Search

What happens when a quantum many-body system is brutally driven away fromequilibrium ? Toward which kind of states does it relax and what informationcan one extract from the resulting dynamics ? Providing answers to these questionsis a challenging problem that spured the interest of a whole community ofphysicists. However, the numerical cost required to investigate the behaviour ofthese systems, particularly for large system sizes, motivated the development ofcutting-edge numerical and theoretical techniques.This thesis aims at contributing to these efforts by proposing a set of methodsbased on a representation of the systems in terms of a Gaussian field theory, withthe purpose of studying the evolution of spin systems. More specifically, thesemethods are applied to several models inspired by cold-atoms experiments simulatingthe behaviour of spin systems, with a stress on the study of localizationphenomena. Therefore, this thesis highlights the emergence of localization in systemsdevoid of disorder due to an interference effect, the so-called Aharonov-Bohmcaging; as well as a geometrically disordered quantum Ising model displaying adynamics exploring a rich spectrum ranging from balistic diffusion to anomalousdiffusion, an then localization - this last example offers a scenario richer than theone exhibited by the dynamics of free particles in a disordered medium. Finally,we explored the possibility for Gaussian approaches to describe the dynamics ofinteracting systems and their relaxation toward thermal states.; Que se passe-t-il quand un système quantique à N corps est brutalement amené loin de son état d’équilibre ? Vers quelle sorte d’état relaxe-t-il et quelle information peut-on extraire de sa dynamique ? Fournir des réponses à ses questions est un problème difficile qui a suscité l’intérêt de toute une communauté de physiciens. Cependant, le coût numérique important requis pour étudier le comportement de ces systèmes, en particulier pour de grandes tailles, a motivé le développement de méthodes numériques et théoriques de pointes. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de ces efforts en proposant un ensemble de méthodes basées sur une représentation en termes d’une théorie de champs Gaussiens afin d’étudier l’évolution des systèmes de spins. Plus particulièrement,ces méthodes sont appliquées `a plusieurs modèles inspirés par les expériences d’atomes froids simulant le comportement de systèmes de spins avec un accent particulier sur l’étude des phénomènes de localisations. Cette thèse présente donc des résultats mettant en évidence l’émergence de la localisation dans des systèmes sans désordre par un effet d’interférence appelé cage d’Aharonov-Bohm ; ainsi qu’une dynamique explorant un riche spectre allant de la diffusion balistique`a la localisation, en passant par la diffusion anormale, cela dans un modèle d’Ising quantique avec désordre géométrique — ce dernier exemple présence un scénario bien plus riche que celui offert par la dynamique des particules libres dans un milieu désordonné. Enfin, nous avons exploré la possibilité pour les approches gaussiennes de décrire la dynamique de systèmes interagissant et leur relaxation vers des états thermiques.

What happens when a quantum many-body system is brutally driven away fromequilibrium ? Toward which kind of states does it relax and what informationcan one extract from the resulting dynamics ? Providing answers to these questionsis a challenging problem that spured the interest of a whole community ofphysicists. However, the numerical cost required to investigate the behaviour ofthese systems, particularly for large system sizes, motivated the development ofcutting-edge numerical and theoretical techniques.This thesis aims at contributing to these efforts by proposing a set of methodsbased on a representation of the systems in terms of a Gaussian field theory, withthe purpose of studying the evolution of spin systems. More specifically, thesemethods are applied to several models inspired by cold-atoms experiments simulatingthe behaviour of spin systems, with a stress on the study of localizationphenomena. Therefore, this thesis highlights the emergence of localization in systemsdevoid of disorder due to an interference effect, the so-called Aharonov-Bohmcaging; as well as a geometrically disordered quantum Ising model displaying adynamics exploring a rich spectrum ranging from balistic diffusion to anomalousdiffusion, an then localization - this last example offers a scenario richer than theone exhibited by the dynamics of free particles in a disordered medium. Finally,we explored the possibility for Gaussian approaches to describe the dynamics ofinteracting systems and their relaxation toward thermal states.; Que se passe-t-il quand un système quantique à N corps est brutalement amené loin de son état d’équilibre ? Vers quelle sorte d’état relaxe-t-il et quelle information peut-on extraire de sa dynamique ? Fournir des réponses à ses questions est un problème difficile qui a suscité l’intérêt de toute une communauté de physiciens. Cependant, le coût numérique important requis pour étudier le comportement de ces systèmes, en particulier pour de grandes tailles, a motivé le développement de méthodes numériques et théoriques de pointes. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de ces efforts en proposant un ensemble de méthodes basées sur une représentation en termes d’une théorie de champs Gaussiens afin d’étudier l’évolution des systèmes de spins. Plus particulièrement,ces méthodes sont appliquées `a plusieurs modèles inspirés par les expériences d’atomes froids simulant le comportement de systèmes de spins avec un accent particulier sur l’étude des phénomènes de localisations. Cette thèse présente donc des résultats mettant en évidence l’émergence de la localisation dans des systèmes sans désordre par un effet d’interférence appelé cage d’Aharonov-Bohm ; ainsi qu’une dynamique explorant un riche spectre allant de la diffusion balistique`a la localisation, en passant par la diffusion anormale, cela dans un modèle d’Ising quantique avec désordre géométrique — ce dernier exemple présence un scénario bien plus riche que celui offert par la dynamique des particules libres dans un milieu désordonné. Enfin, nous avons exploré la possibilité pour les approches gaussiennes de décrire la dynamique de systèmes interagissant et leur relaxation vers des états thermiques.

This work provides an optical study of spin dynamics in two different systems: electrons gas in n-doped CdTe thin layers, and indirect excitons in asymmetric GaAs coupled quantum wells. Time and polar resolved photoluminescence and pump-probe spectroscopy allowed the determination of both the lifetime and the relaxation time of indirect excitons.The global behaviour of the dedicated biased sample has been described, major technical constraints have been pointed out and optimal working conditions have been identified. In photoluminescence, we obtained a lifetime of 15 ns and a spin relaxation time of 5 ns. Pump-probe spectroscopy with an exceptional delay range shown that longer characteristic times could be obtained increasing the delay between two laser pulses.An other optical method has been used to study electrons in CdTe thin layers. Spin noise spectroscopy has recently emerged as an ideal tool to study dynamics of spin systems through their spontaneous fluctuations which are encoded in the polarisation state of a laser beam by means of Faraday rotation. Common spin noise setups provide only temporal fluctuations, spatial information being lost averaging the signal on the laser spot. Here, we demonstrate the first implementation of a spin noise setup providing both spatial and temporal spin correlations thanks to a wave vector selectivity of the scattered light. This gave us the opportunity to measure both the spin relaxation time and the spin diffusion coefficient. This complete vision of the spin dynamics in CdTe has been compared to our understanding of spin physics in GaAs. Against all odds, this knowledge seems not to be directly transposable from GaAs to CdTe.; Ce travail porte sur l’étude optique de la dynamique de spin de deux systèmes: un gaz d’électrons dans des couches minces de CdTe d’une part et des excitons indirects dans un double puits quantique asymétrique en GaAs d’autre part. Des mesures de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, et des mesures de spectroscopie pompe-sonde ont permis la détermination des temps de vie et des temps de relaxation de spin des excitons indirects. Le comportement général de la structure a été décrit, les contraintes techniques ont été mise en évidence et les meilleures conditions expérimentales ont été identifiées. En photoluminescence, nous avons mesuré des temps de vie de l’ordre de la quinzaine de ns et des temps de relaxation de spin de 5 ns dans le meilleur cas. L’utilisation d’un setup de spectroscopie pompe-sonde permettant d’étudier des délais très longs a démontré que des temps plus longs encore peuvent être atteints en séparant d’avantage deux impulsions lasers successives.Pour les électrons dans CdTe nous avons utilisé une autre méthode optique: la spectroscopie de bruit de spin qui s’est récemment imposée comme un outil de choix pour étudier la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Son principe consiste à sonder la dynamique d’un système de spins à travers ses fluctuations spontanées. Pour ce faire, ces fluctuations sont encodées dans le plan de polarisation d’un laser hors résonnant par l’intermédiaire de la rotation Faraday.Alors que les réalisations concrètes de cette technique se limitaient jusqu’à présent aux corrélations temporelles, nous proposons ici la première implémentation permettant d’accéder également aux corrélations spatiales du systèmes de spin. Cet accès à la dynamique spatiale est autorisé par une sélectivité en vecteur d’onde de la lumière diffusée venant de l’échantillon et nous offre l’opportunité de mesurer simultanément le temps de relaxation de spin et le coefficient de diffusion de spin. Ayant ainsi une vision complète de la dynamique de spin dans CdTe, nous avons pu confronter la physique du spin bien connue dans GaAs à nos observations dans CdTe. Contre toutes attentes, il semblerait que nos connaissances de GaAs ne soient pas directement transposables à CdTe.

This work provides an optical study of spin dynamics in two different systems: electrons gas in n-doped CdTe thin layers, and indirect excitons in asymmetric GaAs coupled quantum wells. Time and polar resolved photoluminescence and pump-probe spectroscopy allowed the determination of both the lifetime and the relaxation time of indirect excitons.The global behaviour of the dedicated biased sample has been described, major technical constraints have been pointed out and optimal working conditions have been identified. In photoluminescence, we obtained a lifetime of 15 ns and a spin relaxation time of 5 ns. Pump-probe spectroscopy with an exceptional delay range shown that longer characteristic times could be obtained increasing the delay between two laser pulses.An other optical method has been used to study electrons in CdTe thin layers. Spin noise spectroscopy has recently emerged as an ideal tool to study dynamics of spin systems through their spontaneous fluctuations which are encoded in the polarisation state of a laser beam by means of Faraday rotation. Common spin noise setups provide only temporal fluctuations, spatial information being lost averaging the signal on the laser spot. Here, we demonstrate the first implementation of a spin noise setup providing both spatial and temporal spin correlations thanks to a wave vector selectivity of the scattered light. This gave us the opportunity to measure both the spin relaxation time and the spin diffusion coefficient. This complete vision of the spin dynamics in CdTe has been compared to our understanding of spin physics in GaAs. Against all odds, this knowledge seems not to be directly transposable from GaAs to CdTe.; Ce travail porte sur l’étude optique de la dynamique de spin de deux systèmes: un gaz d’électrons dans des couches minces de CdTe d’une part et des excitons indirects dans un double puits quantique asymétrique en GaAs d’autre part. Des mesures de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, et des mesures de spectroscopie pompe-sonde ont permis la détermination des temps de vie et des temps de relaxation de spin des excitons indirects. Le comportement général de la structure a été décrit, les contraintes techniques ont été mise en évidence et les meilleures conditions expérimentales ont été identifiées. En photoluminescence, nous avons mesuré des temps de vie de l’ordre de la quinzaine de ns et des temps de relaxation de spin de 5 ns dans le meilleur cas. L’utilisation d’un setup de spectroscopie pompe-sonde permettant d’étudier des délais très longs a démontré que des temps plus longs encore peuvent être atteints en séparant d’avantage deux impulsions lasers successives.Pour les électrons dans CdTe nous avons utilisé une autre méthode optique: la spectroscopie de bruit de spin qui s’est récemment imposée comme un outil de choix pour étudier la dynamique de spin dans les semi-conducteurs. Son principe consiste à sonder la dynamique d’un système de spins à travers ses fluctuations spontanées. Pour ce faire, ces fluctuations sont encodées dans le plan de polarisation d’un laser hors résonnant par l’intermédiaire de la rotation Faraday.Alors que les réalisations concrètes de cette technique se limitaient jusqu’à présent aux corrélations temporelles, nous proposons ici la première implémentation permettant d’accéder également aux corrélations spatiales du systèmes de spin. Cet accès à la dynamique spatiale est autorisé par une sélectivité en vecteur d’onde de la lumière diffusée venant de l’échantillon et nous offre l’opportunité de mesurer simultanément le temps de relaxation de spin et le coefficient de diffusion de spin. Ayant ainsi une vision complète de la dynamique de spin dans CdTe, nous avons pu confronter la physique du spin bien connue dans GaAs à nos observations dans CdTe. Contre toutes attentes, il semblerait que nos connaissances de GaAs ne soient pas directement transposables à CdTe.

Particle accelerators are one of the most efficient ways to study matter andelementary particles, as proved by the recent discovery of the Higgs Bosonon the Large Hadron Collider.The JEDI collaboration propose to measurethe value of the proton electric dipole moment (EDM) with a precision of〖10〗^(-29) e.cm using a storage ring.A measurement of such a value of EDM, above the extremely small predictionof Standard Model would lead to new physics, by adding an additionalsource of CP violation. The CP violation is one of the three conditionsnecessary to explain the un-understanded asymetry between matter andantimatter in the universe.In order to achieve this 〖10〗^(-29)e.cm precision, one need to store the measuredparticles for many seconds in an electric field : a storage ring appearsas an ideal solution for charged particles. One of the main issues consistsin keeping the beam spin-coherent during the whole duration of the measurement.An excellent control of systematics and understanding of thespin dynamics to perform this measurement are mandatory.The electrostatic deflectors used in the experiment to provide both bendingand EDM-induced spin precession could lead to systematic errors andspin decoherence. The internal part of the deflectors and especially theirfringe fields need to be understand, in terms of trajectories and spin dynamics.This thesis provide models for fields, trajectories, spin dynamics and alsoresults about the spin decoherence induced by the deflectors.The first part is dedicated to the context around EDM measurements,and will then focus on the storage ring method. Also a first approach tothe spin precession equation and spin coherence time will be done, and theproblematic about the electrostatic deflectors exposed.The second part describes in details the analytic or semi-analytic modelswe developed. The first model describes the electric fringe field of thedeflector, using conformal mapping.This model takes into account boundary conditions like the vacuum chamberor a diaphragm and propose universal formulas as a function of theratio between gap and radius. The second model concerns trajectories inthe deflector and the fringe fields.It is using an Hamiltonian integration, variation of parameters and quadratureformulas to integrate the previously found field. This is done at thesecond order.The last model is about spin dynamics and allows the user to compute thespin total precession in the deflector or the fringe fields by using a list ofintegrals of the field. The final spin transfer solution is a function of theinitial conditions (x,px,y,py,dz,_P/P) at the second order.The last part shows the implementation on BMAD and the differenteffects of deflectors/fringe fields on the spin coherence time.; Les accélérateurs de particules sont aujourd’hui un des moyens les plus efficaces pour sonder la matière et les éléments qui la composent.La collaboration JEDI propose de mesurer la valeur du moment électrique dipolaire (EDM) du proton (voire deuton) avec une précision plusieurs ordre de grandeur supérieure au limites actuelles, par le moyen d’un anneau de stockage.La mesure d’un moment électrique dipolaire permanent permettrait l’ajout de sources de violation de CP supplémentaires. La violation de la symétrie CP est une des trois conditions nécessaires à l’explication de l’asymétrie matière/antimatière de l’Univers.En vue de parvenir à une telle précision, les particules doivent être stockées pendant une longue durée dans des champs électriques et/ou magnétiques : dans le cas de particules chargées, un anneau de stockage se présente comme une excellente solution.Un des principaux défis consiste à conserver la polarisation en spin du faisceau pendant toute la durée de l’expérience. Un excellent contrôle des systématiques et de la dynamique de spin sont alors obligatoires.Les déflecteurs électrostatiques utilisés dans l’expérience à la fois pour guider les particules et pour entraîner la précession du spin liée à la présence d’EDM, sont source d’erreurs systématiques et de décohérence de spin. La partie interne des déflecteurs, et aussi leurs champs de fuite doivent être compris et maîtrisés, en termes de trajectoires et de dynamique de spin. Ma thèse fournit un modèle pour le calcul de champ, trajectoires et dynamique de spin dans un déflecteur électrostatique.La première partie est dédiée au contexte autour de la mesure d’EDM, et se précisera sur le cas particulier de la mesure proposée par JEDI. L’équation de précession du spin sera présentée ainsi que les objectifs de la thèse.La seconde partie décrit en détails tous les outils analytiques ou semi-analytiques qui ont été développés pour répondre à nos besoins spécifiques. Ces outils seront ensuite utilisés dans la partie suivante.La troisième partie concerne les résultats et l’élaboration du modèle de champs, de trajectoire et de spin. Le modèle de champ, établi part transformation conformes, est un modèle universel dépendant uniquement du ration gap/rayon du déflecteur.Il prend en compte les conditions aux limites telles qu’une chambre à vide ou un diaphragme.Le résolution des équations du mouvement se fait à partir des équations d’Hamilton, au second order, par une méthode perturbative et en utilisant la méthode de la variation des constantes.La dynamique de spin, quant à elle, est obtenue par la résolution de l’équation Thomas-BMT par une méthode perturbative. Les fonctions de transfert obtenues dépendent des coordonnées de l’espace des phases à l’entrée du déflecteur. Elles sont totalement analytiques dans le cas de la partie centrale du déflecteur, et semi-analytiques pour les champs de fuites, où elles font intervenir une liste d’intégrales particulières, calculées avant la simulation.La dernière partie concerne l’analyse et le test du modèle à l’aide d’un code de calcul appelé BMAD.

Atomic sensors are among the best devices for precision measurements of time, electric and magnetic fields, and inertial forces. However, all atomic sensors that utilise uncorrelated particles are ultimately limited by quantum projection noise, as is already the case for state-of-the-art atomic clocks. This so-called standard quantum limit (SQL) can be overcome by employing entanglement, a prime example being the spin-squeezed states. Spin squeezing can be produced in a quantum non-demolition (QND) measurement of the collective spin, particularly with cavity quantum electrodynamical (cQED) interactions. In this thesis, I present the second-generation trapped-atom clock on a chip (TACC) experiment, where we combine a metrology-grade compact clock with a miniature cQED platform to test quantum metrology protocols at a metrologically-relevant precision level. In a standard Ramsey spectroscopy, the stability of the apparatus is confirmed by a fractional frequency Allan deviation of 6E-13 at 1 s. We demonstrate spin squeezing by QND measurement, reaching 8(1) dB for 1.7E4 atoms, currently limited by decoherence due to technical noise. Cold collisions between atoms play an important role at this level of precision, leading to rich spin dynamics. Here we find that the interplay between cavity measurements and collisional spin dynamics manifests itself in a quantum amplification effect of the cavity measurement. A simple model is proposed, and is confirmed by initial measurements. New experiments in this direction may shed light on the surprising many-body physics in this sytem of interacting cold atoms.; Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.

Particle accelerators are one of the most efficient ways to study matter andelementary particles, as proved by the recent discovery of the Higgs Bosonon the Large Hadron Collider.The JEDI collaboration propose to measurethe value of the proton electric dipole moment (EDM) with a precision of〖10〗^(-29) e.cm using a storage ring.A measurement of such a value of EDM, above the extremely small predictionof Standard Model would lead to new physics, by adding an additionalsource of CP violation. The CP violation is one of the three conditionsnecessary to explain the un-understanded asymetry between matter andantimatter in the universe.In order to achieve this 〖10〗^(-29)e.cm precision, one need to store the measuredparticles for many seconds in an electric field : a storage ring appearsas an ideal solution for charged particles. One of the main issues consistsin keeping the beam spin-coherent during the whole duration of the measurement.An excellent control of systematics and understanding of thespin dynamics to perform this measurement are mandatory.The electrostatic deflectors used in the experiment to provide both bendingand EDM-induced spin precession could lead to systematic errors andspin decoherence. The internal part of the deflectors and especially theirfringe fields need to be understand, in terms of trajectories and spin dynamics.This thesis provide models for fields, trajectories, spin dynamics and alsoresults about the spin decoherence induced by the deflectors.The first part is dedicated to the context around EDM measurements,and will then focus on the storage ring method. Also a first approach tothe spin precession equation and spin coherence time will be done, and theproblematic about the electrostatic deflectors exposed.The second part describes in details the analytic or semi-analytic modelswe developed. The first model describes the electric fringe field of thedeflector, using conformal mapping.This model takes into account boundary conditions like the vacuum chamberor a diaphragm and propose universal formulas as a function of theratio between gap and radius. The second model concerns trajectories inthe deflector and the fringe fields.It is using an Hamiltonian integration, variation of parameters and quadratureformulas to integrate the previously found field. This is done at thesecond order.The last model is about spin dynamics and allows the user to compute thespin total precession in the deflector or the fringe fields by using a list ofintegrals of the field. The final spin transfer solution is a function of theinitial conditions (x,px,y,py,dz,_P/P) at the second order.The last part shows the implementation on BMAD and the differenteffects of deflectors/fringe fields on the spin coherence time., Les accélérateurs de particules sont aujourd’hui un des moyens les plus efficaces pour sonder la matière et les éléments qui la composent.La collaboration JEDI propose de mesurer la valeur du moment électrique dipolaire (EDM) du proton (voire deuton) avec une précision plusieurs ordre de grandeur supérieure au limites actuelles, par le moyen d’un anneau de stockage.La mesure d’un moment électrique dipolaire permanent permettrait l’ajout de sources de violation de CP supplémentaires. La violation de la symétrie CP est une des trois conditions nécessaires à l’explication de l’asymétrie matière/antimatière de l’Univers.En vue de parvenir à une telle précision, les particules doivent être stockées pendant une longue durée dans des champs électriques et/ou magnétiques : dans le cas de particules chargées, un anneau de stockage se présente comme une excellente solution.Un des principaux défis consiste à conserver la polarisation en spin du faisceau pendant toute la durée de l’expérience. Un excellent contrôle des systématiques et de la dynamique de spin sont alors obligatoires.Les déflecteurs électrostatiques utilisés dans l’expérience à la fois pour guider les particules et pour entraîner la précession du spin liée à la présence d’EDM, sont source d’erreurs systématiques et de décohérence de spin. La partie interne des déflecteurs, et aussi leurs champs de fuite doivent être compris et maîtrisés, en termes de trajectoires et de dynamique de spin. Ma thèse fournit un modèle pour le calcul de champ, trajectoires et dynamique de spin dans un déflecteur électrostatique.La première partie est dédiée au contexte autour de la mesure d’EDM, et se précisera sur le cas particulier de la mesure proposée par JEDI. L’équation de précession du spin sera présentée ainsi que les objectifs de la thèse.La seconde partie décrit en détails tous les outils analytiques ou semi-analytiques qui ont été développés pour répondre à nos besoins spécifiques. Ces outils seront ensuite utilisés dans la partie suivante.La troisième partie concerne les résultats et l’élaboration du modèle de champs, de trajectoire et de spin. Le modèle de champ, établi part transformation conformes, est un modèle universel dépendant uniquement du ration gap/rayon du déflecteur.Il prend en compte les conditions aux limites telles qu’une chambre à vide ou un diaphragme.Le résolution des équations du mouvement se fait à partir des équations d’Hamilton, au second order, par une méthode perturbative et en utilisant la méthode de la variation des constantes.La dynamique de spin, quant à elle, est obtenue par la résolution de l’équation Thomas-BMT par une méthode perturbative. Les fonctions de transfert obtenues dépendent des coordonnées de l’espace des phases à l’entrée du déflecteur. Elles sont totalement analytiques dans le cas de la partie centrale du déflecteur, et semi-analytiques pour les champs de fuites, où elles font intervenir une liste d’intégrales particulières, calculées avant la simulation.La dernière partie concerne l’analyse et le test du modèle à l’aide d’un code de calcul appelé BMAD.

In this thesis we focus on the theoritical description and on the numerical simulation of the charge and spin dynamics in metallic nano-structures. The physics of metallic nano-structures has stimulated a huge amount of scientific interest in the last two decades, both for fundamental research and for potential technological applications. The thesis is divided in two parts. In the first part we use a semiclassical phase-space model to study the ultrafast charge and spin dynamics in thin ferromagnetic films (Nickel). Both itinerant and localized magnetism are taken into account. It is shown that an oscillating spin current can be generated in the film via the application of a femtosecond laser pulse in the visible range. In the second part we focus on the charge dynamics of electrons confined in metallic nano-particles (Gold) or anisotropic wells. We show that such systems can be used for high harmonic generation.; Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude théorique et à la simulation numérique de la dynamique de charges et de spins dans des nano-structures métalliques. Ces dernières années la physique des nano-structures métalliques à connu un intérêt croissant, aussi bien d'un point de vue de la physique fondamental que d'un point de vue des applications technologiques. Il est donc essentiel d'avoir des modèles théoriques nous permettant de décrire correctement ce type d'objets. Cette thèse comporte deux études distinctes. Dans un premier temps on utilise un modèle semi-classique dans l'espace des phases afin d'étudier la dynamique de charges et de spins dans des films ferromagnétiques(Nickel). On décrit dans le même modèle le magnétisme itinérant et le magnétisme localisé. On montre qu'il est possible, en excitant le système avec un laser pulsé femtoseconde dans le domaine du visible, de créer un courant de spin oscillant dans la direction normal du film sur des temps ultrarapides(femtoseconde). Dans un second temps on s’intéresse à la dynamique de charge d'électrons confinés dans des nano-particules d'Or ou bien encore par des potentiels anisotropes. On montre que de telles systèmes sont des candidats intéressant pour faire de la génération d'harmoniques.

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

The present thesis manuscript is devoted to new phenomena in physics of light-matter quasiparticles in heterostructures, related to spin and topology. It is divided into four parts. Chapter 1 gives a necessary background, introducing basic properties of microcavity polaritons and indirect excitons in coupled quantum wells. Chapter 2 is focused on spin dynamics and topological defects formation in indirect exciton many-body systems. The last 2 chapters are related to microcavity-based structures. Chapter 3 is devoted to polariton spin dynamics in optical parametric oscillators. Finally, Chapter 4 studies pillar microcavity lattices and introduces the polariton topological insulator., Cette thèse est consacrée à de nouveaux phénomènes en physique liées au spin et à la topologie des quasi-particules lumière-matière dans des hétérostructures. Elle est divisée en quatre parties. Chapitre 1 donne un fond nécessaire et introduit les propriétés fondamentales des polaritons et des excitons indirects dans des puits quantiques couplés. Chapitre 2 est concentré sur la dynamique de spin et sur formation de défauts topologiques dans des systèmes aux excitons indirects. Les 2 derniers chapitres considèrent les structures basées sur les microcavités. Chapitre 3 est consacré à la dynamique de spin des polaritons dans des oscillateurs paramétriques optiques. Finalement, chapitre 4 étudie les réseaux des microcavités en forme des piliers et introduit l’isolant topologique polaritonique.

The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS.; L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine.

The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS., L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine.

This thesis work is a contribution to the investigation by photoluminescence spectroscopy of the spin properties of III-V semiconductors with possible applications to the emerging semiconductor spintronics field. Two approaches have been explored in this work to achieve a long and robust spin polarization: i) Spatial confinement of the carriers in 0D nanostructured systems (quantum dots). ii) Defect engineering of paramagnetic centres in a bulk systems. Concerning the first approach, we have investigated the polarization properties of excitons in nanowire-embedded GaN/AlN quantum dots. We first evidence a low temperature sizeable linear polarization degree of the photoluminescence (~15 %) under quasi-resonant excitation with no temporal decay during the exciton lifetime. Moreover, we demonstrate that this stable exciton spin polarization is unaffected by the temperature up to 300 K. A detailed theoretical model based on the density matrix approach has also been developed to account for the observed polarization degree and its angular dependence.Regarding the second approach, we have demonstrated a proof-of-concept of conduction band spin-filtering device based on the implantation of paramagnetic centres in InGaAs epilayers. The principle relies on the creation of Ga interstitial defects as previously demonstrated in our group in dilute nitride GaAsN compounds. The driving force behind this work has been to overcome the limitations inherent to the introduction of N in the compounds: a) The dependence of the photoluminescence energy on the spin-filtering efficiency. b) The lack of spatial patterning of the active regions.In this work we show how the spin-filtering defects can be created by ion implantation creating a chosen density and spatial distribution of gallium paramagnetic centers in N-free epilayers. We demonstrate by photoluminescence spectroscopy that spin-dependent recombination (SDR) ratios as high as 240 % can be achieved in the implanted areas. The optimum implantation conditions for the most efficient SDR are also determined by the systematic analysis of different ion doses spanning four orders of magnitude. We finally show how the application of a weak external magnetic field leads to a sizable enhancement of the SDR ratio from the spin polarization of the implanted nuclei; Ce travail de thèse est une contribution à l'étude de la dynamique de spin des porteurs dans des structures semiconductrices III-V en vue d’applications possibles dans le domaine émergent de la spintronique dans les semiconducteurs. Deux approches différentes on été envisagées afin de pouvoir obtenir une polarisation en spin des porteurs longue et robuste : i) le confinement spatial dans des nano-structures 0D (boîtes quantiques), ii) l’ingénierie des centres paramagnétiques dans des couches massives.Pour la première approche, nous avons étudié les propriétés de polarisation de spin d’excitons confinés dans des boîtes quantiques de GaN/AlN insérées dans des nano-fils. Nous avons d’abord mis en évidence un taux important de polarisation de la photoluminescence (15 %) à basse température sous excitation quasi-résonante et nous avons démontré que cette polarisation est temporellement constante pendant la durée de vie des excitons. Grâce à des mesures en température, nous avons aussi démontré que cette polarisation n’est aucunement affectée jusqu’à 300 K. Nous avons aussi développé un modèle détaillé basé sur la matrice densité pour décrire le dégré de polarisation de la photoluminescence et sa dépendance angulaire.Pour la deuxième approche, nous avons réalisé un dispositif prototype de filtrage de spin basé sur l’implantation de centres paramagnétiques dans des couches massives de InGaAs. Le principe repose sur la création de défauts interstitiels paramagnétiques comme précédemment démontré dans notre groupe pour les nitrures dilués tels que GaAsN. Le but de ce travail a été le développement d’un procédé de création de ces défauts qui puisse surmonter les inconvénients liés à l’insertion de l’azote dans les semiconducteurs de type GaAs : a) la dépendance de l’efficacité du filtrage de spin avec de l’énergie de photoluminescence, b) l’impossibilité de créer des zones actives avec des motifs spécifiques.Dans ce travail, nous démontrons que des régions actives de filtre à spin peuvent être créées par implantation ionique de défauts paramagnétiques avec une densité et des motifs spatiaux prédéfinis. Grâce à des études par photoluminescence, nous avons d’une part mis en évidence des taux de recombinaison dépendant en spin pouvant aller jusqu’à 240 % dans les zones implantées. D’autre part, nous avons déterminé la dose d’implantation la plus favorable grâce à une étude systématique sur différents échantillons implantés avec des densités ioniques étendues sur quatre ordres de grandeurs. Nous avons également observé que l’application d’un champ magnétique externe produit une augmentation significative du taux de recombinaison dépendant en spin due à la polarisation en spin des noyaux implantés

In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons., Dans ma thèse, je discute des phénomènes collectifs dynamiques impliquant des excitons et des exciton-polaritons dans des nanostructures de semiconducteurs. Dans le premier chapitre j’introduis brièvement des éléments de physique des semiconducteurs. Les quatre chapitres suivants sont dédiés à la présentation de résultats originaux. Le chapitre 2 décrit les phénomènes d’interaction cohérente entre phonons et condensats d’exciton. Le chapitre 3 décrit un laser à boite quantique dont l’émission peut être amplifiée par l’excitation par un pulse acoustique. Les chapitres 4 et 5 sont respectivement dédiés à l’étude du phénomène de multistabilité des exciton-polaritons et à l’étude d’un condensat d’excitons indirects.

The rotation of the plane of polarization of light upon transmission through a magnetized medium is known as Faraday rotation (FR). In non-magnetic semiconductors FR can be produced by optically orienting the spin of electrons. The main objectives of this thesis is (i) to demonstrate large FR due to optically oriented electrons using an n-doped bulk GaAs microcavity, and (ii) to show that the FR can also be used to measure the nuclear spin dynamics without disturbing it. By using optical orientation of electron gas in n-doped bulk GaAs confined in a microcavity (MC), FR up to 19$^\circ$ in the absence of magnetic field is obtained. This strong rotation is achieved because the light makes multiple round trips inside the MC. Fast optical switching of FR in sub-microsecond time scale is demonstrated by sampling the FR in a one shot experiment under pulsed excitation. A concept of FR cross-section as a proportionality coefficient between FR angle, electron spin density and optical path is introduced. This FR cross-section which defines the efficiency of spin polarized electrons in producing FR is estimated quantitatively and compared with the experimental results. Non-destructive measurement of nuclear magnetization in n-GaAs via cavity enhanced FR of an off-resonant light beam is also demonstrated. In contrast with the existing optical methods, this detection scheme does not require the presence of non-equilibrium electrons. Applying this detection scheme to the metallic n-GaAs sample, nuclear FR is found to vary non-monotonously after pump beam is switched off. It consists of two components: one with short decay time ($\sim$10 s) and another with longer decay time and opposite sign ($\sim$200 s). These two contributions to nuclear FR are attributed to two groups of nuclei: (i) nuclear spins situated within the localization radius of donor-bound electrons, which are characterized by fast dynamics, and (ii) all other nuclear spins in the sample characterized by much slower relaxation rate. The results suggest that, even in degenerate semiconductors nuclear spin relaxation is limited by the presence of localized electron states and spin diffusion, rather than by Korringa mechanism. Nuclear FR in the insulating sample, in contrast with the metallic sample, is found to vary monotonously, but again consists of two components. The fast component is even faster than that of the metallic sample ($\sim$1 s), and the slow component decays in the same time scale as that of the metallic sample. Main microscopic mechanisms responsible for nuclear FR is found to be conduction band spin splitting induced by Overhauser field. It dominates nuclear FR in both metallic (conduction band states partly occupied) and insulating (Fermi level below the bottom of the conduction band) samples. FR resulting from the spin unbalanced occupation of donor bound electron states is only observed in metallic sample.; Nous avons obtenu des angles de rotation Faraday (RF) allant jusqu' a 19 par orientation optique d'un gaz d' electrons dans GaAs de type n inclus dans une microcavit e (Q=19000), sans champ magn etique. Cette forte rotation est obtenue en raison des multiples allers-retours de la lumi ere dans la cavit e. Nous avons egalement d emontr e la commutation optique rapide de la RF a l' echelle sub-microseconde en echantillonnant le signal de RF sous excitation impulsionnelle mono-coup. De la d epolarisation de la RF en champ magn etique transverse, nous avons d eduit un temps de relaxation de spin de 160 ns. Le concept de section e cace de RF, coe cient de proportionnalit e entre l'angle RF, la densit e de spin electronique, et le chemin parcouru, a et e introduit. La section e cace de RF, qui d e nit l e cacit e du gaz d' electrons a produire une RF, a et e estim ee quantitativement, et compar ee avec la th eorie. Nous avons egalement d emontr e la possibilit e de mesurer de mani ere non destructive l aimantation nucl eaire dans GaAs-n, via la RF ampli ee par la cavit e. Contrairement aux m ethodes existantes, cette d etection ne n ecessite pas la pr esence d' electrons hors equilibre. Par cette technique nous avons etudi e la dynamique de spin nucl eaire dans GaAs-n avec di erents dopages. Contrairement a ce qu'on pourrait attendre, le d eclin de la RF nucl eaire est complexe et consiste en deux composantes ayant des temps de relaxation tr es di erents. Deux e ets a l origine de la RF nucl eaire sont identi es: le splitting de spin de la bande de conduction, et la polarisation en spin des electrons localis es, tous deux induits par le champ Overhauser. Le premier e et domine la RF nucl eaire dans les deux echantillons etudi es, tandis que la RF induite par les electrons localis es n'a et e observ ee que dans l' echantillon m etallique.

Magnetic frustration helps destabilizing conventional Néel order at T = 0 in dimensions 2, and therefore allows the emergence of new original quantum phases. The S=1/2 Heisenberg Hamiltonian on the highly frustrated kagome lattice, which is made of corner-sharing triangles, is expected to stabilize such quantum states, including the spin liquid ones which do not break any symmetry even at T = 0. This thesis work focuses on the experimental study of two kinds of S=1/2 (Cu2+) kagome compounds using NMR and μSR local probes as well as thermodynamic measurements (magnetic susceptibility, specific heat).In Mg-herbertsmithite magnetic frustration occurs thanks to a first nearest-neighbor antiferromagnetic interaction J and is responsible for the spin liquid behavior observed down to T = J/10000. In comparison with the formerly known isostructural counterpart Zn-herbertsmithite, we showed that it shares similar physical magnetic properties while allowing sensitive structural refinements and therefore a control of the level of Cu/Mg substitutions defects. Our experiments performed on such well controlled materials allow us to investigate the origin of the dynamical relaxation in these compounds in relation with the existence of interplane spins defects. Kapellasite and haydeite possess both ferromagnetic (J1) and antiferromagnetic (Jd) interactions. They offer the possibility to explore the phase diagram generated by such competing interactions on the kagome lattice. For kapellasite, our μSR experiments evidenced a spin liquid character down to T ≈ J1/1000. We tracked the temperature dependence of the magnetic susceptibility probed by 35Cl-NMR as well as of the specific heat, from which the ratio Jd/J1 = 0.85 can be evaluated. This ratio locates the ground-state of kapellasite to be within an original non-coplanar spin phase described by 12 magnetic sublattices and called cuboc2. Magnetic exchanges in haydeite locate its ground-state within the ferromagnetic phase. Both our local and thermodynamic measurements point to a partial ferromagnetic transition at T = 4 K. This study confirms the relevance of the frustrated quantum kagome lattice to stabilize original quantum phases and suggests the existence of a new spin liquid phase, distinct from the one expected for antiferromagnetically coupled spins.; La déstabilisation de l’ordre antiferromagnétique de Néel au profit de nouvelles phases quantiques à température nulle à deux dimensions est envisageable grâce au phénomène de frustration magnétique. Le modèle théorique de spins Heisenberg S=1/2 répartis sur le réseau bidimensionnel frustré kagome, constitué de triangles joints uniquement par leurs sommets, est susceptible de stabiliser des phases quantiques originales de liquides de spin, qui ne présentent aucune brisure de symétrie à T = 0. Cette thèse a été consacrée à l’étude expérimentale de deux types de composés de spins S=1/2 (Cu2+) à géométrie kagome à l’aide de techniques spectroscopiques locales, la RMN et la μSR, ainsi que de mesures thermodynamiques (susceptibilité magnétique, chaleur spécifique). Dans Mg-herbertsmithite, la frustration est générée par une interaction d’échange premiers voisins antiferromagnétique J et est responsable d’un comportement liquide de spin jusqu’à des températures de l’ordre de J/10000. Par rapport au composé isostructural antérieur, Zn-herbertsmithite, nous avons montré qu’il possédait des propriétés physiques similaires tout en permettant une caractérisation fine du taux de défauts de substitutions Cu/Mg. Nos expériences réalisées à partir d’échantillons contrôlés permettent d’étudier finement l’origine des plateaux de relaxation observés en μSR à basse température en lien avec l’existence des défauts de spins interplans. La kapellasite et l’haydéite possèdent des interactions ferromagnétiques (J1) et antiferromagnétiques (Jd), offrant la possibilité d’explorer le diagramme de phases générées par la compétition de ces interactions sur le réseau kagome. Pour la kapellasite, nos mesures de μSR démontrent le caractère liquide de spin jusqu’à T ≈ J1/1000. La dépendance en température de la susceptibilité magnétique sondée par RMN du 35Cl ainsi que de la chaleur spécifique permettent d’évaluer le rapport Jd/J1 = 0.85, qui localise classiquement son fondamental au sein d’une phase originale de spins non coplanaires à 12 sous-réseaux appelée cuboc2. Les interactions présentes dans l’haydéite localisent son fondamental au sein de la phase ferromagnétique, en bon accord avec nos mesures qui indiquent une transition partielle à caractère ferromagnétique à T = 4 K. Cette étude confirme la pertinence du réseau kagome frustré pour la stabilisation de phases quantiques originales et démontre l’existence d’une nouvelle phase liquide de spin sur ce réseau, distincte de celle attendue pour des spins couplés antiferromagnétiquement.

Magnetic frustration helps destabilizing conventional Néel order at T = 0 in dimensions 2, and therefore allows the emergence of new original quantum phases. The S=1/2 Heisenberg Hamiltonian on the highly frustrated kagome lattice, which is made of corner-sharing triangles, is expected to stabilize such quantum states, including the spin liquid ones which do not break any symmetry even at T = 0. This thesis work focuses on the experimental study of two kinds of S=1/2 (Cu2+) kagome compounds using NMR and μSR local probes as well as thermodynamic measurements (magnetic susceptibility, specific heat).In Mg-herbertsmithite magnetic frustration occurs thanks to a first nearest-neighbor antiferromagnetic interaction J and is responsible for the spin liquid behavior observed down to T = J/10000. In comparison with the formerly known isostructural counterpart Zn-herbertsmithite, we showed that it shares similar physical magnetic properties while allowing sensitive structural refinements and therefore a control of the level of Cu/Mg substitutions defects. Our experiments performed on such well controlled materials allow us to investigate the origin of the dynamical relaxation in these compounds in relation with the existence of interplane spins defects. Kapellasite and haydeite possess both ferromagnetic (J1) and antiferromagnetic (Jd) interactions. They offer the possibility to explore the phase diagram generated by such competing interactions on the kagome lattice. For kapellasite, our μSR experiments evidenced a spin liquid character down to T ≈ J1/1000. We tracked the temperature dependence of the magnetic susceptibility probed by 35Cl-NMR as well as of the specific heat, from which the ratio Jd/J1 = 0.85 can be evaluated. This ratio locates the ground-state of kapellasite to be within an original non-coplanar spin phase described by 12 magnetic sublattices and called cuboc2. Magnetic exchanges in haydeite locate its ground-state within the ferromagnetic phase. Both our local and thermodynamic measurements point to a partial ferromagnetic transition at T = 4 K. This study confirms the relevance of the frustrated quantum kagome lattice to stabilize original quantum phases and suggests the existence of a new spin liquid phase, distinct from the one expected for antiferromagnetically coupled spins., La déstabilisation de l’ordre antiferromagnétique de Néel au profit de nouvelles phases quantiques à température nulle à deux dimensions est envisageable grâce au phénomène de frustration magnétique. Le modèle théorique de spins Heisenberg S=1/2 répartis sur le réseau bidimensionnel frustré kagome, constitué de triangles joints uniquement par leurs sommets, est susceptible de stabiliser des phases quantiques originales de liquides de spin, qui ne présentent aucune brisure de symétrie à T = 0. Cette thèse a été consacrée à l’étude expérimentale de deux types de composés de spins S=1/2 (Cu2+) à géométrie kagome à l’aide de techniques spectroscopiques locales, la RMN et la μSR, ainsi que de mesures thermodynamiques (susceptibilité magnétique, chaleur spécifique). Dans Mg-herbertsmithite, la frustration est générée par une interaction d’échange premiers voisins antiferromagnétique J et est responsable d’un comportement liquide de spin jusqu’à des températures de l’ordre de J/10000. Par rapport au composé isostructural antérieur, Zn-herbertsmithite, nous avons montré qu’il possédait des propriétés physiques similaires tout en permettant une caractérisation fine du taux de défauts de substitutions Cu/Mg. Nos expériences réalisées à partir d’échantillons contrôlés permettent d’étudier finement l’origine des plateaux de relaxation observés en μSR à basse température en lien avec l’existence des défauts de spins interplans. La kapellasite et l’haydéite possèdent des interactions ferromagnétiques (J1) et antiferromagnétiques (Jd), offrant la possibilité d’explorer le diagramme de phases générées par la compétition de ces interactions sur le réseau kagome. Pour la kapellasite, nos mesures de μSR démontrent le caractère liquide de spin jusqu’à T ≈ J1/1000. La dépendance en température de la susceptibilité magnétique sondée par RMN du 35Cl ainsi que de la chaleur spécifique permettent d’évaluer le rapport Jd/J1 = 0.85, qui localise classiquement son fondamental au sein d’une phase originale de spins non coplanaires à 12 sous-réseaux appelée cuboc2. Les interactions présentes dans l’haydéite localisent son fondamental au sein de la phase ferromagnétique, en bon accord avec nos mesures qui indiquent une transition partielle à caractère ferromagnétique à T = 4 K. Cette étude confirme la pertinence du réseau kagome frustré pour la stabilisation de phases quantiques originales et démontre l’existence d’une nouvelle phase liquide de spin sur ce réseau, distincte de celle attendue pour des spins couplés antiferromagnétiquement.

Along this thesis manuscript I shall present some emergent nonlinear phenomena in spinor exciton polariton condensates. After an introductory chapter bringing the necessary background, I will in a first part focus on half-integer topological defects discussing their stability, acceleration and nucleation in the presence of effective magnetic fields. We will see that these objects behave as magnetic charges being fascinating dirac's monopole analogues. Remarkably we will see as well how they can be used as stable signals allowing to seed the physics acoustic black holes analogues. In a second part I will concentrate on low dimensional structures. Especially, I'll describe the formation of gap solitons and the Bloch oscillations of exciton-polaritons in periodically patterned microwires, and besides, the room temperature Josephson oscillations within pairs of coupled micropillars., Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés.

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.

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.

Quantum information processing is a major challenge both on fundamental and technological grounds. In this research field, the spin bus concept relies on the use of both the electronic and nuclear spins in which the electron is used as a reading and writing head over the nuclei system which makes the qubit register. The requested material to build a spin bus must have unpaired electrons delocalized over a great number of nuclear spins having long decoherence time. In this work, we studied a spin system composed of titanium (III) interacting with multiple gallium nuclei in gallium oxide. We synthesized and studied the titanium paramagnetic center in gallium oxide single-crystals by continuous wave EPR and ENDOR spectroscopy and showed that the electron is delocalized over eight neighbouring gallium nuclei. This study also revealed a strong isotopic effect on the nucleus-nucleus interaction mediated by the electron. When the two nearest gallium nuclei surrounding the titanium are identical (same isotopes) this interaction is one order of magnitude higher than in the case of inequivalent nuclei. This effect can be used in order to reduce the computation time. Finally, the dynamical properties of the spin system have been characterized by pulsed EPR and ENDOR spectroscopy. The electron spin decoherence is driven by instantaneous and spectral diffusion. The nuclear dynamical properties have also been studied in order to determine the order of magnitude of nuclear spin relaxation and decoherence time.; Le traitement quantique de l'information est un domaine très actif dont les enjeux sont importants tant d'un point de vue du savoir scientifique fondamental que des applications technologiques. Dans ce contexte le concept de bus de spin consiste à employer en tandem des spins électroniques et nucléaires. Les électrons célibataires servent de tête de lecture et d'écriture sur le registre de bits quantiques constitué par les spins nucléaires. Les électrons sont délocalisés sur un ensemble de spins nucléaires dont les temps de décohérences doivent être longs. Dans ce travail nous avons étudié un ion titane (III) dans l'oxyde de gallium dont nous avons synthétisé et étudié des monocristaux. Une étude approfondie par RPE et ENDOR en onde continue a montré que l'électron porté par le titane était en interaction avec huit noyaux de gallium qui constituent le registre de qubits potentiel. L'étude a également révélé un effet isotopique sur les interactions noyau-noyau véhiculées par l'électron. Lorsque les deux noyaux de gallium entourant le titane sont identiques (mêmes isotopes), cette interaction est d'un ordre de grandeur plus grande que dans le cas d'isotopes différents, un effet qui peut être employé afin de réduire la durée des opérations logiques. Enfin, la dynamique de cet ensemble de spin a été caractérisée par RPE et ENDOR en impulsions. Il s'avère que la décohérence électronique est dominée par des phénomènes de diffusion instantanée et de diffusion spectrale. La dynamique des spins nucléaires les expériences menées permettent de déterminer l'ordre de grandeur des temps de relaxation longitudinaux et de décohérence des spins nucléaires.

Quantum information processing is a major challenge both on fundamental and technological grounds. In this research field, the spin bus concept relies on the use of both the electronic and nuclear spins in which the electron is used as a reading and writing head over the nuclei system which makes the qubit register. The requested material to build a spin bus must have unpaired electrons delocalized over a great number of nuclear spins having long decoherence time. In this work, we studied a spin system composed of titanium (III) interacting with multiple gallium nuclei in gallium oxide. We synthesized and studied the titanium paramagnetic center in gallium oxide single-crystals by continuous wave EPR and ENDOR spectroscopy and showed that the electron is delocalized over eight neighbouring gallium nuclei. This study also revealed a strong isotopic effect on the nucleus-nucleus interaction mediated by the electron. When the two nearest gallium nuclei surrounding the titanium are identical (same isotopes) this interaction is one order of magnitude higher than in the case of inequivalent nuclei. This effect can be used in order to reduce the computation time. Finally, the dynamical properties of the spin system have been characterized by pulsed EPR and ENDOR spectroscopy. The electron spin decoherence is driven by instantaneous and spectral diffusion. The nuclear dynamical properties have also been studied in order to determine the order of magnitude of nuclear spin relaxation and decoherence time., Le traitement quantique de l'information est un domaine très actif dont les enjeux sont importants tant d'un point de vue du savoir scientifique fondamental que des applications technologiques. Dans ce contexte le concept de bus de spin consiste à employer en tandem des spins électroniques et nucléaires. Les électrons célibataires servent de tête de lecture et d'écriture sur le registre de bits quantiques constitué par les spins nucléaires. Les électrons sont délocalisés sur un ensemble de spins nucléaires dont les temps de décohérences doivent être longs. Dans ce travail nous avons étudié un ion titane (III) dans l'oxyde de gallium dont nous avons synthétisé et étudié des monocristaux. Une étude approfondie par RPE et ENDOR en onde continue a montré que l'électron porté par le titane était en interaction avec huit noyaux de gallium qui constituent le registre de qubits potentiel. L'étude a également révélé un effet isotopique sur les interactions noyau-noyau véhiculées par l'électron. Lorsque les deux noyaux de gallium entourant le titane sont identiques (mêmes isotopes), cette interaction est d'un ordre de grandeur plus grande que dans le cas d'isotopes différents, un effet qui peut être employé afin de réduire la durée des opérations logiques. Enfin, la dynamique de cet ensemble de spin a été caractérisée par RPE et ENDOR en impulsions. Il s'avère que la décohérence électronique est dominée par des phénomènes de diffusion instantanée et de diffusion spectrale. La dynamique des spins nucléaires les expériences menées permettent de déterminer l'ordre de grandeur des temps de relaxation longitudinaux et de décohérence des spins nucléaires.

Spin Ice is a model describing a family of frutrated magnetic compounds (Dysprosium Titanate or Holmium Titanate for example), whose main characteristic is to possess a highly degenerate ground state and thus a finite entropy at zero Kelvin. Because of this geometric frustration, strong toplogical constraints take place in this material. In this thesis, I shall present some of their consequences such as exotic phase transitions under magnetic field or pressure, and the emergence of local excitations similar to magnetic monopoles whose influence is essential in the spin ice dynamics !; La glace de spin est un matériau magnétique frustré (cristal de Titane d'Holmium ou de Dysprosium par exemple ...), ayant pour propriété essentielle l'existence d'un état fondamental macroscopiquement dégénéré et donc une entropie non nulle à 0 Kelvin. La frustration géométrique dans ce composé donne lieu à de fortes contraintes topologiques sur les spins. Dans cette thèse, je présenterai certaines conséquences de ces contraintes, telles que l'apparition de transition de phases exotiques en présence de champ magnétique ou de pression, ou bien l'émergence d'excitations locales analogues à des monopoles magnétiques dont l'influence est primordiale dans la dynamique des composés de glace de spin !

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.

Par des méthodes de spectroscopie ultra-rapide, nous avons étudié la relaxation de spin excitonique dans des couches de GaN épitaxiées sur des substrats de saphir et SiC. En nous appuyant sur les règles de sélection pour les transitions optiques, nous avons utilisé des impulsions laser polarisées ultra-courtes (~ 100 fs) pour réaliser l'orientation optique des populations excitoniques et étudier leur évolution temporelle. Nous déduisons, de l'observation d'une transition induite exciton-biexciton, que le processus de Bir-Aronov-Pikus, qui met en jeu la relaxation en bloc du spin de l'exciton, joue un rôle négligeable par rapport à la relaxation du spin des porteurs individuels. En outre, nous montrons que la grande densité de dislocations traversantes, générées pendant l'hétéroépitaxie de GaN sur un substrat désaccordé en paramètre de maille, favorise la relaxation de spin via le mécanisme d'Elliott-Yafet. La dépendance en température de la dynamique de spin vient conforter cette interprétation. Nous montrons également que la structure de la bande de valence a une forte influence sur la relaxation du pseudo-spin du trou. En particulier, celle-ci est ralentie lorsque l'éclatement en énergie ∆EAB entre les bandes de trous -lourd et -léger est supérieur à l'élargissement inhomogène Γ des transitons excitoniques. Un fort taux de polarisation circulaire de DR/R (~50%) est également déterminé dans ce cas. Au contraire, lorsque Γ > ∆EAB, les résonances A et B se recouvrent et le système est alors équivalent à une structure blende de zinc dans laquelle le sommet de la bande de valence est quatre fois dégénéré. Le taux de polarisation de DR/R est alors plus faible (~10%) et les temps de relaxation de spin plus courts.

date de rédaction : mai 2007 à aout 2007; Just over twenty years after the discovery of high temperature superconducting compounds (HTSC), the physics of these compounds remains unexplained. This thesis focuses on two of the many issues that have arisen concerning these compounds: the magnetic excitations spectrum in the superconducting phase of Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) and the nature of the pseudogap phase. Elastic and inelastic neutron scattering techniques are very appropriate tools to investigate these issues. Although Bi-2212 is the reference compound for charge spectroscopy techniques (STM, ARPES), it has been little studied using inelastic neutron scattering. Our study shows the existence of two spin modes with a dispersion that is compatible with that measured in YBa2Cu3O6+x. This study reveals the link between the energy of the magnetic excitations and the spatial distribution of the gap observed by STM. We studied the normal phase (also called pseudogap phase) of HTSC, which presents strong differences to the Fermi liquid theory. Following various theoretical approaches, we report a non-trivial magnetic order in the pseudogap phase of YBa2Cu3O6+x. The study of La2-xSrxCuO4 shows a magnetic response too, although that response is different from the one observed in YBa2Cu3O6+x.; Un peu plus de 20 ans après la découverte des supraconducteurs à haute température critique (SHTC), la physique de ces composés reste une énigme. Nous nous sommes intéressés à deux des nombreuses questions soulevées par ces composés : le spectre d'excitations magnétiques dans la phase supraconductrice du composé Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) et la nature de la phase de pseudogap. Les techniques de diffusion élastique et inélastique de neutrons sont des outils de choix pour cette étude. Bien que Bi-2212 soit le composé de référence pour les techniques de spectroscopie de charge (STM, ARPES), celui-ci a été peu étudié par diffusion inélastique de neutrons. Notre étude a montré l'existence de deux modes de spin S=1 avec une dispersion compatible avec la dispersion mesurée dans YBa2Cu3O6+x. Cette étude a mis en évidence le lien entre la position en énergie des excitations magnétiques et la distribution spatiale de gap observée par STM. Nous nous sommes aussi intéressés à l'étude de la phase normale (dite phase de « pseudogap ») des SHTC. Celle-ci présente de fortes déviations à la théorie du liquide de Fermi. Motivés par différentes approches théoriques, nous avons reporté l'existence d'un ordre magnétique non trivial dans la phase de pseudogap du composé YBa2Cu3O6+x. L'étude sur le composé La2-xSrxCuO4 semble également indiquer une réponse magnétique, cette réponse semble néanmoins différente de celle du composé YBa2Cu3O6+x.

This report deals with a multi-scale study of structural and electronic properties of doped and non-doped π-conjugated systems. The first part is devoted to a comparative study of polyaniline and one model oligomer, the tetraniline, both of them being HCl-doped. It is mainly based on spin dynamics methods which allow one to probe the charge carrier (polarons) motion at a microscopic scale via their spin: 1/ NMR : measurement of the longitudinal nuclear relaxation time T1 as a function of frequency, 2/ ESR : measurement of the linewidth as a function of temperature and adsorbed oxygen amount. We have demonstrated the existence of a metallic behaviour of the microscopic conductivity in the polymer, which is not present in the tetramer. This result closes the debate about the origin of the ESR linebroadening observed in the polymer at high temperature. In addition, it appears that the microscopic conductivity is quasi-1d in both compounds, while considerably higher in the polymer. The second part deals with the self-organization of π-conjugated polymers, the regioregular poly(3-alkylthiophenes. Monolayers of poly(3-hexylthiophene) and poly(3-dodecylthiophene) deposited on graphite (HOPG) have been studied by scanning tunnelling microscopy (STM). We have shown that the structuration at different scales (organized parts vs. disordered parts, nanocrystal size, chain bending,....) Depends on the deposit and post-deposit parameters. Finally, some electronic properties are deduced from 2d scanning tunnelling spectroscopy (STS) measurements performed on regioregular poly(3-dodecylthiophene)., Ce mémoire porte sur une étude multi-échelles des propriétés structurales et électroniques de systèmes pi-conjugués dopés et non dopés. La première partie est consacrée à une étude comparative entre la polyaniline et un oligomère modèle, la tétraaniline, tous deux dopes par HCl. Elle est essentiellement basée sur l'utilisation de méthodes de dynamique de spin qui permettent de sonder le mouvement des porteurs de charge (polarons) par leur spin : 1/ la RMN : mesure du temps de relaxation nucléaire longitudinal T1 en fonction de la fréquence, 2/ la RPE : mesure de la largeur de raie en fonction de la température et de l'oxygène adsorbé. Ces études ont permis de démontrer l'existence d'un comportement métallique de la conductivité microscopique dans le polymère, non présent dans le tétramère. Ce résultat tranche le débat existant sur l'origine de l'élargissement de la raie RPE du polymère à haute température. D'autre part, il apparaît que la conductivité microscopique est quasi-1D dans les deux composes, mais nettement plus élevée dans le polymère. Le processus d'auto-organisation de polymères π-conjugués non dopés, les poly(3-alkylthiophènes) regio-reguliers, est étudié dans la seconde partie par microscopie a effet tunnel. Sur des monocouches de poly(3-héxylthiophène) et de poly(3-dodécylthiophène) déposées sur graphite (HOPG), nous avons montré que la structuration a plusieurs échelles (zones organisées/zones amorphes, taille des nanocristallites, défauts ponctuels, repliements,...) dépend des paramètres de dépôt et de post dépôt. Enfin, les premières études de spectroscopie tunnel 2D ont permis de sonder les propriétés électroniques du poly(3-dodécylthiophène).

In this thesis we make use of the Spin Transfer Torque effect from a continuous microwave current to induce and study the spin dynamics of an individual sub-100 nm nanostructure. The idea that an electrical current can carry a spin angular momentum was introduced in the 1980 with the advent of Spintronics. In 1996, Slonczewski and Berger predicted that, when flowing through a metal ferromagnet, such a spin polarized current can exert a torque on the magnetization. This effect is known as Spin transfer Torque (STT) and implies the possibility to manipulate the magnetization by means of an electrical current. One of the characteristics of the STT effect is that it allows for the magnetization dynamics to be excited and detected electrically. This makes the STT a perfect tool for the investigation of spin dynamics at the nano-scale. Indeed, the intrinsic local character of transport measurements permits a single nanostructure to be addressed and studied. This thesis is devoted to the study of the STT effect induced by a microwave current (AC STT). Our experiment focuses on two main aspects: the intrinsic dynamics of the magnetization and the role of a microwave current in assisting the magnetization reversal. We perform our measurements on Co/Cu nanowires electrodeposited in nanoporous polycarbonate templates. The electrical contact to a nanostructure is realized thanks to a home-made sample-holder, without the use of any lithographic technique. In the first part of the thesis a continuous microwave current is used to both drive and probe the magnetization dynamics of a pseudo spin valve nanostructure. Our measurements show that the magnetization dynamics in such a structure is extremely complex and arises from the excitation of both magnetic layers in the pseudo spin valve. In the dynamical spectrum we identify the fundamental modes of both magnetic layers, as confirmed by macrospin simulations. Higher frequency modes are attributed to spatially non-uniform spin wave excitations, in agreement with that observed by others in arrays of nanoelements. These results validate our technique for making samples and contacting them for AC STT-induced dynamical studies. The second part of this work is aimed at testing the effect of AC STT on the static switching field of magnetic nanoelements. The magnetoresistive curve of a pseudo spin valve structure is recorded with and without an additional microwave current. Our results prove the effectiveness of AC STT in assisting the magnetization reversal. We measured a reduction of the switching field up to 80 mT by injecting a microwave current of about 100 µA. This experiment suggests that the range of sensitivity of magnetoresistive devices could be tuned by simply injecting a continuous microwave current. This point is particularly interesting for the prospect of technological applications such as magnetic sensors.

In this thesis, the interplay between electron transport and magnetization dynamics is explored in order to access to fundamental properties of ferromag- netic metal thin films. With the aim of extracting the influence of the electron surface scattering on the spin-dependent resistivities, thickness series of permal-loy (Ni80Fe20) films were grown and studied. In addition to standard electrical and magnetic measurements, a detailed study of the propagation of spin waves along these films was performed. Resorting to the current-induced spin-wave Doppler shift technique, the degree of spin-polarization of the electrical current was extracted. This degree of spin-polarization was found to decrease when the film thickness decreases, which suggests that the film surfaces contribute to the spin dependent resistivities and tend to depolarize the electrical current.; Dans cette thèse, nous proposons d’explorer la relation entre transport électronique et dynamique d’aimantation afin de mieux comprendre certaines propriétés des films minces de métaux ferromagnétiques. Afin d’extraire l’influencede la diffusion des électrons par les surfaces sur les résistivités dépendantes du spin, des séries d’épaisseur de films de permalloy (Ni80Fe20) ont été déposées et étudiées. En plus de mesures électriques et magnétiques conventionnelles,nous avons réalisé une étude détaillée de la propagation des ondes de spin dans ces films. La technique du décalage Doppler d’ondes de spin induit par un courant électrique a été utilisée pour extraire le degré de polarisation en spin du courant électrique. Nous avons observé que ce degré de polarisation décroît lorsque l’épaisseur du film décroît, ce qui suggère que les surfaces contribuent aux résistivités dépendantes du spin et qu’elles ont tendance à dépolariser le courant électrique.