Grâce aux progrès expérimentaux de ces vingt dernières années en miniaturisation et cryogénie, il est maintenant possible de réaliser des circuits électriques de taille suffisamment petite pour que le comportement ondulatoire des électrons devienne important à basse température et modifie les propriétés du transport électrique comme le courant ou le bruit. C'est l'échelle mésoscopique. Si, de plus, un supraconducteur est connecté à un tel circuit, les effets d'interférences entre électrons augmentent car le supraconducteur est une source macroscopique de paires d'électrons cohérents: les paires de Cooper. Dans cette thèse, nous étudions les corrélations du courant dans les structures mésoscopiques métal normal - supraconducteur. Nous nous intéressons d'abord à la dépendance en énergie du bruit en courant dans une jonction tunnel simple métal normal - isolant - supraconducteur en prenant en compte les effets du désordre et les interactions. Nous montrons que si les réservoirs ne sont pas à l'équilibre thermodynamique, le courant et le bruit sont indépendants. On considère ensuite une structure où le supraconducteur est connecté à deux métaux normaux par des jonctions tunnel. Nous montrons alors que la corrélation croisée du courant peut changer de signe et qu'elle contient des informations sur la taille des paires de Cooper. Enfin, à l'aide de la théorie quasi-classique d'Usadel, on étudie la dépendance en énergie du bruit dans une double jonction en série métal normal - métal normal - supraconducteur et montrons que la transparence des jonctions joue un rôle important.

The purpose of this master thesis is to investigate theoretically the influence of a nanomagnet on the Josephson effect displayed by phase biased point contacts consisting of topological superconductors. The device is modeled using the nonequilibrium Keldysh Green’s function technique. First, the Gor’kov Green’s functions are calculated. From these Green’s functions, the quasi-classical ones, relevant for energies around the Fermi energy, are obtained. Transport properties such as charge currents are calculated and analyzed in terms of the junction’s density of states displaying Andreev and Majorana states. The combination of the nanomagnet coupling and the spin-momentum locking of the topological superconductors generates a magneto-electric effect causing the supercurrent to depend strongly on the nanomagnet’s direction.

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.

Abstract Interacting many-body problems are central to most fields of physics. In condensed matter physics, the systems of interest consists of a number of bodies on the order of Avogadro's constant, ~10²³. The precise modeling of such systems is usually impossible. Under certain circumstances however, even these problems can become tractable. One such circumstance is that of a Fermi liquid. At sufficiently low temperatures, in describing the dynamics of a system of interacting fermions, it is possible to forgo description of the fermions themselves, and instead concentrate on the collective excitations of the entire fermion system. These collective excitations are called quasiparticles. In this thesis we study two phenomena related to the motion of objects in a Fermi liquid. First, we study the transmission of transverse oscillations through a thin film of normal Fermi liquid. The dynamics of normal Fermi liquid are described by Landau's Fermi liquid theory. Landau's theory predicts the existence of new modes of sound under conditions where sound ordinarily would not propagate. Using the equations of motion for the Fermi liquid quasiparticles, we calculate the linear response of a Fermi liquid film to the transverse oscillations of a planar substrate under a wide range of conditions. We present the linear response in terms of the film's acoustic impedance and study the effects of quasiparticle collisions and of the Fermi liquid interactions. The second phenomenon we study is the supercritical motion of a wire in a superfluid Fermi liquid. The prevailing assumption is that if the velocity of an object moving in a superfluid Fermi liquid surpasses a characteristic critical velocity, the object experiences a sudden onset of viscous forces. This viscosity is caused by the escape of quasiparticles, produced by pair breaking on the surface of the object, into the surrounding superfluid. We study Andreev reflection of the quasiparticles by the surrounding superfluid flow field, and modifications to the flow caused by pair breaking, as possible mechanisms for low-dissipation motion above the critical velocity. / Original publications The original publications are not included in the electronic version of the dissertation. Kuorelahti, J. A., Tuorila, J. A., & Thuneberg, E. V. (2016). Fermi liquid theory applied to a film on an oscillating substrate. Physical Review B, 94(18). https://doi.org/10.1103/physrevb.94.184103 Kuorelahti, J. A., & Thuneberg, E. V. (2018). Two-parameter boundary condition applied to transverse acoustic impedance of a Fermi liquid. Journal of Physics: Conference Series, 969, 12010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/969/1/012010 http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2018060425173 Kuorelahti, J. A., Laine, S. M., & Thuneberg, E. V. (2018). Models for supercritical motion in a superfluid Fermi liquid. Physical Review B, 98(14). https://doi.org/10.1103/physrevb.98.144512 http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe2018112148794

Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basse température d'échantillons de graphène exfolié. Une première série de mesures menée à une température de 4 Kelvins sur des échantillons contactés par des électrodes constituées d'une bicouche titane/or révèle les phénomènes d'effet Hall quantique et de fluctuations universelles de conductance. L'effet Hall présente une quantification demi-entière propre au graphène. Le caractère universel des fluctuations de conductance est confirmé par les mesures, et une réduction de la longueur de cohérence de phase est observée au point de Dirac. Une autre série d'échantillons, connectés par des électrodes en titane/aluminium, permet l'étude de l'effet de proximité supraconducteur dans le graphène. Ces mesures sont réalisées à des températures comprises entre 100mK et 1K. Dans un premier échantillon, elles font apparaitre le phénomène de réflexions d'Andreev multiples et un précurseur de l'effet Josephson, ainsi qu'une amplification des fluctuations universelles de conductance lorsque les électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans un second échantillon, la présence de localisation forte tend à diminuer l'amplitude des fluctuations universelles de conductance, entrant ainsi en compétition avec l'effet de proximité. / This thesis presents a study of electronic transport in exfoliated graphene at low temperature. A first set of experiment at 4K on samples connected by titanium/gold electrodes exhibits Quantum Hall effect and universal conductance fluctuations. Quantum Hall effect shows a half-integer quantization specific of graphene. The universality of conductance fluctuations is checked experimentally and a decrease of electronic coherence length is observed near the Dirac point. A second series of samples connected by titanium/aluminium electrodes allows the study of superconducting proximity effect in graphene, at temperatures between 1K and 100mK. In a first sample, measurements exhibit multiple Andreev reflexions and indicate nearly established Josephson effect. An amplification of universal conductance fluctuations when electrodes are in the superconducting state is also observed. In a second sample, we observe strong localization, which tends to suppress conductance fluctuation, therefore entering in competition with proximity effect.

Au cours des dernières anneés, le refroidissement des électrons par effet tunnel dans des jonctions hybrides composés de métal Normal - Isolant - Supraconducteur (N-I-S) a suscité de plus en plus l'attention. Son principe repose sur un effet tunnel sélectif en énergie en raison de la présence d'une bande interdite Delta dans la densité d'états du supraconducteur. Avec une tension de polarisation inférieure à l'énergie du gap, seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser l'interface du métal normal par effet tunnel, laissant derrière eux les électrons de moindre énergie. Nous avons mesuré la conductance différentielle de jonctions S-I-N-I-S avec une grande résolution. Son analyse nous renseigne sur la température électronique du métal normal en fonction de la tension. Un modèle quantitatif est proposé qui inclut le couplage électron-phonon et la résistance dite de Kapitza, à l'interface avec le substrat. Avec ce modèle, nous avons réalisé une description détailleé du courant électronique et du flux de chaleur. Nous avons également montré que la température des phonons dans le métal normal baisse sensiblement au-dessous de la température du substrat. A très basse température (T < 200 mK) et à faible tension de polarisation, le courant d'Andreev cohérent en phase domine le courant des quasi-particules. En analysant quantitativement l'équilibre thermique dans la jonction S-I-N-I-S, nous avons démontré que le courant d'Andreev transporte de la chaleur. Cette contribution thermique chauffe les électrons du métal normal. Le refroidissement électronique à la tension de polarisation optimum (V ~ 2Delta/e) dans la jonction S-I-N-I-S est un problème bien connu mais qui reste en suspens. L'effet de refroidissement dans la jonction S-I-N-I-S est accompagné par l'injection de quasi- particules dans les électrodes supraconductrices. Nous avons proposé un modèle simple pour la diffusion de l'excès des quasi-particules dans l'électrode supraconductrice possédant un piège métallique. Le modèle de diffusion a une solution analytique qui prédit la température minimum de refroidissement susceptible d'e^tre atteinte.

Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multi-terminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures.Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (trijonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la trijonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets.Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent.Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions.Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. / During this PhD, I have first finished the development of a unique experimental set-up, dedicated for studies of electronic transport of low impedance multi-terminal nanostructures. This set-up allows conductance and noise measurements at very low temperature (30 mK), with a resolution of a few pico-ampere by using SQUIDs as current amplifiers. In chapter 5, I give some explanation of the measurement working principle. Furthermore, I explain the calibration of the experimental set-up as well as how to extract physical quantities from the measurements.In chapter6, I explain transport measurements on diffusive tri-terminal junctions (tri-junction). In a T-shape called geometry, the superconducting Al-electrodes are connected via a common metallic, non-superconducting part of Copper. For these nanostructures, we observe features in the conductance at low voltage, which have been never observed yet experimentally. These features in conductance/resistance have a striking resemblance with a dc-Josephson effect, appearing when two applied potentials on the tri-junction compensate exactly each other.In literature, two mechanisms are proposed to explain this effect.The first mechanism, called "mode-locking", corresponds to a dynamic locking of ac-Josephson currents, which is induced by the experimental environment (circuit). This situation has been extensively studied in the 60's on coupled microstructures, based on weak links. In order to test this explanation, we have measured a junction, which is composed of two spatially separated Josephson junctions. The anomalies does not show up in such a geometry, even not with strongly reduced amplitude. This indicates, that synchronization via the experimental environment can't be the origin of the observed features. The second theoretical mechanism is named "quartet-mode" and has been recently proposed by Freyn and Co-workers. In this process, one superconducting electrode emits doublets of Cooper-pairs. Each of the two pairs splits into two quasi particles propagating toward different superconducting contacts. In such a mechanism, two quasi-particles originating of two different Cooper-pairs, arrive each in the two superconducting contacts. If the applied voltage between the emitting superconducting contact and the two other contacts is exactly opposite, the phase of the electronic wave functions of the arriving quasi-particles on the same superconducting contact are such, that these two quasi-particles can recombine by forming a Cooper-pair. Due to this mechanism, the emitted doublet of Cooper-pairs is coherently distributed as two Cooper-pairs, each of them in a different superconducting contact. This mechanism is favored, since it is robust with respect to disorder and can hence also exist over a large range of voltage. During this PhD, I have shown that these anomalies are indeed present for applied voltage corresponding to energies well above the Thouless energy. Argumentum a contrario, the coherent effects responsible for the ac Josephson-effect have to be strongly attenuated over the same range of energy, which makes low probable the effect of mode-locking.

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FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / O conhecimento teórico e experimental acumulado nas últimas décadas sobre pontos quânticos semicondutores (PQs) impulsiona o surgimento de um grande número de propostas atuais de utilizá-los em sistemas híbridos. A habilidade de controlar suas propriedades optoeletrônicas, bem como o domínio de sofisticadas técnicas de fabricação, tornaram-os candidatos ideais para formar junções com supercondutores (SCs), cujas características individuais são também notáveis. Essas junções podem ser simples, com um único PQ acoplado a um SC, ou múltiplas: a conexão de dois terminais SCs através de um PQ (junção tipo Josephson) e a junção de dois PQs através de um SC. Esta última forma um separador de pares de Cooper, dispositivo sugerido como fonte de partículas emaranhadas, que depende fundamentalmente da ocorrência de reflexão de Andreev cruzada (CAR) nas interfaces da junção. Junções de PQs com SCs e com supercondutores topológicos também tem sido propostas em sistemas de dois níveis formando qubits para a computação quântica trivial e topológica. Embora o estudo das junções PQ-SC esteja em evidência atualmente, a revisão da literatura mostra que a análise do regime transiente foi pouco explorada. Por isso, abordamos neste trabalho o transporte de cargas em uma junção PQ-SC-PQ com resolução temporal. Utilizando técnicas de função de Green de não-equilíbrio, particularmente, o formalismo de Kadanoff-Baym, escrevemos um conjunto de equações diferenciais acopladas, solucionado numericamente. Analisando as oscilações de Rabi que surgem na evolução temporal da corrente elétrica e das ocupações dos PQs, fomos capazes de identificar assinaturas de mecanismos de espalhamento através da junção, isto é, o tunelamento direto e a CAR. Adicionalmente, propusemos a expansão deste sistema pela sua inserção na estrutura de um fotodiodo, aplicando luz laser sobre um dos PQs. Os resultados mostram que ocorre a separação dos níveis opticamente excitados em dubletos de Autler-Townes, para acoplamentos fracos entre os PQs. Consequentemente, é observada a ocorrência de CAR, mediada pelo laser aplicado, através dos níveis que compõe o dubleto. Os resultados tem dependência também com a tensão fonte-dreno aplicada ao dispositivo, que pode estar no limite de bias alta (HB) ou zero (ZB). Este é o primeiro trabalho a analisar a separação de pares de Cooper assistida por fótons em uma junção PQ-SC-PQ, em regime de não-equilíbrio. Embora os resultados experimentais ainda sejam escassos, a inclusão de um SC em um fotodiodo de PQs híbrido permite novos mecanismos de formação de fotocorrente, abrindo novas possibilidades de aplicações desse sistema. / The theoretical and experimental knowledge accumulated in the last decades on semiconductors quantum dots (QDs) impulses the emergence of many current proposals for using them in hybrid systems. The ability to control their optoelectronic properties, as well as the control of fabrication techniques, made them the perfect candidates to compose junctions with superconductors (SCs), whose individual characteristics are also remarkable. These junctions can be simple, with a single QD coupled to a SC, or multiple: a connection of two superconducting terminals through a QD (a Josephson-like junction) and the junction of two QDs through a SC. The latter is known as a Cooper-pairs splitter, a device suggested as a source of entangled particles, for which is required the occurrence of crossed Andreev reflection (CAR) on the interfaces of the junction. Junctions of QDs with SCs and with topological SCs have also been proposed in two-level systems as qubits for both trivial and topological quantum computation. Despite the study of QD-SC junctions being currently in evidence, the literature review shows that the analysis of transient regime was little explored. Therefore, we address in this work the topic of time-dependent charge transport in a QD-SC-QD junction. By using non-equilibrium Green functions techniques, particularly, the Kadanoff-Baym formalism, we write down a set of coupled differential equations, which is numerically solved. Examining the Rabi oscillations that appears on the time evolution of electric current and QDs occupations, we were able to identify signatures of the scattering mechanisms through out the junction, i. e., direct tunnelling and CAR. Additionally, we propose to use this system as a photodiode, with the aid of a laser beam over one of the QDs. The results show the splitting of the optically excited states in Autler- Townes doublets, for a weak coupling between the QDs. Hence, CAR mediated by the applied laser was observed through the energy levels that compose the doublet. The results depend also with the source-drain potential applied to the device, which can be high bias (HB) or zero bias (ZB). The present work is the first to analyse the splitting of Cooper pairs assisted by photons in a QD-SC-QD junction, in nonequilibrium regime. Although the experimental results are still sparse, the inclusion of a SC in a QD hybrid photodiode allows new mechanisms of photocurrent formation, creating possibilities in future applications. / Tese (Doutorado)