Building upon transport measurements conducted on two vertical double quantum dot devices, we model and analyze data to investigate intra-dot energy level mixing and long-period oscillations of current. While experimental single-particle spectra are well-described overall by the spectra of elliptical harmonic confinement potentials, the observation of level anticrossings in the single-particle spectra indicates that the real dot potentials are not perfectly elliptical harmonic. We successfully model the level crossing phenomenon, and the spectrum as a whole, by adding small defects to the ideal elliptical harmonic confinement potential. By checking the resulting spectra against the experimental data and only keeping the defects which improve the match, we iteratively develop a potential that gives rise to a spectrum that agrees very well with experiment.We investigate a tunneling current feature that is hysteretic under B-field sweeps and exhibits long-lived quasi-periodic temporal oscillations of current. Previous observations of similar current oscillations have been limited to the low-bias spin blockade regime, while these are observed at high bias (-12 mV) and high magnetic field (~4 T). We apply signal processing techniques such as autocorrelation and power spectrum analysis to quantify the oscillatory behaviour of the current measurements, revealing a strong central periodicity of ~100-150 s for the oscillations and a peak in power spectral density that is almost four orders of magnitude higher than background noise. In addition, we quantify a number of other aspects of this oscillating feature, including the transition of current observations from the `high' state to the `low' state as magnetic field is swept through the feature. Though a model explaining the origin of these phenomena is still lacking, they are postulated to be the result of hyperfine interactions. / En s'appuyant sur des mesures de transport effectuées sur deux dispositifs qui incluent des boîtes quantiques doubles verticales, nous modélisons et analysons les données pour étudier le mélange des niveaux d'énergie intra-boîte et les oscillations du courant de longue période. Bien que les spectres expérimentaux à une particule soient en général bien décrits par les spectres des potentiels de confinement harmoniques elliptiques, l'observation d'anticroisements des niveaux dans les spectres à une particule indique que les potentiels réels des boîtes ne sont pas parfaitement harmoniques elliptiques. Nous avons réussi à modéliser avec succès le phénomène de croisement des niveaux, ainsi que le spectre dans son ensemble, en ajoutant de petits défauts au potentiel de confinement harmonique elliptique idéal. En comparant les spectres résultant aux données expérimentales et en ne retenant que les défauts qui améliorent la concordance avec ces données, nous avons developpé itérativement un potentiel qui donne lieu à un spectre s'accordant très bien avec l'expérience. Nous étudions une caractéristique du courant tunnel qui est hystérétique lors d'un balayage du champ magnétique et qui montre des oscillations temporelles du courant quasi-périodiques et de longue durée de vie. Les précédentes observations de semblables oscillations du courant ont été limitées au régime de blocage de spin à basse tension, tandis que celles-ci sont observées à tension élevée (-12 mV) et à large champ magnétique (~ 4 T). Nous appliquons des techniques de traitement de signal telles que l'autocorrélation et l'analyse du spectre de puissance pour quantifier le comportement oscillatoire des mesures de courant, révélant une forte périodicité centrale de ~ 100-150 s des oscillations et un maximum de la densité spectrale de puissance qui est près de quatre ordres de grandeur supérieur au bruit de fond intrinsèque. En outre, nous quantifions un certain nombre d'autres aspects de cette fonction oscillante, y compris la transition des observations du courant de l'etat `haut' vers l'état `bas' lorsqu'un champ magnétique est balayé à travers la caractéristique. Bien qu'un modèle expliquant l'origine de ces phénomènes ne soit pas encore disponible, ils sont postulés être le résultat d'interactions hyperfine.

In this thesis we investigate quantum transport properties of topological insulator (TI) Bi2 Se3 from atomistic point of view. TI is a material having an energy gap in its bulk but supporting gapless helical states on its boundary. The helical states have Dirac-like linear energy dispersion continuously crossing the bulk band gap with a spin texture in which the electron spin is locked perpendicular to the electron momentum. The peculiar electronic structure of TI material Bi2 Se3 is due to a strong spin-orbit interaction and is protected by the time reversal symmetry. The thesis consists of two main parts. The first reviews the theory of TI and the second presents our atomistic calculations of electron transport in the Bi2 Se3 material. In the theoretical review of the physics of TI, I follow the literature and attempt to present it in a reasonably accessible manner. The theory of TI is explained in terms of well known physical phenomena including classical and quantum Hall effects, spin-orbit coupling, spin current, and spin-Hall effect. The concept of Berry's phase is then introduced to link with the formal conventionalclassification of TI by the topological Z2 invariants. The entire discussion is within the well known Bloch band theory. In the second part of this thesis, numerical studies of transport properties of Bi2 Se3 are presented. After a brief discussion of the relevant quantum transport theory and the tight binding atomistic model, we present our calculated quantum transport results of Bi2 Se3 films having a trench in the middle. Such a large defect, if on normal conductors, would cause significant back scattering of the carriers. Here, by topological protection of the helical states, back scattering is forbidden due to the spin-momentum locking. Nevertheless, large trenches in the film may cause the helical states on the surface to mix inside the trench, thereby affecting the transmission. / Dans cette thèse, nous étudions le transport quantique dans l'isolant topologique (TI) Bi2Se3 à partir d'un modèle d'échelle atomique. Un TI est un matériau ayant une structure de bande de type isolant bien qu'on y retrouve des états hélicodaux en surface. Ces états hélicoı̈daux ont une relation de dispersion linéaire, dite dispersion de Dirac, qui traverse la bande interdite du cristal. Ces électrons voyageant selon les relations de Dirac sont contraints à se mouvoir perpendiculairement à leur spin. La structure électronique particulière de l'isolant topologique Bi2Se3 est due à une forte interaction spin-orbite et est protégée par une symétrie par renversement du temps. Cette thse comporte deux grands segments. Dans un premier temps, nous présentons une synthèse de la théorie générale des isolants topologiques. Nous présentons ensuite les résultats de nossimulation de transport quantique dans le matériau Bi2Se3. Dans notre résumé de la théorie des TI, nous présentons une revue de littérature et décrivons conceptuellement, dans la mesure du possible, le comportement des TI de sorte à rendre notre texte intelligible au non-expert. La théorie des TI est expliquée à artir de phénomènes classiques et quantiques connus tels que l'effet Hall, l'interaction spin-orbite, le courant de spin, l'effet Hall de spin, etc. Le concept de la phase de Berry est ensuite introduit pour faire le pont avec la classification traditionnelle des TI, laquelle se base sur les invariants topologiques de Z2. Le tout est présenté avec la théorie des bandes en filigrane. Dans le second segment de cette thése, nous étudions les propriétés physiques du Bi2Se3 à partir de simulations numériques. Après une brève discussion de certains éléments pertinents empruntés de la théorie du transport quantique et du modèle des liens étroits d'échelle atomique, nous présentons les résultats d'une simulation dans laquelle des électrons voyagent à travers un film de Bi2Se3 ayant une dépression en son milieu. Un tel défaut provoquerait une forte diffusion des porteurs de charge dans un conducteur standard. Dans le cas qui nous concerne, la diffusion des états hélicoı̈daux est endiguée par la contrainte qui force ces états à voyager perpendiculairement à leur spin. Néanmoins, de larges dépressions dans le film peuvent provoquer le mélange des états hélicoı̈daux de surface et des états localisés à l'intérieur du cristal, ce qui affecte le transport des porteurs de charge.

The use of a theory to extract parameters from experimental data requires proper understanding of the statistical variation. Furthermore, the improvement of any experimental technique requires a sound understanding of the sources of error and an accurate model of how experimental parameters effect signal strength and noise. The second order intensity-intensity correlation function is the standard measured quantity in dynamic light scattering and x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) experiments. In this thesis we compare the measured variances of the correlation function to a model based on the statistics of dynamic light scattering. Agreement between the dynamic light scattering model and the x-ray photon correlation spectroscopy data is shown. XPCS experiments are typically conducted with low photon flux and are used to study long time constants. To achieve sufficient statistics area detectors are used. We show that there are appreciable correlations between near neighbour pixels. These correlations reveal important features that must be included to accurately draw conclusions from XPCS experiments. / L'utilisation d'une théorie pour extraire des paramètres depuis des données expérimentales nécessite une compréhension des variations statistiques. De plus, l'amélioration d'une technique expérimentale repose sur la compréhension des sources d'erreurs and d'un modèle précis de l'effet des paramètres expérimentaux sur le signal et le bruit. La fonction de corrélation intensité-intensité de deuxième ordre est une quantité de mesure standardisée pour les expériences de diffusion de lumière dynamique et de spectroscopie de corrélation de photons en rayons X (X-ray Photon Correlation Spectroscopy, XPCS). Dans cette thèse, nous comparons les variances mesurées de la fonction de corrélation à un modèle basé sur les statistiques de diffusion de lumière dynamique. Nous démontrons l'accord entre le modèle de diffusion de lumière dynamique et les données XPCS. Les expériences XPCS sont en général effectuées avec un faible flux de photons et sont utilisées pourétudier les constantes à long terme. Pour atteindre des statistiques susantes, de détecteurs à résolution spatiale sont utilisés. Nous montrons l'existence de corrélations entre pixels voisins. Ces corrélations révèlent d'importantes caractéristiques qui doivent tre inclues afin de tirer des conclusions précises des expériences XPCS.

The europium in arc melted EuCu₂Si₂ and EuCu₂Ge₂ has remarkably different behaviours. The europium in the silicide is intervalent, while in the germanide it is divalent, exhibiting antiferromagnetic ordering below 12.89(6) K. When grown from an indium-flux both compounds are antiferromagnetic with a spin flipping process, as observed by 151-Eu Mössbauer spectroscopy. We use flat plate neutron diffraction and single crystal Mössbauer spectroscopy to find and compare the static and dynamic magnetic structures of the compounds.Neutron diffraction patterns at a wavelength of 2.37 Å of both arc melted and indium-flux grown EuCu₂Ge₂ are fitted to planar helimagnetic structures. The arc melted germanide exhibits two different magnetic phases. The first phase has a propagation vector of [0.654(1), 0, 0] and moments of 6.4(1) μʙ. The second phase has a propagation vector of [0.421(1), 0.225(1), 0] and moments of 6.5(1) μʙ at 3.5 K. Both phases have moments rotating in the (b,c) plane. The indium-flux grown germanide has a single magnetic phase with a propagation vector of [0.281(1), 0.281(1), 0] and moments of 4.98(7) μʙ at 0.3 K, rotating in a plane perpendicular to the (110) direction. The 153-Eu Mössbauer spectrum has a hyperfine field of 28.4(6) T, and moments oriented within 30° of the c-axis at 2 K. The indium-flux grown EuCu₂Si₂ compound's magnetic structure has a propagation vector of [0.239(1), 0.239(1), 0] and moments of 2.4(1) μB at 3.6 K. The 151-Eu Mössbauer spectrum at 5 K has a hyperfine field of 42(1) T and moments oriented within 30° of the c-axis. / Il existe une différence marquée entre les carctéristiques des matériaux EuCu₂Si₂ et EuCu₂Ge₂ formés par liquéfaction sous décharge d'un arc électrique. L'europium dans le silicide est intervalant, alors qu'il est divalant dans le germanide, présentant ainsi une structure antiferromagnétique sous 12,89(6) K. Lorsque ces derniers sont fabriqués par flux d'indium, les deux sont antiferromagnétiques par un procédé de renversement de spin, tel qu'observé par spectroscopie Mössbauer de l'151-Eu. Nous utilisons un support plat pour diffraction de neutrons, ainsi que la spectroscopie Mössbauer à monocrystal pour déterminer et comparer la structure magnétique statique et dynamique des deux composés. Les patrons de diffraction de neutrons à une longueur d'onde de 2,37 Å pour les échantillions de EuCu₂Ge₂ fait par liquefaction sous arc et par flux d'indium ont été ajustés analytiquement à une structure planaire hélimagnétique. Le germanide liquéfié par arc présentait deux phases magnétiques distinctes. La première avait un vecteur de propagation de [0,654(1), 0, 0] et des moments magnétique de 6,4(1) μʙ tandis que la seconde avait [0,421(1), 0,225(1), 0] et 6,5(1) μʙ respectivement comme vecteur de propagation et des moments magnétique à 3,5 K. Les deux phases possédaient des moments en rotation dans le plan (b,c). Le germanide liquiéfié à l'indium a une seule phase magnétique avec un vecteur de propagation de [0,281(1), 0,281(1), 0] et des moments de 4,98(7) μʙ à 0,3 K, en rotation dans le plan perpendiculaire à la direction (110). Le spectre Mössbauer de l'153-Eu a donné un champ hyperfin de 28,4(6) T et des moments orienté à moins de 30° de l'axe-c à 2 K. La structure magnétique du composé EuCu₂Si₂ fait par flux d'indium avait un vecteur de propagation de [0,239(1), 0,239(1), 0] et des moments de 2,4(1) μʙ à 3,6 K. Le spectre Mössbauer de l'151-Eu à 5 K avait un champ hyperfin de 42(1) T et des moments orienté à moins de 30° de l'axe-c.

Digital time-differential perturbed gamma-gamma angular correlation (TDPAC) spectrometers have recently been introduced as a versatile alternative to the conventional analogue implementation, eliminating analogue signal processing in favour of software. In the first part of this work we describe a digital spectrometer which utilises minimal software and hardware without sacrificing performance. Specifically, we replace automation with user participation at the start of spectrum collection, significantly reducing effort required in software development, the primary hurdle in digital TDPAC implementation. We achieve timing resolution as good as 350 ns, energy resolutions near 16%, and data rates up to 70 kcps per detector, with BaF2 detectors. In the second part of this work, we use 181-Hf TDPAC to study the static and dynamic magnetism in melt-spun a-Fe_xHf_{100-x} bond frustrated materials, for x=91.3 to 92.1. We extract from spectra the static magnetic hyperfine field Bhf and a decay rate, lambda, which we attribute to fluctuations in Bhf. We observe the onset of magnetic ordering in Bhf at Tc and a deviation from Brillouin behaviour at lower temperatures, consistent with transverse spin freezing at Txy. Lambda shows a sharp peak at Tc and a finite, broad peak at Txy, with remarkable similarity to previous μSR results. Tc values extracted from Bhf and lambda are consistent with 57-Fe Mossbauer and are used with Txy values from lambda to map out the zero field magnetic phase diagram, which displays increasing frustration with decreasing Hf content in a narrowing gap between Tc and Txy, and is almost identical to that for the Fe-Zr system. Through this work, we demonstrate the sensitivity of TDPAC to magnetic dynamics even in complex systems with large, static and disordered magnetic fields and electric field gradients. / Les spéctromètres numériques de corrélation angulaire gamma-gamma différentielle en temps perturbée (TDPAC) ont été introduits récemment comme alternatives polyvalents aux spéctromètres analogiques conventionels. Dans la première partie de ce travail, nous décrivons un spéctrometre numérique qui utilize un minimum de code et d'instrumentation sans sacrifier la performance. En particulier, nous remplaçons l'automation par la participation de l'utilizateur, réduisant considérablement l'effort du codage, ce qui représente la majorité du travail requis pour réaliser un système de TDPAC numérique. Nous obtenons des résolutions en temps et en énergie de 350 ns et de 16% avec des détecteurs de BaF2 et des taux d'acquisition de 70 mille évenements, par seconde, par détecteur. La deuxième partie de ce travail consiste d'un étude 181-Hf TDPAC des propriétés statiques et dynamiques du magnetisme dans les matériaux frustrés a-Fe_xHf_{100-x}, préparés à la trempe sur roue pour x = 91.3 - 92.1. Un champ magnétique statique, Bhf, et un taux de décroissance, lambda, qui mesure les fluctuations magnétiques, sont extraits des spectres. Bhf manifeste l'apparance de l'ordre magnétique à Tc et, aux températures basses, il s'écarte du modèle Brillouin, en accord avec les composantes transversales de spins qui se figent à Txy. La forme de lambda a une ressemblence étonnante à la forme du taux de fluctuation obtenu par μSR pour le système a-Fe_xZr_{100-x}, avec un maximum aigu à Tc et un maximum diffus à Txy. Les valeurs de Tc sont confirmés par la spectroscopie de Mossbauer à 57-Fe. La diagramme de phase magnétique, presque identique à celui du système Fe-Zr, manifeste une frustration qui augmente avec une décroissance du contenu Hf, indiquée par le raprochement de Tc et de Txy. Ce travail éprouve la puissance de TDPAC comme outil pour l'étude des comportements dynamiques magnétiques, même dans les systèmes complexes y compris des champs intenses statiques et désordonés.

Identifying the correct order parameter structure of the iron based superconductors family will provide insight about the pairing mechanism in these materials. Due to their multi-orbital band structure, the proximity of the superconducting phase to an anti-ferromagnetic phase, and the fact that superconductivity on these materials is associated to the Fe-pnictide layer, most theories favour an unconventional pairing mechanism, and an s± pairing symmetry, which changes signs between the electron and hole Fermi pockets. However, as most experiments are only sensitive to the magnitude of the order parameter and theoretical proposals for phase sensitive experiments are challenging, the s± structure remains unconfirmed. In 2010, Chen et al. performed a phase sensitive experiment that showed evidence of integer flux quantum and half integer flux quantum jumps in a Nb- NdFeAsO_0.88F_0.12 composite loop (Chen et al., 2010). This experiment has been interpreted as evidence of the predicted s± pairing symmetry. Inspired by these results, we present a microscopic lattice model to study the energy dependence on flux for an iron-pnictide/s-wave superconductor composite loop. / Identifier la structure du paramètre d'ordre de la famille de supraconducteurs à base de fer permettrait de mieux comprendre le mécanisme de création de paires dans ces matériaux. En raison de leur structure de bande multi-orbitale, de la proximité entre leur phase supraconductrice et anti-ferromagnétique ainsi que de la relation entre la supraconductivité et la couche Fe-pnictide qui leur être propre, la plupart des théories favorisent pour ces matériaux un mécanisme de formation de paires non-conventionnel. Les modèles théoriques prévoient également une symétrie s± dans la formation des paires, qui change de signe entre les électrons et les trous dans la surface de Fermi. Néanmoins, puisque les expériences actuelles ne sont sensibles qu'à la grandeur du paramètre d'ordre, la structure s± reste à confirmer. En 2010, Chen et al. ont exécuté une expérience sensible à la phase ayant montré l'existence de transitions de multiples entiers et demi-entiers de quantum de flux entier dans une boucle composite de Nb- NdFeAsO_0.88F_0.12 (Chen et al., 2010). Cette expérience a été interprétée comme une évidence de la symétrie s± dans la formation de paires. Inspirées par ces résultats, nous présentons un modèle de réseau microscopique pour étudier la dépendance en flux de l'énergie dans une boucle composite supraconductrice de fer-pnictide et un supraconducteur s sphérique.

The search for a Majorana Fermion has been an area of intense interest in condensed matter research of late. This elusive particle, predicted to exist in 1937, has been sought after for both fundamental and practical reasons. On the fundamental level, no particle to date has been observed to be a Majorana fermion, meanwhile on the practical level a Majorana fermion, if found, would represent a non-abelian anyon and could thus be used to build a quantum computer. The search for a Majorana Fermion has recently shifted to topological superconductivity. Topological superconductors are categorized by the nontrivial winding of their order parameter phase and for this reason are expected to support Majorana Fermions in their vortex cores. Owing to this, the study of topological superconductors has intensified in recent years. Current proposals for a device that may behave as a topological superconductor are based on semiconductor heterostructures, where the spin-orbit coupled bands of a semiconductor are split by a band gap or Zeeman field and superconductivity is induced by proximity to a conventional superconductor. In this setup, topological superconductivity is obtained in the semiconductor layer and the proposed heterostructures typically include two or three layers of different materials. In this thesis we propose a simplification to these types of devices, suggesting a way in which the superconducting layer can be replaced. Part of our proposal includes a model Hamiltonian for these types of systems. This thesis will also develop several different methods to analyze this model Hamiltonian in various different parameter regimes with the ultimate goal of classifying its topology. / Récemment, une région d'intérêt en la recherché de la matière condensée est le recherche pour les "Majorana Fermions". Les physiciens sont fascinés avec cette particule pour des raisons fondamentales et pratiques. Fondamentalement, une particule se comporte comme un Majorana Fermion n'a jamais été trouvée avant. Pratiquement, un Majorana Fermion pourrait être utilisé pour la construction d'un ordinateur quantique. Dans les dernières années, les chercheurs ont commencé à chercher pour des Majorana Fermions dans les supraconducteurs. En particulier, les supraconducteurs topologiques sont crus de supportes les Majorana Fermions dans leur vortex cores et de ce fait des nombreux dispositifs supraconducteurs topologiques ont été proposées. Les propositions récemment sont basées sur les hétérostructures de trois ou deux couches. Dans ces hétérostructures, les bandes d'un semiconducteur avec le couplage de spin-orbit sont séparées par le champ Zeeman d'une couche ferromagnétique (ou un champ appliqué). Après cette, supraconductivité topologique est établie dans la couche de semiconductrice en raison de la proximité d'une couche de supraconducteur ordinaire. Dans cette thèse nous proposons une simplification des dispositifs décrits ci-dessus; nous suggérons un moyen d'enlever la couche de supraconductivité. Nous commençons par proposer un Hamiltonian du cette système et procède à développer des nombreuses méthodes pour analyser cette Hamiltonian avec l'objectif ultime de classifier la topologie de ce système.

Scanning probe microscopy (SPM) studies are carried out with atomically defined tips, characterized by field ion microscopy (FIM). This combination of microscopies allows for the characterization of the SPM probe apex which is usually of unknown atomic geometry – in principle, an atomically defined tip would predetermine SPM resolution and the tip's electronic structure for spectroscopy. In a set of exploratory experiments to investigate the use of atomically defined tips in SPM, we investigate issues of tip integrity, material transfer and tip modifications, and implement the tips in the study of mechanical properties of nanoscale contacts by indentation. In order to perform SPM studies with the characterized tips, a protocol is introduced to preserve the atomic structure of the tip apex from etching due to gas impurities during the transfer period from FIM to SPM. Estimations are made regarding the time limitations of such an atomically-defined experiment due to contamination by ultra-high vacuum (UHV) rest gases. We conclude from tunneling experiments with several types of surfaces that transferred atoms from the sample limit the choice of surfaces for which the tip integrity is preserved in tunneling experiments at room temperature. The atomic structure of FIM tip apices is unchanged only after tunneling to the highly reactive Si(111) surface. Atoms transferred to W(111) and W(110) tip apices from the Au(111) surface during tunneling and approach to contact experiments are characterized in FIM at room temperature and at 158 K. The different activation energies for diffusion on the (111) and (110) tip planes and the experiment temperature are shown to be important considerations in observing changes to the atomic structure of the tip in FIM. Resolution of atomically defined tips in scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) is investigated on the Si(111)-2×1 surface, but tip integrity remains a challenge even for this substrate at room temperature. In spite of changes to the atomic structure of tip apices, FIM-characterized SPM tips are very well suited to the study of nanoscale plasticity in atomic-scale nanoindentation. Accurate characterization of the probe tip is required for estimating contact stresses and is also used as input for atomistic simulations on the same size scale. We investigate unique phenomena in mechanical contacts between dissimilar metals with clean FIM tips, then the formation of the smallest permanent indentation on the Au(111) surface is studied at the transition of elastic to plastic loading. Nanoindentation and characterization of the plastic damage to the surface are accomplished by simultaneous STM and atomic force microscopy (AFM) with a 9.5 nm radius W(111) tip. Elastic and plastic indentations are identified both in the residual impression image and by features in their force-displacement curves such as the sink-in depth, pop-ins and hysteresis energy. Plasticity is best identified quantitatively in the force-displacement curves by the sink-in depth. The minimum 'quantum' of plastic damage to the substrate is associated with an energy budget of ~70 eV.In summary, we have introduced a protocol for implementing atomically defined tips in SPM experiments and explored the limitations in preserving the integrity of the tip. We conclude that within the constraints of room temperature experiments on metal surfaces, their use in atomic-scale nanoindentation experiments is still extremely valuable. / Des études de microscopie à sonde locale (scanning probe microscopy, SPM) sont effectuées à l'aide de pointes définies à l'échelle atomique caractérisées par microscopie à champ ionique (field ion microscopy, FIM). La combinaison de ces microscopies permet de caractériser la géométrie, généralement inconnue, des atomes situés à la pointe d'une sonde SPM. En principe, cette information détermine la résolution de la SPM ainsi que la structure électronique de la pointe en spectroscopie. Une séquence d'expériences exploratoires en SPM utilisant ces pointes, permet d'étudier les problèmes reliés au maintient de leur intégrité, au transfert de matériel et à leur modification. Ces pointes sont ensuite utilisées lors d'expériences d'indentation afin d'étudier les propriétés mécaniques des contacts à l'échelle nanométrique. Afin de réaliser des études de SPM avec des pointes définies, un protocole est développé pour protéger la structure atomique des pointes contre les attaques chimiques par des impuretés gazeuses, lors de leur transfert du FIM au SPM. Une fois dans un ultra haut vide (UHV), ces expériences sont soumises à des contraintes de temps dû à l'éventuelle contamination des pointes par des gaz résiduels. Une estimation de ces contraintes est présentée. À partir d'expériences de jonction tunnel effectuées sur différents types de surface, nous observons que pour plusieurs d'entre elles, le transfert d'atome de l'échantillon à la pointe ruine l'intégrité de la sonde à température ambiante. Cela limite grandement le choix des matériaux pour ce type d'expérience. Dans nos expériences, la structure atomique des pointes imagées par FIM reste inchangée seulement dans le cas de la surface très réactive Si(111). La résolution obtenue avec ces pointes en microscopie à effet tunnel (MET) et en spectroscopie par effet tunnel (scanning tunneling spectroscopy, STS) est étudiée sur une surface Si(111)-2×1. Même pour ce substrat, la préservation de l'intégrité de la pointe à température ambiante demeure un défi. En dépit des changements qui modifient la structure atomique des pointes lors d'une expérience, ces sondes caractérisées par FIM sont intéressantes pour l'étude de la plasticité à l'échelle nanométrique par nano-indentation. Une caractérisation exacte de la pointe de la sonde est nécessaire pour estimer le tenseur des contraintes associé à un contact mécanique et permet de déterminer les paramètres d'entrées pour des simulations atomistiques. L'observation d'un nouveau phénomène lors d'un contact mécanique entre différents métaux et des pointes propres caractérisées par FIM est présentée. La formation de la plus petite indentation permanente sur une surface d'or Au(111) est étudiée à la transition entre les régimes de déformation élastique et plastique. La nano-indentation et la caractérisation de la déformation plastique sur la surface sont réalisées par une mesure simultanée de microscopie à effet tunnel (MET) et de microscopie à force atomique (MFA) avec une pointe de W(111) de 9.5 nm de rayon. Les indentations plastiques et élastiques sont identifiées à l'aide des images des impressions résiduelles ainsi que par les caractéristiques des courbes de force-déplacement, telles que la profondeur de sink-in, les pop-ins et l'énergie d'hystérésis. La plasticité s'identifie mieux par une analyse quantitative de la profondeur de sink-in dans les courbes de force-déplacement. Le "quanta" de la plus petite déformation plastique sur un substrat est associé à une énergie d'environ 70 eV.En résumé, nous avons développé un protocole pour implémenter des pointes définis à l'échelle atomique pour des expériences de SPM et nous avons exploré les limitations associées à la préservation de leur intégrité. Nous concluons que malgré les contraintes reliées à leur usage à température ambiante, ces pointes demeurent néanmoins très intéressantes pour des expériences de nano-indentations.

Contacts between atoms present the reduction of an electronic system to the smallest scale accessible at the present. Field ion microscopy (FIM) and simultaneous scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM) were used to characterize atomic contacts between a tungsten (W(111)) STM-tip and a gold (Au(111)) sample. The STM-tip was imaged with atomic resolution using FIM and reconstructed in a three dimensional ball model. Force and current were measured simultaneously while the tip approached an atomically flat Au(111) sample to form a contact.A detailed description of the tip production and characterization using an etching setup that was developed for this thesis is introduced. These tips are characterized by field ion microscopy (FIM). The adaptation of a well known three dimensional ball model reconstruction to the tungsten bcc(111) crystal is described and utilized to reconstruct FIM micrographs of W(111) STM-tips. Using several of such tips, the long-range forces of the tip-sample system were analyzed using recent theoretical models, concluding that van der Waals and electrostatic force contributions were negligible for tips with a radius smaller than r_tip = 15 nm within the precision of the FIM-STM/AFM system that was employed for the experiments.Force and current data for different structural modifications of the W(111)-Au(111) SPM tunneling junction are presented and discussed. Findings include that the W-Au junction in geometries which were examined in this thesis do not exhibit the conductive properties of a one-atom contact.A comparison of different theoretical approaches that treat the correlation of force and current in a STM type tunneling junction is presented and the results of this thesis support a F^2 ~ I_t proportionality for a three-atom tungsten tip contacting an atomically flat Au(111) sample. / Un contact entre atomes est la réduction d'un système électronique à la plus petite échelle actuellement accessible. La microscopie à champ ionique (field ion microscopy, FIM) et la microscopie à effet tunnel (scanning tunneling microscopy, STM) simultanément à la microscopie à forces atomiques (atomic force microscopy, AFM) ont été utilisées pour caractériser le contact atomique entre une pointe de tungstène (W(111)), un palpeur pour le STM, et un échantillon d'or (Au(111)). La pointe a été imagée par FIM avec une résolution atomique et reconstruite par un modèle de balle tridimensionnel. La force et le courant ont été mesurés simultanément pendant que la pointe s'approchait de l'échantillon d'or (111) atomiquement plat pour y former un contact.Une description détaillée de la production et de la caractérisation des pointes par l'utilisation d'un système d'attaque électrolytique, développé pour cette thèse, est présentée. L'adaptation de la reconstruction par modèle de balle tridimensionnel au cristal de tungstène ccc(111) est décrite, puis utilisée pour reconstruire les pointes W(111). En utilisant plusieurs de ces pointes, les forces à longue portée du système pointe-échantillon ont été analysées en utilisant de récents modèles théoriques, ce qui a permit de conclure que les contributions des forces de van der Waals et des forces électrostatiques sont négligeables pour des pointes de rayon inférieur à r_pointe = 15 nm, compte tenu de la précision du système FIM-STM/AFM employé pour les expériences.En lien avec les simulations qui prennent en compte les forces d'interaction pointe-échantillon et les propriétés conductrices de la séparation des contacts, des données de force et de courant pour différentes modifications structurelles de la jonction tunnel W(111)-Au(111) sont présentées et analysées. Entre autres choses, il est montré que la jonction W-Au, pour les géométries étudiées dans cette thèse, ne présente pas les propriétés conductrices d'un contact monoatomique.En comparant différentes approches théoriques qui traitent de la corrélation entre la force et le courant dans une jonction tunnel de type STM, les données pour la jonction W(111)-Au(111) sont mises en relation avec ces lois de puissance. Les résultats de cette thèse indique une proportionnalité F^2 ~ I_t pour une pointe de tungstène à 3 atomes faisant contact avec un échantillon d'or (111) atomiquement plat.

Performing transport measurements on weakly coupled vertical double quantum dots, we study by magneto-resonant-tunneling spectroscopy, single-particle energy spectra of the constituent dots over a wide energy window. The measured energy spectra are well modeled overall by ideal spectra calculated for elliptical and parabolic in-dot-plane confinement potentials. However, in regions where single-particle energy levels are naively expected to cross, we observe pronounced level anti-crossing behaviour and strong resonant current variations (both enhancement and suppression). Within a coherent tunneling picture, these effects can be attributed to coherent level mixing induced by weak perturbations in the nearly ideal dot confinement potentials. We analyze the energy spectra in detail, and focus on examples of two-, three- and four-level crossings where we observe the suppression of an otherwise strong current resonance, a signature of dark state formation due to destructive interference. The mixing we measure and model at two three-level crossings represents an all-electrical analogue of coherent population trapping. We also explore the limitations of the applicability of the coherent level mixing model and demonstrate in-situ alteration of the coupling between levels.We further examine the electron spin-nuclear spin (hyperfine) interaction. In the familiar two-electron spin blockade regime, on application of an out-of-dot-plane magnetic field, we observe current switching and hysteresis, and a funnel-like structure in the leakage current, all hallmarks of the hyperfine interaction. The measurements bring to light a strong gate voltage dependence, significant device-to-device variations, and an intricate bias voltage history dependence not accounted for in any existing model. Unexpectedly, we also observe signatures of the hyperfine interaction at high bias, well outside the spin blockade regime. We characterize these features and suggest how the hyperfine interaction may play a role at high bias, although the electronic states involved generally can not easily be identified. As a first step toward understanding this new regime, we describe another hysteretic funnel-like structure observed at high bias where the electronic states involved can be identified as two-electron states, so allowing us to postulate a specific mechanism for this funnel. / En effectuant des mesures de transport sur des boîtes quantiques doubles faiblement couplées, nous étudions, par la spectroscopie par effet tunnel magnetorésonant, les spectres d'énergie de particule simple dans une grande fenêtre d'énergie. Les spectres d'énergie mesurés sont modélisés par les spectres calculés pour des potentiels de confinement elliptique et parabolique. Cependant, dans les régions où les niveaux d'énergie de particule simple doivent se croiser, nous observons des comportements de croisements évités et des variations du courant résonnant. Dans le cadre de l'effet tunnel cohérent, ces effets peuvent être attribués au mélange cohérent des niveaux induit par les faibles perturbations du confinement. Nous analysons les spectres d'énergie et focalisons sur des exemples de croisements de deux à quatre niveaux où nous observons la suppression d'une résonance de courant qui est une signature de la formation d'un état sombre dû à de l'interférence destructive. Le mélange que nous mesurons et modélisons à deux croisements de trois niveaux représente un piégeage cohérent de population.Nous examinons plus en détail l'interaction hyperfine entre les spins des électrons et des noyaux. Dans le régime du blocage de spin avec deux électrons, lors de l'application d'un champ magnétique hors plan, nous observons un courant intermittent avec de l'hystérèse et une structure en entonnoir dans le courant de fuite, qui sont des aspects marquants de l'interaction hyperfine. Les mesures dévoilent une dépendance sur la tension de grille, des variations d'un dispositif à l'autre et une dépendance sur l'histoire de la tension de biais qui apparaît dans aucun modèle existant. Nous observons également des signatures de l'interaction hyperfine à biais élevé, au-delà du régime du blocage de spin. Nous caractérisons ces aspects et suggérons comment l'interaction hyperfine peut jouer un rôle à biais élevé, quoique les états électroniques impliqués ne puissent pas être identifiés facilement. Comme première étape vers la compréhension de ce nouveau régime, nous décrivons une autre structure hystérétique en entonnoir observée à biais élevé où les états électroniques impliqués peuvent être identifiés comme des états à deux électrons, ce qui nous permet de postuler un mécanisme spécifique pour cet entonnoir.