Academic literature on the topic 'Points quantiques'

Cette thèse se situe dans le domaine de la nanoélectronique appliquée à l'information quantique. Le vecteur de l'information est ici le spin de l'électron manipulé et contrôlé dans les circuits comportant un ou plusieurs points quantiques. Grâce au blocage de Coulomb, les points quantiques permettent le passage des électrons, et donc des spins, un par un. La première partie de cette thèse développe les méthodes d'étude théorique de circuits à base de points quantiques. Les équations maîtresses quantiques permettent de déterminer l'évolution d'un système via celle de sa matrice densité. Elles permettent notamment d'obtenir les propriétés de courant moyen et de corrélations de courant entre deux points du circuit. On insiste également sur le bruit de courant résolu en spin, qui permet notamment de distinguer les corrélations coulombiennes introduites par la répulsion entre les électrons dans un point quantique, et les corrélations dues au principe d'exclusion de Pauli. Ces méthodes sont appliquées dans la seconde partie à des dispositifs proposant de réaliser des opérations élémentaires de l'information quantique. Un dispositif formé d'un supraconducteur couplé à deux points quantiques permet de créer une paire d'électrons intriqués par le spin. Les corrélations de courant et de spin s'y avèrent particulièrement instructives et complémentaires. Un protocole de téléportation du spin est ensuite proposé. Le fonctionnement du système en régime de téléportation est en principe autocontrôlé par interaction coulombienne<br>This thesis applies nanoelectronics to quantum information. Electron spin is used to carry information. It is controlled and manipulated in nanocircuits with one more quantum dots. Because of Coulomb blocade quantum dots allow the transport one by one of electrons (or spins). The first part of this thesis develops theoretical methods to study nanocircuits with quantum dots. Quantum master equations describes the evolution of a system by the evolution of its density matrix. From them, one can get average current and current correlation between two points of the circuits. We particularly insist on spin-resolved current noise, which allows to distinguish coulombian correlation introduced by repulsion between electrons and correlations due to pauli principle. These methods are applied in the second part to devices aimed at performing elementary operations for quantum information. A device, composed of one superconductor coupled to two information. A spin-teleportation protocol is then proposed. The correspondong device is in principle autocontrolled by coulombien interaction

La membrane cellulaire est un environnement très dynamique où diffusent plusieurs familles de protéines. Pour assurer la communication entre neurones, certains récepteurs membranaires diffusant librement doivent être stabilisés aux jonctions de communication neuronales: les synapses. Des changements dans le comportement diffusif de ces récepteurs induisent des variations de leurs populations à la synapse. La capacité d’observer ces protéines diffuser individuellement est donc importante pour mieux comprendre certains mécanismes cellulaires associés au fonctionnement du système nerveux. Alors que les fluorophores organiques (Alexa, Atto,…) et génétiquement encodées (GFP, RFP,…) photoblanchissent rapidement, les nanocristaux semi-conducteurs fluorescents (points quantiques: QDs) sont photo-stables, ce qui permet de suivre les protéines marquées sur de plus longues périodes. Même si la structure cristalline du QD dépasse rarement les 10nm de diamètre, la taille de la sonde fonctionnalisée, une fois équipée d’un enrobage hydrophile et de protéines d’hameçonnage, est d’environ 30 nm, limitant leur accessibilité dans la fente synaptique (environ 20 nm). De plus, la multivalence des versions commerciales des QDs fonctionnalisés pose problème, en leur permettant de lier plusieurs récepteurs à la fois. Dans ce mémoire, nous présentons donc différentes approches pour la biofonctionnalisation de petit QDs monovalents, ainsi que les principales stratégies pour marquer des récepteurs synaptiques uniques à partir de QDs. De plus, nous présentons une étude de la diffusion de récepteurs synaptiques diffusant à l’intérieur et à l’extérieur de synapses et comparons les résultats en fonction des 2 types de sondes utilisés : QDs enrobés d’anticorps et QDs enrobés de streptavidine. Ces travaux devraient contribuer à l’optimisation d’une approche pour suivre les dynamiques des récepteurs synaptiques dans des modèles de plasticité synaptique.

Un SrTiO3 paraélectrique quantique est un matériau situé à proximité d'un point critique quantique de la transition ferroélectrique dans lequel la température critique vers l'état ferroélectrique est supprimée jusqu'à 0 K. Cependant, la compréhension du comportement de la transition de phase à proximité de ce point reste problématique. Ici, nous étudions les solutions solides basées sur le SrTiO3 pour approcher les régions pré-critiques du diagramme de phase et étudions le résultat de la coexistence des fluctuations quantiques et du mouvement thermique. Cela permettra la découverte de nouvelles déclarations de phase et de nouvelles propriétés physiques, résultant de la concurrence des régimes quantiques et classiques. En utilisant la concentration x de Pb dans la solution solide PbxSr1-xTiO3 comme paramètre d'accord et par l'application de la combinaison des méthodes de spectroscopie Raman et diélectrique, on approche le point critique quantique et on étudie l'interaction des phénomènes classiques et quantiques dans la zone de criticité. On obtient la température critique de PbxSr1-xTiO3 et l'évolution des propriétés dynamiques du système en fonction de x pour révéler le mécanisme de la transition. On montre que la transition ferroélectrique se produit progressivement par l'émergence de nanorégions polaires. On étudie également la transition structurelle cubique à tétragonale, qui se produit à des températures plus élevées, et montre que ses propriétés sont presque indépendantes de la concentration et ne sont pas affectées par la criticité quantique. On étudie la structure cristalline et la dynamique du réseau de solutions solides paraélectriques quantiques de BaxSr1-xTiO3 à l'aide de la diffraction des rayons X, de la spectroscopie Raman et de la spectroscopie infrarouge-térahertz (THz-IR) dans une gamme de température de 4-300 K. La diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman révèlent la transition de phase structurale non polaire cubique à tétragonal à environ 100K. En même temps, les spectres Raman manifestent la présence de modes polaires, TO2 et TO4, normalement interdits en phase paraélectrique. L'émergence de ces modes indique l'apparition des nanorégions polaires dans une large plage de températures. Les modes deviennent plus intensifs à basse température, la dépendance en température de leurs intensités lors du refroidissement révèle un changement de pente en forme de coude, de plat à raide, indiquant l'activation des nanorégions polaires. Les spectres de transmission THz-IR montrent que les fréquences au carré des modes mous polaires TO1, responsables de la transition ferroélectrique, suivent le comportement de Cochran à haute température. Cependant, à basse température, ceux-ci ne disparaissent pas mais saturent à la température de Curie extrapolée, démontrant la caractéristique de plateau en dessous de 20K. Ce comportement, cohérent avec la saturation connue de la constante diélectrique, indique que la transition vers la phase ferroélectrique dans BaxSr1-xTiO3 est supprimée par les fluctuations quantiques et que le système reste dans l'état paraélectrique quantique à très basse température. Nous étudions également en détail les propriétés diélectriques du PbxSr1-xTiO3 et montrons que dans la composition avec x = 0,005, un plateau lisse est observé dans la dépendance à la température de la permittivité diélectrique. La hauteur du plateau dépend de la concentration en Pb et diminue progressivement lorsque x augmente. Ce plateau est dû aux fluctuations quantiques aléatoires des ions qui dominent à basses températures et concentrations. À x plus élevé, les fluctuations thermiques deviennent plus prononcées; donc le plateau disparaît<br>A quantum paraelectric SrTiO3 is a material situated in close proximity to a quantum critical point of ferroelectric transition in which the critical temperature of ferroelectric state is suppressed down to 0 K. However, the understanding of the behaviour of the phase transition in the vicinity of this point remains challenging. Here we study the solid solutions based on the SrTiO3 to approach the pre-critical regions of the phase diagram and study the outcome of the coexistence of quantum fluctuations and thermal motion. It will allow the discovery of the novel phase statements and physical properties, occurring due to competition of quantum and classical regimes. We study the crystal structure and lattice dynamics of quantum paraelectric BaxSr1 xTiO3 solid solutions using X-Ray diffraction, Raman and terahertz-infrared (THz-IR)-spectroscopies in a temperature range 4-300K. The X-Ray diffraction and Raman spectroscopy reveal the cubic-to-tetragonal non-polar structural phase transition at about 100K. At the same time, Raman spectra manifest the presence of polar modes, TO2 and TO4, normally prohibited in paraelectric phase. Emergence of these modes indicates the appearance of the polar nanoregions in a broad temperature range. The modes become more intensive at low temperatures, the temperature dependence of their intensities on cooling reveals the kink-like change of the slope from flat to steep, indicating on activation of polar nanoregions. The transmission THz-IR-spectra show, that squared frequencies of the polar TO1 soft modes, responsible for the ferroelectric transition, follow the Cochran’s behavior at high temperatures. However, at low temperatures, it does not vanish at extrapolated Curie temperature but saturates, demonstrating the plateau feature below 20K. This behavior, coherent with the known saturation of the dielectric constant, indicates that transition to ferroelectric phase in BaxSr1-xTiO3 is suppressed by quantum fluctuations and system stays in the quantum paraelectric state at very low temperatures. Using the concentration of Pb in PbxSr1-xTiO3 solid solutions as a tuning parameter and applying the combination of Raman and dielectric spectroscopy methods we approach the quantum critical point in PbxSr1-xTiO3 and study the interplay of classical and quantum phenomena in the region of criticality. We obtain the critical temperature of PbxSr1-xTiO3 and the evolution of the temperature-dependent dynamical properties of the system as a function of x to reveal the mechanism of the transition. We show that the ferroelectric transition occurs gradually through the emergence of the polar nanoregions. We study also the cubic-to-tetragonal structural transition, occurring at higher temperatures, and show that its properties are almost concentration-independent and not affected by the quantum criticality. We also study the dielectric properties for the PbxSr1-xTiO3 in detail and show that in the composition with x = 0.005, a smooth plateau is observed in the temperature dependence of the dielectric permittivity. The height of the plateau depends on the Pb concentration and gradually decreases when x increases. This plateau arises due to random quantum fluctuations of the ions which dominate at low temperatures and concentrations. At higher x, the thermal fluctuations become more pronounced; therefore the plateau disappears

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission résonnante de boîtes quantiques uniques InAs/GaAs en microcavité planaire. Un montage original d'excitation par fibre optique est mis en œuvre afin de découpler spatialement l'excitation résonnante de l'émission des boîtes quantiques et de s'affranchir de la diffusion parasite du laser superposée au signal d'émission résonnante. Des études en puissance d'excitation et les mesures des fonctions de corrélation du premier et deuxième ordre confirment qu'une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante peut être assimilée à un véritable système à deux niveaux. Cependant, l'environnement électrostatique lié aux impuretés non-intentionnelles de l'échantillon influence fortement l'émission résonnante des boîtes quantiques. Il apparaît pour la quasi-totalité des boîtes quantiques une complète inhibition de l'émission résonnante par blocage de Coulomb. L'utilisation d'un laser non-résonant supplémentaire de très faible puissance permet de résoudre ce problème grâce à un contrôle optique très efficace de l'émission résonnante. En effet, en présence de ce « gate » optique, l'émission résonnante est débloquée et les propriétés d'un système à deux niveaux sont spectaculairement restituées. Les effets du « gate » optique sur l'émission résonnante, le décalage spectral de l'émission résonnante et la statistique des photons émis sont parfaitement expliqués de manière quantitative par un modèle de population aléatoire que nous avons développé au cours de cette thèse.

La thèse présentée porte sur l’investigation d’un nouveau matériau luminescent pour une application en dosimétrie à scintillation, un matériau développé pour la première fois il y a environ une vingtaine d’années : les points quantiques colloïdaux (cQDs). Ces derniers sont des nanocristaux de semi-conducteurs possédant des propriétés uniques, découlant entre autres du confinement tridimensionnel de leurs porteurs de charge. Les cQDs constituent un matériau d’intérêt pour la dosimétrie à scintillation d’abord grâce à leur luminescence dont l’intensité est bonifiée par rapport à celle de leur équivalent macroscopique. Plusieurs autres propriétés des cQDs les rendent intéressants pour le développement d’un dosimètre à scintillation. Ils possèdent un large spectre d’absorption et un étroit spectre d’émission, dont la position du maximum d’absorption (émission) est dépendante de la taille et de la composition des cQDs. De plus, il existe de multiples supports physiques dans lesquels peuvent être insérés les cQDs, des supports comme divers solvants ou plastiques. Peu de travaux ont été menés sur la caractérisation de cQDs comme scintillateurs, spécialement dans le contexte d’une application en dosimétrie à scintillation pour la radio-oncologie. Une panoplie d’avenues nécessitaient donc d’être explorées pour établir un portrait des cQDs comme matériau luminescent pour des applications en dosimétrie. Plusieurs formes physiques dans lesquelles étaient inclus les cQDs ont été testées : de la poudre, des liquides et des plastiques. La majeure partie de la thèse traite de la caractérisation de cQDs comme scintillateur, mais une portion de la thèse porte aussi sur le développement d’instrumentation spécifique à la mesure aux accélérateurs linéaires. Celui-ci a été motivé par le fait que l’accélérateur linéaire a un rapport cyclique de 0,144%, faisant en sorte que la majorité de l’intégration continue de signal lumineux collecte du bruit. Un prototype de circuit intégrateur synchronisé a donc été développé, ce qui a permis de faire un gain sur le rapport signal sur bruit du signal mesuré. Concernant la caractérisation des cQDs, la première étude présentée rapporte les résultats d’une comparaison de la résistance à la radiation ionisante de cQDs à coquille simple et de cQDs à coquilles multiples, ce dernier étant le type utilisé pour le projet de thèse. Il a été montré que les cQDs à coquilles multiples ont une meilleure résistance à la radiation que les cQDs à coquille simple grâce à leur meilleure passivation de surface. De plus, la répétition de multiples irradiations entrecoupées de pauses a fait ressortir deux effets antagonistes pour chaque type de cQDs concernant la récupération, ou non, de leur efficacité de scintillation. Les cQDs à coquille simple ont présenté une accélération de la dégradation de leur scintillation entre les pauses alors que les cQDs à coquilles multiples ont présenté un recouvrement systématique de leur intensité de scintillation. Ensuite, une étude portant sur les dispersions liquides de cQDs est présentée. On en retire que l’efficacité de scintillation dépend de la nature du solvant dans lequel sont dispersés les cQDs. L’alkylbenzène, le meilleur solvant, permet notamment d’obtenir une intensité de scintillation constituant le dixième de celle du scintillateur commercial Ultima Gold, et ce, malgré que la concentration de cQDs soit cinq ordres de grandeur plus faible que celle du fluorophore dans Ultima Gold. La dernière étude présentée porte sur la poursuite de la caractérisation des formes poudreuse et liquide de cQDs comme dosimètres. Des mesures rapportant la linéarité du signal en fonction de la dose déposée ont été menées pour des faisceaux de photons et d’électrons. D’autres mesures ont permis de caractériser la dépendance du signal en fonction de l’énergie du faisceau. Il a été montré que les dispersions liquides ont la dépendance la moins marquée, ayant une variation maximale de 15% à 220 kVp par rapport au signal à 6 MV pour la dispersion dans l’alkylbenzène. Cette variation se trouve même à être plus petite que celle observée pour la fibre scintillante BCF-60 et pour Ultima Gold. Quelques résultats préliminaires sont finalement rapportés concernant les scintillateurs plastiques de cQDs. Entre autres, il a été observé, aux énergies kV, que la dépendance en énergie du signal suit une tendance similaire à celle du BCF-60, mais dont l’amplitude de variation est moindre. En conclusion, chacune des formes de cQDs testées possède des particularités qui pourraient mettre de l’avant son utilisation en dosimétrie à scintillation. Ces dernières sont relatées en détail dans la conclusion de la thèse.<br>This thesis presents the investigation of a new luminescent material as the sensible volume of scintillating dosimeters, a material which has been developed in the past twenty years: colloidal quantum dots (cQDs). These nanocrystals are composed of semiconductors and have unique properties, which are in part due to the three-dimensional quantum confinement of their charge carriers. cQDs constitute a material of interest for scintillation dosimetry since they have a more important light emission than their bulk counterpart. Moreover, they have a wide absorption and a narrow emission spectrum, for which their maximum absorption (emission) is tuneable with the cQD size and composition. The cQDs can be incorporated to many physical supports like liquids or plastics. Few studies have characterized cQDs as scintillators for an application in radiation oncology dosimetry. Thus, many research paths had to be explored to establish the portrait of cQDs as a luminescent material for applications in dosimetry. cQDs under multiple physical forms were tested: powder, liquids and plastics. Even though the major part of the thesis deals with the characterization of cQDs, work has been done on improving the light signal collection. This part of the project was motivated by the low duty cycle of the linear accelerator (0.144%), which results in a continuous light acquisition including a lot of noise. Thus, a prototype of an integrated synchronized circuit was developed and lead to a better signal to noise ratio of the light signal collected, evaluated to be up to 8 times better. The first study on the cQD characterization reports the comparison results of the resistance to ionizing radiation of core/shell (CS) and multishell (MS) cQDs, the type that is used throughout the thesis. MS cQDs have proven to have a better radiation resistance than CS cQDs due to their better surface passivation. Moreover, repeated irradiations separated with pauses put forward an opposite trend concerning the effect of the pauses on the recovery of the scintillation efficiency. CS cQDs presented an accelerated degradation of their light production efficiency while MS cQDs showed a systematic scintillation efficiency recovery. In the second study, measurements were conducted in order to characterize the cQD liquid dispersions. It was observed that the cQD dispersion scintillation efficiency was dependent on the nature of the solvent. The alkylbenzene dispersion, offering the best light production, wasshown to reach a tenth of the light emission intensity of the commercial scintillator Ultima Gold. This observation is remarkable since the cQD concentration is five orders of magnitude lower than the fluorophore concentration in Ultima Gold. The last study presents the continuing characterization of the cQD powder and the cQD liquid dispersions as dosimeters. It is reported that their scintillation output is linear with dose when the cQDs are irradiated with various photon and electron beam energies. The light output dependence on beam energy was also quantified and it was shown that the cQD liquid dispersions have the least important dependence. Indeed, the alkylbenzene dispersion has a maximal signal variation from 6 MV of 15% observed at 220 kVp, a variation lower than what was reported for the scintillating fiber BCF-60 and Ultima Gold. Preliminary results are also presented for the cQD plastic scintillators. At kV energies, it was observed that the energy dependence of the scintillation output followed a similar trend than that of the BCF-60’s but had a lower variation amplitude. To conclude, each of the cQD forms has a potential in being used for scintillation dosimetry considering their proper particularities. These particularities are discussed in detail in the conclusion of the thesis.

Des points quantiques contenant un nombre discret et variable d’électrons sont formés dans un gaz bi-dimensionnel d’électrons à l’aide de grilles métalliques. Le transport électrique, le blocage de spin et la détection de charge sont employés comme outils spectroscopiques permettant de sonder les propriétés de ces nanostructures. Ces techniques permettent aussi de contrôler exactement le nombre d’électrons confinés dans des points quantiques individuels et couplés en utilisant un patron de grille judicieux. Une technique de refroidissement en tension est développée afin de minimiser les effets parasites du bruit télégraphique. Ce type de bruit de charge détériore la stabilité des nanostructures latérales par l’activation d’un minuscule courant de fuite entre les grilles et le gaz bi-dimensionnel. Un modèle expliquant le rôle du refroidissement en tension sur le courant de fuite est présenté. L’activation du courant de fuite est confirmée par détection de charge. Les effets des interactions entre les électrons piégés dans un point quantique sont ensuite étudiés dans un régime où il est possible de comparer les résultats expérimentaux avec ceux obtenus par diagonalisation exacte. L’étude démontre que la phase associée au facteur de remplissage v = 2 est instable au-dessus d’un nombre critique d’électrons. Cette instabilité est confirmée expérimentalement par blocage de spin. On démontre aussi l’existence d’états corrélés dans le régime des renversements de spin, associé au passage de la phase v = 2 à v = 1. Les états corrélés sont identi­fiés par spectroscopie en transport non linéaire. Cette caractérisation du diagramme de phase de points individuels permet de coupler deux points quantiques configurés à v = 2. Pour ce régime, la nanostructure se comporte comme un système à deux niveaux pouvant contenir entre un et quatre électrons de valence, et ce, même si le nombre total d’électrons est plus élevé. Les degrés de liberté de charge et de spin des deux points quantiques sont caractérisés en fonction du remplissage et du champ magnétique. On combine ensuite la détection de charge au transport électrique pour étudier les propriétés électroniques de deux points quantiques couplés dans le régime des petits remplissages (dix électrons et moins). On caractérise l’état à l’équilibre d'un seul électron isolé dans les points quantiques par détection de charge. On montre que le détecteur perturbe peu l’état en comparant les résultats à un modèle où la rétroaction du détecteur est prise en compte explicitement. Un deuxième électron est ajouté au système où une redistribution non triviale de la charge est observée. Des configurations avec plus de deux électrons par point sont ensuite explorées par spectroscopie dans le régime non linéaire. Finalement, l’induction des courants de Foucault dans le gaz bi-dimensionnel d’électrons servant de réservoir pour les nanostructures latérales est détectée électriquement. Ces courants persistent pour une longue durée en raison de la nature non dissipative du gaz bi-dimensionnel, associée à l’effet Hall quantique, et affectent les ca­ractéristiques des nanostructures par l’apparition d’un potentiel de Hall hors équilibre entre les régions interne et externe du gaz.

Après avoir présenté les méthodes utilisées pour le calcul des états électroniques, nous discutons les états liés d'électron et de trou dans une boîte isolée. Nous calculons la force d'oscillateur et les règles de sélection pour les transitions intrabandes. Nous montrons qu'il faut distinguer entre les excitations polarisées dans le plan et celles polarisées verticalement ; notre calcul montre que dans une boîte isolée l'absorption est très anistrope. Dans le cadre des boîtes isolées nous développons également un modèle pour interpréter plusieurs expériences récentes de STM, qui prétendent à l'observation directe des fonctions d'onde d'électron et de trou. Nous étudions ensuite les systèmes de boîtes empilées. Nous discutons le couplage entre les boîtes en fonction de l'épaisseur de la barrière qui les sépare. Nous nous intéressons en particulier au régime de boîtes fortement couplées. Nous montrons que l'anisotropie typique des boîtes uniques diminue considérablement dans le cas des systèmes de boîtes fortement couplées. Ces derniers sont particulièrement intéressants si l'on regarde les effets du champ électrique. Nous montrons ainsi que les systèmes de boîtes fortement couplées sont aussi polarisables que les puits quantiques, avec une propriété en plus : le confinement dans le plan. La dernière partie de ce travail présente une discussion détaillée des états du continuum bidimensionnel (couche de mouillage) et tridimensionnel (barrière). Le rôle du continuum est particulièrement important dans le cas des transitions interbandes : nous montrons que les transitions croisées entre états liés et états du continuum sont à l'origine d'un fond continu entre la partie basse énergie du spectre (due aux transitions liées) et le seuil de la couche de mouillage. Cet effet, observé expérimentalement, montre de façon claire que le modèle "atome artificiel" est trop simple pour décrire de façon adéquate les propriétés des boîtes quantiques<br>After an introduction on the methods used for electronic states calculation, we study electron and hole bound states in a single dot. We initially evaluate the oscillator strength and polarization selection rules for intraband transitions. We show that in a single dot the absorption is very anisotropic, depending on the polarization direction of the incident light. We also develop a model for interpreting some recent STM measurements, which are able to "image" single dot wavefunctions. Then we study vertically stacked quantum dot systems. We examine the coupling between the dots of a stack as a function of the barrier the thickness. Systems of strongly coupled dots are particularly interesting : we show that the optical anisotropy, typical of single dots, considerably diminishes in this kind of systems. Strongly couple dots are also interesting when electric field effects are studied. We show that they are as tunable as quantum wells, of the same dimensions, when an uniform electric field is applied in the growth direction. In addition to this enhanced Stark tunability, stacked dots present the advantage over quantum wells that no continuum absoprtion exists. The last part of this work is devoted to a detailed numerical study of continuum, wetting layer (2D) and barrier (3D), states. We show that the continuum states have an important role for interband transitions. We show in particular that crossed transitions, which involve bound and continuum states, lead to the appearance of a continuous background in the interband absorption spectrum in the energy range between the bound-to-bound transitions and the wetting layer absorption edge. The existence of this background, experimentally proved, shows that the "artificial atom" model is too simple to describe the features of quantum dot interban spectrum