Magnetic resonance and Stark spectroscopy of Coulomb bound states

Résonance magnétique et spectroscopie de Stark des états liés de Coulomb Dans cette thèse, nous présentons l’étude de deux systèmes de nature différente mais dont la physique dans les deux cas est dominée par les interactions coulombiennes: les excitons dans les photoconducteurs organiques dont le spin peut être manipulé par un champ magnétique et les électrons à 2 dimensions sur l'hélium liés à leur charge d'image et dont le moment dipolaire est fortement couplé au champ électrique. Nous montrerons dans les deux cas que des modèles simples de mécanique quantique permettent de bien comprendre leurs propriétés physiques. Cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, nous étudions la structure fine des bi-excitons et les aspects géométriques de leur formation dans les semi-conducteurs organiques. Dans la deuxième partie, nous démontrons une nouvelle façon de réaliser un système électrodynamique quantique (QED) d'un atome en interaction avec un oscillateur. En dépit des systèmes physiques différents explorés, les deux sujets sont liés par les méthodes spectroscopiques expérimentales développées dans cette thèse.Les matériaux présentant de la fission d’excitons singlets en deux excitons triplets présentent une grande richesse de phénomènes physiques, liés à la diffusion et l’annihilation, leur couplage par interactions dipolaires et d'échange. Nous présentons ici des études approfondies de la physique du spin du TIPS-tétracène liées à la formation de bi-excitons après la fission de singlets. Nous nous sommes concentrés sur deux aspects de la composition du spin dans le TIPS-tétracène. Dans un premier temps, nous présenterons des études de couplage intra-triplet. Pour cela, nous avons utilisé la résonance magnétique détectée optiquement, afin de sonder les différentes espèces de spin et de suivre leur évolution en fonction des paramètres physiques pertinents. À partir de ces mesures, nous obtenons l’amplitude du couplage dipolaire magnétique pour les excitations de triplets et de quintets en fonction de la morphologie des échantillons et déterminons ainsi non seulement les orientations des excitons triplets dans les échantillons, mais également la géométrie interne de la formation de bi-excitons à partir de deux excitons de triplets couplés par échange. Ceci nous permet d’identifier spécifiquement les sites moléculaires sur lesquels résident les états du quintet via la corrélation existant entre la structure de spin extraite de manière expérimentale et la structure cristalline moléculaire.Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) à la surface de l'hélium liquide est intéressant à la fois pour la recherche fondamentale et les sciences appliquées. Dans les deux cas, il faut pouvoir manipuler le système et le régler avec précision. Nous profitons des caractéristiques extraordinaires de ce système pour réaliser un système fondamental QED, dans lequel un atome interagit avec une cavité électromagnétique.L’utilisation de la haute pureté du 2DEG est en effet une approche originale de la QED avec ses avantages et ses difficultés propres. Nous avons appliqué un champ électrique perpendiculairement à la couche pour confiner les électrons, induisant ainsi une série de niveaux d'énergie de Rydberg, présentant une analogie avec un atome. Un champ magnétique perpendiculaire donne lieu à la formation de niveaux de Landau équidistants - un oscillateur harmonique pour le système QED. Pour coupler l'atome à l'oscillateur, nous avons mélangé les degrés de liberté de mouvement parallèles et transverses au plan des électrons en appliquant un champ magnétique parallèle. Les niveaux d'énergie sont contrôlés à l'aide de mesures de spectroscopie Stark. Afin de décrire ce couplage nous avons utilisé un hamiltonien de type Jaynes-Cummings donnant un accord parfait avec les résultats expérimentaux. Ainsi, nous avons réalisé expérimentalement un couplage entre objets quantiques facilement ajustable via l’intensité du champ magnétique.