L'oxyde supraconducteur YBa2Cu3O7Δ (Y123) qui possède une température critique de 92 K a éveillé à sa découverte un grand enthousiasme et est la source de nombreux travaux. Grâce à ses bonnes propriétés supraconductrices à la température de l'azote liquide (77 K) il semble être le plus prometteur pour les applications sous champ magnétique. Pour obtenir des densités de courant critique élevées, il est nécessaire de les densifier et d'induire une orientation cristallographique préférentielle.<br />Ce travail a consisté à élaborer des échantillons plus performants en terme de propriétés supraconductrices. Le procédé conventionnel de texturation induit des fissures et de la porosité dans les échantillons et nécessite l'ajout de dopants pour améliorer ses propriétés. Nous avons étudié un nouveau procédé « infiltration et croissance » ainsi que la mise en forme d'une géométrie originale « à parois minces ». Les caractérisations effectuées sur la microstructure, la texture et les propriétés supraconductrices sont rapportées.<br />L'optimisation du procédé a consisté à comprendre les mécanismes d'infiltration et de croissance, puis à rechercher la configuration et la composition donnant des échantillons les plus performants. Des densités de courants critiques de l'ordre de 68 kA/cm2 en champ propre ont été mesurées à 77 K. <br /> L'étude des échantillons perforés a montré que, grâces aux « trous » artificiels, les microstructures sont exempt de porosité, les échantillons se refroidissent plus rapidement et l'oxygénation est plus rapide et homogène comparé aux matériaux non perforés.

Les fils supraconducteurs Nb3Sn sont, parmi les matériaux, ceux qui présentent le plus d'applications possibles pour produire des champs magnétiques supérieurs à 10 Tesla. L'utilisation la plus immédiate se place dans le cadre du projet ITER, qui est considéré comme un grand espoir de source d'énergie dans le futur. La conception composite avec beaucoup de cuivre, un petit nombre de sous-éléments, une barrière de diffusion non réactive et la technologie de l'étain interne RRP (Restacked Rod Process) est généralement utilisée pour la fabrication des fils. Des spécifications particulières sont nécessaires pour cette utilisation. Elles peuvent être obtenues par une conception particulière de l'assemblage des filaments, la méthode de formation de la phase A15 Nb3Sn (ici le procédé de l'étain interne), les traitements thermiques. De tels fils ont été fournis par les sociétés MSA/Alstom et WST/NIN pour cette étude. Pour déterminer de manière précise les conditions de formation et les cinétiques de réaction, des filaments plus simples ont été préparés (4 formulations avec des rapports Cu/Sn différents et des additifs différents). Pour cela différentes techniques de caractérisation ont été mises en œuvre, mesures d'aimantation sous champ magnétique, diffraction neutronique, microscopies électroniques (MEB/EDEX, TEM). <br />L'épaisseur de la couche de la phase A15 mesurée dans différents monofilaments a permis de déterminer la loi de cinétique de formation selon deux modèles. Les résultats ont clairement montré que le modèle de diffusion en phase solide est en accord avec une loi de puissance n et que la valeur de n augmente avec la température de traitement et le taux d'étain dans le fil composite.

L'avenir des nouvelles caméras embarquées pour l'astrophysique spatiale semble passer par unaccroissement du nombre de pixels et un fonctionnement à très basse température (en dessous de 0,1 K).Avec cette évolution, le nombre important de fils en sortie du détecteur refroidi représente souvent lacharge thermique prédominante sur la source froide (cryostat).Dans ce contexte, l'isolation thermique entre les différents circuits de détection est un point crucial pources caméras. Une brique technologique innovante a été développée pour apporter une solution présentantune excellente conduction électrique couplée à une grande isolation thermique. Cette innovation,protégée par un brevet, permet de résoudre cet apparent paradoxe. La solution proposée consiste enl'empilement d'un grand nombre de couches minces de matériaux supraconducteurs dans lesinterconnexions.La résistance thermique à chaque interface est dépendante des propriétés élastiques des matériaux,de la qualité des interfaces et de la température à laquelle le système fonctionne. A très basse température,le modèle AMM, couplé aux mesures des caractéristiques des matériaux composants la multicouche,permettent une estimation théorique de la résistance thermique pour une interface. Les mesures effectuéesavec les liaisons supraconductrices à forte résistivité thermique concordent avec les estimationsthéoriques. Nous avons ainsi pu mesurer des résistances thermiques de l'ordre de 3,3.105 K/W à 200 mKpour une multicouche composée d'une succession (62 interfaces) de couches minces de nitrure de titaneet de niobium sur une surface de 16 mm2. Dans les conditions d'utilisation prévues pour une camérarayons X de 4000 pixels microcalorimétriques, l'utilisation de cette brique technologique devrait assurerune charge thermique sur la source froide (à 50 mK) très inférieure au μW pour plus de 8000 pointsde contact. Ce dispositif pourra être utilisé à l'avenir dans nombre de projets cryogéniques, lorsqu'une excellenteisolation thermique associée à une excellente conduction électrique sera recherchée.

Lorsque des atomes sont assemblés dans un solide, des nouveaux phénomènes surgissent en raison de l'interaction forte entre noyaux et électrons. Par exemple, dans des matériaux anisotropes de faible dimension ou dans des m étaux à forte densité d' états au niveau de Fermi, de densité de spin (SDW) ou de charge (CDW) peuvent se former à basse température. La supraconductivité est présente dans certains matériaux quand il refroidit en dessous d'une température critique. Toutes ces phases peuvent apparaître d'une façon isolée ou coexister avec une autre. Et, dans ce cas, une interaction forte ou de la compétition peut exister entre ces phases. Le mécanisme de formation de ces phases et les relations entre elles sont toujours le centre d'intérêt quand elles sont découvertes dans un nouveau matériau. Ba1−xKxFe2As2 et Ba(Fe1−xCox)2As2 ont été découverts comme une nouvelle famille de supraconducteurs à haute Tc. C'est le système supraconducteur Ba122 à base de fer. Le composé parent de cette famille est BaFe2As2 qui a une transition d'onde de densité de spin à environ 138 K. Lorsque le dopage du composé parent est fait par des trous [Ba1−xKxFe2As2] ou par des électrons [Ba(Fe1−xCox)2As2], le magnétisme est supprimé et la supraconductivité apparaît. Dans une gamme de dopage considérablement large, la phase SDW et la supraconductivité coexistent. Dans ce cas, la symétrie du gap supraconducteur les relations entre les ordres coexistants produisent des phénomènes et des comportements nouveaux. Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques des supraconducteurs à base de fer dopés trous [Ba1−xKxFe2As2] et électrons [Ba(Fe1−xCox)2As2]. Dans les composés dopés optimalement par K ou Co, nous avons trouvé différentes réponses dans la conductivité optique de basse énergie. En comparant les propriétés optiques et les sites de dopage de ces deux échantillons dopés de fa con optimale, nous avons fourni des preuves solides pour une symétrie d'appariement s± dans le système Ba122. Dans le composé sous-dopé Ba0.6K0.4Fe2As2 nous avons observé, en plus du gap SDW et de celui supraconducteur, un plus petit gap à plus faible énergie. Nous avons étudié la dépendance en température et dopage des trois gaps. Avec cela, combinée à une analyse de poids spectral, nous avons conclu que ce gap nouveau partage les mêmes états électroniques que le condensat supraconducteurs. Nous avons interprété ce gap par un scénario de précurseur de la phase supraconductrice. En revanche, la transition SDW diminue les états électroniques disponibles pour le condensat supraconducteur, agissant comme un ordre en compétition à la supraconductivité.

Les travaux de cette thèse portent sur un insert dipolaire de supraconducteur à haute TC (SHT) en utilisant un câble multi-rubans torsadé pour un accélérateur des particules dans le cadre du projet EuCARD2 au CERN. L’insert dipolaire SHT est la seule possibilité aujourd'hui pour aller au-dessus de 16 T pour le futur accélérateur des particules à haute énergie. Deux spécifications de cet insert SHT sont les grands courants de fonctionnement (> 10 kA) et les champs de fond élevés (> 13 T) conduisant à des conditions de fonctionnement sévères. Pour répondre à ces attentes, un premier insert SHT de multi-rubans torsadé/ type de bloc est proposé sur la base des approches analytiques, numériques et expérimentales. Les travaux sont principalement classés dans le design d’insert dipolaire et le design de câble multi-rubans torsadé. Cette thèse se terminée avec la meilleure solution pour l’insert SHT de multi-rubans torsadé/ type de bloc en utilisant le câble partiellement isolé. / This Ph.D. deals with a high Tc superconducting (HTS) dipole insert using a twisted stacked cable for a particle accelerator in the framework of EuCARD2 project in CERN. The HTS dipole insert is the only possibility today to go above 16 T for the future high-energy particle accelerator. Two specifications of these HTS insert are large operating currents (> 10 kA) and high background fields (> 13 T) leading to severe operating conditions. To meet these expectations, a first Twisted Stacked/ Block-type HTS insert is proposed based on analytical, numerical and experimental approaches. The works are mainly classified into dipole insert design and twisted stacked cable design. This Ph.D. ends with the best solution for Twisted Stacked/ Block-type HTS insert using partially-insulated cable.

Cette étude traite du dépiégeage et de la dynamique des systèmes élastiques désordonnés. Ce cadre regroupe une large classe de systèmes allant des interfaces (tel les que les parois de domaines dans les systèmes magnétiques ou ferroélectriques) aux systèmes périodiques(comme les réseaux de vortex dans les supraconducteurs de type II, les colloïdes ou encore les cristaux de Wigner). Dans ces systèmes, la compétition entre l'élasticité de la structure qui veut imposer un ordre parfait et le désordre induit une grande richesse dans le diagramme de phase. L'étude est menée par simulations numériques à grande échelle, dans lesquelles nous nous intéresserons spécifiquement aux réseaux 2D de vortex supraconducteurs.Deux types de dépiégeage sont observés lorsque l'on met en mouvement ces réseaux à l'aide d'une force extérieure : un dépiégeage plastique et un dépiégeage élastique. Nous porterons notre attention sur le dépiégeage élastique obtenu dans le cas d'un piégeage faible. A travers une analyse en loi d'échelle à température nulle et à température finie nous montrons le caractère continu de la transition de dépiégeage au seuil de dépiégeage. Divers exposants critiques sont déterminés dont l'exposant ß et δ caractérisant la dépendance en force et en température de la vitesse ou bien l'exposant ν caractérisant la divergence de la longueur de corrélation du système. Un modèle visco-élastique simple permettant de décrire la plasticité dans les systèmes périodiques évoluant sur un potentiel de piégeage en présence de désordre fort est également développé. Une grande variété de comportementsdynamiques, similaires à ceux observés à plus grande échelle dans des systèmes périodiques, peuvent être extraits d'un tel modèle. Un dépiégeage élastique ou plastique est observé, de l'hystérésis est mesurée dans le cas du dépiégeage élastique, et du chaos est détecté pour le dépiégeage plastique. / In this work we study the depinning and the dynamics of disordered elastic systems. This framework encompasses a broad class of systems from interfaces (like magnetic or ferroelectric domains walls) to periodic structures (like vortex lattices in type II superconductor, colloids or Wigner crystals). In these systems, the competition between the elasticity of the structure that wants to impose a perfect order and disorder produces a great variety of phases and transitions. The study is conducted by large-scale numerical simulations, in which we focus specifically on 2D superconductor vortex lattices. Two types of depinning are observed when we set in motion these lattices using an external force : a plastic depinning and an elastic depinning. We will focus on the elastic depinning obtained when the pinning is weak. Using a scaling law analysis at both zero and nonzero temperature we show that the depinning transition is continuous near the depinning threshold. Various critical exponent are evaluated such as the ß and δ exponents characterizing the force and temperature dependances of the velocity or the ν exponent characterizing the divergence of the correlation length of the system. A simple viscoelastic model allowing to describe plasticity in periodic structures driven over a strong disordered medium is also developed. A wide variety of dynamical behaviors, similar to those observed on a larger scale in periodic systems, can be extracted from such a model. An elastic or plastic depinning is observed, hysteresis is measured in the case of elastic depinning, while chaos is detected for plastic depinning.

Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits. / Superconducting quantum circuits are currently investigated in many labs. An important goal of this research is to build and couple several superconducting quantum bits for quantum information processing. The theoretical description of these circuits is based on the coupled dynamics of the superconducting phase differences at the Josephson junctions and the degrees of freedom of the surrounding electromagnetic environment. This nonlinear dynamics has been much studied in the classical regime. Quantum effects have been considered by perturbative methods, assuming that some degrees of freedom are thermalized. In contrast, the coupled quantum dynamics was largely unexplored in a non-perturbative regime. The goal of the trainee will be to describe the crossover between the classical and quantum regimes in the case of a single Josephson junction coupled to an electromagnetic resonator. For this, the candidate will study the master equations for this system with analytical and numerical methods. In the long term, the aim will be to understand how to generate and manipulate photons thanks to time-resolved electric control of the circuit.

L’avenir des nouvelles caméras embarquées pour l’astrophysique spatiale semble passer par unaccroissement du nombre de pixels et un fonctionnement à très basse température (en dessous de 0,1 K).Avec cette évolution, le nombre important de fils en sortie du détecteur refroidi représente souvent lacharge thermique prédominante sur la source froide (cryostat).Dans ce contexte, l’isolation thermique entre les différents circuits de détection est un point crucial pources caméras. Une brique technologique innovante a été développée pour apporter une solution présentantune excellente conduction électrique couplée à une grande isolation thermique. Cette innovation,protégée par un brevet, permet de résoudre cet apparent paradoxe. La solution proposée consiste enl’empilement d’un grand nombre de couches minces de matériaux supraconducteurs dans lesinterconnexions.La résistance thermique à chaque interface est dépendante des propriétés élastiques des matériaux,de la qualité des interfaces et de la température à laquelle le système fonctionne. A très basse température,le modèle AMM, couplé aux mesures des caractéristiques des matériaux composants la multicouche,permettent une estimation théorique de la résistance thermique pour une interface. Les mesures effectuéesavec les liaisons supraconductrices à forte résistivité thermique concordent avec les estimationsthéoriques. Nous avons ainsi pu mesurer des résistances thermiques de l’ordre de 3,3.105 K/W à 200 mKpour une multicouche composée d’une succession (62 interfaces) de couches minces de nitrure de titaneet de niobium sur une surface de 16 mm2. Dans les conditions d’utilisation prévues pour une camérarayons X de 4000 pixels microcalorimétriques, l’utilisation de cette brique technologique devrait assurerune charge thermique sur la source froide (à 50 mK) très inférieure au μW pour plus de 8000 pointsde contact. Ce dispositif pourra être utilisé à l’avenir dans nombre de projets cryogéniques, lorsqu’une excellenteisolation thermique associée à une excellente conduction électrique sera recherchée. / Future of the next camera onboard space observatories implies a major enhancement in number of pixelsand a very low operative temperature (below 0.1 K). In this evolution, the large number of output wiresfrom the cool detector is often responsible of the most important thermal load onto the cold bath(cryostat).In this context, the thermal insulation between the different detection circuits is the bottleneck for thesecameras. An innovative technological component, protected by a patent, has been developed to tackle thisproblem. This device has both an excellent electrical resistivity and a very high thermal resistivity.The proposed solution is a stack of thin superconducting layers at electrical interconnections.The thermal resistance at each interface relies on the elastic properties of the materials used, the quality ofthe interfaces and temperature. The AMM model used in conjunction with the measured materialcharacteristics allows a theorical estimation of the thermal resistance per interface. The measurementsundertaken with superconducting connections with very high thermal resistivity are very well describedby this AMM model. We have measured thermal resistances as high as 3.3 105 K/W @ 200 mKfor a multilayer of 62 interfaces built with titaniun nitride and niobium alternatively on a 16 mm2 array.In the conditions foreseen for a 4000 micro-calorimeters camera operating at 50 mK in X-rays,this multilayer technique should allow a thermal load onto the cold bath that is much lower that 1 mWfor more than 8000 contacts.

Cette thèse décrit la réalisation et l’étude de réseaux bidimensionnels de résonateurs supraconducteurs en nid d’abeille. Ce travail constitue un premier pas vers la simulation de systèmes de la matière condensée avec des circuits supraconducteurs. Ces réseaux sont micro-fabriqués et sont constitués de plusieurs centaines de sites. Afin d’observer les modes propres qui y apparaissent dans une gamme de fréquence entre 4 et 8 GHz, nous avons mis au point une technique d’imagerie. Celle-ci utilise la dissipation locale créée par un laser avec lequel nous pouvons adresser chaque site du réseau. Nous avons ainsi pu mesurer la structure de bande et caractériser les états de bord de nos réseaux. En particulier, nous avons observé les états localisés qui apparaissent à l'interface entre deux isolants de Semenoff ayant des masses opposées. Ces états, dits de Semenoff, sont d'origine topologique. Nos observations sont en excellent accord avec des simulations électromagnétiques ab initio. / This thesis describes the realization and study of honeycomb lattices of superconducting resonators. This work is a first step towards the simulation of condensed matter systems with superconducting circuits. Our lattices are micro-fabricated and typically contains a few hundred sites. In order to observe the eigen-modes that appear between 4 and 8 GHz, we have developed a mode imaging technique based on the local dissipation introduced by a laser spot that we can move across the lattice. We have been able to measure the band structure and to characterize the edge states of our lattices. In particular, we observe localized states that appear at the interface between two Semenoff insulators with opposite masses. These states, called Semenoff states, have a topological origin. Our observations are in good agreement with ab initio electromagnetic simulations.

Les supraconducteurs à hautes températures sont considérablement utilisés dans des applications telles que des machines électriques. La conception de telles machines requiert une évaluation précise des pertes AC générées par leurs bobinages de câbles supraconducteurs multifilamentaires torsadés. Ainsi, des outils numériques robustes et précis sont indispensables afin de modéliser rapidement en 3D le comportement de tels câbles. Dans ce manuscrit, deux approches numériques dont une approche de type galerkin discontinue furent développées afin de simplifier considérablement la modélisation 3D de ce type de câbles. Elles furent appliquées à la formulation en H couplée aux effets thermiques. La modélisation de cas simples a permis de valider ces approches en les comparant à celle des éléments finis implémentée sur Comsol. Puis, une transformation géométrique fut proposée afin de modéliser de façon équivalente en 3D, quelque soit la configuration en champ magnétique, des câbles à filaments supraconducteurs droits à la place de filaments torsadés. De cette transformation, un modèle d'ordre réduit fut développé et validé afin de simplifier considérablement la modélisation 3D de ce type de câbles. À partir de ce modèle réduit, l'influence du champ elliptique sur les pertes par aimantation d'un échantillon de 100 câbles de 54 filaments de MgB ₂ torsadés fut modélisé en moins d'une journée. Par ailleurs, des premières études empiriques montrant la faisabilité d'une homogénéisation furent brièvement présentées et validées pour des câbles ayant une seule couche de filament. / High temperature superconductors are increasingly being used for several applications such as electrical machines. Thus the design of suchdevices ultimately requires an accurate evaluation of AC losses generated by superconducting coils sometimes made of twisted multifilamentary wires.The development of robust numerical tools geared towards the 3 D modeling of such wires is therefore needed. In this manuscript, the main objective isto develop numerical approaches allowing considerable simplifications of the modelling of twisted multi-filamentary superconducting wires in 3 D. First, two numerical approaches such as the discontinuous galerkin method applied on the thermally coupled H -formulation were developed. They were compared and validated on simple cases using the finite element method implemented in Com-sol. Then, a well-defined mapping was proposed to simply model in 3 D, for any magnetic field configuration, straight multifilamentary wires instead oftwisted ones. An application of this mapping allowed the development of a model-order reduction approach which simplify considerably the mod-elling of twisted wires in 3 D. Thus, the elliptical magnetic fields impact on magnetization losses was accurately modeled in less than a day with the reduced approach applied on 100 MgB ₂ wires with 54 twisted filaments. As a research perspective on the reduced model advanced applications, an homogenization, empirically defined, was briefly presented for wires with single layer only.