Dans la course à l’ordinateur quantique, le silicium est devenu ces dernières années un matériau de choix pour l'implémentation des qubits de spin. De tels dispositifs sont fabriqués au CEA en utilisant les technologies CMOS, afin de faciliter leur intégration à grande échelle. Cette thèse porte sur la modélisation de ces qubits, et en particulier sur la manipulation de l’état de spin par un champ électrique. Pour cela nous utilisons un ensemble de techniques numériques avancées pour calculer le potentiel et la structure électronique des qubits (notamment les méthodes de liaisons fortes et k.p), afin d’être le plus proche possible des dispositifs expérimentaux. Ces simulations nous ont permis d’étudier deux résultats expérimentaux d’importance : l’observation de la manipulation par champ électrique du spin d’un électron d’une part, et la caractérisation de l’anisotropie de la fréquence de Rabi d’un qubit de trou d’autre part. Le premier résultat était plutôt inattendu, étant donné; le très faible couplage spin-orbite dans la bande de conduction du silicium. Nous développons un modèle, validé par les simulations et certains résultats expérimentaux, qui met en évidence le rôle essentiel du couplage spin-orbite inter-vallée, exacerbé par la faible symétrie du système. Nous utilisons ces résultats pour proposer et tester numériquement un schéma de manipulation électrique consistant à passer réversiblement d’un qubit de spin à un qubit de vallée. Concernant les qubits de trous, le couplage spin-orbite relativement élevé autorise la manipulation du spin par champ électrique, toutefois les mesures expérimentales d’anisotropie donnent à voir une physique complexe, insuffisamment bien décrite par les modèles actuels. Nous développons donc un formalisme permettant de caractériser simplement la fréquence de Rabi en fonction du champ magnétique, et qui peut s’appliquer à d’autre type de qubit spin-orbite. Les simulations permettent de reproduire les résultats expérimentaux, et de souligner le rôle important de la contrainte. / In the race for quantum computing, these last years silicon has become a material of choice for the implementation of spin qubits. Such devices are fabricated in CEA using CMOS technologies, in order to facilitate their large-scale integration. This thesis covers the modeling of these qubits andin particular the manipulation of the spin state with an electric field. To that end, we use a set numerical tools to compute the potential and electronic structure in the qubits (in particular tightbinding and k.p methods), in order to be as close as possible to the experimental devices. These simulations allowed us to study two important experimental results: on one hand the observation of the electrical manipulation of an electron spin, and on the other hand the characterization of the anisotropy of the Rabi frequency of a hole spin qubit. The first one was rather unexpected, since the spin-orbit coupling is very low in the silicon conduction band. We develop a model, confirmed by thesimulations and some experimental results, that highlights the essential role of the intervalley spinorbit coupling, enhanced by the low symmetry of the system. We use these results to propose and test numerically a scheme for electrical manipulation which consists in switching reversibly betweena spin qubit and a valley qubit. Concerning the hole qubits, the relatively large spin-orbit coupling allows for electrical spin manipulation. However the experimental measurements of Rabi frequency anisotropy show a complex physics, insufficiently described by the usual models. Therefore we developa formalism which allows to characterize simply the Rabi frequency as a function of the magnetic field, and that can be applied to other types of spin-orbit qubits. The simulations reproduce the experimental features, underline the important role of strain.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3942. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 217-226.

Au cours de ces 20 dernières années, une attention particulièrement soutenue a été donnée à l'étude et à la fabrication de matériaux nano-structurés permettant le contrôle de la lumière. Cependant, les propriétés de non-linéarité optique de ces nouveaux matériaux n'ont que très peu été explorées. Partant de ce constat, cette thèse se propose de pourvoir cette insuffisance. L'accent est mis en particulier sur le processus de génération de seconde harmonique à travers deux aspects fondamentaux: (i) le contrôle de l'émission de seconde harmonique pour des matériaux nano-structurés non-linéaires et (ii) l'augmentation de conversion dans des dispositifs photoniques intégrés. Nous présentons un nouveau phénomène de localisation non-linéaire qui a lieu dans des matériaux main-gauche et qui implique un accord de phase isotrope. Nous démontrons analytiquement le processus de localisation dans un milieu homogène main-gauche, avant de mettre en évidence un tel effet dans des cristaux photoniques non-linéaires à l'aide de simulations numériques. L'effet de localisation contra-propagative du second harmonique est utilisé pour le design d'une lentille de second-harmonique. Ce résultat théorique a été démontré numériquement pour une structure réalisable fonctionnant aux fréquences optiques. L'augmentation de génération de seconde harmonique constitue l'aspect complémentaire. En tirant parti de la forte localisation de lumière dans une chaîne de nano-tiges de dimension finie, nous montrons que, pris ensemble, le confinement transverse sub-longueur d'onde et la condition de résonance d'accord de phase contribuent de manière importante à l'augmentation de la génération de seconde harmonique. Les capacités de guidage sub-longueur d'onde de chaînes de nano-tiges sont mis en évidence en examinant leurs propriétés de propagation linéaire. Pour finir, nous nous penchons sur la condition d'accord de phase assurant l'interaction non-linéaire optimale. / The past twenty years have been exceptionally rich on the study and fabrication of nanostructured materials to control light, but no much attention was given to nonlinear optical properties of these novel materials. In this context, the present thesis would partially address this gap. In particular, we focus on the second-harmonic generation process, by considering two fundamental aspects: the second-harmonic emission control by means of nanostructured nonlinear materials and the conversion enhancement in integrated photonic devices. A novel nonlinear localization phenomenon occurring in left-handed materials and involving isotropic phase-matching is presented. We analytically demonstrate the localization process in a homogenous left-handed material and by numerical simulation we show the effect for nonlinear photonic crystals. The backward second-harmonic localization effect is used to design a second-harmonic lens. This interesting theoretical result is numerically shown for a feasible structure working at optical frequencies. The second-harmonic generation enhancement is the complementary aspect. By taking advantage of the strong light localization achieved in finite size dielectric nonlinear nanorod chains, we show that sub-wavelength transversal confinement, together with the resonant phase-matching condition, adds an important property to the second-harmonic generation enhancement. A study of linear propagation properties of nanorod chain structures first evidences its sub-wavelength guiding capabilities. Finally, the phase-matching condition that assures the maximal nonlinear interaction in this kind of structure is presented.

La connaissance des propriétés optiques est fondamentale pour l’amélioration des matériauxet des dispositifs non-linéaires.Elle offre la possibilité de chercher de nouveaux matériaux ayant des propriétés bien spécifiques.Une façon de moduler certaines de ces propriétés est d’appliquer un champ électrostatique sur les matériaux,donnant lieu à des effets électro-optiques. Ce champs statiquepeut être appliqué volontairement sur le système ou être déjà présent dû à la structure du matériau:par exemple à une interface une accumulation de charges se crée générant un champ électrostatique àl'intérieur du matériau.Un des effets électrostatiques les plus connus est l'effet Pockels ou effet électro-optique linéaire (LEO).Il s'agit d'une réponse du second ordre, quicorrespond à une correction à la réponse optique linéaire en présence d'un champ statique.Un important processus non-linéaire est la génération de seconde harmonique (SHG), où deux photonssont absorbés par le matériau et un photon est émis à une énergie deux fois plus grande que celle du photonincident. Ce processus est très sensible à la symétrie du matériau. En effet, si le système étudié présenteune symétrie d'inversion alors la réponse de seconde harmonique sera nulle. Cependant ajouter unchamp statique à l'intérieur du matériau permettrait de générer une réponse du second ordredans n'importe quels matériaux, qu'ils soient ou non centrosymétriques.Ce phénomène est un processus de troisième ordre appeléEFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).Le but de ma thèse était de calculer théoriquement et numériquement les réponses optiques linéraireset non-linéaires (deuxième harmonique)de matériaux soumis à un champ électrostatique, soient les corrections au premier et second ordreLEO et EFISH.J'ai calculé ces deux réponses dans le cadre d'un formalisme ab-initio, reposant sur laTDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory), pour des matériaux semi-conducteursou isolants.Ces calculs ont, dans un premier temps, été appliqués à des matériaux massifs simplesde type carbure de silicium (SiC),arséniure de gallium (GaAs), etc, pour valider notre formalisme.Ils ont ensuite été appliqués à des matériaux plus complexes d'intérêt technologiquescomme Si/Ge et des matériaux sous contrainte. / A deep understanding of the optical properties of solids is crucial for the improvement of nonlinear materials and devices.It offers the opportunity to search for new materials with specific properties.One way to tune some of those properties is to apply an electrostatic field. This gives rise to electro-optic effects.The most known among those is the Pockel or linear electro-optic effect (LEO), which is a second order response property.An important nonlinear process is the second harmonic generation (SHG), where two photons are absorbed bythe material and a photon is emitted at twice the energy of the incoming photon. While this process is sensitive tothe symmetry of the material, adding a static field would enable a nonlinear response from every material,including centrosymmetric ones. This happens through a third order process, named EFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).We have developed a theoretical approach and a numerical tool to study these two nonlinear properties (LEO and EFISH)in the context of Time-dependent Density Functional Theory (TDDFT), and we have applied it to the case of bulk SiC andGaAs as well as layered systems such as Si/Ge.

Ce travail traite des aspects macroscopiques et microscopiques de l'écorce interne d'une étoile à neutrons, formée d'un solide de noyaux plongé dans un superfluide de neutrons. Une première partie expose une formulation quadridimensionnelle covariante de l'hydrodynamique non relativiste d'un mélange de fluides parfaits, basée sur un principe variationnel convectif. Ce formalisme est appliqué à la description de l'écorce, comme un mélange de deux fluides, un superfluide de neutrons et un plasma de noyaux et d'électrons, couplés par un entraînement non dissipatif. La seconde partie est dédiée à l'étude microscopique de cet entraînement.<br />Appliquant des méthodes de champ moyen au-delà de l'approximation de Wigner-Seitz, nous montrons que cet entraînement résulte de la diffraction de Bragg des neutrons libres sur les noyaux. Celle-ci se traduit par une masse de neutron effective "mésoscopique", qui, contrairement à la masse effective "microscopique", est très grande devant la masse "nue", dans les couches intermédiaires.

Nous modélisons la diffusion des atomes interstitiels (C et O) dans des solutions solides (Fe-Cr et Nb-V) et comparons nos résultats aux données expérimentales disponibles dans la littérature. Un ensemble d’énergies de liaisons entre interstitiels et solutés substitutionnels, et de barrières de migration des interstitiels, ont d’abord été calculés en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Des modèles d’interactions de paires ont ensuite été ajustés sur ces données pour calculer les barrières de migration dans n’importe quel environnement chimique local. Ces modèles de paires sont enfin intégrés dans des simulations Monte Carlo cinétiques, afin de modéliser des expériences de diffusion de traceur et de frottement interne. Dans les alliages Fe-Cr-C, les simulations prévoient la formation d’un pic de Snoek unique, dans tout le domaine de composition entre le fer pur et le chrome pur. La barrière de migration moyenne du carbone, donnée par la température de ce pic, augmente progressivement avec la teneur en chrome, l’augmentation étant très faible en dessous de 6% de Cr. Dans les alliages riches en Cr, la barrière de migration moyenne obtenue lors d’une simulation de diffusion de traceur est plus grande que celle obtenue lors d’une simulation de frottement interne. Nous en concluons que la barrière mesurée lors d’une expérience de diffusion de traceur est fortement affectée par le piégeage du carbone dans des environnements riches en fer, qui limite la diffusion à grande distance ; alors que la barrière mesurée par friction interne, qui ne nécessite qu’une diffusion à courte distance, est principalement contrôlée par les barrières de migration des configurations les plus probables. Dans les alliages Nb-V-O dilués, les simulations font apparaitre un pic de Snoek à haute température lorsque la concentration en oxygène est plus faible que celle en vanadium. Quand la concentration en oxygène devient plus importante, un deuxième pic apparait à plus basse température, tandis que le premier pic se déplace vers des températures plus petites. Nous en concluons que le pic à haute température correspond à des paires V-O, et que celui à basse température correspond à la diffusion de l’oxygène dans le niobium pur. Les simulations sont utilisées pour tester le modèle de Koiwa, dans la limite de l’alliage ternaire infiniment dilué. Les deux approches sont en bon accord et nous montrons que la position du pic à haute température n’est pas reliée à une fréquence de saut unique, mais à une fonction complexe de plusieurs fréquences de sauts. Nous présentons enfin les résultats d’une étude préliminaire sur l’effet du carbone sur les cinétiques de séparation de phases dans les alliages fer-chrome irradiés. Nous montrons que la forte attraction entre atomes de carbone et défauts d’irradiation (auto-interstitiels et surtout lacunes) peut dans certaines conditions limiter l’accélération de la précipitation du chrome habituellement provoquée par l’irradiation. / The diffusion of interstitial atoms (C and O) in bcc solid solutions (Fe-Cr and Nb-V) is modelled and compared to experimental data. A set of binding energies and migration barriers for the direct interstitial diffusion mechanism in different local chemical environments are first calculated using Density Functional Theory. Two different pair interaction models are developed in order to reproduce these data and predict the migration barriers in all possible environments. The diffusion models are then implemented in a kinetic Monte Carlo method to simulate tracer diffusion experiments, using a standard procedure, and internal friction experiments, using a novel method. In the Fe-Cr-C systems our internal friction simulations show a unique Snoek peak in the whole concentration range, between pure iron and pure chromium. The average migration enthalpy for C diffusion in Fe-Cr alloys is found to increase progressively with the Cr concentration, with a small rate below 6 %Cr. In Cr-rich alloys, the effective migration barrier for C diffusion is found to be larger in tracer diffusion than in the internal friction simulations. We conclude that the effective migration barrier extracted from tracer diffusion is closely related to trapping effects of C atoms in Fe-rich local environments, whereas the migration barrier associated with internal friction is mainly controlled by the spectrum of migration barriers of the most frequent configurations, as it is clearly shown in the Cr-rich domain. In the dilute Nb-V-O alloys, we find a high temperature Snoek peak when the concentration of oxygen is lower than the vanadium content. But when the oxygen concentration is higher, we see the appearance of a second peak but at a lower temperature and a shift of the first peak to lower temperatures. We conclude that the high temperature peaks correspond to the oxygen-vanadium pairs, and the low temperature peak corresponds to the oxygen Snoek peak in pure Nb. We also use our model in order to validate the Koiwa model in infinitely dilute ternary alloys. Both approaches are in good agreement and we observe that the high temperature peak cannot be directly related to a single jump frequency but to a complex function of them. We also show preliminary results on the effect of C in the precipitation of the Fe-Cr phase separation under irradiation. We observee that a strong attraction between carbon atoms and point defects (vacancies and self-interstitials) might be able to slow down the acceleration of the α’ precipitation.