Academic literature on the topic 'Confinement quantique'

Un ion unique piégé et refroidi par laser est un système quantique isolé quasi-idéal pour des études spectroscopiques de haute précision avec de nombreuses applications en métrologie et physique fondamentale. Le confinement d’un ensemble d’ions dans des configurations contrôlées et le développement de techniques d’interrogation toujours plus sophistiquées, utilisant notamment la logique quantique, offrent de nouvelles ouvertures pour continuer cette quête à la précision ultime.

We first quantize an action proposed by Casalbuoni and Gomis in 2014 that describes two massless relativistic scalar particles interacting via a conformally invariant potential. The spectrum is a continuum of massive states that may be interpreted as unparticles. We then obtain in a similar way the mass operator for a deformed action in which two terms are introduced that break the conformal symmetry: a mass term and an extra position-dependent coupling constant. A simple Ansatz for the latter leads to a mass operator with linear confinement in terms of an effective string tension σ. The quantized model is confining when σ≠0 and its mass spectrum shows Regge trajectories. We propose a tensionless limit in which highly excited confined states reduce to (gapped) unparticles. Moreover, the low-lying confined bound states become massless in the latter limit as a sign of conformal symmetry restoration and the ratio between their masses and σ stays constant. The originality of our approach is that it applies to both confining and conformal phases via an effective interacting model.

Nous decrivons dans ce memoire les proprietes optiques de reseaux periodiques de fils quantiques realises par epitaxie par jets moleculaires de semiconducteurs iii-v alas/gaas sur substrats vicinaux. Nous realisons une etude systematique en fonction de leur inclinaison, qui permet de controler l'amplitude du confinement unidimensionnel ainsi que ses symetries. Les spectres d'absorption de reseaux de fils non dopes presentent de nouvelles transitions excitoniques qui attestent de la formation de minibandes 1d et de l'ouverture de minigaps en bandes de conduction et de valence. Enfin, de fortes interactions exciton-exciton sont mesurees, qui s'expliquent en termes de melange en bande de valence et du confinement periodique 1d, dans un regime ou l'extension des minizones de brillouin laterales /l#x est de l'ordre du rayon de bohr excitonique inverse 1/a#b. Les structures dopees selectivement montrent quant a elles des proprietes gouvernees a la fois par le confinement 1d periodique (couplages inter-sous-bandes) et par la localisation anisotrope des trous photocrees en bande de valence (proprietes de polarisation lineaire, regles de selection optique en (magneto)-photoluminescence). Enfin, nous discutons des singularites au niveau de fermi, phenomene traditionnellement attribue a l'interaction coulombienne entre porteurs photocrees de valence et le gaz degenere d'electrons de conduction. Nous en proposons une explication alternative dans un formalisme de resonance de fano, qui explique quantitativement les singularites observees dans des gaz 2d (gouvernees par le desordre d'alliage) et celles des gaz 2d modules (gouvernees par les couplages inter-sous-bandes).

Les deux grands défis actuels pour l'optoélectronique térahertz (THz) sont d'une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d'autre part, la nécessité d'améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d'y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d'ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d'atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d'onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d'être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d'obtenir des résultats à l'état de l'art, démontrant d'une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d'autre part qu'ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d'un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l'épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu'à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l'augmentation des pertes optiques, l'effet laser est obtenu au-dessus de la température de l'azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d'envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d'onde. Les perspectives de ce travail de thèse s'étendent de l'électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l'utilisation d'une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d'obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d'accorder la fréquence du laser en adaptant l'impédance complexe équivalente de la combinaison d'éléments LC.

Ce travail presente l'etude par spectroscopie optique (absorption et photoluminescence) de verres de borosilicates de sodium dopes par des nanocristaux de cds, cdse ou cdte, ainsi que les modeles theoriques developpes pour interpreter les resultats experimentaux. Au plan theorique, les regimes de faible et de fort confinement sont envisages. Dans ce dernier cas, un modele prenant en compte le melange des etats issus des six bandes de valence superieures a ete developpe. Ce modele permet de simuler les spectres d'absorption d'une population de nanocristaux de tailles statistiquement distribuees. Il permet egalement de prevoir certains effets lies a la symetrie des etats quantifies, comme l'existence d'une transition optique fondamentale interdite dans certains materiaux. Au plan experimental, la methode de fabrication par voie sol-gel est decrite, ainsi que les procedures de recuits controles que les presentes mesures optiques ont permis d'optimiser. Une gamme etendue de rayons de cristallites a ainsi ete obtenue. Les deux transitions excitoniques fondamentales du cdte dans sa phase wurtzite (hexagonale) sont mesurees pour la premiere fois.

L'objectif de ce travail est de décrire la structure électronique et les propriétés optiques de boîtes quantiques de semiconducteurs (nanocristaux) contenant des hétérojonctions, c'est-à-dire des nano-jonctions entre deux semiconducteurs. Ces nanostructures ont des propriétés optiques très intéressantes pour les applications photoniques et photovoltaïques. La description théorique des effets liés à l'interface demande un traitement particulier. Nous commençons par décrire la structure électronique des semiconducteurs massifs en liaisons fortes et nous montrons comment on peut appliquer cette théorie aux nanocristaux. La méthodologie de calcul des spectres optiques en partant de la structure électronique est présentée. Les paramètres de liaisons fortes sont utilisés pour calculer l'évolution de la structure électronique des boîtes quantiques en fonction de leur taille. Le bon accord théorie/expérience obtenu pour la variation de la bande interdite en fonction de la taille valide notre approche théorique. Nous appliquons ensuite ces techniques à des nanocristaux coeur/coquille PbSe/CdSe, après analyse des interfaces présentes dans ces systèmes et discussion des valeurs des discontinuités de bandes. Nos calculs justifient l'hypothèse que CdSe agit comme une barrière de potentiel pour l'électron et le trou. Nous simulons les spectres d'absorption optique des nanocristaux de PbSe, CdSe et PbSe/CdSe. Nos travaux confirment l'existence de transitions optiques intra-bandes photo-induites observées récemment dans des expériences de type pompe-sonde. Ces transitions intra-bandes photo-induites, révélées et étudiées pour la première fois, sont très intéressantes pour des applications en photonique
The main objective of this work is to give a description of the electronic structure and optical properties of semiconductor quantum dots (nanocrystals) containing heterojunctions, i.e. nano-junctions between two semiconductors. These nanostructures have interesting optical properties which are very promising for applications in photonics and photovoltaics. The theoretical description of the effects of the interface demands special attention. We start describing the calculations of the electronic structure of bulk semiconductors using semi-empirical tight-binding, and we show how to apply this technique to semiconductor quantum dots. We develop expressions to connect the discrete levels of energy in a quantum dot and the transitions in optical absorption spectra. The bulk tight-binding parameters are used for the calculation of the electronic structure of quantum dots of single compounds, analyzing the effect of the size variation of the quantum dots. The effectiveness of this method is demonstrated, in particular we obtain good values for the bandgap versus size compared to experiments. We apply this method to calculate the electronic structure of PbSe/CdSe core/shell quantum dots, after an analysis of the different types of interfaces that can appear in this system, and we discuss the issues related to the determination of the band offsets. The results of these calculations validate the assumption of the role of the shell as a potential barrier for the electron and the hole. The electronic structures are used in the last chapter to simulate the absorption spectra of PbSe, CdSe and PbSe/CdSe quantum dots. We give theoretical support to recent experiments in transient absorption spectroscopy, revealing groups of new transitions originated by photo-induced intraband absorption. Our calculations shed light on the nature of these optical transitions which can be of interest for applications in photonics

La limite de Shockley-Queisser représente le compromis entre la non-exploitation des photons d’énergie insuffisante et les pertes par thermalisation des porteurs photo-générés à hautes énergies. Il existe des dispositifs photovoltaïques permettant de dépasser cette limite, basés sur les propriétés quantiques des porteurs et de leur transport. La compréhension des phénomènes physiques quantiques est essentiel pour l’élaboration de nouvelles solutions. L’objectif de cette thèse consiste à réaliser une étude numérique des effets liés au confinement et aux collisions dans des cellules solaires. Dans une première partie consacrée au modèle théorique implémenté, nous détaillons le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre et son utilisation dans le cadre de notre étude. Nous proposons un modèle numérique permettant de prendre en compte les interactions electron-phonon et électron-photon au moyen de self-energies. Les deux parties suivantes présentent l'application du formalisme dans le cas de deux dispositifs. Le premier système est une cellule à base de puits quantiques. Le calcul de la densité d’états locale a permis de mettre en évidence le phénomène de minibandes survenant dans les systèmes périodiques quantiques. Le second système est une cellule à base de matériaux pérovskites hybrides. Déjà utilisé pour la conception de cellules tandem, il subsiste toutefois des incertitudes concernant les mécanismes de transport des porteurs dans de tels matériaux hybrides. Notre travail a permis d’apporter des éléments de compréhension sur les effets de l’interaction électron-phonon dans ce matériau, notamment sur les caractéristiques optiques et électriques du dispositif
The Shockley-Queisser limit represents the compromise between the non-exploitation of low energy photons andthe thermalization losses of high-energy photo-generated carriers. There are devices that can overcome this limit, based on the quantum properties and transport of carriers. The understanding of the physical phenomena occurring at these nanoscales is a key component to the development of new solutions. The goal of this thesis is to conduct a numerical study of the effects of confinement and scattering in solar cells. In a first part dedicated to the theoretical model, we detail the non-equilibrium Green’s functions formalism and its use in the context of our study. We give details on the numerical model of electron-phonon and electron-photon scatterings with interaction self-energies. The two following parts show examples of application of the Green’s function formalism in the case of two devices. The first system is a multi quantum wells solar cell. Calculations of the local density of states permit to highlight the phenomenon of minibands occurring in such quantum periodic systems. The second system is a solar cell based on perovskite hydrid materials. Already used for the design of tandem cells, there is still uncertainties concerning carrier transport mechanisms in such organic-inorganic materials. Our work has provided information about the effects of electron-phonon scattering in such materials, in particular on the opti-cal and electrical characteristics of the device

Une première partie de ce travail de thèse consiste au développement d'une nouvelle synthèse chimique de nanocristaux supraconducteurs de plomb ayant la particularité de produire de grandes quantités de nanocristaux monodisperses. Cette synthèse nous permet de réaliser des mesures précises des propriétés thermodynamiques supraconductrices en fonction de la taille des nanocristaux. Nous présentons des mesures de susceptibilité magnétique de ces nanocristaux afin d'analyser l'amplitude de l'effet Meissner en fonction de la taille des particules. Pour des tailles de nanoparticules de plomb comprises entre 10 et 30 nm, nous avons trouvé que l'amplitude de l'effet Meissner est plus faible de plusieurs ordres de grandeurs que prédite par la théorie de Ginzburg-Landau. Nous avons aussi trouvé que cet effet est totalement supprimé pour des particules de diamètres inférieurs à 16 nm lorsque le spectre électronique devient discret. Ce résultat montre que les effets du confinement quantique altèrent l'état superfluide même pour des tailles supérieures à la taille déterminée par le critère d'Anderson. Ce critère contrôle l'existence des paires de Cooper dans le nanocristal. Dans une seconde partie de cette thèse, nous présentons une étude du transport électronique dans des réseaux de nanocristaux d'or réalisés par la technique de Langmuir. Nous présentons l'évolution des propriétés de conduction électrique et optique de ces réseaux avec le couplage des nanocristaux par des molécules alcanedithiols. Nous montrons que la conductivité du réseau augmente fortement pour de petites chaînes alcanes sans pour autant conduire à un état métallique. Aux basses températures de l'Hélium liquide, les caractéristiques courant-tension mesurées sur ces réseaux montrent un comportement non-linéaire et exhibent une tension seuil VT pour l'établissement d'un courant électronique dans le réseau. Nous analysons ce comportement caractéristique du transport dans un réseau avec blocage de Coulomb avec le modèle de Middleton et Wingreen, lequel identifie le passage du régime isolant au régime conducteur à une transition du second ordre. Au voisinage du point critique VT, on observe que la loi reliant le courant à la tension appliquée suit la relation attendue théoriquement. La valeur de l'exposant trouvé suggère que le transport est dominé par des mécanismes de co-tunneling.

Cette thèse en mathématiques appliquées à la nanoélectronique aborde le problème de la simulation mathématique et numérique du transport de gaz d'électrons confinés dans certaines directions de l'espace. A l'échelle de la nanoélectronique, les phénomènes ondulatoires liés au transport des électrons ne peuvent plus être négligés et la description classique du transport électronique doit laisser place à une approche quantique. La modélisation de tels phénomènes nécessite la résolution de systèmes couplés de type Schrödinger-Poisson, coûteux numériquement. Cette thèse s'appuie donc sur le confinement fortement anisotrope des électrons dans de telles structures pour obtenir des modèles asymptotiques à dimensionnalité réduite, via une analyse asymptotique "fort confinement". La principale difficulté mathématique provient ici des oscillations rapides dues au confinement. Des méthodes telles que la moyennisation en temps long sont décrites pour y remédier. On s'intéresse dans cette approche à plusieurs situations de confinement différentes. Ainsi, on présente deux modèles asymptotiques pour la modélisation du transport d'électrons confinés sur un plan, ainsi qu'un modèle de confinement sur un plan d'un gaz d'électrons soumis à un champ magnétique fort uniforme. Enfin, on propose un modèle asymptotique mathématique ainsi que des simulations numériques dans le cas du transport d'électrons confinés dans un nanofil quantique. Celles-ci sont obtenues par des méthodes numériques basées sur l'idée de la réduction de dimensionnalité qui font appel notamment à une méthode de décomposition en sous-bandes.

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d'absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l'état de traces ou l'imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd'hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection.
Ce travail de thèse présente l'étude et l'optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu'elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l'utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l'observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques.

Cette these constitue une etude, par magnetospectroscopie aux ondes millimetriques, submillimetriques et dans l'infrarouge lointain, de la structure electronique des systemes confines de semi-conducteurs tels que les fils (systemes 1d) ou les boites quantiques (systemes 0d). Une facon de realiser des structures de dimensions submicroniques et nanometriques est de moduler lateralement la densite electronique d'un gaz bidimensionnel d'electrons (ge2d) contenu dans une heterostructure a dopage selectif. Cette modulation est obtenue par lithographie electronique suivie d'une gravure ionique. Nous avons etudie, d'une part, le confinement et la population electronique dans des fils graves gaas/a1gaas. D'autre part, nous avons etudie l'influence de la profondeur de gravure sur la densite d'un ge2d contenu dans une heterostructure si/sige. Cette etude theorique et experimentale a montre qu'il etait possible, selon la profondeur de barriere dopee gravee, de realiser toutes les etapes de modulation du gaz bidimensionnel, a savoir un gaz bidimensionnel faiblement module, puis un reseau d'antiplots (ge2d comportant un reseau periodique de zones vides d'electrons) et enfin un reseau de boites parfaitement isolees les unes des autres dont la taille effective diminue fortement avec la gravure. Une autre maniere d'obtenir des systemes confines d'electrons est la croissance auto-organisee utilisant le grand desaccord de maille entre deux materiaux. Nous avons etudie le couplage entre les electrons et les phonons optiques dans des boites quantiques inas, ne contenant qu'un seul electron, obtenues sur un substrat gaas. Dans les semi-conducteurs massifs, les gaz bidimensionnels ou les fils quantiques, les phonons optiques jouent un role fondamental. En effet, l'emission de phonons optiques est le mecanisme de loin le plus efficace pour la relaxation des electrons places dans des niveaux excites. Nous avons montre l'existence d'un couplage fort entre les electrons et les phonons au sein des boites quantiques conduisant a la formation d'etats hybrides electron-phonon(s) : des polarons a longue vie. La relaxation des porteurs par emission de phonons optiques est alors impossible dans les boites quantiques. Ces polarons constituent un aspect nouveau de l'interaction electron-phonon dans les semi-conducteurs qui pourrait avoir des implications importantes sur la relaxation des porteurs dans les nanostructures.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur la construction d’un nouveau dispositif pour atomes froids de strontium 84. Les expériences réalisées sur ce montage porteront sur la dynamique de relaxation de gaz quantiques hors équilibre. Cette dynamique est étudiée pour des gaz bidimensionnels sur réseau. Ce manuscrit de thèse s'attache à décrire la conception des systèmes optiques utilisés pour piéger et manipuler les gaz lors des expériences. En particulier, le montage optique utilisé pour le transport des atomes entre deux positions de l'enceinte à vide est présenté. La solution choisie pour la réalisation du piège bidimensionnel est elle aussi détaillée. Enfin, un microscope à gaz quantiques est mis en place afin de mesurer in situ les fonctions de corrélation spatiales à partir de la répartition des atomes dans le piège bidimensionnel. Une caractérisation du microscope est présentée dans ce manuscrit. Bien que la conception des différents systèmes optiques soit terminée dans sa première version, il nous reste quelques étapes de construction avant d'achever le montage de notre dispositif expérimental
This manuscript presents the construction of a new quantum ultracold atom experiment using strontium 84. The aim of this experiment is to study the relaxation dynamics of quantum gases initially prepared in an out-of-equilibrium state. We will investigate bidimensional gases on a lattice. This manuscript aims to describe the optical systems designed for trapping and manipulating the atoms during the experiment. Specifically, we present our optical solution to transport the atoms between locations in the vacuum chamber. We also discuss the choices we made to create the bidimensional lattice. Lastly, a quantum gas microscope is implemented to measure the spatial correlation functions from the atoms’ distribution in the lattice. A characterization of the microscope is laid out in this manuscript. Though we determined a first version of our optical systems, there are still a few steps needed to complete the experimental setup