After launching the information age with the development of microelectronics and optoelectronics, semiconductors are expected to play a major role in another technological revolution, linked to the control of individual quantum objects. Among all the quantum systems based on these materials, deep point defects emerge as very promising due to their high versatility and their potential large scale on-chip integration. While being trapped in a crystal, they share strong similarities with vacuum isolated atoms, like optical excitation and fluorescence emission. Furthermore, some of them also possess a long-lived ground-state electron spin that can be controlled by a combination of optical and microwave magnetic fields. This additional quantum degree of freedom can be used on a broad range of applications, spanning from ultrasensitive nanoscale sensing to quantum information processing.

In this talk, I will give an overview of the potential of spin defects in semiconductors for quantum technologies. First I will explain what makes these systems so versatile and attractive by focusing on the current most prominent defect: the NV center in diamond. Then I will pick a few examples of the work I carried out on this system to illustrate its current abilities. At last, I will detail the research project I want to develop at L2C, linked to another semiconductor that could share the advantages of diamond without its drawbacks and that is still very little explored in the context of quantum technologies, namely silicon carbide (SiC).

Les polaritons de microcavités sont des états hybrides lumière-matière à caractère bosonique.
Dans les dernières décennies, un grand intérêt a été accordé à leur phase de condensation de Bose-Einstein.
Nous avons développé, dans ce travail, des outils théoriques et numériques pour comprendre et interpréter la dynamique spatiale et temporelle de la formation des condensats de polaritons.
Nous avons proposé une approche numérique pour la résolution complète des équations couplées du modèle Gross-Pitaevskii généralisé, à deux dimensions en coordonnées cartésiennes.
Nous avons cherché à comprendre les aspects du seuil de condensation sous différentes configurations spatiales et temporelles d'excitation optique non résonante. Nous avons en particulier proposé une nouvelle approche pour définir le seuil.
Enfin, pour une condensation sous excitation focalisée, dans une microcavité ZnO, nous avons pu accéder à, et comprendre, quelques propriétés vues dans les expériences.

Due to the wurtzite crystal structure of these materials, electron and hole are separated along the QW growth axis, so that excitons can be considered as indirect excitons (IX), a family of long-living bosonic quasi-particles with dipole moment oriented along the QW growth axis.

IXs are considered as a model system for studies of collective states in quantum gases of bosons, and are also promising for the development of excitonic circuit devices.

Long lifetimes and dipole repulsion allow IXs to travel over large distances before recombination providing the opportunity to study exciton transport by optical imaging.

In this thesis we address IX transport in a set of GaN/(Al,Ga)N and ZnO/(Mg,Zn)O QWs. This choice of IXs is motivated by the high binding energy and the potential stability up to room temperature, but it presents a number of experimental challenges, including (i) the dramatic dependence of the exciton radiative lifetime on the exciton density that makes exciton density measurement very complex, (ii) the thermally activated nonradiative recombination that quenches the exciton PL at room temperature, (iii) the coexistence of photon propagation with exciton propagation along the QW plane, and the strong inhomogeneous broadening of the exciton emission due to strong built-in electric fields and the presence of both monolayer fluctuations of the QW thickness and the fluctuations of alloy composition in the barriers.

We have addressed all these issues and demonstrated exciton propagation by combining continuous wave $\mu$-photoluminescence and time-resolved spectroscopy measurements, supplemented by modelling of the exciton transport within the drift-diffusion formalism.

In the best quality GaN/(Al,Ga)N QWs grown on free-standing GaN substrates we achieved room-temperature propagation over $\sim10$~$\mu$m and up to $20$~$\mu$m at $4$~K.

Our results suggest that propagation of excitons under continuous-wave excitation is assisted by efficient screening of the in-plane disorder. Nevertheless, exciton propagation is limited by the exciton scattering on defects rather than by exciton-exciton scattering, so that improving interface quality can boost exciton transport further.

Ce travail est dédié à l’étude et la compréhension des interactions, dynamique et structure des polymères pi conjugués à l’intérieur de nanotubes de carbone, un sujet particulièrement important pour le développement d’applications dans le domaine de l'opto-éléctronique.

La première partie de cet étude est consacrée à l'étude du confinement de diméthyl- quaterthiophènes dans les tubes. La dynamique vibrationnelle des molécules confinées est étudiée par diffusion inélastique des neutrons et par des simulations DFT. L'étude des interactions entre les deux sous-systèmes, en termes de transfert d'énergie et de transfert de charge, est réalisée en combinant des études de photoluminescence et de Raman. La nature des transferts de charge dépend de la taille du nanotube. Pour des tubes de petits diamètres (1.1nm), un transfert de charge photo-induit est obtenu lorsque la longueur d'excitation correspond à l'absorption de la molécule.
La deuxième partie est dédiée à l'étude de l'organisation structurale de molécules de phtalocyanine encapsulées à l'intérieur des nanotubes. Ce travail combine des études expérimentales par diffraction neutronique et spectroscopie Raman à pression ambiante et sous hautes pressions. Les études structurales sont confrontées à des simulations par dynamique moléculaire.