L'introduction de la supraconductivité dans des structures de type MOSFET en silicium ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche en physique. Dans cette thèse, on s'intéresse aux propriétés de transport électronique au sein d'un MOSFET fabriqué avec des sources et drains supraconducteurs. Afin de garantir la reproductibilité de ces dispositifs, il est important d'intégrer des matériaux supraconducteurs compatibles avec la technologie CMOS exploitant la technologie silicium qui a pour énorme avantage d'être véritablement fiable et mature. L'idée fondamentale est de réaliser un nouveau type de circuit supraconducteur avec une géométrie de type transistor dans lequel un supracourant non dissipatif circulant au sein du dispositif, de la source vers le drain, serait modulé par une tension de grille : un JOFET. Une perspective importante est la réalisation d'un qubit supraconducteur grâce à une technologie parfaitement reproductible et mature. Cependant, à très basse température et avec la diminution de la taille des dispositifs, deux phénomènes a priori antagonistes entrent en compétition, à savoir la supraconductivité qui implique un grand nombre d'électrons condensés dans le même état quantique macroscopique et l'interaction Coulombienne qui décrit des processus de transport à une particule. L'intérêt de l'étude est donc de réaliser de tels transistors afin de mieux comprendre comment ce genre de dispositif hybride peut s'adapter à des propriétés opposées. Dans cette thèse, j'ai étudié deux façons d'introduire la supraconductivité dans nos dispositifs. La première option est de réaliser des sources et drains en silicium rendus supraconducteurs par dopage en bore et recuit laser effectué grâce à des techniques de dopage hors-équilibre robustes et bien maîtrisées. Même si la supraconductivité du silicium très fortement dopé en bore est connue depuis 2006 et son état supraconducteur a été très bien caractérisé sur des couches bidimensionnelles, la supraconductivité du SOI, qui est le substrat initial à la base de certains transistors, n'a jamais encore été testée et étudiée. L'objectif est de pouvoir adapter ces techniques de dopage au SOI afin de le rendre supraconducteur et de pouvoir l'intégrer par la suite dans des dispositifs de type MOSFET. La seconde option considérée est la réalisation de source et drain à base de siliciures supraconducteurs tel que le PtSi. Ce siliciure est intéressant du point de vue de sa température critique relativement haute de 1K. D'un point de vue technologique, les MOSFETs à barrière Schottky présentant des contacts en PtSi supraconducteur ont été élaborés au CEA/LETI. Les mesures à très basse température au sein d'un cryostat à dilution ont mis en évidence cette compétition entre la supraconductivité et les effets d'interaction Coulombienne et ont également révélé la supraconductivité dans le MOSFET comportant des contacts en PtSi grâce notamment à l'observation du gap induit dans le dispositif. / Superconducting transport through a silicon MOSFET can open up many new possibilities ranging from fundamental research to industrial applications. In this thesis, we investigate the electric transport properties of a MOSFET built with superconducting source and drain contacts. Due to their advantages in terms of scalability and reproducibility, we want to integrate superconducting materials compatible with CMOS technology, thus exploiting the reliable and mature silicon technology. The idea is to realize a new type of superconducting circuits in a transistor geometry in which a non-dissipative supercurrent flowing through the device from source to drain will be modulated by a gate: a JOFET. One important outcome is the realization of superconducting qubits in a perfectly reproducible and mature technology. However, at low temperature and with the reduction of the size of the devices, two antagonistic phenomena appear. The dissipation-free transport of Cooper pairs competes with lossy single-particle processes due to Coulomb interactions. The goal is to understand how these two conflicting properties manifest in such hybrid devices. In this thesis, I studied two different ways of introducing superconductivity in the devices. We deployed a high boron doping and a laser annealing provided by well-controlled out-of-equilibrium doping techniques to make the silicon superconducting. Although highly boron-doped silicon has been known to be superconducting since 2006, superconductivity of SOI, the basic brick of some transistors, was never tested before. We aim at adapting those doping techniques on SOI in order to make it superconducting and to integrate it in transistor-like devices. In a second project, we study source and drain contacts fabricated with superconducting silicides such as PtSi. Such Schottky barrier MOSFETs with superconducting PtSi contacts are elaborated at the CEA/LETI. Measurements at very low temperature revealed the competition between superconductivity and Coulomb interactions and moreover, have brought evidence of superconductivity in PtSi based silicon Schottky barrier MOSFET.

La manipulation de la matière au niveau nanométrique a ouvert depuis une quinzaine d'années de nouveaux champs fondamentaux et applicatifs pour les scientifiques et les industriels. Dans ce nouveau paradigme, la nanoélectronique quantique se propose de fonder une nouvelle électronique basée sur les phénomènes quantiques de la matière et plus particulièrement sur la nature quantique des électrons. Ce projet de thèse s'articule autour d'un système électronique quantique hybride supraconducteur/nanotube de carbone (CNT) dénommé nano-SQUID. Ce dispositif présente une boucle supraconductrice contenant deux jonctions CNT en parallèle. Il couple de façon unique les propriétés d'un interféromètre supraconducteur SQUID avec celles de jonctions Josephson à boîte quantique moléculaire. A travers des expériences de transport réalisées, à des températures de quelques dizaines de milli-Kelvins, dans un cryostat à dilution inversé, nous avons étudié les interactions électroniques entre une boîte quantique nanotube et des électrodes supraconductrices. Nous nous sommes particulièrement focalisés sur l'influence de l'état de spin du nanotube sur le courant supraconducteur, qui peut, dans certaines conditions, conduire à la réalisation d'un jonction-. Par un contrôle électrostatique des paramètres microscopiques du dispositif nous avons ainsi pu définir un diagramme de phase expérimental des transitions 0- d'une jonction Josephson à boîte quantique. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'utilisation du nano-SQUID comme magnétomètre. En effet, en couplant un aimant moléculaire au CNT composant le SQUID, il a été montré théoriquement qu'il est possible de détecter le retournement d'aimantation d'un spin unique. Nous avons ainsi couplé au nano-SQUID l'aimant moléculaire Double Decker Holmium et réalisé les premières mesures de détections magnétiques aux résultats prometteurs. / The manipulation of matter at the nano-scale has opened, since fifteen years, new fundamental and application avenues for science and industry. In this new paradigm, quantum nano-electronics propose to start a new electronics based on quantum effects of matter and more particularly on the quantum nature of electrons. This thesis project deals with an electronic hybrid superconductor/carbon nanotube (CNT) system called nano-SQUID. This device has a superconducting loop containing two CNT junctions in parallel. This unique system couples the properties of a superconducting interferometer (SQUID) with those of molecular quantum dot (QD) Josephson junctions (CNT junction). Through transport experiments performed in a reversed dilution cryostat at temperatures of several tens of milli-Kelvin, we studied the electronic interactions between a nanotube quantum dot and superconducting electrodes. We specifically focused on the influence of the magnetic state of the nanotube on the superconducting current flowing through. Depending on the QD spin state, the CNT Josephson junction can behave as a -junction. Finally a complete electrostatic control allowed us to define an experimental 0- phase diagram of a QD Josephson junction.

L'électronique moléculaire est l'un des domaines les plus intrigants de la recherche moderne. Ce domaine pourrait produire un système de construction modulaire et évolutif pour des applications spintroniques à l'échelle nanométrique. Un exemple particulièrement prometteur est celui des aimants à une seule molécule, qui se sont déjà avérés être appropriés pour des la réalisation de spin valve et de qubit de spin. L'un des plus grands défis du domaine est l'intégration de ces objets de taille nanométrique dans des circuits complexes afin de permettre la détection et la manipulation d'états de spin moléculaires. Comme l'ont montré ces dernières années le groupe NanoSpin, les nanotubes de carbone (CNTs) peuvent servir de support pour les aimants à une seule molécule, en combinant les caractéristiques des deux constituants.Une pierre angulaire de ce projet de thèse a donc été le développement d'une technique de fabrication fiable pour des dispositifs de CNTs de haute qualité, contrôlables par de multiples électrodes de grille locales afin de permettre le contrôle local des systèmes hybrides moléculaires. Un procédé basé sur la fabrication conventionnelle à un substrat a été développé à partir de zéro, pour lequel l'optimisation de la conception des échantillons, les techniques de lithographie et de dépôt ainsi que les choix de matériaux ont dû être soigneusement incorporés afin de respecter les restrictions imposées par les conditions de croissance. Nous avons d'abord réussi à produire des échantillons CNT propres, permettant de mettre en évidence une configuration à double boite quantique, tout en ajustant des caractéristiques de type p à n. Les segments créés de cette manière peuvent être contrôlés de manière stable sur toute la longueur du dispositif et devraient donc constituer une base appropriée pour l'étude de la physique moléculaire.La matière topologique non triviale constitue une plate-forme séduisante pour étudier à la fois les principes fondamentaux et les applications possibles de la spintronique au calcul quantique. Les isolants cristallins topologiques, avec tellurure d'étain (SnTe) comme exemple principal, représentent un nouvel état au sein de ce zoo des matériaux topologiques 3D. Peu de temps après les premières réalisations expérimentales, des suggestions ont été faites sur la possibilité d’un type de supraconductivité non conventionnelle hébergé à l'interface entre la matière topologique et les supraconducteurs classiques. Les implications possibles de ces systèmes comprennent l'appariement de Cooper avec une quantité de mouvement finie dans la phase FFLO ou l’ordinateur quantique topologique, basé sur des excitations particulières, appelé quasi-particule Majorana.Ce projet de thèse visait à participer à l'enquête sur les signes de supraconductivité non conventionnelle dans SnTe. Les expériences de transport sur des couches pures dans les géométries de la barre de Hall et des dispositifs hybrides supraconducteurs, réalisés à la fois comme jonctions Josephson et SQUID, sont discutés. Un couplage étonnamment fort de SnTe au supraconducteur a été trouvé et dépendances de la supraconductivité sur les géométries des échantillons, la température et le champ magnétique ont été étudiées. La relation courant-phase a été analysée dans la limite d’effets cinétiques forts. Le couplage électrostatique et l'exposition à des micro-ondes ont été explorée, mais la physique prédominante dans de telles configurations s'est avéré être de type purement conventionnel, soulignant l’importance des améliorations sur le côté matériaux.Des mesures de champ magnétique dans le plan ont donné lieu à la signature d’un φ0-SQUID avec des transitions 0-π accordables, fournissant des preuves de possibles de transitions contrôlées de la supraconductivité triviale aux régimes de couplage non conventionnels dans SnTe. / Molecular electronics is one of the most intriguing fields of modern research, which could bring forth a modular and scalable building system for nanoscale spintronics applications. A particularly promising example are single-molecule magnets, which have already successfully shown to be suitable for spin valve or spin qubit operations. One of the biggest challenges of the field is the integration of these nanometer-sized objects in complex circuits in order to allow for detection and manipulation of moleculear spin states. As shown in recent years by the NanoSpin group, carbon nanotubes (CNTs) can serve as such type of carrier for the single-molecule magnets, combining features of both constituents.A corner stone of this thesis project was hence the development of a dependable fabrication technique for high-quality CNT devices, controllable by multiple local gate electrodes in order to enable local control of molecular hybrid systems. A process based on conventional one-chip fabrication was developed from scratch, for which optimization of sample design, lithography and deposition techniques as well as material choices had to be carefully incorporated, in order to accomodate the restrictions imposed by the CNT growth conditions on the prevention of leakage currents. We succeeded in producing clean CNT devices, which could support a double dot configuration, tunable from p- to n-type characteristics. The segments created in this way can be stabily controlled over the entire device length and should hence provide a suitable backbone to study molecular physics.Topological matter constitutes an enticing platform to investigate both fundamental principles as well as possible applications from spintronics to quantum computation. Topological crystalline insulators, with tin telluride ( SnTe ) as a prime example, represent a new state of matter within this zoo of 3D topological materials. Soon after first experimental realizations, suggestions were made about the possibility of an unconventional type of superconductivity hosted at the interface between topological matter and conventional superconductors. Possible implications of such systems include Cooper pairing with finite momentum, the FFLO phase, or topological quantum computing, based on peculiar excitations, called Majorana bound states.This thesis project aimed to participate in the investigation of signs of unconventional superconductivity in SnTe . Transport experiments on bare films in Hall bar geometries and superconducting hybrid devices, realized as both Josephson junctions and SQUIDs, are discussed. A surprisingly strong coupling of SnTe to Ta superconductor was found and dependencies of superconductivity on sample geometries, temperature and magnetic field were investigated. The current-phase relation was analyzed in the limit of strong kinetic effects. Electrostatic gating and rf exposure was explored, but predominant physics in such configurations turned out to be of purely conventional type, pointing out the importance of improvements on the material side.In-plane magnetic field measurements gave rise to the manifestation of ϕ0-SQUIDs with tunable 0−π-transitions, providing evidence for possible controlled transitions from trivial superconductivity to unconventional coupling regimes in SnTe.

With the rapid increase in electrical loads, a considerable percentage of global power systems have been stretched to their designed capacity, leading to a sharp rise in the fault current. High fault current levels have severe impact on power systems. They can increase the likelihood of overcurrent damage, which may destroy electrical facilities or even cause system blackout. The resistive-type superconducting fault current limiter (RSFCL) is a device that can help to mitigate the increasing level of fault currents. It can also contribute to the performance, stability and efficiency of electricity grids. In order to promote the RSFCL more effectively, it is essential to study the device itself and conduct simulations regarding the performance and applicability from the system point of view. Chapter 1 and Chapter 2 of this thesis introduced fundamentals of superconductivity and RSFCLs, respectively. In Chapter 3, a power system model was built, and the transient analysis of short-circuit currents was given. Then, the operating principle of RSFCL was explained, and a step-resistance RSFCL model was introduced. To validate the current limiting performance of the SFCL module, wind farm protection schemes were studied under various fault scenarios. After thorough analysis it was concluded that the optimal allocating strategy of SFCLs was the installation of one SFCL at the integrating point of the system model. Chapter 4 presented a comprehensive study on the performance and optimal allocation strategy of RSFCLs. The two power system models used in this chapter were built based on the UK network standard. To assess the impact of incorporating SC material properties on the performance of SFCLs, three different models were compared throughout the study. Although computing time can be reduced when step-resistance and exponential equation models were used, such simplifications led to strong overestimations of the SFCL performance and resulted in wrong conclusion of optimal installing strategies. For both power system models, the simultaneous use of three SFCLs was the best protection strategy in terms of the performance, economic efficiency and reliability of the overall grids. To draw this conclusion, all the potential combinations of two, three, four, and five SFCLs were studied under a wide number of fault scenarios and measuring strategies. In Chapter 5, a series of experiments were performed to study the magnetic field-angular dependence of the critical current of different commercial YBCO samples. We selected ten 2G-HTS tapes with broad differences in width, fabrication process, and laminar structure. The obtained I_c (B,θ) characteristics of HTS samples were applied in the simulation of RSFCLs, showing unneglectable effect on the first peak limiting performance during faults. This study is helpful to the design and simulation of RSFCLs and other HTS applications which require superconducting wires operating inside magnetic fields. In Chapter 6, we presented a High Frequency (HF) AC-assisted quench study of the YBCO conductor. The differences in quench processes triggered by HF AC field were recorded and studied. We found that AC signals of 10 kHz can trigger quench of the HTS tape. Also, the device proved to be effective at guaranteeing uniform quench of the sample. After then, we placed the experimental device in a magnet, to study whether the quench process can be accelerated by external DC magnetic field. It was found that the DC field can reduce the quench time, but its performance was dependent on the amplitude of transport current and the characteristics of HF AC signals. In addition, the angle between the DC magnetic field and the tape surface showed a huge impact on the quench time. Finally, a comprehensive field-angular dependence study about the quench time of the YBCO sample was conducted, revealing the same pattern as J_c (θ,B) dependence of the tape, but with a greater anisotropy. To summarize, this technique showed outstanding performance regarding quench acceleration and tape protection, and therefore has huge potential to be applied in RSFCLs.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5177.pdf: 16843754 bytes, checksum: 0b2e8c0ee3f79df315d62b9151b7e100 (MD5) Previous issue date: 2013-04-12 / Universidade Federal de Minas Gerais / Avalanches are sudden dramatic phenomena that occur in nature. The technique of magneto-optical imaging (MOI) has allowed us to observe abrupt flux entrances in superconductors, the so-called ux avalanches, due to thermomagnetic instabilities in the vortex matter. Their morphology is fascinating, especially in superconducting thin films, where they develop in dendritic patterns. From a practical point of view, the flux avalanches undermine applications of superconducting thin films. In the last years, however, several steps have been reached to fully understand the fundamental physics of the phenomenon and also on how to suppress their occurrence. The present thesis deals with the study of flux avalanches in structured superconducting thin films. We have studied crystalline Nb and amorphous Mo79Ge21 thin films decorated with arrays of antidots (ADs or holes) produced by electron beam lithography. The magnetic response of these specimens has been investigated by means of MOI, dc magnetization and ac susceptibility. Firstly, we have established a link among those three techniques in the regime dominated by flux avalanches. We have observed that the reentrant behavior in the ac susceptibility at low temperatures occurs as a consequence of flux avalanches. Essentially, there is reuse of the channels created by the first ac cycle in a regime where the signal is weakly dependent on the temperature. Our results show that measurements of ac susceptibility versus ac field amplitude can be used to detect flux avalanches, since the signature of the flux avalanches appears as noisy curves of both ac susceptibility components. As a consequence, the critical current density as a function of temperature [Jc.T ] obtained by using the Bean model whose validity is assured by Cole-Cole plots is smooth for higher temperatures and, below a certain temperature onset, a non-smooth and noisy behavior takes place due to the avalanches. The temperature dependence of Jc.T,H was determined for different values of the applied magnetic field. The stability/instability frontier was then identified as the limiting temperature below which the curve Jc.T,H becomes noisy, indicating the occurrence of avalanches. Associated with this limiting temperature, the threshold critical current density to trigger avalanches is essentially independent of the magnetic field. This frontier corresponds to the upper threshold limit for the occurrence of avalanches. The effect in a thin film of a graded distribution of ADs which follows nearly the flux profile described by the Bean model has been studied. Compared to the uniform distribution, there is an increase of the critical current density at low fields. Moreover, viii the flux avalanches, highly induced by the presence of an array of ADs, have their activity reduced in temperature and magnetic field. For the first time, flux avalanches have been visualized in amorphous Mo79Ge21 thin film, both in plain and decorated thin films. Finally, we have investigated the influence of the lattice symmetry and AD geometry on the flux avalanche morphology. We have observed avalanches with the habit of forming trees where the trunk is parallel to the main axis of the square lattice and the branches form angles of 45 degrees. In addition to that, we have found an anisotropic penetration in a Nb thin film decorated with a square lattice of triangular ADs. Besides that, a sample having one half of the ADs in the form of squares, and the other half being circles, has been observed to present avalanches of different morphologies on each of its halves. We have also studied an a-MoGe thin film with a centered rectangular 2D Bravais lattice with square ADs which shows penetrations with different angles depending on the edge. The overall features of the avalanches, and in particular the 45-degree direction of the branches, have been confirmed by numerical simulations using the thermomagnetic model. Superconductivity, structured thin films, flux avalanches, magneto-optical imaging. / Avalanches são eventos repentinos e dramáticos que ocorrem na natureza. A técnica de imageamento por magneto-ótica (MOI) tem permitido visualizar a penetração abrupta de fluxo em supercondutores, as chamadas avalanches de fluxo, que ocorrem devido a instabilidades termomagnéticas na matéria de vórtices. A morfologia dessas avalanches de fluxo em filmes finos supercondutores prístinos é singular e se desenvolve de maneira dendrítica, isto é, com ramificações. Do ponto de vista prático, as avalanches de fluxo são prejudiciais para aplicações dos filmes finos supercondutores. Nos últimos anos, no entanto, tem-se alcançado um bom entendimento da física básica do fenômeno, bem como maneiras para suprimir essas avalanches. Esta tese trata do estudo de avalanches de fluxo em filmes finos com uma estrutura de defeitos. Para tal, usamos filmes finos cristalinos de Nb e amorfos da liga Mo79Ge21 decorados com arranjos de antidots (ADs), ou buracos, produzidos por litografia por feixe de elétrons. A resposta magnética desses filmes foi investigada através de MOI, magnetização dc e suscetibilidade ac. Na primeira parte dos resultados, uma conexão entre essas técnicas foi estabelecida no regime de avalanches de fluxo. Foi observado que o comportamento reentrante da suscetibilidade ac em baixas temperaturas ocorre devido `as avalanches de fluxo. Essencialmente, há o reuso dos caminhos ou canais criados pelo primeiro ciclo ac em um regime em que o sinal é fracamente dependente da temperatura. Esses resultados também mostraram que a suscetibilidade ac pode ser usada para detectar avalanches de fluxo, seja pela construção da curva de corrente critica dependente da temperatura Jc.T ou monitorando o ruído nas curvas do tipo Cole-Cole. Assim, a fronteira de instabilidades termomagnéticas/estabilidade foi construída variando-se o campo dc aplicado, tendo sido obtido, um limiar constante de Jc.T para o disparo das avalanches. Essa observação está de acordo com o modelo termomagnético e refere-se ao limite superior da ocorrência das avalanches de fluxo. Também foi estudado o efeito da inserção de um arranjo de antidots distribuídos de maneira gradiente, que segue aproximadamente a distribuição de fluxo descrita pelo Modelo de Bean. Comparada com uma distribuição uniforme, um aumento da densidade de corrente crítica foi observada para a região de baixos campos. Além disso, as avalanches de fluxo, que são altamente induzidas pela presença de ADs, apresentaram uma redução em sua ocorrência, tanto em magnitude do campo magnético aplicado quanto em temperatura. Pela primeira vez, foram observadas avalanches de fluxo em filmes finos amorfos de Mo79Ge21 com e sem uma rede de ADs. x Por fim, a influência da simetria da rede e da geometria do antidot na morfologia das avalanches de fluxo foi investigada. Para filmes finos decorados com uma rede quadrada de ADs quadrados, as avalanches têm o tronco paralelo ao eixo principal da rede de ADs, com ramificações em ângulos de 45 graus como em uma árvore de Natal. Além disso, penetrações abruptas anisotrópicas foram vistas em um filme fino de Nb decorado com uma rede quadrada de ADs triangulares. Uma mudança na morfologia das avalanches também foi observada em um filme com metade dos ADs quadrados e a outra metade circular. Também foram observadas penetrações com diferentes ângulos em uma rede retangular centrada de ADs quadrados dependendo da borda. Por fim, as características gerais das avalanches, em particular a de ramificações em 45 graus, foram confirmadas por simulações numéricas usando o modelo termomagnético.

Dans ma thèse, j'ai étudié le transport électronique quantique dans des nanofils semiconducteurs couplés aux supraconducteurs, avec le but de comprendre les conditions nécessaires pour observer des états liés de Majorana. De manière inattendue, au cours de mes expériences j'ai trouvé des exemples notables de l'omniprésence de la localisation spatiale des électrons dans des nanofils apparemment balistiques et unidimensionnels (1D). Ses effets peuvent imiter des signatures d'unidimensionnalité, d’hélicité et des états liés de Majorana, jetant un doute sur leur interprétation.La conductance d’un nanofil 1D est quantifiée et censée montrer des plateaux a des multiples entiers du quantum de conductance. Curieusement, le transport dans un nanofil d'InAs qui hébergeait une boite quantique à un seul niveau a montré qu'il pouvait répliquer les deux premiers plateaux résolus en spin. Une mesure du courant Josephson sous un champ magnétique a révélé les transitions d'état fondamental d'un électron qui occupait ce niveau et confirmé sa nature localisé.Dans le régime hélicoïdal, une chute de la conductance est prédite au milieu de chaque plateau de conductance. De façon étonnante, des dispositifs à base de nanofils uniques d'InSb hébergeant une boite quantique qui conduisait en parallèle avec le canal 1D ont reproduit la même signature.Enfin, la présence des états liés de Majorana, devrait être décelée par un pic à tension de biais nul (ZBP) lors d’une spectroscopie tunnel. Dans un des échantillons à deux canaux mentionnés précédemment, lorsque le canal unidimensionnel était fermé, un ZBP a émergé dans le gap supraconducteur sous un champ magnétique parallèle au nanofil. Ce ZBP a été attribué aux états liés d'Andreev de la boite quantique. Dans une expérience différente faite avec une jonction Josephson à base d'un nanofil d'InAs hébergeant une boite quantique, un ZBP relié au courant Josephson est apparu dans le gap supraconducteur comme le résultat d'une transition de l'état fondamental singlet de la boite quantique vers un état doublet.Malgré la localisation, il a été possible d'extraire des informations significatives sur le régime 1D. Le rôle des grilles a été majeur dans la détermination des dégénérescences sous un champ magnétique des sous-bandes d’un nanofil d'InSb présentant deux canaux de conduction en parallèle. En jouant avec leurs tensions de seuil, effets orbitaux, et facteurs gyromagnétiques, la tension de grille pouvait changer les énergies des sous-bandes appartenant à chaque canal, de manière à les verrouiller ensemble. Grace à ce mécanisme, il a été possible d’observer un plateau à 2e^2/h jusque à de forts champ magnétiques sans aucune apparition d'un plateau à 1e^2/h. La possible existence des deux fils quantiques dans un seul nanofil ouvre la voie à l'observation des états hélicoïdaux et des états liés de Majorana de nature fractionnel.Dans l'ensemble, ces résultats pointent vers la nécessité d'une meilleure compréhension de la physique des dispositifs à base de nanofils d'InAs et d'InSb. Des études supplémentaires dans l'état supraconducteur et normal doivent être réalisées sur des dispositifs plus simples avec un faible nombre de grilles, avant de faire l'étude et manipulations des états liés de Majorana dans des systèmes plus complexes, dont les signatures de localisation pourraient être mieux cachées. Ces résultats originaux vont être publiés dans les mois qui suivent dans quatre articles différents. / In my thesis, I studied low-temperature electronic transport in semiconductor nanowires coupled to superconductors, with the goal of understanding the requirements to observe Majorana bound states. Unexpectedly, I found dramatic examples of the pervasiveness of spatial localization of electrons even in seemingly ballistic one-dimensional (1D) nanowires. Localization could replicate signatures of one-dimensionality, helicity and Majorana bound states, casting a shadow of doubt on their interpretation.1D nanowires are expected to show plateaus of quantized conductance. Curiously, transport through an InAs nanowire hosting a single-level quantum dot showed that it could mimic the first two spin-resolved plateaus. A measurement of the Josephson supercurrent under magnetic field revealed the ground-state transitions of an electron occupying this level, confirming its localized nature.In the helical regime, a conductance dip is predicted to appear in each of the conductance plateaus. Surprisingly, InSb nanowire devices hosting a quantum dot conducting in parallel with a 1D channel reproduced this signature.The presence of Majorana bound states, in turn, should be revealed by a zero-bias peak (ZBP) in tunnel spectroscopy. In one of the two-path devices mentioned above, when the 1D path was closed, a zero-bias peak emerged inside the superconducting gap under a magnetic field parallel to the nanowire. This ZBP was related to trivial Andreev bound states from the quantum dot in parallel to the 1D channel. In a different experiment done in an InAs nanowire Josephson junction device hosting a quantum dot, a ZBP related to a Josephson supercurrent appeared inside of the superconducting gap as a result of a transition of the ground-state of the dot from a singlet to a doublet.In spite of localization, it was possible to extract some meaningful information about the 1D regime. The role of the gates was major in determining the degeneracy of the subbands in an InSb nanowire with two 1D conduction paths in parallel under magnetic field. Through a direct influence on their threshold voltages, orbital effects, and g-factors, the gate voltage could shift the energies of the subbands and lock them together. Via this mechanism, it was possible to observe a 2e^2/h plateau lasting until very large field without the appearance of a 1e^2/h plateau. The possible existence of two quantum wires in a single nanowire opens the door for novel helical and Majorana bound states of fractional nature.Altogether, these results point to the need of a better understanding of the physics of simpler few-gates short-channel InAs and InSb nanowire superconducting and normal-state devices, before committing to the utterly complex devices that should be fabricated to study and manipulate Majorana bound states, in which signatures of localization could be better hidden. These original results will be published in the coming months in four different articles.

Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basses températures de matériaux hybrides composés de nano-clusters de métaux supraconducteurs (Sn et Pb) auto-assemblés à la surface d'une feuille de graphène. L'auto-assemblage du métal réalise un réseau bi-dimensionnel désordonné de jonctions Josephson. La caractérisation des propriétés supraconductrices révèle une transition de type 'BKT' avec une température de transition dépendant de la morphologie de la surface. Les propriétés supraconductrices de ce système sont fortement influencées par la grille arrière, qui contrôle la résistance dans l'état normal du graphène. Le résultat le plus marquant de cette thèse a été obtenu en utilisant du graphène désordonné. La présence de défauts structuraux dans la maille de graphène induit un régime de localisation forte à basses températures. En faisant varier le voltage de grille, la résistance de tels échantillons peut varier de 3 ordres de grandeurs. Cette grande dynamique a été mise à contribution pour la réalisation d'une transition de phase supraconducteur-isolant dans des échantillons décorés à l'étain. L'étude de cette transition de phase quantique révèle un comportement de type percolatif et une résistivité universelle prédite par la théorie à la transition. Enfin, un travail préliminaire visant à réaliser des résonateurs mécaniques supraconducteurs à l'aide des ces matériaux hybrides est également présenté. / This thesis presents a study of the low temperature transport properties of hybrid materials made of superconducting metals (Sn and Pb) nano-clusters self-assembled onto the surface of a graphene sheet. The self-assembly realizes a two-dimensional disordered array of Josephson junctions. Characterization of the superconducting properties reveals a transition of the 'BKT' kind, with a transition temperature that depends on surface morphology. The superconducting properties are strongly affected by the gate voltage, which controls the normal state resistance of the graphene sheet. The main result of this thesis was obtained using disordered graphene. The presence of structural defects in the graphene lattice induces a regime of strong localization at low temperatures. Upon varying the gate voltage, the resistance of such samples can change by 3 orders of magnitude. Taking advantage of the large dynamics offered by the gate voltage, we have induced a superconductor-insulator transition in Sn-decorated samples. The study of that quantum phase transition reveals a percolating behavior near the threshold and the universal value of resistivity predicted by theory at the transition. Finally, a preliminary work aiming at using such an hybrid material to realize superconducting nano-electro-mechanical resonators is presented.

Comprendre les propriétés des composés à électrons fortement corrélés nouvellement découverts est un important défi à la fois pour des raisons fondamentales et un impact industriel à long terme. Une activité expérimentale sur les métaux et supraconducteurs à électrons lourds a mis en évidence des effets qui se démarquent clairement de notre compréhension actuelle. Le but de cette thèse est de modéliser les effets de spin spéciaux qui ont été observés en réponse à un champ magnétique dans le supraconducteur CeCoIn(5). Elle est composée de deux parties. Dans un premier temps nous avons à faire à la distribution anormale du champ magnétique local dans le réseau de vortex révélé par les expériences de diffraction de neutrons à petits angles et rotation de spin muonique. Sur la base de a théorie de Ginzburg-Landau avec prise en compte de l'effet de spin, nous analysons l'inhomogénéité du champ local dans le réseau de vortex et calculons des expressions pour les facteurs de forme en diffraction neutronique et la largeur de raie statique en rotation de spin muonique. Nous montrons que les données expérimentales anormales sont le résultat de supercourants générés par le spin circulant autour du cœur du vortex et donnent une augmentation de l'inhomogénéité du champ sur une distance de l'ordre de la longueur de corrélation du supraconducteur à partir de l'axe du vortex. L'importance de l'effet est contrôlée par une seule quantité (le paramètre de Maki) qui permet la détermination de propriétés physiques du système à partir de données expérimentales. La seconde partie traite d'une transition d'onde de densité de spin presque commensurable dans un supraconducteur non-conventionnel. Elle est motivée par l'observation du confinement d'un ordre d'onde de densité de spin dans la phase supraconductrice de CeCoIn(5) dans un champ magnétique. Dans le cadre de la formulation spin-fermion nous proposons un mécanisme pour la transition de l'état fondamental qui consiste du ralentissement du mode collectif de fluctuation de densité de spin induit par le champ (exciton de spin) vers un ordre statique. Cela représente un scénario par lequel la transition vers l'ordre de spin est reliée intrinsèquement au supraconducteur. / Understanding the properties of newly discovered strongly correlated electron compounds is a considerable challenge for both fundamental matters and long-term industrial impact. Experimental activity on heavy electron metals and superconductors has lead to highlighting effects that depart from current knowledge. The thesis is aimed at modelling effects that have been observed in response to magnetic field in the heavy electron superconductor CeCoIn$_5$. This consists of two parts. In the first time we deal with the vortex lattice state anomalous local magnetic field space variations as highlighted by small angle neutron scattering and muon spin rotation experiment. On the basis of the Ginzburg-Landau theory with account of spin effect, we analyse the local field inhomogeneity in the vortex lattice and derive expressions for the neutron scattering form factors and muon spin rotation static linewidth. The anomalous experimental data are shown to be result of spin driven supercurrents which circulate around the vortex cores and lead to an increase with external field in the internal field inhomogeneity on a distance of the order of the superconducting coherence length from the vortex axis. The importance of the effect is controlled by a single quantity (the Maki parameter). The second part is on nearly commensurate spin density wave transition in a quasi two-dimensional superconductor. It is motivated by observation of the confinement of spin density wave ordering inside the superconducting state of CeCoIn$_5$ in magnetic field. In the frame of the spin-fermion formulation we propose a mechanism for the ground state transition consisting in the field-induced slowing down of a collective spin density fluctuation mode (spin-exciton) to static ordering. This represents a scenario by which the transition to spin ordering is intrinsically related to superconductivity

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'interaction entre la supraconductivité et une onde de densité de charge (ODC). Dans la théorie standard, la température critique d’un matériau supraconducteur est favorisée principalement par deux paramètres : une grande densité d’états au niveau de Fermi (nF), et un fort couplage électron-phonon. Cependant, un fort couplage électron-phonon favorise aussi l’apparition d’une ODC, ce qui réduit nF et rivalise ainsi avec la supraconductivité.Notre démarche a consisté à étudier deux composés où supraconductivité et ODC coexistent, et dans lesquels on peut faire disparaître l’ODC grâce à un paramètre externe : pression ou substitution. Le premier composé, 2H-NbSe2, présente une ODC en dessous de 33 K à pression ambiante. Celle-ci coexiste avec la supraconductivité en dessous de 7 K. Sous pression, l’ODC disparaît au-dessus de 4.6 GPa, sans que la température critique varie notablement. L’ODC disparaît aussi en remplaçant le sélénium par du soufre : 2H-NbS2 est ainsi un supraconducteur sans ODC (Tc = 6 K), et peut donc servir de composé témoin pour une étude comparative. Dans le second composé, Lu5Ir4Si10, une ODC est présente en dessous de 77 K à pression ambiante. Celle-ci disparaît sous pression au-dessus de 2 GPa, tandis que la température critique saute simultanément de 4 à 9 K. Pour étudier ces composés, j’ai utilisé trois techniques expérimentales : la mesure de la dispersion des phonons à basse température (300-2 K) et sous pression (0-16 GPa) par diffusion inélastique des rayons X, la mesure de la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique grâce à un oscillateur à diode tunnel et la mesure des champs critiques via des microsondes Hall.Dans la première partie, je présente la dépendance en température de la dispersion des phonons dans 2H-NbS2. Nous observons la présence d’un phonon mou dont l’énergie reste toujours positive, même extrapolée à température nulle. Ce composé est ainsi à la limite d'une instabilité ODC. De plus, nous montrons qu’il est relativement unique, car seuls les effets anharmoniques empêchent l’amollissement complet des phonons. Je présente ensuite la dépendance en température et en pression de la dispersion des phonons dans 2H-NbSe2. Ces expériences montrent qu’un mode de phonon mou persiste jusqu’à 16 GPa, même quand l'état à température nulle n'est pas l’ODC. La dépendance en température de ce phonon mou est alors similaire à celle de 2H-NbS2. Dans les deux composés, ces phonons mous semblent liés à la présence d'un couplage électron-phonon à la fois fort et anisotrope. Nous suggérons qu’il s’agit d’un élément essentiel pour expliquer leurs propriétés supraconductrices.Dans la seconde partie, je mesure l'anisotropie et la dépendance en température de la longueur de pénétration magnétique dans l’état supraconducteur de 2H-NbS2 et Lu5Ir4Si10. La dépendance en température de la densité superfluide dans 2H-NbS2 confirme la présence d'un gap supraconducteur réduit dont l'amplitude est très proche de celle mesurée dans 2H-NbSe2. Les phonons mous et le gap réduit étant présents dans 2H-NbS2 et 2H-NbSe2, nous prouvons expérimentalement qu'il faut raisonner en termes de renforcement de la supraconductivité par les phonons mous plutôt qu'en termes d’interaction avec l'état fondamental (ODC ou métal). Nous proposons que ce renforcement soit lié à l'anisotropie du couplage électron-phonon.En revanche, cet effet n’est pas général aux composés où supraconductivité et ODC coexistent. Les propriétés supraconductrices de Lu5Ir4Si10 sont en effet bien décrites par le modèle BCS couplage faible. Ceci est peut être lié aux caractéristiques de l’ODC : la présence d’une hystérésis montre que la transition ODC est du premier ordre. D’autre part, les mesures de diffraction X sous pression et à basse température révèlent que cette ODC est multiple : en plus de la périodicité 1/7, nous observons une seconde périodicité de 1/20. / This thesis presents an experimental study of the interaction between superconductivity and a charge density wave (CDW). In the standard theory, the critical temperature of a superconductor is principally enhanced by two parameters: a large density of states at the Fermi level (nF) and a strong electron-phonon coupling. However, a strong electron-phonon coupling also favors the appearance of a CDW, which reduces nF and therefore competes with superconductivity.Our strategy was to study two compounds in which superconductivity and CDW coexist, and in which the CDW can be suppressed through an external parameter: pressure or substitution. The first compound is 2H-NbSe2, it presents a CDW below 33 K at ambient pressure. This CDW coexists with superconductivity below 7 K. Under pressure, the CDW disappears above 4.6 GPa, meanwhile the critical temperature slowly changes. The CDW also disappears when replacing selenium by sulfur: 2H-NbS2 is a superconductor without CDW (Tc=6 K), it can therefore serve as a “test compound” for a comparative study. The second compound is Lu5Ir4Si10, it presents a CDW below 77 K at ambient pressure. Under pressure, this CDW disappears above 2 GPa, meanwhile the critical temperature abruptly jumps from 4 to 9 K.For this study, I used three experimental techniques: inelastic x-ray scattering at low temperature (300-2 K) and under pressure (0-16 GPa) to measure the dispersion of phonons, a tunnel diode oscillator to measure the temperature dependence of the magnetic penetration depth, and Hall microprobes to measure the first and second critical fields. In the first part, I present the temperature dependence of the phonon dispersion in 2H-NbS2. We observe a soft phonon that always remains at positive energies, even extrapolated to zero temperature. Thus, this compound is on the verge of CDW instability. It is also relatively unique, since we show anharmonicity is the only effect that prevents the complete softening of the phonons.Then I present the temperature and pressure dependence of the phonon dispersion in 2H-NbSe2. These experiments show that a soft phonon persists up to 16 GPa, even if the ground state is not a CDW. The temperature dependence of this soft phonon is then similar to that of 2H-NbS2. In both compounds, these soft modes seem to be related to the strength and anisotropy of the electron-phonon coupling. We suggest this is a fundamental element to explain their superconducting properties.In the second part, I measure the anisotropy and temperature dependence of the magnetic penetration depth in the superconducting state of 2H-NbS2 and Lu5Ir4Si10. The temperature dependence of the superfluid density in 2H-NbS2 confirms the presence of a reduced superconducting gap. Its amplitude is very similar to the one measured in 2H-NbSe2. The soft modes and the reduced gap being present in both 2H-NbSe2 and 2H-NbS2, we prove experimentally that the enhancement of superconductivity is related to the soft modes rather than to the nature of the ground state (CDW or metal). We suggest this enhancement is due the anisotropy of the electron-phonon coupling.However, this effect is not general to all compounds where superconductivity and CDW coexist. The superconducting properties of Lu5Ir4Si10 are indeed well fitted by the BCS model in the weak coupling limit. This may be related to the characteristics of the CDW: the presence of hysteresis shows that the CDW transition is first order. In addition, under pressure and at low temperature, x-ray diffraction measurements indicate that the CDW is multiple: aside from the periodicity of 1/7, we observe a second periodicity of 1/20.

In the present work the Roth s two-pole approximation (Phys. Rev. 184, 451 (1969)) has been used to investigate the role of d− p hybridization in the normal and superconducting states of an extended d− p Hubbard model. Superconductivity with singlet dx2−y2 -wave pairing is treated by following Beenen and Edwards formalism (Phys. Rev. B 52, 13636 (1995)). In the first part of this work, the effects of the hybridization on the superconductivity, in the hole-doped regime, have been studied treating Roth s band shift within two different approximations. In the first one, the band shift has been calculated in the limit U →¥ (U is the Coulomb interaction), with zero temperature and without consider the superconducting effects. These regards, are restrict to the band shift. In the other parts of the problem, U, the temperature and the superconducting effects have been considered finites. In the second approximation, the Coulomb interaction, the temperature and the superconductivity have been considered in the calculation of some relevant correlation functions present in the Roth s band shift. The obtained results show that the hybridization acts in the sense of to suppresses the superconductivity. Also, it has been verified that the first approximation overstimates the effects of the hybridization on the superconductivity. In the second part of these work, hoppings to second-nearest-neighbors have been included in the model with the purpose of reproduces adequately the asymetries (mainly those related with the Fermi surface, band structure and phase diagram) between the hole- and electron-doped systems. Particularly, it is shown that the crossover from hole-like to electronlike Fermi surface is deeply affected by the d − p hybridization in the hole doping case. It has been verified that the effect of the hybridization is most pronounced around the saddle-points, where the superconducting gap is maximum in the particular case of dx2−y2 -wave symmetry. As a consequence, the critical temperature Tc is directly affected by the hibridization. Moreover, the obtained results suggest that in the hole doped regime, the hybridization may act on the transport properties of the system due to the sign changes of the Hall coefficient when the crossover of the Fermi surface occurs. In the electron doped case, the crossover in the Fermi surface is not verified. Nevertheless, as the hybridization suppresses the density of states near the Fermi level, the superconductivity is affected. The topology of the Fermi surface in the hole and electron doping regime agree with recent experimental ARPES results for La2−xSrxCuO4 (hole doping) and Nd2−xCexCuO4 (electron doping). / Neste trabalho, foi usada a aproximação de dois-pólos proposta por L. Roth (Phys. Rev. 184, 451 (1969)), para investigar os efeitos da hibridização no estado normal e no estado supercondutor de um modelo de Hubbard d − p. Para tratar supercondutividade com simetria dx2−y2 , usou-se o procedimento de fatorização proposto por Beenen e Edwards (Phys. Rev. B 52, 13636 (1995)). Na primeira parte do trabalho, os efeitos da hibridização sobre a upercondutividade, foram investigados considerando-se duas aproximações diferentes para calcular o deslocamento de banda. O deslocamento de banda surge quando tratamos as equações de movimento das funções de Green através do método de L. Roth. Na primeira aproximação o deslocamento foi calculado para U →¥ (U ´e a interação coulombiana), temperatura igual a zero, e sem incluir os efeitos da supercondutividade. É importante destacar que essas considerações foram feitas apenas no deslocamento, as outras partes do problema foram tratadas considerando finitas, as quantidades citadas acima. Na segunda aproximação, o deslocamento de banda foi estudado incluíndo-se os efeitos de U, da temperatura e da supercondutividade. Nos dois casos observou-se que a hibridização atua no sentido de suprimir a supercondutividade. Verificou-se também que na primeira aproximação considerada no cálculo do deslocamento de banda, os efeitos da hibridização sobre a supercondutividade, são superestimados. Isso ocorre porque certas funções correlação presentes no deslocamento de banda desaparecem no limite U →¥. Na segunda parte deste trabalho, incluiu-se no modelo, um termo de salto ( hopping ) para os segundos vizinhos de um sítio i. Esse termo foi ncluído com o objetivo de reproduzir adequadamente as assimetrias entre o regime de dopagem por buracos e o regime de dopagem por elétrons. No caso particular de dopagem por buracos, observou-se que a mudança na natureza da superfície de Fermi de buraco para elétron, profundamente afetada pela hibridização. Além disso, verificou-se que o efeito da hibridização ´e mais intenso nas regiões dos pontos de sela, nas quais o gap supercondutor ´e máximo devido à simetria dx2−y2 . Com isso, a temperatura crítica de transiçãoo (Tc) do estado normal para o estado supercondutor, também é afetada pela hibridização. Os resultados sugerem também, que no caso de dopagem por buracos, a hibridização interfere no valor de dopagem em que ocorre a mudança no sinal do coeficiente Hall, portanto deve afetar também as propriedades de transportes do sistema. No caso de dopagem por elétrons, não foi verificado nenhuma mudança na natureza da superf´ıcie de Fermi. No entanto, como a hibridização aumenta a largura das bandas e dimimui a densidade de estados no nível de Fermi, neste caso a supercondutividade também é afetada. A topologia da superfície de Fermi nos regimes de dopagen por buracos e por elétrons concorda bem com resultados experimentais de ARPES obtidos recentemente para o composto La2−xSrxCuO4 (dopado por buracos) e para o composto Nd2−xCexCuO4 (dopado por elétrons).