Les cuprates sont des matériaux que l’on peut faire passer d'un isolant antiferromagnétique à un métal normal en augmentant leur densité de porteurs par dopage chimique. Aux dopages intermédiaires, une riche variété de phases électroniques apparaît aux côtés de la phase supraconductrice, ou même entrelacée avec elle. Le but de cette thèse était de caractériser divers aspects de la compétition entre la supraconductivité et les ordres de charge ou de spin, en utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN). Une première partie du travail a consisté à améliorer la modélisation des spectres RMN des noyaux de 17O dans les deux phases onde de densité de charge (ODC) présentes dans YBa2Cu3Oy: l’ordre à courte portée et l’ordre à longue portée (induit par le champ magnétique). En plus de fournir un cadre d'analyse beaucoup plus précis pour les données de RMN en fonction du champ, du dopage et de la pression (voir ci-après), les résultats indiquent que l’ODC à haut champ est uni-axiale (c'est-à-dire avec un vecteur d'onde unique q), avec une période commensurable avec le réseau de trois cellules unitaires (q = 1/3). Le deuxième aspect de la compétition de phases abordé dans ce travail est l'effet (controversé) de la pression hydrostatique. Nos mesures montrent qu'une pression de 1,9 GPa n'affaiblit que très légèrement l’ODC à courte portée dans l'état normal ainsi que l’ODC à longue portée observée à haut champ. Les résultats soutiennent l’hypothèse selon laquelle l'augmentation continue de Tc lorsque la pression augmente jusqu'à 15 GPa est presque entièrement due à une diminution progressive de la force de l’ODC. Ceci montre que la pression hydrostatique est un paramètre permettant de contrôler la compétition entre l’ODC et la supraconductivité dans les cuprates.Dans la troisième partie de la thèse, des mesures du taux de relaxation spin-réseau (1/T1) des noyaux de 139La ont permis d’étudier l'effet d'un champ magnétique sur la mise en ordre vitreuses des spins dans La2-xSrxCuO4. En utilisant des champs élevés jusqu’à 45 T, nous montrons que le champ est capable d’induire une phase gelée, ou presque gelée, à des niveaux de dopage bien supérieurs à ceux supposés précédemment, à savoir jusqu’au dopage critique attribué à l’extrémité de la phase pseudogap mais pas au-delà de ce point, ou pas loin au-delà. Ce résultat a des implications importantes pour l'interprétation de la phase de pseudogap et de la criticité quantique qui lui est associée. / Cuprates are materials that can be tuned from an antiferromagnetic insulator to a normal metal by increasing the carrier density through chemical doping. At intermediate doping, a rich variety of electronic phases emerges alongside, or intertwined, with the superconducting phase. The aim of this thesis was to characterise various aspects of the competition between superconductivity and charge or spin order, using nuclear magnetic resonance (NMR).A first part of the work consisted in improving the modelling of 17O NMR spectra in the two charge-density wave (CDW) phases present in YBa2Cu3Oy: the short-range order and the (magnetic-field induced) long-range order. Besides providing a much more accurate analysis framework for NMR data as a function of field, doping and pressure (see hereafter), the results indicate that the CDW in high-fields is uniaxial (i.e. single wave vector q) and commensurate with the lattice, with a period of three unit cells (q=1/3).The second aspect of phase competition addressed in this work is the (controversial) effect of hydrostatic pressure. Our measurements show that a pressure of 1.9 GPa weakens the short-range CDW in the normal state and the long-range CDW observed in high fields only slightly. The results support the proposal that the continuous rise in Tc upon increasing pressure up to 15 GPa arises almost entirely from a gradual decrease of the CDW strength. This establishes hydrostatic pressure as a tuning parameter of the competition between CDW order and superconductivity in the cuprates.In the third part of the thesis, 139La spin-lattice relaxation rate (1/T1) measurements were used to study the effect of a magnetic field on glassy spin ordering in La2-xSrxCuO4. Using high fields up to 45 T, we reveal that the field is able to induce a frozen, or nearly so, phase at doping levels much higher than previously assumed, namely up to the putative endpoint of the pseudogap boundary, but not, or not far, beyond that point. This result has important implications for interpreting the pseudogap phase and its associated quantum criticality.

La découverte de la supraconductivité à haute température dans les cuprates supraconducteurs en 1986 a révolutionné le secteur et remis en cause la théorie conventionnelle (BCS) de la supraconductivité. Malgré des avancées importantes dans la course aux plus hautes températures critiques, à ce jour, aucune théorie ne fournit une interprétation satisfaisante des propriétés de ces matériaux.L’évolution de la température critique en fonction du taux de strontium dans les solutions solides supraconductrices La2-xSrxCuO4 et La1,6 xNd0,4SrxCuO4 forme un dôme supraconducteur pour 0,05 < x < 0,30. Cependant ce dôme montre une anomalie autour de la teneur x = 0,125, où la température critique est abaissée. Grâce aux technologies de plus en plus performantes, de nouvelles analyses physiques pourraient aider à comprendre la supraconductivité dans les cuprates.Pour cela, des monocristaux d’excellente qualité sont nécessaires. La technique de croissance cristalline par la méthode de fusion de la zone solvante est très adaptée à la synthèse de ce type de matériau à fusion non congruente.Une étude préliminaire sur des céramiques a permis de collecter de nombreuses informations. Une analyse par diffraction des rayons X permet de connaitre l’évolution des structures cristallines et des paramètres de mailles en fonction de la teneur en strontium. Les solutions solides La2-xSrxCuO4 cristallisent dans le système orthorhombique Bmab lorsque x < 0,11 et dans le système quadratique I4/mmm pour x > 0,11. En substituant une partie des ions lanthanes par des ions néodymes, la phase orthorhombique est stabilisée et la transition intervient quand x est proche de 0,19. Les températures critiques de ces composés sont déterminées par l’analyse des propriétés magnétiques réalisées à l’aide d’un magnétomètre à SQUID. Ces dernières sont plus complexes pour les solutions solides La1,6 xNd0,4SrxCuO4 en raison du caractère paramagnétiques des ions Nd3+.Les solides cristallisés présentés dans ce travail ont été élaborés dans un four à concentration de rayonnement avec des vitesses de croissance très lentes (1 mm.h-1). Pour atteindre les compositions visées La1,875Sr0,125CuO4 et La1,475Nd0,4Sr0,125CuO4, il est indispensable d’identifier une composition optimale de la pastille solvante. La qualité cristalline des solides cristallisés est observée par l’intermédiaire d’un microscope à lumière polarisée et par la diffraction des rayons X par la méthode de LAUE. La détermination des paramètres de maille, des températures critiques, des analyses élémentaires par microsonde, couplés aux résultats obtenus sur les céramiques permettent d’obtenir la teneur en cation de ces cristaux. / High critical temperature superconductivity discovery in cuprates superconductors in 1986 revolutionized this sector and questioned the BCS theory. In spite of great improvement in critical temperatures, no theory fully explains the properties of these materials. The critical temperature evolution according to strontium’s content in La2-xSrxCuO4 and La1,6 xNd0,4SrxCuO4 superconductor solid solutions show a superconductive dome for 0,05 < x < 0,30. However, around x = 0,125, there is a magnetic anomaly where the critical temperature decreased. With the help of more efficient technologies, new physical analysis might help to give a better interpretation of the superconductivity in the cuprates materials. Therefore single crystals of great quality are needed. The travelling-solvent floating-zone method is particularly compatible with non-congruent fusion materials as cuprates. First, a preliminary study on polycrystalline samples was conducted and gave interesting information about structure and physical properties. X-rays powder diffraction experiments were used to analyze the crystalline structures and the cell parameters of these materials. The La2-xSrxCuO4 solid solutions crystallize in the orthorhombic Bmab system if x < 0,11, and in the tetragonal I4/mmm system if x > 0,11.With the substitution of Lanthanum ions by Neodymium ions, the orthorhombic phase is stabilized and the transition occurs only for x near 0,19. The critical temperatures of these compounds are extracted from the magnetic properties analysis, obtained by a SQUID magnetometer. These properties are more complicated for the La1,6 xNd0,4SrxCuO4 solid solutions because of the paramagnetic nature of Nd3+ ions. In this work, the crystals are synthesized in an optical furnace with small growth rates (1 mm.h-1). For the selected compositions of La1,875Sr0,125CuO4 and La1,475Nd0,4Sr0,125CuO4, the solvent rod must be optimal. Crystalline quality of the crystals is checked by polarized light microscopy and by the LAUE method. Elemental analysis by electron probe micro analysis and the results of the cell parameters and the critical temperatures, compared with those obtained from the polycrystalline materials are used for the composition determination of these crystals.

In dieser Arbeit wurde die Ausgangsverbindung der eisenbasierten Supraleiter, LaFeAsO, durch die Synthese und Charakterisierung von poly- und einkristallinen Proben untersucht. Supraleitung kann in den eisenbasierten Supraleitern durch Elektronen- oder Lochdotierung hervorgerufen werden. Die Substitution von Eisen durch Mangan, formal eine Lochdotierung, hat hingegen einen destruktiven Effekt auf die Supraleitung. Dieser ist bei optimal fluordotiertem LaFeAs(O,F) um Größenordnungen stärker ausgeprägt als bei Nd- oder Sm-FeAs(O,F). Indem Lanthan partiell durch das kleinere Yttrium substituiert wurde, konnte gezeigt werden, dass diese unterschiedlich starke Mangantoleranz durch die Unterschiede im Seltenerdmetall-Ionenradius bedingt ist. Weiterhin finden sich Anzeichen, dass die Unterdrückung der Supraleitung durch Mangan mit Elektronenlokalisierung korreliert ist. Das Fehlen von großen dreidimensionalen Einkristallen der SEFeAsO-Verbindungsklasse stellt ein großes Hindernis in der Erforschung der elektronischen Eigenschaften der eisenbasierten Supraleiter dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der Festkörper-Einkristallzüchtung ein geeignetes Mittel darstellt, um große, facettierte SEFeAsO-Einkristalle mit ausgeprägtem Wachstum in c-Richtung zu erhalten. Mit diesem neu entwickelten Einkristallzüchtungsverfahren konnte ein aktualisiertes Phasendiagramm von La(Fe,Co)AsO erstellt werden. Die Substitution von Eisen durch Cobalt entspricht einer Elektronendotierung und führt zu Supraleitung mit einer maximalen Sprungtemperatur von 12 K. Die Ausgangsverbindung LaFeAsO zeigt bei etwa 156 K einen strukturellen Phasenübergang von einer tetragonalen zu einer orthorhombischen Struktur, weiterhin tritt unterhalb von etwa 138 K eine Spindichtewelle auf. In Einklang mit dem bekannten Phasendiagramm werden mit Cobaltdotierung die beiden Übergänge unterdrückt, mit höheren Cobaltkonzentrationen kommt es zu Supraleitung. Anders als beim bekannten Phasendiagramm kann eine deutliche Aufspaltung zwischen magnetischem und strukturellen Übergang bei kleinen Cobaltkonzentrationen beobachtet werden. Außerdem findet sich eine Region der Koexistenz zwischen Supraleitung und Spindichtewelle. Bisher konnte ein solcher Zustand im SE(Fe,Co)AsO-System nicht beobachtet werden.

Este trabalho tem como objetivo o estudo da influência do boro na fase &#945;Nb5Si3 (Fase T2) a baixas temperaturas analisando suas propriedades elétricas e magnéticas. Para o estudo deste tema as amostras foram preparadas, seguindo a estequiometria Nb5Si3-xBx, via metalurgia do pó e também por fusão a arco, com x dentro do intervalo limitado por 0 &#61603; X &#61603; 1,0. Estas amostras foram analisadas através de difratometria de raios x, microscopia eletrônica de varredura, magnetização, transporte elétrico e medidas calorimétricas em baixa temperatura. As medidas das propriedades elétricas e magnéticas destas fases mostram que a substituição de boro por silício induz supercondutividade na fase T2. O caráter volumétrico da transição supercondutora é confirmado pela medida de capacidade calorífica. Assim, este trabalho é o primeiro a mostrar uma nova família de materiais supercondutores que cristalizam na estrutura protótipo Cr5B3. / This work to study the influence of boron during low temperature &#945;Nb5Si3 (T2 phase) analyzing their electrical and magnetic properties. For the study of this subject the samples were prepared, following the stoichiometry Nb5Si3-xBx via powder metallurgy and also by arc melting process, with x within the range limited by 0&#61603;X&#61603;1.0. These samples were analyzed by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, magnetization, electrical transport and calorimetric measurements of low temperature. Measurements of electrical and magnetic properties of these phases show that the substitution of boron by silicon induces superconductivity at the T2 phase. The bulk nature of superconducting transition is confirmed by heat capacity measurement. This study is the first to show a new family of superconducting materials that crystallize in the Cr5B3 prototype structure.

O presente trabalho analisou as condições de texturização de amostras de Ag/Bi2212 (Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;) na forma de pastilhas e de fitas, verificando-se a influência do tratamento térmico, atmosfera, adição de prata e adição de zircônia ou zirconato de cálcio. As adições de zircônia ou de zirconato de cálcio, com partículas de dimensões submicrométricas ou nanométricas (abaixo de 200nm), foram analisadas como possíveis geradores de centros de aprisionamento de fluxo magnético, assim como foi feita a análise de seus comportamentos nas propriedades intrínsecas da matriz supercondutora. A influência da atmosfera de tratamento térmico foi analisada de modo a alterar a concentração de oxigênio na fase supercondutora visando melhores resultados de temperatura crítica, sem depreciação das densidades de corrente crítica e dos campos de irreversibilidade, Birr. Foram analisadas as influências dos parâmetros de tratamento térmico, tais como temperatura máxima de reação, tempo nesta temperatura máxima, taxa de resfriamento do estado líquido ao estado sólido, e temperatura e tempo de recozimento após solidificação. Verificou-se a influência do resfriamento do forno sobre a texturização e a temperatura crítica. Quanto à dopagem com prata, foi verificada sua influência na texturização e interação com a zircônia. Foram realizadas caracterizações supercondutoras e microestruturais das amostras. / The present work analyzed the texturing conditions of Ag/Bi2212 samples (Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;) in the form of bulks and of tapes, verifying the influence of heat treatment, atmosphere, silver addition and addition of zirconia or calcium zirconate. The additions of zirconia or calcium zirconate, with particles of submicron or nanometric (below 200nm) dimensions, were analyzed as possible generators of magnetic flux pinning centers, as well as it was analyzed their behaviors on the intrinsic properties of the superconducting matrix. The influence of the heat treatment atmosphere was analyzed in order to change the oxygen concentration in the superconducting phase aiming better results of critical temperature, without depreciation of the critical current densities and of the irreversibility fields, Birr. The influences of the heat treatment parameters were analyzed, such as the reaction maximum temperature, soaking time at this maximum temperature, cooling rate from the liquid to the solid states, and annealing temperature and time after solidification. It was verified the influence of the furnace cooling rate on the texturing and critical temperatures. Concerning to the silver addition, it was verified its influence on the texturing and its interaction with the zirconia. Superconducting and microstructural characterizations of the samples were performed.

URhGe is the first ferromagnet discovered that shows superconductivity at ambient pressure. It shows a rich temperature-magnetic field phase diagram with a re-emergence of superconductivity at high magnetic field where the moments rotate. This suggests that the quantum fluctuations associated with the moment rotation may provide the pairing interaction for superconductivity. The objective of this thesis was to study these critical fluctuations with inelastic neutron scattering and heat capacity measurements, using the latter to test the bulk nature of the superconductivity and determine the types of gap nodes to help test this hypothesis. To perform the heat capacity measurements, it was necessary to develop an apparatus that measures milligram samples in the temperature range 50-1000 mK, and magnetic field range 0-12 T. The field exerts a mechanical force upon the sample, which causes it to rotate, perturbing the system destructively. The apparatus developed in this thesis overcomes this diffculty by holding the sample with tensioned kevlar wires. Testing was done by making measurements on UPt3, a well characterised superconductor. It was then used to measure URhGe in zero magnetic field. The extension to measurements in high magnetic field were not performed however, due to the structural integrity of the apparatus being weak - this was in an attempt to reduce the thermodynamic signature of the background. After many iterations of apparatus design and build, the device was proved not appropriate for high fields. A discussion of the zero-field data, as well as the design and build process, is given. The Curie temperature of URhGe is suppressed with magnetic field (applied along the b-axis), reaching zero temperature at the moment rotation transition referred to above. Small angle neutron scattering (SANS) was measured at both zero and finite fields to detect the evolution and relaxation of the critical fluctuations. The scattering is inelastic and the SANS measurement integrates over energy. Nevertheless it was possible to compare models with different dynamical dependences for the magnetic relaxation. In field, however, the magnitude of the fluctuations was strongly reduced, falling below the detection limit at half the critical field. Comparing Landau damping to various forms of non-Landau damping, a result was found that agrees with that for the ferromagnetic superconductors UGe2 and UCoGe, but the lack of critical scattering at field is found to be in contradiction with NMR measurements, which is discussed. UAu2 is a new material on the heavy fermion landscape. The crystal structure found suggests some frustrated magnetism, culminating in a Neél temperature of 43 K and a further transition at 400 mK; this suggests some new quantum criticality not seen before, and so heat capacity measurements were performed with the already-tested apparatus to see if, as the resistivity measurements suggest, a Fermi-liquid state is found. Results revealed differences between annealed and non-annealed samples in their thermodynamic signature, and the behaviour expected for antiferromagnetic spin-fluctuations is found to continue to temperatures below 150 mK, suggesting the existence of a quantum critical point. The validity of these results along with implications are discussed.

The decline of Moore's law has catalyzed a significant effort to identify beyond-CMOS devices and architectures for the coming decades. A multitude of classical and quantum systems have been proposed to address this challenge, and spintronics has emerged as a promising approach for these post-Moore systems. Many of these architectures are tailored specifically for applications in combinatorial optimization and machine learning. Here we propose the use of spintronics for such applications by exploring two distinct but related computing paradigms. First, the use of spin-currents to manipulate and control quantum information is investigated with demonstrated high-fidelity gate operation. This control is accomplished through repeated entanglement and measurement of a stationary qubit with a flying-spin through spin-torque like effects. Secondly, by transitioning from single-spin quantum bits to larger spin ensembles, we then explore the use of stochastic nanomagnets to realize a probabilistic system that is intrinsically governed by Boltzmann statistics. The nanomagnets explore the search space at rapid speeds and can be used in a wide-range of applications including optimization and quantum emulation by encoding the solution to a given problem as the ground state of the equivalent Boltzmann machine. These applications are demonstrated through hardware emulation using an all-digital autonomous probabilistic circuit.

Ce travail a été consacré à l'étude de l'influence de différents paramètres microstructuraux sur les propriétés supraconductrices de céramiques d'YBa2Cu3O7-d, texturées par TSMTG, afin d'essayer d'obtenir les meilleures densités de courant critique possibles en vue d'applications. La première partie traite de l'étude d'un paramètre microstructural particulier observé dans les composés REBa2Cu3O7-d : les macles. Une revue des méthodes de caractérisation utilisables a tout d'abord été réalisée, rejetant l'observation par microscopie optique en lumière polarisée et l'enregistrement de « rocking curves ». De nouvelles méthodes ont été proposées pour une analyse qualitative (figures des pôles (200) et (020)) et quantitative (images obtenues à partir des électrons secondaires en microscopie électronique à balayage). Des essais de démaclage de céramiques texturées par traitements thermomécaniques n'ont pas permis d'obtenir d'échantillons démaclés. Une seconde partie traite de l'influence d'ajouts de dopants sur les propriétés supraconductrices. Certains dopants, comme Bi2O3, Gd2O3, Dy2O3, ou Tb(III/IV)O, ont permis d'améliorer nettement les densités de courant critique jusqu'à des valeurs de 95 kA.cm-2 sous champ propre, à 77 K, pour Bi2O3. D'autres dopants se sont avérés diminuer nettement les propriétés supraconductrices comme le calcium. Enfin, un troisième groupe de dopants (par exemple BaF2), ne semble pas changer les microstructures ou les propriétés supraconductrices des céramiques d'YBa2Cu3O7-d. Enfin, la grande fragilité des échantillons de céramiques d'YBa2Cu3O7-d soumis à l'action de l'eau a été mise en évidence dans le cadre d'études sur le stockage de ces matériaux. Un modèle de l'action de l'eau sur les échantillons d'Y123 par un échange Ba2+/« espèce protonée » a été proposé.

During this thesis, we have used superconducting circuits with Josephson junctions, derived from the Cooper pair box, in order to implement quantum bits (qubits). <br />To implement two-qubit gates, we have developed a new circuit, the quantroswap, which consists in two capacitively coupled Cooper pair box, each of them being manipulated and read separately. We have demonstrated coherent exchange of energy between them, but we have also observed a problem of qubit instability.<br />In order to avoid this spurious effect, we have implemented another circuit based on a charge insensitive split Cooper pair box coupled to a non-linear resonator for readout-out purpose. We have measured large coherence time, and obtained large readout fidelity (90%) using the bifurcation phenomenon. <br />For metrological purpose, microwave reflectometry measurement on a quantronium also allowed us to relate an applied current I to the frequency f=I/2e of induced Bloch oscillations.

Au cours des dernières anneés, le refroidissement des électrons par effet tunnel dans des jonctions hybrides composés de métal Normal - Isolant - Supraconducteur (N-I-S) a suscité de plus en plus l'attention. Son principe repose sur un effet tunnel sélectif en énergie en raison de la présence d'une bande interdite Delta dans la densité d'états du supraconducteur. Avec une tension de polarisation inférieure à l'énergie du gap, seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser l'interface du métal normal par effet tunnel, laissant derrière eux les électrons de moindre énergie. Nous avons mesuré la conductance différentielle de jonctions S-I-N-I-S avec une grande résolution. Son analyse nous renseigne sur la température électronique du métal normal en fonction de la tension. Un modèle quantitatif est proposé qui inclut le couplage électron-phonon et la résistance dite de Kapitza, à l'interface avec le substrat. Avec ce modèle, nous avons réalisé une description détailleé du courant électronique et du flux de chaleur. Nous avons également montré que la température des phonons dans le métal normal baisse sensiblement au-dessous de la température du substrat. A très basse température (T < 200 mK) et à faible tension de polarisation, le courant d'Andreev cohérent en phase domine le courant des quasi-particules. En analysant quantitativement l'équilibre thermique dans la jonction S-I-N-I-S, nous avons démontré que le courant d'Andreev transporte de la chaleur. Cette contribution thermique chauffe les électrons du métal normal. Le refroidissement électronique à la tension de polarisation optimum (V ~ 2Delta/e) dans la jonction S-I-N-I-S est un problème bien connu mais qui reste en suspens. L'effet de refroidissement dans la jonction S-I-N-I-S est accompagné par l'injection de quasi- particules dans les électrodes supraconductrices. Nous avons proposé un modèle simple pour la diffusion de l'excès des quasi-particules dans l'électrode supraconductrice possédant un piège métallique. Le modèle de diffusion a une solution analytique qui prédit la température minimum de refroidissement susceptible d'e^tre atteinte.