodiquement. Nous montrons que les interférences entre ces composantes peuvent être exploitées pour bloquer les pertes vers les voies en chute libre. Ce nouvel interféromètre pourrait être une alternative intéressante pour maintenir un senseur inertiel ou une horloge atomique en suspension dans un volume réduit, tout en permettant une mesure simultanée des forces agissant sur les atomes. La seconde expérience porte sur les propriétés de transport dans un milieu bidimensionnel désordonné. En particulier, des interférences entre ondes de matière peuvent bloquer le transport - phénomène connu sous le nom de localisation d'Anderson. Nous confinons les atomes entre deux nappes de lumière répulsives, et générons le désordre à l'aide d'une figure de tavelures. Nous observons une propagation diffusive, dont nous extrayons des coefficients de diffusion en accord avec une modélisation numérique. Nous explorons ensuite un régime de plus basse énergie, où un comportement subdiffusif, classiquement piégé sous le seuil de percolation, ou encore localisé au sens d'Anderson, pourrait être observé. Finalement, l'étude de l'influence du désordre sur la transition de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless en deux dimensions est maintenant à portée de l'expérience.

Dans ce mémoire nous décrivons une expérience de mesure des fluctuations de phase dans des condensats de Bose-Einstein très allongés. Les condensats de Bose-Einstein sont habituellement décrits comme des objets totalement cohérents. Cela est valable dans le cas de condensats peu anisotropes. En revanche, cela n'est plus exact dans des cas très anisotropes, en particulier pour des condensats très allongés dont les états excités de basse énergie sont 1D, et peuvent donc être très peuplés thermiquement même à basse température. Cette population d'excitations de faible énergie résulte en des fluctuations de la phase, et donc en une réduction de la longueur de cohérence du condensat dans la direction allongée, tandis que son profil de densité n'est pas perturbé. On parle alors de quasi-condensat. Pour mesurer les fluctuations de phase, nous utilisons la spectroscopie de Bragg. Cette méthode donne accès à la distribution en impulsion des atomes du quasi-condensat, et donc par transformée de Fourier, à sa fonction de corrélation. On peut ainsi en déduire sa longueur de cohérence. Nos mesures montrent une distribution en impulsion lorentzienne, dont la largeur augmente avec la température. Cela signifie que nous observons une perte de cohérence, à mesure que la température augmente, en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. Nous étudions également le profil de densité des quasi-condensats. Aucune différence avec le cas de condensats cohérents n'a pu être mesurée, ce qui confirme l'absence de fluctuations de densité importantes dans les quasi-condensats.