Dans les supraconducteurs à haute température critique présentant un ancrage fort des vortex, le changement des propriétés de cisaillement de vortex est un mécanisme plausible pour la disparition de la résistance électrique linéaire à la transition du liquide de vortex vers le solide de vortex. Une signature certaine d'une éventuelle transition de phase liée au piégeage des lignes de flux est l'observation d'une divergence de la viscosité de cisaillement du liquide de vortex, en refroidissant. Afin de mesurer directement cette grandeur, une géométrie confinée composée de canaux séparés par des parois à ancrage fort est façonnée par irradiation avec des ions lourds dans des monocristaux de $Bi_{2}Sr_{2}CaCu_{2}O_{8}$, préalablement triés pour éviter la présence de défauts macroscopiques. La fabrication réussie de ces couloirs, d'une largeur de 20 $\mu$m, a été mis en évidence par imagerie magnéto-optique. L'écoulement des lignes de flux dans les couloirs a été mesuré à travers des mesures de transport électrique effectuées sous champ magnétique de très faible champ, de l'ordre de la centaine de Gauss. Les données de résistance peuvent être décrites également bien par la théorie de Nelson et Halperin pour la densité de défauts topologiques dans un liquide bidimensionnel de vortex, comme par des lois de puissance, dérivées dans le cadre d'un modèle du verre de vortex. Les données suggèrent que le liquide de vortex se comporte comme un liquide de lignes droites (rectilignes), dont les défauts topologiques traversent le supraconducteur d'une surface à l'autre. D'autre part, l'analogie avec des expériences récentes en matière molle établissant la similitude entre le "jamming" dans l'écoulement de particules dans un canal étroit et la transition vitreuse.

In order to understand some of the superconducting mechanisms involving external electric fields at nanometric scales, a Lorentz-covariant extension of the phenomenological Ginzburg-Landau theory has been developed by analogy with the Higgs model of particle physics. Among the specific properties of this model, it has been shown that the phase diagram of some particular geometry submitted to crossed electric and magnetic fields in a stationary situation provides a criterion involving the applied electric field, which could discriminate between the usual Ginzburg-Landau theory and its covariant extension. A sub-microscopic device has been manufactured using microelectronics lithography techniques and was used to perform transport measurements at very low temperatures. However, the experimental measurements of the phase diagram do not reproduce the expectations based whether on the usual or the extended model, suggesting a screening of the electric field by some mechanism which is not accounted for by these phenomenological approaches. A microscopic approach has therefore been developed to extend the s-wave channel of the BCS theory in a relativistic framework, using the functional integral formalism of Finite Temperature Field Theory. In particular, the effective action related to the Ginzburg-Landau free energy was obtained up to second order in the fluctuations of the electromagnetic field and of the superconducting condensate density. This allowed for the identification of the electric and magnetic penetration lengths, inclusive of their dependences on temperature and the chemical potential, which fully explain the experimental results. Several analytic expressions have also been provided for the effective potential in the full range of temperatures between 0 K and the critical temperature, among which the Ginzburg-Landau potential was shown to reproduce this effective potential within the limited range of temperatures where it is expected to be valid.

Im Jahr 1964 wurde eine Theorie der Supraleitung vorgestellt, welche Cooper-Paarbindungen mit nichtverschwindendem Gesamtimpuls berücksichtigt. Sie wird nach den maßgeblich beteiligten Physikern P. Fulde, R. A. Ferrell, A. I. Larkin und Y. N. Ovchinnikov als FFLO-Supraleitung bezeichnet [1, 2]. Aufgrund recht anspruchsvoller Voraussetzungen kommen nur wenige Festkörper-Systeme in Frage, die eine FFLO-Phase ausbilden könnten. Im Jahr 2007 konnte R. Lortz durch Messungen der spezifischen Wärme an dem organischen Supraleiter kappa-(ET)2Cu(NCS)2 einen soliden Nachweis für eine weitere thermodynamische Supraleitungs-Phase in hohen Magnetfeldern erbringen [3]. ET steht hierbei für Bis-(ethylen-dithiolo)-tetrathiafulvalen. Die Hochfeld-Phase von kappa-(ET)2Cu(NCS)2 erfüllt alle bekannten Bedingungen für einen FFLO-Zustand. Diese Arbeit befasst sich mit der Erbringung eines gleichwertigen Beweises einer thermodynamischen Hochfeld-Supraleitungs-Phase in dem quasi-zweidimensionalen und vollständig organischen Supraleiter beta\'\'-(ET)2SF5CH2CF2SO3 durch hochauflösende Messungen der spezifischen Wärme. Darüber hinaus sollte durch eine präzise Ausrichtung der Probe zum Magnetfeldvektor die Feldorientierungsabhängigkeit der spezifischen Wärme und damit der supraleitenden Phasen bestimmt werden. [1] - P. Fulde and R.A. Ferrell, Phys. Rev., 135:A550, (1964). [2] - A.I. Larkin and Y.N. Ovchinnikov, Zh. Eksp. Teor. Fiz., 47:1136,(1964). [3] - R. Lortz et al., Phys. Rev. Lett., 99:187002, (2007).

The thesis work presented here emphasizes important aspects of crystal growth and the influence of chemical substitution in Fe-As superconductors. High temperature solution growth technique is one of most powerful and widely used technique to grow single crystals of various materials. The biggest advantage of high temperature solution growth technique is the, possibility of growing single crystals from both congruently and incongruently melting materials. Solution growth technique has the potential to control high vapour pressures, given the fact that, in Fe-based superconductors elements with high vapour pressure like As, K, Li and Na have to be handled during the crystal growth procedure. In this scenario high temperature solution growth is the best suitable growth technique to synthesize sizable homogeneous single crystals. Using self-flux high temperature solution growth technique, large centimeter-sized high quality single crystals of BaFe2As2 were grown. This pristine compound BaFe2As2 undergoes structural and magnetic transition at TS/N=137 K. By suppressing this magnetic transition and stabilizing tetragonal phase with chemical substitution, like Co-doping and Na-doping, bulk superconductivity is achieved. Superconducting transitions of as high as Tc = 34 K with Na substitution and Tc = 25 K with Co-doping were obtained. A combined electronic phase diagram has been achieved for both electron doping with Co and hole doping with Na in BaFe2As2. Single crystals of LiFe1−xCoxAs with x = 0, 0.025, 0.05 and 0.075 were grown by a self-flux high temperature solution growth technique. The charge doping in LiFeAs is achieved with the Co-doping in Fe atoms. The superconducting properties investigated by means of temperature dependent magnetization and resistivity revealed that superconductivity is shifted to lower temperatures and with higher amount of charge carriers superconductivity is killed. Single crystals of KFe2As2 were grown with two different fluxes, namely, FeAs-flux and KAs-flux. The superconducting transition is found to be at 3.8K in both the crystals. The influence of doping with selected elements like Na, Rh, Co and Cr has been investigated systematically in KFe2As2 single crystals. With Na-doping at the K-site, yield (K1−xNax)Fe2As2; superconductivity is suppressed to lower temperatures. Substitution of Co and Cr at Fe site, yield K(Fe0.95Co0.05)2As2, K(Fe0.95Cr0.05)2As2 superconductivity is rapidly killed. Single crystals of (Ba0.6Eu0.4)(Fe1−xCox)2As2 with x = 0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 were grown with solution growth technique using Fe-As flux and investigated with several physical measurements. The growth conditions are highly optimized to grow flux free large single crystals especially in case of BaFe2As2 family. The high quality of the crystals were revealed by several physical properties, for e.g. single crystals of Ba(Fe1−xCox)2As2 are of the highest quality which was confirmed by the magnetic ac susceptibility which showed a very sharp superconducting transition.

The understanding of new emerging unconventional ground states is a great challenge for experimental and theoretical solid-state physicists. New ground states are developing, where different energy scales compete, leading to a high sensitivity of the system to external tuning parameters like doping, pressure or magnetic field. The exploration of superconductivity proved to be a fascinating and challenging scientific undertaking. Discovered by H. Kammerlingh Onnes in 1911, prior to the development of the quantum theory of matter, superconductivity was defying a microscopic theory for more than four decades until the BCS theory was formulated in 1957 by J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer. Superconductivity of most of the simple metals or metallic alloys is well described within the frame of the BCS scenario, however, in the last thirty years numerous new superconducting materials were found to exhibit exotic properties not accounted for by the BCS theory. Among them are included the high-Tc compounds, the heavy-fermion superconductors and as well the organic superconductors. It was the purpose of this work to probe different facets of superconductivity in heavy-fermion and in low-dimensional metallic compounds. This dissertation is divided into six chapters. After this introduction, in Chapter 1 we will outline the basic theoretical concepts later needed for the analysis of the experimental results. In Chapter 2 we briefly introduce the experimental techniques with a special focus on the new pressure cells developed during this thesis and used for the measurements presented in Chapters 3 to 5. In Chapter 3 the possible realization of the inhomogeneous superconducting FFLO state in CeCoIn5 is studied by specific heat measurements under hydrostatic pressure, while in Chapter 4 the results of AC specific heat experiments on UBe13 under uniaxial pressure are presented. The ambient pressure properties as well as results obtained by resistivity measurements under hydrostatic pressure on the one-dimensional metallic compounds TlxV6S8 are discussed in Chapter 5. At the end, Chapter 6 summarizes and concludes this thesis.

Dans cette thèse d'habilitation, nous considérons plusieurs aspects du transport à travers une molécule unique, connectée à des bornes de métal normal ou à des bornes supraconductrices. <br />L'emphase à été mise sur la détection des signatures les plus marquantes du transport cohérent à travers les molécules, ainsi que sur la compréhension des problèmes de corrélations (problème à N corps) sur la dynamique de ces systèmes, provenant des degrés de liberté internes (vibrations, spin,...) du conducteur et affectant le passage du courant.<br /><br />En ce qui concerne le transport dans le régime normal à travers une molécule qui vibre (un nanotube de carbone suspendu par ses extrémités), nous avons procédé à une étude détaillée de la conductance différentielle négative (CDN) qui est observée dans ces dispositifs. En supposant des contacts tunnel, tel que les électrons qui s'échappent dans les bornes effectivement perdent leur cohérence de phase (c'est-à-dire à haute température), <br />nous avons dérivé les équations cinétiques dans lesquelles la nature quantique de l'interaction électron-phonon au sein du point quantique moléculaire est prise en compte sans approximations (formation de polaron sur le point quantique moléculaire). Le fait que la conductance différentielle soit positive ou négative dépend de la position du niveau polaronique et de l'occupation des pics satellites associés au nombre d'occupation des phonons, qui sont compris entre la tension de source et de drain des électrodes. La CDN <br />apparaît lorsque deux de ces pics satellites entrent en compétition dans le transport, et constitue une signature des effets hors équilibres associés au vibrations de la molécule. Nous avons clairement montré que pour des couplages tunnels asymétriques (situation qui correspond à la géométrie des expériences sur le domaine), on observe un CDN pour un vaste domaine de paramètres. Nous avons également exploré les effets de navette électronique, ou <br />le déplacement de la molécule entre en compte dans l'Hamiltonien tunnel, qui peuvent être détectés en regardant l'asymétrie des courbes courant tension. Bien que le mécanisme de navette tend à renforcer la CDN, il n'est toutefois pas suffisant pour y donner lieu sans hypothèses sur la valeur relative des couplages tunnels. <br /><br />Nous avons également étudié le transport dans le régime normal à travers un point quantique moléculaire dans le cas d'un couplage fort aux contacts, mais loin du régime Kondo. En utilisant l'approche hors équilibre des fonctions de Green dans la représentation du polaron, nous sommes allés au delà du régime perturbatif pour calculer la caractéristique courant tension dans le régime de couplage électron-phonon intermédiaire. Nous avons montré qu'en accroissant le couplage tunnel au contacts, les corrélations associées au nuage de polaron deviennent très importantes à haute température, et donnent lieu à une réduction dramatique de l'élargissement des pics la densité d'états de la molécule. Nous proposons une détection de ces phénomènes par la mesure de la conductance différentielle, tout en variant la température locale de la molécule (nanotube de carbone). On note qu' en présence d'un environnement dissipatif les pic satellites dus aux phonons devraient acquérir un élargissement additionnel. L'inclusion des effets d'amortissement des modes phononiques constituerait une extension de ce travail. <br /><br />Dans cette thèse, nous avons également abordé le problème du transport cohérent en présence de phonons, dans un système moléculaire connecté à des contacts supraconducteurs. Nous avons calculé le courant DC (partie du courant stationnaire) pour toutes les valeurs de la tension à l'aide de l'approche des fonctions de Green Keldysh, pour une fréquence de vibration arbitraire, mais dans le régime du couplage faible électron-phonon. Nos principaux résultats sont les suivants : i) dans le régime sous le gap $eV<\Delta$, les processus de réflexions multiples d'Andreev (MAR) sont accompagnés de processus d'émission/absorption de phonons et donne lieu à une structure très riche près des valeurs de tension ou le nombre <br />de réflexions d'Andreev changent d'une unité (ces tensions sont appelées les « MAR onsets »). On observe alors un effet pair impair ou le courant est augmenté/diminué suivant la transition de « MAR onset » (entre pair/impair et vice versa). Ces phénomènes trouvent un interprétation physique en comparant avec la théorie de la diffusion de Buttiker-Landauer, adaptée au contacts supraconducteurs, une théorie connue sous le nom d' « échelle de MAR ». A l'équilibre $V=0$, nous avons obtenu des résultats analytiques pour le courant Josephson dans la limite adiabatique ou la fréquence de vibration est faible comparée au gap supraconducteur, qui est interprétée en terme des états liés d'Andreev avec une transparence aux contacts renormalisée par les phonons. Pour le futur, une extension de cette théorie au calcul du bruit (fonction de corrélation courant-courant) est envisagée. Le bruit peut en effet procurer une information supplémentaire sur la charge transmise à travers la jonction, et il serait intéressant d'étudier l'effet des phonons dans ce cadre. <br /><br />Nous avons également considéré le cas des contacts supraconducteurs, mais cette fois pour les interactions fortes, et uniquement à l'équilibre ou le courant Josephson dépend de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. Cette fois on s'intéresse à un diagnostique sur l'état des phonons sur le point quantique moléculaire. Nous trouvons que pour le régime de faible couplage tunnel, des états non-classiques de type « chat de Schrodinger » (une superposition d'états cohérents opposés) sont associés aux états du courant et donc aux liés d'Andreev dans la jonction. Ces états non classiques peuvent être <br />explicités en procédant à une mesure projective du courant. Pour des contacts transparents, nous avons montré que l'effet Josephson génère des fluctuations de phonon cohérentes, et induit des états quantiques « comprimés » de phonon, analogues aux états « comprimés » de photons en optique quantique : l'impulsion canoniquement conjuguée à la distorsion de la molécule possède des fluctuations inférieures a la valeur minimale habituelle de fluctuations du point zéro. La compression d'états de phonons s'observe pour une grande plage de paramètres : elle est contrôlée par la différence de phase et devient maximale près de la transition de polaron. La détection expérimentale de tels états comprimés pourrait être effectuée en nanoélectronique à l'aide de nanotubes suspendus. Il faudrait recourir à un diagnostique optique tel que l'effet Raman résonant, pour démonter l'existence de ces états de phonons non-classiques. <br /><br />Une autre manière d'explorer les phénomènes cohérents dans le cadre du transport Josephson <br />est d'étudier les situations ou les degrés de liberté de spin des électrons du point quantique moléculaire et des électrodes sont importants. Nous avons donc calculé le courant Josephson <br />à travers un point quantique moléculaire doté d'un grand spin, qui possède une interaction d'échange avec l'électron du point quantique. Ce couplage d'échange peut donner lieu à une transition à l'état pi de la jonction (relation courant phase opposée par rapport a une jonction normale, de phase 0). La contribution relative du courant provenant des états liés d'Andreev <br />et du continuum détermine si la jonction est dans l'état 0 ou l'état pi. Un débouché possible de cette étude est d'étudier les effets de décohérence, et de rétroaction du supercourant sur la dynamique du spin moléculaire. <br /><br />Dans un autre contexte, les effets de spin associé au courant Josephson ont été étudiés pour un point quantique possédant plusieurs nivaux, et sujet à l'interaction spin orbite Rashba et Dresselhaus. Pour un point quantique ne possédant qu'un seul niveau les effet du couplage spin orbite sont inexistants en l'absence d'un champ magnétique externe. En présence de ce dernier, le courant de ce point quantique possède des oscillations de type Datta Das en fonction du paramètre de couplage spin orbite multiplié par la longueur du point quantique.<br />Ces oscillations ont une amplitude de quelques dixièmes du courant nominal Josephson, et pourraient donc être observées expérimentalement. Le cas d'un point quantique possédant plusieurs niveaux est plus intéressant. Pour un point quantique à deux niveaux en particulier, <br />Le courant possède une dépendance sur le couplage spin orbite même en l'absence de champ magnétique. Le supercourant possède des maxima et des minima marqués pour certaines valeurs de ce couplage. Leur observation constituerait une première évidence du fonctionnement d'un transistor à effet spin orbite dont les bornes sont supraconductrices. <br />Dans le futur il serait intéressant d'inclure les interactions Coulombiennes sur le dot. <br /><br />Nous avons développé en parallèle une théorie pour modéliser un bit quantique basé sur les états liés d'Andreev : un dispositif constitué d'un SQUID (dispositif d'interférométrie supraconducteur) et d'un contact ponctuel supraconducteur, combinant donc un circuit macroscopique et microscopique. Le contact ponctuel – qui implique une transparence<br />elevée entre les contacts, peut être vu comme un point quantique qui contient deux états fermioniques localisés, à leur tout couplés à la dynamique de la phase supraconductrice<br />(un mode bosonique local). Nous avons étudié la décohérence de ce bit quantique d'Andreev, associée à un couplage des électrons des contacts avec des modes de phonons acoustiques. La nature fermionique des nivaux d'Andreev n'affecte pas le pilotage du bit quantique, mais elle joue un rôle important en ce qui concerne sa décohérence : la relaxation et le déphasage induit <br />suivent une loi de puissance dans le temps plutôt qu'une exponentielle. De plus, nous avons trouvé que le taux de transition entre les nivaux du bit quantique, induit par les transition phononiques est réduit de manière considérable comparé au taux de transition électron-phonon dans les contacts : l'étalement de la fonction d'onde de ses niveaux dans les contacts <br />réduit l'espace de phase disponible pour ces transitions assistées par les phonons. <br /><br />Dans une étude séparée, nous nous sommes intéressé à la mesure du bruit à haute fréquence ainsi qu'a celle des moments supérieurs du courant, à l'aide d'un circuit résonant en présence de dissipation. Le circuit résonant est couplé à un circuit mésoscopique placé dans le régime cohérent. L'information sur les moments supérieurs du courant est codée dans les histogrammes de la charge du condensateur du circuit résonant. La dissipation est prise en compte par le modèle de Caldeira Leggett, et il est essentielle de l'inclure pour obtenir des fluctuations de charge (donc un bruit mesuré) finies. Nous identifions également quelle <br />Combinaison des corrélateurs de courant entrent dans l'expression du troisième moment mesuré. Ce dernier fait appel à la même susceptibilité généralisée que pour le bruit mesuré, mais elle ne diverge pas dans la limite d'un circuit non dissipatif. Les prédictions sur la mesure de ces quantités sont testées pour le cas du bruit émanant d'un contact ponctuel.

L'effet Josephson apparaît lorsqu'une structure de couplage faible établit une cohérence de phase entre deux supraconducteurs. Une théorie unificatrice de cet effet est apparue dans les années 90 dans le cadre de la physique mésoscopique. Basée sur deux concepts fondamentaux, celui de canaux de conduction et celui de réflexion d'Andreev, elle prédit la relation courant-phase pour la structure de couplage de base : un canal unique de transmission arbitraire.<br />Cette thèse illustre ce point de vue mésoscopique par des expériences sur des contacts atomiques supraconducteurs. En particulier, nous avons étudié le pic de supercourant près de la tension nulle, avons mis en évidence les courants Josephson alternatifs dans un contact polarisé par une tension constante (résonances de Shapiro et réflexions multiples d'Andreev assistées par des photons) et avons mesuré directement la relation courant-phase.

Cette thèse décrit trois expériences portant sur les propriétés du transport électronique à l'échelle mésoscopique. La première a permis de mesurer le taux d'échange d'énergie entre électrons dans un métal contenant une très faible concentration d'impuretés magnétiques. Nous avons validé la description quantitative du rôle des impuretés magnétiques dans le régime Kondo sur ces échanges énergétiques et aussi montré que le taux global d'échange est plus fort que prévu. La seconde expérience est une mesure de la relation courant-phase dans un système constitué de deux supraconducteurs couplés par un seul atome. Elle nous a permis de conforter quantitativement la récente description de l'effet Josephson mésoscopique. La dernière expérience est une mesure de l'asymétrie des fluctuations du courant dans un conducteur mésoscopique en utilisant une Jonction Josephson comme détecteur de seuil.

Nous présentons ici une étude par diffusion Raman électronique de la dynamique des charges dans l'état supraconducteur des cuprates. L'utilisation de règles de sélection nous permet de sonder différentes régions de la surface de Fermi, plus particulièrement les régions nodales, où le gap supraconducteur de symétrie d des cuprates s'annule, et les régions anti-nodales, où il atteint sa valeur maximale. Des mesures systématiques de l'évolution avec le dopage des réponses nodales et anti-nodales ont permis de montrer qu'une simple description de type BCS du condensât superfluide était satisfaisante pour les régions optimalement et légèrement sur-dopées du diagramme de phase des cuprates, mais parfaitement inadaptée en ce qui concerne l'état supraconducteur des cuprates sous-dopés. Dans ce dernier en effet, nos mesures ont permis de révéler l'existence de deux échelles d'énergie distinctes, se comportant de manière antagoniste lorsque le dopage diminue. Des expériences menées en fonction de la température et de substitutions d'impuretés indiquent que l'échelle d'énergie associée aux régions anti-nodales est une signature du pseudogap, plutôt que du gap supraconducteur comme cela est généralement admis. Ce gap supraconducteur est en revanche visible dans les régions nodales,<br />et son amplitude suit, comme on s'y attendrait, la température critique de transition supraconductrice Tc. Enfin, l'effet d'impuretés magnétiques et non-magnétiques sur la réponse A1g qui sonde l'ensemble de la surface de Fermi, confirme la présence dans le canal de charge d'un mode lié à une excitation collective de spins, la résonance neutrons.

Elastic and inelastic interactions are studied in tunnel junctions of a superconducting nanoelectromechanical setup and in response to resent experimental superconducting scanning tunneling microscope findings on a paramagnetic molecule. In addition, the electron density of molecular graphene is modeled by a scattering theory approach in very good agreement with experiment. All studies where conducted through the use of model Hamiltonians and a Green function formalism. The nanoelectromechanical system comprise two fixed superconducting leads in-between which a cantilever suspended superconducting island oscillates in an asymmetric fashion with respect to both fixed leads. The Josephson current is found to modulate the island motion which in turn affects the current, such that parameter regions of periodic, quasi periodic and chaotic behavior arise. Our modeled STM setup reproduces the experimentally obtained spin excitations of the paramagnetic molecule and we show a probable cause for the increased uniaxial anisotropy observed when closing the gap distance of tip and substrate. A wider parameter space is also investigated including effects of external magnetic fields, temperature and transverse anisotropy. Molecular graphene turns out to be well described by our adopted scattering theory, producing results that are in good agreement with experiment. Several point like scattering centers are therefore well suited to describe a continuously decaying potential and effects of impurities are easily calculated.