Au cours des dernières années, le développement de l’amplificateur paramétrique Josephson a permis de grandement accroître la fidélité de la mesure des qubits supraconducteurs. De plus, ce nouvel outil a ouvert un éventail de possibilités expérimentales telles la mesure de sauts quantiques et la compression de la lumière. Par contre, de récents résultats expérimentaux [Murch et al. Nature 499, 62 (2013), Zhong et al. NJP 15, 125013 (2013)] démontrent que, malgré les bonnes propriétés de cet amplificateur à faible bruit, des imperfections limitent ses performances. Dans le cadre de ce mémoire, une modélisation de l’amplificateur paramétrique Josephson (JPA) au-delà des approximations standards est présentée afin de mieux comprendre et caractériser ces imperfections. Pour la première fois, le JPA à pompe de courant monochromatique, le JPA à pompe de courant bichromatique et le JPA à pompe de flux sont comparés dans un même formalisme. Ceci permet une analyse des avantages et inconvénients de chacun au-delà de ce qui se trouve dans la littérature. En particulier, l’analyse démontre que ces différentes pompes mènent à des corrections d’ordres supérieurs différentes. À l’aide d’outils numériques et analytiques, on caractérise le champ en sortie de l’amplificateur. On démontre alors que le niveau de compression de ce champ est limité par les corrections d’ordres supérieurs généralement négligées dans la modélisation du JPA. Ce résultat numérique est comparé aux résultats expérimentaux obtenus par nos collaborateurs du laboratoire de nanoélectronique quantique de l’Université de Berkeley. Finalement, les cumulants de troisième et quatrième ordres sont calculés et démontrent que le caractère non gaussien du champ en sortie d’un amplificateur paramétrique Josephson augmente avec le gain et la non-linéarité.

La présente thèse s’articule autour de deux sujets. Le premier concerne la localisation des électrons en présence d’impuretés ou d’interfaces dans le réseau hexagonal. Le deuxième, en revanche, traite de l’accumulation de spin dans un supraconducteur hors-Équilibre de type s.Le graphène est la principale motivation de la première partie. Ce matériau bidimensionnel consiste en un feuillet d’atomes de carbones et peut être décrit comme un réseau hexagonal, c’est-à-dire un réseau de Bravais triangulaire avec un motif diatomique. La structure de bande électronique révèle alors l’existence d’électrons de Dirac sans masse et chiraux à basse énergie.D’une part, il est possible d’annihiler ces fermions chiraux en étirant de façon uni-Axiale le matériau. Pour une valeur seuil de l’étirement, les électrons deviennent massiques et non-Relativistes, ce qui définit une transition de phase dite de Lifshitz. Afin de caractériser cette transition, nous étudions la diffusion des électrons sur des impuretés en fonction de l’étirement. Une impureté localisée induit des interférences quantiques dans la densité électronique, connues sous le nom d’oscillations de Friedel. Etant sensibles à la nature chirale des électrons, nous montrons que ces oscillations décroissent selon des lois de puissances qui permettent de caractériser chacune des phases de la transition. La même étude est réalisée dans le cas limite où le diffuseur est une lacune.D’autre part, le motif diatomique du réseau hexagonal propose aussi une incursion dans le monde des isolants et supraconducteurs topologiques. Pour ces systèmes, la caractérisation topologique de la structure de bande électronique permet de prédire l’existence d’états de bord aux interfaces. Nous développons notamment un modèle de supraconducteur topologique basé sur le réseau hexagonal du graphène, en présence de supraconductivité de type singulet (s ou d). Lorsque la symétrie par renversement du temps est brisée par un champ Zeeman, et en présence de couplage spin-Orbit Rashba, nous donnons une prescription qui permet de caractériser les différentes phases topologiques possibles et de prédire l’apparition d’états de bord (états de Majorana) dans des nano-Rubans de graphène.La seconde partie discute l’accumulation de spin dans un supraconducteur hors-Équilibre, joint à un ferromagnétique. Lorsqu’il est à l’équilibre, le supraconducteur est composé de quasiparticules et d’un condensat. L’injection de particules polarisées en charge et en spin, à savoir des électrons polarisés en spin, induit une accumulation de spin et de charge à l’intérieur du supraconducteur. Si l’injection cesse, les populations de spin et de charge vont relaxer vers l’équilibre, mais pas nécessairement sur des échelles de temps identiques. Récemment, la réalisation d’une expérience a mis en évidence que le la charge pouvait relaxer bien plus rapidement que le spin. Afin de confirmer cet effet, une nouvelle expérience a été réalisée grâce à des mesures établies dans le domaine fréquentiel. Ici, nous adressons un model relatif à cette dernière expérience, dans le but d’extraire le temps caractéristique de relaxation du spin qui s’avère être de l’ordre de quelques nanosecondes. / Two fields of research define the framework in which the present thesis can be apprehended. The first one deals with impurity and boundary modes in the hexagonal lattice. The second one concerns a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium superconductor.Two fields of research define the framework in which the present thesis can be apprehended. The first one deals with impurity and boundary modes in the hexagonal lattice. The second one concerns a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium superconductor.Graphene is the main motivation of the first part. From a crystallographic perspective, the carbon atoms in graphene, a graphite layer, design a triangular Bravais lattice with a diatomic pattern. This gives rise to an extra degree of freedom in the electronic band structure that crucially reveals chiral massless Dirac electrons at low-Energy. First of all, it is possible to make these chiral fermions annihilate when a uniaxial strain stretches the graphene layer. For a critical value of the strain, all the fermions become massive and nonrelativistic, which defines a Lifshitz transition. We study the impurity scattering as a function of the strain magnitude. A localised impurity yields quantum interferences in the local density of states that are known as Friedel oscillations. Because they are affected by the chiral nature of the electrons, we show that the decaying laws of these oscillations are specific to the phase the system belongs to. Thus, the impurity scattering offers the possibility to fully characterise the transition.Second, the diatomic pattern of the graphene lattice can also be considered as an invitation to the world of topological insulators and superconductors. The existence of edge states in such systems relies on the topological characterization of the band structure. Here we especially introduce a model of topological superconductor based on the honeycomb lattice with induces spin-Singlet superconductivity. When a Zeeman field breaks the time-Reversal invariance, and in the presence of Rashba spin-Orbit interactions, we give a prescription to describe the topological phases of the system and predict the emergence of Majorana modes (edge states) in strained and doped nanoribbons.The second part discusses the study of a spin accumulation in an out-Of-Equilibrium s-Wave superconductor. At the equilibrium, the superconductor is made of particles coupled by a s-Wave pairing, as well as unpaired quasiparticles. Injecting spin-Polarised electrons into the superconductor induces charge and spin imbalances. When the injection stops, it may happen that charge and spin do not relax over the same time-Scale. The first experiment that points out such a spin-Charge decoupling has recently been realised. In order to confirm this chargeless spin-Relaxation time, a new experiment has been developed [96], based on measurements in the frequency domain. Here, we address a model that fits the experimental data and thus enables the extraction of this characteristic time that is of the order of a few nanoseconds.

Le développement de nouveaux matériaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de câbles comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application ou d'en améliorer les performances. Pour l'étude des applications industrielles, il est nécessaire de connaitre les caractéristiques électromagnétiques de ces nouveaux matériaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulté réside dans la reconstitution de la loi électrique locale E(J), à partir des mesures. Cette thèse consiste donc à la mise au point d'outils théoriques et expérimentaux permettant la caractérisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les travaux ont principalement été menés sur deux méthodes : - la méthode MB, qui consiste à effectuer des mesures sur une bobine puis d'extraire les propriétés du ruban supraconducteur. - le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnétique. Ces méthodes ont été testée et validée tant au niveau expérimental que théorique / The development of new superconducting materials and of new cables manufacturing processes such as YBaCuO films, allow to consider new application or to improve their performances. For the study of industrial applications, it is necessary to know the electromagnetic characteristics of these new materials. For superconductors, the difficulty lies in the reconstruction of the local electric law E(J), from measurements. This thesis therefore consists in the developing theoretical and experimental tools for characterization of high temperature superconductors. The work has mainly been carried out on two methods: - the MB method, which consists in making measurements on a coil and then extracting the properties of the superconducting tape. - the field mapping, based on the measurement of a map of the magnetic flux density. These methods have been tested and validated both experimentally and theoretically

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

Les câbles supraconducteurs sont largement utilisés dans le domaine des aimants à haut champ et sont en plein développement pour le transport de l’énergie. Un câble est un assemblage complexe de fils composites, euxmêmes constitués de filaments supraconducteurs torsadés dans une matrice métallique et entourés d’une couronne. La dépendance des brins supraconducteurs à la déformation est connue pour être responsable de la dégradation des performances électriques des câbles. La compréhension et la prédiction du comportement mécanique des brins est donc nécessaire afin de prédire les propriétés électriques des câbles dans le but d’optimiser leur mise en forme pour augmenter leurs performances (champ magnétique et capacité de transport).Une caractérisation mécanique multi-échelle de brins Nb3Sn et MgB2 a été réalisée au travers d’essais sur brins complets et sur brins dont la couronne a été dissoute. Un dispositif d’essais a été développé dans le cadre d’essais uniaxiaux sur fil fragile de faible diamètre. Des essais de nano-indentation ont permis d’accéder aux propriétés locales des matériaux constituants les brins. Une stratégie de modélisation et d’identification du comportement mécanique des brins a été développée. La modélisation repose sur une représentation simplifiée de la structure construite à partir des fractions volumiques et des essais de nano-indentation. L’identification des paramètres des lois de comportement est réalisée en utilisant la base de données expérimentales construite préalablement. Les modèles ainsi identifiés vont nourrir les futures simulations mécanique et électrique couplées de câbles.Une discussion sur l’endommagement des brins est menée au travers de l’étude de la localisation de la déformation observée dans certains brins, d’observations après des essais de traction interrompus et d’essais de traction in situ à un tomographe à rayons X. / Superconducting cables are widely used in high field magnets and have recently been extended to electricity transport. Cables are composed of a complex assembly of superconducting strands, themselves composed of superconducting filaments twisted in a metallic matrix and surrounded by an outerlayer. The electrical-strain dependence of individual strands is known to be responsible for the degradation of the electrical performance of cables. Thus, it is necessary to understand and predict the mechanical behavior at the strand scale to predict the electrical properties and optimize the manufacturing process of cables to achieve higher fields and better transport capabilities.A multi-scale mechanical characterization of Nb3Sn and MgB2 strands was carried out through tests on complete strands and strands without an outer-layer. A specific device was developed for uniaxial tests on small brittle wire. Nano-indentation tests were also carried out to access to the local properties of each material in the strand.A strategy for the modeling and identification of the mechanical behavior of strands was developed. The model is based on a simplified representation of the structure built from the component volume fractions and the nanoindentation tests. The identification of the parameters is carried out using the experimental database previously developed. The model is intended to be subsequently used to simulate the coupled mechanical and electrical behavior of cables.Discussion about damage phenomenon in strands is carried out through the study of strain localization observed in strands, observations and analyses after interrupted tests, and tensile tests performed in an X-ray tomograph.

Le projet SPIRAL2, en phase de construction au GANIL à Caen, viendra augmenter les capacités de production et d'accélération de l'actuelle installation SPIRAL. Cette extension consiste en la construction d'une zone de production d'isotopes radioactifs associée à un accélérateur linéaire supraconducteur. Ce dernier permet l'accélération de faisceaux de deutons de 5 mA à 40 MeV ainsi que d'une grande variété d'ions (protons, deutons, ions ayant un rapport charge/masse de 1/3) jusqu'à une énergie de 14.5 MeV/u et un courant de 1 mA. Le taux de fission visé (~ 1014 fissions/s) ainsi que cette grande polyvalence d'accélération sont rendus possible grâce à l'utilisation de la technologie supraconductrice. L'étude, la conception et l'intégration des modules accélérateurs supraconducteurs de la partie haute énergie ont été effectuées à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPNO). Le travail de thèse présenté ici s'inscrit dans ce contexte. Dans un premier temps, les cavités accélératrices supraconductrices de type quart-d'onde ont été validées et caractérisées d'un point de vue électromagnétique et mécanique en cryostat de qualification (-269 °C). Par la suite, un module accélérateur totalement équipé a été qualifié en configuration dite « machine ». Des études plus spécifiques ont également été menées sur l'effet 100K, les microphonies et la caractérisation du système d'accord en fréquence par plongeur mobile, système novateur pour les cavités supraconductrices. La validation des performances du module accélérateur à travers ce travail de thèse a donné lieu au lancement de la phase de fabrication des cavités accélératrices et des cryomodules.

L'oxyde supraconducteur à haute Tc (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi2223) a été synthétisé par voie sol-gel. Les conditions de calcination et de frittage ont été optimisées afin d'obtenir la phase Bi2223 avec une pureté voisine de 94%. Cette poudre a été mise sous forme de céramiques texturées par frittage-forgeage sous air. Le cycle de forgeage a été optimisé de manière à synthétiser des disques hautement texturés et d'une grande pureté. Des barreaux extraits de ces disques ont été caractérisés en transport. Les meilleures densités de courant critique (Jc) obtenues sont de l'ordre de 10000 A/cm2 (0 T, 77 K) et rejoignent les valeurs maximales présentes à ce jour dans la littérature. Une nouvelle voie de synthèse, consistant à texturer des pastilles composées de la phase Bi2212 et de phases secondaires, a été entreprise. Le contrôle de la taille de particules (⊕<63µm) et des paramètres de frittage-forgeage (845°C/100h) a permis d'atteindre des Jc de l'ordre de 12500 A/cm2. Le broyage planétaire de la poudre sol-gel brûlée s'est avéré précieux pour augmenter sa réactivité et dans le même temps le taux de phase Bi2223 à l'issue du frittage-forgeage. La grande quantité de phase liquide produite pendant la texturation a permis d'améliorer la qualité de la texture via un meilleur alignement des grains et ainsi d'accroître fortement les densités de courant critiques (20000 A/cm2). Par ailleurs, l'empilement de plusieurs disques est possible et rapide, et aboutit à une céramique massive avec des densités de courant critique quasiment identiques à celles obtenues sur un seul disque. L'analyse combinée texture/structure/microstructure traitée via le programme MAUD s'est révélée être d'une grande efficacité pour caractériser nos échantillons. Grâce à la diffraction neutronique, une relation directe entre le taux de phase Bi2223, les paramètres de maille, la taille des cristallites, la densité de distribution maximale et la densité de courant critique a été établie.

L'apparition des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 puis leur développement permet maintenant leur utilisation en électrotechnique. Il devient important de connaître précisément leur comportement électromagnétique et notamment leurs pertes. Pour cela, un modèle numérique (éléments finis) a été implanté dans FLUX3D. Les supraconducteurs y sont représentés comme étant parfaitement amagnétiques et régis par une loi en puissance entre le champ électrique et la densité de courant. Cette loi est pour l'instant indépendante de l'induction magnétique. Nous avons été amenés à étudier et comparer différentes formulations (A,3A/3t,fo,TT0O,Âcouplée avec les équations de circuit) permettant d'imposer un champ magnétique extérieur, un courant voire d'inclure un supraconducteur dans un circuit électrique. Le modèle numérique a ensuite été utilisé pour des études quantitatives d'une part, puis qualitatives d'autre part. Une étude détaillée, en champ propre, sur un fil OPIT de Bi-2223 a été menée numériquement, analytiquement et expérimentalement. Ceci a permis de valider l'hypothèse du couplage entre les filaments et a également été l'occasion de comprendre la méthode électrique de mesure de pertes. Le cas d'une bobine possédant deux couches de fils supraconducteurs a ensuite été étudiée. Un modèle analytique de calcul des pertes pour une bobine possédant n couches a alors été développé. Toutes les études de ce mémoire ont également permis de mieux cerner le domaine de validité du modèle de Bean. Les limites d'une loi en puissance avec un courant critique indépendant de l'induction et de la température sont également apparues.

La découverte des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 relance l'intérêt porté à la supraconductivité. Ces matériaux sont arrivés à un stade où leur utilisation dans des dispositifs électrotechniques est envisageable. Néanmoins, il est primordial de connaître leurs pertes AC précisément pour dimensionner correctement les dispositifs. C'est pourquoi nous avons étudié dans un premier temps ces pertes AC dans un supraconducteur. Un modèle analytique applicable à une géométrie cylindrique (bobinages) a été ainsi développé et comparé à un modèle numérique. Nous avons réalisé des mesures expérimentales afin de comparer ces différents modèles. Dans le cadre du projet Européen READY, un transformateur supraconducteur monophasé HTC de 41 kVA a été entièrement dimensionné sur les plans électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Ce transformateur, entièrement froid, pourra fonctionner dans l'azote liquide jusque vers 65 K ou l'hélium gazeux pour atteindre des températures inférieures. H sera refroidi par un tube puisé. De nombreuses expériences ont été faites pour valider nos choix et nous apporter certaines données expérimentales indispensables comme les pertes fer à froid où la résistance thermique de contact. Enfin, une étude très préliminaire sur différents transformateurs supraconducteurs d'une puissance de 30 MVA a permis de montrer l'intérêt de la technologie supraconductrice sur ces dispositifs.

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d'utilisation d'un aimant d'accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d'essais ont révélé que l'isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d'améliorer la tenue mécanique de l'isolation et de mieux répartir les contraintes à l'intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d'optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d'homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts... Pour cela plusieurs codes d'optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d'abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l'optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l'aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d'optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ.