In this dissertation, we study the most important microscopic aspects that grant molecules such as Single Molecule Magnets (SMMs) their preferential spin direction. We do so by proposing and solving a model that includes correlations between electrons occupying atomic orbitals. In addition, we study the relation between the non-equilibrium electronic transport signatures in a SMM model weakly coupled to a three-terminal single electron transistor device, and the interference features of the SMM model in the presence of a magnetic field. Finally, we investigate the equilibrium transport features in a giant-spin model of a SMM in the Kondo regime. We study how the magnetic field modulation of the energy in a highly anisotropic molecule can affect the conductance of the molecule in the Kondo regime.

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Nous exploitons les progrès récent dans le domaine de la fonctionnalisation du silicium. Des couches moléculaires greffées (GOM) sur du Si non oxydé ont été fabriquées par hydrosilylation pour ensuite être caractérisées par XPS et FTIR. Sa terminaison amine permet le greffage de nanoparticles d'or colloïdes (AuNP). Celles-ci ont été déposées et des mesures ont été prises avec un STM sous UHV: une double jonction tunnel est formée (1 : GOM ; 2 : vide entre la pointe et l'AuNP). Ce type de structure est connu pour permettre l'observation de transport à un électron grâce au phénomène de blocage de Coulomb. Des preuves de son observation et de sa reproductibilité ont été obtenues à 30K. Nos résultats expérimentaux sont comparés à des résultats obtenus grâce à un simulateur récemment développé et modifié pour correspondre à notre système. Nous voulons développer une technologie alternative pour la fabrication de transistors à un électron compatible avec la technologie Si actuelle. Des boîtes quantiques (NQDs) sont aussi déposées sur la GOM. Des transferts radiatifs et non radiatifs d'énergie ont récemment été observés entre NQDs et Si sur surfaces planes à l'aide de mesure en photoluminescence (PL). Nous augmentons la PL en greffant la GOM sur des nano-piliers de Si et en déposant des couches successives de NQDs pour former des multicouches. Nous proposons aussi des preuves expérimentales du transfert d'énergie dirigé entre NQDs jusqu'au substrat avec des bicouches de NQDs avec gradient de taille. Combiner tout ces résultats peut donner lieu à la fabrication de prototypes de cellules photovoltaïques efficaces pouvant rivaliser avec les technologies actuelles. / We take advantage of the progresses made in the topic of silicon functionalization. Grafted organic monolayer (GOM) on oxide-free Si have been fabricated using hydrosilylation and characterized using FTIR and XPS. The obtained amine terminated GOM has been used to graft Colloidal gold nanoparticles (AuNP). They have been deposited and single electron transport measurements have been performed using STM under UHV: A double barrier tunneling junction (1: GOM; 2: vacuum between the scanning tip and the AuNP). This structure is known to exhibit single electron transport through Coulomb staircase phenomenon. Evidence for its occurrence and for its reproducibility was obtained at 30K. Experimental and simulated data were compared. The latter were acquired using a recently developed theoretical model that has been modified to model our system more accurately. Our goal is to develop an alternative technology to build single electron transistors that are compatible with current Si-based technology. Nanoquantum dots (NQDs) were also deposited on the GOM. Energy transfers through radiative and non-radiative mechanism between NQDs and substrate were observed on plane surface in recent work using photoluminescence (PL) spectroscopy. We show evidence of optimization of the PL count using GOM on silicon nanopillars and with successive grafting of NQDs to form multilayers. We also show evidence of directed energy transfer from NQDs to the silicon substrate using bilayers of NQDs with a size gradient. All these achievements can be combined for the fabrication of NQDs solar cells prototypes with an enhanced efficiency that could compete with existing technologies.

Cette thèse décrit une série de travaux réalisés dans le contexte des qubits de spins, allant de l'utilisation de ces qubits pour stocker de l'information à leur utilisation comme détecteurs ultra-sensibles. Nous utilisons des hétérostructures semi-conductrices d'arséniure de gallium dans lesquelles un électron unique peut être isolé au sein d'un piège électrostatique, une boîte quantique. Le spin de cet électron peut être utilisé pour encoder de l'information, et la boîte quantique contenant ce spin unique est alors vue comme un qubit (quantum bit). Au cours de cette thèse nous démontrons la réalisation expérimentale du transport d'un électron unique le long d'un circuit fermé au sein d'un système composé de quatre boîtes quantiques couplées. En considérant l'interaction spin-orbite, cette expérience ouvre la voie vers des manipulations cohérentes de spins utilisant des effets topologiques. Dans le contexte de l'ordinateur quantique et des qubits de spins, nous étudions les portes logiques à deux qubits. Dans le cadre de deux boîtes quantiques couplées par une barrière tunnel, nous démontrons qu'en contrôlant localement le champ magnétique, la porte logique à deux qubits évoluent de la porte SWAP à la porte C-phase. Nous démontrons ainsi la faisabilité d'une porte C-phase. Finalement nous montrons l'utilisation d'un qubit de spin comme un détecteur de charge ultrasensible. Un singlet-triplet qubit est un système quantique qui peut être réglé de manière à être extrêmement sensible à l'environnement électrostatique. Nous démontrons la faisabilité d'un tel détecteur, et nous montrons qu'il peut être utilisé pour détecter un électron unique. / In this thesis we described a series of experimental works, which have been realized in the context of spin qubits, going from their use as information carriers to their use as very sensitive detectors. We use AlGaAs semiconducting heterostructures in which a single electron can be isolated in an electrostatic trap, the so-called quantum dot. The electron spin can be used in order to encode information, and the quantum dot containing this electron can therefore be seen as a qubit (quantum bit). During this thesis we demonstrate the first experimental realization of a single electron transport along a closed path inside a system composed of four coupled quantum dots. By considering spin-orbit interaction, this experiment opens the way toward coherent topological spin manipulations. In the context of quantum computing and spin qubits, we study the two-qubit gates. By considering two tunnel coupled quantum dots, we demonstrate by controlling the local Zeeman splitting that the natural two-qubit gate for spin qubits evolves from the SWAP gate to the C-phase gate. This work demonstrates the feasibility of the C-phase gate. Finally we use spin qubits as very sensitive detectors. A singlet-triplet qubit is a quantum system which can be tuned in order to be very sensistive to the electrostatic environment. Here we report the use of such a qubit to detect a single electron transported next to the detector.