Ce travail de thèse traite de la synthèse et de l'étude des propriétés d'agrégats mixtes magnétiques. Ils sont produits à l'aide d'une technique de co-dépôt utilisant source à vaporisation laser couplée avec une cellule d'évaporation. Les agrégats Co-Ag ont un diamètre moyen de 3,1 nm. L'argent ségrége pour former une structure coeur(Co)-coquille(Ag). Les agrégats CoPt ont une énergie d'anisotropie magnétique (MAE) supérieure à celle d'agrégats de cobalt pur. Ils possèdent un diamètre moyen de 2 nm et sont nanocristallisés dans une phase cfc chimiquement désordonnée. Des mesures de transport électronique à travers un agrégat CoPt isolé ont permis d'observer les effets du blocage de Coulomb et les niveaux d'énergie électroniques discrets de la particule. Nous avons également mesuré l'influence d'agrégats magnétiques sur la densité d'états locale d'une matrice supraconductrice de niobium. Nous avons pu mettre en évidence l'apparition d'états électroniques à l'intérieure de la bande interdite.

Les travaux de recherche décrits dans ce mémoire couvrent plusieurs phénomènes spécifiques à la physique mésoscopique des nanocircuits. Une large part de ces travaux porte sur la compréhension des mécanismes d'interactions à l'œuvre et de leur impact sur le temps de cohérence quantique, les transferts d'énergie, la nature des états électroniques ainsi que sur l'électrodynamique des nanocircuits électriques et l'effet de proximité supraconducteur. Dans ce mémoire j'ai cherché pour chacun de mes thèmes de recherche à décrire le cadre dans lequel se situe le travail et à expliquer les principaux résultats. Le lecteur est invité à se référer aux articles pour plus de détails.

Cette thèse présente une étude du transport électronique à basse température dans des transistors à effet de champ nanométriques en silicium sur isolant. Leur comportement électrique dépend notamment de la constitution des jonctions entre les réservoirs et le canal, qui est déterminée lors de la fabrication par l'utilisation d'espaceurs de part et d'autre de la grille. Cette différence de comportement est exacerbée à basse température. Dans des transistors très courts, de longueur de grille typique égale à 30 nm, compte tenu de la diffusion des dopants lors du recuit d'activation, il est possible d'obtenir sous la grille un unique donneur bien couplé aux deux réservoirs. Sa présence est révélée par de l'effet tunnel résonant à travers les niveaux d'énergie associés à ses orbitales, observé à basse température à des tensions de grille inférieures au seuil du transistor. L'estimation de l'énergie d'ionisation de ce donneur donne une valeur supérieure à la valeur attendue pour un donneur dans du silicium massif, ce qui est attribué à l'effet du confinement diélectrique du donneur. À l'inverse, il est possible de définir des résistances d'accès au canal suffisantes pour y confiner les électrons. Un transistor se comporte alors comme un transistor mono-électronique à basse température, dont l'îlot est situé sous la grille. Ce moyen de créer un transistor mono-électronique est étendu à des systèmes d'îlots couplés, en déposant plusieurs grilles entre la source et le drain. Plusieurs comportements sont obtenus selon l'écart entre les grilles et la longueur des espaceurs. Ces systèmes sont utilisés pour réaliser le transfert d'un électron unique.

Les fluctuations de point zéro de la charge sur la capacité d'une jonction tunnel connectée à un circuit de polarisation sont, dans quasiment toutes les situations expérimentales, supérieures à la charge de l'électron. De ce fait, les effets de la granularité de l'électricité sont masqués, sauf dans les circuits qui contiennent une «île», électrode connectée au reste du circuit seulement par des jonctions tunnel et des capacités. La charge de l'île étant quantifiée, ses fluctuations sont bloquées. Si la capacité de l'île est suffisamment petite et la température suffisamment basse, aucun électron ne peut pénétrer sur l'île par effet tunnel à cause de l'accroissement d'énergie électrostatique que cela entraînerait. Nous avons observé cet effet, appelé «blocage de Coulomb», dans la «boîte à électrons», où une île est délimitée par une jonction tunnel et une capacité. Une source de tension couplée à l'île à travers la capacité permet d'y contrôler le nombre d'électrons. Nous avons conçu et fait fonctionner deux dispositifs à jonctions tunnel nanométriques basés sur ce principe, le «tourniquet» et la «pompe», à travers lesquels le courant est contrôlé électron par électron. Dans nos expériences, la précision du transfert est de l'ordre du pourcent. Elle devrait être un million de fois plus grande dans des versions de ces dispositifs comportant plus de jonctions. On pourrait alors les utiliser pour une nouvelle mesure de la constante de structure fine alpha.

Le point central de cette thèse est la physique du bruit: la transformée de Fourier de la function de correlation temporelle courant-courant. Nous examinons des situations dans lesquelles le bruit généré par un circuit mésoscopique donné affecte le comportement d'un autre circuit mésoscopique. Dans une première partie, la source de bruit est inconnue, et le circuit mésoscopique qui lui est couplé de manière capacitive se comporte comme un détecteur de bruit à haute fréquence. Dans notre cas, le détecteur est constitué d'une jonction métal normal-supraconducteur, où le transport électronique est du au transfert de<br />quasiparticules, ou, de manière plus intéressante, est du à la réflexion d'Andreev. La théorie du blocage de Coulomb dynamique est utilisée pour calculer le courant continu qui passe dans le circuit de détection, procurant ainsi une information sur le bruit à haute fréquence. Dans la deuxième partie de cette thèse, la source de bruit est connue : elle provient d'une barre de Hall avec un contact ponctuel, dont les caractéristiques de courant-tension et de bruit sont bien établies dans le régime de l'effet Hall<br />quantique fractionnaire. Un point quantique connecté à des bornes source et drain, qui est placé au voisinage du<br />contact ponctuel, acquière une largeur de raie finie lorsque le courant fluctue, et se comporte comme un<br />détecteur de bruit de charge. Nous calculons le taux de déphasage du point quantique dans le régime de<br />faible et de fort rétrodiffusion, tout en décrivant l'effet de l'écrantage faible ou fort de l'interaction<br />Coulombienne entre la barre de Hall et le point quantique.

Les nanofils d'or ultrafins sont des objets fascinants présentant une morphologie quasi 1D, leur diamètre n'excédant par 2 nm pour une longueur micrométrique. Les quelques 30 atomes qui composent la section de ses fils sont principalement des atomes de surface, permettant d'envisager des applications de type capteurs. De plus, l'anisotropie de forme unique pourrait permettre un confinement électronique unidimensionnel, menant à de nouvelles propriétés physiques. Nous avons réalisé une étude fondamentale de la synthèse et réaliser une première étude de transport sur une assemblée de nanofils.La première partie du manuscrit, divisée en quatre chapitres, consiste en l'étude du mécanisme de croissance de ces nanofils ultrafins. Suite à une analyse détaillée des modèles proposés, nous introduisons la technique de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) utilisée pour nos études mécanistiques. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de la synthèse de nanofils en milieu confiné. Contrairement aux postulats précédents, un suivi cinétique in-situ par SAXS nous a permis de montrer que la phase lamellaire n'intervenait pas dans la croissance des objets, voir même qu'elle était détrimentaire à leur formation. Le dernier chapitre présente la synthèse en milieu isotrope. Un mécanisme de croissance efficace où les sphères jouent le rôle de germe est avancé. L'auto-organisation des fils en solution suivant une phase hexagonale appuie l'hypothèse d'une stabilisation des fils par une double couche d'oleylamine et de chlorure d'ammonium. Un mécanisme de croissance analogue aux mécanismes proposés pour les bâtonnets d'or dans l'eau est donc proposé.La deuxième partie du manuscrit, divisée en trois chapitres, consiste en une caractérisation des propriétés de transport électronique dans ces nanofils d'or ultrafins. Nous dressons, dans un premier temps, un bilan des différents régimes de transport observés au sein de nano-objets de basse dimensionnalité. Suite aux étapes indispensables de dépôt et de connexion, le troisième chapitre présente les premières mesures de transport effectuées sur des assemblées de nanofils d'or faiblement couplées. Nous mettons ainsi en évidence, grâce à une étude sur une large gamme de températures et de tensions de polarisation, un transport de charge coopératif dans le cadre d'un régime de blocage de Coulomb.

Ce mémoire de thèse présente trois expériences portant sur le transport quantique dans les conducteurs cohérents à l’échelle élémentaire du canal de conduction. La première étudie comment le transport d’électricité dans un canal est affecté lorsque le canal est inséré dans un circuit modélisé par une impédance linéaire. Nous avons observé empiriquement une loi d’échelle à laquelle obéit la conductance du canal et nous avons démontré expérimentalement une analogie entre ce système et les liquides de Tomonaga-Luttinger. La deuxième s’intéresse à la nature de la charge d’un îlot métallique couplé électriquement au monde extérieur par deux canaux de conduction. Dans le régime de couplage faible, il est bien connu que cette charge est quantifiée en unités de la charge de l’électron. Ici, nous avons caractérisé la transition vers le régime de couplage fort, où la quantification de la charge est détruite par les fluctuations quantiques. La troisième concerne le transport de chaleur dans les conducteurs cohérents. Grâce à un système de mesure de bruit implémenté au cours de ce travail de thèse, nous avons pu, pour la première fois, mesurer quantitativement la conductance thermique d’un unique canal de conduction électronique, que nous avons trouvée en accord avec le quantum de conductance thermique à une résolution de quelques pourcents. / This thesis presents three experiments focusing on quantum transport in coherent conductors at the elementary scale of the conduction channel. The first one studies how electrical transport in a channel is modified when the channel is embedded in a linear circuit characterized by an impedance. We observed empirically that the channel conductance obeys a scaling law and we demonstrated experimentally a mapping of this system to the so-Called Tomonaga-Luttinger liquids. The second one is interested in the charge of a metallic island electrically coupled to the outside world through two conduction channels. In the weak coupling regime, it is well-Known that the island charge is quantized in units of the electron charge. Here we characterized the crossover to the strong coupling regime where charge quantization is destroyed by quantum fluctuations. The third one is about heat transport in coherent conductors. Thanks to a noise measurement setup implemented during this thesis, we were able to measure quantitatively for the first time the thermal conductance of a single electronic channel, which we found in agreement with the thermal conductance quantum to a few % accuracy.

Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à deux aspects de l'interaction charge-rayonnement dans des jonctions tunnel. Premièrement j'ai étudié la dynamique des transferts de charge à travers une jonction tunnel normale lorsque celle-ci est couplée à un environnement dont l'impédance est comparable au quantum d'impédance (RK= h/e^2). Nous avons montré que les uctuations de courant portent des signatures de processus à un, deux et trois photons. Deuxièmement j'ai caractérisé le rayonnement émis par une jonction Josephson lorsque celle-ci est couplée à deux résonateurs de fréquences différentes, nu_1 et nu_2, et soumise à une tension 2eV = h nu_1+h nu_2. Nous avons montré que les photons sont émis pas paires, ce qui constitue un rayonnement non-classique violant l'inégalité de Cauchy-Schwarz.Nos résultats montrent que le blocage de Coulomb dynamique constitue une ressource pour la production de micro-ondes quantiques. / In this thesis work, I have focused on two aspects of the charge-light interaction for tunnel junctions. On one hand, I have investigated the influence of the coupling to electromagnetic radiation on the dynamics of charge transfer through a normal tunnel junction when the impedance of its environment gets comparable to the resistance quantum (RK=h/e^2). We showed that the current fluctuations bear signature of the processes where one, two or three photons are emitted.On the other hand, we used a Josephson junction, embedded in a circuit made of two resonators at different frequencies, nu_1 and nu_2, and biased at the voltage 2eV=h nu_1+h nu_2. We showed that the Josephson junction emits photon pairs corresponding to a non classical state of radiation which violates the Cauchy-Schwarz inequality.Our results extend the toolbox for performing quantum optics experiments in the microwave domain.

Ce mémoire de HDR est conçu comme un guide de lecture. Pour chacun de mes thèmes de recherche, j'ai cherché à décrire le cadre dans lequel se situe le travail et à en expliquer les résultats principaux. Le lecteur est invité à se réferrer aux articles pour plus de détails, notamment sur le développement des outils théoriques. Cette notice couvre la période allant d'octobre 2000 (début de mon postdoc à Cornell) à septembre 2007.

Exploiter des effets dépendants du temps pour induire et contrôler des courants à travers des conducteurs mésoscopiques et nanoscopiques est un enjeu majeur dans le domaine du transport quantique. Dans cette thèse, nous considérons deux systèmes de taille nanométrique pour lesquels un courant est induit grâce au couplage entre champs extérieurs dépendants du temps et le transport d'électrons. Nous étudions d'abord un problème de pompage quantique au sein d'un système à trois sites en configuration d'anneau, en considérant la possibilité d'induire un courant continu par modulation temporelle des paramètres de contrôle. Nous nous intéressons en particulier à la transition entre régime adiabatique et antiadiabatique en présence d'un mécanisme de dissipation modélisé par un couplage entre le système et un bain extérieur.Nous montrons que le modèle dissipatif admet une solution analytique complète valable pour la composante DC du courant à fréquence arbitraire. Ceci nous permet de bien comprendre comment le courant induit dépend de la fréquence de pompage. Nous nous concentrons ensuite sur un autre système de contrôle du courant exploitant le phénomène des oscillations tunnel à un électron (SETOs). Contrairement au cas précédent, ici la circulation d'un courant continu à travers un circuit comportant une jonction tunnel produit, pour le régime approprié, un courant quasi-périodique d'électrons. On étudie le spectre de bruit à température nulle d'une jonction tunnel dans différents environnements résistifs dans le but de déterminer les limites du régime des SETOs et de quantifier leur degré de périodicité. Nous généralisons par la suite les résultats à température finie et discutons des effets des fluctuations quantiques. / Exploiting time-dependent effects to induce and control currents through mesoscopic and nano\-scopic conductors is a major challenge in the field of quantum transport. In this dissertation we consider two nanoscale systems in which a current can be induced through intriguing mechanisms of coupling between excitations by external fields and electron transport.We first study a quantum pumping problem, analyzing the possibility to induce a DC response to an AC parametric driving through a three-site system in a ring configuration. We are interested in particular in the crossover between adiabatic and antiadiabatic driving regimes and in the presence of dissipation, which is accounted for by coupling with an external bath. We show that for a clever choice of this coupling the dissipative model admits a full analytical solution for the steady state current valid at arbitrary frequency, which allows us to fully understand the pumping-frequency dependence of the induced current. We then focus on a different current-controlling scheme exploiting the phenomenon of single-electron tunneling oscillations (SETOs). In this case, opposite to what happens for pumping, an AC effect, an almost periodic current of single electrons, arises through a tunnel junction circuit as a consequence of a DC bias. We study the zero-temperature noise spectrum of a tunnel junction in different resistive environments with the aim to determine the boundaries of the SETOs regime and quantify their quality in terms of periodicity. We then discuss the finite-temperature generalization and the possibility to account for the effects of quantum fluctuations.