Sub-wavelength patterning of one or several materials can give rise to “metamaterials”, with artificial electromagnetic properties. This work is focused on the design and realization of THz metamaterials, exploiting plasmonic cavity engineering and many-body effects in a dense electron gas. In the first part of this manuscript, many-body effects are investigated through the optical response of an electron gas in a semiconductor layer. The electron gas displays a cooperative response to an incident electromagnetic field: its absorption spectrum shows a unique sharp resonance, centred at an energy that depends on the electronic density and on the confinement. A model is presented that describes infrared absorption of thin doped semiconductor layers as well as intersubband absorption in a quantum well. When a highly doped semiconductor layer is inserted in a metallic microcavity, the so called “ultra-strong” coupling regime is achieved between the electronic many-body excitation and the cavity fundamental optical mode. Through an optimization of the cavity geometry, I demonstrate a record value of the relative coupling strength at room temperature. The ultra-strong coupling regime is then used for two different applications: a metamaterial with an artificial photonic reflectivity band and a cavity with an extremely high effective index. Those cavities are then used to realize an incandescent THz source, operating at room temperature.La structuration artificielle d’un matériau par des motifs sub-longueurs d’onde peut donner lieu à des « métamatériaux », avec des propriétés électromagnétiques qu’on ne retrouve pas dans un milieu naturel. Mon travail de thèse concerne la conception et la réalisation de métamatériaux THz, basés à la fois sur l’ingénierie de cavités plasmoniques et sur les propriétés multi-corps d’un gaz d’électrons dans un semiconducteur. Dans la première partie de la thèse, j’ai étudié ces propriétés multi-corps à travers la réponse optique du gaz d’électrons. J’ai démontré qu’il répond de façon coopérative à un champ électromagnétique incident : son spectre d’absorption présente une unique résonance étroite, à une énergie qui dépend à la fois de l’éventuel confinement et de la densité électronique. J’ai démontré qu’un même formalisme peut être utilisé pour décrire l’absorption infrarouge dans des couches minces dopées et l’absorption intersousbande dans un puits quantique. En insérant la couche semiconductrice dans une cavité métallique, un régime de couplage ultra-fort entre l’excitation électronique et le mode fondamental de la cavité peut être atteint. Grâce à l’optimisation de la cavité, j’ai pu démontrer une valeur record de l’énergie de couplage relative à température ambiante. Le couplage ultra-fort a été ensuite utilisé pour deux applications différentes : la démonstration d’un métamatériau possédant une bande interdite artificielle pour les photons et la réalisation de cavités d’indice optique effectif particulièrement élevé. Ces cavités m’ont permis de concevoir et réaliser une source incandescente de lumière THz, fonctionnant à température ambiante
