Une jonction SNS composée de deux supraconducteurs (S) séparés par un métal normal (N) est parcourue par un courant non-dissipatif dont l'amplitude dépend de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. Les propriétés à l'équilibre de ce système ont été récemment explorées et sont aujourd’hui bien comprises. La dynamique des jonctions SNS est toutefois une question plus complexe : on peut par exemple se demander comment évolue la relation courant-phase avec une polarisation en phase à haute fréquence. Quels sont les temps caractéristiques et les mécanismes qui régissent cette évolution ? Pour sonder les propriétés des états d’Andreev et en particulier leur dynamique, nous avons mesuré la réponse d’un anneau NS polarisé en phase $ \varphi $. La réponse du courant à une excitation en phase à des fréquences $ f $ allant de 200 MHz à 14 Ghz donne accès à la susceptibilité magnétique $ \chi(\varphi,f) $ dont la partie réelle $ \chi' $ renseigne sur la réponse non-dissipative et la partie imaginaire $ \chi'' $ informe sur la dissipation. La susceptibilité est obtenue en mesurant la modification des modes propres d'un résonateur supraconducteur auquel est couplé l'anneau.De manière attendue, $ \chi' $ est simplement la dérivée en phase du supercourant à basse fréquence, révélant ainsi la relation courant-phase. Fait plus surprenant, nous avons observé l'émergence de deux contributions à plus haute fréquence. La première est reliée à la relaxation des populations mises hors-équilibre par l'excitation. Elle est associée à un bruit de supercourant. La seconde contribution correspond à des transitions induites. D'après notre analyse de l'expérience, sa dépendance en phase s'explique en prenant en compte des règles de sélection. Elle devrait également permettre de réaliser la spectroscopie du minigap. Ces résultats montrent que de telles mesures à fréquence finie révèlent des propriétés des jonctions SNS inaccessibles par des expériences de transport standards. / A SNS junction made of two superconducting (S) electrodes separated by a normal (N) metal carries a non-dissipative current whose amplitude depends on the phase difference between the superconductors. The equilibrium properties of this system have been recently explored and are now well understood. The dynamics is still an open question: how does the current-phase relation evolves with a high-frequency phase modulation? What are the mechanisms and characteristic times that govern this evolution?To probe the dynamics of Andreev states, we measured the response of a phase($ \varphi $)-biased NS ring. The current response at frequencies $ f $ ranging from 200 MHz up to 14 GHz yields the magnetic susceptibility $ \chi(\varphi,f) $ whose real part $ \chi' $ gives the the non-dissipative response while the imaginary part $ \chi'' $ reveals the dissipation. Susceptibility is accessed by the modification of a superconducting resonator coupled to the NS ring.As expected, $ \chi' $ is simply the phase derivative of the supercurrent at low frequency, thus revealing the current-phase relation. More strikingly, we observed the emergence of two contributions at high-frequency. The first one is related to the relaxation of populations driven out-of-equilibrium by the excitation. It is associated with supercurrent noise. The second one corresponds to induced transitions. According to our analysis of the experiment, its phase dependence is accounting for by taking into account selection rules. It should also allows to perform the minigap spectroscopy. These results show that such finite frequency measurements reveal properties of SNS junctions that can not be accessed by standard transport experiments.

L'effet Josephson décrit le couplage cohérent entre supraconducteurs et le supercourant qui en résulte. D'un point de vue microscopique, il découle de l'existence d'états de quasiparticules discrets, localisés au niveau du lien faible, les états liés d'Andreev. Ils viennent en doublets dans chaque canal de conduction du lien faible, avec des énergies et supercourants opposés. Chaque doublet d'Andreev donne lieu à quatre états: l'état fondamental \left|-\right\rangle et l'état excité \left|+\right\rangle , avec une parité paire, et les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Est-il possible d'exciter les doublets Andreev? Cette thèse décrit deux séries d'expériences conçues pour répondre à cette question en utilisant l'élément Josephson le plus élémentaire, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans une première expérience, nous avons observé et caractérisé les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Comme attendu pour un système dégénéré en spin, ils ne portent pas de supercourant. Dans cette expérience, l'excitation n'était pas contrôlée mais dû au piégeage spontanée de quasi-particules parasites dans l'un des états d'Andreev. Sous certaines conditions, le temps de vie mesuré de ces états impairs peut dépasser 100 µs. La deuxième expérience est une spectroscopie photonique des états d'Andreev. Elle a été effectuée en utilisant une junction Josephson en tant qu'émetteur et détecteur microonde. Les transitions d'Andreev observées correspondent à des excitations depuis l'état fondamental \left|-\right\rangle vers l'état excité paire \left|+\right\rangle , et sont bien décrites par notre modèle quantique. Ce résultat ouvre la voie à la manipulation cohérente de ce système à deux niveaux. L'observation directe de l'état excité d'Andreev, soit par injection de quasiparticules soit par absorption de photons, conforte la théorie mésoscopique de l'effet Josephson. Cela démontre que, en plus de la différence de phase, chaque canal d'un lien faible Josephson possède un degré de liberté fermionique interne similaire à un spin un-demi.

Lorsqu'un supraconducteur (S) est mis en contact électrique avec un métal normal (N), il transfert à ce dernier des propriétés supraconductrices sur une faible épaisseur : ce phénomène s'appelle "l'effet de proximité". L'objectif de cette thèse consiste à étudier la cohérence quantique dans N à travers ce phénomène grâce à un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à 1.6 K et 50 mK. L'avantage de cette méthode expérimentale est d'être en mesure d'observer l'échantillon et de déterminer ses propriétés électroniques locales simultanément avec une grande résolution spatiale et énergétique. L'effet de proximité a déjà été observé expérimentalement dans le cas où les dimensions du métal normal et du supraconducteur peuvent être considérés comme infinies. En régime diffusif, la densité d'états locale présente un pseudo-gap dans N qui se referme à mesure que l'on s'éloigne de l'interface [S-N]. Cependant, si les dimensions de N sont plus petites que la longueur de cohérence de phase, un mini-gap relié à l'énergie de Thouless se développe, traduisant l'établissement des propriétés supraconductrices dans tout le volume du métal normal. En régime balistique, des conclusions similaires s'appliquent selon le caractère intégrable (pseudo-gap) ou chaotique (mini-gap) des structures métalliques en contact avec le supraconducteur. Afin d'observer expérimentalement ces effets, nous avons fabriqué par lithographie électronique des échantillons où des motifs de métal normal, de taille mésoscopique et de différentes géométries, sont présents à proximité d'un supraconducteur. Nous avons mis en évidence des pics très fins dans les spectres de la conductance tunnel différentielle locale. Nous pensons qu'ils révèlent la présence d'états résonnants d'Andreev, impliquant l'existence de trajectoires électroniques semi-classiques satisfaisant la relation de quantification de De Gennes-St James. Dans le cadre de cette thèse, nous avons aussi saisi l'opportunité d'étudier les propriétés électroniques des films supraconducteurs désordonnés de nitrure de titane. A mesure que l'épaisseur des films est réduite, la diminution du potentiel effectif d'attraction des électrons et les effets de localisation donnent lieu à une transition supraconducteur-isolant (T.S.I.), observée par des études de magnéto-transport. Grâce au STM, la détermination de la densité d'états locale sur ces mêmes films a permis de révéler la co-existence de domaines supraconducteurs et normaux ainsi qu'une évolution spatiale des mesures spectroscopiques très inhabituelle. Ce matériau présente donc des propriétés supraconductrices inhomogènes pouvant jouer un rôle important dans les mécanismes de la T.S.I.