Nanowires with Rashba spin-orbit coupling represent a promising platform for the realization of one-dimensional topological superconductivity and Majorana bound states. In this work we investigate Majorana bound states in hybrid normal-superconductor and short superconductor-normal-superconductor junctions based on nanowires with Rashba spin-orbit coupling. In particular, we explore consequences of the topological phase transition as well as the non-locality and self conjugation properties of the Majorana states on the low-energy spectrum and the Josephson effect in the case of superconductor-normal-superconductor junctions. Our work shows the great potential of hybrid junctions as a platform for the study of topological superconductivity and Majorana bound states.

The existence of superconductivity in graphite has been under discussion since the 1960s when it was found in intercalated graphitic compounds, such as C8K, C8Rb and C8Cs. However, it was only about 40 years ago when the existence of superconductivity in pure graphite came up. In this work we directly investigate the interfaces highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) has in its inner structure, since they play a major role in the electronic properties. The results obtained after studying the electrical transport provide clear evidence on granular superconductivity localized at the interfaces of graphite samples. Zero resistance states, strong current dependence and magnetic field effect on the superconducting phase support this statement. Additionally, an abrupt reduction in the measured voltage at temperatures from 3 to 175 K has been observed. However, the upper value of this transition temperature seems to not have been reached yet. A possible method to enhance it is to increase the carrier density of graphite samples. In order to preserve to quasi-two-dimensional structure of highly oriented pyrolytic graphite, chemical doping has been dismissed in the frame of this work. We used an external electric field to move the Fermi level and, hence, try to trigger superconductivity in multi layer graphene samples. A drop on the resistance at around 17 K has been measured for a large enough electric field applied perpendicular to the graphene planes. This transition is strongly affected by magnetic field and only appeared at low temperatures. As a result of the studies included in this work, it appears clear that graphite has a superconducting phase located at certain interfaces with a very high transition temperature.

Research in superconductivity is heading towards overcoming the limitations imposed by extreme conditions, and promising candidates in this pursuit are superconductors made from hydrides. Carbonaceous Sulfur Hydride (CSH) was reported in Nature 586, 373-377 (2020) as a room-temperature superconductor in the pressure range of 140-267 GPa; however, there is controversy in the literature regarding these results. Here, we use density functional theory to confirm the hypothesis of Nature 596, E9-E10 (2021) that a metallic path is the reason for the sharp drop in resistance interpreted in Nature 586, 373-377 (2020) as indicative of a weak type 2 superconductor. We find that the metallic behavior of CSH is dominated by sulfur p-orbitals, and not by metallization of hydrogen. If CSH would be a superconductor, the predicted Ginzburg Landau parameter would be 1356.9, reflecting an unusually strong type 2 superconductor and thus contradicting the interpretation of Nature 586, 373-377 (2020). The fact that we find no metallic states below 220 GPa casts doubts on the onset of superconductivity at 140 GPa reported in Nature 586, 373-377 (2020). Additionally, the small fraction of active hydrogen density of states at the Fermi level shows that CSH is not a high-temperature superconductor.

In this thesis, low temperature specific heat measurements on small (μg) single crystals of different superconducting and magnetic systems are presented. The device used in this work features a combination of high sensitivity and good accuracy over the temperature range 1-400 K and allows measurements in high magnetic fields. It consists of a stack of thin films deposited in the center of a Si3N4 membrane. A batch process for the production of up to 48 calorimeters from a 2" silicon wafer was developed in order to overcome the scarcity of devices and allow systematic investigations. With abundance of calorimeters, single crystals of three different systems were studied. Fe2P is the parent compound of a broad family of magnetocaloric materials. The first-order para- to ferromagnetic phase transition at TC = 216 K was investigated for fields H up to 2 T, applied parallel and perpendicular to the easy axis of magnetization c. Strikingly different phase contours were obtained depending on the field direction. In particular, for H perpendicular to c, two different ferromagnetic phases, with magnetization parallel and perpendicular to c are found. It was also possible to observe the superheating/supercooling states, the latent heat, and the structural change associated to the first-order transition. BaFe2(As1-xPx)2 is a member of the recently discovered iron-based high-temperature superconductors family. Crystals with three different compositions were measured to study the doping dependence of the superconducting properties in the overdoped regime (x > 0.30). The electronic specific heat at low temperatures was analyzed with a two band α model, which allows to extract the gap amplitudes and their weights. The degree of gap anisotropy was investigated from in-field measurements. Additional information on the system was obtained by a combined analysis of the condensation energy and upper critical field. URu2Si2, a heavy fermion material, was studied around and above the hidden-order temperature THO = 17.5 K. The origin of the hidden-order phase is still not understood. High-resolution specific heat data were collected to help clarify if any pseudogap state is seen to exist above THO. We found no evidence for any bulk phase transition above THO.

La thèse porte sur l'étude théorique des propriétés électroniques à la surface de l’oxyde de métal de transition SrTiO3. Ce matériau est la pierre angulaire de l'électronique des oxydes, un nouveau domaine de recherche qui a pour but d'enquêter sur les oxydes de métaux de transition en tant que candidats post-silicium pour une émergence future de nouveaux composants électroniques. Le SrTiO3 est en soi un système étonnant : dans sa plus pure composition chimique, c’est un bon isolant avec une large bande interdite. Cependant, en le dopant avec de petites quantités d'autres éléments, il se transforme en un métal à haute mobilité d'électrons. Le SrTiO3 a également saisi l'attention en raison de sa capacité à accueillir des gaz d'électrons bidimensionnels (2DEGs) quand il est interfacé avec certains oxydes polaires. Ces 2DEGs présentent des propriétés fascinantes, la plus visible étant la coexistence du magnétisme et de la supraconductivité.La surface du SrTiO3 peut également accueillir des 2DEGs, sans avoir besoin de s'interfacer avec d'autres matériaux ; dans ce cas, les électrons participant aux transports sont générés par des lacunes d'oxygène créées à la surface. Cette observation est remarquable, car le SrTiO3 offre une structure simple où les propriétés des 2DEGs peuvent être étudiées.Cette thèse s’articule autour des deux axes. Tout d'abord, elle étudie la bicouche STO orientée 111, formée de seulement deux cellules unitaires. Deuxièmement, elle analyse les puits quantiques générés par les postes vacants de l'oxygène à la surface 111 du STO. Les deux sujets sont abordés en utilisant des modèles de liaison forte, dans lesquels le Hamiltonien incorpore différents termes liés aux énergies sur place, aux interactions de saut et au couplage spin-orbite. A partir de ces calculs, j’ai réalisé une analyse exhaustive des propriétés, du caractère et de la parité des orbitaux des bandes de valence et de conduction, ainsi que des états de bord dans la bicouche 111. / The thesis is focused on the theoretical study of the electronic properties at the surface of the transition metal oxide STO. This material is the cornerstone of oxide electronics, an emerging research area that has the goal of investigating transition metal oxides as post-silicon candidates for a future emerging new electronics. STO is in itself an astounding system; in its purest chemical composition is a good ban-insulator with a wide bandgap. Nevertheless, upon doing it with tiny amounts of other elements it transforms itself in a metal with high electron mobility. Even more remarkably, at the lowest temperatures, typically below 300mK, it goes superconductor. And adding to these properties, strain induces also ferroelectricity in this material. Over the last years, STO has also grabbed attention because of its ability of hosting two-dimensional electron gas (2DEGs) when it is interfaced with some polar oxides. Such 2DEGs exhibit fascinating properties, the most conspicuous is the coexistence of magnetism and superconductivity.The surface of STO can host 2DEGs too, without need of interfacing it to other materials; in this case the electrons participating in transport are generated by oxygen vacancies created at the surface. This is remarkable observation, as it affords a simpler structure where the 2DEGs properties can be studied. In spite of the accumulated knowledge, still a better fundamental comprehension is required of the electronic structure of the quantum wells at the surfaces oriented along the 111 direction, for which the perovskite structure is reminiscent of the celebrated honeycomb-like structure of graphene. Contrary to the latter, in which electrons are in s- and p- states, 111 quantum wells in STO would host electrons in d-bands. Higher electronic correlations are then expected, that may bring new fascinating physics.The outline of this Thesis has two main branches: first, it studies the 111-oriented STO bilayer, formed by just two unit cells; secondly it analyzes the quantum wells generated by Oxygen vacancies at the 111-surface of STO. Both subjects are approached using tight-binding models in which the Hamiltonian incorporates different terms related to on-site energies, hopping interactions or spin-orbit coupling. From these calculations, I have carried out an exhaustive analysis of the orbital character and parity properties of valence and conduction bands, as well as edge states in the 111 bilayer. Tight-binding calculations have also shed light on the orbital character, space location and extension and energy of electronic states generated by oxygen vacancies at the 001 surface of STO.

Cette thèse a pour motivation l'étude de l'ordre magnétique à q=0 dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique. Cet ordre a déjà été reporté dans quatre familles de cuprates grâce à la diffusion de neutrons polarisés. Il est établi, sur une large gamme de dopage en trous, que cet ordre se développe à partir d'une température Tmag comparable à la température d'apparition de la phase de pseudo-gap T*. Ces observations sont compatibles avec un modèle de boucles de courant, qui induisent des moments magnétiques orbitaux. Les symétries mises en jeu sont la brisure par renversement du temps et l'invariance par translation. D'un point de vue expérimental, il s'agit non seulement de vérifier systématiquement l'existence de cet ordre magnétique, mais également de saisir sa nature. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'étude de deux systèmes bicouches, YBa2Cu3O6+x et Bi2Sr2CaCu2O8+x. Dans un premier temps, nous avons montré la persistance de l'ordre magnétique à q=0 pour une valeur de Tmag relativement élevée, dans des échantillons proches du dopage optimal. Toutefois, l'intensité magnétique associée est fortement réduite. Nous avons montré que ceci était en fait dû à la présence de domaines de taille finie, l'ordre est à courte portée. Aussi, nous avons déterminé le facteur de structure le long de l'axe c, il présente une décroissance rapide unique. Dans le cadre des boucles de courant, une possible modélisation consisterait en une résultante de deux anapoles pointant le long de b* au sein de la bicouche. D'autre part, nous avons confirmé l'existence d'un moment magnétique incliné sous Tmag. Nous avons cependant mis en évidence un caractère Ising le long de l'axe c à haute température. Enfin, nous avons prouvé que le signal associé à l'ordre magnétique à q=0 continue d'augmenter dans l'état supraconducteur. / This work is motivated by the study of the intra-unit-cell magnetic order in cuprate high temperature superconductors. It has been already reported in four cuprate families by using polarized neutron scattering, and it is well documented in a wide hole doping range. This order develops below Tmag, which matches the pseudo-gap temperature T*. This magnetic phase could be induced by the staggered orbital magnetism within the unit cell as proposed in the loop current model. This intra-unit-cell magnetic order indicates that time reversal symmetry is broken, but translation invariance is preserved. Experimentally, the goal is not only to systematically verify the existence of this intra-unit-cell magnetic order, but also to seize its nature. We particularly focused on two bilayer systems, YBa2Cu3O6+x and Bi2Sr2CaCu2O8+x. First, we revealed the persistence of the intra-unit-cell magnetic order at relatively high Tmag, near optimal doping. Compared to samples with a lower hole doping level, the magnetic intensity is strongly reduced. We demonstrated that this is due to finite magnetic correlation lengths. Moreover, we determined the associated magnetic structure factor along c, which displays a unique sharp decreasing. It is consistent with a model in which the sum of two anapoles within the bilayer is pointing along b*. Besides, below Tmag, we confirmed the existence of a tilt of the magnetic moment. However, we showed that at high temperature an Ising-like response along the c-axis is recovered. Finally, we proved that the magnetic signal associated to the intra-unit-cell magnetic order is still increasing in the superconducting state.

La production de masse de cavités accélératrices supraconductrices en régime radiofréquence (SRF) est un réel défi industriel non seulement du fait du nombre croissant de cavité pour les futurs grands projets mais également de par les besoins en terme de fiabilité, reproductibilité et performances demandées très proches des limites physiques du Niobium. De nos jours, XFEL (DESY) et le LHC (CERN) sont les deux accélérateurs les plus importants utilisant la technologie supraconductrice. Des projets accélérateurs encore plus ambitieux, tels que l’ILC (International Linear Collider) et FCC (Future Circular Collider) sont en cours d’étude. Pour de tels projets, il est encore nécessaire d’améliorer les performances et de réduire les coûts de fabrication et d’opération avant d’engager la phase d’industrialisation.Une voie d’amélioration des performances et de réduction des coûts a été étudiée. Ceci consiste à améliorer les procédés de nettoyage des surfaces. En effet, la pollution et les dommages causés à la structure cristalline durant la fabrication d’une cavité supraconductrice doivent être impérativement retirés afin de garantir des performances optimales. Cette régénération des surfaces est couramment réalisée à l’aide de deux types de polissages chimiques : par BCP (Buffered Chemical Polishing) ou par électro-polissage (EP). Cependant, ces techniques utilisent des acides très concentrés qui entrainent des coûts d’opération très conséquents du fait des problèmes de sécurité. Une voie d’amélioration pouvant rendre possible la construction de telles machines serait de remplacer totalement ou partiellement l’utilisation des acides par des techniques de polissage alternatives.Le polissage mécanique a été étudié durant des décennies et plus spécifiquement les techniques par centrifugation (CBP). Cette technique permet d’atteindre des rugosités de surface bien meilleures et est bien plus efficace pour retirer certains défauts de surface comparé aux procédés chimiques. Cependant, cette technique n’est pas envisageable comme solution alternative à cause des fortes pollutions de surface et des durées de traitement très longues. La première partie de la thèse a consisté à reproduire l’état de l’art, comprendre les limitations réelles de cette technique et essayer d’améliorer le procédé en réduisant la pollution de surface générée par le piégeage des abrasifs en surface ainsi que la durée de traitement (réduction du nombre d’étapes intermédiaires). Il a été conclu que ce procédé ne peut pas être considéré comme alternatif mais complémentaire aux traitements chimiques.La deuxième partie du travail de thèse s’est concentrée sur la méthode de polissage métallographique. Cette dernière ne peut s’appliquer que sur plaques et non sur des géométries complexes, cependant elle retire très efficacement toutes les impuretés et dommages cristallins formés durant la fabrication des tôles de Niobium. Un procédé optimisé à 2 étapes, inspiré des techniques conventionnelles (typiquement 5-6 étapes) a été développé avec succès et optimisé pour les contraintes particulières du Niobium pour les applications SRF. Ce procédé permet non seulement d’obtenir une rugosité de surface incomparable mais préserve également la structure cristalline. Des études complémentaires sont encore requises afin d’améliorer les techniques de formage des tôles ou même caractériser des solutions alternatives permettant des limiter les dégâts en surface et de préserver la qualité du matériau.Finalement, ce travail mené est d’une importance capitale pour le futur des cavités accélératrices supraconductrices, c’est-à-dire l’utilisation de nouveaux matériaux supraconducteurs sous forme de couche mince. La qualité des couches minces de ces matériaux alternatifs dépend très fortement de l’état de surface du substrat (typiquement niobium ou cuivre poly cristallin). / Large-scale production of superconducting radio-frequency (SRF) cavities is an industrial challenge, not only because of the increasing number of unit for future projects but also because of requirements in term of reliability, reproducibility and performances very close to the physical limit of polycrystalline bulk Niobium. Nowadays, XFEL (DESY) and LHC (CERN) are the largest existing accelerators which are based on SRF technology. Even more challenging SRF accelerator projects like ILC (International Linear Collider) and FCC (Future Circular Collider) are being studied. For such large-scale facilities, higher performances, reduction in fabrication and operation costs are required and essential to proceed with industrialization.A pathway to reduce these costs and improve performances has been studied in this work. It consists in optimizing the cleaning process of cavity surfaces. Indeed, pollution and crystal defects on the surface created during fabrication steps of a SRF cavity have to be removed to ensure optimal superconducting performances. In order to get rid of impurities and to recover crystal structure, two polishing techniques are routinely used: the buffered chemical polishing (BCP) and electro-polishing (EP). However, these techniques involve highly concentrated acids, which lead to high operation costs and safety concerns. A way to overcome the aforementioned drawbacks and make the construction of future accelerators possible would be to replace or complement the conventional chemical polishing by alternative polishing techniques.Mechanical polishing has already been applied in SRF-community for decades by using centrifugal barrel polishing (CBP). This technique could provide a better surface roughness and could be more efficient at removing some surface defects compared to EP and BCP. However, this process does not satisfy requirements for large-scale production due to strong surface pollution and an extremely long processing time. The first part of the PhD work consisted in reproducing the state of the art, understanding its limitations and optimizing the recipe by the reduction of the surface pollution (embedded abrasives) and processing time (reduction of intermediate steps). As a conclusion to this first study, CBP could only be a complementary polishing technique to chemical treatments.The second part of the work focused on metallographic flat polishing. This technique cannot be directly applied on enclosed geometries however, it can remove efficiently surface defects (impurities and crystal damages) created during the fabrication of Niobium sheet. A 2-step process, inspired from metallographic techniques (typically 5-6 steps) has been successfully developed and optimized on Niobium for SRF applications. This process provides not only an improved roughness compared to conventional chemical treatments but also preserve the crystal quality underneath the surface, over the field penetration depth. Additional studies have to be now carried out to optimize conventional forming process or characterize alternative techniques to limit surface damages and preserve material quality as much as possible.Last but not least, the work done is of first importance for the future of SRF cavities meaning the use of new superconducting materials as thin films. The quality of thin-films of alternative superconductors depends strongly on the surface state of the substrate, typically polycrystalline bulk Niobium or Copper.

Récemment, sous des pressions de plusieurs gigapascals, de nouveaux hydrures ont été synthétisés avec des propriétés étonnantes potentiellement porteuses de ruptures technologiques pour le stockage de l’hydrogène ou la supraconductivité. Plusieurs superhydrures sont étudiés expérimentalement et simulés par DFT dans cette thèse. Les diagrammes de phases en pression de LiBH4 et NaBH4, deux composés d’intérêt pour le stockage de l’hydrogène, sont explorés par diffraction de rayons X, spectroscopie Raman et infrarouge jusqu’à des pressions de 300 GPa sans observer de décomposition. L’insertion d’hydrogène dans NaBH4 donne le super-hydrure NaBH4(H2)0.5. Pour éclaircir l’interprétation de la supraconductivité record à 200 K trouvée dans H2S sous pression, le super-hydrure H3S a été synthétisé à partir des éléments S et H. Les résultats de diffraction semblent en désaccord avec l’interprétation communément admise qu’H3S en phase Im-3m est responsable de cette supraconductivité et laisse la porte ouverte à d’autres interprétations. Enfin, les super-hydrures CrHx avec x=1, 1.5 et 2 ont également été synthétisés à partir des éléments et caractérisés par diffraction de rayons X. Si ces hydrures correspondent bien àceux qui avaient été prédits numériquement, l’absence des stoechiométries plus élevées est discutée. Pour mesurer les températures de supraconductivité calculées dans les superhydrures MHx, une cellule à enclumes de diamant miniature permettant une détection de l’effet Meissner a été développée. / Recently, under pressures of several gigapascals, new hydrides have been synthesised with striking properties that may herald technological breakthroughs for hydrogen storage and superconductivity. In this PhD thesis, several superhydrides have been studied experimentally and simulated by DFT. The pressure phase diagrams of LiBH4 and NaBH4, two compounds of interest for hydrogen storage, have been explored thanks to X-ray diffraction and Raman and infrared spectroscopy up to pressures of 300 GPa without observing any decomposition. The insertion of hydrogen inside NaBH4 generates the superhydride NaBH4(H2)0.5. To refine the interpretation of the record superconductivity found in H2S under pressure at 200 K, the superhydride H3S has been synthesised from S and H elements. The results of the diffraction study seem to be at odds with the commonly accepted interpretation that Im-3m H3S is responsible for the superconductivity observed and leaves the door open to other interpretations. Finally, CrHx hydrides with x = 1, 1.5 and 2 have also been synthesised from the elements and characterised by X-ray diffraction. Although these hydrides do correspond to the ones that had been numerically predicted, the absence of the expected higher stoichiometries is discussed. To measure the superconductivity temperatures calculated for MHx hydrides, a miniature diamond anvil cell which allows the detection of a Meissner effect has been developed.

La découverte en 2008 des supraconducteurs à base de fer a ouvert un nouveau champ d'investigation de la supraconductivité à haute température critique. En particulier, la phase nématique de ces matériaux pourrait jouer un rôle prépondérant dans le mécanisme de la supraconductivité. Nous avons étudié le composé FeSe par spectroscopie Raman, à pression ambiante et sous pression hydrostatique. Celui-ci ne possède pas d'ordre magnétique statique à pression ambiante, ce qui en fait un composé de choix pour l'étude de l'ordre nématique. Nous avons observé les fluctuations nématiques de charge. Leur évolution dans la phase tétragonale prouve l'existence d'une instabilité nématique d'origine électronique, qui gouverne la transition structurale. Dans la phase orthorhombique, le comportement des phonons souligne le rôle du couplage spin-phonon dans la transition nématique. Par ailleurs, la forme de la réponse Raman supraconductrice est compatible avec l'existence de deux gaps de symétrie s, dont un est anisotrope. Sous pression hydrostatique, les fluctuations nématiques s'atténuent rapidement. Le point critique quantique électronique associé se situe à très basse pression, peu avant l'apparition de l'ordre magnétique. Les fluctuations nématiques disparaissent complètement vers 2 GPa, quand la transition structurale passe de second ordre à premier ordre. C'est également proche de cette pression que se produit une anomalie dans le comportement des phonons, qui indique une modification de la structure électronique du système. Nos mesures révèlent en outre l'existence d'un pseudogap. Sa température d'apparition chute simultanément à la disparition de la phase magnétique, quand la température critique de supraconductivité atteint son maximum. Enfin, la réponse Raman de l'état supraconducteur à 7.8 GPa montre une signature claire d'un gap plein. / The discovery in 2008 of the iron-based superconductors opened a new field of investigation of high-temperature superconductivity. In particular, the nematic phase of these materials may play a major role in the mecanism of superconductivity. We studied the FeSe compound using Raman spectroscopy, at ambient pressure and under hydrostatic pressure. This material does not display any static magnetic order at ambient pressure and is therefore an excellent choice to study the nematic order. We observed the charge nematic fluctuations. Their evolution in the tetragonal phase proves the existence of an electronic nematic instability, which drives the structural transition. In the orthorhombic phase, the behaviour of the phonons underlines the role of the spin-phonon coupling in the nematic transition. Besides, the shape of the superconducting Raman response is compatible with the existence of two s-wave gaps, one of which is anisotropic. Under hydrostatic pressure, the nematic fluctuations reduce rapidly. The associated electronic quantum critical point is situated at very low pressure, just before the appearance of magnetic order. The nematic fluctuations completely disappear around 2 GPa, when the structural transition changes from second order to first order. An anomaly of the phonons also occurs close to this pressure, which indicates a modification of the electronic structure of the system. Our measurements additionally reveal the existence of a pseudogap. Its temperature of appearance reduces significantly simultaneously to the disappearance of magnetic order, when the critical temperature of superconductivity reaches its maximum. Finally, the Raman response in the superconducting state at 7.8 GPa shows a clear signature of a full gap.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21548号 / 理博第4455号 / 新制||理||1640(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 田中 耕一郎, 教授 前野 悦輝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM