Cette thèse porte sur l'étude, par microscopie à µSQUID, des propriétés du réseau de vortex dans les supraconducteurs non conventionnels. La plus grande partie est dédiée au supraconducteur triplet Sr2RuO4. Dans un premier temps, le supraconducteur conventionnel<br />NbSe2 est étudié. Il sert de référence pour les supraconducteurs non conventionnels images ensuite. Un réseau de vortex hexagonal est observé à bas champ, et une rotation du réseau de<br />30° par rapport aux axes cristallographiques a lieu en augmentant le champ. Dans un second temps, nous présentons l'étude de vortex dans Sr2RuO4. On observe pour la première fois des vortex individuels à bas champ et en augmentant le champ une coalescence a lieu. En tenant compte du fait que le piégeage est faible et des expériences déjà effectuées, on explique cette coalescence par la présence des domaines de différente chiralité. Un rôle important joue aussi l'anisotropie, des chaînes de vortex sont observés pour des champs inclinés. Nous trouvons qu'à des angles d'inclinaison près de couches ab, une décoration des chaînes a lieu.<br />Ces résultats démontrent que Sr2RuO4 est un supraconducteur non conventionnel fortement anisotrope. Dans une dernière partie, nous présentons les images des domaines magnétiques dans la phase normale du supraconducteur ferromagnétique URhGe. Nous observons aussi des vortex individuels et une formation des domaines dans le supraconducteur non conventionnel UPt3. Ces domaines ressemblent à ceux de Sr2RuO4, une parallèle peut être faite entre les deux supraconducteurs triplet.

Nous présentons ici, l'analyse détaillée et l'étude de la stabilité de nouvelles solutions de type vortex dans le secteur bosonique de la théorie électrofaible. Les nouvelles solutions généralisent le plongement des solutions d'Abrikosov-Nielsen-Olesen dans la théorie électrofaible et reproduisent les résultats précédemment connus. Les vortex, génériquement porteurs d'un courant électrique, sont constitués d'un coeur massif de bosons chargés W entouré d'une superposition non-linéaire de champs Z et Higgs. Au loin la solution est purement électromagnétique avec un potentiel de Biot et Savart. Les solutions sont génériques de la théorie et existent en particulier pour les valeurs expérimentales des constantes de couplage. Il est en particulier démontré que le courant dont l'échelle typique est le milliard d'Ampères peut être arbitrairement grand. Dans un second temps la stabilité linéaire des vortex supraconducteurs vis-à-vis des perturbations génériques est considérée. Le spectre de l'opérateur de fluctuations est étudié qualitativement. Lorsque des modes instables sont détectés, ils sont explicitement construits ainsi que leurs relations de disperion. La plupart des modes instables sont supprimés par une périodisation du vortex. Il subsiste cependant un unique mode instable homogène. On peut espérer qu'un tel mode puisse être supprimé par des effets de courbure si une portion de vortex est refermée afin de former une boucle stabilisée par le courant électrique.

Une solution classique pour blinder un champ électromagnétique haute fréquence consiste à employer des matériaux bons conducteurs qui atténuent le champ grâce à leffet de peau. Le blindage est dautant meilleur que lépaisseur de lécran est grande devant lépaisseur de peau. A basse fréquence, ces matériaux continuent à blinder le champ électrique (par le principe de la cage de Faraday), mais deviennent de très mauvais écrans du champ magnétique. En effet, lépaisseur de peau augmentant quand la fréquence diminue, le blindage par effet de peau devient inefficace. Outre leurs propriétés électriques remarquables, les supraconducteurs présentent également des propriétés magnétiques spécifiques. Par exemple, un supraconducteur refroidi en dessous de sa température critique expulse le flux dinduction magnétique de son volume. Cette propriété peut être utilisée pour réaliser des blindages magnétiques par matériaux supraconducteurs. Cette thèse de doctorat sinscrit dans le cadre dun projet de recherche portant sur létude du blindage magnétique par supraconducteurs à haute température critique (HTS). Cette recherche est menée dans le groupe SUPRATECS de lUniversité de Liège en collaboration avec lEcole Royale Militaire de Belgique. Une première partie du projet consiste à réaliser des blindages HTS. Cette étude a été menée par Laurent Dusoulier, un étudiant doctorant du laboratoire de chimie inorganique structurale de lUniversité de Liège. Vu que les HTS sont des céramiques cassantes, il a été choisi de déposer un film supraconducteur sur un substrat métallique par la technique de déposition électrophorétique (EPD). La deuxième partie du projet comprend la caractérisation des échantillons réalisés par la technique EPD, ainsi que létude de la pénétration du champ magnétique dans des blindages HTS. Ma thèse de doctorat porte sur ces dernières questions. Dans un premier temps, nous avons caractérisé les propriétés supraconductrices et les propriétés de blindage magnétique des échantillons synthétisés en chimie. Cette étude a parfois nécessité de réaliser des montages expérimentaux spécifiques. Nous avons montré que les niveaux de blindage que lon peut obtenir avec un échantillon supraconducteur sont généralement supérieurs aux niveaux obtenus avec des écrans magnétiques classiques, si le champ à blinder est inférieur à un seuil caractéristique à lécran HTS. Ensuite, nous avons étudié de manière détaillée les propriétés de blindage de tubes HTS soumis à un champ magnétique axial. Cette étude a été menée de manière expérimentale et à laide de simulations numériques basées sur la méthode de Brandt. Grâce à ces résultats, nous avons déterminé le champ limite quun tube HTS peut blinder, nous avons étudié la variation spatiale du facteur de blindage, ainsi que sa dépendance fréquentielle. Finalement, grâce aux simulations numériques, nous avons étudié les propriétés de blindage magnétique déchantillons HTS axisymétriques présentant des configurations dun intérêt pratique. Cette étude permet dévaluer le gain que lon obtient en fermant un tube par un capuchon, de mesurer limpact dun trou dans ce capuchon, dévaluer leffet dune soudure métallique et linfluence de la non-homogénéité des propriétés supraconductrices sur les niveaux de blindage dun tube HTS.

Thèse de doctorat : Physique et Chimie de la Matière et des Matériaux : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Thèse de doctorat : Génie électrique : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les tokamaks visent à produire de l'énergie par fusion thermonucléaire en chauffant un plasma d'hydrogène jusqu'à 150 millions K et en le confinant à l’aide d’un champ magnétique intense créé par des aimants transportant d’importants courants. La supraconductivité est un atout précieux ici car permettant de réduire la taille des aimants et leur consommation énergétique en contrepartie d’un refroidissement cryogénique. Cependant, dans les tokamaks, des variations de champ magnétique apparaissent (ex : décharge du solénoïde central) et génèrent des pertes par induction dans les aimants. Si leur température augmente trop, ils peuvent perdre leur état supraconducteur lors d’une transition brutale appelée "quench": afin de les protéger, ils sont déchargés de leur courant entraînant ainsi la perte du plasma. Nous avons concentré notre travail sur la modélisation de ces pertes car leur connaissance est cruciale pour le bon dimensionnement du refroidissement des aimants et la prédiction des limites opérationnelles du tokamak. Afin d'améliorer la compréhension physique de ce phénomène complexe et de proposer des solutions simples mais réalistes, facilement intégrables dans des plateformes multiphysiques déjà fortement sollicitées par la modélisation d'autres effets, nous avons choisi d'adopter une approche analytique. Les câbles présents dans les tokamaks ayant une architecture assez complexe (centaines de brins torsadés ensemble), nous avons mené des études analytiques et expérimentales aux différentes échelles du câble; nous comparons ensuite les résultats de notre approche à ceux d'autres modèles existants (ex : numériques) et, lorsque cela est possible, à l'expérience. / Tokamaks aim at producing energy by thermonuclear fusion heating a hydrogen plasma up to 150 million K and confining it with an intense magnetic field created by magnets carrying important currents. Superconductivity is a very valuable asset in this field since it allows to reduce the size of the magnets and their energy consumption in exchange for cooling them down to cryogenic temperatures. However, in tokamaks, magnetic field variations occur (e.g. due to the central solenoid discharge) and generate induction losses in the magnets. If their temperature increases too much, they lose their superconducting properties in a brutal transition called "quench": to protect their integrity, they are then discharged and the magnetic confinement of the plasma is lost. We have therefore focused on the modeling of these losses - more precisely on the “coupling losses” - since their knowledge is crucial to safely adapt the cryogenic cooling of the magnets and predict the operating limits of the tokamak. In order to both enhance the physical understanding of this complex phenomenon and provide simple but realistic solutions that can easily be integrated in multiphysics platforms already heavily solicited by the modeling of other effects, we have chosen to adopt an analytical approach on this problem. The cables commonly considered for tokamaks presenting a rather complex architecture (several hundreds of strands twisted together in specific patterns), we have carried out analytical and experimental studies at the different scales of the cable; we then compare the results of our approach to other existing ones (e.g. numerical models) and, when possible, to the experiment.

En chargeant en courant une inductance supraconductrice, on stock de l’énergie magnétique. Ce principe est appelé SMES pour Superconducting Magnetic Energy Storage. Ce type de dispositifs a une densité d’énergie relativement faible mais peut avoir une densité de puissance élevée. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BOSSE, qui vise à mettre au point un démonstrateur de SMES dans la gamme du MJ. Ce SMES sera à la fois plus compacte que ses prédécesseurs et battra le record actuel d’énergie spécifique d’un bobinage supraconducteur en atteignant 20 kJ/kg. Cet objectif sera atteint grâce à l’utilisation de supraconducteurs haute température critique de seconde génération, dits conducteurs « REBCO ».Cette thèse aborde de manière générale la problématique du design de SMES et propose des éléments de réflexion et des solutions pour un pré-design rapide du bobinage d’un SMES. Le design du SMES à haute densité d’énergie du projet BOSSE est détaillé.Des éléments modulaires (galettes de ruban REBCO) du SMES ont été fabriqués et testés en champ propre et sous champ magnétique externe. Les méthodes et les résultats de détection de transition des galettes de l’état supraconducteur vers l’état normal sont présentés. Ces détections ont permis de garantir l’intégrité des galettes REBCO lors de transitions, même à très forte densité de courant (980 A/mm2 dans le conducteur nu).Ce travail est soutenu par la DGA (Direction Générale de l’Armement). / Magnetic energy is stored when a superconducting inductance is fed with current. This principle is called SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). This kind of device has a relatively low energy density but can have a high power density. This PhD work has been conducted in the frame of the BOSSE project with the objective to develop a SMES demonstrator in the MJ range. This SMES will be especially compact and will reach a specific energy of 20 kJ/kg of winding, which is 50 % over the current world record for a superconducting coil. This performance is made possible by the use of 2nd generation high critical temperature superconductors, so-called “REBCO” conductors.This work tackles the general problematic of SMES design and proposes elements of reflection and solutions for fast pre-design of a SMES winding. The design of the high specific energy SMES of the BOSSE project is presented in detail.Modular elements (pancakes of REBCO tapes) of the SMES have been manufactured and tested in self-field and under background magnetic field. During these tests, transitions from superconducting state to normal state have been detected. These early detections have prevented the pancakes to be damaged when transitions occurred, even at very high current density (980 A/mm2 in the bare conductor). The measurement method is presented, as well as the results of the tests.The BOSSE project has been funded by the DGA (French Defence Procurement Agency).

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

L'un des principaux obstacles pour construire un ordinateur quantique est la décohérence, laquelle limite grandement le temps alloué pour un calcul ainsi que la taille du système. Pour combattre la décohérence dans un système quantique, des protocoles de correction d'erreurs ont été proposés et semblent apporter une bonne solution à ce problème. Ces protocoles consistent à confiner l'information que contiennent les qubits dans un sous-espace nommé espace code. Après un certain temps d'évolution, on pose un diagnostic sur l'erreur qui s'est produite sur le système en effectuant des mesures indiquant s'il est toujours dans l'espace code où s'il a évolué vers un autre sous-espace. Pour que de tels protocoles soient efficaces, les mesures effectuées doivent en principe être rapides et projectives. Cependant, pour plusieurs architectures de qubits existantes, les mesures sont faibles et se font de façon continue. De plus, elles peuvent introduire elles-mêmes des erreurs dans le système. Ces caractéristiques de mesure rendent difficile le diagnostic de l'erreur tel qu'il est effectué traditionnellement. Aussi comme les mesures peuvent introduire des erreurs, il n'est pas certain que les protocoles de diagnostic d'erreur traditionnels soient utiles. Dans ce travail, on étudie l'utilité d'une mesure faible et continue dans un processus de correction d'erreurs. Cette étude s'est réalisée en deux volets. D'abord, on présente un protocole de correction d'erreur adapté aux architectures de qubits dont la mesure est faible et se fait de façon continue. On montre que ce protocole permet d'évaluer sous quelles conditions une mesure présentant ces caractéristiques peut aider à corriger des erreurs. Ensuite, on teste ce protocole de correction dans le cas particulier des qubits supraconducteurs. On établit sous quelles conditions la mesure sur ces qubits peut aider à diagnostiquer les erreurs et on étudie l'effet de différents paramètres expérimentaux dans ce contexte.

L'électrodynamique quantique en cavité et en circuit étudie l'interaction lumière-matière à son stade le plus fondamental, dans lequel un atome unique, qu'il soit naturel ou artificiel, interagit avec un seul mode du champ électromagnétique. Dans ce système, le confinement du champ augmente l'intensité de l'interaction jusqu'à permettre d'observer l'échange cohérent de quanta entre lumière et matière [1, 2, 3]. Récemment, des expériences réalisées à l'aide de qubits supraconducteurs ont démontré des couplages record caractéristiques d'un nouveau régime, dit ultra-fort, dans lequel l'état fondamental n'est plus le vide, mais un état fortement intriqué entre l'atome et le champ [4, 5]. Malgré cet accroissement gigantesque du couplage lumière-matière, ce dernier est le plus souvent négligé lorsqu'on considère l'interaction de ce système avec son environnement. En effet, la plupart des travaux théoriques publiés récemment décrivent la dynamique dissipative du système atome-cavité en se basant sur l'équation maîtresse de l'optique quantique, un modèle valide seulement dans le cas de l'atome ou du résonateur séparés [6, 7, 8, 9]. Dans ce travail, on démontre qu'employer l'équation maîtresse de l'optique quantique en couplage ultra-fort mène des prédictions qui violent la conservation de l'énergie. Pour pallier ce problème, on établit un modèle de la dissipation qui inclut le couplage atome-champ. On montre en particulier que des fluctuations aléatoires dans la fréquence de l'atome artificiel peuvent générer des excitations dans le système des fréquences précises. On indique aussi que des oscillations cohérentes à ces fréquences dans l'espacement des niveaux de l'atome pourraient être utiles pour accélérer le contrôle cohérent du système quantique. Notre modèle prédit finalement une asymétrie dans les raies de spectroscopie du système atome-cavité qui pourrait être exploitée pour sonder la densité spectrale de bruit de l'environnement des fréquences jusqu'à ce jour inexplorées.