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Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L’information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s’intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d’une raie d’absorption, puis de conserver l’information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l’information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l’aimantation initiale, porteuse de l’information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu’une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l’allongement du temps de vie de ces cohérences optiques. / This work takes place in the context of research about quantum memories for light. The quantum information is stored in an atomic superposition state whose lifetime sets the maximum storage time. We are particularly interested in materials which are able to hold the light by resonant excitation of an absorption line, preserving the quantum information in a superposition state of the electronicfundamental.n Tm3+:YAG the information is stored in a nuclear spin state. However, the magnetic field which lifts the nuclear degeneracy generates different precession speeds of the spins. This destroys theinitial magnetization carrier of the information.In the first chapter of this thesis, a quantum analysis of the crystal is done. The following three chapters are devoted to different mechanisms to control the nuclear spins dephasing. There it ispossible to find different theoretical analysis which will be confirmed by a series of experimental measurements, including an extended description of the set-up. Finally, the last chapter presentsthe different techniques used to preserve the optical coherence. Promising experimental measurements are presented to extend the life time of the optical coherences.

Ce travail se place dans le contexte des recherches sur les mémoires quantiques pour la lumière. L'information quantique est stockée dans un état de superposition atomique, dont la durée de vie détermine le temps maximum de stockage.On s'intéresse particulièrement aux matériaux capables de capturer la lumière par excitation résonnante d'une raie d'absorption, puis de conserver l'information quantique dans un état de superposition du fondamental électronique.Dans Tm3+:YAG, l'information est enregistrée dans un état de spin nucléaire. Cependant le champ magnétique qui lève la dégénérescence nucléaire entraîne les différents spins à des vitesses de précession différentes, ce qui tend à détruire l'aimantation initiale, porteuse de l'information.Une étude quantique du cristal est réalisée lors du premier chapitre de ce manuscrit. Les trois chapitres suivants traitent des différents mécanismes conduisant au déphasage des spins nucléaires. On y trouvera différente analyses théoriques qui seront confirmées par un ensemble de résultats expérimentaux, ainsi qu'une description détaillée du dispositif expérimental. Enfin le dernier chapitre, prospectif, exploite les outils développés au cours de la thèse pour préserver les cohérences optiques. Il présente quelques résultats expérimentaux prometteurs sur l'allongement du temps de vie de ces cohérences optiques.

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<p dir="ltr">This thesis deals with optical cavity-coupled two-dimensional (2D) materials. First, we describe a new theoretical approach to model the properties of cavity-coupled plasmons in 2D conductors. Next, we propose an optical cavity architecture for enhanced light-matter interaction with potential for performance and functionality beyond that of traditional approaches and describe an initial investigation of one example of such a system. Finally, we provide a thorough description of the fabrication techniques used to produce the previously mentioned optical cavities.</p><p dir="ltr">The advent of 2D materials has opened exciting possibilities for controlling light-matter interactions at the nanoscale. The first major contribution of this work is the investigation of coupling between patterned 2D Van der Waals materials and Fabry-Perot cavities, focusing on how system parameters like pattern shape and material properties influence these interactions. Using a quasistatic eigenmode expansion approach, we develop a theoretical framework to predict and manipulate optical behavior in these systems. Our work opens new pathways for engineering light-matter interactions within patterned 2D material platforms, paving the way for the engineering of novel optical phenomena.</p><p dir="ltr">The second major contribution of this work is the development of a versatile platform for light-matter coupling experiments in Van der Waals materials. It is well-known that light-matter interaction can be used to realize unprecedented functionality in the coupled materials. However, few---if any---approaches to date utilize this phenomenon to its fullest extent. We have provided a platform that can be used to realize light-matter coupling efficiencies beyond what is possible in conventional systems, can be easily integrated with 2D materials, and provides new opportunities to engineer the photonic environment of the coupled material. In particular, we focus on silicon dielectric bowtie cavities (DBCs) coupled to few-layer flakes of $\rm WSe_2$. This approach leverages topology-optimized cavity architectures to achieve simultaneous spatial and spectral confinement, yielding Purcell factors exceeding 2500, mode volumes as small as $\sim10^{-3}(\lambda/2n)^3$, and quality factors up to $\sim200$---performance metrics limited only by material losses. The lithographically defined DBCs enable deterministic emission hotspot placement and tunability across a broad wavelength range with minimal performance impact. Photoluminescence imaging and spectroscopy reveal comparable $\rm WSe_2$ exciton emission enhancement to plasmonic structures. This platform surpasses the limitations of conventional cavity architectures by enabling unprecedented coupling efficiencies and unique functionality while maintaining sufficient mechanical robustness for 2D material transfer.</p><p dir="ltr">The final chapter outlines the fabrication process for the cavities described in the previous chapter. The fabrication involves advanced nanolithography techniques to define patterns with high resolution, addressing challenges such as proximity effects and process blur. Techniques such as proximity effect correction (PEC) are used to enhance pattern accuracy, while careful optimization of exposure and development parameters ensures minimal distortion. The process utilizes high-anisotropy reactive ion etching to transfer the patterns onto the substrate, where precise optimization of the etching parameters has been performed to achieve high resolution and selectivity. The final optimized process yields structures with a minimum feature size of approximately 20 nm and minimum radius of curvature of approximately 10 nm, allowing for the repeatable fabrication of complex inverse-designed cavities.</p>