L'effet Kondo naît du couplage tunnel entre une impureté magnétique et une mer de Fermi. L'essence de cet état de fortes corrélations électroniques trouve son origine dans la nature non perturbative du couplage d'échange entre le moment local et les électrons de conduction, et qui conduit à la formation d'un état fondamental non magnétique à température nulle. Dans le régime Kondo, toutes les propriétés physiques du système (impureté+réservoir d'électrons) s'expriment en fonction d'une unique échelle d'énergie, la température Kondo TK . Ce caractère universel a été observé dans des métaux contenant une grande quantité d'impuretés magnétiques ainsi que dans des impuretés artificielles comme les boîtes quantiques. Pour être mis en évidence expérimentalement, l'élément tunnel connectant le moment local et le réservoir de Fermi doit être large et l'on réfère souvent au problème Kondo comme à un problème de couplage fort. Les boîtes quantiques latérales offrent de grandes possibilités d' étudier plus en détail l'effet Kondo. En particulier, contraindre la mer de Fermi à une région finie de l'espace et comprendre comment cela influence l'écrantage du moment local, est une question cruciale du problème Kondo. Nous présenterons des mesures de transport à travers une double boîte quantique où une boîte quantique de petite taille jouant le rôle d'impureté magnétique sera couplée à une boîte quantique de grande taille jouant le rôle de réservoir fini. Différentes expériences effectuées dans le régime de couplage fort entre boîtes nous confronterons à la nature multi-niveaux de la grande boîte quantique et montrerons l'importance de considérer l'hybridation de multiples niveaux d'énergie. De plus, nous présenterons des données où le transport à travers le système est médié par des mécanismes de types Kondo impliquant un niveau hybridé entre boîtes. A la dégénérescence de charge des boîtes quantiques, une amplification de la température Kondo résultant de la réduction de l'énergie de charge du système, permet de révéler un singulet Kondo à température finie. En analysant les différentes configurations de spin possibles, nous discuterons la compétition entre deux singulets pouvant être stabilisés dans le système, un singulet de type Kondo et un singulet entre boîtes où les effets à multiples niveaux jouent un rôle important. Nous pensons que la réduction du couplage d'échange entre boîtes due au faible écart entre niveaux d'énergie dans la grande boite quantique explique l'invariance du phénomène observé en ce qui concerne l'occupation de cette même boîte, et ceci à la température électronique de base de notre expérience.

Ce mémoire illustre les recherches que j'ai menées pendant les sept dernières années. Depuis ma thèse, mon activité a visé à explorer le transport quantiques dans différents types de nanostructures hybrides. Dans ces structures, il s'agit de combiner des conducteurs comportant différents ordres électroniques ou bien différentes dimensionalités. Une des idées principales qui ont guidé mes recherches est d'implémenter des expériences de pensée de transport quantique en utilisant de tels systèmes. Mon travail s'est décliné autour de trois thématiques distinctes : la coexistence entre l'ordre ferromagnétique et l'ordre supraconducteur, l'électronique de spin moléculaire et l'effet Kondo dans les boîtes quantiques. Le premier chapitre a pour but de mettre en exergue la richesse des nanotubes de carbone pour l'élaboration de structures hybrides. Au chapitre 2, je présente l'expérience d'injection de spin dans les nanotubes et la replace dans son contexte général. Dans le chapitre 3, je détaille les expériences de mesures de bruit que j'ai menées récemment. Les chapitres 1, 2 et 3 sont indépendants. A la fin des chapitres 2 et 3, je détaille les développements immédiats des études présentées. Je conclue enfin en indiquant les perspectives de mon travail, essentiellement reliées à la mesure directe des aspect dynamiques de nano-circuits hybrides.

Cette thèse décrit trois expériences portant sur les propriétés du transport électronique à l'échelle mésoscopique. La première a permis de mesurer le taux d'échange d'énergie entre électrons dans un métal contenant une très faible concentration d'impuretés magnétiques. Nous avons validé la description quantitative du rôle des impuretés magnétiques dans le régime Kondo sur ces échanges énergétiques et aussi montré que le taux global d'échange est plus fort que prévu. La seconde expérience est une mesure de la relation courant-phase dans un système constitué de deux supraconducteurs couplés par un seul atome. Elle nous a permis de conforter quantitativement la récente description de l'effet Josephson mésoscopique. La dernière expérience est une mesure de l'asymétrie des fluctuations du courant dans un conducteur mésoscopique en utilisant une Jonction Josephson comme détecteur de seuil.

Cette thèse est consacrée au transport quantique à travers une impureté Kondo, formée dans une boîte quantique réalisée dans un nanotube de carbone. L’effet Kondo est ainsi sondé à travers deux situations : en compétition avec l’effet Josephson induit dans le nanotube par des contacts supraconducteurs et à travers son émission haute fréquence. Dans une première série d’expériences, nous avons introduit un nanotube dans un SQUID, afin de mesurer la relation entre son supercourant et la différence de phase supraconductrice à ses bornes. Nous avons mesuré cette relation lorsque les corrélations Kondo et supraconductrices sont du même ordre de grandeur et montré que l’état du système, singulet ou doublet (correspondant respectivement à une jonction 0 ou π) peut alors être contrôlé par la phase supraconductrice. Nous avons également montré que, si un deuxième niveau d’énergie participe au transport des paires de Cooper, la transition 0-π n’est plus une transition du premier ordre comme c’est le cas quand un seul niveau est impliqué. Dans la deuxième partie de la thèse, le nanotube de carbone est couplé, aux fréquences déterminées par un résonateur, à une jonction tunnel supraconductrice servant de détecteur on-chip de bruit haute fréquence. Ceci nous a permis de mesurer le bruit en émission de la boîte quantique dans le régime Kondo avec des couplages aux réservoirs plus ou moins symétriques. Nos mesures posent le problème de l’asymétrie spatiale du bruit mesuré et semblent montrer que, plus le couplage aux réservoirs est symétrique, plus la résonance Kondo est affaiblie dans une situation hors équilibre. Enfin, ce dispositif a été utilisé afin de mesurer l’émission Josephson AC d’un nanotube avec des électrodes supraconductrices, afin de voir ce que devient la compétition entre l’effet Kondo et la supraconductivité à haute fréquence. Ces mesures révèlent une diminution de l’émission Josephson alors que l’on a un maximum de supercourant. / This thesis is dedicated to quantum transport through a Kondo impurity, formed in a carbon nanotube quantum dot. We probe the Kondo effect in two situations: in competition with the Josephson effect induced in the nanotube by superconducting contacts and through its high frequency emission. In a first experiment, we have introduced a nanotube in a SQUID in order to measure its supercurrent as a function of the superconducting phase across it. We have measured this quantity in the regime where the Kondo and superconducting correlations are of the same order of magnitude and shown that the ground state of the system, singlet or doublet (corresponding respectively to 0 and π junctions), is then controlled by the superconducting phase. We have also demonstrated that, if a second energy level participates in the transport of Cooper pairs, the 0-π transition is not anymore a first order one as it is the case when only one level is involved. In the second part of the thesis, the carbon nanotube is coupled, at some frequencies determined by a resonator, to a tunnel superconducting junction which is used as an on-chip high-frequency noise detector. This enables the measurement of the emission noise of the quantum dot in the Kondo regime, with reservoirs coupled either symmetrically or not to the dot. Our measurements raise the problem of the spatial asymmetry of the measured noise and seem to show that, the more symmetric is the coupling of the reservoirs to the dot, the more the Kondo resonance is weaken in an out-of-equilibrium situation. Finally, this setup has been used in order to measure the AC Josephson emission of a nanotube contacted with superconducting electrodes, in order to extend our investigation of the competition between the Kondo effect and superconductivity at high frequency. These measurements reveal a decrease of the Josephson emission observed together with a maximum of supercurrent.

Cette thèse explore plusieurs sujets fondamentaux pour les circuits mésoscopiques qui incorporent un faible nombre de canaux de conduction électroniques. Les premières expériences concernent le caractère quantifié (discret) de la charge dans les circuits. Nous démontrons le critère de quantification de la charge, nous observons la loi d’échelle prédite pour cette quantification ainsi qu’une transition vers comportement universel à mesure que la température augmente. Le second ensemble d’expériences concerne la physique critique quantique non-conventionnelle qui émerge du modèle Kondo à multi-canaux. Par l’implémentation d’une impureté Kondo avec un pseudo-spin de valeur ½ constitué de deux états de charge dégénérés d’un circuit, nous explorons la physique Kondo à deux- et trois-canaux. Au point critique quantique symétrique, nous observons les points fixes Kondo universels prédits, des exposants universels de lois d’échelle et nous validons les courbes complètes obtenues par le groupe de renormalisation numérique. En s’écartant du point critique quantique, nous explorons la transition depuis la zone critique quantique : par une visualisation directe du development d’une transition de phase quantique, par l’espace des paramètres de la zone critique quantique ainsi que par les comportements d’universalité et d’échelle. / This thesis explores several fundamental topics in mesoscopic circuitry that incorporates few electronic conduction channels. The first experiments address the quantized character (the discreteness) of charge in circuits. We demonstrate the charge quantization criterion, observe the predicted charge quantization scaling and demonstrate a crossover toward a universal behavior as temperature is increased. The second set of experiments addresses the unconventional quantum critical physics that arises in the multichannel Kondo model. By implementing a Kondo impurity with a pseudo-spin of ½ constituted by two degenerate charge states of a circuit, we explore the two- and three-channel Kondo physics. At the symmetric quantum critical point, we observe the predicted universal Kondo fixed points, scaling exponents and validate the full numerical renormalization group scaling curves. Away from the quantum critical point, we explore the crossover from quantum criticality: direct visualization of the development of a quantum phase transition, the parameter space for quantum criticality, as well as universality and scaling behaviors.

Dans mon mémoire de Thèse sont regroupés des résultats expérimentaux, centrés autour de la thématique de la cohérence quantique des électrons à très basse température, obtenus à partir de mesures très précises des corrections quantiques au transport classique dans les nanostructures métalliques. Nous avons tout d'abord étudié les effets de cohérence dans des réseaux de fils métalliques. Nous avons montré l'influence de la dimension du régime de diffusion sur la cohérence. En passant d'un conducteur macroscopique à un conducteur mésoscopique, on a observé un “crossover” dimensionnel pour l'amplitude des diverses corrections quantiques quand la longueur de cohérence de phase excède la taille typique du système, ce qui nous a permis de préciser exactement ce qu'est la moyenne d'ensemble en Physique Mésoscopique. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous avons présenté des mesures du temps de cohérence de phase dans des fils métalliques contenant des impuretés magnétiques. Ces échantillons ont été fabriqués d'une fa¸con originale et contrôlée en utilisant une technologie nouvelle grâce à l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé. Nous avons mesuré un comportement universel sur 2 decades en temperature du déphasage par impuretés implantées, ceci étant la preuve que cette décohérence supplémentaire s'inscrit dans la Physique de l'effet Kondo. Nous avons montré que le taux de déphasage mesuré est en très bon accord avec de récents calculs du Groupe de Renormalisation Numérique. Plus particulièrement, nous avons montré de façon non équivoque que l'écrantage en dessous de TK induit une désaturation du temps de cohérence de phase linéaire en température jusqu'à 0, 1 TK.

Cette thèse est consacrée à l’étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d’émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d’émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d’états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude. / This thesis discusses two experiments of mesoscopic physics regarding the high frequency quantum noise and the superconducting proximity effect. We nevertheless focused on a single model system: the carbon nanotube. The first experiment aims to measure the high frequency quantum noise of the tube. In order to measure those fluctuations we have designed an original on-chip detection scheme in which the noise source and the detector, a Superconductor/Insulator/Superconductor junction, were coupled through a resonant circuit. This first allowed us to measure the equilibrium noise of the resonator. It exhibits a strong asymmetry between emission and absorption related to zero point fluctuations. We have then measured the out-of-equilibrium emission noise of quasiparticles tunneling of a Josephson junction. It exhibits a strong frequency dependence in agreement with theoretical predictions and allowed us to validate the detection scheme. Finally, the out-of-equilibrium emission noise associated to the Kondo effect (characteristic energy kBTK with TK the Kondo temperature) in a carbon nanotube quantum dot was measured. We find a strong singularity at voltage V=hν/e (ν is the measurement frequency) for frequency ν~kBTK/h. This singularity is related to resonances in the density of states of the dot pinned at the Fermi energy of the leads. At higher frequency hν~3kBTK the singularity vanishes and understood in terms of decoherence effects induced by the bias voltage. In the second experiment, we have developed a technique allowing to measure in the same experiment the current-phase relation and the current-voltage characteristic of a weak link separating two superconductors. We have characterized a carbon nanotube based junction through which a gate tunable current-phase relation was observed. Jointly to a high critical current amplitude, an anharmonic current-phase relation was measured.

L’étude présentée dans ce manuscrit s’inscrit dans le domaine du magnétisme de surface, qui a connu de grands développements ces dernières années grâce au microscope à effet tunnel (STM). Elle a pour but de montrer qu’une molécule simple, le nickelocène [Ni(C5H5)2], peut être attachée au sommet d’une pointe STM afin de produire une pointe-sonde magnétique, qui, dans le cadre de l’imagerie magnétique, présente des avantages indéniables comparés à des pointes conventionnelles. À la différence d’autres systèmes moléculaires étudiés avec le STM, nous montrons que les propriétés magnétiques du nickelocène en phase gazeuse sont préservées en présence d’un métal, même lorsque la molécule est attachée au sommet d’une pointe STM. Nous présentons trois résultats marquants avec cette pointe-sonde moléculaire: 1) Nous montrons que l’on peut contrôler le spin du nickelocène, activant à souhait un effet Kondo ; 2) Nous produisons à l’aide du courant tunnel des excitations entre les états de spin du nickelocène, que nous pouvons aisément identifier au travers de la conductance moléculaire. Ces états sont sensibles à toute perturbation magnétique extérieure au nickelocène; 3) Au travers de ces excitations, nous sondons alors le magnétisme de surface. Nous montrons qu’en couplant magnétiquement la pointe-sonde moléculaire avec des atomes, soit isolés soit dans une surface ferromagnétique, nous pouvons mesurer leur polarisation de spin, ainsi que le couplage d’échange nickelocène-atome. Ce dernier permet d’obtenir un contraste magnétique en imagerie STM à l’échelle atomique. / The study presented in this manuscript is part of the field of surface magnetism, which has undergone major developments in recent years thanks to the scanning tunneling microscope (STM). It aims to show that a single molecule, nickelocene [Ni(C5H5)2], can be attached to the tip of a STM to produce a magnetic probe-tip, which, in the context of magnetic imaging, has undeniable advantages compared to conventional tips. Unlike other molecular systems studied with STM, we show that the magnetic properties of nickelocene in the gas phase are preserved in the presence of a metal, even when the molecule is attached to the tip of a STM. We present three remarkable results with this molecular probe-tip: 1) We show that we can control the spin of nickelocene, activating at will a Kondo effect; 2) We monitor the spin states of nickelocene by producing electrically-driven excitations, which we can easily identify through the molecular conductance. These states are sensitive to the magnetic environment surrounding nickelocene; 3) We use these states to probe surface magnetism. We show that by magnetically coupling the molecular probe tip with single atoms, either isolated or in a ferromagnetic surface, we can measure their spin polarization, as well as the nickelocene-atom exchange coupling. By monitoring this coupling it is possible to obtain a magnetic contrast in the STM images with atomic-scale resolution.

Ce mémoire présente un résumé de mon travail de chercheur en théorie de la matière condensée. Je présente tout d'abord mon travail de doctorat sur un modèle du supraconducteur à haute température critique Y Ba2Cu3O7. Je décris aussi les calculs de la profondeur de pénétration du champ magnétique, motivés par des expériences, dans le cadre de la théorie de couplage fort électron-phonon d'Eliashberg. La deuxième partie est consacrée aux travaux effectués lors de mon séjour postdoctoral sur la durée de vie d'une quasiparticule dans une boîte quantique. Puis j'aborde le sujet des atomes ultra-froids : modes collectifs et transition BEC-BCS. A cette occasion sont entre autres présentés mes travaux sur les problèmes à trois et quatre corps en mécanique quantique, ainsi que l'équation d'état d'un condensat de bosons composites. Je passe ensuite à mes travaux sur les excitons et le calcul de bruit de courant à travers un point quantique. Enfin, je présente mes projets de recherche.

Les propriétés physiques des intermétalliques CeTX (T = élément de transition, X = élément np1 ou np2) dépendent de la force de l'hybridation Jcf entre les électrons 4f du cérium et ceux de la bande de conduction. L'insertion d'hydrogène dans ces composés modifie à la fois le volume molaire et la densité d'états au niveau de Fermi, et donc Jcf. Au cours de ce travail, la modification par hydruration des propriétés structurales, magnétiques et électriques des familles suivantes a été étudiée: (i) CeNiX (X = Al, Ga, In, Si, Ge, Sn) qui présentent un caractère de valence intermédiaire du cérium; (ii) CeCuX (X = Ga, Si, Ge, Sn) qui présentent un état trivalent du cérium et l'apparition d'un ordre magnétique à basse température; (iii) CeMnX (X = Si, Ge) qui présentent un ordre magnétique du cérium et du manganèse. Les résultats sont discutés en faisant le parallèle entre les propriétés structurales (sites d'insertion de l'hydrogène) et les propriétés physiques.