This PhD work involves the utilization of the femtosecond laser technique to fabricate the novel S-shaped Josephson Junctions on the high - T_C superconducting YBCO thin films. Initially, it was envisaged as the title states to fabricate nano sized Josephson Junctions using this femtosecond laser technique. However in this PhD work, micron sized (1 – 2 µm) and near nano sized (500 – 800 nm) Josephson Junctions where achieved. / University of South Africa / Electrical and Mining Engineering

In this work the interaction between a spatial localized and time periodic state (discrete breather) and small amplitude plane waves is studied.

Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés. / Along this thesis manuscript I shall present some emergent nonlinear phenomena in spinor exciton polariton condensates. After an introductory chapter bringing the necessary background, I will in a first part focus on half-integer topological defects discussing their stability, acceleration and nucleation in the presence of effective magnetic fields. We will see that these objects behave as magnetic charges being fascinating dirac's monopole analogues. Remarkably we will see as well how they can be used as stable signals allowing to seed the physics acoustic black holes analogues. In a second part I will concentrate on low dimensional structures. Especially, I'll describe the formation of gap solitons and the Bloch oscillations of exciton-polaritons in periodically patterned microwires, and besides, the room temperature Josephson oscillations within pairs of coupled micropillars.

L'avènement des supraconducteurs à haute température critique (SHTc) a non seulement bouleversé les notions fondamentales de la physique des solides, il a aussi provoqué une révolution dans la compréhension du comportement des lignes de flux magnétiques quantifiés qui traversent le matériau supraconducteur lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. Grâce à la coincidence des valeurs extrèmes des paramètres caractérisant la supraconductivité dans les SHTc, les propriétés physiques des vortex, leur dynamique, et leur diagramme de phases dans le plan (B,T) ont pu être étudiés dans un détail jusque-là inaccessible. Il a ainsi été établi que la véritable transition de la phase supraconductrice vers la phase normale n'a pas lieu au deuxième champ critique Bc2, mais à la transition de fusion de l'ensemble des lignes de flux. Dans des matériaux supraconducteurs désordonnés, il apparaît une nouvelle phénoménologie, liée à l'ancrage des lignes de flux sur les défauts du matériau. De nouvelles phases thermodynamiques de vortex ancrés ont été postulés, et, dans certains cas, trouvées. Le but de ce document est de porter un regard critique sur le mécanisme menant à la transition de fusion de l'ensemble des vortex dans les SHTc, ainsi que sur le rôle du désordre cristallin dans la physique des lignes de flux. L'approche première est de, avant tout, caractériser au mieux les matériaux avec lesquels on travaillera par la suite. Cette caractérisation inclut non seulement la mesure des principaux paramètres de la supraconductivité: température critique, longueur de pénétration, champs critiques; mais aussi le contrôle de la pureté des matériaux et du désordre cristallin éventuel. Dans cette optique, le travail s'inscrit dans la mission du Laboratoire des Solides Irradiés, qui est d'accéder à la physique des matériaux en contrôlant le désordre par irradiation. On essaiera ensuite d'attaquer la transition de fusion par l'emploi d'une méthode originale, utilisable dans les SHTc lamellaires comme le Bi2Sr2CaCu2O8 : la Résonance de Plasma Josephson. Cette technique permettra d'évaluer les excursions thermiques moyennes des lignes de flux au voisinage de la transition, dans des cristaux bruts de croissance et irradiés. Le rôle du désordre cristallin est étudié également par une approche novatrice: c'est l'étude de la modification des propriétés thermodynamiques par le désordre, plutôt que les propriétés de transport. Enfin, on conclut sur comment ces approches peuvent nous aider à comprendre le diagramme de phases des lignes de flux dans des supraconducteurs désordonnés de manière contrôlée.

The Caveat For many reasons, names have had to be concealed within this document. The events depicted are real and the discussions true. This is an attempt to legitimize the informal, seemingly mundane and sometimes personal: the author’s experiences bringing a folly to the physical, while trespassing into a new world: Islam. This thesis documents a series of interventions at different scales within that world. There is a book, the chair, and the city of Makkah. The events themselves are superimposed onto the traditional language, or professional conventions, used to justify them. Here, they are relegated to the margins of each page. This is akin to how some of the first books were produced, by students in the confines of dark cloisters or hot desert temples, struggling to maintain historical integrity while fighting the natural tendencies of youth. Their master’s voices always looking over the gutter from the opposite page. The sketches for a new Makkah and a monumental demonstration in Canada unfold in parallel to a body of formal research. Together, as seemingly independently as they are, they paint the portrait of an Islam, while building a personality between the lines. That being said: there isn’t a correct way to read it.

The Caveat For many reasons, names have had to be concealed within this document. The events depicted are real and the discussions true. This is an attempt to legitimize the informal, seemingly mundane and sometimes personal: the author’s experiences bringing a folly to the physical, while trespassing into a new world: Islam. This thesis documents a series of interventions at different scales within that world. There is a book, the chair, and the city of Makkah. The events themselves are superimposed onto the traditional language, or professional conventions, used to justify them. Here, they are relegated to the margins of each page. This is akin to how some of the first books were produced, by students in the confines of dark cloisters or hot desert temples, struggling to maintain historical integrity while fighting the natural tendencies of youth. Their master’s voices always looking over the gutter from the opposite page. The sketches for a new Makkah and a monumental demonstration in Canada unfold in parallel to a body of formal research. Together, as seemingly independently as they are, they paint the portrait of an Islam, while building a personality between the lines. That being said: there isn’t a correct way to read it.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une modalité qui offre de bons contrastes et une bonne résolution spatiale, mais qui souffre d'un important problème de sensibilité. Pour répondre à cette problématique, le paradigme actuel est d'accroitre le champ magnétique des aimants d'IRM. Ceci mène toutefois à une explosion des coûts et à des contraintes accrues vis-à-vis des patients. L'approche que nous présentons est radicalement différente~: il s'agit de travailler à champ faible. Les antennes classiques n'étant pas assez sensibles pour recueillir le signal, l'idée est d'utiliser des SQIF. Ces derniers sont une nouvelle technologie d'antennes supraconductrices ultra-sensibles basées sur les réseaux de SQUID. Le projet vise à optimiser les capteurs SQIF et à les adapter pour la première fois à la RMN afin de mesurer un signal sur un aimant à 0.2~T.Pour ce faire, nous avons développé et étudié les performances de nouvelles architectures d'antennes SQIF afin de définir la géométrie la plus adaptée à la RMN. Nous avons également cherché à mieux comprendre comment le contexte d'utilisation de ces nouvelles antennes pouvait influencer leurs performances. Le jeu d'antennes le plus performant réalisé avait un facteur de transfert de 8.4~kVperT et un seuil de détection de 190~fTperHz. Il fut également observé que la présence d'un champ magnétique pendant le refroidissement de ces capteurs supraconducteurs dégradait leur réponse, phénomène à prendre en compte en RMN.Un Démonstrateur Super-QIF intégrant un SQIF dans l'IRM à 0.2~T fut conçu en tenant compte des contraintes géométriques et de l'environnement magnétique. Après sa fabrication, la température du cryostat était de 50~K, donc suffisante pour le bon fonctionnement des SQIF. Les premiers tests ont montrés que la présence du système ne perturbait pas le signal de RMN.Le démonstrateur est toujours en cours de développement et devrait permettre de mesurer un de RMN dans les mois à venir. À long terme, ces travaux pavent la voie à des applications des SQIF en IRM à champ terrestre. / Magnetic resonance imaging (MRI) is a modality that offers good contrasts and good spatial resolution, but suffers from a significant sensitivity problem. To address this issue, the current paradigm is to increase the magnetic field of MRI magnets. However, this leads to an explosion of costs and to increased constraints on patients. The approach we present is radically different: it involves working in a weak field. As conventional antennas are not sensitive enough to collect the signal, the idea is to use SQIF. These are a new ultra sensitive superconducting antenna technology based on SQUID networks. The project aims to optimize SQIF technology and adapt it to measure an NMR signal in a 0.2~T magnet.To do this, we developed and studied the performance of new SQIF antenna architectures in order to define the geometry most suitable for NMR. We also sought to better understand how the context of use of these new antennas could influence their performance. The best performing antennas set had a transfer factor of 8.4~kVperT and a detection threshold of 190~fTperHz. It was also observed that the presence of a magnetic field during the cooling of these superconducting sensors degraded their response, a phenomenon to be accounted for in NMR.The Super-QIF Demonstrator incorporating a SQIF in the 0.2~T MRI was designed considering the geometric constraints and the magnetic environment. After its assembly, the temperature of the cryostat was 50~K, therefore sufficient for the proper operation of SQIF. The first tests showed that the system presence did not disturb the NMR signal.The demonstrator is still under development and is expected to measure an NMR signal in the forthcoming months. In the long term, this work paves the way for applications of SQIF in Earth's field MRI.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung 10 nm dünner Schichten bestehend aus amorphen Ga-Nanoclustern eingebettet in Ga-dotiertes polykristallines Si. Die Herstellung der Schichten geschieht via Ionen-Implantation in Si-Wafer samt anschließender thermischer Ausheilung. Elektrische Transportmessungen in Magnetfeldern von bis zu 50 T zeigen, dass die Schichten durch Variation der Ausheilparameter zwei strukturelle Supraleiter-Isolator-Übergänge durchlaufen. TEM-gestützte Strukturanalysen decken auf, dass den Übergängen eine Gefügetransformation zugrunde liegt, die das Wechselspiel zwischen supraleitender Cluster-Kopplung und kapazitiver Ladungsenergie sowie dem Ausmaß von thermischen und Quantenfluktuationen beeinflusst. Im supraleitenden Regime (Tc = 7 K) wird ein doppelt reentrantes Phänomen beobachtet, bei dem Magnetfelder von mehreren Tesla in anisotroper Form die Supraleitung begünstigen. Eine qualitative Erklärung gelingt via selbstentwickeltem theoretischen Modell basierend auf Phaseslip-Ereignissen für Josephson-Kontakt-Netzwerke. Für Anwendungen im Bereich der Sensor-Technologie und Quanten-Logik werden die Schichten erfolgreich via Fotolithographie und FIB (focused ion beam) mikro- und nanostrukturiert. Dadurch gelingt die erstmalige Beobachtung des Little-Parks-Effektes in einer Nanostruktur aus amorphem Ga. / The following thesis is devoted to the electrical characterization of 10 nm thin layers consisting of amorphous Ga nanoclusters embedded in Ga-doped polycrystalline Si. The preparation of the layers is realized via ion implantation in Si wafers plus subsequent thermal annealing. Electrical-transport measurements in magnetic fields of up to 50 T show that the layers undergo two structural superconductor-insulator transitions upon variation of the annealing parameters. Structural analyzes based on TEM investigations reveal an underlying transformation of the size and distance of the clusters. This influences the interplay of the superconducting cluster coupling and capacitive charging energy as well as the extent of thermal and quantum fluctuations. In the superconducting regime (Tc = 7 K) a double-reentrant phenomenon is observed. Here, magnetic fields of several Tesla facilitate superconductivity in an anisotropic way. A qualitative explanation is given via a self-developed theoretical model based on phase-slip events for Josephson-junction arrays. With respect to applications regarding sensor technology and quantum logic circuits the layers are successfully micro- and nanostructured via photolithography and FIB. This allows for the first observation of the Little-Parks effect in a nanostructure of amorphous Ga.

Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.