“MgB2, un supraconducteur conventionnel exotique”... Derrière cette qualification apparemment antinomique se cache la grande originalité du composé qui fut le sujet de mon travail. Conventionnel dans son mécanisme de couplage électron-phonon, MgB2 est exotique de part la présence de deux gaps supraconducteur faiblement couplés. L'existence de ces deux gaps va alors conduire à un comportement “pathologique” des paramètres fondamentaux de la supraconductivité : la longueur de cohérence, xsi et la profondeur de pénétration, lambda.<br />Alors qu'un consensus sur la nature multigap de MgB2 s'est rapidement établi, les résultats publiés concernant ces paramètres fondamentaux et ceux des champs critiques associés présentaient une dispersion déconcertante. Mon travail s'inscrit dans cette période flou expérimental. Il allie deux techniques complémentaires : la magnétométrie à microsondes de Hall et la chaleur spécifique alternative.<br />Nous présentons tout d'abord une étude thermodynamique du diagramme de phases H-T effectuée sur des monocristaux. Des mesures de chaleur spécifique ont permis de déterminer le champ critique supérieur Hc2. Le champ critique inférieur Hc1 a lui été évalué par des mesures magnétiques.<br />Sa détermination a nécessité une étude approfondie des mécanismes de pénétration des vortex. La répartition spatiale de l'induction magnétique obtenue avec un réseau de microsondes sur une collection d'échantillons de rapports de dimensions différents a mis en évidence la présence de barrières géométriques retardant l'entrée des vortex. La prise en compte de ces barrières est essentielle à la déduction de Hc1.<br />L'anisotropie des champs critiques présente une dépendance en température due à la présence de deux paires de bandes supraconductrices faiblement couplés et dont l'influence relative varie en fonction de la position dans le diagramme H-T. Cette présence conduit également à une évolution de xsi et lambda en fonction du champ magnétique que nous présentons ici.<br />Enfin, une étude d'échantillons dopés et irradiés a été abordée. L'effet de la substitution de Mg par Al modifie le dopage électronique et les champs critiques. En revanche, l'effet du désordre ponctuel introduit par l'irradiation aux électrons conduit à une brutale augmentation de l'effet de pic dont l'origine reste encore à établir.

Les circuits logiques "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) à base de jonctions Josephson supraconductrices sont utilisés pour générer, traiter et transmettre des impulsions ultra-courtes dont l'aire quantifiée est celle du quantum de flux magnétique h/2e et correspond à 2.07 mV.ps. De tels circuits sont utilisés pour traiter le signal à très haute fréquence avec des fréquences d'horloge dans la gamme 10-120 GHz et une puissance consommée environ 100 à 1000 fois plus faible (incluant le coût énergétique du refroidissement à 4,2 K) que celle des meilleurs circuits semi-conducteurs équivalents. La logique RSFQ est une alternative intéressante pour les super-ordinateurs et offre des performances inégalées pour traiter les signaux micro-ondes à la volée. Une fois les signaux numérisés et traités à température cryogénique, le défi principal est de transférer à température ambiante les signaux numériques de faible tension (dans la gamme 200-1000µV) à des débits de 1 à 10 Gbps par voie, tout en limitant la charge thermique sur le système de réfrigération cryogénique, afin de construire un système performant à très haut débit numérique. Une solution à ce verrou est de transmettre les signaux par un système d'émission-réception sans fil avec la bande passante suffisante. Ce travail examine différents systèmes de transmission sans fil à courte distance, correspondant à la configuration physique entre les étages à températures cryogénique et ambiante, pour des taux de transmission de quelques Gbps. Il s'est construit sur quatre points cruciaux à résoudre :• le choix et l'étude du codage numérique approprié pour être utilisé comme support de transmission en bande de base des signaux sans utiliser de modulation analogique, comme les codages Polar Return-to-Zero et Manchester ;• l'étude et la sélection d'antennes ultra large bande avec une attention particulière portée sur les antennes Vivaldi antipodales et les antennes monopôles pour satisfaire aux contraintes cryogéniques ;• l'étude du taux d'erreur du système de transmission. Deux méthodes ont été développées pour récupérer les signaux numériques et minimiser le taux d'erreur ;• la comparaison entre simulations et mesures afin d'évaluer la performance du système global. / Rapid Single-Flux-Quantum (RSFQ) logic circuits based on superconducting Josephson junctions are using to generate, process and transmit very short quantized pulses whose area is the quantum of magnetic flux h/2e and corresponds to 2.07 mV.ps. Such circuits are used to process signals at very high speed with clock frequencies in the 10-120 GHz range and a power consumption about 100 to 1000 times lower that their best available semiconductor counterparts (including the cost of cooling down to 4,2K). RSFQ logic is an interesting alternative for supercomputers and offers unsurpassed performances for processing microwave signals on the fly. Once digital signals are processed at cryogenic temperature the key challenge is to transfer at room temperature the low-voltage output digital signals (about 200-1000µV) at high rates of about 1-10Gbps per channel, by limiting the thermal burden on the cryogenic system, in order to build high performance high throughput systems.A solution is to transmit the signals with a wireless emitting-receiving antenna set with a suitable bandwidth. This work examines several wireless baseband transmission systems in a short distance configuration, associated to the distance between the cryogenic and room temperature stages, for data rates in the range of a few Gbps. It elaborates on four crucial issues :• the choice and study of the proper line codes to be used for baseband transmission of digital signals without the need for analogue modulations, such as Polar Return-to-Zero and Manchester encodings ;• the study and selection of ultra-wide bandwidth antennas with a focus on small size Antipodal Vivaldi Antennas and monopole antennas to meet cryogenic constraints ;• the study of the Bit Error Rate (BER) of the transmitting system. Two methods were developed to recover the digital output signals and minimize the BER.• the comparison between simulations and measurements to assess the performance of the overall system.

Les atomes de Rydberg sont des états très excités, dans lesquels un électron est placé sur une orbite éloignée du noyau. Leur grand dipôle électrique les rend très sensibles à leur environnement électromagnétique. En utilisant des champs microondes et radiofréquences, nous préparons des états quantiques non-classiques spécialement conçus pour exploiter au mieux cette sensibilité et mesurer des champs électriques et magnétiques avec une grande précision. Dans la première partie, nous préparons des états chats de Schrödinger, superpositions d'orbitales de polarisabilités très différentes, qui nous permettent de mesurer de petites variations du champ électrique statique avec une sensibilité bien supérieure à la limite quantique standard et proche de la limite Heisenberg fondamentale. Nous atteignons une sensibilité par atome de 30mV/m pour un temps d'interrogation de 200ns, faisant de notre système l'un des électromètres les plus sensibles à ce jour. Nous implémentons ensuite des manipulations plus complexes de l'atome. Grâce à une technique d'écho de spin qui exploite la richesse de la multiplicité Rydberg, nous mesurons les corrélations temporelles du champ électrique avec une bande passante de l'ordre du MHz. Dans la partie finale, nous préparons une superposition quantique de deux états circulaires de nombres quantiques magnétiques opposés. Cet état très non-classique correspond à un électron tournant à la fois dans des directions opposées sur la même orbite. La grande différence de moment magnétique entre les deux composantes de la superposition, de l'ordre de 100muB, ouvre la voie à la mesure de petites variations du champ magnétique avec une grande bande passante. / Rydberg atoms are highly excited states, in which the electron is orbiting far from the nucleus. Their large electric dipole makes them very sensitive to their electromagnetic environment. Using a combination of microwave and radio-frequency fields, we engineer non-classical quantum states specifically designed to exploit at best this sensitivity for electric and magnetic field metrology. In the first part, we prepare non-classical states, similar to Schrödinger cat states, superpositions of two orbitals with very different polarizabilities, that allow us to measure small variations of the static electric field with a sensitivity well beyond the standard quantum limit and close to the fundamental Heisenberg limit. We reach a single atom sensitivity of 30mV/m for a 200ns interrogation time. It makes our system one of the most sensitive electrometers to date. We then implement more complex manipulations of the atom. Using a spin-echo technique taking advantage of the full extent of the Rydberg manifold, we perform a correlation function measurement of the electric field with a MHz bandwidth.In the final part, we prepare a quantum superposition of two circular states with opposite magnetic quantum numbers. It corresponds to an electron rotating at the same time in opposite directions on the same orbit, a rather non-classical situation. The huge difference of magnetic moment between the two components of the superposition, in the order of 100muB, opens the way to the measurement of small variations of the magnetic field with a high bandwidth.

Un moment dipolaire électrique permanent (EDM) est une propriété fondamentale des systèmes simples comme par exemple l'électron, les atomes/molécules ou le neutron dont l'existence est prédite par le Modèle Standard de la physique des particules (MS) mais qui n'a pas pour l'heure jamais été observée. Cette observable violant la symétrie CP offre la possibilité de relier la physique des particules à l'énigme cosmologique fondamentale de l'asymétrie baryonique de l'Univers observée de nos jours. Produire une telle asymétrie requiert de nouvelles sources/de nouveaux mécanismes de violation de CP, hors MS, qui peuvent être sondés de façon privilégiée par les recherches d'EDM. La sensibilité des expériences EDM actuelles se trouve des ordres de grandeurs au-dessus des prédictions du secteur faible du MS. L'absence de signal, après 60 ans de quête, détermine la limite supérieure la plus forte sur la violation de CP dans le secteur fort du MS et contraint l'espace des phases des modèles de nouvelle physique. A contrario, la mesure d'un EDM non nul dans les années à venir pourra s'interpréter comme le signal d'une physique au-delà du MS évoluant à l'échelle multi-TeV. Dans cette perspective envoûtante, de nombreux nouveaux projets de mesures des EDM ont vu le jour ces dernières années et d'importants efforts sont poursuivis auprès du neutron notamment. Ce manuscrit présente la recherche de l'EDM du neutron menée auprès de l'expérience la plus sensible à ce jour basée à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. / A permanent electric dipole moment (EDM) is a fundamental property of simple systems such as the electron, atoms/molecules or the neutron whose amplitude is expected to be non-zero within the Standard Model of particles physics (SM) but which has never been observed so far. This observable violating the CP symmetry offers the opportunity to link particle physics to the fundamental cosmological enigma of the observed baryon asymmetry of the Universe. Such an asymmetry requires new CP violation sources/mechanism beyond the SM, which can be best probed by EDM searches. The current EDM experiments sensitivity is order of magnitude above the weak SM sector predictions. Measuring a null EDM, after a 60 years quest, set the strongest upper limit on the CP violation in the strong SM sector and constrains the new physics models phase space. On the contrary, measuring a non-zero EDM in the coming years can be understood as a signal from physics beyond the SM evolving at a multi-TeV scale. In this haunting perspective, many new EDM projects raised in the last years and important efforts are pursued near the neutron in particular. This manuscript present the neutron EDM search near the most sensitive experiment running at the Paul Scherrer Institute in Switzerland.

La capacité à cartographier le champ magnétique à l'échelle nanométrique serait un atout crucial pour étudier les propriétés magnétiques des solides ainsi que certains phénomènes de transport, mais aussi pour des études fondamentales en biologie. Cette thèse porte sur la réalisation d'un microscope de champ magnétique d'un genre nouveau, qui promet une résolution spatiale de quelques nanomètres, une sensibilité de l'ordre du nanotesla, et fonctionne aux conditions ambiantes. Ce microscope est basé sur le défaut azote-lacune du diamant, dont les propriétés quantiques peuvent être exploitées pour en faire un magnétomètre ultrasensible de taille atomique. Dans un premier temps, nous présenterons le fonctionnement et la réalisation du microscope à défaut azote-lacune, qui consiste essentiellement en un microscope à force atomique sur la pointe duquel un nanocristal de diamant est attaché. Nous testerons le microscope en imageant le champ de fuite généré par un cœur de vortex dans un microdisque ferromagnétique. Dans un second temps, nous appliquerons le microscope à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces. Ces systèmes présentent un intérêt à la fois fondamental, les effets d'interfaces restant encore largement inexplorés à ce jour, et technologique, puisqu'ils sont à la base de propositions pour la réalisation de nouvelles mémoires magnétiques à basse consommation d'énergie. Nous étudierons d'abord la nature des parois de domaines dans ces couches ultraminces, ce qui nous permettra de révéler l'existence d'une interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'origine interfaciale dans certains échantillons. Nous étudierons ensuite les sauts nanométriques d'une paroi de domaine induits par l'agitation thermique. Nous démontrerons en particulier le contrôle de ces sauts par un laser, ce qui nous permettra de visualiser et explorer le paysage énergétique de la paroi. / The ability to map the magnetic field at the nanometer scale would be a crucial advance to study the magnetic properties of solids as well as some transport phenomena, but also for fundamental studies in biology. This thesis deals with the realisation of a magnetic field microscope of a new kind, which promises a spatial resolution down to a few nanometres, a sensitivity of the order of a few nanoteslas, and operates under ambient conditions. This microscope is based on the nitrogen-vacancy defect in diamond, whose quantum properties can be harnessed to make an ultrasensitive, atomic-size magnetometre. In the first part, we will present the basic principles and the realisation of the nitrogen-vacancy defect microscope, which consists essentially in an atomic force microscope on the tip of which a diamond nanocrystal is grafted. We will test the microscope by imaging the stray field generated by a vortex core in a ferromagnetic microdisk. In the second part, we will apply the microscope to the study of ultrathin ferromagnets. These systems are interesting both from the physical point of view, as interface effects have been little explored so far, and for technology, as they are the cornerstone of several proposals for realising novel magnetic memory devices with low energy consumption. We will first study the nature of domain walls in these ultrathin ferromagnets, which will enable us to reveal the existence of an interface-related Dzyaloshinskii-Moriya interaction in some samples. Next, we will study the nanometric jumps of a domain wall induced by thermal fluctuations. In particular, we will demonstrate control over these jumps using a laser, which will allow us to visualise and explore the wall's energy landscape.

Ce travail porte sur la dynamique quantique des aimants moléculaires Fe8 et Mn6. Dans nos expériences nous utilisons des micro-sondes à effet Hall pour la mesure de la dynamique de l'aimantation. Ces sondes ont un domaine de fonctionnement très large en température et en champ magnétique et elles permettent d'avoir une résolution temporelle de la dynamique de l'aimantation bien inférieure à la microseconde.<br /><br />La première partie présente des mesures d'aimantation résolues en temps de l'aimant moléculaire Fe8. Nous présentons plusieurs expériences indépendantes, qui mettent en évidence les différents couplages entre les spins et qui permettent d'observer la dynamique quantique des spins moléculaires. Les études de la dynamique de l'aimantation nous donne un accès direct au processus de relaxation de spin, en particulier ces études nous permettent d'étudier l'interaction entre spins et phonons. Dans ce contexte nous avons développé une technique « pompe-sonde » avec deux impulsions de micro-ondes décalées en temps pour étudier la dynamique très rapide des spins.<br /><br />La deuxième partie concerne les mesures d'aimantation de l'aimant moléculaire Mn6 par magnétométrie Hall. De nombreuses mesures dans différents régimes en température et en champ magnétique nous permettent de caractériser les propriétés magnétiques de la molécule. Finalement, des simulations numériques qui s'appuient sur un modèle dimérique de la molécule (en présence des termes d'interaction par échange symétriques et antisymétriques) nous permettent d'expliquer théoriquement les transitions par effet tunnel.

Ce travail de thèse porte sur l’étude du carbure de silicium, dopé avec du fer dans le but de réaliser un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante pour des applications à la spintronique. Le dopage en fer a été réalisé par implantation ionique de type multi-énergie (30 - 160 keV) à différentes fluences, conduisant à une concentration atomique constante de 2 % de 20 à 100 nm. Il a été suivi d’un recuit à haute température dans le but d’homogénéiser la concentration en dopants. Les implantations se sont déroulées à une température de 550 °C. L’optimisation des propriétés magnétiques et électroniques du SiC–Fe, de même que la compréhension des mécanismes physiques à l’origine du magnétisme induit, ont nécessité une caractérisation poussée de la microstructure des matériaux implantés. Les objectifs de ce travail ont été d’une part, de réaliser une étude à l’échelle atomique de la nanostructure en fonction des conditions d’implantations (température, fluence) et des traitements thermiques post-implantation, et d’autre part, de déterminer les propriétés magnétiques des matériaux implantés. Dans ce travail, nous avons montré par Sonde Atomique Tomographique, la présence de nanoparticules dont la taille moyenne augmente avec la température de recuit. La cartographie chimique des nanoparticules a permis de révéler l’existence de phases riches en Fe pour les échantillons recuits. L’étude magnétique (spectrométrie Mössbauer et Squid) a montré que la contribution ferromagnétique est due principalement aux nanoparticules magnétiques et/ ou aux atomes de fer magnétiques dilués dans la matrice. La corrélation entre les propriétés structurale et magnétique a permis de montrer que les atomes de fer dilués dans la matrice et substitués sur sites de silicium contribuent au signal ferromagnétique en dessous de 300 K. Nous avons donc montré dans ce travail, que la taille et la nature des phases présentes dans les nanoparticules dépendent des conditions d’implantation et des températures de recuit et qu’il est nécessaire de recuire les échantillons à haute température pour faire apparaître un ordre ferromagnétique. / This PhD thesis focuses on the study of SiC, doped with Fe in order to elaborate a diluted magnetic semiconductor at room temperature for spintronic applications. The iron doping was carried out by ion implantation of multi-energy type (30-160 keV) at different fluences, leading to a 2% constant atomic concentration between 20 to 100 nm, followed by a high temperature annealing in the goal of homogenizing the dopant concentration. The implantation temperature during this process is 550 °C, in order to avoid amorphization. The optimization of the magnetic and electronic properties of SiC-Fe, as well as the understanding of the physical mechanisms at the origin of induced magnetism, require a thorough characterization of the microstructure of the implanted materials. The objectives of this work are, on the one hand, to carry out an atomic scale study of the nanostructure according to the implantation conditions (temperature, fluence) and the post-implantation annealing and the other hand, to characterize the magnetic properties of implanted materials. In this work, we have shown by atom probe tomographic, the existence of nanoparticles whose the average size increases with the annealing temperature. The chemical mapping of the nanoparticles shows the presence of the Fe-rich phases for the annealed samples. Magnetic study (Mössbauer spectrometry and Squid) shows the ferromagnetic contribution is due to the magnetic nanoparticles and/or the diluted Fe atoms in the matrix. The correlation between structural and magnetic properties allowed showing that diluted Fe atoms and substitute to Si sites contribute to the ferromagnetic contribution below 300 K. In coupling many characterization techniques in order to give a detailed description of the different studied samples, we have shown that the size and nature of the phase present in the nanoparticles depend on the implantation conditions and the annealing temperatures and consequently it is necessary to anneal our samples at high temperature to reveal ferromagnetic order.

Nous présentons une étude des effets de contrainte induits par l’épitaxie dans des couches minces La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) pour 3 épaisseurs de films (50, 25 et 12 nm) déposés par Ablation Laser Pulsée (PLD) sur différents substrats tels que SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) et (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001). L’étude est complétée par l’effet de la composition sur les propriétés magnétiques de couches minces de La1-xSrxMnO3 avec x=0,33 et 0,38 déposées par Epitaxie à Jets Moléculaires (MBE). Des caractérisations par diffraction de rayons X (XRD), et microscopie à force atomique (AFM), des mesures de résistivité électrique en quatre points en fonction de la température, d’aimantation par magnetometrie à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) et d’anisotropie magnétique par magnétométrie magnéto-optique Kerr vectorielle (MOKE) sont présentées. Les évolutions angulaires de l’anisotropie magnétique, de l’aimantation à rémanence, du champ coercitif et du champ de renversement d’aimantation ont ainsi pu être analysées pour des films épitaxiés LSMO de différentes épaisseurs. Des études en fonction de la température complètent les données. L’origine de l’anisotropie (magnétique, magnétocristalline, magnétostrictive ou liée aux effets de marches et d’angle de désorientation du substrat) est finalement discutée. / We report a quantitative analysis of thickness dependent epitaxial strain-induced effects in La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) thin films of thicknesses (50, 25 and 12 nm) grown on various single crystal substrates such as SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) and (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001) by Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. We also report the composition dependent magnetic properties of LSMO thin films with x = 0.33 and 0.38 in particular grown onto LSAT (001) substrate by Molecular Beam Epitaxy (MBE). The study mainly includes measurements such as X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), temperature dependent four-probe resistivity, magnetization properties by Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), magnetic anisotropy by Magneto-Optical Kerr Magnetometry (MOKE). Our results highlight the detailed study of angular evolution and thickness dependent magnetic anisotropy, remanence, coercivity and switching field in epitaxial LSMO thin films. Temperature-dependent studies are also performed on few selected films. We will also discuss the cause of magnetic anisotropy in LSMO films i.e., magneto-crystalline and magnetostriction anisotropy and the effects of steps or substrate mis-cut induced anisotropy.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de matériaux composites nanostructurés à propriétés électriques et magnétiques inédites. Afin de répondre à des besoins technologiques pour, l'électronique de puissance intégrée : le stockage ou la transmission de l'énergie, les télécommunications (antenne intégrée...), le stockage de l'information par enregistrement magnétique et le marquage biologique, le composite doit présenter globalement une polarisation magnétique élevée ainsi qu'un comportement isolant permettant de pousser les limites fréquentielles, minimiser les pertes dynamiques et découpler les grains entre eux. Les matériaux composites élaborés sont constitués d'une matrice d'accueil - magnétique (ferrite spinelle) ou non-magnétique (diélectrique = silice) - dans laquelle sont dispersées des particules métalliques (Fer-Nickel ou Cobalt). Ces matériaux sont novateurs dans la mesure où le matériau final peut bénéficier d'un couplage des propriétés magnétiques des deux phases constitutives. L'holographie électronique en transmission a mis en évidence une ocnfiguration de spins de type « vortex » dans les nanoparticules de Fe30Ni70. Les mesures holographiques ont été comparées au profil de l'aimantation, dans un vortex, modélisé par une approche micromagnétique. Des analyses physico-chimiques approfondies nous ont permis de confirmer les topologies visées : pour le composite métal-diélectrique, l'épaisseur de la couche d'enrobage a pu être contrôlée à l'échelle nanonométrique. Pour le composite métal-oxyde obtenu par croissance directe du ferrite sur la phase métallique, on a démontré une bonne dispersion des particules métalliques. Les propriétés magnétiques et structurales des différents composites, en poudre ou compactés par SPS (compactage-frittage flash), ont été caractérisées et discutées. Les propriétés fonctionnelles ont été aussi étudiées et sont très prometteuses pour les applications visées. L'enrobage des nanoparticules par la silice a permis la préparation de leur surface dans la perspective d'une fonctionnalisation par des entités biologiques.