On considère un analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM), dans lequel deux électrons uniques propagent selon des états de bords chiraux opposés et rentrent en collision au niveau d'un point contact quantique. En étudiant le bruit de courant, on montre qu'en raison des interactions entre les canaux co-propageant, le degré d'indistinctibilité entre deux paquets d'ondes électroniques est dramatiquement réduit, ce qui résulte en un contraste réduit pour le signal HOM. Ce phénomène de décohérence dépend fortement de la résolution en énergie des paquets. Étant donné que les interactions provoquent la fractionalisation de la charge, on montre que le mode de charge et le mode neutre interfèrent l'un avec l'autre, ce qui crée des creux ou des pics satellites dans le bruit de courant. Nos calculs expliquent de récents résultats expérimentaux qui révèlent un signal électronique HOM avec un contraste réduit. / We consider an electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer, where two single electrons travel along opposite chiral edge states and collide at a Quantum Point Contact. Studying the current noise, we show that because of interactions between co-propagating edge states, the degree of indistinguishability between the two electron wavepackets is dramatically reduced, leading to reduced contrast for the HOM signal. This decoherence phenomenon strongly depends on the energy resolution of the packets. Insofar as interactions cause charge fractionalization, we show that charge and neutral modes interfere with each other, leading to satellite dips or peaks in the current noise. Our calculations explain recent experimental results where an electronic HOM signal with reduced contrast was observed.

Contrôler la lumière avec de la lumière au niveau du photon unique est un objectif fondamental dans le domaine de l'information quantique, ou de l'ordinateur optique à très basse puissance. Un émetteur quantique constitué d'un unique système à deux niveaux est un milieu très non-linéaire, pour lequel l'interaction avec un photon peut modifier la transmission d'un photon suivant. Dans ce scenario, le défi pour obtenir une telle non-linéarité géante est d'optimiser l'interaction lumière matière. Une solution à ce défi est d’insérer l'émetteur quantique dans une structure photonique. Ce système est appelé « atome uni-dimensionnel » : la collection de la lumière, tout comme la probabilité d'absorber un photon se propageant dans la structure est maximum.Dans ce travail, nous avons utilisé ce type de système pour réaliser une non-linéarité géante à deux modes, dans laquelle la réflexion d'un des modes est contrôlée par un autre mode au niveau du photon unique. Le système est constitué d'une boite quantique semi-conductrice InAs/GaAs, qui peut être considéré comme un atome artificiel, insérée dans un fil photonique en GaAs opérant comme un guide d'onde. Le fil photonique définit un mode spatial unique autour de l'émetteur et offre une interaction lumière-matière avec une efficacité quasi-idéale. De plus, ce fil photonique présente cette propriété sur une large bande spectrale. Grâce à ces deux propriétés, nous avons démontré expérimentalement une non-linéarité géante à un mode et à deux modes à un niveau de quelques dizaines de photons par durée de vie de l'émetteur. Cela permet de réaliser un interrupteur tout optique intégré, à très faible seuil. / Controlling light by light at the single photon level is a fundamental quest in the field of quantum computing, quantum information science and classical ultra-low power optical computing. A quantum light emitter made of a single two-level system is a highly non-linear medium, where the interaction of one photon with the medium can modify the transmission of another incoming photon. In this scenario, the most challenging issue to obtain a giant optical non-linearity is to optimize photon-emitter interaction. This issue can be overcome by inserting the quantum emitter inside a photonic structure. This system is known as “one-dimensional atom”: the light collection efficiency as well as the probability for an emitter to absorb a photon fed into the structure is maximum. In this study, we aim at using such kind of system to experimentally realize a two-mode giant non-linearity, in which the reflection of one light mode is controlled by another light mode at the single-photon level. The system consists of a semiconductor InAs/GaAs quantum dot, which can be considered as an artificial atom, embedded inside a GaAs photonic wire, which is an optical waveguide. The photonic wire defines a single spatial mode around the emitter and offers a close to unity light-emitter interaction efficiency. In addition, the photonic wire also possesses a spectrally broadband operation range. Thanks to these two excellent features of the system, we experimentally demonstrate in this thesis a single-mode and a two-mode giant non-linearity obtained at the level of just a few tens of photons per emitter lifetime. This realizes an integrated ultra-low power all-optical switch.

Nous étudions, par spectroscopie optique à l'échelle de la boîte quantique unique InAs/GaAs,la décohérence de l'exciton neutre dans une boîte, sa structure fine et la relaxation de sonspin.Nous montrons que la cohérence est limitée intrinsèquement par un couplage non-perturbatifaux phonons acoustiques, et extrinsèquement par l'existence d'un environnementélectrostatique fluctuant autour des boîtes.Nous observons que la structure fine dépend de la densité locale de boîtes, qui affecte leurgéométrie et leur état de contrainte, et mettons à jour des boîtes originales émettant une lumière très polarisée.Nous étudions la relaxation du spin excitonique en mesurant le taux de polarisation del'émission. Sur un ensemble de boîtes, nous observons un temps de relaxation d'une dizainede ns à 10 K et montrons que la dynamique de cette relaxation est sensible à l'environnementdes boîtes. Sur boîte unique, nous montrons que le spin peut relaxer très rapidement (en 100ps), même à 10 K.

Nous avons développé un microscope versatile combinant microscopie de force (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température. Ce microscope permet d'étudier la densité locale d'états électroniques (LDOS) sur des nanocircuits supraconducteurs polarisables en courant.<br />La sonde du microscope est basée sur un diapason en quartz qui permet une détection entièrement électrique des interactions pointe-surface en mode AFM et qui hors résonance propose la rigidité nécessaire à la stabilité de la jonction tunnel en mode STM. Le diapason est bien adapté à un environnement cryogénique, dissipant une énergie inférieure à 1 nW. Notre microscope atteint en mode AFM la résolution atomique selon l'axe vertical et autorise en mode STM des jonctions tunnels de consigne Rtunnel < 10 MOhms<br />Nous avons développé un procédé de nanofabrication pour mettre au point des fils supraconducteurs de niobium (Nb) ayant pour section 10 x 300 nm2. Ce procédé permet d'obtenir une surface de Nb avec une rugosité subnanométrique.<br />Nous décrivons également la fabrication des pointes que nous collons sur les diapasons pour en faire des sondes.<br />Les LDOS mesurées à T=100 mK sur les fils de Nb sont comparées à la théorie BCS prenant en compte une énergie relative au processus inélastique, appelée paramètre de Dynes. Nos mesures sont en très bon accord avec ce modèle, en prenant en compte une température électronique effective supérieure à la température du cryostat. Enfin nous mesurons la LDOS sur un fil de Nb polarisé en courant qui démontrent la faisabilité des mesures de supraconductivité hors-équilibre par STM.

L'électronique de spins est basée sur le principe que l'électron possède une charge mais aussi un spin. Cette nouvelle électronique est née de de la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) par A. Fert et P. Grunberg en 1988 qui furent récompensés par le prix Nobel de physique en 2007. Ceci a révolutionné le domaine des capteurs de champ magnétiques ainsi que le stockage at le traitement de données. Les mécanismes de base de la GMR et la Magnéto Résistance Tunnel (TMR) repose sur la polarisation de spin, qui correspond à l'orientation préférentielle dans une direction du spin des électrons de conduction. Par conséquent, l'obtention de matériaux présentant à la fois une forte polarisation en spins et un faible coefficient d'amortissement dynamique fait aujourd'hui l'objet d'une recherche très importante. Dans ce domaine, l'alliage d'Heusler Co2MnSi est très prometteur car il est prévu qu'il soit demi-métallique (polarisation en spins de 100%), avec un coefficient d'amortissement en-dessous de 10-3, soit environ un ordre de grandeur plus faible que les matériaux ferromagnétiques habituellement utilisés en microélectronique. De plus sa température de Curie autour de 800 K lui assure une bonne stabilité thermique pour les applications à température ambiante. Dans ce travail, nous avons étudié les corrélations entre les propriétés structurales et magnétiques de cet alliage Pour atteindre notre objectif, nous avons mesuré l'évolution des paramètres magnétiques statiques et dynamiques du Co2MnSi en fonction du désordre atomique induit par irradiation aux ions He+ at 150 KeV. Pour cela, nous avons combiné plusieurs techniques expérimentales. Les échantillons sont d'abord fabriqués par pulvérisation cathodique sur des substrats MgO. Ils sont ensuite irradiés avec des ions He+ à 150 KeV Les propriétés structurales des échantillons ont été étudiées par diffraction de rayons X en conditions normales et résonante, par microscopie électronique à transmission (TEM), notamment en mode d'imagerie HAADF-STEM. Cette partie de notre étude a été réalisée en collaboration avec les laboratoires LAAS-CNRS à Toulouse et INA-ARAID à l'Université de Saragosse (Espagne). Les propriétés magnétiques statiques ont été mesurées par Effet Kerr Magneto optique (MOKE), et magnétométrie (PPMS) au laboratoire de LPCNO à Toulouse. Les propriétés dynamiques quant à elles ont été mesurées à l'aide d'un banc de mesure de résonance ferromagnétique large bande développé au CEMES pendant cette thèse. Les résultats obtenus ont montré le lien entre la déformation tétragonal de la cellule élémentaire et l'apparition d'un axe d'anisotropie uni axial dans le matériau. De plus, nous avons montré que les propriétés magnétiques et dynamiques étaient peu affectées dans la phase cristalline B2. En revanche, l'effet de l'irradiation ionique sur la phase cristalline L21 est d'augmenter le désordre de type Co/Mn qui s'accompagne d'une forte diminution de l'aimantation de de la constante d'échange ainsi que d'une augmentation de l'anisotropie cubique et du coefficient de relaxation dynamique. / Spintronic, which involve electron's in addition to its charge, has emerged from the discovery of Giant Magnetoresistance (GMR) by A. Fert and P. Grunberg in 1988, rewarded by a Nobel Prize in 2007. It has revolutionized the field of sensor devices. The basic mechanism of GMR and also of the Tunneling Magneto Resistance (TMR) relies on the spin polarization. Therefore there is today an intense research to find materials with both high spin polarization and low damping coefficient for the development of new generation of spintronic devices. In this field, one promising route concerns the Co2MnSi (CMS) Heusler alloy which is predicted to be half metals (i.e.100% spin polarization), with a weak Gilbert damping coefficient below 10-3, about one order of magnitude below the usual ferromagnetic material used in microelectronics. Its high Curie temperature up to 800° K also provides stability for devices working at room temperature. In this work, we study the correlations between the structural and magnetic properties of the Co2MnSi. To achieve our goal, we measure the evolution of the static and dynamic magnetic parameters of the Co2MnSi alloy in which atomic disorder is induced by He+ ion irradiation at 150 KeV. The samples are grown by magnetron sputtering on MgO substrates and then irradiated with light He+ ions. In order to correlate the structural and magnetic modifications of the alloy we combined several experimental techniques. CMS structure was investigated by X-ray diffraction and Transmission Electron Microscopy (TEM), in particular HAADF-STEM imaging mode. The evolution of the static and dynamic magnetic properties of the samples has been measured by means of Magneto Optic Kerr Effect (MOKE), Physical Properties Measurements System (PPMS) at the LPCNO laboratory in Toulouse and Ferromagnetic Resonance (FMR). The FMR set-up has been developed at the CEMES during this PhD. The main results of this work consists of correlation between the tetragonal deformations of the crystalline structure followed by the appearance of uniaxial anisotropy in the material upon irradiation. Furthermore, we demonstrate that the magnetic parameters of the B2 order are slightly affected by irradiation. But for the L21 phase, static and dynamic magnetic properties are drastically affected by irradiation, by the decrease in magnetization saturation, and exchange constant due to the Mn/Co disorder type and an increase of the cubic anisotropy and dynamic relaxation.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / The epitaxial growth condition and the superconducting properties of nanostructured devices made of rhenium (superconducting below T=1.7 K) on sapphire were explored. Epitaxial growth of rhenium thin films onto a single crystal α-Al2O3(001) substrate was realised using molecular beam epitaxy. The cleanness of the substrate was verified using XPS, and the growth of rhenium was monitored using RHEED. The orientations of the two crystals are (0001)Al2O3//(0001)Re and <2110>Al2O3//<0110>Re, which was confirmed using X-ray diffraction. The in-plane misfit between the lattices is -0.43% at room temperature, which allows us to estimate the critical thickness of rhenium to be between 10 nm and 15 nm.For deposition, rhenium was heated using an electron beam. Substrates were heated during growth using either a Joule-heated W filament located behind the sample or electron bombardment. Generally deposition temperatures of 800◦C and 900◦C gave reproducible results.The effect of deposition temperature was studied on samples that had the same thickness but were deposited at different temperatures. Three thickness groups were selected: 25 nm, 50 nm and 100 nm. Every sample was dominated by the (001) epitaxial orientation. Orientations (110), (100), (101) were present, but their intensities were small and decreased with increasing deposition temperature. AFM imaging was used to observe the morphology of the films. The 25 nm thick films were decorated with grains. The diameter of the grains (∼ 50 nm) did not vary significantly on the 25 nm thick sample, however, they became more uniform with increasing deposition temperature, and the surface became smoother. On the 50 nm and 100 nm thick films spirals and holes can be observed. Diameter of spirals on the 50 nm thick film increased from 100 nm to 500 nm when the temperature of the deposition was increased from 800◦C to 900◦C. XRD rocking curves measured on all samples got narrower with increasing deposition temperatures, indicating lower mosaicity of the (001) crystals. High-resolution θ-2θ scans evidenced a disorder in the 50 nm thick film, corresponding to strain values in the range of 0.01. Deposition temperature of 1000◦C lead to the dewetting of a 50 nm thick sample, islands with atomically flat surfaces were formed.The frequently observed spirals are most likely the result of screw dislocations. The origin of the holes that accompany the spirals is a dewetting process that starts when the thickness of the film reaches ~10 nm. We quantified the temperature evolution of the film during growth taking into account emission, reflection and transmission between all surfaces. This thermal model confirmed that the temperature of the film increases as the thickness of the rhenium film grows. The dewetting was studied using Mullins’ theory of thermal grooving. A surface diffusion coefficient of 4E−12 cm2/s was obtained, which is consistent with the observed dimensions of the surface topography.Wires with widths ranging from 100 nm to 3 μm and SQUIDs were fabricated from the rhenium films. Transport measurements confirmed that the lithography process does not affect the superconducting properties of rhenium. Critical temperatures between 1.43 K and 1.96 K were measured. We could correlate the superconducting transition temperature with the topography and the crystallinity of the films. Mean free path of electrons, and the superconducting coherence length were obtained, for two of the films both mean free path and effective coherence length were over 100 nm. These two films were in the clean limit, but the fabricated wires were in the dirty limit.On one film SQUIDs of 1 um diameter with 50 nm and 20 nm wide nanobridges acting as Josephson junctions were fabricated. The SQUIDs were cooled down using a dilution refrigerator. Critical current oscillations were measured. The flux noise values obtained were as low as 2.6E−5 Φ0/Hz1/2.

L’effet Hall quantique (EHQ) apparaissant dans des gaz bidimentionnels d’électrons places à basse température et sous fort champ magnétique a révolutionné la métrologie des résistances depuis sa découverte en 1980 par Klaus von Klitzing. Cet effet apporte une représentation de l’ohm uniquement basé sur la constante de Planck et la charge de l’électron. En 2004, le graphène, un arrangement purement bi-dimensionnel d’atomes de carbone en nid d’abeille, dans lequel les porteurs de charge se comportent comme des fermions de Dirac, a permis de mettre à jour une nouvel effet Hall quantique. Du point de vue de la métrologie des résistances l’EHQ dans le graphène est très prometteur car plus robuste que celui apparaissant dans les hétérostructures semi-conductrices. Ceci pourrait mener à la création d’un étalon de résistance plus pratique, fonctionnant à plus haute température et plus faible champ magnétique ce qui serait un avantage notable pour une dissémination accrue d’un étalon de résistance précis vers les acteurs industriels. Dans ce manuscrit une étude complète de l’impact des défauts linéaires, omniprésent dans le graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur métal, dans le régime d’effet Hall quantique est menée. Nous avons montré que ces défauts linéaires mènent à des processus de dissipation non-conventionnels qui viennent altérer la quantification de la résistance de Hall. Cette étude pointe vers l’utilisation de monocristaux pour les prochaines investigations du graphène CVD pour une application en métrologie des résistances. La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à l’étude du graphène crû par dépôt chimique en phase vapeur sur carbure de silicium. Nous avons comparé précisément la résistance de Hall d’un échantillon de graphène entre 10 et 19 T à la température de 1.4 K avec celle donnée par un étalon de résistance en GaAs/AlGaAs avec une incertitude relative de ( -2 ± 4 ) × 10⁻¹⁰. Pour la première fois un étalon de résistance en graphène a pu fonctionner dans les mêmes conditions de température et de champs magnétique que celui fabriqué en GaAs/AlGaAs et de plus sur un intervalle de champ magnétique plus de dix fois plus grand. Nous avons également étudié les processus de dissipation apparaissant dans cet échantillon de graphène. Cette étude montre que la longueur de localisation des porteurs de charge sature à une valeur proche de l’extension de la fonction d’onde et ce sur une grande plage de champs magnétique, ce qui soulève des questions intéressantes concernant le désordre présent dans ce type de graphène. Finalement dans un second échantillon provenant de la même technique de fabrication nous avons comparé précisément la résistance de Hall de l’échantillon de graphène avec celle d’un étalon de résistance en GaAs/AlGaAs. Il apparait que la résistance de Hall dans l’échantillon de graphène est quantifié avec une précision métrologique pour des champs magnétiques allant jusqu’à 3.5 T, des températures atteignant 9 K et reste dans un état non dissipatif jusqu’à des courants de 500 µA. Ceci ouvre une voie directe à la réalisation d’étalons quantiques de résistance réalisés en graphène. / The quantum Hall effect (QHE) observed in two dimensional electron gas placed at low temperature and under a strong perpendicular magnetic field, has revolutionized the resistance metrology since its discovery in 1980 by Klaus von Klitzing. It provides a representation of the ohm based on the Planck constant and the electron charge only. In 2004, graphene, a purely two dimensional arrangement of carbon atoms in an honeycomb lattice, where the charge carriers behave as Dirac fermions, has revealed a new flavor of the QHE. From the metrological point of view the QHE in graphene is very promising since it is much more robust than the effect appearing in conventional semiconductors and it could lead to a more convenient resistance standard operating at higher temperature and lower magnetic induction which is an advantage for a broader dissemination of a precise standard towards industrial end-users. In this manuscript, a complete study about the impact in the QHE regime of line defects such as wrinkles or grain boundaries, ubiquitous in graphene grown by chemical vapor deposition on metal is treated. We show that these line defects lead to a non conventional dissipation mechanism that jeopardize the quantum Hall effect accuracy pointing to the use of wrinkle-free monocrystals for further metrological studies. The second part of my manuscript is focused on monolayer graphene grown by chemical vapor deposition on silicon carbide. We precisely compared the Hall resistance of the graphene sample from 10 T to 19 T at the temperature of 1.4 K with a GaAs/AlGaAs resistance standard with a relative uncertainty of ( -2 ± 4 ) × 10⁻¹⁰. For the first time a graphene-based standard was able to operate in the same temperature and magnetic field conditions as semiconductor-based one, furthermore, on a magnetic range more than ten times larger. We thus made a careful study of the dissipation mechanisms taking place in this sample and measured precisely the magnitude of the localization length in the QHE regime that saturate interestingly at the extension of the charge carrier wavefunction itself, opening interesting questions about the close link between Hall quantization and localization physics in graphene grown on SiC. Finally in a second sample grown using the same technique we precisely compared the Hall resistance of the graphene sample and a GaAs/AlGaAs resistance standard that turned out to be in agreement at the metrological level for magnetic fields as low as 3.5 T current as high as 500 µA and temperature as high 9 K. This paves the way for the realization of easy to use quantum Hall resistance standards made out of graphene.

Cette thèse a pour sujet la diffusion spectrale dans les boîtes quantiques. Engendrée par les fluctuations de l'environnement électrostatique, elle affecte les spectres d'émission de ces boîtes. Notre étude s'appuie sur l'analyse de l'évolution en température et en puissance de pompage des spectres de photoluminescence, obtenus par spectrométrie par transformée de Fourier. Nous constatons que la diffusion spectrale est généralement dans un régime de rétrécissement par le mouvement et peut sortir de ce régime pour une augmentation de température ou de puissance. Par cette étude, nous sondons les mécanismes à l'origine des fluctuations de l'environnement électrostatique. Ceci nous permet de proposer un modèle microscopique pour les sources de la diffusion spectrale. A l'aide de cette modélisation, nous avons pu imaginer un protocole de contrôle et d'amplification du rétrécissement par le mouvement en utilisant un champ électrique. Cette méthode est alors validée par nos résultats.

Un domaine de la matière condensée en fort développement depuis plusieurs années est celui des nanomatériaux. L'intérêt d'étudier les matériaux à l'échelle nanométrique réside dans le fait que de nombreux phénomènes physico-chimiques ont une grandeur caractéristique de l'ordre du nanomètre (ou de dizaines de nanomètres). Ainsi en est-il, entre autres, de la longueur d'onde de la lumière visible (~400-800 nm), de l'extension des fonctions d'onde d'états électroniques délocalisés. Par conséquent, réduire la taille de matériaux jusqu'à quelques nanomètres ou quelques centaines de nanomètres permet de modifier et de contrôler de nombreuses propriétés. Les phases nanostructurées peuvent se comporter alors différemment à la fois de la phase massive et de la phase moléculaire.<br />Le terme nanomatériaux recouvre une grande diversité de phénomènes, et de matériaux. Il est impossible de citer exhaustivement tous les domaines concernés, depuis les particules à propriétés catalytiques jusqu'aux nanotubes de carbones, en passant par les particules luminescentes, l'électronique de spin ou encore les nanocomposites. <br />L'engouement pour les nanomatériaux s'explique aussi comme conséquence naturelle de la miniaturisation continue des dispositifs de certaines industries (microélectronique notamment). De manière complémentaire, l'élaboration de molécules toujours plus grosses et complexes aboutit à des particules nanométriques, de sorte que la matière à l'échelle du nanomètre peut être abordée aussi bien comme une réduction d'échelle de systèmes micrométriques ou comme une augmentation d'échelle de systèmes moléculaires . La première approche est plus immédiatement exploitable. Cependant, la seconde approche, fidèle au rêve du scientifique démiurge, créant de nouveaux matériaux par une organisation contrôlée des briques élémentaires nanométriques parfaitement définies, semble à long terme, plus prometteuse. <br /><br />Au cours de mon parcours en recherche, depuis le début de ma thèse en novembre 1996, j'ai eu l'opportunité de m'investir dans plusieurs domaines des nanomatériaux, selon l'une ou l'autre de ces deux approches. De formation ingénieur généraliste (École Centrale de Lyon), j'ai choisi de m'initier au métier de chercheur en effectuant une thèse de doctorat dans le domaine du confinement optique à l'échelle nanométrique. Plus particulièrement, ce travail concernait la réalisation et la caractérisation de microcavités optiques à base de semi-conducteurs organiques. Ce travail s'est déroulé sous la direction du professeur J. Joseph, dans le Laboratoire d'Électronique, d'Optique et de Microsystèmes, de l'École Centrale de Lyon, dans le cadre d'une bourse DRET-CNRS.<br />À la fin de ma thèse, j'ai souhaité développer ma connaissance des semi-conducteurs organiques. En particulier, je voulais aborder d'autres aspects, notamment électronique, tout en mettant à profit les compétences acquises au cours de ma thèse dans le domaine de l'optique. Du 01/08/1999 au 30/08/2000, par contrat du Ministère de la Recherche de la Confédération Helvétique, j'ai occupé un poste de chercheur-enseignant à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, dans l'équipe du professeur L. Zuppiroli. Il s'agit d'une équipe pluridisciplinaire, mêlant physiciens, chimistes et industriels, dont la compétence est reconnue dans le domaine des matériaux organiques semi-conducteurs. L'étude à laquelle je me suis consacré a visé à développer la compréhension et la modélisation des phénomènes d'injection et de transport des charges, et l'émission de lumière qui en résulte dans ces matériaux. La particularité de cette étude était qu'elle repose sur une description à l'échelle nanométrique, caractéristique des molécules constituant les dispositifs, pour rendre compte des propriétés macroscopiques de ces derniers.<br />Depuis mon intégration au LPMCN en qualité de Maître de Conférence (septembre 2000), mon activité de recherche au sein du groupe « agrégats et nanostructures» porte sur la physique des agrégats, d'une part de matériaux covalents et d'autre part de matériaux ioniques. La méthode originale de synthèse d'agrégats et de films nanostructurés (LECBD, Low Energy Cluster Beam Deposition Technique), développée par notre laboratoire en collaboration avec le Laboratoire de Spectroscopie Ionique et Moléculaire (LASIM) et l'Institut de Recherche sur la Catalyse (IRC) depuis plus de dix ans, offre de grandes potentialités pour l'étude des agrégats nanométriques covalents et ioniques. Elle permet d'atteindre des tailles suffisamment petites (quelques nanomètres de diamètre) pour produire des réarrangements de structures et ainsi, par exemple, synthétiser des matériaux cages covalents (type fullerènes). Les conditions de condensation du plasma d'agrégats, fortement hors équilibre thermodynamique (taux de trempe de l'ordre de 1010 K/s) nous permettent de sonder des phases exotiques de la matière. Enfin, cette méthode nous donne accès à la fabrication de composés de stoechiométrie contrôlée pour la plupart des classes de matériaux. En particulier, pour les systèmes d'oxydes ioniques, contrairement aux synthèses par chimie douce, nous pouvons contrôler le taux de dopage et choisir à volonté la nature du dopant luminescent à introduire en substitution dans la matrice oxyde. Il s'agit donc d'une technique d'une grande souplesse et qui permet, pour ma part, d'envisager l'étude des systèmes covalents et ioniques de manière originale. Les agrégats covalents sont essentiellement composés d'éléments semiconducteurs en phase massive (Si, C, Ge, alliages...). Ces matériaux, en raison de leur intérêt évident pour les applications électroniques et dans le mouvement général de la technologie visant à réduire systématiquement les dimensions des composants, sont étudiés à l'échelle nanométrique. À cette taille, ils offrent des modifications spectaculaires de leur propriétés électroniques (transition semi-conducteur/isolant), optiques (apparition de lumière dans Si et Ge qui ne luminescent pas à l'état massif) et structurelles (formation de structures cages). Il y a donc un intérêt tant fondamental qu'appliqué à s'intéresser à de tels matériaux à l'échelle nanométrique. L'étude des oxydes ioniques, que j'ai initiée plus récemment, est aussi stimulée par des intérêts fondamentaux et appliqués. Du point de vue des applications, les oxydes à grand gap font l'objet de recherches intenses en vue d'utilisation comme barrière isolante ultrafine dans les dispositifs électroniques. Ce sont aussi des matériaux généralement chimiquement réactifs et qui dans certains cas peuvent être des luminophores. D'un point de vue fondamental, le comportement de la liaison ionique à l'échelle nanométrique n'a été que peu étudié, principalement en raison de la grande réactivité chimique des matériaux ioniques. Le fait de disposer d'un environnement ultravide pour nos bancs d'expériences nous offre un grand avantage pour la compréhension de ces systèmes. De manière générale, notre approche vise en premier lieu à réaliser et étudier des nanoparticules de référence, parfaitement contrôlées et protégées. En second lieu, elle vise à organiser ces particules sur des substrats choisis pour former des matériaux et dispositifs nanostructurés à vocation optique ou électronique.<br /><br />Les thématiques évoquées ci-dessus sont reprises dans ce mémoire de la manière suivante. Le chapitre I introduit brièvement les matériaux organiques semiconducteurs et les dispositifs électroluminescents qui les exploitent. Il présente aussi mes travaux de modélisation en vue de l'optimisation électronique de tels dispositifs. Nous y insistons sur la nécessité d'une description nanométrique, caractéristique des matériaux décrits, en vue d'une compréhension macroscopique. <br />Le chapitre II se concentre sur l'optimisation optique de ces dispositifs. Cet aspect est généralement complémentaire de l'optimisation électronique. Nous y traitons, de manière plus générale, de la modification de l'émission spontanée d'émetteurs à spectre large par des systèmes confinant la lumière selon une ou deux directions (microcavités) sur des dimensions nanométriques.<br />Le chapitre III synthétise mes activités dans le domaine des agrégats cages covalents. Deux classes complémentaires de matériaux cages sont évoquées au travers de la thématique du dopage. Plus particulièrement, nous illustrons l'intérêt du dopage pour des films issus du dépôt d'agrégats et pour des films de cristaux cages covalents (les clathrates). Ce chapitre marque un changement d'approche par rapport aux chapitres précédents. Contrairement aux études sur les matériaux organiques conjugués qui s'inscrivent dans une approche « top-down », les travaux des chapitres III et IV suivent une approche « bottom-up », partant d'agrégats nanométriques préformés comme briques de constructions de matériaux nanostructurés.<br />Le chapitre IV présente une nouvelle thématique que je développe au sein de notre groupe et qui porte sur les agrégats nanométriques d'oxydes iono-covalents. Nous présentons les premiers résultats concernant le comportement de la liaison ionique dans ces matériaux à très faible taille ainsi que ses effets sur la structure, les propriétés électroniques et optiques de ces nano-objets.<br /><br />Le principal fil rouge que l'on trouvera dans ces pages est mon intérêt pour les effets fondamentaux de l'échelle nanométrique sur les propriétés structurales et optiques. C'est la raison pour laquelle mes travaux de post-doctorat (chapitre I) peuvent apparaître moins développés que mes travaux de thèse (chapitre II) ou que mes travaux récents (chapitres III et IV). Cette répartition est intentionnelle. <br />En me basant sur l'expérience acquise, tant durant ma thèse qu'au sein du LPMCN, ainsi que sur l'environnement local actif dans le domaine des nanosciences, j'envisage de développer mes activités de recherches à court et moyen terme vers les systèmes et applications pour la nanooptique, avec en particulier, l'élaboration de nano-sources lumineuses originales selon les deux axes précédemment mentionnés, à savoir les nano-agrégats covalents d'une part et d'oxydes iono-covalents d'autre part. Ceci fait l'objet du chapitre V.

Au cours des dernières années le silicium est apparu comme un matériau hôte prometteur pour les qubits de spin. Grâce à la microélectronique moderne, la technologie du silicium a connu un formidable développement. Réaliser des qubits utilisant la technologie bien établie de fabrication CMOS de semi-conducteurs favoriserait clairement leur intégration à grande échelle.Dans cette thèse nous présentons les travaux effectués dans une perspective des qubits CMOS. En particulier, nous avons abordé les problèmes de confinement des charges et des spins dans les boîtes quantiques, la manipulation des spins et la lecture des charges et des spins.Nous avons exploré les différentes propriétés de confinement de charge et de spin dans des échantillons de tailles et de géométries différentes. Les MOSFETs de taille extrêmement réduites montrent du blocage de Coulomb jusqu'à température ambiante, avec des énergies de charges jusqu'à 200meV. Les dispositifs multi-grilles avec des dimensions géométriques plus grandes ont été utilisés pour confiner les spins et lire leur état par blocage de spin, en réalisant ainsi une conversion spin / charge.La manipulation des spins est réalisée au moyen d'un dipôle électronique induisant la résonance de spin (EDSR). Les deux plus basses vallées de la bande de conduction du silicium sont visibles sous forme de transitions de spin intra et inter-vallées. Nous observons une levée de dégénérescence de vallée d'amplitude 36μeV. La résonance de spin que l'on observe résulte de la géométrie spécifique de l'échantillon, de la physique des vallées et de l'interaction spin-orbite de type Rashba. Des signatures de manipulation cohérente, sous forme d'oscillations de Rabi, ont été mesurées, avec une fréquence de Rabi de 6MHz. Nous discutons également de la lecture rapide des charges et des spins effectuée par réflectométrie dispersive couplée à la grille. Nous montrons comment l'utiliser pour reconstruire le diagramme de stabilité de charge du dispositif et le signal attendu pour un système à double boîte isolé. La tension de polarisation finie modifie la réponse du système et nous l'avons utilisée pour sonder les états excités et leur dynamique. / In the recent years, silicon has emerged as a promising host material for spin qubits. Thanks to its widespread use in modern microelectronics, silicon technology has seen a tremendous development. Realizing qubit devices using well-established complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication technology would clearly favor their large scale integration.In this thesis we present a detailed study on CMOS devices in a perspective of qubit operability.In particular we tackled the problems of charge and spin confinement in quantum dots, spin manipulation and charge and spin readout.We explored the different charge and spin confinement capabilities of samples with different sizes and geometries. Ultrascaled MOSFETs show Coulomb blockade up to room temperature with charging energies up to 200meV. Multigate devices with larger geometrical dimensions have been used to confine spins and read their states through spin-blockade as a way to perform spin to charge conversion.Spin manipulation is achieved by means of Electron Dipole induced Spin Resonance (EDSR). The two lowest valleys of silicon's conduction band originate as intra and inter-valley spin transitions; we probe a valley splitting of 36μeV. The origin of this spin resonance is explained as an effect of the specific geometry of the sample combined with valley physics and Rashba spin-orbit interaction. Signatures of coherent Rabi oscillations have been measured, with a Rabi frequency of 6MHz. We also discuss fast charge and spin readout performed by dispersive gate-coupled reflectometry. We show how to use it to recover the complete charge stability diagram of the device and the expected signal for an isolated double dot system. Finite bias changes the response of the system and we used it to probe excited states and their dynamics.