Ce travail présente une étude de l'influence de la concentration de dopage, de la température et du champ magnétique longitudinal sur le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un puits quantique (PQ) de CdTe. En insérant les donneurs dans un PQ, les règles de sélection optique de la lumière polarisée circulairement sont purifiées, ce qui permet un meilleur degré d'orientation optique des spins des électrons que dans les cristaux 3D. En utilisant une technique de rotation Faraday photo-induite, nous mesurons d’abord le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs pour différentes concentrations de dopage à basse température dans le régime isolant. Ensuite, pour évaluer les mécanismes de relaxation de spin dans notre système, nous calculons l'énergie d'échange d'une paire d'électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un PQ infini, pour toute distance inter-donneur et différentes épaisseurs. En utilisant ce calcul, nous expliquons le comportement expérimental comme une interaction de deux mécanismes : l’interaction hyperfine et l’anisotrope d’échange. De plus, nous déterminons la constante spin-orbite dans CdTe αso = 0.079. Ensuite, nous présentons le développement d’une expérience pompe-sonde étendue permettant de mesurer les temps de relaxation de spin à l’échelle microseconde. Nous discutons brièvement des premiers résultats expérimentaux pour le temps de relaxation de spin longitudinal d'électrons liés aux donneurs immergés dans un PQ de CdTe avec différentes concentrations de dopage. Enfin, nous étudions l'évolution en température de la relaxation de spin de 10 à 80 K. On explique le comportement expérimental en invoquant l'échange de spin entre les électrons localisés et le spin d'électrons promus en états de conduction. Le spin des électrons localisés subit l’effet des interactions hyperfine et anisotrope, le mécanisme de D’yakonov-Perel’ régit la relaxation de spin des électrons de conduction.
Ce travail présente une étude de l'influence de la concentration de dopage, de la température et du champ magnétique longitudinal sur le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un puits quantique (PQ) de CdTe. En insérant les donneurs dans un PQ, les règles de sélection optique de la lumière polarisée circulairement sont purifiées, ce qui permet un meilleur degré d'orientation optique des spins des électrons que dans les cristaux 3D. En utilisant une technique de rotation Faraday photo-induite, nous mesurons d’abord le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs pour différentes concentrations de dopage à basse température dans le régime isolant. Ensuite, pour évaluer les mécanismes de relaxation de spin dans notre système, nous calculons l'énergie d'échange d'une paire d'électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un PQ infini, pour toute distance inter-donneur et différentes épaisseurs. En utilisant ce calcul, nous expliquons le comportement expérimental comme une interaction de deux mécanismes : l’interaction hyperfine et l’anisotrope d’échange. De plus, nous déterminons la constante spin-orbite dans CdTe αso = 0.079. Ensuite, nous présentons le développement d’une expérience pompe-sonde étendue permettant de mesurer les temps de relaxation de spin à l’échelle microseconde. Nous discutons brièvement des premiers résultats expérimentaux pour le temps de relaxation de spin longitudinal d'électrons liés aux donneurs immergés dans un PQ de CdTe avec différentes concentrations de dopage. Enfin, nous étudions l'évolution en température de la relaxation de spin de 10 à 80 K. On explique le comportement expérimental en invoquant l'échange de spin entre les électrons localisés et le spin d'électrons promus en états de conduction. Le spin des électrons localisés subit l’effet des interactions hyperfine et anisotrope, le mécanisme de D’yakonov-Perel’ régit la relaxation de spin des électrons de conduction.
Étude de l'influence de la concentration et de la température sur le temps de relaxation de spin des donneurs immergés dans un puit quantique du CdTe Ce travail présente une étude de l'influence de la concentration de dopage, de la température et du champ magnétique longitudinal sur le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un puits quantique (PQ) de CdTe. En insérant les donneurs dans un PQ, les règles de sélection optique de la lumière polarisée circulairement sont purifiées, ce qui permet un meilleur degré d'orientation optique des spins des électrons que dans les cristaux 3D. En utilisant une technique de rotation Faraday photo-induite, nous mesurons d’abord le temps de relaxation de spin des électrons liés aux donneurs pour différentes concentrations de dopage à basse température dans le régime isolant. Ensuite, pour évaluer les mécanismes de relaxation de spin dans notre système, nous calculons l'énergie d'échange d'une paire d'électrons liés aux donneurs immergés au milieu d'un PQ infini, pour toute distance inter-donneur et différentes épaisseurs. En utilisant ce calcul, nous expliquons le comportement expérimental comme une interaction de deux mécanismes : l’interaction hyperfine et l’anisotrope d’échange. De plus, nous déterminons la constante spin-orbite dans CdTe αso = 0.079. Ensuite, nous présentons le développement d’une expérience pompe-sonde étendue permettant de mesurer les temps de relaxation de spin à l’échelle microseconde. Nous discutons brièvement des premiers résultats expérimentaux pour le temps de relaxation de spin longitudinal d'électrons liés aux donneurs immergés dans un PQ de CdTe avec différentes concentrations de dopage. Enfin, nous étudions l'évolution en température de la relaxation de spin de 10 à 80 K. On explique le comportement expérimental en invoquant l'échange de spin entre les électrons localisés et le spin d'électrons promus en états de conduction. Le spin des électrons localisés subit l’effet des interactions hyperfine et anisotrope, le mécanisme de D’yakonov-Perel’ régit la relaxation de spin des électrons de conduction.
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
Dans les systèmes magnétiques, la spectroscopie du bruit fondamental dû aux fluctuations aléatoires du spin, appelée spectroscopie du bruit de spin (SNS), est réalisée optiquement en mesurant les fluctuations de la rotation de Faraday subie par un faisceau sonde polarisé linéairement se propageant à travers l'échantillon. Cette méthode a été appliquée avec succès depuis le début du siècle pour sonder la structure énergétique et les canaux de relaxation dans divers milieux, tels que les vapeurs atomiques à température ambiante, les semi-conducteurs ou les puits quantiques.Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer la SNS afin d'étudier les interactions entre le système et son environnement ou bien au sein du système. Cette étude est menée dans des cellules contenant deux vapeurs atomiques différentes: une vapeur d'hélium métastable et une vapeur de rubidium en abondance naturelle, et est appuyée par des simulations numériques basées sur l'évolution de la matrice densité du système.Dans un premier temps, je montre que l'action de champs externes sur la cellule d'hélium métastable place le système hors d'équilibre, et que les perturbations engendrée sur la dynamique des spins permettent de quantifier l'interaction entre les atomes et ces champs. En particulier, un faisceau sonde intense sépare la résonance de spin usuelle en deux, et la mesure de ce splitting permet une estimation précise du décalage en énergie des niveaux Zeeman dans l'état métastable. Ensuite, je montre théoriquement que l'action d'un champ magnétique fluctuant dans le temps est d'exciter du bruit de spin de manière résonante, s'il est suffisant large bande. La mesure de ce bruit hors équilibre se distingue néanmoins de celle du bruit thermique par sa dépendance en la polarisation du faisceau sonde, ainsi que par sa statistique non-gaussienne.Enfin, je montre l'apparition d'un régime de bruit de spin collectif dans la cellule de rubidium à suffisamment haute densité. Ce régime se traduit par un élargissement drastique des résonances de spins, inexplicable par les processus connus de la littérature, ainsi que par l'apparition d'une composante supplémentaire de bruit large bande, jamais observée jusqu'ici. A l'aide de simulations numériques à deux corps, incluant les interactions optiques ainsi que le mouvement des atomes, je montre que ces effets atypiques sont dus au couplage dipole-dipole résonant entre atomes induit par le champ sonde. Dans ce régime d'interactions fortes, les fluctuations de spins ne peuvent plus être décrites de manière satisfaisante par une approche de champ moyen, ouvrant la voie vers la mesure de bruit de spins à plusieurs corps dans des systèmes plus fortement corrélés.
Dans les systemes fortement correles, tels que les oxydes de cuivre, la competition entre les fluctuations quantiques et le desordre peut donner lieu a une nouvelle physique, non triviale. Afin d'apprehender correctement la specificite des effets lies aux impuretes et au desordre dans certains systemes magnetiques de basse dimensionnalite, l'utilisation des techniques numeriques est au coeur de ce travail de these. Tout d'abord, nous verrons que la physique des chaines antiferomagnetiques de spin-1/2 avec des couplages aleatoires est, pour les systemes de taille finie, controlee par un crossover entre une ligne critique de points fixes purs et un point fixe qualifie de desordre infini. De plus, une analogie directe avec le probleme de la localisation a une dimension est soulevee, grace a l'emergence d'une seule et unique longueur d'echelle, dependant du desordre, gouvernant les deux phenomenes. Par ailleurs, l'influence du desordre sur des systemes ayant un gap de spin sera aussi abordee a travers le probleme du dopage en impuretes non magnetiques de chaines de spin-1/2 frustrees couplees, modelisant ainsi le comportement du compose spin-Peierls CuGeO3 dope. Un hamiltonien effectif de basse energie, decrivant l'interaction entre les impuretes sous le gap de spin, sera ensuite construit et etudie a l'aide de simulations Monte Carlo quantique SSE afin d'apprehender la mise en ordre antiferromagnetique induite par le dopage. La suite du travail sera dediee a l'etude du comportement inattendu de la susceptibilite magnetique a basse temperature a l'aide d'une methode de renormalisation des couplages dans l'espace reel. Le comportement critique de ce systeme quasi-unidimensionnel sera aussi compare aux classes d'universalites connues dans les systemes magnetiques soumis au desordre.
Les qubits de spin dans des boîtes quantiques sont des candidats prometteurs comme unités de base d'un ordinateur quantique en raison de leur long temps de cohérence. Une approche pour contrôler et manipuler ces qubits est de faire des mesures non destructives sur ceux-ci. Le couplage d'une boîte quantique avec une cavité micro-onde supraconductrice permet d'e ectuer ce type de mesures. Avant de commencer tout calcul quantique, il est nécessaire d'initialiser les qubits dans un état connu. Actuellement, la relaxation contrôlée par un bain thermique et la rétroaction conditionnelle sont deux techniques utilisées pour initialiser un qubit. Ces deux techniques nécessitent de travailler à des températures très basses de l'ordre des dizaines aux centaines de mK avec une délité limitée. En outre, comme les qubits de spin sont généralement des systèmes bien isolés, ils ont des temps de relaxation longs. Ceci fait en sorte qu'une approche passive d'attente que le qubit retourne dans son état fondamental sera typiquement longue, ce qui mènera à un temps d'initialisation appréciable dans un calcul quantique. L'objectif du présent travail est de développer une nouvelle approche active par asservissement qui permet d'atteindre toute délité, qui est rapide et qui permet de travailler à de plus hautes températures de l'ordre du Kelvin, ce qui est important expérimentalement et pour les développements actuels. Pour ce faire, on considère un qubit de spin couplé à un résonateur micro-onde supraconducteur. Le couplage est fait d'une manière dispersive. Ceci permet de réaliser des mesures non-destructives sur le qubit. Des simulations numériques montrent la validité de l'opérateur de mesure utilisé dans cette étude. Le contrôle du qubit se fait directement sur celui-ci en utilisant un opérateur de rotation. La loi de rétroaction consiste à calculer les paramètres de cet opérateur à chaque itération de la boucle de rétroaction. Les résultats numériques incluant la décohérence montrent la possibilité d'initialiser un qubit dans l'état|0i à l'intérieur d'un temps de 2 µs pour une délité minimale xée à 99.9 %.. L'approche est comparée aux méthodes usuelles de relaxation et de rétroaction conditionnelle qui donnent de moins bons résultat.