Les amplificateurs paramétriques Josephson (JPA) se sont révélés être un outil indispensablepour l’étude expérimentale de dispositifs quantiques dans le régime micro-onde ; car ilsrajoutent uniquement le minimum de bruit imposé par la mécanique quantique[1]. Cependant,ces amplificateurs sont beaucoup plus difficiles à utiliser et optimiser que leurs homologuesclassiques. Récemment, plusieurs expériences réalisées avec des circuits supraconducteurs,composés d’une jonction Josephson polarisée en tension en série avec un résonateur microonde,ont montré qu’une paire de Cooper peut traverser la barrière de la jonction par effettunnel en émettant un ou plusieurs photons avec une énergie totale de 2e fois la tensionappliquée. Dans cette thèse, nous montrerons qu’un tel circuit permet de mettre en place unamplificateur micro-onde préservant la phase que nous appelons « Amplificateur basé sur letunneling inélastique de paires de Cooper » (ICTA). Il est alimenté par une tension continueet peut fonctionner avec un bruit très proche de la limite quantique.Nous commencerons en présentant le principe du fonctionnement de l’ICTA. Par analogieavec la théorie quantique des JPAs[2], nous avons étudié les performances de cet amplificateurcomme le gain, la bande passante et le bruit. Ensuite, nous présenterons la premièrepreuve expérimentale d’une amplification proche de la limite quantique sans utilisation d’unepompe micro-onde externe, mais simplement d’une tension continue dans une configurationextrêmement simple. Ces mesures ont été faites sur des échantillons avec des jonctionsen aluminium, dénommés ICTA de première génération. Selon nos résultats théoriques etexpérimentaux, nous avons conçu des circuits hyperfréquences où l’impédance présentéeà la jonction dépend de fréquences spécifiques afin d’optimiser les performances de notreamplificateur. Ces échantillons, dénommés ICTA de seconde génération, ont été fabriquésavec du nitrure de niobium. Une amélioration significative du gain et du bruit a été prouvée.Un tel amplificateur, alimenté par une simple tension continue, pourrait rendre la mesurede signaux micro-ondes au niveau du photon unique beaucoup plus faciles et permettred’intégrer plusieurs amplificateurs sur une seule puce. Il pourrait donc être un élémentimportant pour la lecture de qubit dans les processeurs quantiques à grande échelle. / Josephson parametric amplifiers (JPA), have proven to be an indispensable tool for awide range of experiments on quantum devices in the microwave frequency regime, becausethey provide the lowest possible noise. However, JPAs remain much more difficult to use andoptimize than conventional microwave amplifiers. Recent experiments with superconductingcircuits consisting of a DC voltage-biased Josephson junction in series with a resonator,showed that a tunneling Cooper pair can emit one or several photons with a total energyof 2e times the applied voltage. In this thesis we show that such q circuit can be used toimplement a new type of phase preserving microwave amplifier, which we call InelasticCooper pair Tunneling Amplifier (ICTA). It is powered by a simple DC bias and offers nearquantum-limited noise performance.We start this work by presenting a brief and simple picture of the basic ICTA operatingprinciples. In analogy with the quantum theory of JPAs, we calculate the performances ofthis amplifier such as the gain, bandwidth and noise. Then, we present the first experimentalproof that amplification close to the quantum limit is possible without microwave drive inan extremely simple setup. These measurements are made on a first generation of samplesbased on aluminium junctions. According to our theoretical and experimental results, wehave designed microwave circuits presenting specific frequency-dependent impedances tothe junction in order to optimize the performances of our amplifier. This second generationof ICTA samples is fabricated from niobium nitride and provide significantly lower noiseand higher gain.We expect that once fully optimized, such an amplifier, powered by simple DC voltagescould then make measuring microwave signals at the single photon level much easier andallow to deploy many amplifiers on a chip. It could therefore be an important ingredient forqubit readout in large-scale quantum processors.

Les atomes neutres sont des candidats prometteurs pour la réalisation et l’étude d’états intriqués à quelques dizaines de particules. Pour générer de tels états, une approche consiste à utiliser le mécanisme de blocage dipolaire résultant des fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg.Suivant cette approche, cette thèse présente la conception et la caractérisation d’un dispositif expérimental permettant de manipuler des atomes de 87Rb individuels piégés dans des pinces op- tiques microscopiques, et à les exciter vers des états de Rydberg. Un environnement électrostatique stable et des électrodes de contrôle permettent une manipulation fine de ces états. Avec deux pinces optiques séparées de quelques microns, nous démontrons le blocage de Rydberg entre deux atomes, et nous observons leur excitation collective.Enfin, en opérant en régime de blocage partiel, nous développons une méthode permettant de mesurer l’interaction de van der Waals ∆E = C6 /R6 entre deux atomes séparés par une distance R contrôlée. Les coefficients C6 obtenus pour différents états de Rydberg sont en bon accord avec des calculs théoriques ab initio, et nous observons l’augmentation spectaculaire de l’interaction en fonction du nombre quantique principal n de l’état de Rydberg. / Neutral atoms are promising candidates for the realization of entangled states involving up to a few tens of particles. To generate such states, one approach consists in using the dipole blockade mechanism, which results from the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms.Following this approach, this thesis describes the design and the characterization of an experimental apparatus allowing to manipulate single 87Rb atoms trapped in microscopic optical tweezers, and to excite them towards Rydberg states. A stable electrostatic environment and controlled electrodes enable the fine manipulation of these states. Using two optical tweezers separated by a few microns, we demonstrate the Rydberg blockade between two single atoms, and we observe their collective excitation.Finally, by operating in the partial blockade regime, we develop a method allowing to measure the van der Waals interaction ∆E = C6 /R6 between two atoms separated by a controlled distance R. The C6 coefficients obtained for various Rydberg states agree well with ab initio theoretical calculations, and we observe the dramatic increase of the interaction with the principal quantum number n of the Rydberg state.

Cette thèse est basée sur l'étude des propriétés d'un laser fibré à blocage de modes actif opérant à un taux de répétition supérieur à 10 Gb/s. Par laser fibré nous entendons que la fibre optique fait partie intégrante de la cavité optique de notre laser. Elle joue le rôle de milieu de propagation du signal optique reliant chaque composant de la cavité laser. Ce laser comporte aussi un amplificateur optique à semiconducteurs (SOA) comme milieu amplificateur, dont le gain est modulé par un signal optique externe. L'objectif de ces travaux consiste à proposer une méthode élégante, simple et bas coût, de génération tout-optique d'impulsions "propres" dédiées à la télécommunication optique. Par impulsions "propres", nous entendons une impulsion se rapprochant au mieux d'une forme mathématique reconnue intéressante à la propagation dans une fibre comme la fonction soliton ou la gaussienne limitées par la diffraction. L'hypothèse qu'une forte dispersion négative de la cavité laser, produite par l'insertion d'une fibre à dispersion négative, pouvant largement contribuer à améliorer les propriétés de fonctionnement du laser et des impulsions générées, a constitué la motivation majeure à l'élaboration de ce projet de thèse. Cette étude propose une approche à la fois théorique et expérimentale.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.

Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.<br />Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.<br />Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.<br />La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

Les nanostructures semiconductrices isolées possèdent la propriété de confiner les charges sur des temps longs. La rétention de charges dépend de plusieurs paramètres tels que la taille de la nanostructure, la densité et la qualité de l'interface avec le diélectrique. Nous avons exploré ces propriétés à l'aide d'un AFM à l'air par microscopie à force électrostatique (EFM). L'EFM permet d'injecter des charges localement puis de sonder avec une sensibilité de quelques dizaine d'électrons seulement les comportements individuel aussi bien que collectif des nanostructures. Nous avons caractérisé l'interaction pointe-surface non-linéaire pour un couplage électrostatique, puis avons étudié le comportement de nanostructures de Si ou Ge déposées sur du SiO2. Nous avons mis en évidence d'une part la saturation du nuage de charge dans un nappe de nanocristaux, et d'autre part la propagation inhomogène de la charge à l'échelle de l'heure dans une nappe de nanocristaux plus dense.

Cette thèse traite des interactions à très longue portée entre atomes de Rydberg froids.<br />Elle présente les résultats de la première réalisation du blocage dipolaire, qui se traduit par<br />une limitation de l'excitation d'un ensemble d'atomes vers un état de Rydberg en raison du<br />déplacement des niveaux d'énergie lié aux interactions dipôle-dipôle entre atomes. L'importance<br />de l'implication du blocage dipolaire a été soulignée pour l'information quantique avec<br />la possible réalisation de portes quantiques conditionnelles à deux qubits. La mise en évidence<br />du blocage dipolaire est présentée dans le cadre de deux configurations expérimentales différentes<br />: en présence d'un champ électrique et à résonance de Förster. Parvenir à la maîtrise du<br />blocage dipolaire de l'excitation vers des états de Rydberg a demandé un contrôle important<br />des conditions expérimentales : compensation des champs parasites, contrôle des sources d'ionisation<br />d'atomes, contrôle de l'intensité laser d'excitation pour se placer en-dessous du seuil<br />de saturation par puissance. Des études complémentaires ont été réalisées, telle que celle des<br />forces dipolaires entre atomes de Rydberg responsables d'un phénomène d'ionisation Penning,<br />aussi à l'origine de la formation d'un plasma ultra-froid. Une autre étude concerne le processus<br />du transfert d'excitation à résonance de Förster, dont les propriétés de cohérence ont été<br />analysés par une technique spectroscopique originale dite de "creusement spectral".

Les applications d’électronique de spin telles les mémoires à accès aléatoire (MRAM), les capteurs (e.g.les têtes de lecture des disques durs d’ordinateurs) et les éléments de logique magnétique utilisent les interactionsd’échange ferromagnétique/antiferromagnétique (F/AF) dans le but de définir une direction de référence pour lespin des électrons de conduction. Les MRAM à écriture assistée thermiquement (TA-MRAM) utilisent mêmedeux bicouches F/AF : une pour le stockage de l’information et l’autre comme référence. Ces dernièresapplications technologiques impliquent des étapes de nanofabrication des couches minces continues pour formerune matrice de cellules mémoires individuelles. La qualification industrielle du produit final impose de sérieusescontraintes sur la largeur des distributions des propriétés magnétiques - y compris d’échange F/AF - de cellulemémoire à cellule mémoire. Des phases verres de spin réparties de manière aléatoire sur la couche continue, àl’interface F/AF ou dans le coeur de l’AF pourraient contribuer de manière significative à ces distributionsd’échange F/AF dans les dispositifs, après nanofabrication ; comme supposé il y a de cela quelques années. Lebut de cette thèse est d’étudier factuellement le possible lien entre verre de spin répartis dans des couches mincesF/AF et dispersions de propriétés d’échange de cellule mémoire à cellule mémoire dans les dispositifs TAMRAMcorrespondants. Avant cela, l’origine de ces régions verre de spin a été étudiée et une attention plusparticulière a été portée au rôle joué par les diffusions de Mn. Ces dernières ont été directement observées,comprises et l’utilisation de barrières complexes pour les réduire et par là même pour diminuer la quantité dephases verre de spin a été mise en oeuvre avec succès. En guise d’alternative pour varier la quantité de verres despin, l’utilisation d’AFs composites a été également étudiée dans le cadre de cette thèse. Ce type d’AF permet dumême coup de varier la stabilité thermique des grains AF et de répondre à un autre problème identifié pour lesTA-MRAM qui consiste à trouver des matériaux AF avec des propriétés de rétention et d’écriture intermédiairespar rapport aux matériaux actuellement utilisés. Finalement, ces AFs composites ont été utilisés comme moyende varier la quantité de verres de spin dans des dispositifs TA-MRAM réels et de prouver le lien direct avec ladispersion de propriétés de cellule mémoire à cellule mémoire. / Spintronics applications such as magnetic random access memories (MRAM), sensors (e.g.. hard diskdrive read head) and logic devices use ferromagnetic/antiferromagnetic (F/AF) exchange bias (EB) interactionsto set the reference direction required for the spin of conduction electrons. Thermally-assisted (TA-) MRAMapplications even use two F/AF exchange biased bilayers: one for reference and one for storage. Suchtechnological applications involve patterning full sheet wafers into matrix of individual bit-cells. Industrialproducts qualification imposes stringent requirements on the distributions of the magnetic properties from cell tocell, including those related to EB. It was supposed few years ago that randomly spread spin-glass like phases atthe F/AF interface or within the bulk of the AF layer significantly contribute to the distributions of EB propertiesin devices after processing. This thesis aimed at factually studying the link between spin-glasses spread overF/AF thin films and bit-cell dispersions of EB in corresponding TA-MRAM. Prior to that the origin of the spinglasslike regions and more specifically the role of Mn-diffusion was consolidated. Mn-diffusion was directlyobserved, understood and the use of complex barriers to reduce such diffusion and consequently to minimize theamount of spin-glass was successfully studied. Mixing AFs as another way to tune the amount of spin-glass likephases was also evidenced in the framework of this thesis. All at once, this last solution also tuned the AF grainsthermal stability and this solved another issue related to TA-MRAM, i.e. finding AF-materials with intermediateretention and write properties compared to the AFs presently used. Finally, those mixed antiferromagnets werethe mean chosen to tune the amount of spin-glass like phases in real TA-MRAM devices and to factually provetheir link with bit-cell distributions of EB properties.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l'optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

Cette thèse développe une théorie effective de liquide de Fermi pour décrire la dynamique électronique dans un circuit RC quantique dans des régimes de forte interaction. Ce dispositif est composé d'une boîte quantique connectée à un réservoir d'électrons par un point de contact quantique. La boîte quantique est aussi couplée capacitivement à une grille métallique. Ce dispositif n'admet pas de courant continu, mais seulement un courant alternatif. Son comportement est analogue à celui d'un circuit RC classique et ne respecte pas les lois de Kirchhoff si le transport est cohérent. La résistance de relaxation de charge est universellement fixée à R_q = h/2e^2 , sans dépendre de l'ouverture du point de contact quantique, différement de ce qui est observé en transport direct. Nous étudions des régimes de blocage de Coulomb, provoqués par les fortes interactions électroniques. Nous démontrons que la dynamique électronique est sans interactions de façon effective à basse énergie. Nous prouvons la validité d'une formule de Korringa-Shiba généralisée, prédisant l'universalité de R_q même en présence de fortes interactions. Nous étudions aussi les comportements non universels de R q causés par la présence d'un champ magnétique. Une attention particulière est dédiée à la physique Kondo. Nous démontrons l'existence d'un pic géant pour R q , correspondant à la destruction du singulet Kondo. Notre approche est étendue à des dispositifs de symétrie SU(4), respectée par des boîtes quantiques avec dégénérescence orbitale. En appliquant les méthodes analytiques ici dévéloppées, nous dérivons l'expression exacte de la température Kondo dans le cas avec symétrie SU(4).