Spectroscopy under high pressure and high magnetic field
Spectroscopies sous haute pression et champ magnétique intense
Résumé
This PhD thesis presents some optical spectroscopy measurements under extreme conditions of pressure and high magnetic field at low temperature. The main objective of this work was to develop a new setup allowing to combine these outstanding extreme conditions. We have successfully extended the experimentally achievable phase diagram area up to 56 T, 10 GPa and 4 K. We have then studied two kinds of system to demonstrate the interest of our new technique: transition metal ions and semiconductors. We have first measured by magneto-photoluminescence experiments at high field on ruby the Zeeman effect, i.e the lift of spin degeneracy and the Paschen-Back effect, due to the competition between the anisotropic crystal field and the applied magnetic field. We unveiled and explained a significant increase of the trigonal component induced by the pressure. We have also investigated the electronic structure of indium selenide, a layered semiconductor with noteworthy excitonic properties by magneto-absorption spectroscopy. Oscillatory magneto-absorption unraveled the electrons and holes Landau quantization, allowed us to deeply probed the band structure in a wide energy range around the direct gap and to confirm the validity of the specific $k.p$ model for this compound. Eventually, magneto-photoluminescence measurements on self-assembled indium phosphide quantum dots embedded in a gallium phosphide matrix yielded us to elucidate the origin of the strong luminescence observed in this material. We have determined the confinement of the charge carriers and clarified the effects of the native biaxial strain.
Cette thèse présente des mesures de spectroscopie optique sous conditions extrêmes de pression et champ magnétique intense à basse température. L'objectif premier de ce travail de thèse était de développer et mettre au point un dispositif expérimental original permettant d'atteindre ces conditions extrêmes inédites. Nous avons étendu le domaine de pression, champ magnétique et température accessibles conjointement jusqu'à 56 T, 10 GPa et 4 K et étudié les propriétés de deux types de système pour lesquels les spectroscopies sous haute pression et champ magnétique intense sont particulièrement adaptées: les ions de métaux de transition et les semiconducteurs. L'étude du rubis par magnéto-photoluminescence nous a permis de mettre en évidence dans un domaine de champ magnétique inexploré l'effet Zeeman, i.e la levée de dégénérescence de spin des états électroniques de l'ion chrome, et l'effet Paschen-Back dû à une compétition entre le champ cristallin anisotrope et le champ magnétique appliqué. Une augmentation significative du champ trigonal induite par la pression a été ainsi détectée et interprétée. Nous avons également étudié la structure de bandes du séléniure d'indium, un semiconducteur lamellaire aux propriétés excitoniques remarquables par des mesures de magnéto-absorption. Le phénomène de magnéto-absorption oscillatoire, signature de la quantification de Landau des électrons et des trous, nous a permis d'explorer la structure de bandes dans une large gamme d'énergie autour du gap et de valider le modèle $k.p$ spécifique proposé pour ce composé. Enfin, une étude par magnéto-photoluminescence des propriétés électroniques de boîtes quantiques auto-organisées de phosphure d'indium encapsulées dans une matrice de phosphure de gallium nous a permis d'élucider l'origine de la forte luminescence caractéristique de ce système en déterminant clairement le confinement des porteurs et les effets induits par les fortes contraintes biaxiales inhérentes à la croissance par auto-assemblage.
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