Ce manuscrit présente une étude expérimentale par spectroscopie optique de l'interaction lumière-matière dans des microcavités à base d'oxyde de zinc. Nous avons étudié plusieurs types de cavités planaires qui se démarquent des structures déjà existantes autant par leurs structures que par leurs procédés d'épitaxie. Les avantages théoriques qui ont motivé la réalisation, sont discutés puis vériés par des mesures expérimentales de réectivité et de photoluminescence en fonction de la température et de l'intensité d'excitation. Grâce aux caractéristiques optiques de ces nouvelles microcavités nous avons pu étudier l'émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons à haute température jusqu'à 300K.Des facteurs de qualité importants ainsi que des énergies de Rabi élevées permettent de mener une étude approfondie sur le lien qui existe entre la fraction photonique des polaritons et la valeur du seuil d'injection optique correspondant à l'eet laser à polaritons. Ce travailde recherche met en exergue les deux processus physiques identiés conduisant à l'eet laser à polaritons : le régime thermodynamique et le régime cinétique. De plus, l'inuence des interactions exciton-phonon est particulièrement soulignée comme un processus permettant de diminuer le seuil de condensation. / This thesis reports a spectroscopic study of the light-matter interaction in ZnO based microcavities.We have examined several planar microcavities which dier from the previous ones through their structures and their epitaxial processes. The theoretical advantages that have driven these realizations are discussed and veried through experimental measurements of reectivity and photoluminescence as a function of temperature and excitation intensity. Thanks to the optical characterics of these new cavities, we have studied the coherent light emission based on the condensation of polaritons at high temperature, up to 300K. High optical quality factor and high Rabi splitting allow to deeply analyze the relationship which exists between the photonic fraction of polaritons and the threshold excitation value corresponding to the occurrence of the polariton laser eect. This work highlights two identied physical processes which contribute to the laser eect : the thermodynamic and kinetic regimes. Moreover, it appears that the exciton-phonon interaction constitutes a specic phenomenon which allows to reduce the polariton laser threshold.

Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal. / This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.

La physiologie et le fonctionnement de cellules nerveuses ainsi que de cellules présentant une différence conséquente de molarité entre différents compartiments, restent des questions très actuelles à l'interface de la physique et de la biologie. Ainsi la possibilité d'échanges d'eau lors du fonctionnement de neurones pourrait changer de manière assez radicale la façon dont leur activité est modélisée. Afin de chercher a visualiser ces échanges une technique: la microscopie de contraste ionique térahertz a été développée. Elle est basée sur la grande sensibilité du rayonnement térahertz aux concentrations ioniques dans l'eau. Ainsi un système de génération et de mesure de rayonnement basées sur des antennes semi-conductrices fut construit. Le problème de la limite de diffraction, qui réduit les mesures par rayonnement térahertz à une résolution de l'ordre de 300 µm, fut résolu par le couplage d'imagerie de champ proche avec ouverture avec une technique d'analyse permettant de visualiser des variations spatiales avec une résolution dépassant ?/100. Cette technique d'analyse qui est aussi une configuration expérimentale fut nommée le contraste de champ proche. La microscopie de contraste ionique térahertz a permis de confirmer les échanges d'eau lors d'un ensemble d'activités biologique liés aux neurones. De plus il a permis de quantifier de manière précise les volumes d'eau déplacés. Ceci ayant pour conséquence majeure que l'eau ne peut être négligée dans l'activité biologique neuronale. De plus cette technique a pu être étendue à d'autres systèmes biologiques, comme des cellules cardiaques et a ainsi permis la mesure résolue en temps des flux d'ions à l'intérieure de celles-ci. Le positionnement énergétique du rayonnement térahertz fait de lui un outil puissant dans l'étude de processus de transformations sur de longues molécules biologiques. Cependant un rehaussement du signal parait indispensable. C'est ainsi que son couplage possible avec de la plasmonique fut envisagé. L'absence d'activité spécifique de l'immense majorité des métaux dans cette zone du spectre a poussé l'étude vers des matériaux présentant des structures de taille inférieure à la longueur d'onde. Les réseaux de trous d'Ebbesen furent le système principal étudié. L'étude se focalisa sur la modélisation des phénomènes physiques ayant lieu lors de l'interaction du rayonnement térahertz avec celle-ci. Ainsi un modèle de Fano modifié s'est montré capable de modéliser la transmission des plaques ainsi que la dépendance en taille et en forme des trous, du signal transmis. De plus il fut montré que les plasmons polaritons générés à la surface de ces plaques peuvent interagir entre eux. Enfin une modélisation inhabituelle a vu décrire un certain nombre d'expériences sur ces plaques par! des transitions de phases et de la résonance stochastique. Les travaux sur ce sujet montrent qu'il reste encore beaucoup de phénomène non compris sur la nature des interactions entre la lumière et les réseaux de trous de taille inférieure à la longueur d'onde.

We have developed a general theory of the plasmonic enhancement of many-body phenomena resulting in a closed expression for the surface plasmon-dressed Coulomb interaction. It is shown that this interaction has a resonant nature. We have also demonstrated that renormalized interaction is a long-ranged interaction whose intensity is considerably increased compared to bare Coulomb interaction over the entire region near the plasmonic nanostructure. We illustrate this theory by re-deriving the mirror charge potential near a metal sphere as well as the quasistatic potential behind the so-called perfect lens at the surface plasmon (SP) frequency. The dressed interaction for an important example of a metal–dielectric nanoshell is also explicitly calculated and analyzed. The renormalization and plasmonic enhancement of the Coulomb interaction is a universal effect, which affects a wide range of many-body phenomena in the vicinity of metal nanostructures: chemical reactions, scattering between charge carriers, exciton formation, Auger recombination, carrier multiplication, etc. We have described the nanoplasmonic-enhanced Förster resonant energy transfer (FRET) between quantum dots near a metal nanoshell. It is shown that this process is very efficient near high-aspect-ratio nanoshells. We have also obtained a general expression for the force exerted by an electromagnetic field on an extended polarizable object. This expression is applicable to a wide range of situations important for nanotechnology. Most importantly, this result is of fundamental importance for processes involving interaction of nanoplasmonic fields with metal electrons. Using the obtained expression for the force, we have described a giant surface-plasmoninduced drag-effect rectification (SPIDER), which exists under conditions of the extreme nanoplasmonic confinement. Under realistic conditions in nanowires, this giant SPIDER generates rectified THz potential differences up to 10 V and extremely strong electric fields up to 10^5-10^6 V/cm. It can serve as a powerful nanoscale source of THz radiation. The giant SPIDER opens up a new field of ultraintense THz nanooptics with wide potential applications in nanotechnology and nanoscience, including microelectronics, nanoplasmonics, and biomedicine. Additionally, the SPIDER is an ultrafast effect whose bandwidth for nanometric wires is 20 THz, which allows for detection of femtosecond pulses on the nanoscale.

La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont<br />considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En e_et leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation<br />à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à<br />ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure<br />photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons con_nés dans le puits quantique et les photons con_nés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec<br />celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états<br />mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein.<br />Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagn<br />ée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.

Cette thèse est dédiée à l'étude de l'analogue du rayonnement de Hawking dans les condensats de Bose-Einstein. Le premier chapitre présente de nouvelles configurations d'intérêt expérimental permettant de réaliser l'équivalent acoustique d'un trou noir gravitationnel dans l'écoulement d'un condensat atomique unidimensionnel. Nous donnons dans chaque cas une description analytique du profil de l'écoulement, des fluctuations quantiques associées et du spectre du rayonnement de Hawking. L'analyse des corrélations à deux corps de la densité dans l'espace des positions et des impulsions met en évidence l'émergence de signaux révélant l'effet Hawking dans nos systèmes. En démontrant une règle de somme vérifiée par la matrice densité à deux corps connexe, on montre que les corrélations à longue portée de la densité doivent être associées aux modifications diagonales de la matrice densité à deux corps lorsque l'écoulement du condensat présente un horizon acoustique. Motivés par des études expérimentales récentes de profils d'onde générés dans des condensats de polaritons en microcavité semi-conductrice, nous analysons dans un second chapitre les caractéristiques superfluides et dissipatives de l'écoulement autour d'un obstacle localisé d'un condensat de polaritons unidimensionnel obtenu par pompage incohérent. Nous examinons la réponse du condensat dans la limite des faibles perturbations et au moyen de la théorie de Whitham dans le régime non-linéaire. On identifie un régime dépendant du temps séparant deux types d'écoulement stationnaire et dissipatif : un principalement visqueux à faible vitesse et un autre caractérisé par un rayonnement de Cherenkov d'ondes de densité à grande vitesse. Nous présentons enfin des effets de polarisation obtenus en incluant le spin des polaritons dans la description du condensat et montrons dans le troisième chapitre que des effets similaires en présence d'un horizon acoustique pourraient être utilisés pour démontrer expérimentalement le rayonnement de Hawking dans les condensats de polaritons.

In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.

Ce manuscrit de thèse est une contribution à l'étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d'oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l'interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l'hélium liquide qu'à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d'obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV).

Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés.

Ce manuscrit de thèse est une contribution à l’étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d’oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l’interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l’hélium liquide qu’à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d’obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV). / This thesis manuscript is a contribution to the study of strong light-matter coupling in zinc oxide-based planar microcavities. We have determined the properties of the exciton-photon interaction through angle resolved measurements on structures grown by molecular beam epitaxy (MBE) on silicon. Thus, we have demonstrated strong coupling at both cryogenic and room temperatures. A substantial work on the conception of cavities and on the calculation of their optical response has been realized to obtain a coherent emission of light based on the condensation of polaritons as predicted by theoretical works. The latest measurements on an optimized microcavity lead to a quality factor close to 500 and a high Rabi splitting of 120 meV.