Au cours de cette thèse, nous avons mis au point une technique de fabrication de nano-jonctions Josephson présentant à la fois un intérêt technologique et fondamental. Les jonctions sont fabriquées à partir<br />d'un simple film mince d'YBa2Cu3O6+ en combinant des procédés standards de microfabrication et des étapes d'irradiation ionique. D'un point de vue fondamental, nous avons montré que l'effet de proximité joue un rôle important dans le couplage Josephson. Les résultats sont interprétés dans le cadre d'une approche de type quasiclassique basée sur les équations d'Usadel. Du point de vue des applications, ces jonctions offrent une nouvelle technologie efficace pour les dispositifs à base de jonctions Josephson, pouvant fonctionner à la température de l'azote liquide. Sur la base de cette technique, nous avons développé la fabrication de SQUIDs dc ayant de très bonnes performances.<br />La seconde partie de cette thèse a eté consacrée à l'étude des fluctuations de paires dans le régime de pseudogap des cuprates sous-dopés par une expérience de type Josephson. Si l'on couple un supraconducteur optimalement dopé avec un supraconducteur sous-dopé au travers d'une barrière isolante, la présence de fluctuations de paires dans le régime du pseudogap peut être révélée en mesurant la caractéristique courant-tension pour des températures comprises entre les deux Tc. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions à géométrie mesa (YBaCuO sousdopé/PrBaCuO/ YBaCuO optimalement dopé) de taille micronique. Un comportement Josephson a été observé à basse température lorsque les deux électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans le régime intermédiaire, lorsque le composé optimalement dopé est dans l'état supraconducteur et le composé sousdopé dans l'état de pseudogap, nous observons une signature des fluctuations de paires dans un régime de température d'une dizaine de Kelvin au-dessus de la Tc du composé sous-dopé ce qui est bien inférieur à la température d'apparition du pseudogap (250K). Ces résultats sont donc en faveur d'un scénario classique où les fluctuations de paires n'existent qu'au voisinage de la transition.

Le propos de cette thèse est l'étude de la dynamique du réseau de vortex dans un supraconducteur. La technique expérimentale utilisée, la mesure de bruit, offre une analyse fine de la nature des interactions du réseau de vortex en mouvement avec ses centres d'ancrage. Un dispositif de mesures de bruits de faible puissance a spécialement été conçu pour la réalisation des expériences.<br />En premier lieu, le bruit du système est observé dans des lames de Niobium dans différentes conditions : différentes tailles d'échantillon ont été ajustées de manière contrôlée, et des défauts de surface ont été introduits par irradiation ionique basse énergie, puis caractérisés par imagerie à force atomique. Il apparaît que le bruit basse fréquence, de même que le courant critique sont principalement dus à l'ancrage de surface. De plus, la portée des fluctuations se trouve être corrélée à la distribution spatiale de la rugosité.<br />Le régime bruyant en supraconductivité de surface, sans vortex dans le volume, montre clairement que de pures fluctuations de courant de surface conduisent au même bruit qu'en présence de vortex dans le volume. Ce résultat est confirmé par des mesures complémentaires de fluctuations de tension dans plusieurs directions, réalisée dans des échantillons massifs d'un alliage Pb-In.<br />La statistique du processus bruyant a été étudiée dans des micro-ponts sur couche mince de Niobium: les résultats indiquent que l'état de la surface, ainsi que celui des bords du système influent sur le régime bruyant du dépiégeage, au cours duquel des effets non-gaussiens et non-stationnaires, typiques d'un vol de Lévy, apparaissent.

Dans cette thèse, la coexistence de plusieurs paramètres d'ordre dans le même système électronique est étudiée. Les structures magnétiques, appelées multi-k, où plusieurs vecteurs de propagation, k, existent dans le même volume, sont considérés comme des systèmes modèles. L'effet de cette structure sur la réponse élastique et inélastique est étudié. <br /><br />Dans certains composés d'uranium, type NaCl, avec des structures 3-k, des pics de Bragg apparaissent à des positions imprévus dans l'espace réciproque. Ces pics sont identifiés avec des corrélations quantiques entre les trois paramètres de l'ordre magnétique. La structure 3-k joue également sur les dynamiques. Les fluctuations dans les ondes de spin dans le composé UO2 peuvent être expliquées seulement si la structure est 3-k, et les paramètres d'ordre sont correlés.<br /><br />Dans le supraconducteur antiferromagnétique UPd2Al3, l'ordre magnétique et l'état supraconducteur sont crée par les mêmes fermions lourds. L'effet d'un champ magnétique externe sur les états normal et supraconducteur est étudié. Dans l'état normal, le matériau agit comme un liquide de Fermi. La réponse inélastique, vue par les neutrons, est renormalisée en entrant l'état supraconducteur. Une étude de la region de basse energie confirme que le gap d'energie supraconducteur possède la symétrie du reseau antiferromagnétique.

Nous présentons dans cette thèse un travail portant sur l'étude de l'ancrage, de la structure et de la dynamique du réseau de vortex dans des supraconducteurs de type II (Nb-Ta, Pb-In, YBCO). Notre contribution porte d'abord sur l'étude des mécanismes d'ancrage et de désancrage du réseau de vortex dans des cristaux non maclés d'YBCO par des mesures de transport continu, de suceptibilité alternative et d'aimantation. Nous mettons en évidence le rôle prédominant de la surface dans la phase "solide" qui se répercute dans la valeur du courant critique mesurée, et la conservation de la cohérence des vortex dans la phase "liquide". Des mesures d'écho de spin et de Diffraction de Neutrons aux Petits Angles (DNPA) ont été réalisées sur le réseau de vortex dans des échantillons de Nb-Ta et Pb-In. La vitesse du réseau de vortex, ainsi que sa distribution ont été mesurées et analysées. Une mise en ordre dynamique du réseau de vortex a été observée dans Pb-In par les mesures de DNPA. La perfection du réseau de vortex et l'effet du courant de transport sont analysés grâce à l'étude des pics de Bragg. L'étude de la courbure des vortex révèle que leur ancrage est également localisé en surface dans ces échantillons. Enfin, la déformation du réseau de vortex dans YBCO maclé est étudiée par des mesures de DNPA en statique.

L'état mixte des supraconducteurs de type II est caractérisé par l'existence de vortex, quanta de flux définis par des boucles de supercourants. Alors que dans les supraconducteurs conventionnels ces vortex s'ordonnent en réseau dans pratiquement tout l'état mixte (réseau d'Abrikosov), le diagramme de phase dans le plan champ-température est beaucoup plus riche dans les supraconducteurs à haute température critique. Nous présenterons ici une étude thermodynamique du système de vortex dans le composé YBa$_2$Cu$_3$O$_((7-x))$, réalisée principalement par des mesures des chaleur spécifique, mais également par des mesures d'aimantation. Expérimentalement, nous avons porté nos efforts sur le développement d'un calorimètre par modulation de température, atteignant ainsi une très bonne résolution et permettant le travail sous champ magnétique élevé. Nos mesures confirment l'existence d'une transition thermodynamique, du premier ordre, dans le système de vortex. Nous présentons de plus un test original de la présence éventuelle d'une hystérésis lors de cette transition, grâce au principe alternatif de notre mesure. Nous discutons aussi la question de l'existence d'une phase de vortex basse température haut champ. En effet au dessus d'un champ caractéristique B$_(cr)$, qui peut être très élevé selon l'échantillon (jusqu'à 26 T), la chaleur latente disparaît et la transition devient continue. Le couplage entre mesures d'aimantation et mesures de chaleur spécifique montre l'importance du désordre dans cette disparition, et nous explorons plusieurs hypothèses pour expliquer nos résultats. L'existence d'une phase de vortex entièrement différente des deux phases mises en jeu lors de la transition du premier ordre à bas champ ne semble pas compatible avec nos mesures.

Nous décrivons des jonctions hybrides constituées d'un métal supraconducteur et d'un métal normal (jonction N-S) ou d'un métal ferromagnétique (jonction F-S). Nous mesurons des densités locales d'états avec un microscope à effet tunnel à très basse température. La résolution de cet instrument est meilleure que 18 µeV (température électronique effective de 106 mK). Cette résolution est l'une des meilleures obtenues par cette technique. Les mesures sont réalisées avec des pointes normales ou supraconductrices dont la réalisation est décrite. Concernant les jonctions N-S, nous avons étudié les effets de proximité dans une couche d'or au contact d'une couche de niobium lorsque l'épaisseur de cette première varie. Les résultats sont comparés à ceux prédits par l'équation d'Usadel. Nous avons étudié aussi différents types de jonctions F-S : l'une d'elles consiste en des agrégats de cobalt noyés dans une matrice de niobium. Les densités d'états mesurées sur le niobium montrent des structures encore non expliquées. Nous présentons également des expériences montrant l'influence du retournement des spins sur les effets de proximité inverses dans des couches de cuivre-nickel au contact d'une couche de niobium. Celui-ci peut être décrit par l'introduction d'un temps caractéristique tau_sf dans les équations d'Usadel. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur un nouveau type de microscope combinant force atomique et effet tunnel.

Les réseaux de nanojonctions Josephson constituent un système modèle pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes physiques. La transition Kosterlitz-Thouless-Berezinski est étudiée pour des jonctions de grande capacité, la transition de phase quantique supraconducteur-isolant, lorsque les jonctions ont une très faible capacité, mais également la compétition entre le champ magnétique et la géométrie. Nous avons étudié le diagramme de phase d'un réseau particulier : le reseau dice. Lorsque le flux magnétique par cellule correspond à un demi quantum de flux (frustration f=1/2), la fonction d'onde électronique est, dans ce réseau, entièrement localisée dans un modèle de liaisons fortes. Cet effet est dû à des interférences destructives de type Aharonov-Bohm. La prédiction de cet effet a motivé notre travail. Nous avons donc réalisé des réseaux dice de nanojonctions Al/Al2O3/Al de grande taille, par lithographie électronique. Les configurations de vortex sont observées par décoration magnétique de Bitter et nous avons étudié les propriétés de transport électrique par des mesures bas bruit à très basse température. La comparaison du diagramme de phase de ces réseaux entre f=1/2 et f=0, nous a permis de mettre en évidence deux phases originales à f=1/2. Tout d'abord, dans le régime supraconducteur, lorsque les fluctuations quantiques sont négligeables, les vortex s'arrangent suivant une configuration fortement désordonnée à longue distance, mais un ordre à courte distance subsiste. Les mesures de courant critique suggère d'autre part l'existence d'une phase commensurable. L'ensemble de ces résultats semble montrer l'existence à basse température d'une phase vitreuse, bien que nous n'ayons pas observé d'hystérésis thermique. D'autre part, dans les réseaux où les fluctuations quantiques deviennent importantes, nous observons une phase résistive à basse température indépendante de la température, caractéristique d'une phase de liquide quantique de vortex.

NIL

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dégénérescence orbitale dans les systèmes d'électrons fortement corrélés à une dimension. Nous définissons un modèle simplifié, le modèle de Hubbard à symétrie SU(4), qui prend en compte de manière maximale la dégénérescence orbitale. Le diagramme des phases à température nulle est obtenu par des méthodes analytiques (bosonisation, théorie conforme, groupe de renormalisation). Les prédictions théoriques sont confrontées à des simulations numériques par Monte Carlo quantique. Dans les phases critiques, la théorie conforme décrivant la classe d'universalité du modèle est identifiée. Dans les phases massives, nous dérivons la théorie effective, qui s'avère être quasi-intégrable, permettant une description des modes collectifs de basse énergie. Le diagramme des phases obtenu est d'une grande richesse en regard de la simplicité du modèle, une particularité intéressante étant la présence d'une phase de liquide de spin gapé isolante de Mott au voisinage du demi remplissage. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous incluons des processus réalistes qui brisent la symétrie SU(4), et étudions la stabilité des phases du modèle de Hubbard SU(4) sous ces perturbations. La tendance générique est à l'apparition d'un liquide de spin gapé. Nous mettons en évidence des symétries discrètes exactes (non perturbatives) du diagramme des phases, qui relient entre elles différentes phases de liquide de spin. Ces symétries autorisent une classification des liquides de spin portés par l'échelle de spin à deux montants au voisinage de la ligne à symétrie SU(4). Deux grandes classes de liquide de spin apparaissent, l'une associée à un ordre diagonal, de type onde de densité de charge, l'autre exhibant une instabilité supraconductrice.

Dans cet ouvrage, nous présentons une étude du transport électronique dans un îlot métallique diffusif en contact avec deux électrodes supraconductrices. Nous avons mis au point un nouveau procédé de fabrication qui permet de réaliser ces jonctions niobium – cuivre – niobium avec des interfaces métalliques très transparentes. Les électrodes supraconductrices en niobium présentent alors une température critique proche de celle du supraconducteur massif. En préambule aux mesures de transport nous caractérisons les jonctions longues et diffusives par une étude quantitative théorique et expérimentale du couplage Josephson continu. Quand une tension est appliquée aux bornes de la jonction, la différence de phase entre les deux supraconducteurs oscille à très haute fréquence et la distribution des électrons est portée hors de l'équilibre thermodynamique. Nous mesurons une forte variation de conductance continue de la jonction qui est liée à la relaxation des électrons du métal normal via les collisions inélastiques. Nous avons ensuite réalisé une mesure de la conductance quand la jonction est irradiée avec une onde hyperfréquence. L'ïlot se comporte comme une cavité résonante à la fréquence Josephson. Le couplage de l'onde avec cette cavité fait apparaître les paliers Shapiro quand la tension atteint V=nhw/2e. Ces paliers sont caractéristiques de l'oscillation sinusoïdale du supercourant Josephson. Au-dessus d'une certaine température, il apparaît en plus de nombreux paliers fractionnaires. L'amplitude de ces nouveaux paliers persiste à haut température alors que les paliers Shapiro disparaissent très rapidement. Nous orientons la discussion en terme de contributions hors-équilibre au courant Josephson alternatif.