Nous avons etudie les mecanismes responsables de la perte de coherence dans des heterostructures de semiconducteurs iii-v par une technique lineaire de correlation interferometrique de la diffusion rayleigh resonante. Cette technique repose sur l'excitation d'un echantillon par une paire d'impulsions femtosecondes, coherentes, de meme intensite et decalees dans le temps. Les interferences entre les polarisations creees dans l'echantillon par la paire d'impulsions produisent des interferences sur l'emission resonante du systeme. Leur contraste decroit avec le retard entre les impulsions sur une echelle de temps donnee par le temps de relaxation de coherence ou temps de dephasage t 2, de l'ordre de quelques picosecondes dans les heterostructures de semiconducteurs. Nous nous sommes d'abord interesses a des puits quantiques gaas/al xga 1 - xas peu profonds ou la concentration en aluminium dans l'alliage de barriere varie de 18 a 1,5%. Dans ces puits quantiques, les excitons sont dans un regime de confinement faible intermediaire entre les puits profonds (2d) et le materiau massif (3d). Grace a des experiences realisees pour differentes temperatures de l'echantillon, nous avons etudie l'influence de la transition 2d-3d sur les mecanismes de dephasage par phonons. Pour les phonons acoustiques, nous mettons en evidence une transition molle alors que pour les phonons optiques, nous observons une resonance de couplage pour le puits x=3,3% ou les excitons du puits et de la barriere sont distants d'un phonon optique. Nous avons par ailleurs etudie une microcavite de semiconducteurs en couplage fort. Dans cette heterostructure, les etats propres ne sont plus des excitons mais des etats mixtes exciton-photon, les polaritons de cavite. Dans ce systeme, la relaxation de coherence est gouvernee par des mecanismes de dephasage de types tres differents pour les composantes exciton et photon, respectivement. Tout d'abord, par des etudes a basse temperature en fonction du desaccord en energie entre les modes exciton et photon, nous mettons en evidence les specificites de la relaxation de coherence des polaritons de cavite. Nous avons developpe un calcul de la diffusion rayleigh resonante d'une microcavite a partir d'un modele semi-classique de dispersion lineaire et nous obtenons un excellent accord theorie/experience. Par ailleurs, par des etudes en fonction de la temperature, nous avons examine le dephasage des polaritons assiste par phonons acoustiques. Nous mettons en evidence les limites d'un modele semi-classique pour decrire la relaxation de coherence en fonction de la temperature et nous reproduisons nos donnees experimentales a l'aide d'un modele quantique de polaritons.
Nous avons etudie les mecanismes responsables de la perte de coherence dans des heterostructures de semiconducteurs iii-v par une technique lineaire de correlation interferometrique de la diffusion rayleigh resonante. Cette technique repose sur l'excitation d'un echantillon par une paire d'impulsions femtosecondes, coherentes, de meme intensite et decalees dans le temps. Les interferences entre les polarisations creees dans l'echantillon par la paire d'impulsions produisent des interferences sur l'emission resonante du systeme. Leur contraste decroit avec le retard entre les impulsions sur une echelle de temps donnee par le temps de relaxation de coherence ou temps de dephasage t 2, de l'ordre de quelques picosecondes dans les heterostructures de semiconducteurs. Nous nous sommes d'abord interesses a des puits quantiques gaas/al xga 1 - xas peu profonds ou la concentration en aluminium dans l'alliage de barriere varie de 18 a 1,5%. Dans ces puits quantiques, les excitons sont dans un regime de confinement faible intermediaire entre les puits profonds (2d) et le materiau massif (3d). Grace a des experiences realisees pour differentes temperatures de l'echantillon, nous avons etudie l'influence de la transition 2d-3d sur les mecanismes de dephasage par phonons. Pour les phonons acoustiques, nous mettons en evidence une transition molle alors que pour les phonons optiques, nous observons une resonance de couplage pour le puits x=3,3% ou les excitons du puits et de la barriere sont distants d'un phonon optique. Nous avons par ailleurs etudie une microcavite de semiconducteurs en couplage fort. Dans cette heterostructure, les etats propres ne sont plus des excitons mais des etats mixtes exciton-photon, les polaritons de cavite. Dans ce systeme, la relaxation de coherence est gouvernee par des mecanismes de dephasage de types tres differents pour les composantes exciton et photon, respectivement. Tout d'abord, par des etudes a basse temperature en fonction du desaccord en energie entre les modes exciton et photon, nous mettons en evidence les specificites de la relaxation de coherence des polaritons de cavite. Nous avons developpe un calcul de la diffusion rayleigh resonante d'une microcavite a partir d'un modele semi-classique de dispersion lineaire et nous obtenons un excellent accord theorie/experience. Par ailleurs, par des etudes en fonction de la temperature, nous avons examine le dephasage des polaritons assiste par phonons acoustiques. Nous mettons en evidence les limites d'un modele semi-classique pour decrire la relaxation de coherence en fonction de la temperature et nous reproduisons nos donnees experimentales a l'aide d'un modele quantique de polaritons.
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
Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux. Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante. Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.
Nous avons étudié les propriétés de cohérence d'une paire électron-trou confinée dans une boîte quantique (BQ) unique. Ce travail a été réalisé sur deux types de BQs : d'une part, des BDs de GaAs sur GaAlAs obtenues par fluctuations d'épaisseur aux interfaces, et d'autre part, des BQs auto-organisées d'InAs sur GaAs. Afin d'exciter de manière résonnante la transition fondamentale de BQs, celles-ci sont insérées dans un guide d'onde unidimensionnel. La luminescence des BQs est collectée par la surface du guide d'onde, de telle façon à séparer la luminescence du laser diffusé. Tout d'abord, nous avons observé des oscillations de Rabi sur l'intensité de la micro-photoluminescence en fonction de l'aire de l'impulsion lumineuse d'excitation. Ceci démontre l'existence d'une régime de couplage fort entre une BQ unique et l'impulsion. Deuxièmement, une paire électron-trou peut être manipuler par un train de deux impulsions, dans une expérience dite de contrôle cohérent. En fonction de la différence de phase entre les deux impulsions, des interférences constructives ou destructives entrainent, respectivement, une augmentation ou une diminution de l'intensité de la luminescence de la BQ. Nous avons montré que deux impulsions π permettent de mesurer le temps de vie, T1, de l'état excité et deux impulsions π/2 sont utilisées pour mesurer le temps de cohérence, T2. Les résultats expérimentaux montrent que le temps de décohérence total, T2 (170 ps), est du même ordre de grandeur que le temps de vie T1 (200 ps) bien que le limite supérieure de 2T1 ne soit pas atteinte. Nous en concluons que la perte de cohérence est autant dû à l'émission spontanée qu'aux processus de déphasage pur.
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 (BQ) semi-conductrices possèdent une structure électronique discrète qui en fait une excellente source de photons uniques et indiscernables. Elles sont ainsi devenues un système très attractif pour des futures applications en information quantique, grâce à la possibilité de les intégrer dans des nano-dispositifs permettant un couplage efficace lumière-matière. Cependant, les BQs constituent par nature un système ouvert en interagissant fortement avec l'environnement solide, une des conséquences étant la destruction partielle de la cohérence des photons émis. Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser une BQ comme sonde très sensible de ces interactions. Des expériences d'interférences à deux photons, de type Hong-Ou-Mandel, sous excitation résonante et en fonction de la température, nous ont permis d’étudier l'interaction entre une BQ et les phonons acoustiques de la matrice cristalline environnante. En combinant nos résultats expérimentaux et un modèle théorique microscopique, nous avons identifié deux processus distincts responsables de la perte d’indiscernabilité : le premier dû aux transitions réelles par absorption-émission de phonons, le deuxième à cause de transitions virtuelles, processus du deuxième ordre, dues à la présence d’états excités de plus haute énergie dans la boîte. Nous avons par ailleurs étudié des échantillons dopés permettant d’appliquer un champ électrique sur le plan de BQ, mettant en évidence que le contrôle de l’état de charge d’une BQ permet sont excitation résonante systématique.
La décohérence dans les solides est un problème majeur vers la réalisation d'un processeur quantique basé sur l'utilisation de boîtes quantiques (BQs) semiconductrices comme qubits optiquement actifs. Mesurer et contrôler la cohérence optique de tels qubits s'avère donc primordial, tant d'un point de vue technologique que fondamental. Cependant, leurs tailles nanométriques, associées aux temps de vie sub-nanosecondes de leurs transitions optiques, rendent les mesures expérimentales très délicates.Ce travail de thèse propose une étude détaillée des mécanismes de déphasage et de couplage cohérent de complexes excitoniques fortement confinés dans des BQs InAs/GaAs individuelles. Pour réaliser ces mesures, j'ai développé une expérience de mélange à quatre ondes hétérodyne sensible à l'amplitude et à la phase du champ électrique émis par une BQ unique. Ce dispositif permet de mesurer le temps de vie et de cohérence d'un exciton unique, même en présence d'élargissement inhomogène. Pour augmenter l'interaction lumière-matière et l'efficacité d'extraction du signal, l'utilisation de nanostructures photoniques s'est avérée indispensable. La sensibilité optique du dispositif m'a permis d'étudier en détail les mécanismes d'interaction exciton-phonon, source importante de décohérence dans les solides, comme la formation du polaron acoustique, le couplage quadratique aux phonons acoustiques, et le déphasage induit pendant l'excitation. Par ailleurs, la réalisation de spectres bidimensionnels m'a permis de révéler le couplage cohérent entre différentes transitions excitoniques. Enfin, je présente un nouveau protocole de mélange multi-ondes permettant de contrôler la réponse cohérente d'un exciton unique que je propose d'appliquer sur une paire de BQs pour contrôler le couplage radiatif longue distance, étape fondamentale vers la réalisation d'une porte logique quantique dans les solides.