Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).

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Nous avons étudié des systèmes hybrides supraconducteurs/ métal normal balistiques dont la partie normale est une hétérojonction GaAs/AlGaAs, et la partie supraconductrice de l'indium. C'est un système qui permet, grâce à la grande cohérence de phase et la possibilité d'utiliser des grilles, d'envisager la manipulation de paires corrélées dans la partie normale : une nouvelle approche de bits quantiques.<br />Nous avons mis au point un procédé de fabrication de jonctions S/N de très bonnes transparences, avec des dimensions mésoscopique, en faisant diffuser de l'indium. Le problème essentiel est lié à l'inhomogénéité de la diffusion de l'indium. Nous avons caractérisé l'interface par différents types de mesures de transport à très basses températures. Nous avons montré, d'une part que l'indium diffuse de façon directionnel, d'autre part, qu'il ne s'agit ni d'une jonction diffusive ni d'une jonction sale, mais d'une barrière tunnel dont seul un faible nombre de canaux participent à la conduction. Nous avons mis en évidence la présence d'une zone de désordre près de l'interface qui s'étend sur quelques centaines de nanomètres. La présence de filaments d'indium diffusés a été corroborée par l'observation sur des jonctions courtes d'un super courant porté par ces filaments. Nous avons enfin fait une première tentative de manipulation de paires de Cooper à l'aide d'un QPC : nous avons observé des plateaux de conductance en fonction de la tension de grille dont la hauteur est divisée par deux lorsqu'on applique un faible champ magnétique>

Dans cette thèse, nous présentons des mesures de conductivité thermique (κ) dans les supraconducteurs à fermions lourds PrOs4Sb12 (Tc~1.75K) et<br />CeCoIn5 (Tc~2.35K). Après une courte<br />introduction aux composés, nous décrivons notre technique expérimentale, qui a permis des mesures fiables jusqu'à 10mK et dans un champ magnétique allant jusqu'à 6.5T. Le développement d'une méthode de<br />caractérisation (quantitative) des résistances de contact<br />électriques et thermiques du montage constitue une partie originale de ce travail.<br /><br />Une forte augmentation de κ avec le champ à basse température dans PrOs4Sb12 et CeCoIn5 révèle l'existence d'une échelle de champ caractéristique beaucoup plus faible que Hc2. Cette haute sensibilité au champ de κ ne correspond ni aux prédictions pour un supraconducteur ordinaire de type II ni au cas où le gap présente des nœuds, mais souligne plutôt le caractère multibande de la supraconductivité, comme dans MgB2. En outre, dans Pr PrOs4Sb12, la dépendance en<br />température de κ indique des gaps complètement ouverts sur toute la surface de Fermi, alors que dans CeCoIn5 la suppression de diffusions inélastiques rend impossible une conclusion sur la topologie du gap.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2003. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 87-88). Also available on the Internet.

Thesis (Ph. D.)--University of Missouri-Columbia, 2003. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references (leaves 87-88). Also available on the Internet.

Thesis (M.S.)--Florida State University, 2004. / Advisor: Dr. Justin Schwartz, Florida State University, College of Engineering, Dept. of Mechanical Engineering. Title and description from dissertation home page (viewed June 17, 2004). Includes bibliographical references.

Many properties of the thin films are different from the bulk value and in many cases, depend dramatically on the film thickness. In the metallic ultra-thin films epitaxially grown on the semiconductor substrate, the conduction electrons are confined by the vacuum and metal-semiconductor interface. When the film thickness is comparable to the electron Fermi wavelength, this confinement will produce discrete energy levels known as quantum well states (QWS), which dramatically modify the electronic structures of the thin film and this is called quantum size effect (QSE). QSE will have a profound effect on a lot of physical properties of the thin films. Among various systems exhibiting QSE, Pb/Si (111) is the most widely studied one and exhibits the richest phenomena in QSE. In this study, a home made low temperature Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy (LT-STM/S) was used to study the superconductivities of the Pb thin films. Quantum oscillations of the superconductivity have been observed for the films down to 4 monolayer and the oscillation amplitude increases as the film gets thinner. To resolve the discrepancies between the superconductivities measured with ex-situ transport and in-situ STS. We also studied the influence of Au overlay on the Pb thin films with LT-STM/S, and found out the deposition of Au on Pb dramatically roughened the Pb films. Finally, we successfully grew large scale near perfect 2ML Pb films. There are two types of films which exhibit different Moiré patterns. LT-STS studies revealed there is big difference in the superconductivity Tc of these two films, both of which decreased dramatically from that of the 4ML film. / text

Superconductivity is a remarkable quantum phenomenon in which a macroscopic number of electrons form a condensate of Cooper pairs that can be described by a single quantum wave function. According to the celebrated Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory of superconductivity, there is a minimum length scale (the coherence length) below which the condensate has a rigid quantum phase. The fate of superconductivity in a system with spatial dimensions smaller than [the coherence length] has been the subject of intense interest for decades and recent studies of superconductivity in ultra-thin epitaxial metal films have revealed some surprising behaviors in light of BCS theory. Notably, it was found that superconductivity remains robust in thin lead films with thicknesses orders of magnitude smaller than the coherence length (i.e. in the extreme two dimensional limit). Such studies raise the critical question: what happens to superconductivity as all dimensions are reduced toward the zero dimensional limit? By controlling the lateral size of ultra thin 2D islands, we systematically address this fundamental question with a detailed scanning tunneling microscopy/spectroscopy study. We show that as the lateral dimension is reduced, the strength of the superconducting order parameter is also reduced, at first slowly for dimensions larger than the bulk coherence length, and then dramatically at a critical length scale of ~ 40nm. We find this length scale corresponds to the lateral decay length of the order parameter in an island containing regions of different heights and different superconducting strength. Overall, our results suggest that fluctuation corrections to the BCS theory are important in our samples and may need to be systematically addressed by theory. / text

Motivated by the recent experimental progress in the search for Majorana fermions, we identify signatures of topological superconductivity and propose realistic experiments to observe these signatures. In the first part of this thesis, we study charge transport through a topological superconductor with a pair of Majorana end states, coupled to leads via quantum dots with resonant levels. The nonlocality of the Majorana bound states opens the possibility of Cooper pair splitting with nonlocal shot noise. In the space of quantum dot energy levels, we find a characteristic four-peaked cloverlike pattern for the strength of noise due to Cooper pair splitting, distinct from the single ellipsoidal peak found in the absence of Majorana end states. Semiconductor-superconductor hybrid systems are promising candidates for the realiza- tion Majorana fermions and topological order in solid state devices. In the second part, we show that the topological order is mirrored in the excitation spectra and can be observed in nonlinear Coulomb blockade transport through a ring-shaped nanowire. Especially, the ex- citation spectrum is almost independent of magnetic flux in the topologically trivial phase but acquires a characteristic h/e magnetic flux periodicity in the nontrivial phase. The transition between the trivial and nontrivial phase is reflected in the closing and reopening of an excitation gap. In the third part, we investigate characteristic features in the spin response of doped three-dimensional topological insulators with odd-parity unequal-spin superconducting pairing, which are predicted to have gapless Majorana surface modes. These Majorana modes contribute to the spin response, giving rise to a characteristic temperature behavior of the Knight shift and the spin-lattice relaxation time in magnetic resonance experiments.