Cette thèse porte sur l'étude des propriétés physiques du composé ferromagnétique supraconducteur URhGe. Il s'agit de la première étude menée sur des échantillons se présentant sous forme monocristalline et dans des conditions expérimentales extrêmes: très basse température, très haute pression hydrostatique et fort champ magnétique. Dans un premier temps, nous décrivons la cristallogénèse ainsi que les traitements thermiques nécessaires à l'obtention de cristaux présentant des transitions supraconductrices résistives complètes et étroites. Dans un second temps nous présentons le diagramme de phase (P,T) obtenu par des mesures d'aimantation, transport et calorimétrie. Contrairement à son homologue UGe2, la température de Curie (TCurie) croît quasi linéairement jusqu'à 130 kbar alors que la température critique supraconductrice (Tc) diminue de façon monotone. Nous reportons également l'influence des défauts cristallins sur l'état supraconducteur ainsi que la première tentative de mesure du courant critique. Ces résultats démontrent que l'état fondamental de ce composé est non conventionnel. Finalement nous présentons les premières mesures du second champ critique (Hc2) réalisées sur des échantillons de qualité différente. La présence des domaines magnétiques au sein du condensât supraconducteur s'illustre par un saut de Hc2 au voisinage de Tc. La valeur de Hc2 au zéro absolu ainsi que la forte anisotropie observée mettent en évidence que la symétrie du paramètre d'ordre est très certainement triplet polaire.

Dans cet ouvrage, nous présentons deux types d'expériences sur des nanotubes uniques caractérisés parallèlement par microscopie électronique en transmission. Le premier type d'expériences a été mené sur des jonctions métal-nanotube de carbone-métal. La résistance différentielle de ces jonctions a été mesurée à des températures allant de 50 mK à 1K. Lorsque les contacts sont supraconducteurs, nous avons montré qu'il était possible d'induire par effet de proximité un supercourant au sein d'une corde ou d'un tube monoparoi. Lorsque les contacts sont normaux, nous avons pu mettre en évidence une transition supraconductrice intrinsèque dans des cordes de nanotubes à une température critique de environ 500 mK. Nous avons discuté ces résultats en prenant en compte les paramètres modifiant la supraconductivité dans des systèmes à faible nombre de canaux. Nous avons montré ainsi la possibilité d'observer un transport ohmique et cohérent dans des nanotubes de carbone. Dans le second type d'expériences, nous avons cherché à caractériser la réponse diélectrique de nanotubes multifeuillets de carbone, nitrure de Bore (BN) et de disulfure de tungstène (WS2). Pour cela, nous avons effectué des mesures de spectroscopie de perte d'énergie résolues spatialement. Nous avons d'abord montré l'adéquation d'une description classique pour rendre compte des propriétés diélectriques (1-50 eV) de nanotubes à l'aide de mesures sur des nanotubes de carbone et BN. L'importance de l'anisotropie locale dans l'interprétation des spectres a été démontrée. Les mêmes expériences menées cette fois sur des tubes de WS2 de parois d'épaisseur différentes a permis de mettre en évidence l'existence de modes électromagnétiques de surface de symétrie bien déterminée résultant du couplage des modes des surfaces internes et externes. Une même interprétation a permis de d'analyser la réponse diélectrique de tubes de carbone en termes classiques, même lorsque la paroi se réduit à un plan monoatomique.

Cette thèse a pour objet l'étude du supraconducteur non conventionnel Sr2RuO4. Dans ce supraconducteur, le mécanisme d'appariement des paires de Cooper ne serait pas dû au couplage électron-phonon mais plutôt lié aux fluctuations de spins, comme dans l' 3 He superfluide. On pense de plus qu'il serait de symétrie p, induite par d'hypothètiques fluctuations ferromagnétiques. Pour attaquer ce problème, la première étape est l'élaboration de monocristaux avec d'excellentes propriétés physico-chimiques. J'en ai synthétisé avec des tailles de l'ordre de quelques cm de long et 4.5 mm de diamètre. Ils ont servi à étudier les excitations magnétiques dans Sr2RuO4 par des mesures de diffusion inélastique des neutrons. Ces mesures ont confirmé que les fluctuations de spin autour du vecteur d'onde Q0 = ( ± 2 pi/3a, ±2pi=3a,0) dominent le spectre des excitations magnétiques aussi bien dans la phase normale que dans la phase supraconductrice. Q0 est un vecteur d'emboîtement de la surface de Fermi. Par l'étude de ces fluctuations le long de l'axe c, nous avons mis en évidence le caractère bidimensionnel des corrélations électroniques dans Sr2RuO4. Des études complémentaires ont permis de montrer que la susceptibilité dynamique est isotrope dans l'espace des spins. Le fait que ces excitations incommensurables dominent et que les fluctuations de spin ferromagnétiques attendues n'aient pas été observées fait reconsidérer l'image simpliste d'une supraconductivité de symétrie p. Des théories récentes proposent un paramètre d'ordre supraconducteur de type f compatible avec ces fluctuations de spin incommensurables. Il n'en reste pas moins que nos résultats ne montrent aucun point commun entre l'état de spin du paramètre d'ordre le plus utilisé (spin dans le plan et d selon l'axe c) et les fluctuations incommensurables de spin observées.

Nous avons conçu et réalisé un microscope associant l'imagerie du champ magnétique à l'échelle micrométrique avec l'imagerie topographique en champ proche, destiné à l'étude de la supraconductivité et du magnétisme à basse température. L'intégration du microscope à micro-SQUID dans un réfrigérateur à dilution offre un domaine d'étude encore inexploré en imagerie magnétique. Le champ magnétique est mesuré par un micro-SQUID qui est une boucle de 1 µm de diamètre fabriquée par lithographie électronique et comportant deux jonctions Josephson. L'imagerie topographique est implémentée à travers la microscopie de force. Un résonateur mécanique à quartz en forme de diapason constitue le capteur de force. Il maintient la pointe de Si contenant le micro-SQUID à quelques dizaines de nanomètres de la surface de l'échantillon et permet de connaître la topographie. En mode d'imagerie, le microscope atteint une sensibilité magnétique de 10-3 F0/Hz1/2 et une résolution spatiale magnétique inférieure à 2 µm. A l'aide du microscope, nous avons observé la dynamique des vortex dans un film d'aluminium contenant un réseau de trous. Nous avons pu mettre en évidence le rôle de la taille des trous, le dépiégeage des vortex quand la température approche Tc , la supraconductivité de surface et la relaxation de la distribution des vortex au cours du temps.

La cohérence de phase quantique des électrons se manifeste par des interférences dans les circuits mésoscopiques métalliques. Les premières expériences de cette thèse explorent les mécanismes d'interaction limitant la cohérence dans des métaux non supraconducteurs (normaux) : des mesures de temps de cohérence de phase et d'échanges d'énergie révèlent le rôle joué par des impuretés magnétiques dans le régime Kondo. Dans les métaux supraconducteurs, les électrons adoptent un état quantique macroscopique grâce au potentiel d'appariement : la cohérence est obtenue pour cet état impliquant de nombreux électrons. Dans ce cas, nous avons testé l'équivalence entre la décohérence induite par un supercourant et par un champ magnétique à l'aide de mesures de densités d'états. Lorsqu'un métal normal est en contact avec un supraconducteur, la propagation de l'ordre supraconducteur dans le métal normal est limitée par la décohérence des électrons indépendants comme prouvé par une dernière expérience.

Cette thèse étudie le passage liquide de Luttinger liquide de Fermi au moyen de l'application d'une pression hydrostatique dans le conducteur organique quasi unidimensionnel TMTSF2PF6. La dépendance en température de la résistivité le long the l'axe de moindre conductivité fait apparaître un régime haute température qui s'interpréter par des chaînes de Luttinger alors qu'au dessous de 100K le système évolue vers un régime de chaînes couplés avec une physique de type liquide de Fermi.Ce modèle est aussi confirmé par l'étude de l'effet Hall dans le même composé.

<p>Chapter 1 to 4 give a short introduction to superconductivity, microscopic theory, phase transitions, and Monte-Carlo simulations. Chapter 2 is about Cooper pairing in different settings, but I also give a short introduction to the Hofstadter problem of lattice fermions on a square lattice in a perpendicular magnetic field. The purpose is to clarify some points in Paper-I. Chapter 3 is about phase transitions, and introduces the important concepts of spontaneous symmetry breaking, scaling, and renormalization. In the last section I stress some of the main differences between first order and second order phase transitions. Chapter 4 starts with a short elementary introduction to Monte-Carlo simulations and proceeds with the important, but somewhat more advanced topic of reweighting.</p><p>Chapter 5 to 7 are more closely related to the specific projects I have worked on, and are meant to illuminate and clarify some aspects in Paper-II and Paper-III. Chapter 5 introduce the Ginzburg-Landau model in various parametrizations, present some perturbative (mean-field) results, and introduce the concept of topological defects (vortices) and duality.</p><p>Chapter 6 is closely related to Paper-II and introduce the concept of fractal dimension and the relation between the vortex excitations of the original theory and the dual field theory. Chapter 7 is closely related to Paper-III where we studied the order of the metal to superconductor phase transition. To do this we had to do infinite volume and continuum limit extrapolations. We also had to consider ultraviolet renormalization since the Ginzburg-Landau theory is a continuum field theory with no inherent short scale cut-off. To reduce auto-correlation times we added several improvements to the standard Metropolis algorithm in the Monte-Carlo simulations, the most important being an overrelaxation algorithm for the scalar field and a global update of the scalar amplitude.</p>

The structural, electronic, and superconducting properties of one dimensional materials are calculated from first principles, using the density functional theory. Nanotubes and nanowires are important building blocks in nanotechnology, in particular for nanoelectronics. In this manuscript, the growth of carbon nanotubes is studied through the interaction between carbon and the transition metal atoms used as growth catalysts. The accepted model for a new phase of nanotube-like molybdenum disulfide is critically examined using comparisons of energetic stability and types of chemical bonding in different candidate structures which have similar compositions. The epitaxial growth of diamond carbon on (100) iridium is exceptionally favorable. The differences between various substrates used experimentally are studied, and the specificity of Ir is shown. Finally, the characteristics of the electron-phonon interaction in aluminium nanowires are determined. The structural instabilities and the differences in the electron-phonon coupling are calculated for straight monoatomic wires, zigzag wires, and thicker straight wires. The constrained geometry of the wires generates a coupling which can be very strong or almost vanish, depending on the structural details, but which is concentrated in the longitudinal high-frequency phonons.

The structural, electronic, and superconducting properties of one dimensional materials are calculated from first principles, using the density functional theory. Nanotubes and nanowires are important building blocks in nanotechnology, in particular for nanoelectronics. In this manuscript, the growth of carbon nanotubes is studied through the interaction between carbon and the transition metal atoms used as growth catalysts. The accepted model for a new phase of nanotube-like molybdenum disulfide is critically examined using comparisons of energetic stability and types of chemical bonding in different candidate structures which have similar compositions. The epitaxial growth of diamond carbon on (100) iridium is exceptionally favorable. The differences between various substrates used experimentally are studied, and the specificity of Ir is shown. Finally, the characteristics of the electron-phonon interaction in aluminium nanowires are determined. The structural instabilities and the differences in the electron-phonon coupling are calculated for straight monoatomic wires, zigzag wires, and thicker straight wires. The constrained geometry of the wires generates a coupling which can be very strong or almost vanish, depending on the structural details, but which is concentrated in the longitudinal high-frequency phonons.

This work presents new development and applications of ab-initio simulation tools for material science. Focus lies on materials with strong electronic correlation and strong spin-orbit coupling. Improvements on methods for solving the impurity problem in LDA+DMFT is presented, as well as a reliant method for charge self-consistency in a LMTO based electronic structure code. A new adaptive scheme for Brillouin zone integration is developed, where we show a strong reduction of numerical noise compared to standard techniques. A reformulation of the standard LDA+U method aiming to reduce the number of free parameters is introduced. Fast and realistic reduction of the number of free parameters provides the possibility of high throughput calculations and enabled us to study a large number of compounds. An analysis method for polarization in terms of coupled multipoles, and their corresponding energy contributions is developed and applied. This led to the formulation of Katt's rules, a set of rules complementary to Hund's rules. Katt's rules applies for occupying the orbitals of an electronic shell with strong spin-orbit coupling. The analysis is also used to investigate the unconventional Uranium based superconductors URu2Si2, UPt3, UPd2Al3 and UNi2Al3, as well as the high temperature superconductor LaOFeAs. We also investigate the non-magnetic delta-phase of Plutonium, providing insight to the electronic structure and the branching ratios of 4d to 5f transitions seen in photo emission spectra.The influence of surface reconstruction on the magneto crystalline anisotropy is investigated in multilayer Fe/ZnSe, showing that Fe deposited on an unreconstructed interface strongly reduces the uniaxial component of the MAE. We provide a detailed understanding of the magnetic properties of Fe2P, opening possible routes for enhancing the MAE in this system. A general route to strong MAE in nano-laminates is presented, we apply this to propose a candidate with extremely strong anisotropy energy density, 5Fe/2W1-xReX for x=[0.6-0.8].