We have developed a general theory of the plasmonic enhancement of many-body phenomena resulting in a closed expression for the surface plasmon-dressed Coulomb interaction. It is shown that this interaction has a resonant nature. We have also demonstrated that renormalized interaction is a long-ranged interaction whose intensity is considerably increased compared to bare Coulomb interaction over the entire region near the plasmonic nanostructure. We illustrate this theory by re-deriving the mirror charge potential near a metal sphere as well as the quasistatic potential behind the so-called perfect lens at the surface plasmon (SP) frequency. The dressed interaction for an important example of a metal–dielectric nanoshell is also explicitly calculated and analyzed. The renormalization and plasmonic enhancement of the Coulomb interaction is a universal effect, which affects a wide range of many-body phenomena in the vicinity of metal nanostructures: chemical reactions, scattering between charge carriers, exciton formation, Auger recombination, carrier multiplication, etc. We have described the nanoplasmonic-enhanced Förster resonant energy transfer (FRET) between quantum dots near a metal nanoshell. It is shown that this process is very efficient near high-aspect-ratio nanoshells. We have also obtained a general expression for the force exerted by an electromagnetic field on an extended polarizable object. This expression is applicable to a wide range of situations important for nanotechnology. Most importantly, this result is of fundamental importance for processes involving interaction of nanoplasmonic fields with metal electrons. Using the obtained expression for the force, we have described a giant surface-plasmoninduced drag-effect rectification (SPIDER), which exists under conditions of the extreme nanoplasmonic confinement. Under realistic conditions in nanowires, this giant SPIDER generates rectified THz potential differences up to 10 V and extremely strong electric fields up to 10^5-10^6 V/cm. It can serve as a powerful nanoscale source of THz radiation. The giant SPIDER opens up a new field of ultraintense THz nanooptics with wide potential applications in nanotechnology and nanoscience, including microelectronics, nanoplasmonics, and biomedicine. Additionally, the SPIDER is an ultrafast effect whose bandwidth for nanometric wires is 20 THz, which allows for detection of femtosecond pulses on the nanoscale.

La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont<br />considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En e_et leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation<br />à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à<br />ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure<br />photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons con_nés dans le puits quantique et les photons con_nés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec<br />celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états<br />mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein.<br />Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagn<br />ée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.

Cette thèse est dédiée à l'étude de l'analogue du rayonnement de Hawking dans les condensats de Bose-Einstein. Le premier chapitre présente de nouvelles configurations d'intérêt expérimental permettant de réaliser l'équivalent acoustique d'un trou noir gravitationnel dans l'écoulement d'un condensat atomique unidimensionnel. Nous donnons dans chaque cas une description analytique du profil de l'écoulement, des fluctuations quantiques associées et du spectre du rayonnement de Hawking. L'analyse des corrélations à deux corps de la densité dans l'espace des positions et des impulsions met en évidence l'émergence de signaux révélant l'effet Hawking dans nos systèmes. En démontrant une règle de somme vérifiée par la matrice densité à deux corps connexe, on montre que les corrélations à longue portée de la densité doivent être associées aux modifications diagonales de la matrice densité à deux corps lorsque l'écoulement du condensat présente un horizon acoustique. Motivés par des études expérimentales récentes de profils d'onde générés dans des condensats de polaritons en microcavité semi-conductrice, nous analysons dans un second chapitre les caractéristiques superfluides et dissipatives de l'écoulement autour d'un obstacle localisé d'un condensat de polaritons unidimensionnel obtenu par pompage incohérent. Nous examinons la réponse du condensat dans la limite des faibles perturbations et au moyen de la théorie de Whitham dans le régime non-linéaire. On identifie un régime dépendant du temps séparant deux types d'écoulement stationnaire et dissipatif : un principalement visqueux à faible vitesse et un autre caractérisé par un rayonnement de Cherenkov d'ondes de densité à grande vitesse. Nous présentons enfin des effets de polarisation obtenus en incluant le spin des polaritons dans la description du condensat et montrons dans le troisième chapitre que des effets similaires en présence d'un horizon acoustique pourraient être utilisés pour démontrer expérimentalement le rayonnement de Hawking dans les condensats de polaritons.

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.

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).

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.

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 contribue à la compréhension fondamentale du phénomène de couplage fort de la lumière avec des molécules organiques en mettant en œuvre de nouveaux systèmes et de nouvelles techniques, afin d'étudier les modifications de propriétés de molécules couplées à des résonances photoniques. Nous présentons des techniques de nanofabrication avancées pour la création de grands réseaux de trous sur des métaux et de cavités de Fabry-Pérot (FP) nanofluidiques. Ces systèmes sont ensuite utilisés pour étudier, sous régime de couplage fort, les modifications des propriétés de surface et de volume de molécules organiques en phase solide et liquide. En particulier les transitions électroniques de molécules du colorant cyanine en solution liquide ont été couplées à des modes photoniques résonants de cavités FP nanofluidiques spécialement conçues. Leur couplage fort a conduit à une amélioration du rendement quantique d'émission, mettant en évidence la nature radiative des états polaritoniques. / This thesis contributes to the fundamental understanding of the phenomenon of strong coupling of light with organic molecules by implementing new systems and techniques in order to investigate property modifications of molecules coupled with photonic resonances. State-of-the-art nanofabrication techniques for the formation of large hole-array gratings in metals and nanofluidic Fabry-Perot (FP) cavities are presented. These systems were then invested to study, under strong coupling, surface and bulk properties modifications of organic molecules in the solid and liquid phase. In particular, electronic transitions of cyanine dye molecules in liquid solutions were coupled to resonant photonic modes of specially designed nanofluidic FP cavities. Their strong coupling has led to an enhancement of the emission quantum yield, highlighting the radiative nature of the associated polaritonic states.

Ce travail est consacré à l’étude de la dynamique ultrarapide d’électrons chauds photo-excité dans des structures plasmonique. L’intérêt particulier de ce domaine réside dans le fait que les SPs, en raison de leurs caractéristiques spatio-temporelles spécifique, offrent un nouvel attrait technologique pour les processus de transport d’information ultra-rapide aux nano-échelles. Dans ce contexte, ce manuscrit offre une compréhension et une exploitation de l’une des principales limitations des technologies à base de SP : les pertes par effet Joule. Nous exploitons le fait que le mécanisme d’absorption des plasmons dans les métaux est suivi par la génération d’électrons chauds à l’échelle femtoseconde, ainsi les pertes peuvent être considrées comme une conversion d’énergie plasmon-électrons chauds. Cette conversion d’énergie est mesurée à l’aide d’une technique pompe-sonde laser femtoseconde. Nous lançons des impulsions SP que nous sondons sur des centaines de femtosecondes grace aux variations de permittivité diélectrique induites par le gaz d’électrons chaud accompagnant la propagation de SP. Le profil de température électronique est par conséquent une image de la distribution de densité de puissance de plasmon (absorption) non élargi spatialement et temporellement par diffusion de porteurs d’énergie. Nous avons pu démontrer la capacité de relier la mesure de température électronique à l’absorption du SP, révélant une absorption anormale autour d’une fente nanométrique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques de la distribution de densité de puissance. Dans une seconde partie, nous avons étudié les pertes plasmoniques et leurs caractéristiques lors de sa propagation sur un film métallique semi-infini. Nous avons déterminé la vitesse de l’onde thermique électronique et son atténuation. Dans la dernière partie, nous utilisons une structure en pointe pour guider adiabatiquement et focaliser le plasmon à l’extrémité. Nous avons démontré ainsi la génération d’un point chaud nanométrique et avons mis en évidence un retard dans l’échauffement des électrons à l’extrémité de la pointe. Les perspectives et les questions ouvertes sont également discutées. / In this work we explored the ultrafast dynamics of photo-excited hot electrons in plasmonic structures. The particular interest of this field resides on the fact surface plasmons (SP), because of their unrivaled temporal and spatial characteristics, provide a technological route for ultrafast information processes at the nanoscale. In this context, this manuscript provides a comprehension and the harnessing of one of the major limitation of the SP-based technologies : absorption losses by Joule heating. We exploit the fact that the mechanism of plasmon absorption in metals is followed by generation of hot electrons at femtosecond time scale, thus losses can be seen as a plasmon-to-hot-electron energy conversion. This energy conversion is measured with femtosecond pump-probe technique. Femtosecond SP pulses are launched and probed over hundred femtoseconds through the permittivity variations induced by the hot-electron gas and which accompany the SP propagation. The measured electron temperature profile is therefore an image of plasmon power density distribution (absorption) not broadened spatially and temporally by energy carrier diffusion. As an important result we demonstrated the capability to link the electronic temperature measurement to the plasmonic absorption, revealing an anomalous light absorption for a sub- slit surroundings, in quantitative agreement with predictions of the power density distribution. In a second part we studied plasmon losses and their characteristics when they propagate on semi-infinite metal film. We determined the electronic thermal wave velocity and damping. In the last part we used a focusing taper-structure to adiabatically guide and focus the plasmon at the apex. Was demonstrated the generation of a nanoscale hot spot and put in evidence a delayed electron heating at the taper apex. Perspectives and the remaining open questions are also discussed.

Industrial innovation is mostly driven by miniaturization. As a result of remarkable technological advancements in the fields of equipment, materials and production processes, transistor, the fundamental active component in conventional electronics, has shrunk in size. Semiconductor technology is unique in that all performance metrics are enhanced, while at the same time unit prices are reduced. Moore’s Law, which predicts that the number of components per chip will double every two years, was established in 1965, and the industry has been able to keep up with this prophetic prognosis since. Thermal management, on the other hand, has become a key limiting factor for current electronic circuits and is set to put a stop to Moore’s Law. Given the fact that complementary metal oxide semiconductor (CMOS) scaling is reaching fundamental limits, there are several new alternative processing devices and architectures that have been investigated for both traditional integrated circuit (IC) technologies and novel technologies, including new technologies aimed at contributing to advances in scaling progress and cost reductions in manufacturing operations in the coming decades. These factors will encourage the development of new information processing and memory systems, new technologies for integrating numerous features heterogeneously and new system architectural design layouts, among other things. Energy efficiency is advantageous from a sustainability perspective and for consumer electronics, for which fewer power-hungry components mean longer times between charges and smaller batteries. The creation of novel chip-scale tools that can aid in the transfer of information across optical frequencies and microscale photonics between nanoscale electronic devices is now a possibility. Bridging this technological gap may be achieved by plasmonics. The incorporation of plasmonic, photonic and electrical components on a single chip may lead to a number of innovative breakthroughs. Photonic integrated circuits (PICs) enable the realization of ultra-small, high-efficiency, ultra-responsive and CMOS-compatible devices that can be used in applications ranging from optical wireless communication systems (6G and beyond) and supercomputers to health and energy.   This thesis provides a platform from which to design nanoplasmonic devices while facilitating high-transmission and/or absorption efficiency, miniaturized size and the use of near-infrared (NIR) wavelengths for telecom applications. With a significant amount of Internet traffic transmitted optically, communication systems are further tightening the requirements for the development of new optical devices. Several new device structures based on the metal-insulator-metal (MIM) plasmonic waveguide are proposed and investigated using performance metrics. The transmission line theory (TLM) from microwave circuit theory and coupled mode theory (CMT) is studied and employed in the design process of the nanostructures, in particular to address the losses in plasmonic-based devices, which has been the major factor hampering their widespread usage in communication systems. By taking advantage of well-established microwave circuit theory (through new design that paves the way for mitigating these losses and enabling efficient transmission of power flow in the optical devices), we have suggested a number of high-transmission efficiency nanodevices that offer highly competitive performance compared with other platforms. As a result, a promising future for plasmonic technology, which would enable design and fabrication of multipurpose and multifunctional optical devices that are efficient in terms of losses, footprint and capability of integrating active devices, is anticipated. / Branschinnovation drivs främst av miniatyrisering. Som ett resultat av anmärkningsvärda tekniska framsteg inom områdena utrustning, material och produktionsprocesser kunde transistoren, den grundläggande aktiva komponenten i samtida elektronik, krympa i storlek. Halvledarteknik är unik genom att alla prestandamått förbättras, samtidigt som enhetspriserna sänks. Moores Lag, som förutspår att antalet komponenter per chip skulle fördubblas vartannat år, inrättades 1965, och branschen har kunnat hålla jämna steg med den profetiska prognosen sedan dess. Termisk hantering, å andra sidan, har blivit en viktig begränsande faktor för nuvarande elektroniska kretsar, och är inställd på att sätta stopp för Moores Lag. Med tanke på att CMOS-skalningen (Complementary Metal Oxide Semiconductor) når grundläggande gränser finns det flera nya alternativa bearbetningsanordningar och arkitekturer som har undersökts för både traditionell integrerad kretsteknik och ny teknik. Ny teknik som syftar till att bidra till framsteg i skalningen av framsteg och kostnadsminskningar i tillverkningsverksamheten under de kommande årtiondena. Dessa faktorer uppmuntrar utvecklingen av nya informationsbehandlings- och minnessystem, ny teknik för att integrera många funktioner heterogent och nya systemarkitekturdesignlayouter, bland annat. Energieffektivitet är fördelaktigt ur ett hållbarhetsperspektiv och för hemelektronik, där färre krafthungriga elektroniker innebär längre tid mellan laddningar och stimulerar för ett mindre energilagringssystem ombord. Skapandet av nya chip-scale verktyg som kan bidra till överföring av information över optiska frekvenser och mikroskala fotonik mellan elektroniska enheter i nanoskala är nu en möjlighet. Överbrygga denna tekniska klyfta kan uppnås av plasmonics. Införlivandet av plasmoniska, fotoniska och elektriska komponenter på ett enda chip kan leda till ett antal innovativa genombrott. Fotoniska integrerade kretsar (PIC-enheter) möjliggör förverkligande av ultrasmå, högeffektiva, ultraresponsiva och CMOS-kompatibla enheter som kan användas i applikationer som sträcker sig från optiska trådlösa kommunikationssystem (6G och därefter), superdatorer till hälso- och energiändamål. Denna avhandling ger en plattform för att designa nanoplasmoniska enheter samtidigt som den innehåller hög överförings- och eller absorptionseffektivitet, miniatyriserad storlek och vid önskade våglängder av nära infraröd (NIR) för telekomapplikationer. Med den betydande mängden Internettrafik som överförs optiskt skärper kommunikationssystemen ytterligare kraven för utveckling av nya optiska enheter. Flera nya enhetsstrukturer baserade på metall-isolator-metall (MIM) plasmonisk vågledare föreslås och numeriskt undersöks. Överföringslinjeteorin (TLM) från mikrovågskretsteori och kombinationslägesteori (CMT) studeras och används i nanostrukturerna. För att ta itu med de förluster i plasmonbaserade enheter som har varit den viktigaste parametern som hindrade deras utbredda användning i kommunikationssystem, genom att dra nytta av den väletablerade mikrovågskretsteorin (genom ny design som banar väg för att mildra förlusterna och möjliggöra effektiv överföring av kraftflödet i den optiska enheten).  Vi har framgångsrikt föreslagit ett antal nanodevices med hög överföringseffektivitet som erbjuder en mycket konkurrenskraftig prestanda jämfört med andra plattformar. Som ett resultat förväntar vi oss en lovande framtid för plasmonisk teknik som skulle möjliggöra design och tillverkning av mångsidiga och multifunktionella optiska enheter som är effektiva när det gäller förluster, fotavtryck och förmåga att integrera aktiva enheter. / <p>Vid tidpunkten för framläggandet av avhandlingen var följande delarbeten opublicerade: delarbete II inskickat, III, IV, V manuskript.</p><p>At the time of the licentiate defence the following papers were unpublished: paper II submitted, III, IV, V manuscript.</p>