The concept of Berry phase, since its proposition in 1984, has found numerous applications and appears in almost every branch of physics today. In this work, we study several physical effects in ferromagnetic metal materials which are manifestations of the Berry phase. We first show that when a domain wall in a ferromagnetic nanowire is undergoing precessional motion, it pumps an electromotive force which follows a universal Josephson-type relation. We discover that the integral of the electromotive force over one pumping cycle is a quantized topological invariant equal to integer multiples of h/e, which does not depend on the domain wall geometry nor its detailed dynamic evolution. In particular, when a domain wall in a nanowire is driven by a constant magnetic field, we predict that the generated electromotive force is proportional to the applied field with a simple coefficient consisting of only fundamental constants. Our theoretical prediction has been successfully confirmed by experiments. Similar effect known as spin pumping occurs in magnetic multilayer heterostructures, where a precessing free magnetic layer pumps a spin current into its adjacent normal metal layers. Based on this effect, we propose two magnetic nanodevices that can be useful in future spintronics applications: the magnetic Josephson junction and the magneto-dynamic battery. The magnetic Josephson junction has a drastic increase in resistance when the applied current exceeds a critical value determined by the magnetic anisotropy. The magneto-dynamic battery acts as a conventional charge battery in a circuit with well-defined electromotive force and internal resistance. We investigate the condition under which the power output and efficiency of the battery can be optimized. Finally we study the side jump contribution in the anomalous Hall effect of a uniformly magnetized ferromagnetic metal. The side jump contribution, although arises from disorder scattering, was believed to be independent of both the scattering strength and the disorder density. Nevertheless, we find that it has a sensitive dependence on the spin structure of the disorder potential. We therefore propose a classification scheme of disorder scattering according to their spin structures. When two or more classes of disorders are present, the value of side jump is no longer fixed but depends on the relative disorder strength between classes. Due to this competition, the side jump contribution could flow from one class dominated limit to another class dominated limit when certain system control parameter changes. Our result indicates that the magnon scattering plays a role distinct from the normal impurity scattering and the phonon scattering in the anomalous Hall effect, because they belong to different scattering classes. / text

Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits. / Superconducting quantum circuits are currently investigated in many labs. An important goal of this research is to build and couple several superconducting quantum bits for quantum information processing. The theoretical description of these circuits is based on the coupled dynamics of the superconducting phase differences at the Josephson junctions and the degrees of freedom of the surrounding electromagnetic environment. This nonlinear dynamics has been much studied in the classical regime. Quantum effects have been considered by perturbative methods, assuming that some degrees of freedom are thermalized. In contrast, the coupled quantum dynamics was largely unexplored in a non-perturbative regime. The goal of the trainee will be to describe the crossover between the classical and quantum regimes in the case of a single Josephson junction coupled to an electromagnetic resonator. For this, the candidate will study the master equations for this system with analytical and numerical methods. In the long term, the aim will be to understand how to generate and manipulate photons thanks to time-resolved electric control of the circuit.

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.

While magnesium diboride (MgB2) was first synthesized in the 1950s, MgB2’s superconductive properties were not discovered until 2001. It has the highest superconducting transition temperature of all the metallic superconductors at ~39 K at atmospheric pressure. MgB2 is also unique in that it has a two superconductive gaps, a pi gap at 2 meV and a sigma gap at 7.1 meV. There are a theoretical models discussing the inter- and intra- gap scattering of the superconductivity of MgB2 and the Josephson transport of MgB2 Josephson Junctions. The focus of this work is to further the study of all-MgB2 Josephson junctions and quantum interference device technology. This work discusses the transport in all-MgB2 Josephson junctions and designing, fabricating, and measuring multi-junction devices. The junctions studied include all-MgB2 sandwich-type Josephson junctions (one with TiB2 normal conducting barrier and another with an MgO insulating barrier). The junction MgB2 films were deposited by hyprid physical-vapor deposition and the junction barrier were deposited by sputtering. The junctions were patterned and etched with UV photolithography and argon ion milling. With the TiB2 barrier we studied Josephson transport by the proximity effect. With these junctions, we also observed complete suppression of the critical current by an applied magnetic field showing for the first time a leakage free barrier in an all-MgB2 Josephson junction with a single ultrathin barrier. We also studied junctions utilizing MgO barrier deposited by reactive sputtering which gave a larger characteristic voltage of 1-3 mV compared to TiB2 barriers. By connecting several SQUIDs with varying loop areas we developed of two types of superconducting quantum interference filters (SQIFs). The first SQIF designed with 21 SQUIDs connected in parallel and the SQUID loops are sensitive to magnetic fields applied parallel to the substrate. The SQUID loop areas were designed to vary in such a way that the voltage modulation gave a unique peak corresponding to the absolute value of the applied magnetic field. The SQIF shows an antipeak height of 0.25 mV with a transfer function of 16 V/T at 3 K. The lowest noise measured for this SQIF is 110 pT/Hz1/2. The second SQIF is designed with 17 SQUIDs in parallel and the SQUID loops are sensitive to magnetic field perpendicular to the substrate. This SQIF has shown improved voltage modulation with a peak height of 1 mV and a transfer function of 7800 V/T. The noise sensitivity was measured at 70 pT/Hz1/2. The sensitivity of the SQIF shows MgB2 potential superconductor to improve performance of current superconductive electronics. Utilizing known all-MgB2 junctions and SQUID parameters two rapid single flux quantum (RSFQ) circuits were designed and tested. A toggle flip flop (TFF) operating as a frequency divider was developed. The TFF design consisted of a Josephson transmission line, a splitter, and an interferometer (a DC SQUID). The TFF utilized an improved designed, compared to previous all-MgB2 TFFs, and showed operation up to 335 GHz at 7 K and operation up to 30 K. A low frequency set-reset flip flop (SRFF) was also developed to demonstrate RSFQ digital logic. The SRFF design includes a DC-SFQ converter, a Josephson transmission line, and an inductively coupled readout SQUID. The SRFF demonstrates proper digital logic by toggling between a high and low voltage state with a sequential set and reset input. While these developed devices are not close to the potential that MgB2 allows, they do show the promise MgB2 based devices have in making more sensitive and faster superconductive logic devices. / Physics

Bose-Einstein condensation (BEC) is a phenomenon in which identical bosons occupy the same quantum state below a certain critical temperature. A hallmark of BEC is the coherence between particles every particle shares the same quantum wavefunction and phase. This coherence has been demonstrated for the external (motional) degrees of freedom of the atomic condensates by interfering two condensates. In this thesis, the coherence is shown to extend to the internal spin degrees of freedom of a spin-1 Bose gas evidenced by the observed coherent and reversible spin-changing collisions. The observed coherent dynamics are analogous to Josephson oscillations in weakly connected superconductors and represent a type of matter-wave four-wave mixing. Control of the coherent evolution of the system using magnetic fields is also demonstrated. The studies on spinor condensates begin by creating spinor condensates directly using all-optical approaches that were first developed in our laboratory. All-optical formation of Bose-Einstein condensates (BEC) in 1D optical lattice and single focus trap geometries are developed and presented. These techniques offer considerable flexibility and speed compared to magnetic trap approaches, and the trapping potential can be essentially spin-independent and are ideally suited for studying spinor condensates. Using condensates with well-defined initial non-equilibrium spin configuration, spin mixing of F = 1 and F = 2 spinor condensates of rubidium-87 atoms confined in an optical trap is observed. The equilibrium spin configuration in the F = 1 manifold confirms that 87Rb is ferromagnetic. The coherent spinor dynamics are demonstrated by initiating spin mixing deterministically with a non-stationary spin population configuration. Finally, the interplay between the coherent spin mixing and spatial dynamics in spin-1 condensates with ferromagnetic interactions is investigated.

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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.

Cette thèse étudie quelques aspects de l'effet de proximité entre un supraconducteur (S) et un métal ferromagnétique (F). Dans un métal normal confiné entre deux électrodes supraconductrices, il se forme des états liés qui permettent le passage cohérent de paires d'électrons (de spins opposés). Le supercourant transporté par ces états dépend de la différence de phase $\phi$ entre les deux supraconducteurs. Dans le cas d'une jonction S/F/S, l'énergie d'échange ferromagnétique modifie le spectre des états liés et peut inverser la direction du supercourant (par rapport au cas S/N/S). En l'absence de courant, l'état fondamental a alors une différence de phase $\phi=\pi$ (au lieu de $\phi=0$) et l'on parle de {\it jonction $\pi$}. La transition 0-$\pi$ peut s'observer en fonction de l'épaisseur ferromagnétique, mais également en fonction de la température si l'énergie d'échange n'est pas beaucoup plus grande que le gap supraconducteur. Cette transition se caractérise par une dépendance non-monotone du courant critique avec la température, comportement que nous avons observé dans des jonctions Nb/Cu$_{52}$Ni$_{48}$/Nb. Dans ces jonctions la couche de cuivre-nickel est très faiblement ferromagnétique, voire super-paramagnétique. Le courant critique s'annule en fonction de la température à une valeur $T^*$ (inférieure à $T_c$): en-dessous de $T^*$ la jonction est dans l'état~$\pi$, au-dessus de $T^*$ elle est dans l'état~0. L'annulation est indépendante du champ magnétique qui produit une figure de diffraction toujours centrée en champ nul. L'effet Josephson alternatif étudié de part et d'autre de la transition 0-$\pi$ ne montre pas de différence entre les deux états. L'évolution du courant critique avec l'épaisseur ferromagnétique et la température peut être modélisée à partir des équations d'Usadel. Cette analyse suggère la présence d'un processus de diffusion spin-flip qui réduit fortement l'amplitude du courant critique. Les bicouches S/F présentent également des états liés dont le spectre est fonction de l'énergie d'échange et de l'épaisseur ferromagnétique. La température de transition supraconductrice présente des oscillations en fonction de ces deux paramètres, car elle est sensible à la position de ces états via l'effet de proximité inverse. Nous avons pu mesurer une faible signature de cet effet dans des bicouches Nb/CuNi. Dans les tricouches F$_1$/S/F$_2$, de type vanne de spin, la température de transition doit en théorie dépendre de l'orientation relative des aimantations ferromagnétiques. Cependant nous n'avons mesuré aucune différence dans des multicouches NiO/Co/Nb/Co, puis NiO/CuNi/Nb/CuNi, car l'épaisseur de niobium en-dessous de laquelle la supraconductivité disparaît reste plusieurs fois supérieure à la longueur de cohérence. Cette saturation de l'épaisseur critique est attribuée à un fort processus de diffusion spin-flip dans cet alliage très dilué.