Ce travail présente l'étude de la dynamique de spins d'ions Mn insérés dans des structures de CdTe de faibles dimensions. L'accent est plus particulièrement mis sur des boîtes quantiques individuelles de CdTe contenant un ion Mn unique, ce qui permet d'accéder aux interactions non perturbées de l'ion magnétique avec son environnement semi-conducteur. Nous présentons une méthode purement optique de manipulation et de lecture des états de spin de l'ion magnétique unique. Les expériences utilisent le fait que les états de spin se conservent lors d'un transfert excitonique entre proches boîtes quantiques, pour injecter un exciton polarisé dans la boîte contenant l'ion Mn afin d'orienter son spin. Les dynamiques de processus de réorientation sont observées lors de mesures résolues en temps, puis analysées via un modèle simple d'équations de taux. Un des mécanismes possible de réorientation, la recombinaison d'excitons sombres, est présenté expérimentalement, puis discuté. L'orientation optique de l'ion Mn est aussi utilisée pour étudier les relaxations spin-réseau d'un ion magnétique isolé sous faibles et sous forts champs magnétiques. Ce travail décrit aussi les phénomènes présents pour des champs magnétiques nuls ou faibles dans des systèmes de moments magnétiques plus grands (puits et boîtes quantiques contenant plusieurs ions Mn). Une nouvelle technique expérimentale, basée sur des impulsions magnétiques rapides, nous permet d'étudier la dynamique de spin des ions Mn en l'absence de champ magnétique et ce, avec une résolution temporelle de l'ordre de la nanoseconde. Nous observons une rapide décroissance de la magnétisation après une impulsion magnétique. Le phénomène est décrit en terme de couplage hyperfin avec le spin nucléaire des ions Mn. Cet effet est particulièrement sensible à toute anisotropie, notamment celles introduites par un gaz de trous ou par les contraintes du réseau. L'application d'un champ magnétique externe supprime les dynamiques rapides dans les puits quantiques magnétiques dilués et des phénomènes plus commun de relaxation lente spin-réseau sont alors observés. Il est toutefois surprenant que les boîtes quantiques avec un grand nombre d'ions Mn présentent ces dynamiques de spin rapides même après application d'un champ magnétique allant jusqu'à 0.5 T. Ce processus rapide pourrait venir des interactions spin-spin des ions Mn, en particulier si leur distribution spatiale n'est pas régulière à l'intérieur de la boîte. / This work is devoted to the studies of spin dynamics of magnetic Mn ions embedded in low-dimensional CdTe-based nanostructures. A particular emphasis is placed on the system of single CdTe quantum dots with single Mn ions, which give an insight into unperturbed interactions of magnetic ion with its semiconductor environment. A method of all-optical manipulation and readout of the spin state of a single magnetic ion is presented. The experiment exploits the spin-conserving exciton transfer between neighbouring quantum dots to inject polarized exitons into the dot with the Mn ion so as to orient its spin. The dynamics of the orientation process is measured in a time-resolved experiment and described with a simple rate equation model. One of possible orientation mechanisms - the dark excitons recombination - is discussed and shown experimentally. The optical orientation of the Mn ion is also used to investigate the spin-lattice relaxation of an isolated magnetic ion in low and high magnetic field. The work also addresses phenomena occurring in low and zero magnetic field in large systems of magnetic moments - quantum wells and quantum dots containing Mn ions. New experimental technique of fast magnetic pulses is used to investigate the Mn spin dynamics in the absence of magnetic field with nanosecond resolution. After the pulse of magnetic field, a fast decay of the magnetization is observed. The experimental findings are described in terms of hyperfine coupling with the nuclear spin of the Mn ions. The effect is highly sensitive to the presence of an anisotropy, particularly that introduced by hole gas and by strain. Application of the external magnetic field suppresses the fast dynamics in diluted magnetic quantum wells and a well known slow spin-lattice relaxation is observed. Surprisingly, quantum dots with many Mn ions show fast spin dynamics even after application of external field up to 0.5 T. The fast process may origin from the spin-spin interaction between the magnetic ions, especially if their spatial distribution within the dot is not uniform.

L’oxyde de zinc est un matériau prometteur pour la réalisation de composants optoélectroniques dans la gamme des émetteurs UV. Pour cela il faut développer des hétéro-structures tel que des puits quantiques ZnO/(Zn, Mg)O afin de mieux contrôler les propriétés d’émissions. Ce travail porte sur la caractérisation de telles structures crûes sur le plan A, surface non polaire, de ZnO massif. A partir de mesures de spectroscopie optiques (réflectivité, photoluminescence en excitation continue et photoluminescence résolue en temps) nous avons déterminé les différents phénomènes physiques mis en jeux lors de la recombinaison radiative des porteurs dans ces puits quantiques. Dans un premier temps, nous avons étudié en détail l’émission des photons par les barrières de (Zn, Mg)O. Grace à l’étude en température nous avons montré que l’émission optique de la barrière correspond à la recombinaison de paires électron trou en interactions (excitons) qui sont à basses températures localisées dans des fluctuations de potentiel. Sous l’effet de la température ils se délocalisent et se recombinent comme des exciton libres. L’étude détaillée des déclins temporels de photoluminescence nous à permis de démontrer que nous avions affaire à deux états excitoniques différents qui présentent des dynamiques de recombinaisons différentes. Un modèle est proposé pour rendre compte des différentes observations. La partie principale de ce travail porte sur le comportement des excitons dans le puits quantique. Le résultat majeur de cette étude est la démonstration expérimentale que dans ce cas des complexes excitoniques, ici des trions chargé négativement (exciton en interaction avec un électron libre), se forment à basse température et sont responsable de la luminescence observée. De plus, en variant la densité d’excitation nous avons montré que se former également des bi-excitons (pseudo particule formée de deux exciton en interactions). Le comportement en température de la photoluminescence obtenue dans différente conditions d’excitation à permis de démontrer que sous l’effet de l’énergie thermique les complexes excitoniques se dissociés pour créer des excitons libres. Des mesures en fonction de la polarisation de la lumière émise et de la température ont permis également d’étudier l’état C de l’exciton dans le puits. Les dynamiques de recombinaison des différents complexes excitoniques sont examinées en fonction de la température. / The zinc oxide is a promising material for the realization of optoelectronic devices in the blue-UV range. For this, it is necessary to develop hetero-structures such as ZnO / (Zn, Mg) O quantum wells in order to have better control of the properties of emissions. This work concerns the characterization of such structures grown on the A-plane (non-polar surface) of bulk ZnO. From optical spectroscopies measurements (reflectivity, continuous wave and time-resolved photoluminescence) we determined the various physical phenomena involve during the radiative recombination of the carriers in these quantum wells. At first, we studied in detail the emission of photons by the barriers of (Zn, Mg) O. Thanks to the study in temperature we showed that the optical emission of the barrier corresponds to the recombination of electron hole pairs in interactions (excitons), which are at low temperatures localized in the fluctuations of the potential. Under the influence of the temperature they delocalize and recombine as free exciton. From the detailed study of the temporal decays of photoluminescence we can demonstrate that we deal with two different excitonic states, which present different dynamics of recombination. A model is proposed that explain the various observations. The main part of this work concerns the behavior of the excitons in the quantum well. The major result is the experimental demonstration that excitonics complexes are formed at low temperature, negatively charged trion (exciton in interaction with a free electron), in this system and they are responsible for the observed luminescence. Furthermore, by varying the density of excitation we showed that biexcitons are also form (pseudo-particles formed by two excitons in interactions). The behavior in temperature of the photoluminescence obtained in different conditions of excitation demonstrates that under the influence of the thermal energy the exitonic complexes are broken to create free excitons. Measures according to the polarization of the emitted light and the temperature also allowed studying the C state of the exciton in the quantum well. The dynamics of recombination of the various excitonics complexes are examined according to the temperature.

La biomédecine et la biophotonique sont des champs de recherches en plein expansion qui grandissent à vive allure, constituant un secteur entier d'activités novatrices. Ce secteur, vraiment interdisciplinaire, comprend le développement de nouveaux nanomatériaux, de sources lumineuses et l'élaboration de nouveaux concepts, de dispositifs/équipements pour quantifier la conversion de photons et leurs interactions. L'importance décisive du diagnostic précoce et du traitement individuel des patients exige des thérapies soigneusement ciblées et la capacité de provoquer sélectivement la mort cellulaire des cellules malades. Malgré les progrès spectaculaires réalisés en utilisant les points quantiques ou des molécules biologiques organiques pour l'imagerie biologique et la libération ciblée de médicaments, plusieurs problèmes restent à résoudre : obtenir une sélectivité accrue pour une accumulation spécifique dans les tumeurs et une amélioration de l'efficacité des traitements. D'autres problèmes incluent la cytotoxicité et la génotoxicité, l'élimination lente et la stabilité chimique imparfaite. Des espérances nouvelles sont portées par de nouvelles classes de matériaux inorganiques comme les nanoparticules à base de silicium ou à base de carbone, qui pourraient faire preuves de caractéristiques de stabilité plus prometteuses tant pour le diagnostic médical que pour la thérapie. Pour cette raison, la découverte de nouveaux agents de marquage et de transport de médicaments représente un champ important de la recherche avec un potentiel de croissance renforcé / Biomedicine and biophotonics related businesses are currently growing at a breathtaking pace, thereby comprising one of the fastest growing sectors of innovative economy. This sector is truly interdisciplinary, including, very prominently, the development of novel nanomaterials, light sources, or novel device/equipment concepts to carry out photon conversion or interaction. The great importance of disease diagnosis at a very early stage and of the individual treatment of patients requires a carefully targeted therapy and the ability to induce cell death selectively in diseased cells. Despite the tremendous progress achieved by using quantum dots or organic molecules for bio-imaging and drug delivery, some problems still remain to be solved: increased selectivity for tumor accumulation, and enhancement of treatment efficiency. Other potential problems include cyto- and genotoxicity, slow clearance and low chemical stability. Significant expectations are now related to novel classes of inorganic materials, such as silicon-based or carbon-based nanoparticles, which could exhibit more stable and promising characteristics for both medical diagnostics and therapy. For this reason, new labeling and drug delivery agents for medical application is an important field of research with strongly-growing potential.The 5 types of group IV nanoparticles had been synthesized by various methods. First one is the porous silicon, produced by the electrochemical etching of bulk silicon wafer. That well-known technique gives the material with remarkably bright photoluminescence and the complicated porous structure. The porous silicon particles are the agglomerates of the small silicon crystallites with 3nm size. Second type is 20 nm crystalline silicon particles, produced by the laser ablation of the bulk silicon in water. Those particles have lack of PL under UV excitation, but they can luminesce under 2photon excitation conditions. 3rd type of the particles is the 8 nm nanodiamonds

Ce travail porte sur la croissance par épitaxie sous jets moléculaires (EJM) et sur les propriétés structurales et optiques de boîtes quantiques (BQs) AlyGa1-yN insérées dans une matrice AlxGa1-xN (0001). L’objectif principal est d’étudier le potentiel des BQs en tant que nouvelle voie pour la réalisation d’émetteurs ultraviolets (UV) efficaces.Tout d'abord, nous avons étudié la croissance des BQs GaN en utilisant soit une source plasma (N2, appelée PAMBE) soit une source ammoniac (NH3, appelée NH3-MBE) afin de choisir la meilleure approche pour former les BQs les plus efficaces. Il a été montré que le procédé de croissance est mieux contrôlé en utilisant l’approche PAMBE, conduisant à la croissance de BQs GaN avec des densités plus élevées, une meilleure uniformité en taille et des intensités de photoluminescence (PL) jusqu’à trois fois plus élevées. En outre, l'influence de la contrainte épitaxiale sur le processus d'auto-assemblage des BQs a été étudiée en fabriquant des BQs GaN sur différentes couche tremplins d’AlxGa1-xN (avec 0,5 ≤ x ≤ 0,7). Nous avons montré que des BQs avec des densités plus élevées et des hauteurs plus faibles sont formées en augmentant le désaccord de paramètre de maille (c.à.d en utilisant des tremplins avec xAl plus élevé). Cependant, les mesures de photoluminescence (PL) indiquent un fort décalage de l'énergie d'émission vers le rouge lorsque xAl augmente, en raison de l'augmentation de la discontinuité du champ électrique interne de 3 à 5,3 MV/cm.Ensuite, des études approfondies sur les conditions de croissance et les propriétés optiques des BQs Al0,1Ga0,9N / Al0,5Ga0,5N ont été présentées, montrant les différents défis pour fabriquer des BQs efficaces. L’optimisation de la procédure de croissance, notamment l’étape de recuit post-croissance, a montré une modification de la forme des BQs. Plus précisément, un changement d’une forme allongée (pour un recuit à 740 °C), à une forme symétrique (pour un recuit à une température proche de ou supérieure à 800°C) a été observé. En plus, une bande d’émission supplémentaire vers les plus grandes longueurs d’onde a également été observée pour les BQs formées avec un recuit à 740°C. Cette bande a été attribuée à une fluctuation de composition des BQs, induisant la formation d’une famille additionnelle de BQs avec des hauteurs plus grandes et une compostions en Al inférieure à 10 %, estimée proche de l’alliage binaire GaN. Enfin, il a été démontré qu’en faisant un recuit à plus haute température (≥ 800°C), l’émission de PL de cette famille supplémentaire de BQs (BQs riche en Ga ou (Al)GaN) diminue très fortement. De plus, cette étape de recuit impacte fortement la forme des BQs et a conduit à une amélioration de leur efficacité radiative d’un facteur 3. Ensuite, la variation de la composition en Al des BQs AlyGa1-yN (0,1 ≤ y ≤ 0,4), ainsi que la quantité de matière déposée ont permis d’évaluer la gamme de longueurs d’onde d’émission accessibles. En ajustant les conditions de croissance, l’émission des BQs a été déplacée de l’UVA vers l’UVC, atteignant une émission autour de 270 - 275 nm (pour les applications de purification de l’eau et de l’air) avec des rendements radiatifs élevés. Les mesures de photoluminescence résolue en temps (TRPL), combinées avec les mesures de PL en fonction de la température, nous ont permis de déterminer les efficacités quantiques internes (IQE) des BQs GaN / AlxGa1-xN (0001). Des valeurs d’IQE comprises entre 50 % et 66 % ont été obtenues à basse température, avec la possibilité d’atteindre un rapport d’intensité intégré de PL, entre 300 K et 9 K, allant jusqu’à 75 % pour les BQs GaN et 46 % pour les BQs AlyGa1-yN (contre 0,5 % pour des structures équivalents à base de puits quantiques).Enfin, nous avons montré la possibilité de fabriquer des DELs à base de BQs (Al,Ga)N couvrant une grande gamme de longueurs d’onde allant du bleu-violet jusqu’à l’UVB (de 415 nm à 305 nm). / This PhD deals with the epitaxial growth, structural and optical properties of AlyGa1-yN quantum dots (QDs) grown on AlxGa1-xN (0001) by molecular beam epitaxy (MBE), with the aim to study their potential as a novel route for efficient ultraviolet (UV) emitters.First, we have studied the growth of GaN QDs using either plasma MBE (PAMBE) or ammonia MBE (NH3-MBE) to find the most adapted nitrogen source for the fabrication of UV emitting QDs. It was shown that the growth process is better controlled using PAMBE, leading to the growth of GaN QDs with higher densities, better size uniformity and up to three times higher photoluminescence (PL) intensities. Also, the influence of the epitaxial strain on the QD self-assembling process was studied by fabricating GaN QDs on different AlxGa1-xN surfaces (with 0.5 ≤ x ≤ 0.7). We showed that QDs with higher densities and smaller sizes (heights) are formed by using a larger lattice-mismatch (i.e. a higher xAl composition). However, photoluminescence (PL) measurements indicated a strong redshift in the emission energy as the Al content of the AlxGa1-xN template increases due to the increase of the internal electric field discontinuity from 3 to 5.3 MV/cm.Next, in-depth investigations of the growth conditions and optical properties of Al0.1Ga0.9N QDs / Al0.5Ga0.5N were done presenting the different challenges to be solved to grow efficient QDs. Changing the growth procedure, especially the post-growth annealing step, has shown a modification of the QD shape from elongated QDs, formed with an annealing at 740°C, to symmetric QDs, formed with an annealing at a temperature around or above 800°C. An additional band emission at lower energies was also observed for QDs grown with a lower annealing temperature (740°C). This additional band emission was attributed to the formation of QDs with higher heights and a reduced Al composition less than the nominal one of 10 % (i.e. forming Ga-rich QDs). The influence of the annealing step performed at higher temperature has been shown to strongly decrease the PL emission from this additional QD family. In addition, this annealing step strongly impacted the QD shape and led to an improvement of the QD radiative efficiency by a factor 3. Then, the AlxGa1-xN barrier composition (0.5 ≤ x ≤ 0.7), the AlyGa1-yN QD composition (0.1 ≤ y ≤ 0.4) as well as the deposited amount were varied in order to assess the range of accessible emission energies. Also, the influence of varying the AlxGa1-xN barrier composition on the QD formation was studied. By varying these growth conditions, the QD wavelength emission was shifted from the UVA down to the UVC range, reaching a minimum wavelength emission of 270 - 275 nm (for water and air purification applications) with a high radiative efficiency. Time resolved photoluminescence (TRPL) combined with temperature dependent PL measurements enabled us to determine the internal quantum efficiencies (IQE) of AlyGa1-yN QDs / AlxGa1-xN (0001). IQE values between 50 % and 66 % were found at low temperature, combined with the ability to reach a PL integrated intensity ratio, between 300 K and 9 K, up to 75 % for GaN QDs and 46 % for AlyGa1-yN QDs (versus 0.5 % in a similar quantum well structure emitting in the UVC range).Finally, the demonstration of AlyGa1-yN QD-based light emitting diode prototypes, emitting in the whole UVA range, using GaN and Al0.1Ga0.9N QDs, and in the UVB range down to 305 nm with Al0.2Ga0.8N QDs active regions, was shown.

La thèse, composée de trois parties, est consacrée à des problèmes physiques différents reliés à la Théorie Conforme des Champs (CFT) bidimensionnelle. La première partie s'intéresse aux propriétés de transport hors d'équilibre à travers une jonction de fils quantiques. Trois modèles y sont étudiés. Le premier décrit les fils par un champs bosonique libre compactifié vu comme la bosonisation du liquide de Luttinger d'électrons. La jonction des fils est modélisée par une condition limite assurant la diffusion non triviale des charges entre les fils. Associant la quantification canonique et l'intégrale fonctionnelle, on calcule exactement les fonctions de corrélation des courants dans l'état d'équilibre du modèle, mais aussi dans un état stationnaire hors d'équilibre, ainsi que la statistique complète de comptage pour les transferts de charge et d'énergie entre les fils maintenus en températures et potentiels différents. Les deux autres modèles d'une jonction de fils quantiques sont basés sur la théorie de Wess-Zumino-Witten (WZW). Dans le premier, la jonction est décrite par une "brane cyclique" et dans le deuxième, par une "brane coset". Les résultats dans le premier cas sont aussi complets que pour le champ libre, mais les charges y sont entièrement transmises d'un fils au suivant. Dans le deuxième cas, la diffusion des charges n'est pas triviale, mais le modèle se révèle difficile à résoudre. La deuxième partie de la thèse étudie les anomalies globales de jauge dans les modèles "coset" de CFT réalisés comme la théorie WZW jaugée. La classifications (presque) complète de telles anomalies, lesquelles rendent certains modèles coset inconsistants, est présentée. Elle emploie la classification des sous-algèbres des algèbres de Lie simples due à Dynkin. Finalement, la troisième partie de la thèse décrit la construction géométrique d'indice des familles d'opérateurs unitaires obtenues des projecteurs sur les bandes de valence d'un isolant topologique bidimensionnel invariant par renversement du temps. L'indice construit est relié d'un côté à la racine carrée de l'amplitude de Wess-Zumino d'une telle famille, et, de l'autre, il reproduit l'invariant de Kane-Mele de l'isolant. La dernière identification exige un argument complexe qui exploite une nouvelle anomalie de jauge pour les modèles WZW à bord. Les trois parties de la thèse emploient des outils géométriques de CFT assez semblables, permettant d'obtenir toute une série des résultats originaux. Cette unité de méthode, ainsi que le thème des anomalies, constituent le trait d'union entre les différents composants du manuscrit. / The thesis, consisting of three parts, is focusing on different physical problems that are related to two dimensional Conformal Field Theory (CFT).The first part deals with nonequilibrium transport properties across a junction of quantum wires. Three models are studied. The first one describes the wires by a free compactified bosonic field, seen as the bosonization of the Luttinger liquid of electrons. The junction of the wires is modeled by a boundary condition that ensures nontrivial scattering of the charges between the wires. Combining canonical quantization and functional integral, we compute exactly the current correlation functions in equilibrium, but also in a nonequilibrium stationary state, as well as the full counting statistics of charge and energy between the wires set at different temperatures and potentials. The two other models of quantum wire junction are based on Wess-Zumino-Witten theory (WZW). In the first one, the junction is described by a “cyclic brane” and in the second, by a “coset brane”. The results in the first case are as complete as for the free field, but the charges are fully transmitted from one wire to the next one. In the second case, the scattering is nontrivial, but the model turns out to be difficult to solve.The second part of the thesis studies the global gauge anomalies in “coset” models of CFT, realized as gauged WZW theories. The (almost) complete classification of such anomalies, that lead to some inconsistent coset models, is presented. It is based on Dynkin classification of subalgebras of simple Lie algebras.Finally, the third part of the thesis describes the geometric construction of index from unitary operator families obtained from valence band projectors of a two-dimensional time-reversal invariant topological insulator. The index is related on one hand to the square root of the Wess-Zumino amplitude of such a family, and, on the other hand, it reproduces the Kane-Mele invariant of the insulator. The last identification requires a nontrivial argument that uses a new gauge anomaly of WZW models with boundary.The three parts of the thesis use similar geometrical tool of CFT, that permits to obtain several original results. The unity in the method, as well as the topic of anomalies, builds a bridge between the different components of the manuscript.

L’objectif de la thèse concerne le développement de lasers à semi-conducteur à blocage de modes qui présentent un grand intérêt pour les systèmes de télécommunications optiques à très haut débit (WDM, OTDM, radio sur fibre…).Les nanostructures à base de boites quantiques (BQs) possèdent des propriétés remarquables grâce au confinement 0D des porteurs de charge. Leur utilisation dans les lasers à blocage de modes a donné lieu à des avancées importantes en terme de génération d’impulsions très courtes à haute fréquence et avec un très faible niveau de bruit.Durant la thèse, une optimisation de la croissance des structures lasers à BQs InAs sur substrat InP(113)B a été menée afin d’accroître le nombre de plans de BQs tout en assurant une forte densité pour maximiser le gain modal. Le travail a également porté sur l’utilisation de substrats InP(001) désorienté et l’obtention d’empilement de plans de BQs de faible anisotropie. Une optimisation de la technologie des lasers monomode de type « shallow-ridge » a été réalisée sur substrat conventionnel InP (001). Nous avons confirmé l’intérêt des BQs pour améliorer l’efficacité d’injection grâce à une réduction de la diffusion latérale des porteurs. Le blocage de modes a été obtenue sur des lasers à mono-section et double sections à base de BQs InAs élaborés sur InP (001) désorienté et InP(113))B, à des fréquences de répétitions allant de 20 jusqu’à 83 GHz. Les spectres RF présentent des pics de faibles largeurs (jusqu’à 20 kHz) qui indique un faible bruit de phase. Enfin, une étude a été menée sur le comportement en température des lasers à blocage de modes passif à double sections à base de BQs ou de BatQs InAs/InP. / Semiconductor mode-locked lasers (MLLs) are at the centre of interest for a large range of photonic applications (WDM, OTDM, radio over fiber ...). Because of their outstanding performance coming from the 0D carrier confinement, the use of quantum dots (QDs) nanostructures as active material for MLLs has led to the generation of ultra-short and high frequency pulses with low noise. For the present thesis studies were carried out on InAs based QDs laser growth on InP (113)B in order to increase the number of stacked QDs layers while maintaining a high density of QDs to maximize modal gain. Work has also been focused on layers stacking and obtaining real QDs using misoriented (001) InP substrate. Structural qualities have been confirmed using AFM, polarized photoluminescence and broad laser characterization. A shallow ridge waveguide optimization technology has been realized on conventional (001) InP substrate. We have confirmed the improved injection efficiency of QDs due to lower lateral carrier diffusion. Mode-locking was obtained on single and two sections InAs based QDs lasers elaborated on (001) InP misoriented substrate and (113)B InP substrate, from 20 to 83 GHz. The RF linewidth at -3 dB is as low as 20 kHz indicating a ML regime with a low phase noise. Finally, we have studied the temperature effect on the QDs and QDashes InAs/InP multi-section MLLs.

Cette thèse présente la réalisation d'une source de photons uniques basée sur une boîte quantique InAs intégrée dans un fil photonique. Un fil photonique est un guide d'onde monomode constitué d'un matériau de fort indice de réfraction (GaAs dans notre cas). Pour un diamètre optimal voisin de 200 nm, pratiquement toute l'émission spontanée de l'émetteur (longueur d'onde dans le vide 950 nm) est dirigée vers le mode guidé fondamental. Le couplage des photons guidés à un objectif de microscope est ensuite optimisé en travaillant la géométrie des extrémités du fil. Ce dernier repose ainsi sur un miroir intégré et présente une extrémité supérieure en forme de taper. Cette approche non résonante combine de très bonnes performances à une grande tolérance sur la longueur d'onde de l'émetteur intégré. Cette thèse discute la physique des fils photoniques, la réalisation des structures en salle blanche et les résultats obtenus lors de la caractérisation optique. En particulier, nous avons réalisé une source combinant une efficacité record (0.72, état de l'art à 0.4) et une émission de photons uniques très pure. Nous discutons également le contrôle de la polarisation obtenu dans des fils de section elliptique. / This thesis presents the realization of an efficient single-photon source based on an InAs quantum dot integrated in a photonic nanowire. A photonic nanowire is a monomode waveguide made of a high refractive index material (GaAs in our case). For an optimal wire diameter around 200 nm, nearly all the spontaneous emission of the embedded single-photon emitter (free space wavelength 950 nm) is funnelled into the fundamental guided mode. In addition, the outcoupling efficiency of the guided photon to a microscope objective can be brought close to one with a proper engineering of the wire ends. The source thus features an integrated bottom mirror and a smooth tapering of the wire upper end. High performances are maintained over a broad wavelength range, a key asset of this 1D photonic structure. This thesis presents the physics which governs these structures, their realization, and their characterization. Under pulsed optical pumping, we demonstrate a single-photon source with a record efficiency of 0.72, combined with highly pure single-photon emission. We also discuss the possibility to obtain polarization control, using wire with an elliptical section.

Dans les systèmes quantiques unidimensionnels, le rôle des fluctuations et des interactions est plus important et les théories utilisées à plus haute dimension ne peuvent plus être employées. Le point de départ pour décrire la plupart des systèmes unidimensionnels est la théorie du liquide de Luttinger. Bien que cette théorie décrive de nombreux phénomènes avec succès, elle a aussi ses limites. Par exemple, elle ne peut décrire que la limite de basse énergie d'un system unidimensionnel, elle échoue aussi lorsqu'il s'agit de décrire la désintégration des excitations du système. Dans cette thèse, nous étudions principalement deux types de problème en une dimension. Le premier est l'interaction effective entre des impuretés dans un liquide de bosons tandis que le deuxième est la désintégrations des quasi-particules dans un mélange bosons-fermions. Dans les deux cas, décrire le système comme un liquide de Luttinger n'est pas suffisant. Afin de pallier à cela, nous développons plusieurs approches pour ces systèmes unidimensionnels qui prennent en compte les différentes anharmonicités nécessaires afin de capturer les mécanismes importants en jeu dans ces problèmes. / In one-dimensional quantum systems, the role of fluctuations and interactions is enhanced and theories used in higher- dimensional systems cannot be employed anymore to describe such strongly-correlated systems. The starting point to describe most one-dimensional systems is the Luttinger liquid theory. Even though this theory is successful to describe many phenomena, it has its shortcomings. For example, it can only treat the low-energy limit of one-dimensional systems and fails to describe the decay of excitations. In this thesis, we mainly study two kinds of problems in one dimension. The first one is the effective interaction between impurities in a Bose liquid whereas the second one is the decay of quasiparticles in a Bose-Fermi mixture. In both cases, the description of the system in terms of a Luttinger liquid is not sufficient. To overcome this, we develop different approaches for these one-dimensional systems to account for the various anharmonicities which are necessary to capture the relevant physics of these problems.

Les calculs théoriques prévoient que la dynamique d’excitation rotationnelle desmolécules CO et O2, induite par collision avec H2, est dominée par des résonancesquantiques aux très basses énergies. Leur mise en évidence expérimentale estrendue difficile par la nécessité d’obtenir des énergies de collision très faibles et unegrande résolution en énergie. Les expériences menées grâce à un montage defaisceaux moléculaires croisés à angle d’intersection variable, nous permettent ainsid’observer le seuil des transitions j = 0  1 de CO à 3,85 cm-1 et Nj = 10  11 de O2à 3,96 cm-1. Ces énergies correspondent à l’énergie cinétique moyenne d’un gaz àune température inférieure à 4 K. Les pics dans le tracé des sections efficacesintégrales en fonction de l’énergie de collision, constituent la première observationexpérimentale de résonances pour des processus inélastiques. Le bon accord avecles calculs théoriques permet de valider les potentiels d’interaction et ainsi dedéduire les constantes de vitesse pour la modélisation du milieu interstellaire. Nosrésultats expérimentaux mettent en relief la nature quantique des interactionsmoléculaires aux très basses énergies. / Theoretical calculations predict that the dynamics of rotational excitation of CO or O2molecules, induced by collisions with H2, are dominated by quantum scatteringresonances at very low energies. However, experimental observation of these effectsis challenging: very low collision energies and high energy resolution are bothrequired. Experiments performed with a crossed molecular beam apparatus withvariable intersection angle allow us to observe the thresholds of the CO (j = 0  1)transition at 3.85 cm-1 and the O2 (Nj = 10  11) transition at 3.96 cm-1, whichcorrespond to the average kinetic energy of a gas below 4 K. The peaks in theintegral cross section’s collision energy dependence constitute the first experimentalobservation of resonances in an inelastic process. The good agreement betweentheory and experiment reinforces the confidence in the interaction potentials used todeduce rate coefficients for modeling the interstellar medium in the 1-20 K range. Ourexperimental results highlight the quantum nature of molecular interactions at verylow energies.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques et de lasers compacts aux longueurs d'onde des télécommunications. Les émetteurs étudiés dans ce travail de thèse sont des boîtes quantiques InAsP/InP [001] obtenues par Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques (EPVOM). Il a été démontré, par l'intermédiaire de mesures spectrales et des mesures de durée de vie, que ces émetteurs présentent les caractéristiques nécessaires en vue des applications visées. Plus particulièrement, la mise en évidence expérimentale d'un dégroupement de photons, à partir d'une boîte unique, valide la possibilité de réaliser une source de photons uniques. En parallèle, des études sur les lasers à cristaux photoniques de faible volume modal et fort facteur de qualité, utilisant les mêmes boîtes quantiques à température ambiante, ont montré des propriétés originales, particulièrement sur la physique au niveau du seuil laser. La différence de comportement au niveau du seuil, par rapport aux lasers conventionnels, s'explique dans nos structures par le fort taux de couplage de l'émission spontanée dans le mode laser.