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Results of resonant spectroscopy of a quantum dot strongly coupled to a microcavity are exposed. Rising the power makes the devices reflectivity to drop. This phenomenon has a threshold of 8 photons per pulse ? Which is a record. It is possible to observe fluctuations of the quantum dot emission energy at the scale of the microsecond.; Des résultats de spectroscopie par excitation résonante sur une boîte quantique en couplage fort avec une microcavité sont exposés. En augmentant la puissance incidente, la réflectivité du dispositif change. Un seuil de ce comportement est observé pour 8 photons par impulsion, ce qui est un record. Il est possible d'observer des fluctuations de l'énergie d'émission de la boîte quantique en temps réel, à l'échelle de la microseconde.

In the framework of this thesis, single InAs/GaAs quantum dot devices were studied by optical means. Starting with a general description of self-assembled InAs QDs, two types of single QD devices were presented. The first approach was a tapered GaAs photonic wire embedding single InAs QDs whose efficiency as a single photon source was previously shown to be 90%. We investigated several optical properties of the single QDs. The charged and neutral states of the QD were identified and selectively excited using quasi-resonant excitation.The first original result of this thesis is the observation of a continuous temporal blue-drift of the QD emission energy. We attributed this blue drift to oxygen adsorption onto the sidewall of the wire, which modified the surface charge and hence the electric field seen by the QD. Moreover, we demonstrated that a proper coating of the GaAs photonic nanowire surface suppressed the drift. The temperature effect on this phenomenon revealed an adsorption peak around 20K, which corresponds to the adsorption of oxygen on GaAs. This observation is in good agreement with previous temperature studies with a tapered photonic wire. This was the first study of the spectral stability of photonic wires embedding QDs, crucial for resonant quantum optics experiments. As an alternative, we took advantage of this temporal drift to tune QD emission energies. In a controlled way, we tuned into resonance two different QDs which were embedded in the same photonic nanowire. In the last part of this work, we studied the influence of the stress on single QDs contained in a trumpet-like GaAs photonic wire. The main effect of stress is to shift the luminescence lines of a QD. We applied the stress by exciting mechanical vibration modes of the wire. When the wire is driven at its the mechanical resonance the time-integrated photoluminescence spectrum is broaden up to 1 meV owing to the oscillating stress, The measured spectral modulation is a first signature of strain-mediated coupling between a mechanical resonator and embedded QD single light emitter. With a stroboscopic technique, we isolated a certain phase of the oscillating wire and thereby selected a value of QD emission energies. As a highlight of our study, we managed to bring two different QDs contained in the same wire into resonance by controlling their relative phase. In addition, we could extract the 2D spatial positioning of embedded QDs from the spectral shifts observed for two orthogonal mechanical polarizations.. The investigation of the strain-mediated tuning of QDs can, therefore, be an effective tool to explore the QD positions without destroying the sample.; Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d’extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l’observation de la dérive temporelle de la raie d’émission de la photoluminescence d’une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l’absorption des molécules d’oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu’une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l’énergie d’émission d’une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d’émission d’une boîte quantique s’élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l’aide d’une illumination stroboscopique synchronisée avec l’excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l’évolution du spectre d’une boîte quantique au cours d’une période de la vibration mécanique. L’amplitude de l’oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d’un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d’oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l’intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

The aim of this thesis was to highlight the possibility of using semiconductor quantum dots as the realization of quantum bits, building blocks of quantum information. We have demonstrated the feasibility of establishing a two-level system, which can be initialised and control ed using picosecond light pulses and then determined the time during which we were able to maintain its coherence. Rabi oscillations between the ground state and the excited level allow us to initialize the system in a coherent superposition which can then be manipulated by a second pulse in coherent control experiments. The system coherence time T2 is not only limited by the radiative lifetime T1 and remains well below the theoretical value T2 = 2T1. Different mechanisms of decoherence taking place were therefore studied, in particular the role of acoustic phonons, reponsible of a strong Rabi oscillations damping and a decrease of the coherence time for some of the quantum dots studied. However, in some cases we found proof of additional mechanisms related to the dots fluctuating electrostatic environment. In addition, a detailed study of dots emission polarization showed a tilt of eigenstates of the fine structure of the exciton, as well as a modification of their emission intensity, indicating a strong mixing in the valence band, between heavy holes and light holes; Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence

The aim of this thesis was to highlight the possibility of using semiconductor quantum dots as the realization of quantum bits, building blocks of quantum information. We have demonstrated the feasibility of establishing a two-level system, which can be initialised and control ed using picosecond light pulses and then determined the time during which we were able to maintain its coherence. Rabi oscillations between the ground state and the excited level allow us to initialize the system in a coherent superposition which can then be manipulated by a second pulse in coherent control experiments. The system coherence time T2 is not only limited by the radiative lifetime T1 and remains well below the theoretical value T2 = 2T1. Different mechanisms of decoherence taking place were therefore studied, in particular the role of acoustic phonons, reponsible of a strong Rabi oscillations damping and a decrease of the coherence time for some of the quantum dots studied. However, in some cases we found proof of additional mechanisms related to the dots fluctuating electrostatic environment. In addition, a detailed study of dots emission polarization showed a tilt of eigenstates of the fine structure of the exciton, as well as a modification of their emission intensity, indicating a strong mixing in the valence band, between heavy holes and light holes; Le but de cette thèse a été de mettre en évidence notre capacité à utiliser des boîtes quantiques semi-conductrices comme support à la réalisation de bits quantiques, briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons ainsi démontré la possibilité de définir un système à deux niveaux, dont l'initialisation et le contrôle est réalisable au moyen d'impulsions lumineuses picosecondes et déterminé le temps durant lequel nous étions en mesure de conserver sa cohérence. Les oscillations de Rabi entre niveau fondamental et niveau excité permettent d'initialiser le système dans une superposition cohérente pouvant être ensuite manipulée par une deuxième impulsion au cours d'expériences de contrôle cohérent. Le temps de cohérence T2 du système n'est pas seulement limité par la durée de vie radiative T1 et reste très inférieur à la valeur théorique T2= 2T1. Les différents mécanismes de décohérence entrant en jeu ont dès lors été étudiés, en particulier le rôle des phonons acoustiques, responsables d'un fort amortissement des oscillations de Rabi et d'une diminution du temps de cohérence pour une partie des boîtes quantiques étudiées. Nous avons cependant dans certains cas mis en évidence la présence de mécanismes supplémentaires, liés aux fluctuations de l'environnement électrostatique des boîtes. Par ailleurs, une étude poussée de la polarisation de la luminescence émise par ces boîtes, dont la croissance a été réalisée en régime Stranski-Krastanov, a révélé une inclinaison des états propres de la structure fine de l'exciton, ainsi qu'une modification de leur intensité d'émission, témoignant d'un fort mélange des états lourds et légers de la bande de valence

Ce mémoire porte sur les mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans des systèmes de boîtes quantiques(BQs) d’InAs/InP. Les systèmes sont composés d’un sub- strat volumique d’InP, appelé matrice (M), d’un puits quantique d’InAs, nommé couche de mouillage (CM), et des familles de BQs d’InAs. La distinction entre les familles est faite par le nombre de monocouche d’épaisseur des boîtes qui sont beaucoup plus larges que hautes. Une revue de littérature retrace les principaux mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans les systèmes. Ensuite, différents modèles portant sur la fuite thermique des excitons des BQs sont comparés. Les types de caractérisations déjà produites et les spécifications des croissances des échantillons sont présentés. L’approche adoptée pour ce mémoire a été de caractériser temporellement la dynamique des BQs avec des mesures d’absorbtion transitoire et de photoluminescence résolue en temps (PLRT) par addition de fréquences. L’expérience d’absorption transitoire n’a pas fait ressortir de résultats très probants, mais elle est expliquée en détails. Les mesures de PLRT ont permis de suivre en température le temps de vie effectif des excitons dans des familles de BQs. Ensuite, avec un modèle de bilan détaillé, qui a été bien explicité, il a été possible d’identifier le rôle de la M et de la CM dans la relaxation et la fuite des excitons dans les BQs. Les ajustements montrent plus précisément que la fuite de porteurs dans les BQs se fait sous la forme de paires d’électrons-trous corrélées., This thesis focuses on the mechanisms of relaxation and leakage of excitons in systems of quantum dots (QDs) InAs / InP. The systems are composed of a substrate of InP volume, called matrix (M), of a quantum well of InAs, named wetting layer (CM), and of QD families of InAs. The distinction between the families can be explained by the number of monolayer-thick boxes that are wider than high. A literature review highlights the main relaxation mechanisms and leakage of excitons in systems. Then, different models on the thermal leakage of the QD excitons are compared.Then, a presentation of the different types of characterizations already and of the specifications on the samples growths. The approach used for this thesis is to temporarily characterize the dynamic of the QDs with transient absorption and upconversion. The transient absorption experiment’s results are not very convincing, but are minutely explained. PLRT measures were used to follow in temperature the excitons effective lifetime in the QDs families. Then, with a detailed balance model, which has been well explained, it was possible to identify the role of theMand CM in relaxation and leakage of excitons in QDs. As shown by the adjustement, the escape of carriers in the QDs is made in a correlated electron-hole pairs form.

This thesis work has focused on the synthesis of (In)GaN-based quantum dot (QD) structures by plasma-assisted molecular-beam epitaxy (PAMBE), deposited in both polar (0001) and semipolar (11-22) crystallographic orientations, for application as optical transducers for chemical sensors for detection of pH levels, and hydrogen or hydrocarbon concentrations in gas or liquid environments. In the first part of this work, I describe the synthesis of semipolar-oriented two-dimensional layers: binary alloys (AlN, GaN and InN) and ternary alloys (AlGaN and InGaN), which are required for the reference contact of the transducers and set the basic know-how to understand the transition from two-dimensional growth to three-dimensional QD nanostructures. It is particularly relevant the study of indium kinetics and indium incorporation during the PAMBE growth of InGaN(11-22) layers. Similarly to (0001)-oriented InGaN, optimum growth conditions for this semipolar crystallographic orientation correspond to the stabilization of 2 ML of In on the growing InGaN surface, in excellent agreement with first-principles calculations. The limits of the growth window in terms of substrate temperature and In flux lie at same values for polar and semipolar materials. However, I observe an inhibition of the In incorporation in semipolar layers even for substrate temperatures below the segregation threshold for polar InGaN. In a second stage, I report the successful fabrication of superlattices (SLs) of GaN/AlN and InGaN/GaN QDs, both in polar and semipolar orientations. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence confirmed the reduction of the internal electric field in the semipolar GaN/AlN QDs in comparison with polar structures. On the other hand, semipolar InGaN QDs must face the challenge of In incorporation in this crystallographic orientation. To overcome this problem, the influence of the growth temperature on the properties of the polar and semipolar InGaN QDs has been studied, considering growth at high temperature (TS = 650–510 °C, where In desorption is active) and at low temperature (TS = 460–440 °C, where In desorption is negligible). I demonstrate that low-TS growth conditions are not compatible with polar plane whereas they provide a favorable environment to semipolar plane to enhance the internal quantum efficiency of InGaN nanostructures. Finally, I have synthesized a number of GaN/AlN and InGaN/GaN QD optical transducers, grown in polar and semipolar orientations. In each case, the growth conditions to attain the targeted spectral range (emission at 420-450 nm with buffer transparent for wavelengths shorter than 325 nm) were identified. The influence of an external electric field on the luminescence of the transducers confirmed that the best performance (larger variation of the luminescence as a function of bias) was provided by InGaN/GaN QD structures. With this feedback, the specifications of the targeted opto-chemical transducer structures have been established (5 InGaN/GaN QD layers on Al0.35Ga0.65N:Si). Then, I have synthesized a number of InGaN/GaN opto-chemical transducers in order to get an insight on the reproducibility, limitations and critical steps in the fabrication process. Using these samples, we have achieved an integrated sensor system based on polar InGaN QD SLs, and the system was useful for monitorization of the pH value of water., Ce travail de thèse a porté sur la synthèse de boîtes quantiques (BQs) de semi-conducteurs nitrures orientés (11-22) ou (0001) par épitaxie par jets moléculaires à plasma d'azote, pour des applications aux capteurs chimiques pour la détection du niveau de pH, d'hydrogène ou des hydrocarbures dans des environnements gazeux ou liquides. Dans la première partie de ce manuscrit, je décri la synthèse des couches bidimensionnelles semi-polaires (11-22) : des couches binaires (AlN, GaN, and InN) et des ternaires (AlGaN et InGaN), qui sont requises pour le contact de référence dans les transducteurs et aussi pour établir une connaissance de base pour comprendre la transition dès la croissance bidimensionnelle à la croissance tridimensionnel des BQs. Un résultat particulièrement relevant est l'étude de la cinétique de croissance et l'incorporation de l'indium dans les couches d'InGaN(11-22). De même que pour InGaN polaire (0001), les conditions optimales de croissance pour l'orientation cristallographique semi-polaire correspondent à la stabilisation de 2 ML d'In sur la surface, en excellent accord avec des calculs théoriques. Les limites de la fenêtre de croissance en termes de température du substrat et de flux d'In sont les mêmes pour les matériaux semi-polaire et polaires. Cependant, j'ai constaté une inhibition de l'incorporation de l'In dans les couches semi-polaires, même pour une température en dessous du seuil de la ségrégation pour l'InGaN polaire. Dans une deuxième étape, j'ai fabriqué des super-réseaux de BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN, à la fois dans l'orientation polaire et semi-polaire. Les mesures de photoluminescence et de photoluminescence en temps résolu confirment la réduction du champ électrique interne dans les boîtes semi-polaires. D'autre part, les BQs semi-polaires à base d'InGaN doit relever le défi de l'incorporation d'In dans cette orientation cristallographique. Pour surmonter ce problème, l'influence de la température de croissance sur les propriétés des boîtes quantiques InGaN polaires et semi-polaires a été étudiée, en considérant la croissance à haute température (TS = 650–510 °C, où la désorption d'In est active) et à basse température (TS = 460–440 °C, où la désorption d'In est négligeable). J'ai démontré que les conditions de croissance à faible TS ne sont pas compatibles avec le plan polaire, tandis qu'ils fournissent un environnement favorable au plan semi-polaire pour améliorer l'efficacité quantique interne de nanostructures InGaN. Enfin, j'ai synthétisé un certain nombre de transducteurs à BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN selon les axes de croissance polaire et semi-polaire. Dans chaque cas, les conditions de croissance pour atteindre la fourchette spectrale ciblée (420-450 nm d'émission à avec une couche contact transparente pour des longueurs d'onde plus courtes que 325 nm) ont été identifiés. L'influence d'un champ électrique externe sur la luminescence des transducteurs ont confirmé que la meilleure performance (plus grande variation de la luminescence en fonction de la polarisation) a été fournie par des structures à base de BQs d'InGaN/GaN. Avec ces données, les spécifications des transducteurs opto-chimiques ont été fixées : 5 perides de BQs d'InGaN/GaN sur une couche contact d'Al0.35Ga0.65N:Si). Puis, j'ai synthétisé un certain nombre de ces transducteurs afin d'obtenir un aperçu sur la reproductibilité, limites et les étapes critiques du processus de fabrication. En utilisant ces échantillons, nous avons réalisé un système capteur intégré qui a été utile pour le suivi de la valeur du pH de l'eau.

The work proposed in this thesis is based on photon correlation experiments performed on a semi-conductor single photon emitter: CdSe/ZnSe nanowire quantum dot. Is presented the first demonstration of single photon emission at room temperature from an epitaxied quantum dot. To explain this result we investigated by a theoretical and experimental study, the exciton-phonon coupling efficiency and its consequence on the exciton luminescence intensity with temperature. We also present optical results on the robustness against temperature of this structure. Photon correlations techniques are also applied on charged quantum dots. Presence of the charged biexciton allowed to probe the fine structure of the excited trion, to describe its carrier relaxation processes, and to obtain a direct measurement of the p-shell hole spin flip time. Indications are also given on the possible doping nature. We also investigated spectral diffusion of the emitter caused by electronic fluctuations of the environnement. By a theoretical work, we show how to model the effect of the homogeneous phonon broadening, (poissonian emission energy process) combined with the spectral diffusion effect (markovian emission energy process) on the half line autocorrelation function. Thanks to experiments, We conclude on the statisic of the emission energy of the emitter at high temperature. We apply this theory on CdSe/ZnSe nanowire quantum dots and interpret temperature and power dependance of the environnement fluctuation thanks to the Kubo-Anderson Model., Le travail proposé dans cette thèse est basé sur des expérience de corrélation de photons faites sur un émetteur de photon unique semi conducteur: une boite quantique de CdSe dans un nanofil de ZnSe. La première démonstration d'émission de photons unique d'une boite quantique épitaxiée à température ambiante y est présentée. Pour expliquer ce résultat, nous avons étudie expérimentalement et théoriquement l'efficacité de couplage exciton-phonon et ses conséquences sur l'intensité de l'exciton avec la température. Nous présentons également des résultats optiques portant sur la robustesse de cette structure à haute température. La technique de corrélation de photons est également appliquée sur des boites quantiques chargées. la présence du exciton chargé nous a permis de sondé la structure fine du trio excité, de décrire ses processus de relaxations et d'obtenir une mesure direct du temps de spin flip du trou sur l'état p. Des indication sont également données sur la nature possible du dopage. Nous avons aussi étudié la diffusion spectrale de l'émetteur causée par les fluctuations électroniques de son environnement. Par un travail théorique nous montrons comment interpréter l'effet de l'élargissement phonon de la raie homogène, (processus poissonien) combiné avec l'effet de la diffusion spectral (processus markovien) sur la fonction de corrélation de la demi-raie. Grâce à l'expérience, nous concluons sur la statistique de l'énergie d'émission de l'émetteur à haute température. Nous appliquons cette théorie sur les nanofils et interprétons les dépendances en température et en puissance des fluctuations de l'environnement grâce au modèle de Kubo-Anderson.

The thesis focuses on quantum optical effects in semiconducting artificial atoms. We first investigate theoretically a single emitter coupled to a one-dimensional waveguide. This system allows for light propagation while preserving sensitivity at the single-photon level, which has motivated proposals for quantum gates and single-photon transistors. A scheme to monitor stimulated emission at the single-photon level in this one-dimensional open space is proposed, using an excited emitter (e.g. a quantum dot) and a classical pump (laser). We show that light is emitted in the stimulating mode and that the atom performs classical Rabi oscillation. The fully quantum dynamics is also explored, where a single-photon packet interacts with an initially excited emitter. In contrast with the case of a classical pump, stimulation by a single photon is irreversible, i.e., no oscillation takes place. Stimulation is optimal for a packet three times shorter than the spontaneously emitted one. We show how this optimal irreversible stimulated emission can be applied to perform universal quantum cloning. The same device provides either optimal quantum cloning or maximally entangled photon pairs, depending only on the size of the incoming packet. In the second part of the thesis, we investigate the spontaneous emission spectrum of a semiconducting quantum dot weakly coupled to a microcavity. In particular, we address the problem of cavity feeding, where the quantum dot spontaneously emits photons at the frequency of an off-resonance cavity. The influence of phonons in the cavity feeding mechanism is analysed. An important distortion of the apparent cavity peak induced by the presence of phonons is demonstrated. These effects are topical and can be implemented in state-of-the-art semiconducting devices., Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.

This thesis describes experiments on the synthesis of single wall carbon nanotubes (SWNTs), fabrication of ultra-clean CNT devices, and study of electronic properties of CNTs with transport measurements. The first part of this work describes the optimization of the synthesis parameters (by chemical vapor deposition - CVD) such as carbon precursor, gas flows, temperature, catalyst for the growth of high quality SWNTs. In all these parameters, the catalyst composition plays a very important role on the high selective growth of SWNTs with a narrow diameter distribution. The second part deals with the nanofabrication of ultra-clean CNT devices and the low temperature (40 mK) transport measurements of these CNT quantum dots. The level spectra of the electrons in the first shell are investigated using inelastic cotunneling spectroscopy in an axial magnetic field, which shows a strong negative spin-orbit coupling of electron. We find that the sequence of electron shell filling in our case (ΔSO < 0) is different from which would be obtained in the pure SU(4) Kondo regime (ΔSO = 0). Indeed, a pure orbital Kondo effect is observed in N=2e at a finite magnetic field. In the last part of this thesis, we describe the experimental implementation of the thermal evaporation of single-molecule magnet (SMM) for the future fabrication of ultra-clean CNT-SMM hybrid devices., Cette thèse décrit des expériences sur la synthèse de nanotubes de carbone (CNT) mono-paroi, leur intégration dans des dispositifs ultra-propres, ainsi que l'étude de leurs propriétés électroniques par des mesures de transport à très basse température. La première partie de ce travail décrit l'optimisation des paramètres de synthèse par déposition chimique en phase vapeur (CVD) tels que les précurseurs de carbone, les flux de gaz, la température, ou le catalyseur pour la croissance de CNT de très bonne qualité. Parmis tous ces paramètres, la composition du catalyseur joue un rôle decisif pour permettre une croissance sélective en mono-paroi ansi qu'une distribution de faible diamètre. Dans la deuxième partie nous développons la nanofabrication de boites quantiques ultra-propres à base de CNT ainsi que les mesures de transport de ces échantillons à basse température (40 mK). Le spectre de la première couche électronique du nanotube est mesuré par spectroscopie de cotunneling inélastique sous champ magnétique, montrant alors un fort couplage spin-orbite négatif, dans ce système. Nous montrons que la séquence de remplissage d'électrons dans notre cas (ΔSO < 0) est différente de celle que l'on obtiendrait en régime Kondo SU (4) (ΔSO = 0). En effet, un effet Kondo purement orbital est observé pour N =2e à champ magnétique fini. Dans la dernière partie de cette thèse, nous décrivons la mise en œuvre expérimentale d'un évaporateur thermique à aimants à molécule unique (SMM) pour la fabrication future de dispositifs hybrides CNT-SMM ultra-propres.

We have studied the spin dynamics of an individual Mn atom embedded a CdTe quantum dot. Our results show that the Mn spin relaxation is faster when the quantum dot contains an exciton. This can result in an optical orientation of the Mn spin. The valence band mixing is the critical parameter for the fast relaxation rates of the Mn spin in the exchange field of the exciton. This valence band mixing is controlled by the shape and strain of the quantum dot. The influence of these parameters on the optical pumping dynamics were analyzed in detail. Our simulation of optical pumping are in good agreement with experiments. The coherent dynamics of an individual Mn spin was also investigated. We discussed the influence of the coherent dynamics of the coupled electronic and nuclear spins on the optical pumping. We have shown that optically controlled coupling between electronic and nuclear spins could be used for Mn spin switching. We finally demonstrated that the combination of resonant laser and microwave fields can be used to optically detect the magnetic resonance of a Mn spin in a CdTe quantum dot., Nous avons étudié la dynamique de spin d'un atome de Mn inséré dans une boite quantique CdTe. Nos résultats montrent que la relaxation de spin du Mn est plus rapide lorsque la boite quantique contient un exciton. Ceci peut permettre une orientation optique du spin du Mn. Le mélange de bande de valence est le paramètre essentiel permettant la relaxation rapide du spin du Mn dans le champ d'échange de l'exciton. Ce mélange de bande de valence est controlé par la forme et les contraintes dans la boite quantique. L'influence de ces paramètres sur la dynamique du pompage optique a été analysée en détail. Nos simulations du pompage optique sont en bon accord avec les expériences. La dynamique cohérente d'un Mn individuel a aussi été étudiée. L'influence sur le pompage optique de la dynamique cohérente du spin électronique et nucléaire est discutée. Nous avons montré que le couplage entre spin électronique et nucléaire peut être contrôlé optiquement permettant une manipulation du spin du Mn. Nous avons finalement montré que la combinaison d'une excitation résonante optique et micro-onde peut être utilisée pour détecter optiquement la résonance magnétique d'un Mn dans une boite quantique CdTe.

In the framework of this thesis, single InAs/GaAs quantum dot devices were studied by optical means. Starting with a general description of self-assembled InAs QDs, two types of single QD devices were presented. The first approach was a tapered GaAs photonic wire embedding single InAs QDs whose efficiency as a single photon source was previously shown to be 90%. We investigated several optical properties of the single QDs. The charged and neutral states of the QD were identified and selectively excited using quasi-resonant excitation.The first original result of this thesis is the observation of a continuous temporal blue-drift of the QD emission energy. We attributed this blue drift to oxygen adsorption onto the sidewall of the wire, which modified the surface charge and hence the electric field seen by the QD. Moreover, we demonstrated that a proper coating of the GaAs photonic nanowire surface suppressed the drift. The temperature effect on this phenomenon revealed an adsorption peak around 20K, which corresponds to the adsorption of oxygen on GaAs. This observation is in good agreement with previous temperature studies with a tapered photonic wire. This was the first study of the spectral stability of photonic wires embedding QDs, crucial for resonant quantum optics experiments. As an alternative, we took advantage of this temporal drift to tune QD emission energies. In a controlled way, we tuned into resonance two different QDs which were embedded in the same photonic nanowire. In the last part of this work, we studied the influence of the stress on single QDs contained in a trumpet-like GaAs photonic wire. The main effect of stress is to shift the luminescence lines of a QD. We applied the stress by exciting mechanical vibration modes of the wire. When the wire is driven at its the mechanical resonance the time-integrated photoluminescence spectrum is broaden up to 1 meV owing to the oscillating stress, The measured spectral modulation is a first signature of strain-mediated coupling between a mechanical resonator and embedded QD single light emitter. With a stroboscopic technique, we isolated a certain phase of the oscillating wire and thereby selected a value of QD emission energies. As a highlight of our study, we managed to bring two different QDs contained in the same wire into resonance by controlling their relative phase. In addition, we could extract the 2D spatial positioning of embedded QDs from the spectral shifts observed for two orthogonal mechanical polarizations.. The investigation of the strain-mediated tuning of QDs can, therefore, be an effective tool to explore the QD positions without destroying the sample., Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d’extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l’observation de la dérive temporelle de la raie d’émission de la photoluminescence d’une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l’absorption des molécules d’oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu’une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l’énergie d’émission d’une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d’émission d’une boîte quantique s’élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l’aide d’une illumination stroboscopique synchronisée avec l’excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l’évolution du spectre d’une boîte quantique au cours d’une période de la vibration mécanique. L’amplitude de l’oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d’un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d’oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l’intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

This PhD thesis is at a cross-road between three different fields : the spintronics which uses the spin degree of freedom of the electron to build new devices ; the molecular electronics which tries to take advantage of the new development of the chemistry, to give a workaround to the all semiconductor paradigm of the microelectronics industry; and the molecular magnetism which synthesizes molecular magnet with properties of an increasing richness. Our work has been dedicated to the fabrication of a molecular magnet based electronic device with which we could use the spin of the electron to study the magnetic properties at a single molecule level. Such device could, in the future, be used in the field of quantum information. We have decided to fabricate a field effect molecular transistor in which a well known molecular magnet, the Terbium double-decker or TbPc2, acts as a channel. Thanks to this device, we evidenced the quantum tunnelling of the magnetization (QTM) at single molecule level. We demonstrated that the magnetic moment reversal induces an abrupt change in the differential conductance of the system. By performing a statistical study, we highlighted four resonances that were attributed to QTM. We also measured a single nuclear spin state : each resonance being directly associated with one particular nuclear spin state. We studied the nuclear spin temperature and showed that it could be influenced by the electrostatic environment. Furthermore, the spin state lifetime was assessed and estimated to few seconds, highlighting the low invasive character of our measurement technique. This work give the foundation of the first molecular magnet based Qbit. With radio frequency techniques, the nuclear spin could be manipulated, the readout being performed through conductance measurement., Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance.

We have studied the growth and the properties of InAsP/InP(001) quantum dots made by metal-organic vapor phase epitaxy for the realization of 1.55 µm single photon sources. Two complementary approaches, by scanning tunneling microscopy and transmission electron microscopy, have been investigated. On one hand, the study of cleaved quantum dots by scanning tunneling microscopy and spectroscopy, under ultra-high vacuum and at 4K, shows that these nanostructures exhibit up to 12 discretes localized states. Due to the tall height of the cleaved quantum dot, some excited states present a node in the growth direction. Simulation based on finite element method demonstrate that a parabolic potential is relevant to describe the lateral confinement of quantum dots. Tip-induced band bending effects are also studied in cleaved quantum dots, evidencing the contribution of hole states to the tunneling current. On the other hand, the structural properties of self-assembled quantum dots, studied by transmission electron microscopy, are correlated to the growth parameters. The influence of V-elements precursors on the quantum dot density, as well as the exchanges between the quantum dots and the wetting layer, are analyzed. The selective area growth of site-controlled quantum dots in nano-openings whose diameter is smaller than 100 nm is also investigated, in order to obtain a good and reproducible spatial coupling between a quantum dot and an optical microcavity. We show that the quantum dot formation does not rely on the Stranski-Krastanov growth mode, which may allow to control independently the height, the lateral size and the composition of the quantum dots., Nous avons étudié la croissance et les caractéristiques de boîtes quantiques InAs(P)/InP(001) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques, avec pour objectif la réalisation d'une source de photons uniques à 1.55 µm. D'une part, l'étude des boîtes quantiques clivées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel, sous ultra-vide à T=4K, montrent que ces nanostructures présentent jusqu'à 12 niveaux électroniques discrets. En raison de la grande hauteur des boîtes quantiques, certains niveaux présentent un nœud dans la direction de croissance. Des simulations par éléments finis montrent la pertinence d'un potentiel parabolique pour décrire le confinement latéral des boîtes quantiques. Les effets de courbures de bandes sont détaillés, mettant en évidence la contribution des niveaux de trous au courant tunnel. D'autre part, les propriétés structurales des boîtes quantiques auto-assemblées, étudiées en microscopie électronique en transmission, sont corrélées aux conditions de croissance. L'impact des précurseurs d'éléments V sur la densité de boîtes quantiques et les échanges entre les boîtes quantiques et la couche de mouillage, sont analysés. La croissance sélective de boîtes localisées dans des nano-ouvertures de diamètre inférieur à 100 nm a également été mise en œuvre afin d'obtenir un couplage spatial déterministe entre une boîte quantique et une microcavité optique. Nous montrons que la formation de boîtes quantiques par croissance sélective n'est pas régie par le mode de croissance Stranski-Krastanov, ce qui permet d'envisager de nouvelles possibilités quant au contrôle de la hauteur, de la taille latérale et de la composition des boîtes quantiques.

The spin of a carrier confined in a semiconductor quantum dot (QD) is an observable highly protected from the environment. It's a promising candidate to be a new vector of information for spintronic or quantum calculation based devices. Indeed, the confinement induces the suppression of the relaxation mechanisms linked to the carrier move in the space. In this thesis different aspects about the resident hole spin dynamic in InAs p-doped QDs are studied. The first part is dedicated to the microscopic description of the time resolved pump-probe experiment as well as the mechanisms of hole spin polarization under resonaznat and non resonant excitation. Second, the question about the nature of the mechanisms which induce the total hole spin relaxation is studied. The works performed at the INSP have highlighted that the hole spin relaxation is dominated by the dipolar term of the hyperfine interaction. This interaction leads to a partial relaxation of the hole spin polarization in a characteristic time of 10 ns. With the aim of exploring longer dynamics (100 ns - 1 ms), I have proceeded to a novel experiment which is based on a frequency analysis. Through the magnetic field and the temperature dependencies of long time-scale hole spin relaxation, the ultimate mechanisms of spin relaxation are determined. As well, a study about the possibility to induce a nuclear polarization by the hole spin is performed. Indeed, when the career spin relaxes, it hands his spin kinetic momentum to the nuclear bath. If this process is repeated faster than the relaxation time of nuclei, the nuclear bath can be polarized. This phenomenon has already been observed in QDs. Nevertheless, it always has been associated to the electron. In our sample, we have obtained a possible signature of nuclear polarization created by the hole. This polarization generates an effective magnetic field of around one milli-Teslat. Notice that, the nuclear polarization, with extended spin life-times, can also be used as a robust spin information media. The last part of the thesis is dedicated to the hole spin Qbit coherence. The hole spins are analysed in transverse magnetic field. In this configuration we have demonstrated the mode locking of the hole spin precession and measured the intrinsic coherence time around one micro-second. This value, in the one hand, demonstrates the interest of hole spin as a robust candidate to code quantum information, and in the other hand, opens the door to quantum manipulations such as the phase control of the spin Qbit with the optical Strak effect.; Le spin d'un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l'information, dans des dispositifs pour l'électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d'InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l'expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu'à l'exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d'environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l'électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l'ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d'un temps de vie de spin très long (ms) peut, à son tour devenir, un support robuste de l'information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l'on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l'énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d'une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d'une part, l'intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l'information quantique, et d'autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.

The spin of a carrier confined in a semiconductor quantum dot (QD) is an observable highly protected from the environment. It's a promising candidate to be a new vector of information for spintronic or quantum calculation based devices. Indeed, the confinement induces the suppression of the relaxation mechanisms linked to the carrier move in the space. In this thesis different aspects about the resident hole spin dynamic in InAs p-doped QDs are studied. The first part is dedicated to the microscopic description of the time resolved pump-probe experiment as well as the mechanisms of hole spin polarization under resonaznat and non resonant excitation. Second, the question about the nature of the mechanisms which induce the total hole spin relaxation is studied. The works performed at the INSP have highlighted that the hole spin relaxation is dominated by the dipolar term of the hyperfine interaction. This interaction leads to a partial relaxation of the hole spin polarization in a characteristic time of 10 ns. With the aim of exploring longer dynamics (100 ns - 1 ms), I have proceeded to a novel experiment which is based on a frequency analysis. Through the magnetic field and the temperature dependencies of long time-scale hole spin relaxation, the ultimate mechanisms of spin relaxation are determined. As well, a study about the possibility to induce a nuclear polarization by the hole spin is performed. Indeed, when the career spin relaxes, it hands his spin kinetic momentum to the nuclear bath. If this process is repeated faster than the relaxation time of nuclei, the nuclear bath can be polarized. This phenomenon has already been observed in QDs. Nevertheless, it always has been associated to the electron. In our sample, we have obtained a possible signature of nuclear polarization created by the hole. This polarization generates an effective magnetic field of around one milli-Teslat. Notice that, the nuclear polarization, with extended spin life-times, can also be used as a robust spin information media. The last part of the thesis is dedicated to the hole spin Qbit coherence. The hole spins are analysed in transverse magnetic field. In this configuration we have demonstrated the mode locking of the hole spin precession and measured the intrinsic coherence time around one micro-second. This value, in the one hand, demonstrates the interest of hole spin as a robust candidate to code quantum information, and in the other hand, opens the door to quantum manipulations such as the phase control of the spin Qbit with the optical Strak effect.; Le spin d'un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l'information, dans des dispositifs pour l'électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d'InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l'expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu'à l'exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d'environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l'électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l'ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d'un temps de vie de spin très long (ms) peut, à son tour devenir, un support robuste de l'information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l'on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l'énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d'une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d'une part, l'intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l'information quantique, et d'autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.

We have studied the dynamic properties of a single spin (Mn impurity or resident electron) in a II-VI semiconductor quantum dot. A quantum dot doped with a single Mn atom presents six lines which allow to probe optically the spin-state of the Mn atom. Pump-probe experiments at a single dot level were carried out to demonstrate that the Mn spin could be oriented in a few tens of ns, and that the spin-distribution prepared by such means was perfectly conserved over a few µs. The optical pumping of the Mn spin at zero magnetic field is controlled by a strain-induced magnetic anisotropy. Furthermore, seeking for a microscopic mechanism controlling the optical pumping of the Mn atom, we have evidenced spin relaxation channels within the exciton-Mn complex. At last, we have evidenced an optical Stark effect on any of the lines of a Mn-doped quantum dot. Concerning the dynamics of an electron in a II-VI quantum dot, we have evidenced optical pumping of the resident electron, and dynamic nuclear spin polarization., Nous avons étudié les propriétés dynamique d'un spin individuel dans une boite quantique de semiconducteur II-VI (spin d'un atome de Mn ou electron résident). Une boîte quantique comportant un atome de manganese présente six raies qui permettent de sonder optiquement l'état de spin du Manganese. Des expériences pompe-sonde réalisées sur boîte unique ont permit de montrer que le spin du Mn peut être orienté optiquement en quelques dizaines de ns, que le temps de vie T_1 de ce spin est supérieur à la µs, et que le pompage optique en champ nul est controlé par une anisotropie magnétique induite par les contraintes. Par ailleurs, dans le but d'identifier les mechanismes du pompage optique, nous avons mis en évidence des processus de relaxation de spin au sein du système exciton-manganese, durant la durée de vie de ce dernier. Enfin, nous avons mis en evidence un effet Stark optique sur chacune des raies d'une boîte quantique magnétique. Concernant la dynamique d'un électron dans une boîte quantique II-VI, nous avons mis en évidence le pompage du spin de l'électron résident ainsi que des noyaux.

This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured.; Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

Scanning gate microscopy (SGM), developed in the late 1990's, has become a powerful tool to investigate the local electronic properties in semiconductor nano devices. SGM is based on the AFM technique but the metallic tip is used as a movable gate capacitively coupled to the device, and the electron transport property is studied on influence of this gate, providing spatial information with high resolution. This thesis presents the update of the force detection mode of our AFM system from optical method to force sensing by a quartz tuning fork, and the SGM measurement results on various nano devices, all of which are fabricated from InGaAs/InAlAs heterostructures containing a high mobility 2DEG located a few tens of nanometers below the surface. On a 2DEG constriction, we investigate the tip-sample interaction with two approaches: the capacitive force and the gate effect. On a quantum dot, we study the Coulomb blockade phenomena where the tip is used as a gate to modulate the charging/discharging inside the dot. In a work on Braess paradox, with the help of numerical simulations, we discover a Braess paradox effect by modulating a channel width in a ‘double-ring' shaped mesoscopic device in analogy with the one that occurs in a classical network. By a detailed study of the conductance changes, we discover several charge traps from the SGM map, and propose a model to interpret the conductance change with the presence of charge traps. We develop a method to directly image the charge traps by transconductance measurements with a voltage modulation on the tip., La microscopie de grille à balayage (SGM pour Scanning GateMicroscopy), développée à la fin des années 1990, est devenue un outilpuissant pour étudier les propriétés électroniques locales dans lesnano-dispositifs semi-conducteurs. La SGM est basée sur la techniqueAFM, mais la pointe métallique est utilisée comme une grille mobilecouplée capacitivement au dispositif, et les propriétés de transportélectronique sont étudiées sous l'influence de cette grille,fournissant des informations spatiales à haute résolution. Cette thèsedécrit d'abord le remplacement de la détection optique de notresystème AFM par une détection piézo-électrique utilisant un diapason àquartz, puis les résultats de mesures SGM sur divers nano-dispositifs,qui sont tous fabriqués à partir d'hétérostructures InGaAs / InAlAscontenant un gaz d'électrons bi-dimensionnel (2DEG) de grande mobilitésitué à quelques dizaines de nanomètres sous la surface. Sur unesimple constriction, nous étudions l'interaction pointe-échantillonavec deux approches: la force électrostatique et l'effet capacitif.Sur une boite quantique, nous étudions les phénomènes de blocage deCoulomb lorsque la pointe est utilisée comme une grille pour modulerla charge à l'intérieur de la boite. Dans un travail sur le paradoxede Braess, avec l'aide de simulations numériques, nous découvrons uneffet paradoxal en modulant la largeur du canal central dans undispositif mésoscopique en forme de double anneau, en analogie avec leparadoxe qui se produit dans un réseau classique. Par une étudedétaillée de l'évolution de la conductance, nous découvrons enfinplusieurs pièges de charge dans les images SGM, et proposons un modèlepour interpréter le changement de conductance en présence de pièges decharge. Nous développons alors une méthode pour imager directement lespièges de charge par des mesures de transconductance avec unemodulation de la tension sur la pointe.

This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured., Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

This thesis is devoted to theoretically study the systems of single quantum dots (QDs) embedded in various photonic nanostructures, in close relation with experimental data. The word single is essential: due to their nanometer size, QDs have mainly been studied as ensembles. It is only recently that the experimental progress, in particular in the domain of QDs growth, has allowed to address single QDs. This helped to observe that the confined states in a QD resemble those of an atom, leading in turn to the macro-atom picture for QDs. It opened the path to the study of cavity quantum electrodynamics (CQED) in the solid state, as the analogous of a system of an atom in an electromagnetic cavity. However, already at the level of the QD (i.e. without a solid state cavity), the macro-atom picture has been proven to be oversimplified. Various effects related to the solid state environment of the QD have been experimentally and theoretically evidenced, like the influence of acoustic and optical phonons. These are channels of decoherence for the otherwise well isolated and confined QD levels. When adding the cavity, these effects are possibly enhanced, which can lead to very large deviations from the CQED ideal picture. Therefore the clear understanding of these effects is of essential importance, especially in view of the application of solid state systems to quantum information science. In Chapter 2, we address the radiation-matter coupling between two QDs in a nanocavity. This field of research combines the high quality of light resonators to the nonlinearities of the semiconductor material. It is promising in view of manipulating and transferring single long-lived excitations, an essential goal for quantum information science. Then, we study the deviations of a QD from the idealized macroatom picture. First, in Chapter 3, we include the influence of acoustic phonons on the light emitted by a QD-cavity system. We show that the QD modified susceptibility leads to the qualitative explanation of the cavity feeding effects, which is one of the most striking deviations of the QD-cavity system from the ideal CQED picture. In addition to phonons are extended two-dimensional states populated by the non resonant pumping laser in the QD's wetting layer (WL). In Chapters 4 and 5 we build a Monte-Carlo model of the excitation-decay mechanism in a QD-cavity system. We use it to describe the influence of WL states on the dynamics of the QD, leading in turn to a non-CQED behavior. This approach is particularly successful in the case of large QD-cavity detuning, where it predicts both time-dependent and spectral characteristics of the emitted light. Finally, in Chapter 6, we discuss our conclusions, emphasizing in particular that the knowledge of the actual solid state environment of the QD leads to a better control over the parameters allowing to reach the CQED regime. We also discuss the possible extensions of this work, in particular in relation to the analysis of the stimulated emission regime.

The Kondo effect arises when a single magnetic impurity is tunnel coupled to a Fermi sea. The essence of this highly correlated electron state is found in the non perturbative nature of the exchange interaction between the local moment and the surrounding conduction electrons which leads to a non magnetic ground state at zero temperature. In the Kondo regime all the physical quantities of the system (impurity+electron reservoir) scale with a unique energy being the Kondo temperature TK. This universal character has been observed in metals containing a large number of magnetic impurities and in man made artificial magnets such as quantum dots. To be experimentally observable, the tunneling element connecting the local moment and the Fermi reservoir has to be large and the Kondo problem is often referred to as a strong coupling limit. Laterally defined quantum dots offer great possibilities to investigate further more the Kondo effect. In particular, constraining the Fermi sea to a finite region and studying how this influences the screening of the local moment appears to be a crucial question in the Kondo problem. We will present transport measurements through a double quantum dot where a small quantum dot acting as a magnetic impurity will be tunnel coupled to a large quantum dot being the finite size reservoir. Different experiments performed in the strong inter-dot coupling limit will confront us to the multi level nature of the large quantum dot where hybridization of both objects has to be carried over several energy levels. Furthermore, we will present data where evidences of transport mechanisms through the system are mediated by a Kondo mechanism through an hybridized level of the dots. At the double dot charge degeneracy point, a boosting of the Kondo temperature due to the reduction of the charging energy of the system, enables to reveal a Kondo singlet at finite temperature. By considering the different spin configurations possible in our system, we will discuss the competition between two possible singlet states one can stabilize in the system, a Kondo type singlet and a inter-dot singlet where multi level effects play an important role. We believe that the reduction of the exchange coupling between the two dots due to the small level spacing in the large dot explains the invariance of the phenomenon with respect to the occupation number of the large dot at our base electron temperature.; L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté+réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK . Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d' étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience.

This thesis is devoted to the study of current correlation of single-electron beams in a ballistic quantum conductor. A mesoscopic capacitor is used as an on-demand single electron emitter to emit single charges in a quantum Hall effect edge channel. When driven by a large high-frequency excitation voltage, the source periodically emits a single electron followed by a single hole, thus generating a quantized AC current in units of 2ef_0, where f_0 is the drive frequency. We have measured the autocorrelation of the current fluctuations emitted by the source, putting into light a fundamental high-frequency noise limit, called quantum jitter, which is the signature of single particle emission. The measurements are in excellent agreement with both a heuristic model describing the mesoscopic capacitor as a perfect emitter, and more sophisticated time-dependent scattering model. We have also measured the autocorrelation of the current fluctuations after partition by a quantum point contact acting as an electronic beam-splitter. This geometry is the electronic analog of the quantum optics Hanbury-Brown and Twiss experiment, allowing to characterize the accuracy of single-particle emission. In a ballistic conductor, this geometry furthermore allows to measure the number of excitations generated per cycle, as well as to measure their energy distribution. These two experiments are the first realizations of single-charge electron quantum optics experiments, paving the way to more complex experiments such as two-particle collisions and single charge tomography., Cette thèse est consacrée à l'étude des corrélations de courant de faisceaux mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique. Nous utilisons une capacité mésoscopique comme source d'électrons uniques afin d'émettre à la demande des charges dans un canal de bord de l'effet Hall quantique. En présence d'une forte tension d'excitation radiofréquence, la source émet périodiquement un électron unique suivi d'un trou, générant un courant alternatif quantifié en unités de 2ef_0, où f_0 est la fréquence d'excitation. Nous avons mesuré le bruit émis par la source, et mis en évidence une limite de bruit haute fréquence fondamentale, appelée jitter quantique, qui est la signature de l'émission de charges uniques. Les mesures sont en très bon accord avec un modèle heuristique décrivant le système comme une source d'électrons uniques parfaite, ainsi qu'avec un modèle plus raffiné de diffusion des ondes électroniques. Nous avons également mesuré les autocorrélations des fluctuations du courant après partition par un contact ponctuel quantique jouant le rôle de lame séparatrice électronique. Cette géométrie, analogue électronique de l'expérience de Hanbury-Brown et Twiss en optique quantique, permet de quantifier la qualité de l'émission de particules uniques. Dans un conducteur balistique, cette géométrie permet en outre de compter le nombre d'excitations générées à chaque cycle, ainsi que de mesurer leur distribution en énergie. Ces deux expériences constituent les premières réalisations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques. Elles permettent d'envisager des expériences plus complexes, comme la collision de deux charges, et la tomographie d'un électron unique.

Some special features of polaritons, quasi-particles being normal modes of system of excitons interacting with photons in so called strong coupling regime, are theoretically and numerically analyze in low dimensional systems. In Chapter 1 is given a brief overview of 0D, 1D and 2D semiconductor structures with a general introduction to the polariton field. Chapter 2 is devoted to micro / nano wires. The so called whispering gallery modes are studied in the general case of an anisotropic systems as well as polariton formation in ZnO wires. Theoretical model is compared with an experiment. In the Chapter 3 Josephson type dynamics with Bose-Einstein condensates of polaritons is analyzed taking into account pseudospin degree of freedom. Chapter 4 start with an introduction to Aharonov-Bohm effect, as the best known represent of geometrical phases. An another geometrical phase – Berry phase, occurring for a wide class of systems performing adiabatic motion on a closed ring, is main subject of this section. We considered one proposition for an exciton polariton ring interferometer based on Berry phase effect. Chapter 5 concerns one 0D system : strongly coupled quantum dot exciton to cavity photon. We have discussed possibility of obtaining entangled states from a quantum dot embedded in a photonic crystal in polariton regime.; Quelques particularités des polaritons, (quasi) particules-modes normaux du système d'excitons en interaction avec des photons en régime de couplage dit fort, sont théoriquement et numériquement analysés dans les systèmes de dimensionnalité basse. Dans le chapitre 1 est donné un bref aperçu en structure 0D, 1D et 2D semi-conductrices avec une introduction générale au domaine des polaritons. Le chapitre 2 est consacré aux micro / nano fils. Les modes de galerie sifflants sont étudiés dans le cas général d'un système anisotrope ainsi que la formation des polaritons dans les fils de ZnO. Le modèle théorique est comparé à l’expérience. Dans le chapitre 3 la dynamique de type Josephson pour les condensats de Bose-Einstein des polaritons est analysé en prenant en compte le pseudospin. Le chapitre 4 commence par une introduction à l'effet Aharonov-Bohm, qui est la phase géométrique la plus connue. Une autre phase géométrique - phase de Berry, qui existe pour une large classe de systèmes en évolution adiabatique sur un contour fermé, est l'objet principal de cette section. Nous avons examiné une proposition d'un interféromètre en anneau avec exciton-polaritons basé sur l'effet phase de Berry. Le chapitre 5 concerne un système 0D: un exciton d’une boîte quantique fortement couplé avec des photons dans une cavité optique. Nous avons discuté de la possibilité d'obtenir des états intriqués à partir d'une boîte quantique embarquée dans un cristal photonique en régime polaritonique.

We have studied the coherence properties of one electron-pair state confined in a single quantum dot (QD). Two kinds of dots are studied: monolayer step-induced GaAs QDs and self-organized InAs QDs. In order to probe at resonance the excitonic intrinsic properties, the QDs are embedded in a one-dimensional waveguide. The QD luminescence is then collected from the top surface of the waveguide, so that we can separate photons coming from excitation and luminescence. Firstly, We demonstrate the existence of a strong coupling regime between a single QD and light pulses by observing Rabi oscillations of the micro-photoluminescence as a function of the pulse area. Secondly, the electron-hole pair can be driven by a pair of phase-tailored pulses in a coherent control experiment. Depending on the relative phase between the two pulses, constructive or destructive interferences can enhance or destroy the QD emission during the coherence time. Two interesting coupling regimes have been investigated. The case of an excitation with π-pulses allows to measure lifetimes, T1, of excited states, whereas π/2-pulses are used to measure the coherence time, T2, of the fundamental transition. The results show that the total decoherence time T2 (170 ps) is comparable to the effective exciton lifetime T1 (200 ps) although not reaching the upper theoretical limit of 2T1. We conclude that energy relaxation and pure dephasing processes due to virtual scattering with phonons contribute on an equal footing to the loss of coherence.; Nous avons étudié les propriétés de cohérence d'une paire électron-trou confinée dans une boîte quantique (BQ) unique. Ce travail a été réalisé sur deux types de BQs : d'une part, des BDs de GaAs sur GaAlAs obtenues par fluctuations d'épaisseur aux interfaces, et d'autre part, des BQs auto-organisées d'InAs sur GaAs. Afin d'exciter de manière résonnante la transition fondamentale de BQs, celles-ci sont insérées dans un guide d'onde unidimensionnel. La luminescence des BQs est collectée par la surface du guide d'onde, de telle façon à séparer la luminescence du laser diffusé. Tout d'abord, nous avons observé des oscillations de Rabi sur l'intensité de la micro-photoluminescence en fonction de l'aire de l'impulsion lumineuse d'excitation. Ceci démontre l'existence d'une régime de couplage fort entre une BQ unique et l'impulsion. Deuxièmement, une paire électron-trou peut être manipuler par un train de deux impulsions, dans une expérience dite de contrôle cohérent. En fonction de la différence de phase entre les deux impulsions, des interférences constructives ou destructives entrainent, respectivement, une augmentation ou une diminution de l'intensité de la luminescence de la BQ. Nous avons montré que deux impulsions π permettent de mesurer le temps de vie, T1, de l'état excité et deux impulsions π/2 sont utilisées pour mesurer le temps de cohérence, T2. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de décohérence total, T2 (170 ps), est du même ordre de grandeur que le temps de vie T1 (200 ps) bien que le limite supérieure de 2T1 ne soit pas atteinte. Nous en concluons que la perte de cohérence est autant dû à l'émission spontanée qu'aux processus de déphasage pur.

This work reports on the design, epitaxial growth and characterization of Al(Ga)N/GaN quantum wells (QWs) and quantum dots (QDs) which constitute the active region of intersubband (ISB) devices operating in the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral regions. Growth of these structures was performed using molecular beam epitaxy. The deposition process required fine tuning due to the large lattice mismatch. Infrared optical characterization demonstrates that the polarization-induced internal electric fields introduces a blue shift of the transitions and can critically modify the absorption magnitude. Three-dimensionally confined GaN/AlN QDs introduces many novel properties for application as active region in ISB devices. The growth of QDs was performed under both Ga-rich and N-rich conditions. Dilution of QDs with required size was achieved using the enhanced-mobility condition of the Ga-rich method. Spectroscopic studies reveal absence of non-radiative recombination even in long lived QDs. Photodetectors fabricated on GaN/AlN QD superlattices present photocurrent at NIR and MIR, assigned to s-pz and s-pxy transitions, respectively. The dark current depends on the QD density due to hopping transport. Foreseeing the importance of ISB devices in MIR and far-infrared regions of the spectrum, we have achieved ISB wavelength extension up to ~ 10 µm. This was performed basically by decreasing the internal electric-field and reducing the quantum confinement in GaN/AlGaN QW superlattices. Doping can induce a blue shift of more than 50% of the ISB transition energy, due to many-body effects., Ce travail a porté sur la modélisation, l'épitaxie et la caractérisation de puits quantiques et de boîtes quantiques Al(Ga)N/GaN, qui forment la région active de composants intersousbande (ISB) opérant dans l'infrarouge proche (NIR) et l'infrarouge moyen (MIR). La croissance de ces structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires. La caractérisation optique infrarouge montre que les champs électriques induits par la polarisation introduisent un décalage vers le bleu des transitions et peuvent modifier de façon critique la magnitude de l'absorption. Les boîtes quantiques (QDs) de GaN/AlN confinées en trois dimensions introduisent de nombreuses nouvelles propriétés pour leur utilisation en tant que région active de composants ISB. La croissance des QDs a été réalisée dans des conditions riche-Ga et riche-N. Les études spectroscopiques révèlent l'absence de recombinaisons non radiatives même dans le cas de QDs ayant des longs temps de vie. Les photodétecteurs fabriqués à partir de superréseaux de QDs de GaN/AlN présentent un photocourant dans le NIR et dans le MIR attribué respectivement aux transitions s-pz et s-pxy. Le courant d'obscurité dépend de la densité des QDs dû au transport hopping. Prévoyant l'importance des composants ISB dans les régions spectrales du MIR et de l'infrarouge lointain, nous avons obtenu une extension de la longueur d'onde ISB jusqu'à ~ 10 µm. Ce résultat a été obtenu en diminuant le champ électrique interne et en réduisant le confinement dans les puits quantiques GaN/AlGaN. Le dopage peut introduire un décalage vers le bleu de plus de 50% de l'énergie de transition ISB dû aux effets des corps multiples.

We have studied the coherence properties of one electron-pair state confined in a single quantum dot (QD). Two kinds of dots are studied: monolayer step-induced GaAs QDs and self-organized InAs QDs. In order to probe at resonance the excitonic intrinsic properties, the QDs are embedded in a one-dimensional waveguide. The QD luminescence is then collected from the top surface of the waveguide, so that we can separate photons coming from excitation and luminescence. Firstly, We demonstrate the existence of a strong coupling regime between a single QD and light pulses by observing Rabi oscillations of the micro-photoluminescence as a function of the pulse area. Secondly, the electron-hole pair can be driven by a pair of phase-tailored pulses in a coherent control experiment. Depending on the relative phase between the two pulses, constructive or destructive interferences can enhance or destroy the QD emission during the coherence time. Two interesting coupling regimes have been investigated. The case of an excitation with π-pulses allows to measure lifetimes, T1, of excited states, whereas π/2-pulses are used to measure the coherence time, T2, of the fundamental transition. The results show that the total decoherence time T2 (170 ps) is comparable to the effective exciton lifetime T1 (200 ps) although not reaching the upper theoretical limit of 2T1. We conclude that energy relaxation and pure dephasing processes due to virtual scattering with phonons contribute on an equal footing to the loss of coherence.; Nous avons étudié les propriétés de cohérence d'une paire électron-trou confinée dans une boîte quantique (BQ) unique. Ce travail a été réalisé sur deux types de BQs : d'une part, des BDs de GaAs sur GaAlAs obtenues par fluctuations d'épaisseur aux interfaces, et d'autre part, des BQs auto-organisées d'InAs sur GaAs. Afin d'exciter de manière résonnante la transition fondamentale de BQs, celles-ci sont insérées dans un guide d'onde unidimensionnel. La luminescence des BQs est collectée par la surface du guide d'onde, de telle façon à séparer la luminescence du laser diffusé. Tout d'abord, nous avons observé des oscillations de Rabi sur l'intensité de la micro-photoluminescence en fonction de l'aire de l'impulsion lumineuse d'excitation. Ceci démontre l'existence d'une régime de couplage fort entre une BQ unique et l'impulsion. Deuxièmement, une paire électron-trou peut être manipuler par un train de deux impulsions, dans une expérience dite de contrôle cohérent. En fonction de la différence de phase entre les deux impulsions, des interférences constructives ou destructives entrainent, respectivement, une augmentation ou une diminution de l'intensité de la luminescence de la BQ. Nous avons montré que deux impulsions π permettent de mesurer le temps de vie, T1, de l'état excité et deux impulsions π/2 sont utilisées pour mesurer le temps de cohérence, T2. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de décohérence total, T2 (170 ps), est du même ordre de grandeur que le temps de vie T1 (200 ps) bien que le limite supérieure de 2T1 ne soit pas atteinte. Nous en concluons que la perte de cohérence est autant dû à l'émission spontanée qu'aux processus de déphasage pur.

This thesis experimentally investigates the inelastic mechanisms at work in mesososcopic electronic circuits. The measured circuits were tailored in the 2D electron gas obtained at the interface of a GaAs/AlGaAs heterostructure. We explored the inelastic dynamics of edge channels implemented in the integer and fractionnel quantum Hall regimes, as well as the dynamics resulting from the interaction between a quantum conductor and the macroscopic circuit embedding it., Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des processus d'interaction inélastiques à l'oeuvre dans les circuits mésoscopiques. Les circuits mesurés sont réalisés dans des gaz bidimensionnels d'électrons crées à l'interface d'une hétérojonction semi-conductrice GaAs/Ga(Al)As. Nous avons exploré les régimes de l'effet Hall quantique entier et fractionnaire, ainsi que les interactions entre un conducteur cohérent et le circuit dans lequel ils'insère.

Exciton-polaritons, mixed light-matter particles are on their way to break into the world of optoelectronic devices thanks to unique properties and nonlinear effects in polariton systems. The present thesis is devoted to the investigation of nonlinear effects and applications of exciton-polaritons. The first part of the thesis investigates nonlinear effects such as the polariton parametric oscillator and the polariton bistability: A new mathematical approach in between the semiclassical and the fully coherent picture is developed and the crucial impact of fluctuations on the bistability is in the focus of this work. Applications of excitonpolaritons are the subject of the second part. ZnO based structures are suited candidates for room temperature polariton lasing and we simulate such a structure numerically in dependence of the quality factor and the Rabi splitting. Beside the laser, the unique spin structure opens a lot of possibilities. In analogy to the spintronic Datta and Das spin transistor a new polaritonic spin transistor is developed and presented. Also other analogies, such as the Josephson effect are predicted for polaritons. This effect is complex enough to show chaotic behavior in some parameter range. The chaotic oscillations can be used for secure communication. The last part of the thesis is devoted to 0D polaritons and to an on-chip source of entangled photon pairs. Existing problems blocking the realization of highly correlated two-photon sources based on the biexciton decay in quantum dots can be overcome in the strong coupling regime., Les excitons-polaritons sont des particules mixtes de lumière et de matière. Ils peuvent être le futur des applications optoélectoniques, en vertu de leur réponse optique non-linéaire qui est extrêment forte. Cette thèse est consacrée aux effets non-linéaires et aux applications variées des excitons-polaritons dans les nanostructures à base de semi-conducteurs. Les microcavités planaires et les polaritons 2D sont étudiés dans les premiers chapitres, alors que le dernier chapitre est consacré à l'étude du système de boites quantiques en cavité (polaritons 0D). L'oscillateur paramétrique et la bi stabilité sont le sujet de la première partie de la thèse. Une approche mathématique intermédiaire entre les approches semi-classiques et purement cohérente est présentée. L'impact des fluctuations proches du seuil de bi stabilité est étudié. La deuxième partie est consacrée à la présentation de différentes applications basées sur les propriétés des polaritons. Un laser à polaritons basé sur une cavité de ZnO est modélisé et les résultats soulignent les avantages de l'utilisation de ce matériau pour la réalisation de ce type d'application à température ambiante. La structure de spin particulière des polaritons est par la suite utilisée pour proposer deux nouvelles applications. La première est un analogue optique du transistor de spin pour les électrons, appelé transistor Datta et Das. La deuxième propose d'utiliser le comportement chaotique d'une jonction Josephson polaritonique afin d'implémenter un système de crytage chaotique d'un signal. Le dernier chapitre est consacré aux polaritons 0D. Nous montrons comment la réalisation du régime de couplage fort permet de réaliser une source de photons intriqués basée sur le déclin du bi exciton dans une boite quantique en résolvant un certain nombre de difficultés par rapport au système constitué d'une boite quantique simple.

We studied Mn spin dynamics in II-VI magnetic quantum wells and quantum dots and we showed the complex dynamics of these Mn is driven by their coupling to different solid excitations. The environment importance has been investigated while varying the studied structures dimensionality, their Mn concentration or the applied magnetic field. We demonstrate that depending on these variables values, the coupling of one of the solid excitations with the Mn generally overcomes the other ones. Thanks to magneto-optical micro-spectroscopic studies of magnetic quantum dots, we first proved the influence of photocreated carriers in the vicinity of quantum dots over the Mn dynamics. These carriers induce a heating effect due to a flip-flop mechanism between carriers and Mn, and controlled by a positive feedback loop. Moreover, this effect is all the more important than magnetic field and Mn concentration are low and than system dimensions are small. Then, the experimental development of a "high" pulsed magnetic field technique allowed us to optically probe the Mn dynamics in magnetic quantum wells. This results in the observation of a very fast Mn dynamics, under zero or low magnetic field, and for low Mn concentration. This dynamics, not well understood yet, seems to be due to the evolution, during the field pulse, of isolated Mn whose internal energetic structure is complex because of hyperfine interaction and strains.; Nous avons étudié la dynamique de spins de Mn dans des boîtes et des puits quantiques magnétiques II-VI, et mis en évidence que la dynamique complexe de ces Mn est régie par leur couplage avec les différentes excitations du solide. L'influence de l'environnement a notamment été explorée en fonction de la dimensionnalité des structures étudiées, de leur concentration en Mn ou du champ magnétique appliqué. Nous avons montré qu'en fonction de la valeur de ces variables, le couplage d'une des excitations du solide avec les Mn prend généralement le pas sur les autres. Grâce à des études de micro-spectroscopie magnéto-optique de boîtes quantiques magnétiques, nous avons d'abord mis en exergue l'influence des porteurs photocréés au voisinage des boîtes sur la dynamique des Mn. Ces porteurs génèrent un effet de chauffage des Mn via un mécanisme de flip-flop entre porteurs et Mn, contrôlé par une boucle de rétroaction positive. De plus, cet effet est d'autant plus important que le champ magnétique et la concentration en Mn sont faibles et que les dimensions du système sont petites. Ensuite, le développement expérimental d'une technique de "fort" champ magnétique pulsé nous a permis de sonder optiquement la dynamique des Mn dans des puits quantiques magnétiques. Ceci a permis d'observer une dynamique très rapide des Mn, en champ magnétique nul ou au voisinage, et à faible concentration en Mn. Cette dynamique, encore mal comprise, semblerait être liée à l'évolution, pendant l'impulsion de champ, de Mn isolés dont la structure énergétique interne est complexe à cause de l'interaction hyperfine et des contraintes.

We studied Mn spin dynamics in II-VI magnetic quantum wells and quantum dots and we showed the complex dynamics of these Mn is driven by their coupling to different solid excitations. The environment importance has been investigated while varying the studied structures dimensionality, their Mn concentration or the applied magnetic field. We demonstrate that depending on these variables values, the coupling of one of the solid excitations with the Mn generally overcomes the other ones. Thanks to magneto-optical micro-spectroscopic studies of magnetic quantum dots, we first proved the influence of photocreated carriers in the vicinity of quantum dots over the Mn dynamics. These carriers induce a heating effect due to a flip-flop mechanism between carriers and Mn, and controlled by a positive feedback loop. Moreover, this effect is all the more important than magnetic field and Mn concentration are low and than system dimensions are small. Then, the experimental development of a "high" pulsed magnetic field technique allowed us to optically probe the Mn dynamics in magnetic quantum wells. This results in the observation of a very fast Mn dynamics, under zero or low magnetic field, and for low Mn concentration. This dynamics, not well understood yet, seems to be due to the evolution, during the field pulse, of isolated Mn whose internal energetic structure is complex because of hyperfine interaction and strains., Nous avons étudié la dynamique de spins de Mn dans des boîtes et des puits quantiques magnétiques II-VI, et mis en évidence que la dynamique complexe de ces Mn est régie par leur couplage avec les différentes excitations du solide. L'influence de l'environnement a notamment été explorée en fonction de la dimensionnalité des structures étudiées, de leur concentration en Mn ou du champ magnétique appliqué. Nous avons montré qu'en fonction de la valeur de ces variables, le couplage d'une des excitations du solide avec les Mn prend généralement le pas sur les autres. Grâce à des études de micro-spectroscopie magnéto-optique de boîtes quantiques magnétiques, nous avons d'abord mis en exergue l'influence des porteurs photocréés au voisinage des boîtes sur la dynamique des Mn. Ces porteurs génèrent un effet de chauffage des Mn via un mécanisme de flip-flop entre porteurs et Mn, contrôlé par une boucle de rétroaction positive. De plus, cet effet est d'autant plus important que le champ magnétique et la concentration en Mn sont faibles et que les dimensions du système sont petites. Ensuite, le développement expérimental d'une technique de "fort" champ magnétique pulsé nous a permis de sonder optiquement la dynamique des Mn dans des puits quantiques magnétiques. Ceci a permis d'observer une dynamique très rapide des Mn, en champ magnétique nul ou au voisinage, et à faible concentration en Mn. Cette dynamique, encore mal comprise, semblerait être liée à l'évolution, pendant l'impulsion de champ, de Mn isolés dont la structure énergétique interne est complexe à cause de l'interaction hyperfine et des contraintes.

Recently, the emission of single photons with emission wavelength in the 1.3 µm telecommunication window was demonstrated for InAs quantum dots. This makes them strong candidates for applications such as quantum cryptography, and in a longer term, quantum computing. However, efficient extraction of the spontaneous emission from semiconductors still represents a major challenge due to total internal reflection at the semiconductor/air interface. In particular, single photon sources based on quantum dots are plagued by low extraction efficiency and poor coupling to single-mode fibers, typically on the order of 10-3 ~ 10-4, which prevents their application to quantum communication. To seek a solution to this problem, this thesis work explores the integration of quantum dots, with emission at 1.3 µm, in photonic crystal microcavities. Photons emitted in a mode of the cavity are funneled out of the semiconductor, and thus bypass the total internal reflection. In addition, the modified density of electromagnetic states in the cavity affects the emission lifetime of a weakly coupled emitter: in resonance, we assist to an increase of the emission rate, known as the Purcell effect, that would allow faster data transmission. Photonic crystal microcavities conveniently address this objective as they provide modes with the required small volumes and high quality factors. They also allow the engineering of the farfield pattern of the cavity modes, and thus of the collection efficiency. In the following pages, after brie y reviewing single photon emitters, the Purcell effect, and photonic crystal cavities, we present our results on the coupling of quantum dots to photonic crystal cavities. We report on the different strategies we used to control the tuning between the cavity mode and the quantum dot emission frequency. We also show our efforts in improving the collection of coupled photons by engineering the shape of the microcavity. Finally, we present our time-resolved measurements demonstrating the Purcell effect under optical and electrical operation.

This thesis is devoted to the characterization of a subnanosecond single electron source made of a quantum dot in a two dimensional electron gas. We observed the quantization of the AC current in units of 2ef, where f is the frequency of the excitation. This value of the current corresponds to the injection of a single electron and a single hole at each period of the excitation signal. The escape time of the charges is controlled by the tunable tunnel barrier between the quantum dot and the reservoir. We designed an original cryogenic high frequency noise measurement device with ultra high sensitivity and stability, which made the single electron source noise measurable. Our measurements are in very good agreement with two theoretical models that we have developed. The rst one describes the single electron source in a diusion model, and takes into account all the sample parameters. The second one is a heuristic model and gives more insight into the physics involved in the noise. We dierentiate between a shot noise regime, when the current of the source is small compared to 2ef, and a phase noise due to the quantum jittering of the emission time in the single charge emission regime. The quantitative agreement between modeling and experiment conrms the existence of a single charge emission regime for our source. This source paves the way for quantum optics like experiments with single electrons., L'objet de cette thèse est la caractérisation d'une source d'électrons uniques subnanoseconde réalisée à partir d'une boîte quantique dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Nous avons tout d'abord mis en évidence la quantication du courant alternatif moyen en unités de 2ef, où f est la fréquence d'excitation de la source, lorsque la tension appliquée compense l'énergie d'addition de la boîte. Cette quantication correspond à l'injection d'un unique électron et d'un unique trou par période du signal excitateur, au début de chaque alternance. Le temps de sortie des charges, mesuré expérimentalement, est contrôlé par la transmission de la barrière tunnel entre la boîte et le réservoir. Nous avons ensuite construit un dispositif cryogénique original de mesure de bruit haute fréquence extrêmement sensible et très stable, qui nous a permis de mesurer le bruit de la source d'électrons uniques. Nos résultats sont en très bon accord avec deux modèles théoriques que nous avons développés. Le premier est un modèle de diusion que nous avons adapté à l'étude de notre source, permettant l'étude numérique du bruit en fonction d'un grand nombre de paramètres. Le second est un modèle heuristique simple, permettant de mieux comprendre les origines physiques du bruit observé. Nous avons ainsi identié un régime de bruit de grenaille, lorsque la charge émise par demi-période est très petite devant 1. À l'inverse, lorsque la charge émise par demi-période est proche de 1, le modèle prédit un régime de bruit de phase correspondant à l'incertitude quantique sur l'instant de sortie des charges. L'accord observé avec les mesures conrme l'émission de charges uniques par notre source dans certains régimes. Celle-ci sera ensuite utilisée pour réaliser des expériences similaires à celles de l'optique quantique avec des électrons uniques.

This thesis presents a theoretical study of electron-phonon interaction in InAs/GaAs quantum dots, where the strong coupling regime between confined carriers and optical phonons leads to entangled states known as polarons.Firstly, we take into account the strong coupling between exciton and optical phonons in order to calculate interband magneto-absorption.Secondly we calculate the lifetime of polaron states. Their instability is shown to be triggered by their phonon component. We demonstrate the need to take into account the different anharmonic processus, their efficiency being very sensitive to the polaron energy. These calculations allow to explain the non-monotonous variation of the measured polaron lifetime as a function of their energy.Then we study the spin-flip processus between singlet and triplet states in doubly charged quantum dots, by taking into account spin-orbit interaction in addition to electron-phonon couplings.Finally we study the coherence of the fundamental intraband transition. The thermal broadning of this transition is shown to be due to real and vritaul transition towards the second excited level., Cette thèse présente une étude théorique des interactions électron-phonon dans les boîtes quantiques InAs/GaAs, où le régime de couplage fort entre les porteurs confinés dans les boîtes et les phonons optiques a pour conséquence la formation d'états intriqués appelés polarons.Nous prenons tout d'abord en compte le couplage fort entre excitons et phonons optiques afin de calculer l'absorption interbande sous champ magnétique.Nous calculons ensuite le temps de vie des états polarons, dont l'instabilité est due à leur composante phonon. Nous démontrons la nécessité de prendre en compte de manière détaillée les différents processus anharmoniques, dont l'efficacité dépend fortement de l'énergie du polaron. Ces calculs permettent d'expliquer les variations non monotones du temps de vie mesuré des polarons avec leur énergie.Nous étudions ensuite la dynamique de relaxation dans les boîtes doublement chargées, où l'interaction spin-orbite, associée aux couplages électron-phonon, entraîne des processus de retournement du spin entre états singulets et triplets.Finalement, nous étudions la cohérence optique de la transition intrabande fondamentale, dont l'élargissement avec la température est dû aux transitions réelles et virtuelles vers le deuxième état excité.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

We have studied the growth of InAs/InP(001) quantum dots by metalorganic vapor phase epitaxy for the realisation of 1.55 µm devices. The structural properties of the dots, studied by transmission electronic microscopy, and their optical properties, studied by photoluminescence, have been correlated to the growth conditions. Our study evidences on one hand thermodynamic and kinetic influences of InAs growth parameters, and on the other hand the influence of the cap-layer growth.We show that quantum dot wavelength can be tuned by varying the cap-layer growth rate or by an intentional phosphorus incorporation (InAsP dot formation). The good control of the morphology and of the emission wavelength of the dots opens the way for applications in the 1.55 µm telecommunication domain aimed by this study. The use of high cap-layer growth rate to embed the quantum dots allows to obtain an emission beyond 2 µm, and then opens the way for new applications in gas sensing. Finally, the observation at low temperature (4 K) of the exciton and biexciton of a single InAs/InP(001) quantum dot by micro-photoluminescence shows that these quantum dots could be used for the realisation of single photon sources for 1.55 µm quantum cryptography.; Nous avons étudié la croissance de boîtes quantiques InAs/InP(001) par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques en vue de la réalisation de composants à 1,55 µm. Les propriétés structurales des boîtes, étudiées par microscopie électronique en transmission, et leurs propriétés optiques, étudiées par photoluminescence, ont été corrélées aux conditions de croissance. Notre étude met en évidence d'une part les influences d'origine thermodynamique et cinétique des paramètres de croissance de l'InAs, et d'autre part une influence de l'étape de recouvrement des boîtes (encapsulation). Nous montrons que la longueur d'onde d'émission des boîtes peut être ajustée soit en modifiant la vitesse d'encapsulation, soit en incorporant volontairement du phosphore (formation de boîtes InAsP). Le bon contrôle de la morphologie et de la longueur d'onde d'émission des boîtes permet d'envisager des applications dans le domaine des télécommunications à 1,55 µm qui ont motivé ce travail. L'encapsulation des boîtes InAs/InP à forte vitesse de croissance nous a par ailleurs permis d'obtenir une émission au delà de 2 µm, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d'applications dans la réalisation de sources pour la détection de gaz. Enfin, l'observation à basse température (4 K) de l'exciton et du biexciton d'une boîte quantique InAs/InP(001) unique en micro-photoluminescence montre que ces boîtes pourraient être utilisées pour la réalisation de sources de photons uniques pour la cryptographie quantique à 1,55 µm.

We have studied the growth of InAs/InP(001) quantum dots by metalorganic vapor phase epitaxy for the realisation of 1.55 µm devices. The structural properties of the dots, studied by transmission electronic microscopy, and their optical properties, studied by photoluminescence, have been correlated to the growth conditions. Our study evidences on one hand thermodynamic and kinetic influences of InAs growth parameters, and on the other hand the influence of the cap-layer growth.We show that quantum dot wavelength can be tuned by varying the cap-layer growth rate or by an intentional phosphorus incorporation (InAsP dot formation). The good control of the morphology and of the emission wavelength of the dots opens the way for applications in the 1.55 µm telecommunication domain aimed by this study. The use of high cap-layer growth rate to embed the quantum dots allows to obtain an emission beyond 2 µm, and then opens the way for new applications in gas sensing. Finally, the observation at low temperature (4 K) of the exciton and biexciton of a single InAs/InP(001) quantum dot by micro-photoluminescence shows that these quantum dots could be used for the realisation of single photon sources for 1.55 µm quantum cryptography., Nous avons étudié la croissance de boîtes quantiques InAs/InP(001) par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques en vue de la réalisation de composants à 1,55 µm. Les propriétés structurales des boîtes, étudiées par microscopie électronique en transmission, et leurs propriétés optiques, étudiées par photoluminescence, ont été corrélées aux conditions de croissance. Notre étude met en évidence d'une part les influences d'origine thermodynamique et cinétique des paramètres de croissance de l'InAs, et d'autre part une influence de l'étape de recouvrement des boîtes (encapsulation). Nous montrons que la longueur d'onde d'émission des boîtes peut être ajustée soit en modifiant la vitesse d'encapsulation, soit en incorporant volontairement du phosphore (formation de boîtes InAsP). Le bon contrôle de la morphologie et de la longueur d'onde d'émission des boîtes permet d'envisager des applications dans le domaine des télécommunications à 1,55 µm qui ont motivé ce travail. L'encapsulation des boîtes InAs/InP à forte vitesse de croissance nous a par ailleurs permis d'obtenir une émission au delà de 2 µm, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d'applications dans la réalisation de sources pour la détection de gaz. Enfin, l'observation à basse température (4 K) de l'exciton et du biexciton d'une boîte quantique InAs/InP(001) unique en micro-photoluminescence montre que ces boîtes pourraient être utilisées pour la réalisation de sources de photons uniques pour la cryptographie quantique à 1,55 µm.

Using a micro-spectroscopy setup, we studied II-VI semiconductor quantum dots containing a single magnetic impurity (Mn atom). The emission of these systems is controlled by the interactions between the confined carriers and the Mn spin. The different parameters controlling these interactions were determined by magneto-optical experiments. By analysing the emission spectrum of some of these magnetic quantum dots, we can detect directly the spin state of the magnetic impurity. The detection conditions are strongly influenced by the dot shape anisotropy or an inhomogeneous distribution of strains in the local environment of the dot. The effects of these phenomena were studied in details. We also studied the magneto-optical properties of the different charged states of magnetic quantum dots. This shows the possibility to control electrically or optically the magnetic anisotropy of nanoscopic magnetic systems. Finally, we began to study the dynamics of these systems. Single spin temporal fluctuations were pointed out by analysing the statistics of photons emitted by single magnetic quantum dots.; Nous avons étudié par micro-spectroscopie des boîtes quantiques de semiconducteurs II-VI contenant une impureté magnétique individuelle (atome de Mn). L'émission optique de ces systèmes est régie par les interactions entre les porteurs confinés et le spin Mn. Des expériences de magnéto-optique ont permis de déterminer les différents paramètres contrôlant ces interactions. L'analyse du spectre d'émission de certaines de ces boîtes quantiques magnétiques permet de détecter directement l'état de spin de l'impureté magnétique. Les conditions de cette détection sont fortement influencées par une anisotropie de forme de la boîte quantique étudiée ou la présence d'un champ de contraintes inhomogène dans l'échantillon. Les effets de ces phénomènes sur les propriétés optiques des boîtes ont été analysés en détail. Nous nous sommes également consacrés à l'étude des différents états de charges des boîtes quantiques magnétiques. Celle-ci révèle la possibilité de contrôler électriquement ou optiquement l'anisotropie magnétique de systèmes magnétiques nanoscopiques. Enfin, nous avons abordé l'étude de la dynamique de spin dans ces systèmes. Les fluctuations temporelles d'un spin individuel ont été mises en évidence en analysant la statistique des photons émis par une boîte quantique.

Using a micro-spectroscopy setup, we studied II-VI semiconductor quantum dots containing a single magnetic impurity (Mn atom). The emission of these systems is controlled by the interactions between the confined carriers and the Mn spin. The different parameters controlling these interactions were determined by magneto-optical experiments. By analysing the emission spectrum of some of these magnetic quantum dots, we can detect directly the spin state of the magnetic impurity. The detection conditions are strongly influenced by the dot shape anisotropy or an inhomogeneous distribution of strains in the local environment of the dot. The effects of these phenomena were studied in details. We also studied the magneto-optical properties of the different charged states of magnetic quantum dots. This shows the possibility to control electrically or optically the magnetic anisotropy of nanoscopic magnetic systems. Finally, we began to study the dynamics of these systems. Single spin temporal fluctuations were pointed out by analysing the statistics of photons emitted by single magnetic quantum dots., Nous avons étudié par micro-spectroscopie des boîtes quantiques de semiconducteurs II-VI contenant une impureté magnétique individuelle (atome de Mn). L'émission optique de ces systèmes est régie par les interactions entre les porteurs confinés et le spin Mn. Des expériences de magnéto-optique ont permis de déterminer les différents paramètres contrôlant ces interactions. L'analyse du spectre d'émission de certaines de ces boîtes quantiques magnétiques permet de détecter directement l'état de spin de l'impureté magnétique. Les conditions de cette détection sont fortement influencées par une anisotropie de forme de la boîte quantique étudiée ou la présence d'un champ de contraintes inhomogène dans l'échantillon. Les effets de ces phénomènes sur les propriétés optiques des boîtes ont été analysés en détail. Nous nous sommes également consacrés à l'étude des différents états de charges des boîtes quantiques magnétiques. Celle-ci révèle la possibilité de contrôler électriquement ou optiquement l'anisotropie magnétique de systèmes magnétiques nanoscopiques. Enfin, nous avons abordé l'étude de la dynamique de spin dans ces systèmes. Les fluctuations temporelles d'un spin individuel ont été mises en évidence en analysant la statistique des photons émis par une boîte quantique.

This work reports on structural and optical properties of plasma assisted molecular beam epitaxy grown rare earth doped III – nitride quantum dots structures.During growth the rare earths have drastic influences on the quantum dot formation, assigned to surfactant properties of the rare earth atoms.Optical and structural characterizations have shown that GaN QDs are effectively doped with the rare earth atoms in the cases of Eu, Tm and Tb. Other rare earth locations have been also established, for example for Tm where a high amount has been found at the GaN QDs interface.The excitation dynamics of rare earth doped GaN QDs which show stable photoluminescence for the colors of interest between liquid helium and room temperature has been addressed.More complicate rare earth doped quantum dot structures are also discussed, like InGaN:Eu QDs and co-doped GaN QDs important for devices. Attention is put also onto rare earth doped GaN layers, where different Eu sites have been established, near the sample surface and inside bulk material., Ce travail est porté sur les propriétés structurales et optiques de structures à boîtes quantiques III-nitrures dopées avec des terres rares réalisées par épitaxie à jets moléculaires.Pendant la croissance, les terres rares ont une influence drastique sur les boîtes, expliquée par les propriétés surfactantes des atomes de terres rares.La caractérisation optique et structurale montre que les boîtes sont dopées efficacement avec les ions de Eu, Tm et Tb. D'autres localisations des terres rares ont été trouvées, par exemple, pour le Tm, à l'interface du GaN des boîtes et de l'AlN.Ce travail s'intéresse aussi à la dynamique d'excitation de boîtes quantiques dopées aux terres rares. La photoluminescence de couleurs intéressantes est stable de la température de l'hélium liquide jusque la température ambiante.Des structures à boîtes quantiques plus complexes sont aussi abordées : des boîtes InGaN:Eu QDs et des boîtes GaN co-dopées, importante pour la réalisation de composants.Une attention particulière a été mise sur les couches de GaN dopé Eu, où différents sites pour l'Eu ont été mis en évidence près de surface et à l'intérieur de matériau.

This work is related to Quantum Electrodynamics in semiconductor systems, which is a currently a very active field. I present one of the first experimental demonstrations of the strong coupling regime (SCR) for a single quantum dot inserted in a microcavity. The manuscript shows the progression toward the SCR observation with in-depth studies of the electronic and optical properties of natural GaAs quantum dots. It is organized in 6 chapters. The first chapter recalls the necessary conditions for SCR observation, highlighting the most promising systems for the realisation of the SCR at the beginning of 2003. The candidate system was determined to be a combination of : (i) a GaAs/AlGaAs interface quantum dot exciton, because of its great oscillator strength and ;(ii) a microdisk for the microcavity, because of the high quality factor of the whispering gallery modes.As well as the above criteria, there are some requirements on the linewidth of the exciton emission and of the cavity mode. Indeed, the transition between weak coupling and strong coupling occurs when the Rabi splitting becomes greater than the mean linewidth of the emitter and the cavity mode. These severe constraints led to the detailed studies on the electronic and optical properties of the quantum dot emitter, described in chapters II, III and IV.Chapter II presents the GaAs quantum dot samples. Structural analysis and optical characterisations in photoluminescence (PL) allow to distinguish two types of samples : a « small » quantum dot sample and a « large » quantum dot sample, as compared to the 2D exciton Bohr radius.Chapter III concerns the coupling strength between the GaAs quantum dot excitons and the electromagnetic field. This work was essential as although considerable work has been previously published on InAs/AlGaAs quantum dot exciton characteristics, little is known regarding GaAs natural quantum dots. The main result of this chapter is the possibility of “engineering” the excitonic oscillator strength using the lateral quantum dot size. As the characteristic lifetimes of capture and recombination in these quantum dots are similar, the interpretation of the PL kinetics required modelling of the emission dynamics. Simple models, coupled to complementary experiments such as measurements of the photon emission statistics, lead to a good description of the light/matter coupling. I show that « large » quantum dots present a greater oscillator strength compared to smaller ones, and are for this reason a better candidate for the observation of the SCR if inserted in a microdisk. In addition to large oscillator strengths, GaAs quantum dots must exhibit an excitonic linewidth narrow enough to observe the SCR. I show theoretically and experimentally in chapter IV the dependence of the exciton-phonon coupling with the confinement of the exciton, which governs the spectral linewidths and their evolution with temperature. It is shown that large quantum dots present a reduced spectral broadening with temperature as compared to small quantum dots, further enforcing their advantages as a candidate for SCR observation.In chapter V, I present the fabrication process of GaAs/AlGaAs microdisks. I also present a new technique for the realisation of AlOx microdisks, which show some advantages over traditional microdisks. At the end of this chapter, I show that in both types of microdisks, whispering gallery modes exhibit high quality factors (Q>10000) and small effective volumes, which satisfy the criteria for SCR observation. Chapter VI is the outcome of the extensive studies presented in the previous chapters. The exciton-photon SCR in a GaAs quantum dot within a microdisk is demonstrated for the first time. Spectral tuning of the exciton and the cavity mode with temperature showed the characteristic SCR anticrossing. A Rabi splitting twice as large as each individual linewidth is demonstrating, corresponding to a clear achievement of the SCR.In conclusion, this work has lead to the observation of strong quantum optical coupling effects in 0D semiconductor nanostructures. It opens up a rich research path in Cavity Quantum Electrodynamics, with implications for Quantum Information Science as well as for fundamental optics., Lorsqu'un émetteur est placé dans une cavité, il existe deux régimes de couplage lumière-matière : dans le régime dit de couplage faible, la cavité a pour effet de modifier le taux d'émission spontanée de l'émetteur. Cet effet perturbateur de la cavité est connu sous le nom d'effet Purcell. Dans le régime dit de couplage fort, l'interaction dipolaire électrique n'est plus perturbative ; les états-propres du système couplé sont des états mixtes lumière-matière. Dans le domaine temporel, ce couplage se traduit par le fait que l'émission spontanée devient réversible : le photon émis spontanément par l'émetteur dans le mode de cavité peut à nouveau être ré-absorbé par l'émetteur, puis ré-émis,...donnant ainsi lieu à un cycle d'oscillations de Rabi. Dans le domaine spectral, le couplage se manifeste par une levée de dégénerescence (ou doublet de Rabi) lorsqu'émetteur et mode de cavité sont mis en résonance. L'objet de cette thèse est la démonstration expérimentale du couplage fort entre un exciton confiné par une boîte quantique naturelle de GaAs et un mode de galerie d'un microdisque semi-conducteur.Les paramètres-clefs pour atteindre ce régime sont, pour ce qui est de l'émetteur, sa force d'oscillateur ainsi que sa largeur spectrale, gouvernée par l'interaction avec l'environnement. Un chapitre est consacré à chacune de ces 2 notions-clefs. Concernant la cavité, les 2 figures de mérite pertinentes pour le renforcement de l'interaction lumière-matière sont le facteur de qualité et le volume modal. Nous présentons la réalisation technologique et la caractérisation des microdisques de GaAs (sur air et sur AlOx) les plus prometteurs en terme de facteur de qualité et volume modal.Enfin, nous présentons la première démonstration expérimentale du régime de couplage fort pour une boîte quantique naturelle de GaAs en microdisque.

One of the main scientific achievement of the last century is certainly the development of quantum mechanics. Recently, computer scientists and engineers teamed with physical scientists to further our understanding of quantum phenomena, and to exploit this understanding to realize new devices with novel functionality for communication and computing, that can be directly engineered using correlations between quantum states, giving rise to a new field in physics : Quantum information science. These quantum states can be indistinguishable single photons. Our work aimed at the generation of such quantum states, from sefl-assembled quantum dots. These emitters can produce single photons on demand but the indistinguishability between photons is rapidly destroyed by decoeherence processes in the solid-state. In order to restore the indistinguishability between photons, the dot is coupled to the mode of a micropilar cavity, that accelerates its spontaneous emission rate by a factor 25, so that the photons are emitted before being “marked” by dephasing mechanisms. This acceleration leads to the generation of indistinguishable single photons with a degree of indistinguishability as high as 75%. In this context, two-photon interference phenomena occur, whereby two single photons entering the two input ports of a beamsplitter, emerge from the beamsplitter both in the same output port, as if they had "coalesced" into a two-photon state; L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie

This thesis reports on numerical calculations of electronic and optical properties of quantum dots with unusual confinement such as InGaN/GaN dots, CdSe tetrapod,...After having shown the numerical calculation methods used throughout this work, we begin with a theoretical study on a superlattice of InAs/GaAs quantum dots with a short period. This short period causes a vertical alignment of quantum dots. We show that the ground state couples only with the continuum states which have nearly the same in-plane extension for the excitations with polarization along the growth direction (z). Following these particular couplings, the photo-responses in z polarization do not change when a vertical magnetic field is applied despite numerous quasi-Landau states in the continuum. Next, we show that strong bound-to-continuum absorption with in-plane polarizations is possible if we reduce the planar dimension of the dots. The results above are applied to explain the experimental results obtained by the group in Vienna. In this collaboration work, we study theoretically and experimentally the photo-detectors based on InAs/GaAs quantum dots embedded in a superlattice, with or without AlAs barriers. We show that these periodic structures can be used to fabricate photo-detectors in the far infrared range. The photo-current spectra are in good agreement with calculated optical absorption spectra.In the next part of the work, we are interested in nitride heterostructures. These semiconductors have original physical properties such as large effective masses, large band offsets, giant piezoelectric field, ... We are interested in particular in InGaN/GaN heterostructures on which numerous optoelectronic applications are based. We show that the disorder effect as well as the large physical parameters make the Virtual Crystal Approximation no more valid in these systems. Finally, the calculations of electronic structures of the CdSe tetrapods are performed. We show that the first four states are well confined in the spherical body, which is coherent with the experiments., Cette thèse porte sur des calculs numériques des propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques avec des confinements non-usuels tels que des boîtes de InGaN/GaN, des tétrapodes de CdSe,...Après avoir présenté les méthodes de calculs numériques utilisées tout au long de cette thèse, nous commençons par étudier théoriquement un super-réseau des boîtes quantiques InAs/GaAs avec une petite périodicité. Cette petite périodicité entraîne l'alignement vertical des boîtes quantiques. Nous montrons que l'état fondamental ne couple qu'avec les états du continuum qui ont presque la même extension dans le plan pour les excitations avec la polarisation suivant la direction de croissance (z). En conséquence de ces couplages particuliers, les photo-réponses en polarisation z ne changent pas quand un champ magnétique est appliqué parallèle à z malgré la présence de nombreux états de quasi-Landau dans le continuum. Nous montrons ensuite qu'une absorption lié-continuum forte en polarisation dans le plan peut être obtenue si l'on réduit la taille latérale des boîtes. Ces résultats sont utilisés pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus à Vienne. Dans ce travail effectué en collaboration, nous étudions théoriquement et expérimentalement les photo-détecteurs basés sur des boîtes quantiques InAs/GaAs insérées dans un super-réseau, sans ou avec les barrières de AlAs. Nous montrons que ces structures périodiques peuvent être utilisées pour fabriquer des photo-détecteurs dans la gamme infrarouge lointain. Les spectres de photo-courant sont en bon accord avec les spectres d'absorption optique obtenus par nos calculs.Nous nous intéressons aussi à des hétéro-structures à base de nitrure. Ces semi-conducteurs présentent des propriétés physiques originales comme des grandes masses effectives, de grands offsets de bande, un champ piézo-électrique colossal, ... Nous nous focalisons sur les hétéro-structures InGaN/GaN sur lesquelles de nombreuses applications opto-électroniques sont basées. Nous montrons que les effets du désordre ainsi que les grandes valeurs physiques rendent l'Approximation du Cristal Virtuel non valable dans ces systèmes. Enfin, nous effectuons des calculs des structures électroniques des tétrapodes de CdSe. Nous montrons que les quatre premiers états sont confinés en grande partie dans le corps sphérique, ce qui est cohérent avec les spectres expérimentaux.

One of the main scientific achievement of the last century is certainly the development of quantum mechanics. Recently, computer scientists and engineers teamed with physical scientists to further our understanding of quantum phenomena, and to exploit this understanding to realize new devices with novel functionality for communication and computing, that can be directly engineered using correlations between quantum states, giving rise to a new field in physics : Quantum information science. These quantum states can be indistinguishable single photons. Our work aimed at the generation of such quantum states, from sefl-assembled quantum dots. These emitters can produce single photons on demand but the indistinguishability between photons is rapidly destroyed by decoeherence processes in the solid-state. In order to restore the indistinguishability between photons, the dot is coupled to the mode of a micropilar cavity, that accelerates its spontaneous emission rate by a factor 25, so that the photons are emitted before being “marked” by dephasing mechanisms. This acceleration leads to the generation of indistinguishable single photons with a degree of indistinguishability as high as 75%. In this context, two-photon interference phenomena occur, whereby two single photons entering the two input ports of a beamsplitter, emerge from the beamsplitter both in the same output port, as if they had "coalesced" into a two-photon state, L'un des principaux accomplissements scientifiques du siècle dernier est sans doute le développement de la Physique Quantique. Parallèlement, notre société est entrée dans l'ère de l'information. Aujourd'hui, théorie de l'information et théorie quantique se recoupent sous un champ d'activité émergent : le traitement de l'information quantique. Ce domaine propose de tirer parti des corrélations subtiles entre états quantiques pour effectuer des opérations de communication ou de logique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte. Ils visent la génération d'états quantiques de la lumière, pour tester les prévisions contre-intuitives de la mécanique quantique, mais aussi pour l'ingénierie de dispositifs de traitement de l'information quantique. Ces états quantiques sont des photons uniques indiscernables, rayonnés par des boîtes quantiques uniques. S'il est bien connu aujourd'hui que ces nano-émetteurs émettent des photons uniques, des processus rapides de décohérence propres à la physique du solide détériore l'indiscernabilité entre photons successivement émis. Pour restaurer l'indiscernabilité entre photons, le processus d'émission est accéléré en couplant la boîte au mode d'une microcavité optique (un micropilier), de sorte que les photons sont émis avant qu'ils ne soient marqués par les processus déphasants. Ainsi, nous avons pu produire des photons uniques avec un degré d'indiscernabilité supérieur à 75%. Ces photons sont alors sujets à des phénomènes d'interférence peu communs : lorsque deux photons sont incidents sur les deux ports d'entrée d'une lame séparatrice, les deux photons ressortent de la lame toujours sur le même port de sortie

We investigate, by means of optical spectroscopy of a single InAs/GaAs quantum dot, the neutral exciton decoherence inside the dot, its fine structure and its spin relaxation.We show that the coherence is intrinsically limited by a non-perturbative coupling to acoustic phonons, and extrinsically limited by the presence of a fluctuating electrostatic environment around the dots.We observe that the fine structure depends on the dots local density, which influences their geometry as their strain profile, and analyse, in low density regions, original dots emitting a strongly polarized light.We study the exciton spin relaxation by measuring the polarisation ratio of the emission. On an ensemble of dots, we measure a relaxation time of 10 ns at 10 K and show that the relaxation dynamics is extremely sensitive to the dots environment. On a single dot, we show that the spin can relax very quickly (in 100 ps), even at 10 K., 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.

After having calculated the bound states of electrons and holes of an isolated self-organised InAs/GaAs quanrum dot, we present the optical properties of such nanostructures .First , we investigate the influence of the electrostatic environment on the quantum dot decoherence. We show that the electrostatic fluctuations result in two kinds of influence : on the one hand, they only shift the energy transition without involving any broadening, on the other hand, they cause homogeneous broadening like the motional narrowing.Then, we investigate the effects of the long range exchange interaction on the fine structure of the dot electron-hole pair. We show the possibility of canceling the exchange splitting which results from the shape anisotropy,_ by appling a lateral electric field along its major axis. We also show that a polarisation anisotropy appear because of the nature of the exchange interaction., Après avoir calculé les états liés d'électrons et de trous dans une boîte quantique auto-organisée InAs/GaAs isolée, nous présentons certaines caractéristiques des propriétés optiques de ces nanostructures.Dans une premièm partie, nous étudions le rôle joué par l'environnement électrostatique sur la perte de cohérence dans les boîtes. Nous montrons que les fluctuations électrostatiques sont essentiellement de deux types, engendrant soit un décalage en énergie de la transition sans induire de déphasage, soit un élargissement homogène du type rétrécissement par le mouvement.Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'effet de l'interaction d'échange longue portée sur la structure fine de l'exciton confiné dans la boîte. En particulier, nous montrons la possibilité d'annuler le splitting d'échange résultant de l'anisotropie de forme de la boîte en appliquant un champ électrique le long de son grand axe. Nous montrons enfin qu'une anisotropie de polarisation apparaît à cause de la nature même de l'interaction d'échange.

session III « Lasers et amplificateurs à semi-conducteurs » [306], http://www.comelec.enst.fr/jnog2004/papers/306_Moreau.pdf; National audience; Cette communication présente le principe et les résultats d'une étude expérimentale réalisée grâce à un pompage optique. Nous avons mesuré un gain maximum de 8,5 dBm/mm pour une largeur spectrale de 150 nm (largeur à mi-hauteur) sur une structure amplificatrice à base d'îlots quantiques. Celle-ci avait préalablement permis d'observer une oscillation laser à 1,52 µm à température ambiante.

The current breakthroughs in semiconductor nanostructure fabrication allows the emergence of innovative device concepts based on quantum mechanics as alternative to conventional CMOS transistors or memories. Among other things, the Coulomb blockade devices like single-electron transistors offer one of the most promising prospects. The modeling and simulation of single-electron structures are thus of first importance with a view to predicting and understanding the behavior of these new generation devices. In this context, this work is dedicated to the study of silicon quantum dots for Coulomb blockade applications. First, after having presented the state of the art, both theoretical and experimental, of Coulomb blockade devices, we are interested in the electronic structure of semiconductor quantum dots surrounded by silicon dioxide. This study leads us to develop a series of models for unbiased and biased quantum dots and, especially, a one-dimensional one able to describe spherically symmetric quantum dots within considerably reduced computation time. Moreover, the limitations of the effective mass approximation, a keystone of the models implemented, are evaluated using a molecular description of the silicon nanocrystals based on the method of linear combination of atomic orbitals. The second part of this work is more specifically centered on electronic transport under the Coulomb blockade regime. The description of the mechanisms of tunnel events is based on transfer Hamiltonian concept. Applied to the case of metallic and semiconductor Coulomb blockade devices (in particular to Metal-Insulator-Metal-Insulator-Metal and Metal-Insulator-Silicon Quantum Dot-Insulator-Metal structures), we have thus been able to implement a simulation software which only requires the knowledge of the fundamental physical parameters of the system., Dans la recherche de solutions innovantes assurant la pérennité de la micro-électronique sur silicium, qui devra faire face, dans quelques années, à des limites, tant technologiques que théoriques, les dispositifs à blocage de Coulomb à semi-conducteur ont su dévoiler des atouts plus que prometteurs. Ainsi, ces composants d'avant-garde, basés sur le caractère quantique de la charge électrique, offrent une alternative possible aux circuits CMOS, tout en restant compatibles avec les technologies actuelles. Parallèlement à leur mise au point, une étude théorique se révèle donc de première importance afin de prédire et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs de nouvelle génération. Tel est l'objet de ce mémoire consacré à l'étude des boîtes quantiques en silicium dans le cadre d'une utilisation de type "blocage de Coulomb". Après un exposé de l'état de l'art, tant théorique qu'expérimental, en matière de composants à blocage de Coulomb, le présent travail se concentre d'abord sur l'étude des boîtes quantiques semi-conductrices (polarisées ou non) entourées d'oxyde en développant une série de modèles visant à décrire leur structure électronique. En particulier, la mise en oeuvre d'un modèle unidimensionnel capable de décrire des boîtes quantiques à symétrie sphérique se révèle très avantageux d'un point de vue du temps de calcul. Les limites de l'approximation de la masse effective, clé de voûte des modèles présentés sont, en outre, évaluées à l'aide d'une description moléculaire des nanocristaux de silicium en utilisant la méthode des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques. La deuxième partie de ce travail de thèse est plus spécifiquement axée sur le transport des électrons par effet tunnel dans le cadre du blocage de Coulomb. La description des mécanismes de transfert de charges est basée sur le concept d'hamiltonien de transfert tunnel dont l'application au cas des composants à blocage de Coulomb métalliques et semi-conducteurs (plus particulièrement à des structures du type Métal-Isolant-Métal-Isolant-Métal ou Métal-Isolant-Boîte Silicium-Isolant-Métal) a permis la mise au point d'un simulateur reposant uniquement sur la connaissance des paramètres physiques fondamentaux du système.

The development of single photon sources is of fundamental concern in the field of quantum information processing. In this work we study the first single photon source based on the implementation of a quantum dot inside a pillar microcavity. We first study the microphotoluminescence properties of a single quantum dot and we identify the main emission lines (X and XX, associated to the exciton and biexciton states). The generation of quantum states of light (antibunching) is demonstrated on this emitter by photon correlation experiments on the X line (and also XX line), under pulsed and continuous excitation. Cross-correlation experiments between X and XX lines provide strong evidence of the generation of pairs of photons correlated in time. We then demonstrate quantum cavity electrodynamics effects in solid state by placing a quantum dot on resonance with the fundamental mode of a micropillar. A shortening of the lifetime of this emitter by a factor at least equal to 3 suggests that, due to the Purcell effect, most of the photons are collected into the same single mode. The polarization of the emitted photons can be controlled by using elliptical micropillars. For the first time, we underline the importance of extrinsic cavity losses due to diffusion by sidewalls roughness. Taking into account this effect leads to novel rules for the design of micropillars. The single photon source realized has a probability of collecting one photon per pulse close to 40% and a probability of emitting more than one photon equal to 1%. At last, correlation experiments in function of temperature show a moderate degradation of the antibunching behavior with temperature suggesting the operation of the source at 100 K., Le développement de sources de photons uniques est un enjeu majeur dans le domaine du traitement quantique de l'information. Dans ce travail de thèse nous étudions la première source solide de photons uniques, obtenue par l'intégration d'une boîte quantique dans une microcavité en forme de pilier. Nous étudions d'abord les propriétés de microphotoluminescence d'une boîte quantique unique et identifions les principales raies d'émission (X et XX, associées aux états exciton et biexciton). La génération d'états quantiques de la lumière (émission de photons dégroupés) est mise en évidence sur ce même émetteur par des expériences d'auto-corrélation sur la raie X (ainsi que XX), sous excitation pulsée puis continue. Des expériences de corrélation croisée entre les raies X et XX prouvent la génération de paires de photons corrélés dans le temps. Nous démontrons alors des effets d'électrodynamique quantique en cavité à l'état solide en plaçant une boîte quantique en résonance avec le mode fondamental d'un micropilier. Un raccourcissement du temps de vie de cet émetteur d'un facteur au moins égal à 3 laisse penser que la majorité des photons est collectée grâce à l'effet Purcell dans un seul et même mode spatial. La polarisation des photons émis peut être contrôlée en utilisant des micropiliers à section elliptique. Nous soulignons pour la première fois l'importance des pertes extrinsèques liées à la diffusion par les rugosités de la cavité. La prise en compte de cet effet conduit à de nouvelles règles pour la conception de micropiliers. La source à un photon réalisée présente une probabilité de collecter un photon par impulsion proche de 40% et une probabilité d'en émettre plus d'un de 1%. Enfin, des expériences d'auto-corrélation en fonction de la température montrent une dégradation modérée du dégroupement de photons avec la température, qui permet d'envisager un fonctionnement à 100 K.

We have investigated the dephasing mechanisms in single self-organized InAs/GaAs quantum dots. First, an anti-Stokes photoluminescence signal (i. e. emission that occurs at energies higher than the excitation energy) was detected under continuous excitation. The study of this signal revealed the presence of a continuum of states lying between the wetting layer band-edge and the quantum dots levels. This continuum of states is coupled to the two-dimensional continuum of the wetting layer and also to the discrete states of the quantum dots. In fact it is of intrinsic origin and due to mixed transitions between discrete quantum dots and the two-dimensional continuum of states of the wetting layer. We have then studied the electronic excitations coherence properties by means of spectral linewidth measurements. In order to obtain a high enough spectral resolution, we have applied a Fourier Transform spectroscopy technique on the photoluminescence signal of a single quantum dot. A 0,5 microeV spectral resolution was obtained with this set-up. For excited transitions in quantum dots, we have shown that, instead of the predicted phonon bottleneck effect, the acoustic phonon induced dephasing is very efficient, with an efficiency greater than for InGaAs/GaAs quantum wells. This efficiency is basically due to the above-mentioned continuum of mixed-states. On the contrary, for the fundamental transition we have demonstrated the quenching of the acoustic phonon induced dephasing for quantum dots transitions energetically well-separated from this continuum of states. Finally, we have shown that a non-resonant excitation of the quantum dots increases the transition linewidths. A resonant excitation reduces the influence of the environment on the quantum dot decoherence. This indicates a way to reach the regime where the decoherence time is limited by the radiative lifetime., Nous avons étudié les mécanismes responsables de la perte de cohérence dans des boîtes quantiques uniques auto-organisées InAs/GaAs. Dans un premier temps, une étude sous excitation continue de ces systèmes nous a permis d'observer un signal de photoluminescence anti-Stokes c'est à dire de la photoluminescence à plus haute énergie que l'énergie d'excitation. l'étude de ce signal a mis en évidence l'existence d'un continuum d'états descendant depuis la couche de mouillage jusqu'aux transitions des boîtes. Ce continuum d'états couplé à la fois aux niveaux discrets des boîtes et au continuum bidimensionnel de la couche de mouillage est en fait une propriété intrinsèque de ces systèmes car il provient de l'existence de transitions mixtes entre un état discret de la boîte et un état du continuum de la couche de mouillage. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de cohérence des excitations électroniques grâce à des mesures de largeur spectrale des transitions. Pour atteindre la résolution nécessaire à cette étude, nous avons mis au point un dispositif de spectroscopie de la photoluminescence par transformée de Fourier. La résolution ainsi atteinte est de 0,5 microeV. Nous avons alors mis en évidence que, pour les transitions excitées des boîtes, le couplage aux phonons acoustiques, contrairement aux prédictions théoriques de goulot d'étranglement de phonons, est très efficace, aussi efficace que dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette efficacité est due à la présence du continuum des états mixtes mentionné précédemment. A l'inverse, la transition fondamentale des boîtes présente bien une inhibition du couplage aux phonons acoustiques pour des boîtes dont la transition fondamentale est bien isolée énergétiquement de ce même continuum. Enfin, nous avons montré qu'une excitation non-résonante des boîtes est responsable d'un élargissement des transitions et qu'une excitation résonante permet de limiter les interactions des boîtes avec leur environnement pour atteindre la limite ultime d'un temps de décohérence limité par le temps de vie radiatif.