La première partie de cette thèse décrit l'élaboration et la caractérisation de couches minces supraconductrices de composition YBa2Cu3O7-d. Leurs propriétés de transport ont été analysées dans le cadre de la théorie B.C.S. La deuxième partie est relative à la mise en évidence et à l'étude des propriétés structurales de nouvelles perovskites de composition Ln2CuTiO6-d (Ln=terre rare) et AxLn2-xCu1+yTi1-yO6-d (A=alcalinoterreux). Un modèle de distribution cationique reposant sur des études de diffraction X et de microscopie électronique est proposé.

Ce Mémoire traite des aspects expérimentaux de la réalisation de résonateurs supraconducteurs pour le transport de l’information quantique. Les avancées technologiques des dix dernières années et le développement de l’électrodynamique quantique en circuit ont permis de démontrer que les bits quantiques (qubits) supraconducteurs couplés à des résonateurs supraconducteurs sont capables d'effectuer des opérations quantiques très rapidement. Il y a maintenant un intérêt pour l’intégration de qubits de spin aux résonateurs afin de combiner leurs avantages avec ceux des qubits supraconducteurs. Dans ce contexte, il est nécessaire de fabriquer des résonateurs avec un champ magnétique critique élevé. Des couches minces de niobium ont été déposées par pulvérisation cathodique DC. On présente la caractérisation de la température critique et du champ magnétique critique à l’aide de mesures de résistivité et de susceptibilité magnétique. Une corrélation entre la résistivité, la température critique et le facteur de qualité des résonateurs fabriqués a été observée. Une analyse par spectroscopie de photoélectrons X d’un des échantillons a confirmé une quantité élevée d'impuretés dans le niobium. Des résonateurs en niobium avec des facteurs de qualité de 200 à ~4400 ont été fabriqués sur silicium et GaAs. À partir de la dépendance en température de la résonance, l’impédance de surface est décrite par le modèle Mattis-Bardeen et le modèle deux fluides. Les pertes observées à basse température sont attribuées à la résistance de surface résiduelle du niobium causée par la présence d’impuretés. On caractérise également la variation du facteur de qualité des résonateurs en fonction de l’intensité du champ magnétique et la puissance d'excitation. Les pertes et l’hystérésis observées sont décrites par la dynamique des vortex de flux magnétique dans le niobium. On détermine un champ magnétique critique pour le fonctionnement des résonateurs se trouvant entre 0.2 T et 0.6 T. Ces résultats montrent que les résonateurs fabriqués sont adéquats pour l’intégration de qubits de spins.

The thesis work discusses the design, realization, characterization and operation of a two-qubit processor implemented using capacitively coupled tunable superconducting qubits of the Transmon type. Each qubit can be manipulated and read out individually using a non-destructive single-shot readout. In addition, a universal-two qubit gate can be implemented using the interaction between the qubits. The processor implements therefore all basic building blocks of a universal two-qubit quantum processor. Using it, we implement the universal square root of iSWAP two-qubit gate, characterizing the gate operation by quantum process tomography and obtaining a gate fidelity of 90 %. We use this gate to create entangled two-qubit Bell states and perform a test of the CHSH Bell inequality, observing a violation of the classical boundary by 22 standard eviations after correcting for readout errors. Using the implemented two-qubit gate, we run the so-called Grover search algorithm: For two-qubits, this algorithm finds among four elements {00, 01, 10, 11} the one element y that solves a search problem encoded by a function f for which f(y) = 1 and f(x != y) = 0. Our implementation retrieves the correct answer to the search problem after a single evaluation of the search function f(x), with a success probability between 52 % and 67 %, therefore outperforming classical algorithms that are bound to a success probability of 25 %. This constitutes therefore a proof-of-concept of the quantum speed-up for superconducting quantum processors. Finally, we propose a scalable architecture for a superconducting quantum processor that can potentially overcome the scalability issues faced by today's superconducting qubit architectures.

Pendant la première année le microscope à microSQUID était mis en fonctionnement. On a avancé sur le plan cryogenique (dilution) et électronique (programmation de boucles de régulation et d'une détection synchrone). Les composants étaient testés à température ambiante et on est en train de tout tester à basse température. Une méthode était conçu pour déterminer la longueur de pénétration du champ magnétique dans un supraconducteur avec les données qui pourront être fait avec notre microscope. Ceci va être utilisé pour l'échantillon PrOs4Sb12. Il s'agit de trancher le débat sur la nature multibande de la supraconductivité dans ce composé. En deuxième année le developpement a continué, en particulière le microscope était mis à froid. Des différents problèmes due aux basses températures (mouvement de moteur, thermalisation, câblage) ont été resolues. Ensuite on a avancé sur le plan informatique, notamment le contrôle de differents composants. Pendant le deuxième année quelques images magnétique ont été faites, validant le concept. En troisième année on a commence a mésurer des domaines magnetiques d'un supraconducteur ferromagnetique (UCoGe) en Avril - Aout. On a obtenu des resultats tres interessants. Le même dispositif sera ainsi opérationnel pour l'imagerie de domaines dans des bolomètres supraconducteurs.

Le sujet de ce travail a été une étude détaillée du supraconducteur CuxTiSe2. Des échantillons avec différentes teneurs en cuivre x, ont été étudiés par magnétométrie locale à sonde de Hall. Nous avons tout d'abord construit les profils de champ magnétique dans les échantillons pour déterminer quand les premiers vortex pénètrent dans l'échantillon. La forme en dôme des profils a indiqué que le piègeage est très faible et que la pénétration des vortex est principalement régie par des barrières géométriques, ce qui nous a permis de déterminer le champ critique inférieur, Hc1. Un bon accord entre la théorie et Hc1 (T) a été obtenu en utilisant un modèle à deux gaps, même si l'origine du plus petit de ces gaps ne peut être liée à la structure électronique de CuxTiSe2 . En combinant ces mesures avec des mesures de chaleur spécifique effectuées précédemment sur ces échantillons, nous avons obtenu un comportement non trivial de l'énergie de condensation. En outre, les mesures effectuées pour diverses orientations du champ magnétique ont révélé la présence d'un effet de "lock-in" dans CuxTiSe2, montrant que les vortex restent piégés le long d'une structure en couches même pour les champs magnétiques inclinés. L'orientation des vortices a été déterminée expérimentalement et a pu être bien décrite par un modèle tenant compte de la présence d'une "sur-structure" dans laquelle la supraconductivité est - au moins - partiellement détruite. Cet effet de lock-n a été analysé sur trois échantillons et nous avons montré que la force de piégeage est indépendante du dopage du cuivre. La nature de cette sur-structure est encore inconnue mais pourrait être liée à l'observation récente de parois de domaine des ondes de densité de charge, qui pourraient induire de fortes variations du paramètre d'ordre supraconducteur. / The subject of this work was a detailed study of superconducting CuxTiSe2. Samples with various copper content x, from underdoped to overdoped regions of the phase diagram, were investigated by local Hall probe magnetometry. At first, we constructed the magnetic field profiles in the samples to determine when the first vortices penetrate into the sample. The observed dome-like shape of the profiles indicated that pinning is very small and that the vortex penetration is primarily governed by geometrical barriers, hence enabling us to determine the lower critical field, Hc1. A good agreement between theory and the Hc1(T) data was obtained by using a model with two energy gaps, even though the origin of the smaller energy gap in CuxTiSe2 cannot be related to its electronic structure. Combining those measurements with heat capacity measurements previously performed on these samples, we obtained a non trivial condensation energy. Moreover, measurements performed for various orientations of the magnetic field revealed the presence of a lock-in effect in CuxTiSe2, when superconducting vortices are trapped along a layered structure even for tilted magnetic fields. The orientation of the vortices was experimentally determined and could be well described by a model considering the presence of an additional layered structure in which superconductivity is at least partially suppressed. The lock-in effect was analysed in three different samples and we have shown that the strength of the lock-in is independent of the copper doping, even though this effect can be masked by strong demagnetisation effects in very thin samples. The strength of this lock-in effect indicates that the superconductivity is strongly suppressed on certain layered structure. The nature of this "extrinsic" pinning structure is still unknown but might be related to the recent observation of charge density waves domain walls which may induce strong variations of the superconducting order parameter.

Une première partie de ce travail de thèse consiste au développement d'une nouvelle synthèse chimique de nanocristaux supraconducteurs de plomb ayant la particularité de produire de grandes quantités de nanocristaux monodisperses. Cette synthèse nous permet de réaliser des mesures précises des propriétés thermodynamiques supraconductrices en fonction de la taille des nanocristaux. Nous présentons des mesures de susceptibilité magnétique de ces nanocristaux afin d'analyser l'amplitude de l'effet Meissner en fonction de la taille des particules. Pour des tailles de nanoparticules de plomb comprises entre 10 et 30 nm, nous avons trouvé que l'amplitude de l'effet Meissner est plus faible de plusieurs ordres de grandeurs que prédite par la théorie de Ginzburg-Landau. Nous avons aussi trouvé que cet effet est totalement supprimé pour des particules de diamètres inférieurs à 16 nm lorsque le spectre électronique devient discret. Ce résultat montre que les effets du confinement quantique altèrent l'état superfluide même pour des tailles supérieures à la taille déterminée par le critère d'Anderson. Ce critère contrôle l'existence des paires de Cooper dans le nanocristal. Dans une seconde partie de cette thèse, nous présentons une étude du transport électronique dans des réseaux de nanocristaux d'or réalisés par la technique de Langmuir. Nous présentons l'évolution des propriétés de conduction électrique et optique de ces réseaux avec le couplage des nanocristaux par des molécules alcanedithiols. Nous montrons que la conductivité du réseau augmente fortement pour de petites chaînes alcanes sans pour autant conduire à un état métallique. Aux basses températures de l'Hélium liquide, les caractéristiques courant-tension mesurées sur ces réseaux montrent un comportement non-linéaire et exhibent une tension seuil VT pour l'établissement d'un courant électronique dans le réseau. Nous analysons ce comportement caractéristique du transport dans un réseau avec blocage de Coulomb avec le modèle de Middleton et Wingreen, lequel identifie le passage du régime isolant au régime conducteur à une transition du second ordre. Au voisinage du point critique VT, on observe que la loi reliant le courant à la tension appliquée suit la relation attendue théoriquement. La valeur de l'exposant trouvé suggère que le transport est dominé par des mécanismes de co-tunneling.

Pendant la première année le microscope à microSQUID était mis en fonctionnement. On a avancé sur le plan cryogenique (dilution) et électronique (programmation de boucles de régulation et d'une détection synchrone). Les composants étaient testés à température ambiante et on est en train de tout tester à basse température. Une méthode était conçu pour déterminer la longueur de pénétration du champ magnétique dans un supraconducteur avec les données qui pourront être fait avec notre microscope. Ceci va être utilisé pour l'échantillon PrOs4Sb12. Il s'agit de trancher le débat sur la nature multibande de la supraconductivité dans ce composé. En deuxième année le developpement a continué, en particulière le microscope était mis à froid. Des différents problèmes due aux basses températures (mouvement de moteur, thermalisation, câblage) ont été resolues. Ensuite on a avancé sur le plan informatique, notamment le contrôle de differents composants. Pendant le deuxième année quelques images magnétique ont été faites, validant le concept. En troisième année on a commence a mésurer des domaines magnetiques d'un supraconducteur ferromagnetique (UCoGe) en Avril - Aout. On a obtenu des resultats tres interessants. Le même dispositif sera ainsi opérationnel pour l'imagerie de domaines dans des bolomètres supraconducteurs. / Pendant cette thèse un microscope à SQUID et AFM à balayage, l'électronique et les logiciels de contrôle ont été conçus. Pour la calibration des mesures sur un film de niobium (avec des motifs) ont été effectuées, montrant la possibilité de faire des image de la topographie at la distribution du champ magnétique au dessus de l'échantillon simultanément. On présent les premières image dans l'espace réel de la structure de domaines dans le ferro supraconducteur UCoGe, un échantillon basé sur l'uranium (fermion lourd) avec un transition supra à environ 0.5K à la pression ambiante. On montre l'évolution de la transition ferromagnétique en fonction de la température. La microscope a été aussi utilisé pour des mésures sur un couche mince de Rhenium, un supraconducteur conventionel. On a obtenu une estimation pour la force de piégeage de vortex on utilisant l'interaction entre SQUID et vortex. En plus, on a déterminé la longueur de pénétration en fonction de la température.

L'apparition des supraconducteurs à hautes températures (HTc) a permis un développement continu des moteurs supraconducteurs. Ces dispositifs supraconducteurs permettent d'obtenir des puissances et des couples massiques et volumiques très élevés, et sont des alternatives intéressantes aux machines conventionnelles. Le dimensionnement des ces moteurs nécessite une bonne connaissance des caractéristiques électromagnétiques, thermiques et mécaniques des supraconducteurs HTc. Ainsi, le travail présenté ici traite du dimensionnement de machines HTc avec la prise en compte des contraintes liées aux fils supraconducteurs. Le manuscrit débute par une étude bibliographique approfondie dans laquelle trois points sont abordés : les fils supraconducteurs, description des réalisations remarquables de machines HTc de fortes puissances et une analyse statistique sur ces réalisations. Ensuite, la caractérisation DC des fils supraconducteurs HTc et la détermination de leurs pertes AC sous champ variable sont abordées. Des méthodes numériques sont utilisées pour la modélisation et les résultats obtenus sont comparés à ceux de l'expérience. La dernière partie aborde le dimensionnement électromagnétique de moteurs supraconducteurs HTc par des méthodes analytiques et numériques, avec la prise en compte des contraintes liées aux courants critiques dans les bobinages. Les premiers résultats concernant le dimensionnement électromagnétique et thermique d'une structure de machine synchrone supraconductrice à pôles saillants sont donnés. Les solutions techniques envisagées sont largement commentées / The appearance of high-temperature superconductors (HTS) has led to a continuous development of superconducting motors. These superconducting devices allow high power and torque densities, so they constitute and novel alternative to conventional motors. The design of such motors requires a deep knowledge of the electromagnetic, thermal and mechanical characteristics of the HTS materials. Hence, the work presented here is related to the design of HTS motors which includes the constraints due to the HTS conductors. The manuscript begins with an extensive literature review where three main points are discussed, viz. HTS conductors, already constructed HTS motors and statistical analysis on these achievements. The dc characterization of HTS superconductors as well as their ac losses under time varying magnetic fields are theoretically and experimentally studied. In so doing, numerical techniques are used and the obtained results are compared the measurements. The last part deals with the design of HTS motors by analytical and finite element methods. A particular attention is given to the constraints introduced by the use of HTS materials. The first results of the electromagnetic and thermal design of a salient pole HTS synchronous machine are provided with the emphasis of the adopted technical solutions

Récemment, les études des propriétés de vortex Abrikosov dans des systèmes fortement anisotropes et magnétiques ont été stimulées par la découverte des supraconducteurs à base de fer et des supraconducteurs ferromagnétiques.Dans cette thèse nous étudions la statique et la dynamique de vortex dans ces systèmes. D’abord, le problème de l'interaction de vortex avec un petit défaut a été examiné dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau. Le potentiel de pinning pour une cavité cylindrique elliptique a été calculé. D'autre part, la conductivité d'un supraconducteur anisotrope à l'état mixte a été analysée en détail dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau dépendant du temps.Une partie significative de la thèse est consacrée à l'étude de l'interaction entre lesondes de spin (magnons) et vortex dans les supraconducteurs ferromagnétiques.Nous avons démontré que le spectre de magnon acquiert une structure de bande en présence d'un réseau de vortex idéal. En utilisant les équations phénoménologiques de London et de Landau-Lifshitz-Gilbert, nous avons étudié les réponses ac et dc de vortex dans les supraconducteurs ferromagnétiques. Enfin, nous avons examiné l'état de vortex dans des structures hybrides supraconducteur(S)-ferromagnétique(F)(par exemple, super-réseaux FS) avec une forte dispersion spatiale de la susceptibilité magnétique. Dans ces systèmes l'électrodynamique supraconductrice peut être fortement non locale, qui mène à l'attraction des vortex et à une transition de phase du premier ordre dans la phase de vortex. / Recently, the studies of the properties of Abrikosov vortices in strongly anisotropicand magnetic media have been stimulated by the discovery of the iron-based andferromagnetic superconductors. In this thesis an analysis of vortex statics anddynamics in such systems has been carried out. Firstly, the problem of vortex pinningon a small defect has been considered. Within the Ginzburg-Landau theory thepinning potential for a cavity in the form of an elliptical cylinder has been derived.Secondly, the flux-flow conductivity of an anisotropic superconductor has beenanalyzed in detail within the time-dependent Ginzburg-Landau theory.A significant part of the thesis is devoted to the study of interplay between spinwaves (magnons) and vortices in ferromagnetic superconductors. We havedemonstrated that the magnon spectrum acquires a Bloch-like band structure in thepresence of an ideal vortex lattice. Using the phenomenological London and Landau-Lifshitz-Gilbert equations, we studied the ac and dc responses of vortices inferromagnetic superconductors. Finally, we investigated the vortex state insuperconductor-ferromagnet (FS) hybrid structures (e. g., FS superlattices) withstrong spatial dispersion of the magnetic susceptibility. In such systems thesuperconducting electrodynamics may be strongly nonlocal, which leads to theattraction of vortices and to a first order phase transition at the lower critical field.

Nous avons mis au point une cellule de décoration, permettant de décorer les vortex à basse température (jusqu'à 1.6K) sous faible champ magnétique (jusqu'à 0.2mT). La méthode est basée sur l'interaction des gradients de champs dus aux vortex avec des particules ferromagnétiques fabriquées in-situ dans un gaz résiduel. Après réchauffement, l'observation des amas de nickel se fait sous le microscope électronique à balayage. Les échantillons étudiés sont des réseaux 2D submicroniques de fils en niobium (pas du réseau 1-2 µm, largeur des fils 0.3 µm, épaisseur 0.2 µm) avec d'excellentes propriétés supraconductrices (température de transition 9.0K, RRR d'environ 30). Notre calcul de profil de champ magnétique au-dessus d'un réseau montre que le contraste entre cellules avec ou sans vortex est extrêmement faible. Suivant la hauteur au dessus du réseau, nous décorons soit les courants soit les milieux de cellules. La décoration se fait donc sur des réseaux planarisés, à des températures T<