Les excitons semiconducteurs sont des quasi-particules bosoniques composées d’un électron et d’un trou appariés par attraction coulombienne. Ils peuvent subir une condensation de Bose-Einstein dont l’originalité réside dans le fait que les excitons participant au condensat se distribuent de façon cohérente entre quatre états de « spin » : les deux états de plus basse énergie qui sont « noirs » puisqu’ils ne sont pas couplés à la lumière, et les deux états « brillants », à plus haute énergie, permettant de voir les signatures quantiques via une émission cohérente de photons. La condensation des excitons doit donc conduire à une occupation macroscopique des états noirs quand la température est inférieure à 1 K, et a été expérimentalement démontrée en 2015 dans la thèse de M. Beian. Cette thèse montre, cette fois-ci, la participation des excitons brillants à la condensation de Bose-Einstein. En étudiant un gaz bi-dimensionnel d’excitons confinés dans un piège électrostatique, nous montrons, dans le régime dilué, qu’émerge un ordre à longue portée d’origine quantique, avec un accroissement de la cohérence temporelle de la photoluminescence émise par les excitons brillants, en dessous d’une température critique commune d’environ 1 K. La présence de vortex quantiques, signalés par des défauts de densité et par l’apparition de singularités de phase dans les figures d’interférences spatiales, apporte la preuve que 85% des excitons participent à la formation d’un superfluide à quatre composantes, avec une population macroscopique d’excitons noirs couplée de façon cohérente à une fraction d’excitons brillants condensés.
Les excitons semiconducteurs sont des quasi-particules bosoniques composées d’un électron et d’un trou appariés par attraction coulombienne. Ils peuvent subir une condensation de Bose-Einstein dont l’originalité réside dans le fait que les excitons participant au condensat se distribuent de façon cohérente entre quatre états de « spin » : les deux états de plus basse énergie qui sont « noirs » puisqu’ils ne sont pas couplés à la lumière, et les deux états « brillants », à plus haute énergie, permettant de voir les signatures quantiques via une émission cohérente de photons. La condensation des excitons doit donc conduire à une occupation macroscopique des états noirs quand la température est inférieure à 1 K, et a été expérimentalement démontrée en 2015 dans la thèse de M. Beian. Cette thèse montre, cette fois-ci, la participation des excitons brillants à la condensation de Bose-Einstein. En étudiant un gaz bi-dimensionnel d’excitons confinés dans un piège électrostatique, nous montrons, dans le régime dilué, qu’émerge un ordre à longue portée d’origine quantique, avec un accroissement de la cohérence temporelle de la photoluminescence émise par les excitons brillants, en dessous d’une température critique commune d’environ 1 K. La présence de vortex quantiques, signalés par des défauts de densité et par l’apparition de singularités de phase dans les figures d’interférences spatiales, apporte la preuve que 85% des excitons participent à la formation d’un superfluide à quatre composantes, avec une population macroscopique d’excitons noirs couplée de façon cohérente à une fraction d’excitons brillants condensés.
Cohérence et Superfluidité de gaz de Bose en dimension réduite : des pièges harmoniques aux fluides uniformes La dimensionnalité d’un système affecte fortement ses propriétés physiques ; les transitions de phasequi s’y déroulent ainsi que le type d’ordre qui y apparaît dépendent de la dimension. Dans les systèmesde basse dimension, la cohérence s’avère plus difficile à établir car les fluctuations thermiques etquantiques y jouent un rôle plus important. Le fluide de Bose à deux dimensions est particulièrementintéressant car, même si un ordre total est exclu, un ordre résiduel à « quasi-longue » portée s’établit àbasse température. Deux ingrédients ont un effet significatif sur l’état du système : (i) la taille finie d’unsystème réel permet de retrouver une occupation macroscopique d’un état à une particule ; (ii) les interactionsentre particules conduisent à l’apparition d’un type non-conventionnel de transition de phasevers un état superfluide.Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale du gaz de Bose bidimensionnel (2D) utilisantdeux types de paysages énergétiques pour piéger nos atomes. Dans la première partie, nous utilisonsla dépendance spatiale de certaines propriétés locales d’un gaz inhomogène pour caractériser l’étatdu système homogène équivalent. Nous extrayons son équation d’état des profils de densité et noustestons son comportement superfluide en mesurant le chauffage induit par le mouvement d’une perturbationlocale. Dans la deuxième partie, nous observons et caractérisons l’émergence d’une cohérencede phase étendue dans un gaz 2D homogène, en particulier via le passage de trois dimensions à deux(croisement dimensionnel). Nous étudions l’établissement dynamique de la cohérence par un passagerapide du croisement dimensionnel et nous observons des défauts topologiques dans l’état superfluidefinal. Nous comparons nos résultats avec les prédictions du mécanisme de Kibble–Zurek.
Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système
Condensats d'exciton-polariton hors équilibre : Propriétés statistiques et régimes universels en une et deux dimensions De nombreux systèmes, classiques ou quantiques, fermés ou ouverts, présentent des propriétés universelles. La condensation de Bose-Einstein est un phénomène emblématique dans la matière quantique, décrivant l'occupation macroscopique de l'état quantique fondamentale lorsqu'un paramètre de contrôle externe est ajusté. Dans cette thèse, nous nous intéressons à un type de condensat dissipatif formé par des exciton-polaritons. Ces quasi-particules sont créées par le pompage laser continu d'une microcavité semi-conductrice. Les photons injectés dans la cavité interagissent fortement avec les paires électron-trou, conduisant à une transition de condensation au-dessus d'un seuil de pompe. Dans ce travail, nous étudions l'émergence de caractéristiques clés des quasi-condensats de Bose-Einstein (BEC) à basse dimension dans les systèmes EP, à la fois en une et deux dimensions. Une caractéristique importante et largement étudiée des BEC à faible interaction réside dans l'énergie de l'état fondamental, en particulier dans la manière dont elle est affectée par des fluctuations quantique. Ces fluctuations décalent le spectre du condensat vers de plus hautes énergies, qui va au-delà des prédictions de champ moyen. Nous prédisons un effet analogue dans les condensats EP, cette fois induit par des fluctuations stochastiques provenant des gain et de pertes répétés dans la microcavité. En l'absence de défauts topologiques, nous calculons les corrections stochastiques du blueshift du condensat dans l'approximation de Bogoliubov. Ces prédictions sont ensuite comparées aux simulations numériques d'un condensat de polariton unidimensionnel. Dans ce contexte, nous mettons en évidence que les corrections du blueshift peuvent être interprétées comme la vitesse asymptotique d'une interface stochastique croissante. Cette interprétation découle de la correspondance entre la dynamique de phase effective et l'équation de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), qui décrit les propriétés universelles de la dynamique de surfaces rugueuses. Une deuxième caractéristique importante des condensats de Bose-Einstein réside dans leurs propriétés de cohérence. En deux dimensions et à basse température, ils présentent une phase quasi-ordonnée caractérisée par une décroissance algébrique de la fonction de corrélation du premier ordre. Au-delà d'une température critique, décrite par le mécanisme Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), des paires vortex-antivortex sont nucléées dans le condensat, conduisant à une phase désordonnée avec une décroissance exponentielle des corrélations. Ces dernières années, un mécanisme similaire a été proposé pour les EP, en concurrence avec la physique émergente de KPZ, entravant son émergence. Alors que plusieurs études ont suggéré qu'une phase KPZ pourrait encore être accessible dans les expériences, une compréhension unifiée de ces scénarios concurrents dans des conditions réalistes est restée manquant e. Grâce à des simulations numériques de la dynamique du condensat, nous démontrons que la non-linéarité effective de la phase du condensat peut être finement ajustée sur une large plage en faisant varier la force d'interaction EP. Ce niveau de contrôle permet d'explorer trois régimes universels, dans un régime de paramètres compatibles avec les plateformes expérimentales actuelles : le régime Edwards-Wilkinson (EW) faiblement non linéaire ; le régime KPZ fortement non linéaire, où les fluctuations de phase du condensat augmentent de manière superdiffusive, conduisant à une rugosité de la phase ; et une phase dominée par les vortex émergeant lors d'interactions plus fortes, où la dynamique de la densité et de la phase joue un rôle important. La signature de chacune de ces phases est mise en évidence par la décroissance de la fonction de corrélation de premier ordre du condensat, ses effets de taille finie, ainsi que ses statistiques de fluctuation.
Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique