Cette thèse concerne l'étude des transformations structurelles et magnétiques qui se produisent dans les métaux 3d quand ils sont comprimés jusqu'à des pressions extrêmes. L'étude a été réalisée en utilisant les techniques de polarisation absorption des rayons X (Dichroïsme circulaire magnétique de rayons X ou XMCD) et diffraction des rayons X couplées à les calculs DTF, et appliquée à les cas du cobalt, du nickel et des alliages de fer et cobalt (FeCo). En particulier, pour le cobalt, on présente la première preuve expérimentale de la suppression du son ferromagnétisme induite par la pression et on explore la relation entre les changements structurels et magnétique. Le cas du nickel, qui est structurellement stable sur une large gamme de pressions, permet d'aller plus loin dans l'interprétation du signal XMCD à la seuil K, encore débattue aujourd'hui. Enfin l'enquête sur les alliages FeCo vise à comprendre le rôle joué par l'ordre chimique dans les propriétés de réglage haute pression structurales et magnétiques.

L'étude de cette thèse est focalisée sur la compréhension des caractéristiques du transport dans des systèmes granulaires cœur - coquille (cobalt - cobalt oxyde). Nous avons étudié le comportement magnétique et de transport de notre système granulaire ferromagnétique/antiferromagnétique. Les agrégats de cobalt de 4 nm sont fabriqués par une source à pulvérisation magnétron et condensation en phase vapeur. Lorsque les agrégats sont oxydés pendant le dépôt ils adoptent une géométrie en cœur - coquille avec un cœur icosaédrique et une coquille CoO de structure cfc. Après le dépôt, les agrégats sont caractérisés par différentes méthodes. In situ, elles sont caractérisées en fonction de la quantité déposée par le spectromètre à temps vol. Ex situ, elles sont analysées par le SQUID (mesure magnétique) et par les mesures de transport. Plusieurs caractéristiques de nos échantillons ont été mises en évidence lors de l'analyse magnétique. Trois propriétés magnétiques nous intéressent principalement. La première est le couplage d'échange F/AF, étudié sur l'ensemble des agrégats de cobalt avec différents pourcentages d'oxydation (entre 33% de CoO et 95% de CoO). Nous avons constaté que l'effet maximum est obtenu pour l'échantillon le plus oxydé à cause de l'augmentation de la coquille d'oxyde. La deuxième propriété magnétique concerne la présence d'un superparamagnétisme modifié par l'interaction d'échange entre le cœur et la coquille. La troisième est l'effet de traînage qui se manifeste le plus souvent par une diminution du décalage d'échange et du champ coercitif après plusieurs mesures successives. Ce phénomène est dû à une instabilité de la configuration magnétique obtenue lors du refroidissement sous champ mais il est cependant difficile d'identifier l'origine exacte. Les propriétés de transport de notre système sont mises en évidence par l'étude de la résistivité, de la magnétorésistance et de la résistance du Hall en fonction de la température et du champ magnétique appliqué. La variation de la résistivité avec la température présente un minimum et qu'elle varie très peu avec la température. Ce comportent est typique des systèmes transitoires, se situant entre le régime métallique et le régime isolant. La faible magnétorésistance varie très peu avec la température. Son amplitude ne dépasse pas 0.1% dans tous les alliages granulaires mesurés. Le système étudié est caractérisé par une résistivité de Hall extraordinaire positive à toutes les températures de mesure.

Le rayonnement synchrotron et la microscopie à sondes locales (SPM) sont deux des techniques les plus utilisées pour étudier les propriétés physiques et chimiques de nanostructures. Le couplage de ces deux techniques est prometteur pour les nanosciences en leur ouvrant de nouveaux horizons. D'un point de vue expérimental ce couplage est un défi exaltant et a déjà prouvé ses capacités par la combinaison de la Microscopie à Force Atomique (AFM) et de la diffraction de Rayons-X pendant le projet X-tip, qui, grâce au développement d'un microcope à force atomique embarqué sur une lugne de lumière synchrotron a permis l'étude du module de Young de microplots de germanium en procédant simulatanément à son indentation et à son analyse par diffraction. Cependant, cette configuration ne permet pas de manipuler en trois dimensions (3D). Le but ultime, pour notre nano-manipulateur est de manipuler en 3D avec un contrôle permanent des nano-forces exercées sur l'objet sous un faisceau d'analyse (rayon X, LASER). Le premier chapitre s'attarde donc sur les senseurs qui devront rendre compte des interactions à l'échelle nanométrique et permettre la saisie d'un objet individuel. Après un tour d'horizon de différentes techniques de micro/nanomanipulation disponibles à ce jour (micro-préhenseurs mécaniques basés sur la technologie MEMS, pinces optiques, préhenseurs basés sur la microscopie à force atomique conventionnelle) et devant les contraintes qu'implique le couplage d'un tel système avec les expériences synchrotron, le choix des oscillateurs à quartz (Diapason et LER) en tant que senseurs est expliqué. La microscopie à force atomique en générale et le fonctionnement particulier de ces oscillateurs sont décrits. Dans le second chapitre le développement instrumental de notre station de nanomanipulation est détaillé et notamment : Comment mettre en place ce type de résonateurs et la pointe associée pour réaliser à la fois l'imagerie AFM de l'échantillon et la préhension de l'objet? Comment contrôler le positionnement grossier et fin des trois éléments d'une nanomanipulation? Enfin le système haptique ERGOS et son couplage avec notre montage est décrit. Dans le dernier chapitre, deux types d'expériences sont présentés : le premier ne fait intervenir que notre montage piloté classiquement par ordinateur et montre ses capacités à réaliser la préhension d'objets micrométriques de manière contrôlée. Le second fait intervenir le couplage entre notre montage et le système haptique pour réaliser l'exploration rapide d'un échantillon ainsi que la localisation et la reconnaissance de forme d'objet sub-micronique. Ces expériences rendent compte des capacités de ce couplage à transmettre directement à un utilisateur les interactions à l'échelle nanométrique ainsi que la possibilité par l'intermédiaire de cette interface de réaliser des tâches complexes : manipulation sur une surface, reconnaissance de forme, et suivi de contour.

This manuscript is organized as follows: In Part One, the main properties of Mn-doped and singly charged II-VI QDs are presented. In chapter 1 we will describe their energy level structure. We will then analyze in detail the influence of the QD symmetry and of the valence band mixing on the spin structure of QDs containing an individual carrier and one or two Mn atoms. We will finally show how the tuning of the charge state of a QD can be used to control the magnetic properties of a Mn atom. In chapter 2, we will focus on the spin dynamics of these few interacting spins. We will first analyse the dynamics of coupled electron and diluted nuclear spins in these II-VI QDs. We will, in particular, show that the electron spin dephasing by the low density of fluctuating nuclear spins is efficiently suppressed at zero field by a dynamic nuclear spin polarization. We will then focus on the dynamics of coupled carriers and Mn spins. We will first show how the injection of spin polarized carriers can be used to prepare by optical pumping the spin state of one or two Mn atoms. We will then discuss the mechanism controlling the efficiency and the dynamics of this optical pumping. We will finally show how the strong coupling between a laser field and the optical transitions of a Mn-doped QD can be used to optically tune the energy of any spin state of a Mn atom. Part Two (Chapter 3) is devoted to the presentation of ongoing work and perspectives on the coherent dynamics of interacting electron, nuclei and Mn spins in II-VI semiconductor QDs. We will, for instance, discuss the possibility of using the strong coupling with a resonant laser field to control the coherent dynamics of coupled electronic and nuclear spins of a Mn atom.

L'imagerie polarimétrique consiste à acquérir des images contenant des informations relatives à la polarisation de la lumière diffusée par une scène. L'objectif de cette thèse est d'utiliser les propriétés de ce type d'imagerie afin de d'améliorer le contraste entre plusieurs objets d'intérêt.Dans le cadre de l'optimisation du contraste entre deux objets d'intérêt, nous démontrons que, si l'on travaille à temps d'acquisition fixe, c'est l'acquisition d'une unique image avec des états d'illumination et d'analyse optimisés qui permet d'atteindre les meilleures performances. C'est pourquoi nous avons développé un imageur pouvant générer et analyser n'importe quel état de polarisation sur la sphère de Poincaré, en utilisant des cellules à cristaux liquides. Ces états peuvent être contrôlés afin de faire varier le contraste dans les images et nous montrons que les ''états optimaux" permettant de maximiser le contraste dépendent des conditions de mesure. En particulier, la valeur des états de polarisation maximisant le contraste entre deux objets d'intérêt dépend des bruits de mesure (bruit de détecteur, bruit de Poisson, Speckle) ainsi que des fluctuations spatiales des propriétés polarimétriques dans la scène. Une mauvaise estimation de la source de bruit peut donc amener à une perte significative de contraste.Nous nous intéressons ensuite à un scénario d'imagerie plus complexe où la scène peut être illuminée de manière non-uniforme. Nous proposons une méthode d'acquisition utilisant l'ensemble des degrés de liberté fournis par notre imageur et montrons que cette méthode permet d'augmenter significativement le contraste par rapport aux résultats obtenus avec d'autres types d'imagerie comme l'imagerie OSC (Orthogonal State Contrast).Nous étendons ensuite nos études à un cas ''multicibles" où plus de deux objets doivent être distingués. Nous montrons notamment que l'accroissement du nombre d'images peut dégrader le contraste et qu'il existe un nombre optimal d'images à acquérir si l'on travaille à temps d'acquisition fixe.Enfin, nous proposons une méthode visant à automatiser notre imageur pour l'optimisation du contraste en combinant de manière itérative l'acquisition d'images polarimétriques optimisées et un algorithme de segmentation par contours actifs statistiques. Des premiers résultats expérimentaux mettent en évidence l'avantage de cette intégration d'algorithmes de traitement numérique au c\oe ur du processus d'acquisition de l'image.

Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés expérimentales des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO dans le but d'étudier le régime de dégénérescence quantique des polaritons à haute température et en régime de confinement de basse dimensionnalité. ZnO est en effet un matériau semiconducteur à grand gap dans lequel l'exciton bénéficie d'une très forte énergie de liaison qui garantit leur stabilité à température ambiante. D'autre part, la géométrie en "fil" de section hexagonale et de diamètre micrométrique confine les modes photoniques et les rend unidimensionnels. On montre que l'interaction entre l'exciton et ces modes photoniques est en régime de couplage fort, et que les polariton-excitoniques qui en résultent sont eux aussi en régime de confinement unidimensionnel. Cette thèse propose une étude détaillée de la physique de ces polaritons 1D. Dans un premier temps, on démontre que le régime de couplage fort unidimensionnel est conservé jusqu'à température ambiante avec une très grande énergie de Rabi de 300 meV pour une largeur de raie typique 75 fois plus faible. Cette faible largeur de raie, même à température ambiante, est une conséquence inattendue de la grande énergie de Rabi en comparaison de l'énergie maximum des phonons dans ZnO. Cet effet isole très efficacement les polaritons des vibrations thermiques du réseau. Nous nous sommes intéressés aussi à une structure similaire: les microfils de GaN. Dans ces fils, on profite d'une zone fortement dopée pour comparer expérimentalement le spectre en régime de couplage faible et en régime de couplage fort dans le même fil. Nous avons ensuite étudié les propriétés des gaz de polaritons dans les microfils de ZnO sous forte excitation dans le but d'atteindre le régime de dégénérescence quantique 1D. Nous démontrons qu'un régime de laser à polaritons est atteint à basse température en régime de couplage fort dans une situation inédite où les polaritons sont à 97% excitoniques. Cette propriété est comprise grâce à une étude détaillée des propriétés de relaxation des excitons vers les états de polaritons en régime de faible et forte excitations. Cette thèse donne les bases de la compréhension des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO. Les propriétés observées montrent que les microfils de ZnO sont particulièrement adaptés à l'étude des gaz de polaritons dégénérés 1D à haute température.

Ce travail porte sur la caractérisation de couches minces de MnAs épitaxiées sur GaAs(001) et sur leur utilisation comme gabarit pour la croissance et la manipulation magnétique de fines couches de fer. Les résultats montrent qu'il est possible de renverser l'aimantation de la couche de fer, sans appliquer de champ magnétique, mais en faisant varier la température du système dans une gamme couvrant la transition de phase ferromagnétique/paramagnétique (FM/PM) du gabarit. Cette transition FM/PM se caractérise par la coexistence, entre environ 10 C et 45 C, de deux phases auto-organisées en bandes périodiques FM et PM. Le renversement de l'aimantation du fer est possible grâce au champ magnétique de fuite généré par les domaines magnétiques allongés de MnAs. Le travail présenté comporte l'étude de la morphologie de la surface de MnAs/GaAs(001), la mise en évidence de l'épitaxie du fer sur MnAs et l'analyse de l'interface. L'estimation du champ magnétique de fuite généré par les domaines de MnAs est discutée, ainsi que les résultats expérimentaux concernant l'anisotropie magnétique des couches minces et le renversement de l'aimantation du fer. L'accordabilité et la polarisation du rayonnement synchrotron ont permis l'étude des propriétés magnétiques du système, avec une sélectivité chimique. Le renversement de l'aimantation du fer a été observé par microscopie de photoémission d'électrons par rayons X et par diffusion magnétique résonante des rayons X. Nous avons ainsi mis en évidence, d'une part, le renversement de l'aimantation totale du fer par traitement thermique et, d'autre part, le renversement local (à l'échelle sub-micrométrique) des domaines magnétiques du fer, à la température ambiante. Ce résultat est très prometteur car, autour de la température ambiante, les couches de fer et de MnAs montrent des configurations magnétiques (parallèles ou antiparallèles) stables et l'aimantation de la couche mince de fer peut être renversée par la réalisation d'un cycle thermique de quelques degrés d'amplitude, sans appliquer de champ magnétique.

Ce travail se situe dans un cadre d'étude de matériaux et de structures présentant les propriétés physiques recherchées pour de futures applications en électronique de spins. Les semi-conducteurs magnétiques dilués sont de bons candidats à l'utilisation simultanée de la charge et du spin des électrons ou des trous. Nous exploitons la possibilité d'induire une polarisation de spins totale, d'un gaz de trous 2D dans un puits quantique de (Cd,Mn)Te dopé par modulation ; et ceci à faible champ magnétique. L'accent est mis sur l'identification des niveaux d'énergie mis en jeu lors de la photoluminescence, ainsi que les énergies caractéristiques du système (énergie de liaison du trion positif dans l'état singulet, excitations et polarisation du gaz 2D), en fonction du champ magnétique et de la densité de trous. Nous démontrons aussi que l'aimantation d'un puits quantique de (Cd,Mn)Te, inséré dans une structure de diode pin, peut être contrôlée par l'application d'une tension électrique.

La réalisation d'un ordinateur quantique fonctionnel est l'un des objectifs tech- nologiques les plus ambitieux pour les scientifiques d'aujourd'hui. Sa brique de base est composée d'un système quantique à deux niveaux, appelé bit quantique (ou qubit). Parmi les différents concepts existants, les dispositifs à base de spin sont très attractifs car ils bénéficient de la progression constante des techniques de nanofabrication et permettent la lecture électrique de l'état du qubit. Dans ce contexte, les dispositifs à base de spins nucléaires offrent un temps de cohérence supérieur à celui des dispositifs à base de spin electronique en raison de leur meilleure isolation à l'environnement. Mais ce couplage faible a un prix: la détection et la manipulation des spins nucléaires individuels restent des tâches difficiles. De très bonnes conditions expérimentales étaient donc essentielles pour la réussite de ce projet. Outre des systèmes de filtrage des radiofréquences à très basses températures et des amplificateurs à très faible bruit, j'ai développé de nouveaux supports d'échantillons et des bobines de champ magnétique trois axes compacts avec l'appui des services techniques de l'Institut Néel. Chaque partie a été optimisée afin d'améliorer la qualité de l'installation et évaluée de manière quantitative. Le dispositif lui-même, un qubit réalisé grâce à un transistor de spin nucléaire, est composé d'un aimant à molécule unique couplé à des électrodes source, drain et grille. Il nous a permis de réaliser la lecture électrique de l'état d'un spin nucléaire unique, par un processus de mesure non destructif de son état quantique. Par conséquent, en sondant les états quantique de spin plus rapidement que le temps de relaxation caractéristique de celui-ci, nous avons réalisé la mesure de la trajectoire quantique d'un qubit nucléaire isolé. Cette expérience a mis en lumière le temps de relaxation T1 du spin nucléaire ainsi que son mécanisme de relaxation dominant. La manipulation cohérente du spin nucléaire a été réalisée en utilisant des champs électriques externes au lieu d'un champ magnétique. Cette idée originale a plusieurs avantages. Outre une réduction considérable du chauffage par effet Joule, les champs électriques permettent de contrôler et de manipuler le spin unique de façon très rapide. Cependant, pour coupler le spin à un champ électrique, un processus intermédiaire est nécessaire. Un tel procédé est l'interaction hyperfine, qui, si elle est modifiée par un champ électrique, est également désigné sous le nom d'effet Stark hyperfin. En utilisant cet effet, nous avons mis en évidence la manipulation cohérente d'un spin nucléaire unique et déterminé le temps de cohérence T2 . En outre, l'exploitation de l'effet Stark hyperfin statique nous avons permis de régler le qubit de spin nucléaire à et hors résonance par l'intermédiaire de la tension de grille. Cela pourrait être utilisé pour établir le contrôle de l'intrication entre les différents qubits nucléaires. En résumé, nous avons démontré pour la première fois la possibilité de réaliser et de manipuler un bit quantique basé sur un aimant à molécule unique, étendant ainsi le potentiel de la spintronique moléculaire au delà du stockage de données classique. De plus, la grande polyvalence des molécules aimants est très prometteuse pour une variété d'applications futures qui, peut-être un jour, parviendront à la réalisation d'un ordinateur quantique moléculaire.