Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude. / This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured.

Halbleiter-Quantenpunkte sind Objekte in der Größenordnung von Nanometern, in denen wenige Ladungsträger in alle drei Raumrichtungen durch eine Potentialbarriere eingesperrt sind. Dies führt zu einer reduzierten Wechselwirkung mit dem Halbleiter-Gitter und zu einer diskreten Zustandsdichte. Die große Polarität der Bindung dazu, dass viele Wechselwirkungen direkt durch Spektroskopie der Photolumineszenz zu beobachten sind, was sie für die Grundlagenforschung attraktiv macht. Die ungleiche Anzahl von Elektronen und Löchern erlaubt die Untersuchung einzelner, ungepaarter Ladungsträger. Mit Hilfe der polarisationsaufgelösten Mikro-PL Spektroskopie werden Spinzustände einzelner QP reproduzierbar untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Über die Anregungsspektroskopie werden höherangeregte Zustände identifiziert und charakterisiert. Die hier auftretenden Austauschwechselwirkungen führen zur Mischung zu Feinstrukturen im Spektrum. Kopplungen im angeregten Lochzustand zeigen die Möglichkeit zur optischen Orientierung des residenten Elektrons auf. Die Spinkonfiguration der Elektronen im Triplettzustand erlaubt es, die Elektron-Loch Austauschwechselwirkungen des Trions zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit semimagnetischen QP. Hier sorgt die Wechselwirkung mit einer paramagnetischen Umgebung von Manganspins für neue magneto-optische Eigenschaften. Diese zeigen sich auf der Ebene einzelner QP in Form von Linienverbreiterungen durch Spinfluktuationen als auch durch den Riesen-Zeeman-Effekt am QP-Ensemble. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Einfluss der reduzierten Dimensionalität und der größeren Oberflächen der QP auf die Austauschmechanismen. Die starke Temperaturabhängigkeit der Spinumgebung wird ausgenutzt, um das Spinaufheizen als auch die Spin-Gitter-Relaxationsystematisch zu studieren. Dabei wird die PL der QP als Monitor benutzt. / Semiconductor quantum dots are objects on the nanometer scale, where charge carriers are confined in all three dimensions. This leads to a reduced interaction with the semiconductor lattice and to a discrete density of states. In the examined QD in II-VI seminconductor systems the large polar character of the bindings enables to observe particle interactions by spectroscopy of the photo-luminescence, making QD attractive for basic research. An odd number of carriers allows to study the latter in an unpaired state. By using polarization-resolved micro-PL spectroscopy, the spin-states of single, isolated QD can be studied reproducibly. Of special interest are exchange interactions in this few-particle system named trion. By excitation spectroscopy energetically higher states can be identified and characterized. The exchange interactions appearing here lead to state mixing and fine structure patterns in the spectra. Couplings in excited hole states show the way to the optical orientation of the resident electron spin. The spin configuration of the trion triplet state can be used to optically control the resident electron spin. Semimagnetic QD are focused in the second part of this work. The interaction with a paramagnetic environment of manganese spins leads to new magneto-optical properties of the QD. They reveal on a single dot level by line broadening due to spin fluctuations and by the giant Zeeman effect of the dot ensemble. Of special interest in this context is the influence of the reduced system dimension and the relatively larger surface of the system on the exchange mechanisms. The strong temperature dependence of the spin environment is used to systematically study the spin-lattice relaxation. Here, the PL of the QD ensemble monitors the spin temperature. The time constants in the mu range define the range for the incoherent switching of the Mn magnetization.

Les cancers ovariens se distinguent par leur faible incidence, associée à une mortalité élevée, et représente la cinquième cause de mortalité par cancer pour la population féminine. Cette mortalité est due principalement à l’absence de symptômes aux stades précoces des cancers ovariens, retardant leur diagnostic, majoritairement posé lorsqu’une carcinomatose péritonéale est installée. La cavité abdominale est alors envahie par de nombreuses métastases. Le traitement de référence est la chirurgie de cytoréduction complète et la chimiothérapie par voie intraveineuse. Lors de la chirurgie, le chirurgien doit inspecter la totalité de la surface de la cavité péritonéale, et éliminer des tumeurs de toutes tailles, mêmes submillimétriques. Faute de pouvoir détecter toutes les métastases, la cytoréduction est souvent partielle, avec pour conséquence une diminution des chances de guérison. Afin de guider le chirurgien et améliorer le pourcentage de cytoréduction complète, des sondes fluorescentes, conçues pour marquer spécifiquement les tumeurs, ont été développées. Malgré des résultats encourageants, ces sondes souffrent de nombreuses limitations en termes de brillance, de stabilité, et de modularité. Dans ce contexte, de nombreuses nanoparticules, capables de passer outre ces limitations, suscitent un grand intérêt. Parmi celles-ci, des nanocristaux semi-conducteurs, appelés quantum dots, se distinguent par une brillance exceptionnelle. Notre étude s’est basée sur ces quantum dots, associés à un agent de ciblage de référence pour les cancers ovariens, le folate. D’abord testées sur modèles cellulaires et tumoraux in vitro, ces nanoparticules ont démontré de bonnes capacités d’imagerie. Ces propriétés ont ensuite été expérimentées sur modèle murin de carcinomatose péritonéale. Enfin, la bioaccumulation des quantum dots restant un obstacle à leur application clinique, différentes alternatives ont été appliquées pour tenter d’obtenir leur excrétion / Ovarian cancers have a low incidence but a high mortality rate, making them the fifth cause of death by cancer for female population. This high mortality rate is associated with the absence of symptom at the early stage of ovarian cancer, often delaying the diagnosis to advanced stages, mainly peritoneal carcinomatosis. At this stage, metastases have already invaded the abdominal cavity. The reference treatment combines a complete cytoreduction surgery and intravenous chemotherapy. During the cytoreduction, the surgeon must inspect the whole peritoneal surface, and remove all of all sizes, even sub-millimetric. Because of the difficulty to detect and to remove every cancerous tissue, cytoreduction is frequently incomplete, thus reducing the recovery rate. To guide the surgeon and to increase the percentage of complete cytoreduction, fluorescent probes have been developed to target tumors specifically. Despite encouraging results, these probes suffer from many limitations such as low brightness, weak stability and cumbersome modularity. In this context, nanoparticles, that are able to outpass these limitations, have generated a growing interest. Among these nanoparticles, semiconductor nanocristals, called quantum dots, display an exceptional brightness. We investigated these quantum dots, associated with folate, a reference targeting agent for ovarian cancers. Firstly investigated on in vitro cellular and tumor model, folate targeted nanoparticles show encouraging imaging capabilities. These capabilites were also experimented on peritoneal carcinomatosis murine model. Finally, the main obstacle to quantum dot clinical application remains their bioaccumulation, therefore, different alternatives were explored to achieve excretion

O objetivo deste trabalho é examinar os efeitos causados pela interação elétron-fônon em pontos quânticos semicondutores polares. Primeiramente, nós apresentamos cálculos detalhados da taxa de espalhamento e do tempo de relaxação eletrônico em pontos quânticos simples (Single Quantum Dot - SQD) e em dois pontos quânticos acoplados (Coupled Quantum Dots - CQDs) devido à interação entre o elétron e os fônons longitudinais acústicos (LA) na presença e na ausência de campos externos, magnético ou elétrico. O regime de energia usado no cálculo do espalhamento eletrônico foi escolhido de forma que os fônons LA dominam o processo de espalhamento. Nós verificamos que na ausência de campo externo, a taxa de espalhamento do elétron por fônons LA entre dois níveis específicos é essencialmente determinada pela diferença de energia entre estes dois níveis. Observamos que um campo magnético modula fortemente a taxa de espalhamento. Verificamos que o processo de relaxação via multicanais desempenha um papel essencial no mecanismo de relaxação do elétron de estados excitados para o estado fundamental. Um campo magnético externo aumenta ainda mais a relaxação através de transições indiretas. Também fizemos um estudo teórico dos efeitos da interação elétron-fônons longitudinais ópticos (LO) em dois pontos quânticos acoplados compostos de InAs/AlInAs. Fizemos cálculos para o polaron ressonante num regime onde a energia de confinamento do elétron é comparável a energia do fônon L0 utilizando o formalismo da função de Green e teoria de perturbação considerando temperatura zero e finita. Observamos uma renormalização do estado fundamental obtida devido a absorção de fônons virtuais para uma temperatura T > O. Discutimos os efeitos do tunelamento entre os pontos quânticos e a sua influência nas propriedades eletrônicas e analisamos o espectro de absorção óptica neste sistema. Verificamos modificações nos orbitais eletrônicos como resultado direto do tunelamento assistido por fônons. Finalmente, avaliamos os efeitos da interação elétron-fônons L0 na densidade de estados do elétron confinado em pontos quânticos utilizando dois modelos distintos: Um modelo não-perturbativo e o formalismo da função de Green. Estudamos cada método separadamente e avaliamos a densidade de estados como função da temperatura e do confinamento lateral. Consideramos um sistema com apenas dois níveis eletrônicos de energia e comparamos os dois métodos avaliando as suas diferenças básicas. Utilizando o método não-perturbativo fizemos cálculos da densidade de estados para um regime de acoplamento forte entre o elétron e os fônons LO / The purpose of this work is to study effects of electron-phonons interactions in polar semiconductor quantum dots. Firstly, we present a detailed calculation on the electron-LA-phonon scattering rates and electron relaxation processes in single and coupled quantum dots in the absence and in the presence of external magnetic or electric fields. In the absence of external field, interplay among the effective confinement lengths in different directions as well as the phonon wavelength leads to a strong oscillation of the LA-phonon scattering rate between two levels. In other words, the scattering depends strongly on the geometry and confinement potential of the quantum dot. An external magnetic field also strongly modulates the scattering rate in severa1 orders of magnitude. The magnetic field induced effects are very similar in single quantum dot (SQD) and coupled quantum dots (CQDs) where the effective confinement strength in the x-direction affects strongly the scattering rate. However, we find that the multiple relaxation process plays an essential role for electron relaxing from the excited states to ground state both in single and coupled quantum dots. Including all possible relaxation channels, an external magnetic field enhances the relaxation through indirect transitions. Secondly, we present a theoretical study on the effects of electron-LO-phonon interaction in two coupled stacked InAs/InAIAs quantum dots. The contribution of resonant and nonresonant electron-LO-phonon coupling to the polaron states are obtained in the framework of t he Green function formalism and the perturbation approach at zero and finite temperatures. Ground state renormalization is found due to virtual phonon absorption at T > O. Tunneling effects between the dots have been addressed and their influente on the electronic properties and optical absorption are analyzed. Topological modifications of electronic orbitals are found as a result of phonon-assisted tunneling. Finally, we investigate the effects of electron-LO-phonon interaction on the electron density of states in quantum dots using two distinct models. A non-perturbative model and the Green function formalism. Within the non-perturbative model, we consider only two electronic levels in a quantum dot interacting to LO-phonons. An exact solution is obtained for the polaron states and spectral function. We evaluate the density of states in the regime at zero and finite temperature for severa1 values of the lateral confinement. We compare the density of states obtained within the two models. Furthermore, we study the polaron effects in strong electron-LO-phonon coupling regime based on the non-perturbative model

Neste trabalho, foi estudado a aplicação de novas heteroestruturas semicondutoras para detecção de radiação na região do infravermelho médio. Pontos quânticos de submonocamada, detectores de cascateamento quântico e pontos quânticos de InAlAs foram testados como opção para corrigir as deficiências em responsividade, corrente de escuro e temperatura de operação, comuns nas heteroestruturas convencionais baseadas em poços quânticos e pontos quânticos de InAs obtidos no regime de crescimento Stranski-Krastanov. Também foi projetado, fabricado e testado um circuito eletrônico de leitura de sinal misto para integração com matrizes de sensores e produção de imagens. Esse tipo de circuito possui uma série de vantagens em relação aos dispositivos convencionais que costumam ser completamente analógicos. / In this work, we studied the application of new types of semiconductor heterostructures for mid-infrared detection. Submonolayer quantum dots (SML-QDs), quantum-cascade detectors (QCDs) and InAlAs quantum dots were tested as an option to circumvent the common shortcomings of responsivity, dark current and operating temperature of the usual heterestructures based on quantum wells (QWs) and InAs Stranski-Krastanov quantum dots. We also designed, fabricated and tested a mixed-signal read-out circuit aiming the fabrication of focalplane arrays (FPAs) for applications to infrared imaging. This kind of architecture has several advantages over a fully analog design.

Esta tese é composta por duas partes. Na primeira parte, os efeitos da interação elétron-elétron nas configurações do estado fundamental de dois anéis quânticos acoplados (CQRs) são estudados. Os CQRs podem formar um novo tipo de molécula artificial, onde o raio dos anéis juntamente com a distância entre os anéis, são novos parâmetros ajustáveis que fornecem novos graus de liberdade para controlar a estrutura eletrônica destas moléculas. Através da bem estabelecida teoria do funcional densidade dependente de spin, as configurações ou fases do estado fundamental dos CQRs com alguns elétrons são determinadas. Uma rica variedade de fases para o estado fundamental destas novas moléculas artificiais é encontrada para sistemas contendo até N=13 elétrons. Para CQRs com N menor ou igual a 8 são obtidas qualitativamente configurações para o estado fundamental similares às dos pontos quânticos acoplados (CQDs). As novas configurações eletrônicas aparecem para N maior ou igual a 9. Na segunda parte desta tese é desenvolvido um método numérico para estudar o espalhamento eletrônico através de um ponto quântico com N-elétrons confinados. Considera-se que o ponto quântico está imerso num sistema bidimensional ou confinado em um canal unidimensional. As taxas de espalhamento são obtidas resolvendo iterativamente a equação de Lippmann-Schwinger incluindo a interação elétron-elétron entre o elétron incidente e os N-elétrons confinados dentro do QD. Para exemplificar, este método é aplicado para um elétron externamente injetado sobre um QD contendo um único elétron. As taxas de espalhamento elástico, inelástico e de spin-flip são obtidas. Os efeitos da interação de troca no espalhamento eletrônico e transporte através do QD são analisados.Também são considerados os processos do espalhamento multi-canal neste sistema e suas influências nas propriedades de transporte. / This thesis is composed of two parts. In the first part, we study the effects of electron-electron interactions on the ground state configurations of two vertically coupled quantum rings (CQRs). The CQRs can form a new type of artificial molecule (AM) where the ring radius together with the inter-ring distance are new tunable parameters providing new degrees of freedom to modulate and control the electronic structure of the artificial ring shaped molecules. In this work, we apply the well established spin-density functional theory to study the ground state configurations or phases of few-electron CQRs. A rich range of ground state phases of these new quantum ring AMs is uncovered for systems containing up to N = 13 electrons. For CQRs with N less or equal to 8 we found qualitatively similar ground state phases as for coupled quantum dots (CQDs). Novel phases appear for N greater or equal to 9. In the second part of this thesis, we develop a numerical method to study the electron scattering through an occupied quantum dot (QD) with a few electrons. The QD is considered embedded in a two-dimensional system or confined in a one-dimemsional channel. An external electron is injected and scattered through the QD. The scattering rates are obtained by solving iteratively the Lippmann-Schwinger equation including the electron-electron interactions between the incident electron and the N-electrons confined in the QD. As an example, we apply this model for an externally injected electron through a QD with one electron inside. The elastic, inelastic, and spin-flip scattering rates are obtained. The effects of electron exchange interaction on the electron scattering and transport through the QD are analyzed. We also show the multi-channel scattering processes in such systems and their influences on the electron transport properties.

La miniaturisation des composants, qui s’est engagée depuis l’avènement de l’électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd’hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l’espace, présente des propriétés remarquables, telles que l’augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d’énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c’est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d’une différence de température, s’intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d’énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l’équipe, et dont j’ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s’appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d’onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d’or de Fermi. L’étude approfondie du courant dans les SET permet d’extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l’importance de paramètres tels que la taille de l’îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d’électrons occupant la boîte. L’étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d’une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l’utilisation d’un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l’évolution des taux des transferts tunnel d’entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d’électrons supérieur 2, il est possible d’observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L’étude de l’influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel. / After a continuous reduction which has begun 50 years ago, the feature size of electronic devices has now reached the nanometer scale, opening the door to quantum phenomena. The final stage of this miniaturization, the quantum dot, in which the electrons are confined in all three directions of space, has remarkable properties, such as an increase of the bandgap between the conduction band and the valence band, and the discretization of energy levels. Another consequence of confinement, the strong electron-electron interaction occurring in the dot induces a significant charging energy which may prevent an electron entering the dot if an external energy is not provided to the system. This charge blocking is called Coulomb blockade. The single electron transistor (SET), the elementary device taking advantage of Coulomb blockade, is slated for some applications, such as the realization of digital functions or charge sensors. Among the areas concerned, the thermoelectricity, i.e., the possibility of creating an electrical current from a temperature gradient, is very interested in single-electron devices due to their discrete energy levels which lead to a very low thermal conductivity.This thesis presents the simulator SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) developed in the team and the part I have developed specifically for the simulation of SET. It is based on a 3D solver of Poisson and Schrödinger coupled equations, necessary for the determination of the wave functions in the case of silicon, and dependent on voltages applied to the electrodes. Tunnel transfer rates are then calculated by Fermi's golden rule. In-depth study of the current in the SETs gives access to diamond stability diagrams, and demonstrates the importance of parameters such as dot size, tunnel the barriers thicknesses, the temperature and the number of electrons occupying the dot. The study of the electron current and the heat flow in the presence of a temperature difference at the electrodes of an SET is also made to consider the suitability of the use of an SET as thermoelectric generator, but also as a standard for determining the Seebeck coefficient.Finally, a study of shot noise in double-tunnel junction (SET without the gate) is made, demonstrating the strong link between tunnel transfer rate and shot noise. In particular, according to the evolution of in- and out – tunnel transfer rates, for a number of electrons in the dot greater than 2, it is possible to observe a significant increase in noise, which becomes super-Poissonian. The study of the influence of geometrical parameters shows that the shot noise depends mainly on the difference of the tunnel barrier thicknesses.

Cette thèse porte sur l'étude de structures lasers à semi-conducteurs à base d'îlots et de bâtonnets quantiques, connues pour avoir quelques propriétés remarquables telles leur fort gain, leur effet non-linéaire renforcé, leur faible courant de seuil, leur haute température caractéristique ... Les caractérisations en termes de bruit d'intensité et d'injection optique de ces structures montrent un comportement atypique comparativement aux structures classiques (massives ou à base de puits quantiques). Nous avons pu ainsi comparer le bruit d'un laser DFB à bâtonnets quantiques avec celui d'un laser DFB massif ou à puits quantiques. Des études comparatives de bruit ont aussi été effectuées sur des lasers de type Fabry-Perot. Une modélisation du bruit a été confrontée aux résultats expérimentaux et montre l'importance de la prise en compte de la couche de mouillage. L'injection optique, contrairement aux propriétés d'un laser classique, présente un grand nombre de régimes dynamiques fortement non linéaires près du seuil laser (r~1,1) et peu de régimes à seuil modéré (r~3). Ces résultats nous indiquent finalement que le couplage des modes longitudinaux est à la fois fort et fortement amorti par l'interaction avec la couche de mouillage, ce qui nous donne des pistes très intéressantes pour la modélisation du blocage de modes observé dans ces structures. / This thesis focuses on laser diodes made of Quantum Dot/Quantum Dash (QD) structures. These devices have attracted considerable attention due to their remarkable properties, such as high gain, high non-linear effects, low laser-threshold, high thermal stability, etc. Our studies based on RIN (Relative Intensity Noise) and optical injection show unusual behaviour of QD lasers. We have compared the RIN of a QDash DFB laser with a ''classical'' (massif or quantum well) DFB laser as well as for Fabry-Perot type QDot/QDash lasers. Analytical simulations have been faced to experimental results and show the role of the wetting layer. Contrary to what is observed with ''classical lasers'', optical injection exhibits many regimes with strong non-linear dynamics when the laser is biased near the threshold, while there is only a very few regimes at moderate pump. All these results demonstrate a strong coupling with strong dumping between the longitudinal modes through the wetting layer, which is a very interesting point for the understanding of mode-locking in these QDot/QDash structures.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau. / Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time.

Nous avons étudié les propriétés dynamique d'un spin individuel dans une boite quantique de semiconducteur II-VI (spin d'un atome de Mn ou electron résident). Une boîte quantique comportant un atome de manganese présente six raies qui permettent de sonder optiquement l'état de spin du Manganese. Des expériences pompe-sonde réalisées sur boîte unique ont permit de montrer que le spin du Mn peut être orienté optiquement en quelques dizaines de ns, que le temps de vie $T_1$ de ce spin est supérieur à la $mu$s, et que le pompage optique en champ nul est controlé par une anisotropie magnétique induite par les contraintes. Par ailleurs, dans le but d'identifier les mechanismes du pompage optique, nous avons mis en évidence des processus de relaxation de spin au sein du système exciton-manganese, durant la durée de vie de ce dernier. Enfin, nous avons mis en evidence un effet Stark optique sur chacune des raies d'une boîte quantique magnétique. Concernant la dynamique d'un électron dans une boîte quantique II-VI, nous avons mis en évidence le pompage du spin de l'électron résident ainsi que des noyaux. / We have studied the dynamic properties of a single spin (Mn impurity or resident electron) in a II-VI semiconductor quantum dot. A quantum dot doped with a single Mn atom presents six lines which allow to probe optically the spin-state of the Mn atom. Pump-probe experiments at a single dot level were carried out to demonstrate that the Mn spin could be oriented in a few tens of ns, and that the spin-distribution prepared by such means was perfectly conserved over a few $mu$s. The optical pumping of the Mn spin at zero magnetic field is controlled by a strain-induced magnetic anisotropy. Furthermore, seeking for a microscopic mechanism controlling the optical pumping of the Mn atom, we have evidenced spin relaxation channels within the exciton-Mn complex. At last, we have evidenced an optical Stark effect on any of the lines of a Mn-doped quantum dot. Concerning the dynamics of an electron in a II-VI quantum dot, we have evidenced optical pumping of the resident electron, and dynamic nuclear spin polarization.