Le développement des techniques de refroidissement et de piégeage d'atomes ainsi que la possibilité de charger des réseaux optiques ou des potentiels désordonnés avec des condensats de Bose ou des gaz de Fermi dégénérés a ouvert tout un champ de recherche autour de la localisation forte des ondes de matière. Dans ce travail théorique nous étudions le transport cohérent d'ondes de matière évoluant dans des potentiels lumineux désordonnés (champ de tavelures ou speckle). L'influence d'un désordre corrélé est d'abord étudié numériquement dans le cadre du modèle d'Anderson. Par la suite, un calcul diagrammatique auto-consistant permet de déterminer analytiquement les paramètres fondamentaux du transport dans le régime de faible désordre: libre parcours moyen, libre parcours moyen de transport, constante de diffusion, longueur de localisation. Une quantité cruciale pour ces calculs analytiques est la fonction de corrélation spatiale des fluctuations du potentiel désordonné. Elle détermine le degré d'anisotropie d'un événement de collision. Nous considérons en particulier la transition du régime de localisation faible à celui de localisation forte. Dans ce cas la constante de diffusion des ondes de matière diminue et tend vers zéro au seuil de la localisation forte. Nous avons calculé la renormalisation de la constante de diffusion due à l'interférence des ondes de matière en tenant compte explicitement de la corrélation des fluctuations du potentiel désordonné.

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction. / ENGLISH: The observation of intense luminescence in Si/SiO2 superlattices has opened up new vistas in theoretical research, with a view to fabricate Si-based devices suitable for optoelectronic applications. Crystalline silicon has an indirect energy gap that makes this material less competitive compared to other luminescent materials. The fabrication of silicon-based luminescent materials would thus provide multiple applications in the future. Three achievements are presented in this work. (a) Several Si/SiO2 superlattice models have been constructed and studied within a first-principles framework in order to evaluate their structural, electronic and optical properties. The first two models are derived from crystalline phases of silicon and silicon dioxide. From these models, the interfaces are shown to play a significant role on their optical properties. New structurally-relaxed models have thus been constructed in order to satisfy more closely the interface topology and evaluate accurately the confinement effects on their optical properties. (b) Direct bandgaps are obtained in the structurally-relaxed models. Their absorption coefficient has been calculated (by applying the Fermi Golden rule) and compared to that of bulk Si, giving a clear demonstration of the enhanced absorption (and emission) properties of Si confined systems, compared to bulk Si. A blueshift with increased confinement has been confirmed. Furthermore, the precise role of suboxide Si atoms at the interfaces has been investigated. These suboxides are shown to have two main effects: (i) increase slightly the energy gap; (ii) reduce the dispersion in the band structure near the Fermi level. (c) A direct application of the Slater transition state theory applied to crystalline silicon has been performed and compared to X-Ray near-edge absorption spectroscopy measurements. The Slater transition state theory constitutes a subset of the density functional theory for ensembles. Very good agreement between this theory and the experiment is obtained. This type of calculations has been applied to the Si/SiO2 superlattices in order to estimate and characterize the electronic properties of the confined region in the conduction bands.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous avons effectué dans ce mémoire des études de magnéto-luminescence sur des boîtes quantiques individuelles de GaAs insérées dans une matrice de GaAlAs, boîtes qui se distinguent de la plupart des systèmes étudiés par l’absence des contraintes. Nous avons pu mesurer l’impact de l’orientation cristalline du substrat sur lequel s’effectue la croissance de ces boîtes sur les propriétés magnéto-optiques.Nous avons pu présenter les premières expériences pratiquées sur des structures à boîtes quantique GaAs « gouttelettes » à charge ajustable, élaborées sur substrat orienté (001). La structure fine des excitons a été étudiée en détail et analysée au moyen d’un modèle analytique y compris en champ transverse permettant d’établir les états et énergies propres. Nous avons observé la polarisation dynamique des noyaux à champ nul dans les boîtes quantiques sans contraintes élaborées sur substrat (111)A. Les décalages Overhauser mesurés s’élèvent à 15 – 16 μeV, correspondant à un champ nucléaire de 0.25 T environ. En champ magnétique transverse, nous avons observé des déviations significatives par rapport àl’effet Hanle normal dans le domaine des faibles champs / In this thesis the magneto-optical properties of single GaAs semiconductor quantum dots in AlGaAs barriers are presented. The strain free dots are grown by original Volmer-Weber ("droplet") epitaxy techniques in a molecular beam epitaxy system at the National Institute for Material Science NIMS, Tsukuba, Japan. We showed the first optical investigation of symmetric GaAs quantum dots grown on (111)A substrates. The inherently small neutral exciton fine structure splitting makes this a promising systemfor the generation of polarisation entangled photons via the exciton-biexciton radiative cascade. In photoluminescence spectra in longitudinal magnetic fields applied along the growth axis, we observe in addition to the expected bright states also nominally dark transitions for both charged and neutral excitons. We uncover a strongly non monotonic, sign-changing field dependence of the bright neutral exciton splitting resulting from the interplay between exchange and Zeeman effects. We present a microscopic theory developed in close collaboration with the A. F. Ioffe Institute (St. Petersburg,Russia) of the magnetic field induced mixing of heavy-hole states with angular momentum projections 3/2 in GaAs droplet dots grown on (111)A substrates.Chapter 4 of this thesis is focused on the charge tuneable structures grown on n+-(100) GaAs substrate. In non-intentionally doped samples, due to charge fluctuations, the neutral X0 exciton and the positively (negatively) charged exciton X+(X-) are observed simultaneously in time integrated spectra. We present here deterministic charging of droplet dots with single electrons. Detailed studies in transverse magnetic fields allowed unambiguously identifying the charge states and determining the exciton fine structure. The neutral exciton fine structure was tuned to zero in finite transverse fields, a crucial property for achieving efficient polarization entangled two photon sources. In chapter 5, we focus on the nuclear spin effects in [111] grown quantum dots under optical pumping conditions. An optically oriented electron spin can transfer its polarization to a nucleus (Overhauser effect). In the well-studied strained InGaAs dots in GaAs, dynamic nuclear polarization (DNP) at zero applied magnetic field is possible due to screening of the nuclear dipole-dipole interaction by strong nuclear quadrupole effects. Here we present the first observation of DNP in strain free dots, i.e. in theabsence of nuclear quadrupole effects. We investigated in detail the role of the strong effective magnetic field acting on the nuclei due to the presence of a well-oriented electron spin (Knight field). This Knight field in the order of 15 mT for most dots is an important ingredient for the observed DNP at zero field. The intricate interplay between the Knight field and the Overhauser field is studied in a transverse magnetic field. These Hanle measurements performed on single dots allow us to determine the sign of the confined electron g-factor and spin relaxation time

Ce travail porte sur la croissance épitaxiale et la caractérisation optique de boîtes quantiques d’InAs/InP(001) en faible densité en vue de la réalisation de nouveaux composants nanophotoniques émettant à 1,55 µm. Les propriétés structurales et optiques des îlots ont été corrélés pour différents paramètres de croissance d’un système d’épitaxie par jet moléculaire à sources solides. Nos résultats soulignent l’influence des reconstructions de surface d’InAs sur la forme des îlots. Des boîtes, plutôt que des bâtonnets allongés généralement observés,peuvent être directement formées dans des conditions de croissance adéquates. Une transition de forme de bâtonnets vers des boîtes est également démontrée par des traitements postcroissance sous arsenic. Les faibles densités de boîtes sont obtenues pour des faibles épaisseurs d’InAs déposées. Leur émission est facilement contrôlée à 1,55 µm par une procédure d’encapsulation spécifique appelé « double cap ». Quelques propriétés des boîtes individuelles d’InAs/InP sont ensuite évaluées. Les études de micro-photoluminescence révèlent des pics d’émission très fins et distincts autour de 1,55 µm confirmant les propriétés« quasi-atomiques » de ces boîtes uniques. Enfin, nous proposons pour la première fois une méthode à haute résolution spatiale qui permet d’étudier le transport de charges autour d’une boîte unique grâce à une technique de cathodoluminescence à basse tension d’accélération.Une mesure directe de la longueur de diffusion des porteurs avant capture dans une boîte a été obtenue. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives quant à l’intégration de ces boîtes uniques dans des microcavités optiques pour la réalisation de sources de lumières quantiques à 1,55 µm. / This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55μm. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to1.55 µm using the “double cap” procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Microphotoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 µm from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a highspatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dotusing a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantumlight sources at 1.55 µm.

Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons de cavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie très court et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmes fondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliqués d’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou la génération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieurs méthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide de polaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, du désordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polaritonpolariton" sont étudiés. Nous démontrons la conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre et ouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularités de phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférences disparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du moment angulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé de manière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir la voie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dans la seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime de variables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, la génération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation de protocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grand potentiel pour la realization d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange à quatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observons un comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournant de la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux de compression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discrets protégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nous obtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20,3%, et estimée à 35,8% après correction des pertes de détection. / Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons and excitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and their strong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems of out-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantum optics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation of non-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict several schemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid, in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder, and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angular momentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system. In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of the angular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create in a controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to the study of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light.A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In the second part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light in pillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generation of squeezedand entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantum information protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential for the implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degenerate polariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe a bistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of the bistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing than planar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzing the noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20,3%, inferred to be 35,8% after corrections for losses in the detection setup.

Nous étudions ici l’heteroepitaxie du silicium-germanium (SiGe), un système qui est couramment considéré comme le stéréotype de l’´épitaxie des semi-conducteurs. Bien que ce système ait déjà attiré une attention considérable en raison de ses applications pour l’ingénierie des bandes dans l’industrie microélectronique, le défi majeur du développement de nouveaux dispositifs à base de SiGe reste la croissance épitaxiale contrôlable des nanostructures auto-assemblées. Il est bien connu que SiGe suit un mode de croissance de Stranski-Krastanov, qui passe par la croissance de couches bidimensionnelles suivie par la croissance d’ılots tridimensionnels. Sous cette dénomination générique ”Stranski-Krastanov”, plusieurs comportements différents peuvent être identifiés. Une compréhension globale de tous ces comportements est encore partiellement manquante en raison de la complexité et de l’interaction de la cinétique et des forces motrices dynamiques, empêchant le d´développement de nouveaux dispositifs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’auto- assemblage des nanostructures SiGe à la suite de la quête de l’émission de lumière pour les dispositifs photoniques, optoélectroniques et nanoélectroniques à base de Si. Par Même si l’innovation dans les dispositifs à base de Si a été stimulée récemment par le d´développement de silicium complétement épuisé sur les transistors isolants, une véritable percée serait la démonstration de l´émission de lumière et / ou l’absorption par les éléments du groupe IV, car il permet une intégration pratique dans les semi-conducteurs actuels. Dans ce travail, nous montrons d’abord les différents régimes de croissance des films contraints, c’est-à-dire l’instabilité par rapport aux régimes de nucléation. Nous d´développons un modèle qui résout la course de ces deux voies de croissance et d´dévoile les mécanismes des différents modes d’évolution morphologique entrainés par l’élasticité. Dans la seconde partie, nous examinons en détail l’auto-organisation naturelle des îles cohérentes. L’effet élastique direct induit la répulsion entre les îles cohérentes. Cependant, l’énergie de surface dépendant de la déformation qui a été négligée précédemment dans l’analyse de l’interaction île-île est révélée pour provoquer une attraction entre les iles. Il peut compenser la répulsion élastique directe au cours de l´état initial de la nucléation et conduire au regroupement d’îlots cohérents. Dans une troisième partie, nous étudions l’influence des échelons du substrat vicinal sur la formation et l’auto-organisation des îles. Nous démontrons que l’anisotropie de relaxation de la contrainte produite par les bords des gradins est à l’origine de l’allongement de l’instabilité perpendiculaire aux marches. Un accord quantitatif entre l’allongement de l’instabilité et l’anisotropie de relaxation de la souche est trouvé, ce qui approfondit les compréhensions de la croissance hétéroépitaxiale sur le substrat vicinal. Dans la quatrième partie, nous développons un nouveau procédé basé sur la condensation Ge lors de l’oxydation thermique du SiGe dilué. On étudie la cinétique du procédé de condensation SiGe et on fabrique la couche épandeuse de SiGe totalement contrainte par ce procédé de condensation particulier. / We investigate here the heteroepitaxy of silicon-germanium (SiGe), a system which is commonly regarded as the stereotype of semiconductor epitaxy. While this system has already attracted a tremendous amount of attention due to its applications for band-gap engineering in microelectronic industry, the major challenge facing the development of new SiGe-based devices remains the con- trollable epitaxial growth of self-assembled nanostructures. It is well-known that SiGe follows a Stranski-Krastanov growth mode, which proceeds via the growth of bi-dimensionnal layers followed by the growth of three-dimensional islands. Under this generic “Stranski-Krastanov” designation, several different behaviors can be identified. An overall understanding of all these behavior is still partially missing due to the complexity and the interplay of kinetics and energetic driving forces, preventing the development of new devices.In this work we focus on the self-assembly of SiGe nanostructures following the quest of light emission for integrated Si-based photonic, optoelectronic and nanoelectronic devices.Even if the innovation in Si-based devices has been boosted recently by the development of ultra-thin body fully depleted silicon on insulator transistors, a real breakthrough would be the demonstration of light emission and/or absorption by group IV elements since it allows the conve- nient integration into the nowadays semiconductors.In this work we first demonstrate the different growth regimes of strained films, i.e. instability versus nucleation regimes. We develop a model which resolves the race of these two growth pathways and unveil the mechanisms of different modes of morphological evolution driven by elasticity.In the second part, we examine in details the natural self-organisation of coherent islands. The direct elastic effect induces repulsion between coherent islands. However, the strain-dependent surface energy which has been overlooked previously in analysis of the island-island interaction is revealed to cause an attraction between islands. It may compensate the direct elastic repulsion during the initial state of nucleation and lead to the clustering of coherent islands.In a third part we study the influence of miscut steps of vicinal substrate on the formation and self-organisation of islands. We demonstrate that the strain relaxation anisotropy produced by the step edges, is at the origin of the instability elongation perpendicular to steps. Quantitative agreement between the instability elongation and the anisotropy of strain relaxation is found, which deepens the understandings of hetero-epitaxial growth on vicinal substrate.In the fourth part we develop a new process based on Ge condensation during thermal oxidation of dilute SiGe. The kinetics of SiGe condensation process is investigated and the fully strained SiGe epilayer is fabricated via this particular condensation process. This process can be applied in fabrication of SiGe core-shell nanostructures, for which the direct deposition and growth process is found to be cumbersome in terms of the control of morphology and composition.As a whole, we studied the nanostructures of SiGe driven by its hetero-epitaxial elasticity. We proposed a model to compare two pathways of morphological evolution of SK growth and unearthed the mechanisms of the race and transition. We studied kinetics of island nucleation under the impact of elastic filed produced by an existing island. The peculiar role of strain-dependent surface energy is highlighted. Then the elasticity anisotropy induced by miscut steps on vicinal substrate is studied theoretically and experimentally. This anisotropy effectively induces the elongation of islands in one direction to form nanowires in good alignment. Then the kinetics of condensation of SiGe is studied, which is found to be an effective method in fabricating strained SiGe nanostructures.

Cette thèse décrit une série d’expériences mettant en lumière l’action en retour de la mesure et la décohérence pour un système quantique ouvert élémentaire, le qubit supraconducteur. Ces observations sont rendues possibles grâce au développement récent d’amplificateurs Josephson proches de la limite quantique. L’information extraite du système peut être utilisée dans des boucles de rétroaction quantique. Pour stabiliser un état arbitraire prédéterminé du qubit, une mesure projective est réalisée périodiquement et une boucle de rétroaction permet de corriger les erreurs détectées. En se substituant à l'environnement et en réalisant une mesure hétérodyne continue de la fluorescence du qubit, nous reconstituons des trajectoires quantiques individuelles lors de sa relaxation. En conditionnant cette détection au résultat d'une mesure projective postérieure, nous déterminons les weak values du signal de fluorescence. En formant une boucle de rétroaction continue à partir de ce signal, nous stabilisons également un état arbitraire du qubit. Enfin, nous observons dans une dernière expérience la dynamique quantique Zénon d'un mode micro-onde, induite par son couplage au qubit. / This thesis presents a series of experiments highlighting measurement back action and decoherence in a basic open quantum system, the superconducting qubit. These observations are enabled by recent advances in amplification close to the quantum limit using Josephson circuits. The information extracted from the system can then be used as input in quantum feedback. A stroboscopic projective readout is performed and a feedback loop is used to correct for detected errors, thus stabilizing an arbitrary predetermined state of the qubit. When monitoring continuously the environment of the qubit by heterodyne detection of its fluorescence, we reconstruct individual quantum trajectories during relaxation. Conditioning this detection to the outcome of a following projective measurement, we access the weak values of the fluorescence signal. Included in a continuous feedback loop, this detection is also used to stabilize an arbitrary state of the qubit. Finally, a last experiment witnesses quantum Zeno dynamics of a resonant microwave mode, entailed by its coupling to the qubit.

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