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THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSEDOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l'Université Toulouse III - INSA
Discipline ou spécialité : Nanophysique
Présentée et soutenue par Claire-Marie Simon
Le 06 juillet 2010
Titre : Contrôle optique
de l’exciton dans des boîtes quantiques individuelles.
JURY
Manuel Joffre (rapporteur)
Guillaume Cassabois (rapporteur)
Maria Chamarro
Isabelle Robert
Christoph Meier
Béatrice Chatel
Thierry Amand
Pierre Renucci
Ecole doctorale : Ecole doctorale des Sciences de la matière
Unité de recherche : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité UMR 5589
Laboratoire de Physique et de Chimie des Nano-Objets UMR 5215
Directeur(s) de Thèse : Béatrice Chatel
Thierry Amand-Pierre Renucci InAs=GaAs
spinTh?seourSpF?cialit?tes:l'excitonNanophspinsysiquer?soluesNomdans:d'unSIMONtPr?nomcoupl?:tiqueClaire-Marieutilis?Titredesdehargelaenth?seerneendefran?aisexterne.:hauteConlatr?ledeoptiqueunedenonl'excitonnousdansdedes:blao?testales.quanquantiquespartindividuellesnSoutenl'inuetleil:les6dejuilletexp2010spNum?round'ordreen:d?tection.1033duNometbreucl?airesdeo?tepagessous:te.250expJuryv:tecM.JOFFRE,sta-G.CASSABOIS,pM.CHAMARRpr?senO,compl?tesI.RdansOBERexpT,deC.MEIER,bB.CHAuctuanTEL,tempsT.AMAND,lePles.RENUCCIetTh?sel'?lectroneectuh?epartaula:originalLabporatoiredierdepropresPhenysiquehampetr?sul-ChimietauxdesparNano-Obdejetsquideterf?rom?trel'Institut?rotNationaltdesha?neSciencessyst?meAppliqu?esconstitu?etspinLabl'?lectronoratoiredesCollisionsnAgr?gatsdansR?activit?.bR?sum?quandeunique,laexcitationth?ser?sonanenPfran?aisces:?riences,Lesabonso?tesdesquanhniquestiquesphotoluminescencesemiconductricestionnairedeentolarisationypnousetonsdemesuresR?sum?d'excita-tiondeonphotoluminescence,tdi?rendesconditionspropri?-?riment?sL'?tat?lectroniquescetdesoptiqueso?tesquitiqueslestrapprolecd'unehenettcouplagedetrel'atomespinsunique.ucl?airesC'estledansdeceviaconteractiontexteypqued'autresesonsitue?cebasetraeetv:ailestdeossibleth?se,moquioptiquements'in?tatst?ressede?neutredi?renl'absencetscaspmagn?tiqueectsNosdetatsl'in-?rimenteractionsonlumi?re-mati?reconrm?sdansuneceectroscopietplusypr?solution,eutilisedeinsyst?me.deNousabry-Paplac?vamononsded'abcordde?tudi?le»
depr?senMots-Cl?stonsatiqueensuite.desfa?onexpde?riencesunique,r?alis?esenenossibler?gime,coh?rentalt,Q-bitc'est-?-direerne,dansd?rivuno?tetempsimpulsionsplustronscourtpqued?leleuntempsCede?tapd?phasagededuo?tesyst?me,Indansphotolu-destique?cPhan-unetillonstique?tcd?rivhargenousaestjustable.g?n?rerNousd'excitonalavronsr?alisanexcit?assagelaapidebexpo?teunequanentiquetation?manipulationr?sonanceune(surtiquesonSpin?tathfondamenectroscopietal)d'obao?tevImpulsionsecdedesadiabatiqueimpulsionsdanscourtesb(dur?equanNousunique.Ensuite,1ps)utilisanlimit?esdespar?laetransform?efr?quence,demonFqu'ilourier).pEndes'appuyuneanopulationtdesur?unfoissceth?maobustedeend?tectiontoriginal,pnousadiabd?tectonsrle.signalr?sultatde?rimenluminescenceestsurpremi?reune?tatvuespl'impl?menectateurpuissitu?la?d'unquelquesdansmebVquandeunique.la:transitiontronique,excit?e.teractionCeciypnousSpadepminescenceermisjetdebmettrequanensemiconductrice,?vidence?leseoscillationsfr?quence,deassageRabirapide.de.l'excitonInAs=GaAs
blaexternalth?seeptensetanglaise:ThisOpticalFconthetroltlyofoftherobustlyexcitonsingleinconrmedaincreasesinglepresenquansampletumThedotand,R?sum?ectatordetumlawth?seexcitonentheanglaistation:eSemiconductortalquanterferometertumresolutiondotsseconddetsTitreinshorterdephasingexhibittumopticalScandiselectronic(Fpro-detectionpsignalertiesdemonstrateforinwhicusinghpulses,theyparestrongoftensinglecomparedsteptoandaneigenstatesindividualanatom.eld.ThisvthesisexpwusingorkerotfoordercusessponourdierenIntwaspexpecterformedoftlightimet-mattertheininteractiontheinareainsingledesemiconductortumquan-reso-tumshortdot.transformTheancoupledheme,systemtheconstitutedabWyRabitheexcitonelectronsinglespinFinallyandquencythehirpneucleiitspinstohawithvyeinbtumeenastudiedwinimplemenainsingletumquanorientumwithoutdot.yPhotoluminescencemagneticexpWerimenhatseresolvtheseederimeninresultspaolarizationabry-Phainvinetobtheeenectralcarriedofout,microphotoluminescencewithup.nonaresonanstep,teopticaltpumpingerimen:pcomprehen-insivcohereneregime,studiesainscalephotoluminescencethanexcitationsystemundertime,vaariouswhereexpquanerimendotstalemconditionsedded(excitationaphottky-dioostructure.wquanerdotandexcitedpnanolarization)withhapulsesvourierelimited)busingeenoriginalpscerformed.wTheydetectpluminescenceoinontspoutstate.theequan-thetumoscillationsdotstheuctuatingstatecahargequanstatedot.and,thefre-strongswcouplingcbedetwwshoeenthattheiselectronossiblespinprepareandandtheandelituclearanspinsstateviaahquanypdot.erneisinrstteraction.toThisardenablesQ-bitthetationopticmanipulationalaneutralquanexci-dot.tonivquanTrelaxationableStructuresdeserelmati?res1.3In2Dtro.duction.1.1.In.tro.duction1.4.1aux.propri?t?sv-Pikus?lectroniques.et.optiques.des.struc-.tures.semiconductrices.I.I.I-V.5.1.1d'Elliott-YDu1.4.1.2semiconducteur.massif.aux.bLeso?tes27quan.tiques....optique....................8Les1.1.1.Etats.?lectroniquesrelaxationet.structure44de.bandes.duD'Ysemiconducteur.massif1.4.1.3...46.......dans.................p.t?...........37...............1.3.2.0D8.1.1.2.Notion.d'exciton.dans.le41mat?riaum?canismesmassifspin.......m?canismes.massif.......Le......14.1.2m?canismeLesonoh?t?rostructures.semiconductrices....m?canisme.......Conclusion...........46.de.b...v.Remarque..17.1.2.1.Les.puits.quan.tiques............31.Le.ompage.orien.........................1.3.1.3D20.1.2.2.Les.b.o?tes.quan.tiques..............37.Structures.et.........................1.4.principaux23de1.2.2.1deM?tho.des.de.croissance......43.Les.de.du...............1.4.1.1.m?canisme.afet24.1.2.2.2.In.t?r?t.et.applications.des44bLeo?tesdequanaktiquesv-P..........26451.2.2.3LeEtatsBir-Arono?lectroniques.et.structure.ne.excitonique.dans.une1.4.1.4b.o?te.quan.tique..................1.4.2.m?canismes.relaxation.les.o?tes.tiques...47...vi.T.ABLE.DES.MA.TI?RES.2.Pr?senauxtation3.2.1des118disp.ositifsquanexp.?rimen.taux.51.2.1quadrupLes.?tudes.hors.r?sonance..Le.121.ersion.L'in...3.1.1...de.tact.....3.1.2.1...........Iden...la.sur......54.2.1.1.Le.microscoppropreselaconfoernecal......y.....Le.ern.Le.....spins.......en...106.....Description....54.2.1.2?cLes.sources.d'excitation......Sp...des.excitonique.........................des.b.pilot?e59952.1.2.1hL'oscillateur.Ti.:Sa..........syst?me...........99.dip.h...101.de.F....59.2.1.2.23.1.2Leucl?aireslaser.Ti.:Sa.con.tin.u..dip.no.......Les.........107.exp..........59.2.1.2.3tationLatillonsdio.de.?.ca110vit?des?tendue..........112.d'excitation.....Pr?sen.obten.haque.in......60.2.1.3.L'in.terf?rom?tre.de120F.abry-P.?rot............L'exciton.............133.lin?aire-circulaire.?tats.de.o?te61tique2.1.3.1parQuelqueslumi?rerelations3.1utilesteraction.yp...........................98.Le62?lectron-no2.1.3.2auD?nition.des.grandeurs.caract?ristiques.de.l'in.ter-.f?rom?tre.de.F.abry-P3.1.1.1?rotterme.olaire.l'hamiltonien.yp.......3.1.1.2.terme.con.de.ermi........65.2.1.3.3.Mesure102expLes?rimenntale.des.grandeurs.caract?ristiques.de.l'in.terf?rom?tre.de.F.abry-P.?rot....106.Couplage.olaire.tre.y........68.2.2.V3.1.2.2erseetsuneolairesexcitation.r?sonan.te...............3.2.des.?riences.......................110.Pr?sen78des2.2.1hanUne?tudi?snouv.elle.t?te.de.microscop.e.p.our3.2.2uneticationexcitationraiesr?sonan.te.79.2.2.2.Les.outils.de.fa?onnage.d'impulsions......3.2.3.ectroscopie.de.photoluminescence.......3.3.tation.r?sultats.us.c90complexe2.2.2.1etLaterpr?tationligne.?.disp.ersion.n.ulle....................3.3.1.trion........90.2.2.2.2.L'?tireur.?.r?seaux..............3.3.2.neutre......................93.3.Conv?
.ABLE.DES4.3.2.3MA.TI?RESdesviid'in3.3.3.Le.bi-exciton4.3.1.adiabatique.......en.quatre.198...........210.....de.4.2.2...par.......oscillations........148.3.4taleMiseaen.?vidence.exp??rimendutalefr?quencede.laerspstructure.ne.des4.2.1.2di?ren.ts.complexestalesexcitoniques....propres.....ulations...sur.....?rimen.passage.........?rimen.....201.taux...en.Rabi...ligne..151.3.4.1d?rivLe.cas207duulationstrion..cen.la.......4.4.............sc.original.......exp.mo.......4.2.2.1.des.l'exciton.ectroscopie152.3.4.2.Le.cas4.2.2.2desyst?mel'excitoneauxneutre..4.2.2.3.sp.........R?sultats.:.Rabi.batique.................cole..153.3.4.3.Le.cas.du.bi-excitonPr?sen.exp.......4.3.2.1.exp.oscillations.du.de.4.3.2.2.ec...........de.de.......In.des156um?riques4.Manipulations4.3.3.1coh?renbretesdesurInuencebeo?tel'impulsionquan4.3.3.3tique.unique.:.Mise.en.?videnceetdesesoscillations.de.Rabi.et.P.assage.adiabatique.159.4.1.Etude.th?orique180duUnpassageh?maadiabatiqued?tectionrapide.et.des.oscillations.de.Rabi..184.Limites.?rimen.et.d?lisation.............189.Mise.?vidence.?tats.de.neutre.sp.d'absorption.............189.Sim.d'un.?.niv.......192.Discussion.le162ectre4.1.1.Etat.de.l'art..........4.3.exp.taux.des.de.au.adia-.rapide...............................201162Proto4.1.2expEtudetalth?orique......................4.3.2.tation.r?sultats.?rimen.............204.Mise.?vidence.?rimen.des.de164et4.2passageMiserapideenl'excitono204euvreEtudeexpv?rimenlatale4f.................206.Etude.la.e.fr?quence.............4.3.3.terpr?tations.l'aide179sim4.2.1nLes.outils.exp.?rimen208tauxInuence.nom.d'onde.tralT.l'impulsion.4.3.3.2.de.d?riv.de.de...212.Pistes.terpr?tations................1802134.2.1.1ConclusionL'?cphanectivtillon........................214.?viii.TneutreABLE.DES223MAdeTI?RESlimit?eConclusion.217.Annexesindirecte219:A.PropagationA.2.1dans.un.milieuA.2.2dispfr?quenceersif.219deA.1OvEtudeormalismedeelapassagetra.v.ers?ed'uned'un.milieu.optique.disp.ersif.pard'uneuneeimpulsion.ultracourte....Pro.:.d?placemen.de.C.pseudo-spin.in.os-.et.rapide.......222.Cas.impulsion.TF.................223.Cas.impulsion.d?riv.de....220.A.2.Notations.du.cBhapitrec?dure4t.Mesure.du.t.erhauser.l'exciton.225.F.de.eectif.visualisation.tuitiv.des.cillations.Rabi.du.adiabatique.231.