L’élaboration d’expérience permettant de sonder la symétrie du gap supraconducteur à l’aide d’une mesure de la phase de ce gap supraconducteur est l’une des techniques les plus directes pour observer la symétrie ”d” des cuprates dopés au trous. Malheureusement, il existe très peu d’expériences de ce type qui ont été réussies pour sonder la symétrie du gap supraconducteur dans les cuprates dopés aux électrons. Effectivement, les expériences sondant la phase du gap supraconducteur demandent d’utiliser généralement des jonctions Josephson entre un cuprate et un supraconducteur conventionnel (Exemple : SQUID et jonctions Josephson en coin). Cependant, il est extrêmement difficile d’obtenir de telles jonctions Josephson avec les cuprates dopés aux électrons, car la croissance de ce matériau est extrêmement difficile et les propriétés physiques de ceux-ci sont très sensibles aux différentes étapes de fabrication que l’on doit effectuer pour obtenir une jonction Josephson. Cependant, de récents travaux effectués par notre groupe sur la purification des phases dans les couches minces de Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4], un cuprate dopé aux électrons, ainsi que sur la production de jonctions Josephson de qualité entre deux électrodes supraconductrices de Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] ont revigoré l’intérêt de fabriquer une jonction Josephson de qualité entre Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] et un supraconducteur conventionnel. Dans ce mémoire, on propose une méthode de fabrication de jonctions Josephson en rampe entre un cuprate dopé aux électrons (Pr[indice inférieur 1.85]Ce[indice inférieur 0.15]CuO[indice inférieur 4]) et un supraconducteur conventionnel (PbIn). Cette méthode de fabrication nous a permis de fabriquer des jonctions Josephson possédant une densité de courant critique de 44 A/cm[indice supérieur 2] et un produit I[indice inférieur c]R[indice inférieur n] valant 40 μV . On retrouve aussi, tel qu’attendu par la théorie, les oscillations du courant critique de ces jonctions en fonction du champ magnétique appliqué perpendiculairement sur celles-ci. Ces caractéristiques nous permettent de conclure que nous avons réussi à produire les meilleures jonctions Josephson de ce type (Re[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] / Au /supraconducteur métallique) répertoriées dans la littérature. Ainsi, d’après ces résultats il est maintenant possible de tenter l’expérience sondant la symétrie du gap supraconducteur dans le Pr[indice inférieur 1.85]Ce[indice inférieur 0.15]CuO[indice inférieur 4] à l’aide d’une jonction Josephson en coin.

Cette thèse décrit la fabrication de systèmes hybrides basés sur le semi-conducteur InAs et leur étude par spectroscopie STM et la mesure de jonctions Josephson. Dans une première expérience, je montre que des nanocristaux (NC) de plomb (Pb) supraconducteurs de haute qualité peuvent être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Lorsque la taille latérale des NC est inférieure à la longueur d'onde de Fermi du gaz d'électrons bidimensionnel accumulé à la surface de InAs, les NC ne sont que faiblement couplés à ce gaz électronique et se retrouvent donc dans le régime de blocage de Coulomb. Ce phénomène a permis la première étude de l'effet de parité supraconducteur par spectroscopie STM, que nous avons utilisée pour vérifier la validité de la limite d'Anderson. Dans une seconde expérience, je montre que des NC de Bismuth (Bi) de haute qualité peuvent également être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Contrairement aux NC de Pb, une couche de mouillage de Bi sépare les NC de la surface InAs, conduisant à un fort couplage entre les NC de Bi et le substrat. A partir de la spectroscopie STM, nous avons identifié des états de bord sur le plan (111) des NC avec une symétrie C3. En supposant que le bismuth est un isolant topologique de second ordre comme suggéré théoriquement, les états de bords observés peuvent être interprétés naturellement comme les états de charnière prédits dans cette dernière théorie de bande topologique. / This thesis describes the fabrication of hybrid systems based on the narrow-gap semiconductor InAs and their study through STM spectroscopy and measure of the Josephson characteristics. In the first experiment, I show that high quality superconducting Lead (Pb) nanocrystals can be grown on the (110) surface of InAs. When the lateral size of the Pb nanocrystals is smaller than the Fermi wavelength of the two-dimensional electron gas accumulated at the surface of InAs, the nanocrystals are only weakly coupled to this electron gas and, consequently, are found in the regime of Coulomb blockade. This phenomenon enabled the first study of the superconducting parity effect through STM spectroscopy, which we employed to check the validity of the Anderson limit. In the second experiment, I show that high quality Bismuth (Bi) nanocrystals can also be grown on the (110) surface of InAs. In contrast to Pb nanocrystals, a wetting layer of Bi separates the nanocrystals from the InAs surface, leading to a strong coupling between the Bi nanocrystals and the substrate. From STM spectroscopy, we have identified edge-states on the (111) plane of the nanocrystals with C3 symmetry. Assuming that Bismuth is a 2nd order topological insulator as suggested theoretically, the observed edge-states can be interpreted naturally as the hinge-states predicted in this last topological band-theory. Finally, I will present the methods that I developed for the fabrication of hybrid Josephson junctions on bulk InAs and InAs/GaSb heterostructures, together with preliminary measurements of Josephson characteristics.

Dans cette thèse intitulé "Dynamique quantique de la phase et de la charge dans des chaînes des jonctionsJosephson", une étude expérimentale et une description théorique des effets quantiques des phases et descharges dans les chaînes de jonctions Josephson est présenté.La dynamique des chaînes de jonctions est dominé par deux échelles d'energie: l'energie Josephsonrelié a la superposition des fonctions d'ondes de deux électrodes et l'energie de charge relié a l'énergieélectrostatique des charges sur les deux électrodes. La réalisation d'un état quasi-classique de la chargenécessite une énergie de charge importante pour diminuer lesfluctuation quantique de la charge. En plus,le temps de relaxations de la jonctions dois être augmenté par un environnement a haute impédance.Un état de charges localisé a été réalisé sur une jonctions Josephson dans un environnement inductiveréalisé par une chaîne de jonction Josephson. L'état de charge localisé se manifeste par l'apparition d'undomaine a haute résistances dans les caractéristques courant-tension.Une chaînes des jonctions n'est pas une inductances parfaite. Des résonances electro-magnétique lié a lacapacité vers la masse des îlots supra-conducteurs altèrent la localisation de charge.Une characterisation des effets de pertes et des non-lineartés de ces résonances a été effectué. / In this thesis entitled ' Quantum phase and charge dynamics in Josephson junction chains ' an experimental study and theoretical description of quantum effects of phases and charges in chains of Josephsonjunctions is presented.The dynamics of Josephson junction chains are dominated by two different energy scales: the Josephsonenergy, which is related to the overlap of the superconducting wave functions of the two superconductorsforming the junction and the charging energy that is related to the electrostatic energy of the Cooper-pairs on the islands. The realization of a well-defined charge state on a Josephson junction requires a highcharging energy to suppress the quantumfluctuations of the charge. In addition, the charge relaxationtimes must be increased by inserting the junction in a high impedance environment.We have realized such a well-defined charge state on a Josephson junction in an inductive environmentthat is formed by a Josephson junction chain. The localized charge state manifest itself by the appearanceof a high resistive regime in the current-voltage characteristic.A Josephson junction chain is however not a perfect inductor. Electromagnetic resonances related withthe finite ground capacitance of the superconducting islands influence the charge localization.We have characterized the effect of losses and nonlinearities on the electromagnetic resonances of Josephson junction chains in microwave spectroscopy measurements.

Par leur fréquence d'horloge pouvant atteindre plusieurs dizaines de GHz et leur très faible dissipation, les circuits numériques supraconducteurs, fondés sur la logique à quantum de flux (RSFQ: Rapid Single-Flux Quantum), sont envisagés pour diverses applications spécifiques du fait de leurs performances exceptionnelles, très au delà de celles des filières électroniques classiques. Ces circuits RSFQ traitent l'information numérique sous forme d'impulsions de tension picoseconde avec une aire quantifiée de 2,07mV.ps, correspondant à un quantum de flux h/2e. L'électronique numérique supraconductrice ouvre ainsi la voie de l'électronique ultra-rapide en associant une large bande passante à une très faible dissipation.<br /><br />L'objectif de ce travail est d'étudier les interfaces optoélectroniques permettant de détecter et échantillonner les impulsions quantifiées résultant de la commutation des jonctions Josephson shuntées qui composent les circuits RSFQ. Nous avons développé une approche théorique et expérimentale de la sensibilité des photocommutateurs destinés à la détection d'impulsions RSFQ. Nous avons utilisé des photocommutateurs MSM (Métal-Semiconducteur-Métal) rapides de structure planaire à base d'Arséniure de Gallium épitaxié à basse température (AsGa-BT). Les caractéristiques physiques du matériau semi-conducteur telles que la résistance d'obscurité, la mobilité des porteurs libres et la durée de vie sont les paramètres clé pour obtenir des impulsions ultracourtes. La bonne résolution temporelle est donc assurée par les propriétés physiques du matériau. Un modèle basé sur un circuit hyperfréquence équivalent, a permis de prédire le comportement hyperfréquence du photocommutateur, éclairé ou non éclairé, lors du passage d'une impulsion RSFQ. De plus, ce modèle permet d'étudier l'influence des paramètres géométriques du photocommutateur sur la sensibilité de ce dernier. Nous avons déduit que le photocommutateur à gap à base d'AsGa-BT est bien adapté pour la détection des signaux subpicosecondes de faible amplitude.

En Electrodynamique Quantique en Cavité (" Cavity QED "), l'interaction entre la transition atomique et le champ de la cavité est quantifiée par la fréquence de Rabi du vide. L'expression analogue " circuit QED " a été introduite pour certains circuits supraconducteurs contenant des Jonctions Josephson, parce qu'ils pouvaient se comporter comme des atomes artificiels couplés au mode bosonique du résonateur. Dans le régime où la fréquence de Rabi du vide est comparable à la fréquence de transition du système à deux niveaux, des transitions de phases quantiques superradiantes ont été prédites pour le fondamental du système, par exemple dans le cadre du modèle de Dicke. Des réalisations possibles du modèle de Dicke par des systèmes de circuit QED sont étudiées ici théoriquement dans les cas de couplage capacitif ou inductif. Prédictions et contraintes sont analysées pour l'obtention d'une transition de phase quantique, avec un vide deux fois dégénéré au-dessus d'un point critique quantique. La robustesse et la protection de la dégénérescence du vide dans le régime de couplage ultrafort sont étudiées, et conduisent à de possibles applications en Information Quantique avec des réseaux de plusieurs résonateurs. Finalement, un modèle de Dicke généralisé avec une phase doublement superradiante et un vide quatre fois dégénéré est proposé.

Nous avons mesuré la durée de vie de l'etat supraconducteur d'une jonction Josephson<br />polarisée en courant et shuntée par un circuit microonde se comportant comme une ligne à echos electromagnetiques. En faisant varier in situ la longueur de cette ligne, nous pouvons ajuster le temps d'aller-retour de ces echos. A basse température (T=20mK), la jonction transite hors de l'état supraconducteur par effet tunnel quantique macroscopique. Nous montrons que cet effet tunnel est fortement attenué si le temps d'aller-retour des<br />échos est inférieur à un nouveau temps caractéristique de l'effet tunnel, différent du temps de vie. Nous interprétons ce nouveau temps caracteristique comme le temps moyen passé par la particule sous la barrière de potentiel lors de sa sortie du puits. A plus haute<br />température (T=1K), la jonction transite hors de l'état supraconducteur par activation thermique. Dans ce regime, le taux de sortie varie de façon oscillatoire en fonction de la longueur de la ligne. Nous interprétons ce phenomène comme la manifestation des oscillations<br />effectuées par la différence de phase de la jonction dans l'état supraconducteur juste avant la transition vers l'état dissipatif, ces oscillations etant entretenues par les fluctuations thermiques.

La première partie de cette thèse décrit l'élaboration et la caractérisation de couches minces supraconductrices de composition YBa2Cu3O7-d. Leurs propriétés de transport ont été analysées dans le cadre de la théorie B.C.S. La deuxième partie est relative à la mise en évidence et à l'étude des propriétés structurales de nouvelles perovskites de composition Ln2CuTiO6-d (Ln=terre rare) et AxLn2-xCu1+yTi1-yO6-d (A=alcalinoterreux). Un modèle de distribution cationique reposant sur des études de diffraction X et de microscopie électronique est proposé.

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Cette thèse porte sur la dynamique quantique dans un dcSQUID inductif. Ce dispositif est une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson. Sa dynamique est analogue à celle d'une particule massive évoluant dans un potentiel bidimensionnel. Dans la limite quantique, le dcSQUID se comporte comme un atome artificiel à deux degrés de liberté, contrôlé par le courant et le flux de polarisation. Dans la limite où l'inductance de la boucle est petite devant celle des jonctions, celles-ci sont fortement couplées. La dynamique du circuit est alors celle d'un oscillateur anharmonique quantique unidimensionnel. Dans la limite des deux premiers niveaux d'énergie, ce circuit est un qubit de phase. Jusqu'alors la décohérence dans ce circuit était dominée par le bruit en courant. Nous montrons, par des mesures de spectroscopie et d'oscillations cohérentes, que l'effet du bruit en courant s'annule à courant de polarisation nul, permettant une augmentation des temps de cohérence. Dans la limite où l'inductance de la boucle est grande devant celle des jonctions, la dynamique devient bidimensionnelle. Le circuit exhibe alors un spectre d'énergie riche qui peut être décrit comme celui de deux oscillateurs anharmoniques couplés, correspondant aux modes d'oscillations symétrique et antisymétrique des phases des deux jonctions. Nous mettons en évidence ce spectre par des mesures de spectroscopie et nous démontrons la manipulation cohérente des états quantiques de chaque mode. En particulier nous mettons en évidence un couplage non-linéaire entre les deux modes, dans une limite de couplage fort. Ce couplage nous permet alors d'observer des oscillations cohérentes entre les deux modes internes de cet atome artificiel. De plus, dans ce manuscrit, nous présentons une technique innovante de fabrication de jonctions métalliques par évaporations sous angles qui n'a pas recours à un pont de résine suspendu. Finalement nous proposons un modèle simple basé sur les effets de chauffage qui explique pour la première fois une anomalie récurrente observée dans les caractéristiques courant-tension des dcSQUID.

Nous utilisons un microscope combinant microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) à très basse température (~100 mK) afin d'étudier des nanocircuits mésoscopiques. Pour effectuer l'AFM dans ces conditions, nous utilisons un diapason en quartz recouvert de deux électrodes sur l'une desquelles est collée la pointe. Lorsque le diapason vibre on peut alors localiser en AFM un échantillon conducteur sur un substrat isolant, puis stopper les vibration pour réaliser des spectroscopies tunnel le long de la partie conductrice. Nous utilisons des pointes de platine-iridium ce qui nous permet de mesurer la densité d'états électronique locale. Nous nous sommes intéressés aux jonctions Josephson hybrides composées d'un îlot d'environ 1 µm de métal normal (cuivre) séparant deux supraconducteurs (aluminium). Ces échantillons sont réalisées par lithographie électronique et évaporation sous angle.Les courbes courant-tension de ces jonctions deviennent hystérétiques à très basse température ce qui est vraisemblablement dû à la dissipation thermique dans la partie normale. Nous avons pu localiser de manière fiable des échantillons uniques et effectuer simultanément des mesures en transport et des spectroscopies locales. Nous avons vu que la densité d'états du supraconducteur varie continuement à proximité du métal normal. Nous avons également observé un chauffage du supraconducteur avec le courant traversant la jonction. La mesure de la densité d'états du supraconducteur permet alors d'estimer la température électronique dans l'échantillon. La comparaison avec notre modèle thermique montre que l'énergie thermique produite dans le métal normal semble être évacuée mieux que prévu. / We use a microscope combining atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM) at very low temperature (~100 mK) to study mesoscopic nanocircuits. To perform AFM measurements, we use quartz tuning forks covered with metallic electrodes on which we glue the tip. By using the tuning fork as a dynamic force sensor, we can localize the sample. Then, switching off the oscillation, we can perform local spectroscopies along the conductive part. We use platinum-iridium coated tips to measure the local density of states. This work is focused on hybrid Josephson junctions composed of a normal metal (copper) island of approximately 1 µm separating two superconductors (aluminium). These samples are made by electronic lithography and shadow evaporation.The current-voltage characteristics of these junctions become hysteretic at very low temperature because of thermal dissipation in the normal part. We achieved the localization of a unique sample and performed simultaneously transport measurements and local spectroscopies. We observed that the density of states of the superconductor varies continuously close to the normal metal. We also observed heating in the superconductor when the junction is current biased. The measure of the density of states of the superconductors gives an estimation of the electronic temperature in the sample. The comparison with our thermal model shows that the energy produced in the normal metal seems to be evacuated better than expected.