In condensed matter physics, atomistic first principle calculations are often necessary to achieve a microscopic understanding of the observed experimental phenomena and to make quantitative predictions of physical properties. In practice, atomic scale systems have irregularities (e.g. surface roughness) or defects (e.g. substitutional atoms or vacancies) that are too strong to be ignored or treated as small perturbations. In this thesis, we report the development of a real space DFT code for studying atomic scale systems from first principles. Our code, named MatRcal, which stands for "Matlab-based real space calculator", is developed in the technical computing language Matlab. The physics is described by density functional theory. The method itself is based on projecting the Kohn-Sham Hamiltonian on a uniform Cartesian grid. High-order finite-differencing is used to discretize the Laplacian operator. The potential due to the atomic nuclei is approximated with ab initio pseudopotentials. The pseudopotentials are generated following the procedure proposed by Troullier and Martins. We use the fully separable form introduced by Kleinman and Bylander. We argue that the method is simpler and yet has many advantages compared with conventional spectral methods. We provide relevant mathematical techniques and implementation details. In particular, we present and compare different eigensolvers used to diagonalize the Kohn-Sham Hamiltonian. We validate our software by comparing the HOMO-LUMO gaps of many organic and inorganic molecules obtained using our method with those obtained with the commercial code Gaussian. Our results are in excellent agreement. Our method gains in computational speed and algorithm parallelism, and its power in handling real space boundary conditions will be a major advantage for future applications in nanoelectronic device modelling. / En physique de la matière condensée, les calculs numériques sont souvent nécessaires pour parvenir à comprendre les phénomènes microscopiques observés lors d'expériences ou à prédire quantitativement des propriétés physiques. En pratique, les systèmes d'échelle atomique sont irréguliers (rugosité de surface) ou comportent des défauts (atomes de substitution ou lacunes), ce qui induit des effets trop sévères pour être ignorés ou traités comme des perturbations. Dans cette thèse, nous présentons une méthode qui permet d'étudier des systèmes d'échelle atomique à partir des lois fondamentales de la physique. Notre logiciel, nommé MatRcal, qui signifie "Matlab-based real space calculator", est développé dans le langage Matlab. La physique est décrite par la théorie de la fonctionnelle de la densité. La méthode projette l'Hamiltonien de Kohn-Sham sur un maillage Cartésien uniforme. Le calcul des différences finies est utilisé pour discrétiser l'opérateur Laplacien. Le potentiel dû aux noyaux atomiques est approximé par des pseudopotentiels non-empiriques. Les pseudopotentiels sont générés en suivant la procédure proposée par Troullier et Martins. Nous utilisons la forme séparable introduite par Kleinman et Bylander. Nous soutenons que la méthode est plus simple et pourtant présente de nombreux avantages par rapport aux conventionnelles méthodes spectrales. Nous introduisons plusieurs techniques mathématiques pertinentes à notre étude et certains détails d'implémentation. Entre autres, nous présentons et comparons plusieurs algorithmes de calcul de vecteurs propres utilisés pour diagonaliser l'Hamiltonien de Kohn-Sham. Nous validons notre méthode en comparant la largeur de bande interdite "HOMO-LUMO" de nombreuses molécules organiques et inorganiques prédites par notre méthode avec celles prédites par le logiciel commercial Gaussian. Notre méthode permet des gains en rapidité et en parallélisme, mais la possibilité de traiter des conditions limites non-périodiques sera le principal atout pour de futures simulations de dispositifs nanoélectroniques.

We simulate directional solidification using a phase field model solved with an adaptive finite element method. For small surface tension anisotropy directed at 45 degree relative to the pulling direction, we have observed three types of morphology: Dendritic, seaweed, and cellular. The seaweed pattern is characterized by alternating tip splitting and the branches have no orientation preference. A crossover from the seaweed to dendritic morphology was noticed when lowering the thermal gradient, consistent with previous experimental findings. We also investigate the influence of anisotropy on the morphology. We find that the thermal gradient, pulling velocity, and anisotropy can determine the crystal morphology. We show that the morphology of crystal structures can be unambiguously characterized through the local interface velocity distribution. As the thermal gradient is lowered, large-velocity shoulders begin to appear in both transverse and growth directions, becoming progressively broader as clearly defined dendrites emerge. We derive semi-empirically an estimate for the crossover from seaweed to dendrite as a function of thermal gradient and pulling velocity, which agrees with our simulation results. The ratio of thermal length to diffusion length has a sharp "transition" at the crossover region. In the second part of the thesis, a single variable dynamic model(Model B) is proposed to study C60 ultra-thin film growth on the alkali halide substrate. A triple-well free energy is proposed to explain the coexistence of three layers. The middle well is metastable representing a single layer. We successfully recover "branched" and "compact" patterns for both deposition a / Nous simulons la solidification directionnelle en utilisant un modèle de champ de phase résolu avec la méthode d'élément fini adaptative. Pour la petite anisotropie de tension superficielle dirigée à 45 degree relativement à la direction de traction, nous avons observé trois sortes de morphologies de solidification: dendritique, algue et cellulaire. Le schéma sous forme d'algues est caractérisé par le bout alternatif se dédoublant et dont les branches n'ont aucune préférence d'orientation. Une transition du schéma d'algues vers un morphologie dendritique a été noté lorsque le gradient thermique est abaissé. Ceci est compatible avec les résultats expérimentaux précédents. Nous étudions également l'influence de l'anisotropie sur la morphologie de cristal. Nous prouvons que le gradient thermique, la vitesse de traction, et l'anisotropie peuvent déterminer la morphologie de cristal. Nous prouvons que la morphologie des structures cristallines peut être clairement caractérisée par la distribution locale de la vitesse d'interface. Pendant que le gradient thermique est abaissé, les épaules de grand-vitesse commencent à apparaître dans des directions transversales et de croissance, devenant progressivement plus large en tant que dendrites bien définies émergent. Nous dérivons semi empiriquement une approximation pour la transition du schéma d'algues vers le schéma des dendrites en fonction du gradient thermique et la vitesse de traction, ce qui est conforme à nos résultats de simulation. Le rapport de la longueur thermique à la longueur de diffusion est caractérisée par une forte "transition" dans la région de la transition. Dans la

A complete understanding of the the ν = 5/2 fractional quantum hall effect (FQHE) continues to be among the most exciting problems in semiconductor physics. It is widely believed that this unique electron state is described by the Moore-Read Pfaffian wavefunction, resulting from a BCS-like pairing of composite fermions. In recent years this wavefunction has received special interest owing to its non-abelian quantum statistics which underlies a new paradigm for fault tolerant quantum computation. However, in spite of several theoretical advancements, an unequivocal experimental verification of the Moore-Read description is still missing. We studied the 5/2 state in a very high quality 2DEG sample with the lowest electron density reported to date, by nearly a factor of two. We demonstrate that large discrepancies between experimentally measured values of the 5/2 energy gap, and theoretical calculations based on the Moore-Read theory, can not be trivially attributed to disorder as has conventionally been assumed. Using a tilted field geometry, we investigated the effect of applying an in-plane magnetic field on the 5/2 state. We observe the 5/2 energy gap to collapse linearly with the in-plane field, whereas the neighbouring 7/3 shows a strong enhancement. The opposite behaviour between the two states is in startling contrast to theory which predicts both gaps should be similarly suppressed. Since the early theoretical foundation in support of the Moore-Read interpretation presumed the two states should behave the same, our experimental finding of opposite behaviour may necessitate a fundamental rethinking of the nature of the 5/2 FQHE. A crucial step towards verifying the Moore-Read description of the ν = 5/2 FQHE will be an unambiguous measurement of its spin state. In an effort to measure the 5/2 spin directly, we implemented a resistively detected nuclear magnetic resonance (RDNMR) technique. I report on our detailed study of the anomalous RDNMR lineshape ar / Une compr\'ehension compl\`ete de l'effet Hallquantique fractionnaire (EHQF) \`a $\nu = \frac$ continue \`afaire partie des probl\`emes les plus passionnants de la physiquedes semi-conducteurs. On estime g\'en\'eralement que cet \'etat\'electronique unique est d\'ecrit par la fonction d'onde deMoore-Read connue sous le nom de ``Pfaffien'', r\'esultant d'unappariement de type BCS de fermions composites. Cette fonctiond'onde a r\'ecemment suscit\'e un int\'er\^et tout particulier enraison de ses statistiques quantiques non-ab\'eliennes quisous tendent un nouveau paradigme pour le calcul quantique insensibleaux d\'efaillances. En d\'epit de plusieurs avanc\'ees th\'eoriques,il manque toutefois une v\'erification exp\'erimentaled\'efinitive de la description Moore-Read.Nous avons \'etudi\'e l'\'etat $\frac$ dans un gaz\'electronique bidimensionnel de tr\`es haute mobilit\'e ayant laplus faible densit\'e d'\'electrons report\'ee \`a ce jour, cecide par un facteur proche de deux. Nous d\'emontrons que lesimportants \'ecarts entre les valeurs du gap d'\'energie \`a$\frac$ mesur\'ees exp\'erimentalement et les calculsth\'eoriques bas\'es sur la th\'eorie Moore-Read ne peuvent pas\^etre uniquement attribu\'es au d\'esordre, comme cela atraditionnellement \'et\'e propos\'e. En utilisant un champ \`ag\'eom\'etrie inclin\'ee, nous avons \'etudi\'e l'effet del'application d'un champ magn\'etique dans le plan sur l'\'etat$\frac{5}{2}$. Nous observons une d\'ecroissance lin\'eaire du gapd'\'energie \`a $\frac$ en fonction du champ magn\'etiquedans le plan, tandis que le gap d'\'energie d'\'etat fractionnairevoisin $\frac{7}{3}$ exhibe une forte augmentation. Lecomportement oppos\'e des deux \'etats est en contraste avec lath\'eorie qui pr\'evoit que les deux gaps doivent \^etresupprim\'es par l'application d'un champ magn\'etique dans le plan, ce quin\'ecessite un nouvel examen de la nature de l'EHQF$\frac$.Une \'etape cruciale vers la v\'erificati

The epitaxy and growth of a series of organic molecules deposited on insulating surfaces were investigated by noncontact atomic force microscopy (nc-AFM). The molecules studied, C60 , 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic dianhydride (PTCDA), 3,4,9,10-perylene tetracarboxlylic diimide (PTCDI), and copper (II) phthalocyanine (CuPc), were selected to investigate the effect of different molecular geometries, charge distributions and intermolecular interactions and as interesting candidates in molecular electronic applications. As it is known that the properties of molecules are influenced by their structural arrangements, an understanding of the interactions of molecules with substrates of interest as well as the dominant processes involved in growth are of great interest. Model insulating substrates KBr and NaCl were used for growth studies, due to the necessity of insulators in electrically isolating device regions. Dewetting processes were observed in several of these systems : C60 on KBr and NaCl, PTCDA on NaCl and PTCDI on NaCl. The specific influences of dewetting are discussed for each system, in particular the morphological impact of dewetting and the driving of dewetting by strained metastable monolayers. For C60 deposits, interesting branched structures are formed in the process of dewetting which are remarkably stable once formed, yet do not represent the equilibrium growth morphology. A determination of the large cell coincident epitaxy reveals a small, yet significant discrepancy between the observed overlayer and calculated stable adsorption sites indicating a dominance of the intermolecular interaction over the molecule–substrate interaction. For both PTCDA a / L'épitaxie et la croissance d'une série de molécules organiques déposées sur surface isolantes ont été étudiées par nc-AFM. Les molécules étudiées, C60, 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic dianhydride (PTCDA), 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI), et Copper (II) Phthalocyanine (CuPc), ont été choisies pour examiner l'influence des géométries moléculaires, des distribution de charge, et de différentes interactions intermoléculaires, sur l'assemblage de candidats intéressants dans des applications en électronique moléculaire. Etant donné que les agencements structurels influencent leurs propriétés moléculaires, la compréhension des interactions entre molécules et substrats donnant lieu à la formation de couches mince est intéressant de plusieurs points de vue. Des surface isolantes modèles, KBr et NaCl, ont été utilisées pour les études de croissance, en raison de l'importance de l'isolement électronique de certaines régions des dispositifs. On a observé des processus de démouillage dans quelques systèmes: C60 sur KBr et NaCl, PTCDA sur NaCl, et PTCDI sur NaCl. Les influences de ces processus sont discutées pour chaque système, avec une emphase particulière sur l'impact morphologique du démouillage et la force d'entraînement par des mono-couches déformées. Dans le cas de C60, des îlots ramifiés se forment pendant le démouillage. Ces structures sont remarquablement stables un fois formées, mais ne représentent pas la structure en équilibre. La détermination d'une épitaxie coïncidente indique une petite, mais importante, difference entre la sur-couche observée et les sites d'adsorption stable calculés. Ce

The mechanics of nanometre scale volumes were investigated experimentally by indentation of sharp W(111) tips of radii 3.6nm, 6.1nm, and 8.5nm, into clean and annealed Au(111) surfaces. Experiments were conducted in Ultra High Vacuum (UHV) and at room temperature. Tips were characterized at the atomic scale in situ by Field Ion Microscopy (FIM), and gold surfaces were sputtered, annealed, and characterized chemically by Auger Electron Spectroscopy (AES) and topographically by a combination of Scanning Tunnelling Microscopy/Atomic Force Microscopy (STM/AFM). High resolution load-displacement curves were obtained with simultaneous current measurement in the range 10pA-1mA. Residual impressions were imaged by STM/AFM, revealing symmetry consistent with the substrate. FIM imaging of the majority of tips after indentation showed mild gold adsorption and no damage to the underlying tip structure.Results showed striking size effects whereby nanometre scale indentation with a very sharp indenter led to mean contact pressures above 25GPa, almost an order of magnitude higher than the largest hardness values reported in the literature for Au(111). Size effects were also observed with regards to adhesion, whereby the sharpest tip led to no observable neck formation, in contrast with blunter tips. Cyclic loading of the nanometre scale volumes led to a progressive and dramatic drop in electronic transport properties as compressive loading experiments were repeated, a result that has since been corroborated by preliminary electronic transport calculations. / Nanoindentation à l'échelle nanométrique: effet de pénétrateurs très pointus sur l'adhésion, la plasticité et le transport électronique.Les propriétés mécaniques de volumes à l'échelle nanométrique ont été étudiées expérimentalement par indentation de pénétrateurs pointus de W(111) de rayons de courbure de 3.6nm, 6.1nm et 8.5nm, dans des surfaces propres et recuites d'or Au(111). Les expériences ont été menées à température ambiante et sous Ultra Haut Vide (UHV). Les pointes ont été caractérisées à l'échelle atomique in situ par microscopie à champ ionique (FIM), et les surfaces d'or ont été nettoyées par bombardement ionique, recuites, et caractérisées chimiquement par spectroscopie Auger (AES) et topographiquement par une combinaison de microscopie à effet tunnel et de microscopie à force atomique (STM/AFM). Des courbes de charge-pénétration de haute résolution ont été obtenues, avec mesure simultanée de courants électriques dans la gamme 10pA-1mA. Les impressions résiduelles ont été caractérisées par STM/AFM, révélant une symétrie congruente à celle du substrat. La caractérisation par FIM de la majorité des pointes après indentation a révélé une faible adsorption d'or, et l'absence de dommage à la structure sous-jacente de la pointe.Les résultats expérimentaux ont montré des effets de taille surprenants, selon lesquels l'indentation à l'échelle nanométrique avec un pénétrateur fortement pointu mène à des pressions de contact moyennes au-dessus de 25GPa, soit presque un ordre de grandeur de plus que les plus grandes valeurs de dureté reportées dans la littérature pour la surface d'or Au(111). Des effets de taille ont également été observés relativement à l'adhésion, selon lesquels le pénétrateur le plus pointu n'a pas présenté de col observable, contrairement aux autres. La charge cyclique des volumes nanométriques a mené à une suppression progressive et dramatique des propriétés de transport électronique à mesure que les charges étaient répétées, un résultat qui a depuis été corroboré par des calculs préliminaires de transport électronique.

Dynamic processes in nonequilibrium liquid-solid systems are studied over mesoscopic time scales and atomistic length scales using phase-field crystal (PFC) models. Various freezing and melting transitions are examined in two and three dimensions, and microscopic phenomena responsible for solid-phase plasticity are investigated. A primary focus is on the issue of describing atomistic dynamics over time scales that are generally inaccessible to conventional approaches. Glass forming dynamics in supercooled liquids near a glass transition are studied numerically, and the central features of the transition, including a number of behaviors previously undemonstrated within PFC / classical density functional theory simulations, are successfully reproduced. A connection between the liquid dynamic correlation length and transition fragility is identified, and a physically motivated time scaling applied to the simulation data is shown to generate qualitative agreement with basic glass transition phenomenology across 12 orders of magnitude in time. The competing processes of amorphous precursor nucleation and crystallization in diffusion-dominated spinodal and non-spinodal simple liquids are also examined. Melting and premelting transitions in defected body-centered cubic solids are studied numerically, and a localized melting theory based on defect elastic energies is formulated. Basic features of the dynamic phase separation patterns that develop in growing heteroepitaxially strained alloy films are also outlined based on numerical simulations of a binary PFC model. Finally, dislocation dynamics are examined in strained periodic systems. The central features of dislocation glide, climb, and annihilation are shown to naturally emerge within PFC models, and the dynamics of individual dislocations are found to reduce to a simple generalized equation of motion. / Des procédés dynamiques dans des systèmes liquide-solide non-équilibrés sont étudiés au cours d'échelles de temps mésoscopiques et d'échelles de longueur atomistiques en utilisant des modèles « phase-field crystal » (PFC). Diverses transitions de congélation et de fusion sont examinées en deux et trois dimensions, et les phénomènes microscopiques responsables de la plasticité des phases solides sont étudiées. Un accent est mis sur la problématique des dynamiques atomistiques au cours d'échelles de temps qui sont généralement inaccessibles aux approches conventionnelles. Les dynamiques de formation vitreuse dans les liquides metastables surfondus près d'une transition vitreuse sont étudiés numériquement, et les caractéristiques centrales de la transition, y compris un certain nombre de comportements qui n'ont pas été démontrées précédemment par les modèles PFC / simulations de la théorie classique densité fonctionnelle, sont reproduites avec succès. Un lien entre la longueur de corrélation dynamique liquide et la fragilité est identifié, et il est démontré par une normalisation de temps physiquement motivé, appliquée aux données de simulation, qu'il y a une correspondance qualitative avec des bases phénomènes de transition vitreuse sur 12 ordres de grandeurs de temps. Les procédés concurrentiels de la nucléation de précurseurs amorphes et de la cristallisation dominées par la diffusion dans les liquides simples spinodaux et non-spinodaux sont aussi examinés. Les transitions de fusion et pré-fusion dans des solides cubiques centrés ayant des défauts sont étudiés numériquement, et une théorie de fusion localisée basée sur les énergies élastiques des défauts est formulée. Des caractéristiques de base des motifs de la séparation de phase dynamique qui se développent pendant la croissance des films tendus heteroepitaxiellement sont également etudiés en utilisant des simulations numériques d'un modèle binaire PFC. Enfin, les dynamiques des dislocations sont examinées dans les systèmes périodiques tendus, ainsi il est démontré que les caractéristiques fondamentales des procédés de glisse, d'escalade, et d'annihilation émergent naturellement des modèles PFC.

In this thesis, we study Aharonov-Bohm oscillations arising in electronic transport through a triple quantum dot in a ring arrangement in a transverse magnetic field. We start from a microscopic Hubbard Hamiltonian and the Nakajima-Zwanzig generalized master equation to show that in the large-bias regime, transport through the triple dot can be described using a coherent master equation in the Lindblad form. We solve this equation numerically and analytically to compute the current transmitted through the triple dot. We show that the current exhibits oscillations of period h/ne with n>2 when the magnetic flux threading the ring is varied, and that under certain conditions the amplitude of the n=3 period is much larger than the amplitude of the n=2 period. We include a discussion of the effect of electric-field-induced dephasing on the h/ne oscillations, and show that the inter-dot dephasing rates increase as the ring size increases, causing the anomalous dominance of the n=3 oscillations to disappear in larger rings. / Dans ce mémoire, nous étudions les oscillations de Aharonov-Bohm apparaissant dans le transport électronique à travers trois boîtes quantiques formant un anneau traversé par un champ magnétique. Nous utilisons un Hamiltonien microscopique de Hubbard et l'équation maîtresse généralisée de Nakajima-Zwanzig pour montrer que lorsqu'une grande tension électrique est appliquée, le transport peut être décrit à l'aide d'une équation maîtresse cohérente dans la forme de Lindblad. Nous résolvons cette équation numériquement et analytiquement pour calculer le courant électrique transmis à travers la triple boîte quantique. Nous montrons que le courant oscille avec une période h/ne en fonction du flux magnétique traversant l'anneau et que, sous certaines conditions, l'amplitude de la période n=3 est beaucoup plus grande que l'amplitude de la période n=2. Nous discutons également de l'effet du déphasage induit par les fluctuations du champ électrique environnant sur l'amplitude des oscillations de périodes h/ne et montrons que les taux de déphasage entre les paires de boîtes quantiques augmentent quand la taille de l'anneau augmente, causant la disparition de la domination anormale des oscillations n=3 dans les anneaux mésoscopiques de plus grande taille.

Using electronic spin rather than charge to replace existing microelectronic systems has been a well studied area of research in the last ten years. More recently, research has focused on using the nuclear spin of GaAs rather than the electron spin. This work has demonstrated that GaAs nuclear spins have many desirable properties and show great potential as quantum information carriers. The challenge in the implementation of nuclear spins lies in the ability to control and retrieve the information that they carry. One proposed method is to dynamically polarize the GaAs nuclear spins using circularly polarized photoexcitation. If successful, this could open new horizons in the field of quantum information processing. This thesis details an investigation into the use of polarized light to manipulate the properties of a GaAs/AlGaAs quantum well sample. The three main topics explored in this thesis are: 1) the design and operation of a polarization controller that is able to shine well-defined and tunable polarized light on to a sample contained in a cryogenic environment at T = 0.27K; 2) the manipulation of the nuclear polarization in GaAs using low power laser light with tunable polarization; and 3) a preliminary investigation into illuminating a quantum Hall sample with unfocused, low power laser light and the transport properties modifications that occur in the quantum Hall regime. / L'utilisation du spin electronique plutot que la charge electronique pour remplacer les systemes microelectroniques a ete un domaine bien etudie de la recherche au cours des dix dernieres annees. Plus recemment, la recherche a porte sur l'utilisation du spin nucleaire du GaAs plutot que le spin electronique. Ce travail a demontre que les spins nucleaires du GaAs ont de nombreuses proprietes desirables et montrent un grand potentiel en tant que transporteurs de l'information quantique. Le defi dans la mise en oeuvre des spins nucleaires reside dans la capacite de controler et de recuperer les informations qu'elles transportent. Une methode proposee consiste a polariser dynamiquement les spins nucleaires du GaAs en utilisant la photoexcitation polarisee circulairement. Ceci pourrait ouvrir de nouveaux horizons dans le domaine du traitement de l'information quantique. Cette these expose en details une enquete sur l'utilisation de la lumiere polarisee pour manipuler les proprietes d'un echantillon puit quantique de GaAs/AlGaAs. Les trois principaux sujets abordes dans cette these sont les suivants: 1) la conception et le fonctionnement d'un controleur de polarisation qui est capable d'emettre une lumiere polarisee bien definie et ajustable sur un echantillon dans un environnement cryogenique a T = 0.27K, 2) la manipulation de la polarisation nucleaire dans le GaAs en utilisant un laser a faible puissance avec une polarisation ajustable, et 3) une enquete preliminaire sur l'illumination d'un echantillon de Hall quantique avec un laser non-focalise a faible puissance et les modifications des proprietes de transport qui se produisent dans le regime de Hall quantique.

The overarching goal of this thesis is to make use of adatoms to tune the electronic properties of a 2D atomic crystal. Specifically, covalently bonding hydrogen adatoms on a graphene sheet by creating CH_x with the aim of opening a band gap. This thesis reports the modification of the Raman spectra, the temperature dependent transport and the magnetoresistance as a result of hydrogenating graphene.Presented in this thesis is a method by which graphene is hydrogenated, the spatial map and density of defects from Raman spectroscopy and the temperature dependent resistance of a hydrogenated graphene sheet. The hydrogenation time was found to correlate poorly with the mean D/G ratio over an area of 200 by 200 um^2. Samples are observed to hydrogenate at different rates. Also presented are two potential technological applications of hydrogenated graphene: thermometers and bolometers. Thermometers with sensitivities up to 10^7 Omega/K at 10 K were measured as well as bolometers with responsivities up to 10^5 V/W at 10 K and a thermal resistance of R_th = 3 K/nW at 10 K. Measurements of the magnetic field dependent transport in both perpendicular and parallel field configurations have been shown to yield opposite magnetoresistance signs. The colossal negative magnetoresistance found in the perpendicular configuration led to the emergence of the nu = -2 quantum Hall state from an insulating state in the most disordered 2D system to date as measured by a Ioffe-Regel parameter of 250. / Le but sous-jacent de cette thèse est d'utiliser des adatomes sur un crystal atomique bi-dimensionnel afin d'en ajuster les propriétés électriques. Plus précisément, un lien covalent s'établira entre les atomes d'hydrogène et la feuille de graphène en créant CH_x afin d'ouvrir un interstice entre les bandes de valence et de conduction. En attachant les atomes d'hydrogène sur la feuille de graphène, son spectre Raman, son transport en fonction de la température et sa magnétorésistance ont tous étés modifiés. L'investigation de ces modifications est le thème central de cette thèse.Cette thèse contient: la méthode par laquelle le graphène est hydrogéné, l'analyse de l'hydrogénation en obtenant une cartographie Raman de l'ampleur des défauts et de leur emplacement sur l'échantillon. Également présent est l'analyse de l'hydrogénation du point de vue du transport électrique en fonction de la température. La durée de l'hydrogénation ne démontre pas une bonne corrélation avec le ratio D/G moyen sur une surface de 200 par 200 um^2 obtenu par spectroscopie Raman. De plus, il est démontré que les échantillons s'hydrogènent à des rythmes différents. Également présentés sont deux applications technologiques qui pourraient être potentiellement bonifiées en utilisant le graphène hydrogéné: les thermomètres et les bolomètres. Les thermomètres démontrent une sensibilité allant jusqu'à 10^7 Omega/K à 10 K et les bolomètres démontrent une responsivité allant jusqu'à 10^5 V/W à 10 K et une résistance thermique allant jusqu'à R_th = 3 K/nW, à 10 K. La magnétorésistance colossale négative mesurée dans la configuration perpendiculaire a mené à la mesure de l'effet Hall quantique dans le système le plus désordonné à ce jour en termes du paramètre Ioffe-Regel qui est de 250. La magnétorésistance colossale négative démontre la transition d'un état isolant à l'état de l'effet Hall quantique nu = -2.

In this work, we theoretically investigate hyperfine-induced effects on the spin-echo dynamics of a heavy hole in a quantum dot. We consider an in-plane applied magnetic field perpendicular to fluctuations arising from the hyperfine interaction, which drives the system into a motional averaging regime when the relevant (hole or nuclear) Zeeman energy scale exceeds the amplitude of hyperfine-induced fluctuations in the Overhauser field. For the parameters in Ref. [1], this system enters a motional averaging regime at moderate magnetic fields of the order of 1 T. In this regime, rapid spin precession about the external field effectively averages the out-of-plane fluctuations to zero, enabling the complete suppression of spin-echo envelope decay due to hyperfine coupling. We also predict the coherence dynamics to be strongly anisotropic, a property relevant to the discussion of electric-field-induced fluctuations currently limiting coherence times in single hole-spin experiments[2, 3]. More precisely, we find an alternative set of initialization and π-rotation axes which push the effects of electric-field-induced fluctuations out to very long timescales of the order of seconds for typical experimental parameters[2]. The anisotropy of this system also leads to counter-intuitive behaviour of the spin purity, an observable which quantifies the degree of spin-qubit polarization remaining after entangling with an environment for some time t. We find the spin purity to be maximally preserved when initializing along the hyperfine-induced fluctuations, in a superposition of Zeeman eigenstates. These results provide further evidence of the robustness of heavy-hole spin qubits, and pave the way for prolonging hole-spin coherence by optimizing the geometry of the system. / Dans ce mémoire, nous étudions les effets de l'interaction hyperfine sur l'écho de spin d'un trou lourd localisé dans une boîte quantique. Nous considérons l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux fluctuations causéespar l'interaction hyperfine, qui entraîne le système dans un régime de moyenne motionnelle lorsque l'énergie Zeeman pertinente (du trou ou des noyaux nucléaires) dépasse l'amplitude des fluctuations dans le champ de Overhauser. Avec les paramètres utilisés dans la Réf. [1], le régime de moyenne motionnelle est atteint pour un champ magnétique de l'ordre de 1 T. Dans ce régime, la précession rapide du spin autour du champ magnétique externe a l'effet d'une moyenne sur les fluctuations hyperfines, ce qui permet la suppression complète de la décroissance de l'enveloppe du signal de l'écho de spin. Nous prédisons aussi une anisotropie présente dans la dynamique de cohérence qui serait pertinente à la discussion des fluctuations du champ électrique, fluctuations qui limitent les temps de cohérence dans des expériences actuelles[2, 3]. Plus précisément, nous trouvons des directions d'initialisation et de rotation qui repoussent les effets des fluctuations électriques jusqu'à des échelles de temps de l'ordre de plusieurs secondes pour des paramètres expérimentaux typiques[2]. L'anisotropie du système est également responsable d'un comportement inattendu de la pureté du spin, qui quantifie la polarisation restante du qubit de spin suivant l'enchevêtrement avec un environnement pendant un temps t. Nous montrons que la pureté du spin est préservée au maximum pour une initialisation parallèle aux fluctuations hyperfines, dans une superposition d'états propres Zeeman. Ces résultats fournissent une preuve supplémentaire du potentiel des qubits de spin de trou lourd, et permettent de prolonger leur cohérence en optimisant la géométrie du système.