Dans les supraconducteurs de type II, le champ magnétique pénètre le matériau sous forme de vortex, tourbillon de courants supraconducteurs circulant autour d'un c¿ur normal. Dans les travaux de cette thèse, nous montrons comment le confinement d'un système à une échelle comparable à la longueur de cohérence ? nanométrique modifie sensiblement ses propriétés supraconductrices.Cette étude est menée dans des nanostructures de plomb déposé in-situ sur un substrat de silicium (111), puis mesurées par spectroscopie à effet tunnel, sous UHV, à 300 mK et sous champ magnétique.En confinement extrême (taille latérale D<

Les systèmes hybrides supraconducteur-ferromagnétique présentent souvent de nouveaux phénomènes physiques, et pourraient également être utiles pour concevoir de nouvelles mémoires non-volatiles et haute densité pour les circuits supraconducteurs. Cette thèse étudie deux types différents d'hybrides SF, chacun suivant une approche possible de dispositif mémoire, en se focalisant sur les aspects fondamentaux. L'un porte sur l'effet de proximité dans des hétérostructures d'oxydes. Dans celles-ci, des corrélations triplet apparaissent, qui sont à la fois supraconductrices et polarisées en spin. Elles permettraient d'utiliser des effets de la spintronique comme la GMR, mais sont également très sensibles aux propriétés d'interface. Nous les avons étudiées dans des tricouches SFS d'oxydes, par des mesures de conductance. Celles-ci montrent des oscillations, en partie liées à ces états triplets. Nous observons également que les effets d'interface affectent les propriétés électroniques du ferromagnetique, en particulier lorsque cette couche est mince. Un autre genre d'interaction se produit par les champs de fuite provenant des structures de domaines. Des propositions théoriques récentes ont suggéré que de petites structures en tourbillon appelées skyrmion peuvent interagir avec la supraconductivité par ce mécanisme. Nous avons étudié ce couplage dans des bicouches, dans lesquelles les propriétés de transport sont dominées par la dynamique des vortex supraconducteurs. Nous avons vu une augmentation du courant critique en présence de skyrmions comme de domaines. Celles-ci créent également un effet Hall inhabituel dans l'état supraconducteur. La plupart de ces propriétés peuvent être expliquées qualitativement par la dynamique et le mouvement guidé des vortex. / Superconductor-ferromagnet hybrid systems often bring about new physics and may as well be useful to design new non-volatile, high-density memory devices for superconducting electronics.In this thesis, we study two different types of SF hybrids, each following a possible approach to memory devices, but focusing on fundamental aspects. One is about the proximity effect in oxide heterostructures. In these, triplet correlations appear, that are both superconducting and spin-polarized. These enable using effects from spintronics like GMR, but are also very dependent on interface properties. We investigated these in SFS oxide trilayers by conductance measurements. These showed oscillations which may, in part, be related to these triplet states. We also observed that interface effects affect the electronic properties of the ferromagnet, especially when that layer is thin. Another type of interaction occurs through stray magnetic fields from the domain structures. Recent theoretical proposals suggested that small swirling spin textures called skyrmions could similarly interact with superconductivity through this mechanism. We investigated such coupling in bilayers, in which the superconducting vortex dynamics dominate the transport properties. We found that the presence of skyrmions and domains alike enhances the critical current. It also leads to an unusual Hall effect in the superconducting state. Most of these properties can be explained qualitatively in terms of vortex pinning and guided motion.

L'état supraconducteur étant un condensat de paires de Cooper constitué d'électrons de moments et de spins opposés, il peut être fortement influencé par des effets de spin. Au cours de cette thèse, nous étudions l'effet d'un fort champ d'échange et d'un effet spin-orbite de type Rashba sur les propriétés supraconductrices. Dans une première partie, on étudie les effets associés à l'interaction entre supraconductivité et fort champ d'échange, se caractérisant par une transition de phase vers un état supraconducteur inhomogène découvert par Fulde, Ferrell, Larkin et Ovchinnikov (FFLO). On étudie tout particulièrement les fluctuations supraconductrices à l'approche de la transition de phase. On montre que ces fluctuations peuvent servir de révélateur à cette phase. Notamment, la capacité calorifique et la paraconductivité divergent de façon caractéristique à la transition vers un état modulé. On décrit également comment les effets paramagnétiques modifient les fluctuations de l'aimantation, annulant la réponse diamagnétique ou produisant des oscillations entre réponse para- et dia-magnétique. La seconde partie est dévolue aux jonctions supraconducteur-ferromagnétique (S/F). Dans les jonctions Josephson S/F/S, le champ d'échange donne lieu à des oscillations du courant critique en fonction de la longueur de la jonction, charactérisées par une alternance des états 0 et . On prédit une transition entre les états 0 et induite par la température, même dans la limite ballistique. Dans cette limite ballistique, on montre également que le courant de Josephson s'atténu sous la forme de lois de puissance en fonction de la longueur de la jonction, alors que le cas diffusif présente une atténuation exponentielle. On étudie ensuite la seconde harmonique de la relation courant-phase en présence d'une faible quantité d'impuretés. La dernière partie traite des effets de proximité lorsque les deux effets paramagnétique et spin-orbite sont présents dans une jonction Josephson. On montre que l'association d'une interaction Rashba et d'un champ d'échange induit un couplage direct entre les ordres magnétique et supraconducteur. En particulier, ce couplage permet de générer toute la dynamique magnétique par l'application d'une simple tension électrique. / The superconducting state being a Cooper pair condensate built on opposite spin and momentum electrons, it can be strongly influenced by any spin effect. In this thesis, we investigate the roles of strong paramagnetic and spin-orbit effects on superconducting properties. In a first part, the interplay between paramagnetic effect and bulk superconductivity is studied, leading to the modulated Fulde, Ferrell, Larkin and Ovchinnikov phase (FFLO phase). We focus on superconducting fluctuations near to the FFLO state. We show that these fluctuations can serve as a smoking gun for this phase. Noticeably, the fluctuation heat capacity and paraconductivity diverge in a characteristic way when approaching the phase transition towards a modulated state. Moreover, the fluctuation induced magnetization is predicted to be drastically quenched or to oscillate between dia- and para-magnetic responses. The second part is devoted to superconductor-ferromagnetic (S/F) junctions. In S/F/S Josephson junctions, the exchange field is responsible for the critical current oscillation, characterized by alternative 0- and -states, with respect to the junction length. We predict a temperature induced (0-) state transition, even in the ballistic case. Moreover, the ballistic case exhibits some power law decays of the Josephson current, in contrast to the exponentially decaying current in dirty limit. The moderately dirty limit is then investigated, and the second harmonic of the current-phase relation is established. The last part deals with proximity effects when both paramagnetic and spin-orbit interactions are present in a Josephson junction. We show that the association of both Rashba interaction and exchange field induces a direct coupling between magnetic and superconducting orders. Particularly, this coupling generates the complete magnetization dynamics by applying an appropriate d.c. voltage.

La supraconductivité induite par effet de proximité dans du graphène CVD macroscopique décoré de nanoparticules d'étain (G/Sn) est le thème central de cette thèse. Dans ce manuscrit, deux projets expérimentaux sont présentés. Le premier de ces projets a consisté à développer et étudier un nouveau matériau manipulable et flexible au sein duquel les corrélations supraconductrices s'étendent à des échelles macroscopiques. Ce matériau est un film composite qui résulte de l'empilement de trois ingrédients originaux: un film fin de parylène d'une épaisseur de quelques micromètres, une monocouche de graphène de plusieurs centimètres carrés et un film discontinu métallique obtenu par démouillage naturel de l'étain en surface du graphène.Des mesures de transport à basses températures ont permis de mettre en évidence l'émergence d'un effet de supraconductivité induite à l'échelle macroscopique. Le courant critique de la transition supraconductrice des films composites a pu être contrôlé par une tension de grille avec une sensibilité de cent nanoampères par volt. Le comportement sous champ magnétique transverse des films composites est similaire à celui des supraconducteurs comportant des joints de grains et est caractérisé, en particulier sous faible champ magnétique, par une forte sensibilité de la transition supraconductrice. Une étude approfondie a enfin montré que le matériau hybride G/Sn est un système percolant bidimensionnel qui se comporte, à l'approche de la transition supraconductrice, comme une jonction unique de taille micrométrique.Dans le cadre du second projet, des cavités supraconductrices radiofréquences (RF) ont été développées. Des pistes G/Sn ont été intégrées à ces circuits supraconducteurs dans l'optique de créer des résonateurs dont la fréquence de résonance est contrôlable par une tension de grille. Un procédé d'intégration de pistes G/Sn conjointement à plusieurs cavités à partir d'un seul transfert (pleine plaque) de graphène a été mis au point. Des mesures en transmission dans des conditions cryogéniques ont été effectuées pour caractériser ces dispositifs hybrides et étudier leur comportement dans le domaine RF. / Superconducting proximity effect in macroscopic CVD-grown graphene decorated by tin nanoparticles is the central topic of this thesis. In this manuscript, two experimental projects are presented.The first of these projects consisted in developing and studying a new easy to handle and flexible material in which superconducting correlations extend over macroscopic scales. This material is a composite film made from the stacking of three original components: a few micrometers thin plastic film in parylene, a several centimeters squares layer of graphene, and a cluster of nanoparticles achieved by natural dewetting of tin on the graphene surface.Cryogenic transport measurements highlighted an induced superconductivity on the scale of the studied composite films pieces dimensions, of the order of the centimetre square. The superconducting critical current of the composite films showed gate tunability of about one hundred nanoamperes by volt. The behaviour of the composite films under a transverse magnetic field is similar to the one of granular superconductors and is characterised, especially under weak transverse magnetic field, by a high sensitivity of the superconducting transition. An in-depth study showed that the G/Sn hybrid material is a bidimensional percolating system that, when approaching the superconducting transition, behaves like a single mesoscopic Josephson junction.Within the framework of the second project, superconducting radiofrequency (RF) cavities have been developed. G/Sn patches have been integrated into these superconducting circuits in order to build gate tunable resonators. A process allowing to integrate G/Sn patches jointly to a series of several cavities from a single graphene transfer have been developed. Transmission measurements in cryogenic conditions have been performed to characterise these hybrid devices and to study their radiofrequency response.

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.

Nous avons étudié le magnétisme orbital d'un anneau hybride normal-supraconducteur balistique. Nous avons obtenu le spectre d'excitation complet en fonction du flux Aharonov-Bohm traversant l'anneau pour des longueurs arbitraires de métal normal et de supraconducteur et proposé une nouvelle méthode pour évaluer les harmoniques du courant dans un système balistique sans interaction. Nous avons ainsi décrit le passage du courant permanent de période h/e au courant Josephson de période h/2e. Dans une seconde étude, nous avons calculé le courant Josephson dans une jonction supraconducteur-ferromagnétique-supraconducteur balistique en tenant compte de la compétition entre la réflexion d'Andreev et la réflexion ordinaire. Nous avons montré que le spectre est fortement modifié par des ouvertures de gaps tandis que le courant Josephson et la transition 0-\pi sont très robustes à l'introduction de réflexion ordinaire. Enfin, nous avons analysé le contenu de certaines solutions des équations d'Usadel: supraconducteur uniforme et interface NS sans barrière tunnel. La théorie de perturbation standard habillée par des cooperons permet d'interpréter ces solutions en termes de chemins diffusifs reliant des évènements de réflexion d'Andreev.

Au cours de cette thèse, nous avons étudié l'influence d'une barrière tunnel en transport cohérent. Les structures présentées dans ce manuscrit ont toutes en commun une barrière tunnel et une interface Supraconducteur/métal Normal (S/N). L'interface S/N est le siège de la réflexion d'Andreev qui régit la transformation d'un courant normal (à une particule) en un courant supraconducteur (à deux particules). Ce processus conduit à l'effet de proximité classique. Nous avons tout d'abord étudié des contacts nitrure de titane/silicium fortement dopé. La barrière Schottky présente à l'interface frustre l'effet de proximité. On a pu observer à basse température et faible tension l'augmentation de conductance caractéristique de l'effet tunnel sans réflexion ("reflectionless tunneling"). La comparaison quantitative de nos mesures avec les théories pertinentes nous a conduits à étudier les effets de chauffage dans les structures longues Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (SNS). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué en salle blanche, puis mesuré à basse température des structures verticales aluminium-cuivre-alumine-cuivre (SNIN) dans le régime diffusif. Cette fois-ci, la barrière tunnel est décalée dans le métal normal, ce qui confine les électrons près de l'interface supraconductrice et augmente l'effet de proximité. Nous avons pu observer un comportement proche de la réentrance à faible énergie. En variant l'épaisseur du métal normal présent entre l'interface supraconductrice et la barrière tunnel, nous avons constaté la transition entre un excès de conductance et l'ouverture d'un gap dans le métal normal, jusqu'à un comportement tunnel caractéristique des jonctions SIN. Ces deux études montrent qu'une barrière tunnel permet non seulement la spectroscopie des densités d'états, mais également de mettre en évidence le transport cohérent dans les structures mésoscopiques.

Les hétérostructures de taille nanométrique comprenant des matériaux supraconducteurs (S) en contact avec des matériaux métalliques (N) ou ferromagnétiques (F) présentent des propriétés surprenantes. L'effet de proximité dans les structures F/S/F se manifeste par l'effet vanne de spin. Dans les jonctions S/F/S, on voit l'apparition d'une transition de phase 0-p. Ces propriétés dépendent des paramètres internes du ferromagnétiques. Dans la première partie, nous étudions l'influence d'un décalage énergétique et d'une différence de masse effective pour expliquer l'effet de vanne de spin inverse qui se manifeste dans certaines hétérostructures F/S/F. On étudie la transition de phase 0-p dans le cas de décalage énergétique et d'anisotropie des surfaces de Fermi. La seconde partie est consacrée à l'étude de l'effet paramagnétique sur le diagramme (H,T) des bicouches S/N et S/S. On demontre qu'il se forme une phase de supraconductivité induite par champ magnétique à fort champ magnétique et faibles températures. Calculée en présence d'un phase supraconductrice inhomogène de type Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO), on s'interesse également à l'influence des impuretés sur cette nouvelle phase supraconductrice à fort champ magnétique. La troisième partie est dévolue à l'étude des multicouches supraconducteur/métal normal(N). Le but de cette partie est d'étudier l'influence du nombre de couche et de décalage d'énergie sur la température critique, la densité d'état des multicouches S/N/.../N épaisses et de l'effet Josephson dans les multicouches S/N/.../N/S.

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.

La généralisation des charges non linéaires dans l'industrie cause de nombreuses perturbations dans les réseaux électriques. Ainsi, les courants harmoniques augmentent les pertes dans les transformateurs, par le biais des effets pelliculaire et de proximité. Dès lors, ceux-ci sont assujettis à un sur échauffement. Afin d'éviter une défaillance diélectrique ainsi qu'un vieillissement prématuré, la température du point chaud ne doit pas excéder celle spécifiée par la classe. Néanmoins, pour une charge donnée il est difficile de prévoir le comportement électromagnétique et thermique d'un transformateur. L'objectif de cette thèse est donc de caractériser ce fonctionnement pour se prémunir lors de la phase de conception des nuisances ultérieures. <br /><br />Une première modélisation s'appuie sur une méthode analytique et axisymétrique permettant le calcul de la distribution des densités de courant dans les enroulements. Puis, après une homogénéisation des conducteurs, une méthode de résolution par éléments finis aboutit à l'obtention de la température en régime permanent. Enfin, la méthode est vérifiée sur un transformateur de type sec et de puissance modérée, associé à un banc expérimental innovant. <br /><br />Un second modèle propose une nouvelle approche analytique et numérique. Tout d'abord, une méthode des éléments finis 3D (MEF) permet le calcul du champ magnétique. Ce calcul non linéaire est alors associé aux équations de circuit. Puis, une MEF thermique 3D fournie la distribution de température. Finalement, le modèle couplé est appliqué à un transformateur de distribution de petite puissance et instrumenté pour vérifier le suréchauffement engendré par des courants non sinusoïdaux.