Dans cet ouvrage nous étudions les phases du gaz d'électrons bidimensionnel dans la tricouche de graphène en empilement ABC . En partant du modèle des liaisons fortes et en faisant l'approximation du continuum autour des vallées K + , K- , nous obtenons un modèle effectif à deux bandes qui permet de décrire la physique de basse énergie des électrons en champ magnétique dans cette structure. Ce modèle contient trois orbitales dégénérées dans le niveau de Landau N = O. Ce dernier est donc 12N [straight phi] , fois dégénérés en incluant les degrés de liberté de spin et de vallée. En ajoutant l'interaction de Coulomb au système et en considérant seulement les remplissages v = -5, -4, -4, 5 afin d'avoir un système à trois niveaux, nous étudions le diagramme de phase du gaz d'électrons en fonction d'un biais électrique entre les couches externes. Nous trouvons une phase d'onde de densité de charge bidimensionnelle ( ODC2D ) comme état fondamental du système. Cette ODC2D se nomme cristal dans ce mémoire et nous dérivons ses propriétés de transports et ses modes collectifs. Nous discutons également du caractère topologique de ce cristal. Notre étude englobe aussi les phases liquides avec ou sans cohérence orbitale. Nous concluons notre mémoire par l'étude de quelques signatures expérimentales des phases du gaz d'électrons dans la tricouche. [symboles non conformes]

Dans ce document, on étudie les propriétés électroniques d'un système composé de deux couches de graphène séparées par un diélectrique en présence d'un fort champ magnétique perpendiculaire. L'épaisseur du diélectrique est choisie de façon à pouvoir négliger le transfert de charges par effet tunnel. Ce type de système est étudié par quelques groupes de recherche dans le principal but de prédire et comprendre la formation de condensat de Bose-Einstein d'excitons dont les composants sont des fermions relativistes sans masse [1] [2] [3]. Nous nous intéressons à l'effet de l'interaction électron-électron sur les états fondamentaux de ce système et à leurs excitations collectives à facteur de remplissage entier. Plus précisément, nous étudions les diagrammes de phase de cette bicouche de graphène sans terme tunnel dans le niveau de Landau n = 0 pour les facteurs de remplissage ? = 1 et ? = 2 dans la limite où la température tend vers zéro. Lors de cette étude, nous appuyons les prédictions faites par Allan H. MacDonald et Yogesh N. Joglekar à propos de la formation d'un condensat de Bose-Einstein d'excitons pour différentes zones des diagrammes de phase. Nous étudions aussi la relation de dispersion des excitations collectives soutenues par les états fondamentaux et leur effet sur le système. Finalement, nous nous intéressons à la conductivité du système. Nous démontrons alors les règles de sélection pour l'absorption inter-niveaux de Landaux et nous étudions l'effet des modes collectifs sur l'absorption intra-niveau de Landau. Ce dernier phénomène ressort directement de la forme particulière du réseau atomique du graphène et nous proposons dans ce document une toute première étude de ce concept.

Ce travail porte sur l'étude du transport électronique dans le graphène, en particulier à fort champs magnétiques, en régime d'Effet Hall Quantique. Il a pu être mis en évidence les mécanismes de transport électronique à énergie finie dans ce régime, les lois d'universalité de l'effet Hall quantique observées dans les gaz bidimensionnels d'électrons ont été retrouvées. Nous avons aussi pu observer pour la première fois la transition entre un régime de transport avec interactions et un sans interaction électronique grâce aux effets d'écrantage de la grille permettant de doper le graphène. Cette transition permet de confirmer une loi de saut à pas variable donnée par Efros-Shklovskii comme mécanisme de transport dominant dans l'effet Hall quantique.

Nous avons étudié la création, manipulation et détection d’accumulation de spin hors-équilibre dans l’hétérostructure d’oxydes non-magnétique LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO), hôte d’un système d’électron quasi-bidimensionnel (q2DES). Combiné à des expériences d’injection de spin, nous employons l’effet Hanle (à 3 terminaux) pour sonder l’amplitude de l’accumulation de spin dans des jonctions tunnel Co/LAO/STO. Nous observons une large amplification du signal de spin, attribuée à des processus d’effet tunnel séquentiel préservant le spin via des états localisés avec des longs temps de vie de spin. Une importante modulation du signal de spin par effets de champ électrique atteste de la création d’accumulation de spin au sein même du q2DES. Nous avons utilisé la technique de pompage de spin en cavité, induite par résonance ferromagnétique d’une couche de permalloy, pour générer un courant de spin à l’interface LAO/STO, lequel est converti en un large courant de charge au sein du q2DES. Nous l’attribuons à un effet Edelstein inverse, dérivant d’une interaction spin-orbite de type Rashba. Lesquels sont efficacement modulés par effets de champ. Ainsi, nos résultats permettent d’étendre le champ d’intérêt depuis le transport de charge planaire vers l’exploration de phénomènes dépendant du spin dans un canal conducteur prototypique d’oxydes non-magnétique. Nous avons par ailleurs démontré que l’épaisseur critique pour l’observation d’un q2DES à l’interface LAO/STO peut être réduite à une monocouche de LAO en recourant à une variété de couches métalliques. Cela ouvre un nouveau champ d’investigation pour tenter d’identifier les potentiels mécanismes à l’origine de la formation du q2DES. / We investigated the generation, manipulation, and detection of non-equilibrium spin accumulation in the nonmagnetic LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) oxide heterostructure, which is the host of a quasi-two-dimensional electron system (q2DES). In electrical tunneling spin injection experiments, we made use of the (three-terminal) Hanle effect to probe the magnitude of spin accumulation at Co/LAO/STO interfaces. We report on large amplification effects of the spin signal, ascribed to spin-conserving sequential tunneling processes via localized electronic states of enhanced spin lifetimes. A substantial modulation of the spin signal, by electrostatic field-effect, evidences the successful generation of spin accumulation inside the q2DES. We further resorted to ferromagnetic resonance experiments in a cavity to adiabatically pump a spin current from a permalloy layer toward the LAO/STO interface. We find that the generated spin current is converted into a sizeable planar charge current within the q2DES. This is attributed to an inverse Edelstein effect deriving from a Rashba-like spin-orbit interaction, both of which are efficiently modulated by electrostatic field-effect. Hence, our findings expand the general field of interest from planar charge transport to the exploration of spin-dependent phenomena in a prototypical nonmagnetic conducting oxide channel. Additionally, we have also demonstrated that the critical thickness threshold for the onset of a q2DES at LAO/STO interfaces can be reduced to a single unit cell of LAO when resorting to various metal capping layers. It opens up a new field of investigation to tentatively identify the potential mechanisms driving the formation of the q2DES.

La mise en évidence d'une conductivité métallique à l'interface entre deux oxydes isolants, le SrTiO3 et le LaAlO3, a ouvert un champ nouveau pour l'électronique tout oxyde (A. Ohtomo & H. Y. Hwang, Nature 427, 2004). Au-delà du fort potentiel applicatif de cette découverte, par exemple pour l'électronique de faible puissance, de nombreuses questions restent posées sur les propriétés de ces interfaces et les différents moyens de les contrôler. L'apparition de la conductivité à l'interface LaAlO3 / SrTiO3 est attribuée à la survenue d'une reconstruction électronique au-dessus d'une épaisseur critique de 4 cellules unités (u.c.) de LaAlO3, visant à compenser la discontinuité de charge à cette interface entre matériaux polaire (LaAlO3) et non polaire (SrTiO3). En plus de cet effet, qui requiert une interface d'excellente qualité, divers paramètres sont susceptibles d'affecter les propriétés de cette interface et un effort de recherche très important porte sur le contrôle et l'amélioration de ces propriétés par des moyens tels que le changement de la nature du substrat, l'application d'un champ de contraintes ou l'introduction de légères modifications chimiques dans la couche ou à l'interface. Ce travail de thèse participe à cet effort en explorant les propriétés de transport et la structure fine des interfaces LaAlO3 / SrTiO3 dopées avec des atomes de métaux de transition. Il est centré sur la fabrication et l'étude d'interfaces LaAlO3 / SrTiO3 dopées avec des atomes d'iridium ou de cobalt. La croissance de nanostructures de haute qualité, typiquement LaAlO3 (5 u.c.) / SrTiO3 dopé (1 u.c.) / SrTiO3 (substrat), a été effectuée dans un bâti de dépôt laser pulsé (PLD) équipé d'un RHEED in situ. L'effet des dopants Ir ou Co sur les propriétés de transport et sur la structure électronique et atomique de l'interface LaAlO3 / SrTiO3 a été analysé en fonction du niveau de dopage grâce à une combinaison de différentes méthodes expérimentales et de calculs DFT. En particulier, des investigations par des techniques avancées comme la diffraction de photoélectrons sur synchrotron (XPD) et la microscopie électronique de résolution atomique en mode STEM-HAADF ont été mises en œuvre pour sonder la structure locale à l'interface et quantifier le niveau de déformation dans la couche LaAlO3. La structure électronique a été étudiée par spectroscopie de perte d'énergie électronique dans un STEM. Les résultats montrent qu'il est possible d'induire des changements dans les propriétés des interfaces LaAlO3 / SrTiO3 en dopant la surface de SrTiO3 avec un dopant et une concentration appropriés. En particulier, les effets du niveau de dopage sur la déformation élastique et les distorsions locales dans les couches LaAlO3 et ses conséquences sur les propriétés mesurées sont décrits. / The demonstration in 2004 of a metallic conductivity at the interface between two insulating oxides, SrTiO3 and LaAlO3, opened a new field for all-oxide electronics (A. Ohtomo & H. Y. Hwang, Nature 427, 2004). Beyond the important applicative potential of this discovery for multifunctional and low power electronics, many questions remain about the properties of such interfaces and the different ways to control them. The occurrence of a conductive behaviour of the LaAlO3 / SrTiO3 interface is attributed to the advent of an electronic reconstruction above a critical thickness of 4 unit cells (u.c.) of LaAlO3, in order to compensate the charge discontinuity at the interface between a polar (LaAlO3) and a non-polar (SrTiO3) materials. In addition to this effect, which implies an interface of excellent quality, various parameters are likely to affect the properties of this interface, and a major research effort aims to control and improve these properties by ways such as the change in the nature of the substrate, the application of a stress field or the introduction of slight chemical modifications in the layer or at the interface. This thesis participates to this effort by exploring the transport and structural behaviour of LaAlO3 / SrTiO3 interfaces doped with transition metal atoms. It focuses on the fabrication and study of LaAlO3 / SrTiO3 interfaces doped with iridium or cobalt atoms. High quality nanostructures, typically LaAlO3 (5 u.c.) / doped-SrTiO3 (1 u.c.) / SrTiO3 (substrate), were grown by pulsed laser deposition (PLD) equipped with in-situ RHEED. The effect of Ir or Co dopants on both the transport properties and the electronic and atomic structure of the LaAlO3 / SrTiO3 interface was analysed as a function of the doping level thanks to a combination of different experimental methods and DFT calculations. In particular, advanced investigations by hard X-ray photoelectron diffraction on a synchrotron facility and by atomically resolved high angle annular dark field- scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) were implemented to probe the local structure at the interface and quantify the level of strain in the LaAlO3. The electronic structure was investigated by electron energy loss spectroscopy in a STEM. Our results show that it is possible to induce changes in the properties of the LaAlO3 / SrTiO3 interfaces by doping the SrTiO3 surface with suitable dopant and concentration. In particular, effects of the doping level on the elastic deformation and the local distortions in the LaAlO3 layers and its consequences on the measured properties are described.

Les polaritons inter-sous-bandes sont des excitations issues du couplage fort entre la transition inter-sous-bande d'un puits quantique et un mode photonique d'une cavité micrométrique. Dans la limite de faible densité d'excitations, c'est-à-dire quand seule une infime fraction de la mer de Fermi est excitée, ces excitations sont bien décrites par un Hamiltonien effectif bosonique et quadratique. Cependant, quand le nombre d'excitations augmente, on s'attend à observer des écarts par rapport aux prédictions issues de cet Hamiltonien. Dans cette thèse nous adaptons la méthode des commutateurs pour bosons composites aux polaritons inter-sous-bandes afin étudier les effets conjoints de l'interaction de Coulomb et du principe d'exclusion de Pauli sur leur comportement à plus haute densité. Suivant une approche microscopique, nous calculons la valeur de l'interaction à deux corps entre polaritons et nous expliquons comment elle peut être encodée dans un Hamiltonien effectif bosonique et quartique. Finalement, en utilisant des paramètres réalistes, nous montrons que l'interaction entre polaritons inter-sous-bandes peut-être importante, et ce, particulièrement dans le THz. Ce résultat ouvre la voie à de futurs travaux en optique non linéaire à base de polaritons inter-sous-bandes. Les principaux résultats de ce travail sont publiés dans la référence [1].

Le modèle du jellium est l'un des modèles fondamentaux de la matière condensée.Il est constitué d'un ensemble d'électrons et d'un fond uniforme qui assure la neutralité globale.À température nulle et sans champ extérieur, la densité électronique est le seul paramètre du système.Malgré la simplicité de ce modèle, l'état fondamental du jellium en fonction de la densité reste un problème ouvert.Nous avons étudié le modèle du jellium à 2 et 3 dimensions dans l'approximation de Hartree-Fock par une méthode numérique de descente.En utilisant des états périodiques, le nombre d’inconnues est grandement réduit et le nombre d’électrons peut atteindre le million.À type de réseau et polarisation fixés, nous montrons que le système forme un cristal de Wigner à basse densité puis, au dessus d'une densité de transition, occupe des états «métalliques» caractérisés par une structure cristalline avec une maille plus petite que celle du cristal de Wigner.Les états métalliques interpolent entre le cristal de Wigner et le gaz de Fermi, ce dernier n'étant retrouvé qu'à densité infinie.Ce comportement se retrouve à deux et trois dimensions, pour un gaz polarisé et non polarisé, et pour les différents type de réseaux considérés dans nos travaux.Le diagramme de phase à deux ou trois dimensions est alors très riche et comprend à basse densité diverses phases «cristal de Wigner» avec des symétries et polarisations différentes.À haute densité, les états métalliques non-polarisées déstabilisent le cristal de Wigner et le gaz de Fermi. Ces états métalliques s’interprètent comme une superposition d’ondes de densité de spin, prédite par Overhauser en 1962. / The jellium model is a fundamental model in condensed matter. It is formed by a set of electrons and a uniform background insuring global neutrality. At zero temperature and without external field, the ground-state depends only on the electronic density. Despite its simplicity, the jellium ground-state is still an open problem. We studied the jellium model in 2 and 3 dimensions within the Hartree-Fock approximation using a numerical descent method. Assuming periodic states, we greatly reduce the number of unknowns and the system may contain up to one million of electrons. At fixed lattice symmetry and polarization, the ground-state is a Wigner crystal at low density, and a «metallic state» above a critical density value. These metallic states are crystals with a lattice constant smaller than in Wigner phase, and interpolate between the latter and the Fermi gas. The metallic states exists in two and three dimensions, for a polarized and unpolarized gas, and for various lattice symmetries. Therefore, the jellium phase diagram at zero temperature is rich : it contains several Wigner crystal phases at low density, polarized and unpolarized, and an unpolarized metallic state at high density. These states are well described by a superposition of spin-density waves, as predicted by Overhauser in 1962.

De nombreuses propriétés étonnantes ont été récemment découvertes à l’interface de deux perovskites isolantes l’une polaire l’autre non polaire. La discontinuité de charge à l’interface LaAlO3/SrTiO3 engendre un gas d’électron quasi-bidimensionnel qui confère un caractère métallique à cette interface. Les mécanismes locaux et la quantification des propriétés ne font pas consensus car l’interdépendance de facteurs structuraux, chimiques et électroniques complexifie la résolution du problème posé. Une catastrophe polaire, des distorsions structurales, des lacunes d’oxygène, une interdiffusion cationique et une non stœchiométrie du film ont été séparément avancées pour expliquer cette conduction. Dans le cadre d’un programme international, nous avons reçu des héterointerfaces conductrices et isolantes élaborées par ablation laser pulsé (PLD). L’origine des porteurs de charge a été recherchée par une approche globale liant procédé, structure et propriétés électriques (mesurées dans le consortium). Nous avons systématiquement analysé les interfaces en combinant imagerie à haute résolution (STEM-HAADF) et spectroscopies électroniques (EELS) et ioniques (MEIS). Une non planéité des couches atomiques, une interdiffusion cationique et un transfert d’électrons permettent de réduire la divergence de potentiel, la catastrophe polaire n’a donc pas lieu. La formation de défauts donneurs à la surface du film devient favorable au-delà d’une épaisseur critique. Les électrons sont transférés à l’interface dans la bande de conduction du STO. Nous avons mis en évidence un mécanisme de compensation concurrentiel de la charge interfaciale par des lacunes de strontium chargées négativement, qui mettent le substrat en compression plane et s’opposent au confinement 2D électrons. La variation des paramètres procédés, tels que la durée du dépôt, la pression partielle en oxygène, la température et la stœchiométrie de la plume déplace l’équilibre des différents mécanismes mis en évidence. Ce travail démontre la relation complexe liant procédé, propriétés électriques et distribution des défauts autour de ces interfaces singulières. / Novel behavior at the interface between two insulating polar/non polar perovskites has been recently discovered. The polarization discontinuity at LaAlO3/SrTiO3 drives the formation of quasi two dimensional electron gas. Both the local mechanism and quantification of such behavior remain unclear due to interplay of structural, chemical and electronic factors. Several mechanisms have been proposed, such as the polar catastrophe, structural distortions, oxygen vacancies, cationic intermixing at the interface and film non-stoichiometry. In the frame of an international project conductive and insulating heterostrucutres have been synthetized by Pulsed-Laser Deposition. In this thesis, we have developed a comprehensive approach to investigate the origin of the charge carriers. The interfaces have been systematically analyzed by combining high resolution imaging (STEM-HAADF) to atomic resolved electron (EELS) and ion (MEIS) spectroscopies. The observed and quantified parameters have been related to the electrical properties of the interfaces measured in the consortium. Buckling of the atomic layers, intermixing and electron transfer reduce the polar divergence. This rules out the polar catastrophe scenario. The formation of donor defects at the film surface is favored above a critical film thickness. Electrons are transferred to interface in the STO conduction band. A competing compensation mechanism of the positive interfacial charge by negatively charged strontium vacancies has been demonstrated that generates an in plane compression of the STO, unfavorable for a strict 2D confinement of the charges. Varying the process parameters such as growth duration, oxygen partial pressure, temperature, and plume stoichiometry shift the equilibrium of the different mechanisms highlighted. This thesis emphasizes the complex relations between the process and the properties through the defects distribution around these singular interfaces.

Ce travail est consacré à l'étude des processus d'échange de charge et de perte d'énergie d'ions lourds très chargés ralentis, canalisés dans des cristaux minces de silicium. Les deux premiers chapitres présente le principe de la canalisation des ions lourds dans un cristal, l'ensemble des processus d'interaction ion-électrons et le principe de nos simulations d'échanges de charge et de trajectoires en conditions de canalisation.<br />Les chapitres suivants décrivent deux expériences réalisées à l'accélérateur de GSI de Darmstadt dont les principaux résultats sont les suivants : la probabilité par atome cible de capture mécanique (MEC) des ions U91+ de 20 MeV/u en fonction du paramètre d'impact (à l'aide de nos simulations), l'observation de la forte polarisation du gaz d'électrons cible par l'intermédiaire de la capture radiative (REC) et le ralentissement d'ions Pb81+ de 13 à 8,5 MeV/u en conditions de canalisation, pour lesquelles la capture électronique est fortement réduite.

Au cours de cette thèse on étude deux des plus populaires systèmes de nano-échelle, nano fil et points quantiques (quantum dots), dans le cadre d'une approximation basé sur des premiers principes. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons utilisé et développé des théories plus sophistiquées qui nous ont permis d'avoir un meilleur aperçu de la façon dont les systèmes se comportent. Un aspect commun qui limite ces deux types de systèmes (nano fil et points quantiques) est la souplesse de contrôler les propriétés électroniques et optiques. Cette accordabilité des propriétés électroniques et optiques les dote d'un grand intérêt technologique, et elle est la raison de sa popularité / In this thesis we studied two of the most popular nano-scale systems, nano-wires and quantum dots, via a first-principles approach. In order to achieve this objective we have used and developed state-of-the-art theories that allowed us to have a greater insight into the the way this systems behave. One common aspect that bounds this two class of systems (nano-wires and quantum dots) is the flexibility to control their electronic and optical properties. This tunability of their electronic and optical properties, endows them of great technological interest, and is the reason behind their popularity