Dans ce travail, nous avons réalisé et validé le fonctionnement d’une nouvelle structure de moteur supraconducteur composé d’un inducteur supraconducteur et d’un induit en cuivre. La structure originale de ce moteur est basée sur le principe de modulation de flux par l’utilisation d’un écran supraconducteur massif. Après avoir modélisé la machine par éléments finis, la construction du moteur a été achevée avec succès, une étape très délicate présentant de nombreuses difficultés. Les résultats montrent, non seulement la faisabilité technique de la machine, mais également son bon fonctionnement. Les essais, à vide, en court-circuit et en charge nous ont permis de déterminer les éléments d’un modèle de Ben-Eschenburg de ce moteur. En conclusion l’objectif de ce projet a été atteint avec succès / In this work, we have achieved and validated a new superconductor motor structure, consisting of a superconducting inductor and of an armature of copper. The original structure of this motor is based on the principle of flux modulation by the use of a bulk superconductor screen. After modeling the machine by finite elements, the construction of the engine has been achieved successfully, a very delicate stage with many difficulties. The results show not only the technical feasibility of the machinery, but also its good operation. The experiments with and without load, and the one under short circuit, allowed to determine the elements of the Ben-Eschenburg model for this machine. As conclusion, the aim of the project was successfully achieved

La supraconductivité induite par effet de proximité dans du graphène CVD macroscopique décoré de nanoparticules d'étain (G/Sn) est le thème central de cette thèse. Dans ce manuscrit, deux projets expérimentaux sont présentés. Le premier de ces projets a consisté à développer et étudier un nouveau matériau manipulable et flexible au sein duquel les corrélations supraconductrices s'étendent à des échelles macroscopiques. Ce matériau est un film composite qui résulte de l'empilement de trois ingrédients originaux: un film fin de parylène d'une épaisseur de quelques micromètres, une monocouche de graphène de plusieurs centimètres carrés et un film discontinu métallique obtenu par démouillage naturel de l'étain en surface du graphène.Des mesures de transport à basses températures ont permis de mettre en évidence l'émergence d'un effet de supraconductivité induite à l'échelle macroscopique. Le courant critique de la transition supraconductrice des films composites a pu être contrôlé par une tension de grille avec une sensibilité de cent nanoampères par volt. Le comportement sous champ magnétique transverse des films composites est similaire à celui des supraconducteurs comportant des joints de grains et est caractérisé, en particulier sous faible champ magnétique, par une forte sensibilité de la transition supraconductrice. Une étude approfondie a enfin montré que le matériau hybride G/Sn est un système percolant bidimensionnel qui se comporte, à l'approche de la transition supraconductrice, comme une jonction unique de taille micrométrique.Dans le cadre du second projet, des cavités supraconductrices radiofréquences (RF) ont été développées. Des pistes G/Sn ont été intégrées à ces circuits supraconducteurs dans l'optique de créer des résonateurs dont la fréquence de résonance est contrôlable par une tension de grille. Un procédé d'intégration de pistes G/Sn conjointement à plusieurs cavités à partir d'un seul transfert (pleine plaque) de graphène a été mis au point. Des mesures en transmission dans des conditions cryogéniques ont été effectuées pour caractériser ces dispositifs hybrides et étudier leur comportement dans le domaine RF. / Superconducting proximity effect in macroscopic CVD-grown graphene decorated by tin nanoparticles is the central topic of this thesis. In this manuscript, two experimental projects are presented.The first of these projects consisted in developing and studying a new easy to handle and flexible material in which superconducting correlations extend over macroscopic scales. This material is a composite film made from the stacking of three original components: a few micrometers thin plastic film in parylene, a several centimeters squares layer of graphene, and a cluster of nanoparticles achieved by natural dewetting of tin on the graphene surface.Cryogenic transport measurements highlighted an induced superconductivity on the scale of the studied composite films pieces dimensions, of the order of the centimetre square. The superconducting critical current of the composite films showed gate tunability of about one hundred nanoamperes by volt. The behaviour of the composite films under a transverse magnetic field is similar to the one of granular superconductors and is characterised, especially under weak transverse magnetic field, by a high sensitivity of the superconducting transition. An in-depth study showed that the G/Sn hybrid material is a bidimensional percolating system that, when approaching the superconducting transition, behaves like a single mesoscopic Josephson junction.Within the framework of the second project, superconducting radiofrequency (RF) cavities have been developed. G/Sn patches have been integrated into these superconducting circuits in order to build gate tunable resonators. A process allowing to integrate G/Sn patches jointly to a series of several cavities from a single graphene transfer have been developed. Transmission measurements in cryogenic conditions have been performed to characterise these hybrid devices and to study their radiofrequency response.

La structure du gap supraconducteur et sa modulation sont intimement liées au potentiel d'interaction responsable de l'appariement des électrons d'un supraconducteur. Ainsi, l'étude de la structure du gap-SC et de sa modulation permet de faire la lumière sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons. À cet égard, les résultats expérimentaux des supraconducteurs à base de fer ne cadrent pas dans un seul ensemble, ce qui est en opposition au gap-SC universel des cuprates. Dans ce qui suit, nous présenterons une étude systématique du gap-SC pour plusieurs pnictides. En effet, en utilisant la conductivité thermique, une sonde directionnelle du gap-SC, nous avons été en mesure de révéler la structure du gap-SC pour les composés suivants : Ba[indice inférieur 1-x]K[indice inférieur x]Fe[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], Ba(Fe[indice inférieur 1-x]Co[indice inférieur x])[indice inférieur 2]As[indice inférieur 2], LiFeAs et Fe[indice inférieur 1-[delta]] Te[indice inférieur 1-x]Se[indice inférieur x]. L'étude de ces quatre composés, de trois différentes familles structurales, a pu établir un tableau partiel mais très exhaustif de la structure du gap-SC de pnictides. En effet, tel qu'illustré dans cette thèse, ces quatre composés ne possèdent aucun noeud dans leur structure du gap-SC à dopage optimal. Toutefois, à une concentration différente de celle optimale pour les composés K-Ba122 et Co-Ba122, des noeuds apparaissent sur la surface de Fermi, aux extrémités du dôme supraconducteur. Ceci suggère fortement que, pour ces composés, la présence de noeuds sur la surface de Fermi est nuisible à la phase supraconductrice.

L’élaboration d’expérience permettant de sonder la symétrie du gap supraconducteur à l’aide d’une mesure de la phase de ce gap supraconducteur est l’une des techniques les plus directes pour observer la symétrie ”d” des cuprates dopés au trous. Malheureusement, il existe très peu d’expériences de ce type qui ont été réussies pour sonder la symétrie du gap supraconducteur dans les cuprates dopés aux électrons. Effectivement, les expériences sondant la phase du gap supraconducteur demandent d’utiliser généralement des jonctions Josephson entre un cuprate et un supraconducteur conventionnel (Exemple : SQUID et jonctions Josephson en coin). Cependant, il est extrêmement difficile d’obtenir de telles jonctions Josephson avec les cuprates dopés aux électrons, car la croissance de ce matériau est extrêmement difficile et les propriétés physiques de ceux-ci sont très sensibles aux différentes étapes de fabrication que l’on doit effectuer pour obtenir une jonction Josephson. Cependant, de récents travaux effectués par notre groupe sur la purification des phases dans les couches minces de Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4], un cuprate dopé aux électrons, ainsi que sur la production de jonctions Josephson de qualité entre deux électrodes supraconductrices de Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] ont revigoré l’intérêt de fabriquer une jonction Josephson de qualité entre Pr[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] et un supraconducteur conventionnel. Dans ce mémoire, on propose une méthode de fabrication de jonctions Josephson en rampe entre un cuprate dopé aux électrons (Pr[indice inférieur 1.85]Ce[indice inférieur 0.15]CuO[indice inférieur 4]) et un supraconducteur conventionnel (PbIn). Cette méthode de fabrication nous a permis de fabriquer des jonctions Josephson possédant une densité de courant critique de 44 A/cm[indice supérieur 2] et un produit I[indice inférieur c]R[indice inférieur n] valant 40 μV . On retrouve aussi, tel qu’attendu par la théorie, les oscillations du courant critique de ces jonctions en fonction du champ magnétique appliqué perpendiculairement sur celles-ci. Ces caractéristiques nous permettent de conclure que nous avons réussi à produire les meilleures jonctions Josephson de ce type (Re[indice inférieur 2−x]Ce[indice inférieur x]CuO[indice inférieur 4] / Au /supraconducteur métallique) répertoriées dans la littérature. Ainsi, d’après ces résultats il est maintenant possible de tenter l’expérience sondant la symétrie du gap supraconducteur dans le Pr[indice inférieur 1.85]Ce[indice inférieur 0.15]CuO[indice inférieur 4] à l’aide d’une jonction Josephson en coin.

Le séléniure de fer, FeSe, est un matériau prometteur qui attire beaucoup d'attention depuis qu'il a décroché le record de la température critique la plus élevée chez les supraconducteurs à base fer. L'absence d'une phase magnétique à proximité de sa phase supraconductrice cause un questionnement sur la nature du mécanisme d'appariement des électrons dans ce supraconducteur. La symétrie avec laquelle ce mécanisme opère peut être déterminée en identifiant la structure et la symétrie du gap supraconducteur du FeSe. Plusieurs études du gap ont été menées, mais elles n'ont pas permis d'arriver à un consensus. Certaines mesures détectent des noeuds dans le gap supraconducteur tandis que d'autres rapportent un gap non nodal. L'incapacité à réconcilier les données existantes est en partie due au manque de mesures effectuées sur des monocristaux propres étant capables de résoudre des excitations à très basse énergie. Ce mémoire présente une étude du gap supraconducteur du FeSe utilisant la mesure de la conductivité thermique dans la limite où la température tend vers zéro comme sonde. Dans ce régime de température, il a été possible d'examiner les excitations à très faible énergie de l'état supraconducteur à l'aide d'un champ magnétique finement ajusté. De cette manière, un portrait très détaillé de la dispersion en énergie des quasiparticules a été dressé. Nous ne détectons pas de quasiparticules à énergie nulle et excluons donc la présence de noeuds sur le gap supraconducteur. Nous observons un comportement de supraconducteur à deux bandes, suggérant que les deux poches de la surface de Fermi ont des gaps différents dont les amplitudes diffèrent par un facteur 10. De plus, la grandeur du plus petit de ces deux gaps varie lorsque le niveau de désordre du matériau change, ce qui suggère que le petit gap est anisotrope. Cette dernière observation permet de réconcilier les études antérieures puisqu'une anisotropie du gap peut engendrer des noeuds accidentels sur le gap si le niveau de désordre du matériau est suffisament bas. Quelques études très récentes, parues en même temps que les résultats présentés ici, corroborent le scénario proposé et sont présentées à la fin du mémoire.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les matériaux supraconducteurs présentent des propriétés physiques et géométriques particulières qui exigent des approches de modélisation spatio-temporelle fines, où les méthodes classiques trouvent rapidement leurs limites en termes de convergence, de précision et de temps de calcul. Ce dernier peut être très conséquent, ce qui est incompatible avec les problèmes de dimensionnement et d’optimisation. Dans ce contexte, ce travail a pour objectif de développer des approches de modélisation multiphysique rapides pour le dimensionnement et l’optimisation des systèmes à base de supraconducteurs. Un intérêt particulier est porté pour les méthodes intégrales. Les verrous scientifiques à lever, qui constituent également l’originalité du travail, résident dans l’intégration des lois de comportement E(J) des supraconducteurs dans les schémas numériques de ce type de méthodes. Dans ce travail on développe un modèle numérique afin d’étudier la distribution de la densité de courant et d’estimer les pertes AC dans les supraconducteurs à haute température (HTS). Le modèle développé est basé sur une formulation intégro-différentielle en termes de potentiel vecteur électrique dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Une campagne de test est menée afin de valider et de bien cerner les possibilités offertes et les limites de cette approche pour la modélisation des supraconducteurs. / Superconducting materials have particular physical and geometric properties that require spatial-temporal modeling approaches fines, where conventional methods quickly reach their limits in terms of convergence, precision and computational time. The latter can be very consistent, which is incompatible with the design and optimization problems. In this context, this work aims to develop rapid multiphysics modeling approaches for the design and optimization of superconductor-based systems. Particular attention is paid to the integral methods. Scientific obstacles to overcome, which also constitute the originality of the work lies in the integration of behavior laws E (J) of superconducting digital patterns of such methods. A numerical model is developed for a rapid computation of eddy currents in multifilamentary high temperature superconductive (HTS) for the evaluation of AC losses. The developed model is based on an integro-differential formulation in terms of the electric vector potential in the frequency and temporal domains. A test campaign is conducted to validate and clearly identify the possibilities and limitations of this approach for modeling superconductors.

Ce travail de thèse présente un nouvel ordre magnétique dans l'énigmatique phase de pseudo-gap des cuprates supraconducteurs à haute température critique. L'étude des composés YBa2Cu3O6+δ, HgBa2CuO4+δ et La1.92Sr0.08CuO4 par diffusion élastique de neutrons polarisés a permis de mettre en évidence un paramètre d'ordre magnétique en dessous d'une température comparable à celle de l'ouverture du pseudo-gap de ces systèmes. Nous avons également montré pour la première fois l'existence dans la famille HgBa2CuO4+δ de deux modes collectifs magnétiques associés à la phase de pseudo-gap. Tous ces résultats indiquent qu'à l'ouverture du pseudo-gap est associée une vraie transition de phase, avec un paramètre d'ordre magnétique et une symétrie brisée: la symétrie par renversement du temps. Il est toutefois important de noter que la symétrie de translation du réseau est préservée: on parle alors d'ordre à Q=0. Dans le système YBa2Cu3O6+δ, nous avons établi que lorsque l'on s'approche du composé parent, ou lorsque l'on introduit des impuretés telles que du Zn, les fluctuations de spin incommensurables autour du vecteur d'onde antiferromagnétique (QAF) se développent au détriment du nouvel ordre à Q=0. De manière similaire, nous avons pu mettre en évidence une interaction entre l'instabilité magnétique autour de QAF et le nouvel ordre à Q=0 dans La1.92Sr0.08CuO4. L'ensemble de ces résultats apporte une pièce maitresse au puzzle que représente toujours la supraconductivité à haute température critique, malgré 25 ans de recherche.

En physique des particules, les grands accélérateurs permettent de sonder la matière en produisant des collisions de faisceaux à haute énergie. Dans un accélérateur circulaire, l'énergie maximale de collision dépend directement de l'intensité du champ magnétique dipolaire servant à guider les particules le long de leur orbite. Dans le large collisionneur de hadrons installé au CERN, l'énergie de collision maximale est de 14 TeV dans le centre de masse. Réaliser des collisions à plus haute énergies nécessitera alors l'utilisation de matériaux supraconducteurs à haute température critique (HTS). Dans cette perspective, les propriétés électromécaniques des différents conducteurs HTS sont caractérisées et paramétrées à 4.2 K sous des inductions allant jusqu'à 12 T. Dans les aimants supraconducteurs d'accélérateur, le câble doit être à fort ampérage et à haute densité de courant (15 kA-400 A/mm2). Il consistera en plusieurs conducteurs HTS connectés en parallèle. La caractérisation et la modélisation des performances de tels câbles dans leurs futures conditions opérationnelles sont exposées dans cette thèse. / Particle colliders are the main tool for investigating and understanding the fundamental laws of physics. The CERN Large Hadron Collider (LHC), is a circular accelerator which steers and collides two counter-rotating protons beams. It has four collision points where detectors are placed to analyze the products emerging from the collisions. In a synchrotron machine a magnetic flux density is used to guide and focus particles around the orbit. The maximum energy that a circular machine with a given geometry can achieve is limited by the maximum strength of the dipole magnetic flux density. There is therefore an interest in the particle physics community in searching for dipole magnets with higher strength. The LHC has a beam trajectory radius of 4.3 km and a collision center-of-mass energy of 14 TeV. The accelerator employs 1232 large superconducting Nb-Ti dipole magnets operated at a flux density of up to 8.3 T in a bath of superfluid helium at 1.9 K. Energies higher than that achieved with the LHC require magnets made from superconductors with higher upper critical flux density. Nb3Sn is an option for magnets operated up to about 14 T. The level of energies of the type being discussed for a potential energy upgrade of the LHC machine - 33 TeV- would require the use of high temperature superconductors (HTS). Three technical HTS are available today: YBCO, Bi-2212 and Bi-2223. At low temperature YBCO conductors present both irreversible flux density and current density in excess of those measured in Bi-2212 and Bi-2223 conductors. In addition, YBCO can be used as reacted conductor, which makes its use for applications simpler than Bi-2212, which requires heat treatment at high temperature and in oxygen atmosphere after cabling and winding. The level of currents required for application to accelerator magnets, which is above 10 kA at the nominal operating temperature and flux density, excludes the use of single strands. The high current and high current density required can be achieved with cables having several strands connected in parallel. The main objective of my work has been the study of HTS cables for high current/high current density applications, starting from the analysis and selection of suitable conductors, through the characterization of their intrinsic (e.g. critical surface, strain sensitivity and irreversible strain) and extrinsic (e.g. cabling degradation) properties, with the final objective of validating 10 kA-range cables based on HTS material for high flux density magnets. The performance of YBCO and Bi-2223 tapes at 4 K under parallel and perpendicular flux density is measured using purpose built samples holders. A complete review of the strain sensitivity of HTS materials is presented, and the measured critical current retention of HTS tapes under torsion is discussed. Expressions that describe the critical current density of HTS conductors as a function of flux density strength, flux density orientation, temperature and strain are introduced. Analytical models that provide the allowable twist and bending radius of YBCO tapes as a function of strain are elaborated and compared with measurements. The accurate expressions are then used to compute the margins of the winding pack of a 19 T dipole made with a YBCO cable. Roebel cables made of YBCO high current strands are characterized at 4.2 K and in flux densities of up to 9.6 These are the first measurements ever performed at 4.2 K and with high currents. The Roebel cables reached critical currents of up to 12 kA with engineering current density in excess of 1.1 kA/mm2 at 7.5 T. These measurements demonstrate the potential of Roebel cables for high flux density magnets. During measurements two out of four Roebel cables were irreversibly damaged. The mechanism of failures is detailed and explained. Finally the performance and current distribution of HTS cables is computed and compared with measurements

Cette thèse porte sur l'exploration des propriétés de l'interface entre les deux cuprates supraconducteurs La1.85Sr0.15CuO4 et Pr1.85Ce0.15CuO4 réunis selon l'axe c sous la forme d'une bicouche. En particulier, on y démontre l'existence d'un phénomène de transfert de charge entre ces deux matériaux qui génère, à l'interface, une région isolante que nous surnommons le "plateau de Mott". Cette thèse couvre de nombreux sujets que l'on peut diviser en deux axes principaux. D'abord les aspects liés à la croissance et à la structure de la bicouche et ensuite les propriétés de transport de l'interface isolante. Dans un premier temps, une interface directe et franche entre ces deux cuprates de dopages opposés est réalisée via une optimisation de la croissance épitaxiale de ces matériaux en bicouche par ablation laser pulsé. La qualité cristalline des meilleurs échantillons obtenus est exceptionnelle, et ce, malgré l'important désaccord de maille entre les deux structures. La structure cristalline est ensuite principalement caractérisée par la diffraction des rayons X. Cette mesure permet d'obtenir des informations pertinentes sur la composition, l'homogénéité et les dimensions caractéristiques des couches minces. Le champ de déformation causé principalement par le désaccord de maille et la présence de dislocations à l'interface est également étudié. À cet effet, le formalisme de séparation des effets de taille et des déformations structurelles de Warren et Averbach est adapté au cas particulier des couches minces. L'accord frappant avec laquelle ce formalisme s'applique à nos résultats témoigne de la qualité des mesures expérimentales et de la netteté de ces structures. Afin d'expliquer la forme du champ de déformation mesuré, un modèle analytique basé sur la présence de dislocations d'interface est développé. Celui-ci nous permet, entre autres, d'extraire les paramètres caractéristiques du champ de déformation. Ces nouveaux outils d'analyse permettront sans doute de tirer davantage d'informations pertinentes de la diffraction des rayons X dans des projets futurs. La mise en évidence de l'existence du plateau de Mott et la caractérisation des propriétés sont menées via des mesures de résistance électrique. Plusieurs obstacles liés à la microfabrication des échantillons doivent d'abord être considérés. Le présent travail permet d'identifier un certain nombre de procédés qui provoquent une dégradation, parfois fatale, des propriétés des bicouches de cuprates. Dans certains cas, des solutions sont fournies ou suggérées. Les causes de ces dégradations sont généralement en lien avec la mobilité des atomes d'oxygène dans ces structures. Le savoir-faire développé ici pourra donc s'appliquer à l'étude des systèmes à base d'oxydes en général. Finalement, des mesures de transport électrique doublées du modèle analytique de la barrière ohmique permettent d'observer l'apparition d'une zone isolante à l'interface entre les cuprates supraconducteurs La1.85Sr0.15CuO4 et Pr1.85Ce0.15CuO4. Les propriétés de transport non linéaires et asymétriques en tension de cette interface indiquent qu'elle conduit principalement par effet tunnel. L'existence de cette barrière isolante est causée par un transfert de charge entre les deux matériaux à la manière d'une jonction p-n semi-conductrice. Par contre, dans ce cas-ci, la barrière isolante est le résultat d'une transition de Mott dans la zone d'appauvrissement ce qui lui vaut l'appellation de plateau de Mott.