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Unconventional superconductors are those which are not described by the BCS theory, and for which no known theoretical description currently exists. The careful study of the behaviour of superconducting vortices in such systems yields crucial insights into the underlying physics of these exciting materials. This thesis describes a series of magnetometry experiments conducted on three different unconventional superconductors: Sr2RuO4, MgB2 and Bi2Sr2CaCu2O8+; utilising two techniques: Scanning Hall probe microscopy and magneto-optical imaging. An exotic p-wave chiral order parameter is thought to exist in Sr2RuO4 and is expected to produce several identifiable magnetic signatures. A search for these signals via scanning Hall probe measurements failed to detect any such signatures, but did capture a structural transition of the vortex lattice that is consistent with the proposed chiral order parameter. Studies of several samples also suggest that the vortex behaviour is strongly modified with even tiny amounts of disorder, a conclusion that has important consequences for interpretations of vortex patterns in Sr2RuO4. Several recent experiments have reported vortex configurations consistent with a competing short-range repulsion and long-range attraction in the intervortex interaction in MgB2 single crystals. We observe the spontaneous formation of vortex chains and labyrinths in a 160nm MgB2 thin-film that are suggestive of a non-monotonic vortex interaction, but perhaps more indicative of an intermediate-range attraction in harness with short and long-range repulsions. The suitability of seven potential mechanisms of vortex attraction in MgB2 are reviewed in light of the unusually short electronic mean-free path of our sample. Finally, magneto-optical imaging has been used to study the penetration of flux into regular polygon-shaped Bi2Sr2CaCu2O8+ platelets with various geometries. The variation of HP with geometry qualitatively contradicts conventional estimates of demagnetisation factors based on equivalent ellipsoids using inscribed circles. This work has important implications for the estimation of appropriate effective demagnetisation factors in arbitrarily shaped superconducting bodies.

Ce travail de thèse est consacré à l'optimisation du processus de fabrication des supraconducteurs à basse température (SBT) et à haute température (SHT). Le but est l'optimisation de fabrication de ces produits.Le premier chapitre est dédié au processus de production des SBT. La recherche concerne le problème de réchauffement de la surface des fils par les forces de friction lors du processus d’étirage. Le processus de réchauffement/refroidissement génère des contraintes résiduelles. Cet aspect a été traité dans ce chapitre. On y présente également une méthode pour déterminer les angles optimaux des outils utilisés dans la fabrication des supraconducteurs.Le deuxième chapitre donne une présentation générale des SHT. On donne d’abord l’historique de ces produits, ensuite les développements en cours et les perspectives. Il présente aussi le processus de fabrication de ce matériel et ses défis. Le chapitre traite en particulier des SHT de deuxième génération et montre l’intérêt de l’emploi de la modélisation numérique.Le troisième chapitre présente un modèle simplifié pour le comportement mécanique des SHT. Ce modèle est basé sur la théorie classique des poutres associée à une discrétisation de la poutre en sous-couches travaillant en traction-compression. Ce modèle prend en compte le comportement plastique des composantes de la poutre SHT. Le modèle a été implémenté dans un environnement MATLAB. La validation du modèle est effectuée par sa confrontation à des analyses par éléments finis. Le modèle est ensuite utilisé pour l'analyse des configurations industrielles dans un but d’optimisation.Le quatrième chapitre présente la vérification numérique du modèle décrit dans le chapitre précédent sur un essai de flexion effectuée en laboratoire sur une bande «poutre» en SHT. La comparaison entre les résultats numériques et les données expérimentales montre le bon fonctionnement du modèle développé. / This thesis is devoted to the optimization the process of production of low-temperature superconductor (LTS) as well as high-temperature superconductor (HTS) products. The aim of the work is the optimization of the fabrication process. Chapter 1 deals with the process of production of low-temperature superconductors. It provides analysis of the heating/cooling phenomena in the fabrication process. The chapter also proposes a method for determining the optimum angles of tools used in the fabrication of low-temperature superconductor. Chapter 2 provides a general presentation of the high-temperature superconductors (HTS). The history of development of this material is summarized. The chapter gives a particular focus on the 2nd Generation of HTS. After a presentation of the structure of the high-temperature superconductor, the fabrication process and the challenges, we present the need for the use of numerical model on the design and fabrication of HTS.Chapter 3 presents a simplified model for HTS beams. This model is based on the classical beam theory together with the discretization of each layer in small sub-layers working under purely axial stresses. The model takes into consideration the plastic behavior of the HTS constitutive materials. This model was implemented using MATLAB software. It presents also the validation of this model by its confrontation to finite element analyses as well as its use in the optimal design of HTS. Chapter 4 presents the verification of the numerical model presented in the previous chapter for high-temperature multilayer 2G. The verification is carried out on a bending beam test conducted on a high-temperature superconductor tape. The test was presented first. The comparison of the numerical and experimental results allows the validation of the simplified model on experimental tests.

Les matériaux supraconducteurs présentent des propriétés physiques et géométriques particulières qui exigent des approches de modélisation spatio-temporelle fines, où les méthodes classiques trouvent rapidement leurs limites en termes de convergence, de précision et de temps de calcul. Ce dernier peut être très conséquent, ce qui est incompatible avec les problèmes de dimensionnement et d’optimisation. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif de développer des approches de modélisation multiphysique rapides pour le dimensionnement et l’optimisation des systèmes à base de supraconducteurs. Un intérêt particulier est porté pour les méthodes intégrales. Les verrous scientifiques à lever, qui constituent également l’originalité du travail, résident dans l’intégration des lois de comportement E(J) des supraconducteurs dans les schémas numériques de ce type de méthodes. Dans ce travail on développe un modèle numérique afin d’étudier la distribution de la densité de courant et d’estimer les pertes AC dans les supraconducteurs à haute température (HTS). Le modèle développé est basé sur une formulation intégro-différentielle en termes de potentiel vecteur électrique dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Une campagne de test est menée afin de valider et de bien cerner les possibilités offertes et les limites de cette approche pour la modélisation des supraconducteurs. / Superconducting materials have particular physical and geometric properties that require spatial-temporal modeling approaches fines, where conventional methods quickly reach their limits in terms of convergence, precision and computational time. The latter can be very consistent, which is incompatible with the design and optimization problems. In this context, this work aims to develop rapid multiphysics modeling approaches for the design and optimization of superconductor-based systems. Particular attention is paid to the integral methods. Scientific obstacles to overcome, which also constitute the originality of the work lies in the integration of behavior laws E (J) of superconducting digital patterns of such methods. A numerical model is developed for a rapid computation of eddy currents in multifilamentary high temperature superconductive (HTS) for the evaluation of AC losses. The developed model is based on an integro-differential formulation in terms of the electric vector potential in the frequency and temporal domains. A test campaign is conducted to validate and clearly identify the possibilities and limitations of this approach for modeling superconductors.

Dans le domaine du génie électrique et plus particulièrement dans celui des moteurs électriques, un des principaux challenges à relever pour les années qui viennent est l'augmentation de la puissance et du couple massique. Un moteur synchrone fonctionne sur le principe de l'interaction de deux champs magnétiques. Un inducteur alimenté en courant continu crée un champ magnétique variable dans l'espace. L'induit produit quant à lui un champ tournant par l'intermédiaire d'un bobinage, principalement, triphasé. Le couple électromagnétique généré est fonction du produit du champ tangentiel (Ht) par le champ radial (Bn). On a alors la possibilité d'augmenter le couple d'une machine, soit en agissant sur Ht (produit par l'induit) ou en agissant sur Bn (produit par l'inducteur). L'inducteur est composé de deux solénoïdes supraconducteurs alimentés par des courants opposés qui créent une induction magnétique importante. La présence de plaques supraconductrices qui, par leur propriété d'écrantage du champ magnétique, module et canalise ces lignes de champ. C'est cette variation spatiale de l'induction qui permet de générer un couple mécanique. La structure de cet inducteur supraconducteur est susceptible En effet, Dans un moteur conventionnel, l'amplitude de l'induction dans l'entrefer est autour de 2 Teslas (de -1 Tesla à +1 Tesla). Les matériaux supraconducteurs permettent d'atteindre des niveaux d'induction magnétique que nous ne pourrions envisager avec les matériaux classiques. Cette structure offre la possibilité d'accroître cette valeur et par conséquent, de présenter un saut technologique en augmentant le couple dans les mêmes proportions. Le domaine d'application relève des moteurs embarqués d'une puissance comprise entre plusieurs MW et plusieurs dizaine de MW. Cependant, un des verrous technologiques restant est la possibilité de réaliser des écrans supraconducteurs de grande taille pour un inducteur de moteur de forte puissance (par exemple quelques dizaines de MW) / In the electrical engineering, especially in electric motors, one of the main challenges in the coming years is the increased of mass power and mass torque. A synchronous motor operates by the interaction of two magnetic fields. An inductor supplied with direct current creates a variable magnetic field in space. The armature produces a rotating field by a three-phase winding. The electromagnetic torque generated depends from the product of tangential field (Ht) by the radial field (Bn). The torque can be increased by acting on Ht (produced by the armature) or by acting on Bn (produced by the inductor). The inductor consists of two superconducting solenoids fed by opposed currents which create a huge magnetic induction. By using superconducting bulks which present magnetic screening property, we modulate this field. So, this spatial variation of induction generates a mechanical torque. Indeed, in a conventional engine, the amplitude of induction in the gap is around 2 Tesla (Tesla from -1 to 1 Tesla). Superconducting materials can exceed these levels of magnetic induction. This structure offers the possibility to increase this value and therefore to increase the torque in the same proportions and to present a technological leap. The application area is embedded engines for power between several MW and more. However, a technological limit is the possibility of making large superconducting screens for an inductor of large motors (eg a few tens of MW)

Le développement de nouveaux matériaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de câbles comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application ou d'en améliorer les performances. Pour l'étude des applications industrielles, il est nécessaire de connaitre les caractéristiques électromagnétiques de ces nouveaux matériaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulté réside dans la reconstitution de la loi électrique locale E(J), à partir des mesures. Cette thèse consiste donc à la mise au point d'outils théoriques et expérimentaux permettant la caractérisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les travaux ont principalement été menés sur deux méthodes : - la méthode MB, qui consiste à effectuer des mesures sur une bobine puis d'extraire les propriétés du ruban supraconducteur. - le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnétique. Ces méthodes ont été testée et validée tant au niveau expérimental que théorique / The development of new superconducting materials and of new cables manufacturing processes such as YBaCuO films, allow to consider new application or to improve their performances. For the study of industrial applications, it is necessary to know the electromagnetic characteristics of these new materials. For superconductors, the difficulty lies in the reconstruction of the local electric law E(J), from measurements. This thesis therefore consists in the developing theoretical and experimental tools for characterization of high temperature superconductors. The work has mainly been carried out on two methods: - the MB method, which consists in making measurements on a coil and then extracting the properties of the superconducting tape. - the field mapping, based on the measurement of a map of the magnetic flux density. These methods have been tested and validated both experimentally and theoretically

Micro Hall probe magnetometry has been used to investigate the magnetisation of various electrodeposited microcrystals. Superconducting tin crystals of almost perfect square cuboid shapes exhibit a strong size dependence of the supercooling of the superconducting state and, for the smallest accessible crystals, the crossover to the mesoscopic regime can be readily explored close to their critical temperatures. Experimental results are in good agreement with Ginzburg-Landau simulations using the exact experimental parameters. Electroplating of the tin cores with another material provides unique core-shell structures of either two superconductors (S-S’: tin-lead) or of a superconducting core, covered with a ferromagnetic shell (S-F: tin/lead-nickel). The critical parameters of the tin core in Sn-Pb core-shell crystals are considerably enhanced and superconductivity in the tin core is detected up to 1:16 TSn c . Little-Parks oscillations in the shell can be analysed to reveal the extent of the superconducting sheath and hence can be utilised to measure the range of the proximity effect close to the critical temperature of the shell. In S-F core-shell structures, field cancellation effects govern the overall behaviour. Under certain conditions it was possible to switch the overall magnetic response from para(ferro-)magnetic to diamagnetic and back at finite applied fields. Micromagnetic simulations qualitatively reproduce the experimentally observed effects. Applications for the core-shell structures include magnetic guidance or memory devices.

PhD (Physics) / Department of Physics / Understanding how and why superconductivity (SC) occurs in a given material has been very challenging for physicists for more than a hundred years, notwithstanding the major milestones, such as the London theory, the Landau-Ginzburg theory, and the BCS theory. The extreme challenge to predict the occurrence of SC is symbolized by the long string of unanticipated but breathtaking advances, i.e., the unexpected discoveries of cuprates and Fe-pnictides being the dramatic modern examples. Because of their incompatibility, the nucleation of SC near a ferromagnet is di cult and has never been realized except for the case that another superconductor provides proximity-boosted Cooper pairs. This perceived necessity to start with another superconductor is engrained in the exten- sive study of the proximity e ect in superconductor/ferromagnet (S/F) powder sample, where all the structures involve a superconductor with either stable or metastable struc- ture. Compounding the di culty, it is also generally recognized that SC with substantial Tc is favourable in low dimensionality because of strong quantum uctuation. In this thesis, we report a serendipitous nding of SC that emerges under the most implausible circumstances in low eld microwave absorption measurement. This new revelation may lead to unconventional avenues to explore novel SC for applications in superconducting spintronics. By means of a varienty of techniques, including EPR, SEM, FTIR, PPMS/VSM and XRD, nanonickel incorporated YBCO in di erent weighting factors have been studied. With its complex chemical structure and magnetic properties, Ni-YBCO is far from well understood and the magentic behavior of the system under di erent conditions is investi- gated. From the dilute mixture of nanonickel particles, it is found that groups of normal Josephson junctions (JJs) and JJs due to YBCO-nickel-YBCO interparticle weaklinks form as nickel is ferromagnetic. We experimentally show, for the rst time multiple phase reversals in the non-resonant microwave absorption (NRMA) spectra from Ni-YBCO pos- sibly, due to the formation of JJs. We also show that these multiple phase reversals then vii depend on microwave power and temperature. We argue that microwave power induced coherence among some groups of JJs and breaking of some of the weaker JJs can then lead to the disappearance of multiple phase reversals at higher microwave power levels. Further, we also report a role of pair breaking e ects that shall give a linear eld de- pendence of the derivative microwave absorption signal, which is essentially the NRMA signal. This pair-breaking e ect dominates at temperatures closer to Tc as expected thermodynamically. The presence of two peaks in the system, results in high permeability ferromagnet which acts as a magnetic short circuit for magnetic ux density and creates low reluctance path. A transition from normal to anomalous does not occur in this work, because of the possibility of junction in the sample. As predictable at the region around the origin where the weaklinks are supposed to be very strong for a very low doping or low nanonickel addition ( 0.5 % wt), not much e ect was observed. However, when the nanonickel addition is increased to 2 % and 3% we see a signi cant change in the magnetization and the associated hysteresis, indicating ux pinning. / NRF

This thesis presents an experimental study of the superconducting proximity effect in sub-micrometer sized ferromagnetic discs. Such discs belong to a class of mesoscopic ferromagnets intermediate between microscopic magnets with dimensions below about 10nm that behave as single giant spins and macroscopic structures that are larger than approximately 1 micrometer where domains are formed to minimise stray fields. The magnetic structure of mesoscopic magnets is strongly dependent on their geometric shape, allowing for purposeful engineering of magnetic structures using modern lithographic techniques. The ground magnetic state of mesoscopic ferromagnetic discs is the magnetic vortex where unusual time-asymmetric triplet superconductivity is predicted to exist and survive up to the non-magnetic coherence length, that is orders in magnitude larger than the ferromagnetic singlet coherence length. Magnetic Force Microscopy (MFM) was used to directly study the magnetic structure of the discs. To detect the proximity effect in the vortices, Andreev interferometers were used with normal parts replaced with mesoscopic ferromagnetic discs in the magnetic vortex state. The samples were fabricated using electron-beam lithography and a modified shadow evaporation technique developed within this project, allowing the whole structure to be made with highly precise alignment, without breaking vacuum and avoiding redundant ferromagnetic elements disturbing the magnetic vortices. Observations were made of superconducting phase periodic oscillations in the conductance of the Andreev interferometers. Such oscillations provide unambiguous evidence of phase coherent electron transport through the ferromagnetic vortex. Finally, further experiments are discussed that would provide a more detailed understanding of the long range proximity effect in SFS junctions.

La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide / The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium