Il existe des projets d'ordinateurs quantiques pour résoudre certains problèmes difficiles, comme la factorisation des grands nombres, beaucoup plus rapidement qu'avec un ordinateur classique. L'unité de base de l'ordinateur quantique est un système quantique à deux niveaux nommé bit quantique, qui doit satisfaire des critères très stricts. Parmi les nombreux systèmes proposés pour réaliser un bit quantique, les circuits électroniques sont des candidats intéressants en raison de leur grande intégrabilité. L'objet ce cette thèse est de réaliser un bit quantique à partir d'un circuit supraconducteur à base de jonctions Josephson nommé ``boîte à paires de Cooper''. L'état de cette boîte peut être déterminé soit par une mesure de courant, soit par une mesure de charge. Dans cette thèse sont étudiées trois différentes stratégies pour réaliser le bit quantique, qui diffèrent par le mode de lecture de l'état de la boîte. Pour chaque stratégie, le temps de vie d'une superposition cohérente d'états de la boîte est évaluée théoriquement et l'appareil de mesure associé est testé expérimentalement. Cette étude permet de déterminer la stratégie la plus prometteuse qui est finalement implémentée dans ce travail de thèse sous le nom de ``quantronium''. L'état du quantronium a été manipulé à l'aide d'impulsions radiofréquence, et le temps de vie d'une superposition quantique d'états de ce circuit a été déterminée. Ce temps est suffisamment long pour envisager la construction de portes logiques élémentaires.

Nous avons étudié la dynamique des sauts quantiques de phase (quantum phase-slips) dans différents types de chaînes de jonctions Josephson. Les sauts de phase sont contrôlés par le rapport entre l'énergie Josephson et l'énergie de charge de chaque jonction. Nous avons mesuré l'effet des sauts de phase sur l'état fondamental de la chaîne et nous avons observé l'interférence quantique de sauts de phase (effet Aharonov-Casher). Les résultats de nos mesures sont en très bon accord avec les prédictions théoriques. Nous avons montré qu'une chaîne de jonctions Josephson polarisée en phase, présente un comportement collectif, similaire à un objet macroscopique. Les résultats de cette thèse ouvrent la voie pour la conception de nouveaux circuits Josephson, comme par exemple un qubit topologiquement protégé ou un dispositif quantique pour la conversion courant-fréquence.

Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).

La jonction Josephson (JJ) est le composé de base de nombreux circuits électroniques supraconducteurs (SQUID, détecteurs d’ondes millimétriques, logique RSFQ). Avec la découverte des supraconducteurs HTc (à haute température critique), d’intenses recherches ont été entreprises pour réaliser des JJ fonctionnant à la température de l’azote liquide (77 K) permettant l’utilisation d’une cryogénie compacte. Toutefois, la complexité de ces matériaux a longtemps rendu difficile le développement d’une technologie viable et simple à mettre en œuvre. Parmi les méthodes de fabrication de jonctions, celle utilisant l’irradiation par faisceau d’ions a atteint un niveau de maturité suffisamment important pour pouvoir envisager la production de circuits comportant plusieurs milliers de JJ à HTc.Le but de ma thèse repose sur la fabrication, la caractérisation et l’étude des propriétés électromagnétiques de réseaux de jonctions Josephson réalisés dans des films minces d’YBa2Cu3O7-d. par la méthode d’irradiation ionique. / The Josephson junction (JJ) is the basis of many compound superconducting electronic circuits (SQUID detectors millimeter wave RSFQ logic). With the discovery of HTS superconductors (high critical temperature), intensive research has been undertaken to make JJ operating at the temperature of liquid nitrogen (77 K) allowing the use of a compact cryogenics. However, the complexity of these materials has long hampered the development of a viable technology and simple to implement. Among the junctions manufacturing methods, one using the ion beam irradiation has reached a sufficiently high degree of maturity to be able to envisage the production of circuits having thousands of JJ to HTS.The aim of my thesis is based on the fabrication, characterization and study of the electromagnetic properties of Josephson arrays achieved in thin films of YBa2Cu3O7-d. by the ion irradiation method.

Nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions Josephson à haute température critique réalisées par implantation ionique. Ces jonctions ont été caractérisées électriquement et modélisées par une simulation des équations quasi-classiques d'Usadel. Après développement d'un circuit de couplage dans les gammes 4-8 GHz et dans la gamme des quelques centaines de GHz, des mesures de mélange micro-onde ont été réalisées. Les résultats ont fait apparaître un terme non-linéaire d'amplitude importante absent des équations du modèle RSJ (« resistively-shunted junctions »). Une théorique basée sur la non-linéarité de la résistance normale des jonctions fabriquées par irradiation a été formulée et comparée avec les expériences. Elle permet d'ouvrir des perspectives intéressantes concernant les applications de détection micro-onde de ce type de jonctions Josephson.

Ce travail de thèse est principalement axé sur le développement d’une nouvelle méthode de manipulation de vortex d’Abrikosov individuels dans les supraconducteurs de type II. Cette méthode, rapide, efficace et précise, est basée sur l’optique en champ lointain et repose sur l’échauffement local du supraconducteur sous l’action d’un faisceau laser focalisé. Elle apporte une excellente alternative aux techniques existantes de manipulation de vortex, toutes basées sur l’utilisation de sondes locales, et donc intrinsèquement lentes et difficiles à mettre en oeuvre dans un environnement cryogénique. La combinaison de cette méthode à une technique d’imagerie magnéto-optique performante permet de déplacer des vortex individuels avec un taux de réussite de 100% et sur de grandes échelles limitées uniquement par le champ de l’objectif de microscope. Les vitesses de manipulation atteintes sont élevées, de l’ordre de 10 mm.s-1, mais encore limitées par l’instrumentation utilisée et loin des limites fondamentales offertes par cette méthode, estimées au km.s-1. La méthode de manipulation optique permet aussi de mesurer la distribution des forces de piégeage de chaque vortex d’un échantillon. En utilisant des puissances de chauffage laser permettant de dépasser localement la température critique, nous avons également pu étudier la pénétration des vortex à l’interface entre une zone normale et une zone supraconductrice.Durant ces travaux, nous avons aussi eu l’opportunité de mettre en évidence, par spectroscopie de molécules uniques, l’effet flexomagnétoélectrique dans un matériau multiferroïque, en employant un supraconducteur de type I comme générateur de champ magnétique inhomogène. Enfin, nous proposons à la fin de ce mémoire un concept de jonction Josephson créée tout optiquement, et dont les propriétés seraient contrôlables en temps réel par laser. / This thesis focuses on the development of a new manipulation technique to handle single Abrikosov vortices in type II superconductors. This fast, efficient and precise method is based on far field optics and rests on the local temperature elevation produced by a focused laser beam. It brings an excellent alternative to the existing techniques which are all based on local probes and thus heavy to implement in a cryogenic environment. The combination of this method with an efficient magneto-optical imaging system allows us to manipulate single vortices with a 100% rate of success on a large scale only limited by the field of view of the microscope objective. Manipulation speeds are high, of the order of 10 mm.s-1, but still limited by our setup and far from the fundamental limits offered by this technique, estimated to the km.s-1. This manipulation technique also allows to measure the pinning force of any single vortex in a superconducting sample. By using a high enough laser power which locally pushes the temperature above the critical temperature, we could also study the vortex penetration at the interface between normal and superconducting areas.In the course of this work, we also evidenced, with single molecule spectroscopy, the flexomagnetoelectric effect in a multiferoic material, by using a type I superconductor as a source of inhomogeneous magnetic field. Finally, we propose at the end of the manuscript the new concept of an optically created Josephson junctions, whose properties could be controlled in real time just with a laser beam.

Cette thèse présente deux types d'expérience qui utilisent une jonction Josephson pour étudier des effets à l'échelle mesoscopique. La première partie décrit la mesure du troisième moment du bruit de grenaille émis par une jonction tunnel, en ajoutant celui-ci au courant de polarisation d'une jonction Josephson. Le deuxième et troisième moment du bruit modifient l'échappement depuis la branche de supercourant, un effet que des prédictions récentes permettent de comprendre quantitativement. Dans une seconde partie, nous discutons la possibilité de sonder en détail la description récente de l'effet Josephson mésoscopique, en particulier les deux états d'Andreev qui portent le supercourant. En utilisant un circuit à même de mesurer la relation courant-phase d'un contact atomique supraconducteur grâce à une jonction Josephson, nous décrivons des expériences préliminaires vers la spectroscopie des états d'Andreev.

Un SQUID dc polarisé en courant se comporte comme une particule quantique piégée dans un puits de potentiel cubique-quadratique défini par sa fréquence de fond de puits et une barrière d'échappement finie. Le spectre d'énergie du système est quantifié ; la position des niveaux ainsi que leur temps de vie tunnel sont contrôlés par le courant de polarisation et le flux magnétique appliqué.<br /><br />Au cours de la thèse, l'analyse de l'échappement du fondamental par effet tunnel macroscopique (MQT) a permis de caractériser les bruits sur les paramètres de polarisation. Le MQT est aussi au coeur de la mesure de l'état du SQUID par impulsions de flux dc nanosecondes. L'observation d'une dynamique cohérente, excitée par des impulsions micro-onde résonantes, constitue une première étape vers la manipulation de l'état quantique du circuit. Enfin, les processus incohérents sont étudiés quantitativement dans la limite à deux niveaux, à travers des mesures de spectroscopie et de relaxation de l'énergie.

Les circuits à base de jonctions Josephson comme les filtres à interférences quantiques, nommés SQIF (Superconducting Quantum Interference Filter), sont des capteurs très sensibles au champ magnétique. Les éléments de base d’un tel circuit sont les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Aussi performants dans la détection de champ magnétique, ces derniers ne permettent pas de réaliser des mesures absolues. De plus, la nécessité d’un asservissement par une boucle à verrouillage de flux limite la bande de fréquence d’utilisation. Les SQIF n’ont pas cette limitation et permettent les mesures absolues de champ magnétique. Leur capacité à combiner une taille compacte, une très bonne sensibilité et une large bande fréquentielle d’utilisation fait de ces capteurs des sérieux concurrents aux antennes classiques. Des mesures expérimentales avec des SQIF HTS faits par la technologie de jonctions irradiées montrent qu’il est possible de réaliser la détection de signaux radiofréquence jusqu’au moins 5 GHz en configuration de champ proche et en environnement non magnétiquement blindé. Afin de réaliser l’adaptation d’impédance et améliorer les caractéristiques DC de ces capteurs, différentes géométries de réseau sont étudiées. L’étude permet de définir les paramètres d’importance dans la conception de circuits SQIF afin de réaliser des détecteurs radiofréquence performants. / Superconducting Quantum Interference Filters (SQIF) are Josephson circuits very sensitive to magnetic field. They are made of arrays of SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices). The latter, when operated alone, doesn’t allows absolute magnetic field measurements and have to be used with a flux locked loop, which limits the frequency band of operation. SQIFs doesn’t have such limitations and they offer the possibility to combine compactness, sensitivity and wide band of frequency at the same time. Because of this, SQIFs are serious concurrents to classical antennas in microwave applications. Experimental measurements made with HTS SQIFs and irradiated Josephson junctions shows that it is possible to detect microwave signals up to 5 GHz in an unshielded environment, and near field configuration. To perform better detection, it is important to match impedance of circuits. In the goal to do this and to improve DC characteristics, different network geometries are studied. At the end this study allows to define which parameters are important in the design of SQIF circuits for microwave detection.

Le sujet de thèse est une étude théorique des modes normaux d’oscillations plasma dans des chaînes de jonctions Josephson supra-conductrices. Les propriétés de ces modes normaux peuvent être contrôlés en choisissant une modulation spatiale appropriée de paramètres des jonctions le long de la chaîne et/ou un couplage approprié à l'environnement extérieur. Le travail théorique au sein du LPMMC se fait en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale"Cohérence Quantique" à l'Institut Néel. Les problèmes spécifiques étudiés dans la thèse sont : modélisation détaillée du couplage des modes normaux à l'environnement pour leur caractérisation dans une expérience de transmission de micro-ondes, dissipation intrinsèque des oscillations du plasma à cause de quasi-particules hors équilibre, l'optimisation de la structure spatiale de la chaîne de jonctions Josephson pour son utilisation en tant qu'une super-inductance. / The subject of thesis is a theorerical study of normal modes of plasma oscillations in superconducting Josephson junction chains. The properties of these normal modes can be controlled by choosing an appropriate spatial modulation of the junction parameters along the chain and/or an appropriate coupling to the external environment. The theoretical work at LPMMC is performed in a close collaboration with the experimental Quantum Coherence group at Néel Institute. The specific problems studied in this thesis are : detailed modeling of the normal mode coupling to the environment for probing them in a microwave transmission experiment, intrinsic dissipation of plasma oscillations due to the presence of non-equilibrium quasi-particles, optimization of the spatial structure of the Josephson junction chain for its use as a super-inductance.