Ce manuscrit de thèse présente une étude expérimentale des propriétés optiques, électroniques et structurales du diamant fortement dopé au bore. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut être synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Il est intrinsèquement isolant mais devient métallique, voire supraconducteur conventionnel par dopage de type p. Ce travail s'articule autour de trois grands axes :Le premier concerne le développement de l'ellipsométrie spectroscopique pour la caractérisation de couches de diamant monocristallin. Dans un premier temps, des modèles optiques ont été développés afin de déduire les épaisseurs, résistivités et concentrations de porteurs de plusieurs séries d'échantillons mesurés ex situ. Ces valeurs ont été confrontées à celles obtenues par le biais de mesures SIMS (Spectroscopie par Emission d'ion Secondaires) et de transport électronique. Une masse effective optique des porteurs a pu ainsi être évaluée. Dans un second temps, cette technique a été mise en oeuvre in situ sur le réacteur. L'influence de la température et de la géométrie de la chambre de réaction a été évaluée et des suivis de croissance en temps réel sont présentés.Le second axe porte sur la synthèse des échantillons et l'optimisation des paramètres de croissance. Dans cette partie, nous révélons la présence d'un transitoire dans l'incorporation du bore conduisant à une inhomogénéité de dopage des échantillons. Une augmentation de l'incorporation du bore avec le débit a également été observée pour la première fois. Enfin, la détérioration de la qualité cristalline du diamant, au delà d'une concentration critique d'atomes de bore, est identifiée et discutée.Le troisième et dernier axe de ces travaux de recherche, est dédié à l'investigation des propriétés électroniques du diamant fortement dopé par magnéto-transport de 300K à 50 mK. Dans un premier temps, l'importance de la mésa-structuration de croix de Hall lors des mesures de transport est mise en évidence. L'utilisation d'une géométrie « maîtrisée », permet en effet de limiter les courants parasites dus à l'inhomogénéité de dopage des couches. Nous avons ainsi pu construire un diagramme de phase différent de celui qui avait été rapporté dans la littérature. Une phase métallique et non supraconductrice a été mise en évidence pour la première fois. Une étude de la transition métal-isolant est présentée, et les exposants critiques issus de sa modélisation sont discutés. L'étude de l'état supraconducteur enfin, nous a permis d'aboutir à une nouvelle dépendance de la température de transition (Tc) avec le dopage. Cette dernière est comparée aux calculs ab initio de la littérature. Aucune réduction de la Tc avec l'épaisseur n'a en revanche été observée dans la gamme des couches synthétisées à savoir de 10 nm à 2 µm. / This PhD thesis reports on an experimental study of optical, electronic and structural properties of heavily boron-doped diamond. This wide bandgap semiconductor can be synthesized by Plasma Enhanced Chemical Vapor (MPCVD). Diamond is an insulator that may turn metallic and even superconductor (conventional) upon p-type doping.This work can be divided into three main parts :The first one involves the development of spectroscopic ellipsometry for characterizing single crystal diamond epilayers. First, optical models have been developed to derive the thickness, resistivity and carrier concentrations of several sets of samples measured ex situ. These values were then compared to those obtained through SIMS profiles (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and transport measurements. As a result, an optical effective mass of carriers was determined. Second, this technique has been implemented to be set up in situ on the reactor. The influence of the temperature and the geometry of the growth chamber has been evaluated, and real time growth monitoring was achieved.The second part is related to the sample synthesis and optimization of growth parameters. In this section, we reveal the presence of a transient regime in the boron incorporation leading to a doping inhomogeneity. An increase of boron incorporation with the gas flow was also observed for the first time. Finally, the deterioration of the crystalline structure of diamond, above a critical dopant concentration, was identified and discussed.The third axis of this research is dedicated to the investigation of the electronic properties of heavily doped diamond by magneto-transport from 300K to 50 mK. First, the importance of the Hall bar mesa patterning for transport measurements is stressed. The use of a “controlled” geometry limited parasitic currents associated with doping inhomogeneities. Thus we could construct a new phase diagram, differing from previous reports in the literature. A metallic and non-superconducting layer has been unveiled for the first time. A study of the metal-insulator transition is reported and the critical exponents deduced from its modelling are discussed. Finally, the study of the superconducting state revealed a new dependence of the transition temperature (Tc) on doping which is compared with ab initio calculations. However, not any significant reduction of Tc was observed when the layer thickness dropped from 2 µm to 10 nm.

Dans cette thèse, j'ai étudié l'évolution de la surface de Fermi sous l'influence d'un champ magnétique dans des systèmes massifs facilement polarisables à basse température. La première partie est dévouée aux cas du supraconducteur ferromagnétique UCoGe et du supraconducteur paramagnétique CeIrIn5, où la surface de Fermi peut être modifiée sans transition magnétique. Dans UCoGe, plusieurs anomalies successives ont été détectées dans l'effet Seebeck, la résistivité et l'effet Hall, sans transition nette dans l'aimantation. L'observation d'oscillations quantiques montre que ces anomalies sont reliées à des changements de topologie de la surface de Fermi, aussi appelés transitions de Lifshitz. Dans CeIrIn5, une anomalie est détectée dans l'effet Seebeck à HM = 28 T et les oscillations quantiques observées en magnétométrie torque montrent qu'une transition de Lifshitz à lieu à ce champ.Dans la deuxième partie, j'ai étudié comment varie la surface de Fermi à travers une transition magnétique du premier ordre induite par le champ magnétique dans le supraconducteur ferromagnétique URhGe avec le champ selon l'axe de difficile aimantation b et le supraconducteur antiferromagnétique UPd2Al3 avec le champ dans le plan basal. Dans URhGe, l'effet Seebeck permet d'observer un changement de la surface de Fermi à la transition de réorientation des spins à HR = 11.75 T et avec la résistivité confirme le caractère premier ordre de la transition en plus de fournir la localisation dans le diagramme de phase du point tricritique. Dans UPd2Al3, une nouvelle branche de la surface de Fermi est observée dans les oscillations quantiques de de Haas-van Alphen dans l'état antiferromagnétique et l'effet Seebeck montre que la surface de Fermi change à la transition métamagnétique à HM = 18 T. En outre, quatre nouvelles branches sont observées dans la phase polarisée au delà de HM et qui ne peuvent être associées à celles calculées dans les états paramagnétique et antiferromagnétique. / In this thesis, we have studied the evolution of the Fermi surface under the influence of a magnetic field in bulk materials that can be easily polarized at low temperature. The first part was devoted to the cases of the ferromagnetic superconductor UCoGe with a magnetic field applied along the easy magnetization c-axis and the paramagnetic superconductor CeIrIn5 with the field along the c-axis. In UCoGe, several successive anomalies were detected in resistivity, Hall effect and thermoelectric power, without any thermodynamic transition being detected in magnetization. The direct observation of quantum oscillations showed that these anomalies are related to topological changes of the Fermi surface, also known as Lifshitz transitions. In CeIrIn5, the thermoelectric power detected an anomaly at HM = 28 T and the quantum oscillations observed in torque magnetometry showed that a Lifshitz transition occurs at this field.In the second part of this thesis, we studied the evolution of the Fermi surface through first order magnetic transitions induced by magnetic field. In the ferromagnetic superconductor URhGe with the field applied along the hard magnetization b-axis and the antiferromagnetic superconductor UPd2Al3 with the field in the basal plane. In URhGe, the thermoelectric power allowed to observe a change in the Fermi surface at the spin reorientation transition at HR = 11.75 T defining the ferromagnetic state and along with resistivity confirmed the first order character of the transition as well as give a location of the tricritical point. In UPd2Al3, a new branch was observed in de Haas-van Alphen experiment in the antiferromagnetic phase and the thermoelectric power showed that the Fermi surface is reconstructed at the metamagnetic transition at HM = 18 T where the antiferromagnetic state is suppressed and could suggest that the Fermi surface changes before this transition. Additionally, four new branches were observed in the polarized paramagnetic phase, above HM, that cannot be associated with calculated branches in the paramagnetic of antiferromagnetic states.

Cette thèse discute essentiellement sur le champ critique supérieur du supraconducteur ferromagnétique UCoGe. La conductivité thermique et d'autres méthodes expérimentales ont été utilisées pour confirmer les nombreux comportements particuliers de Hc2 dans UCoGe, précédemment observés dans des études de résistivité. Ces caractéristiques, y compris une anisotropie forte et des courbures anormales, ne peuvent pas être interprétées en termes de théories classiques pour Hc2. Au lieu de cela, un phénomène spécifique aux supraconducteurs ferromagnétiques - la dépendance en champ de l'interaction d'appariement doit être considéré. Nous montrons que cet effet peut être analysé de façon cohérente avec des propriétés de la phase normales et peut être aussi comparé quantitativement avec une théorie existante. Ceci conduit à une clarification nette pour le cas de H//c dans UCoGe, et explique en même temps le comportement différent de Hc2 dans UCoGe et URhGe. Ces résultats soutiennent fortement l'origine magnétique de la supraconductivité dans ces systèmes. Pour H//b, nous montrons que certaines observations expérimentales convergentes suggèrent un possible changement d'état supraconducteur induit par le champ magnétique transversal dans UCoGe. Indépendamment du reste de l'étude, le dernier chapitre présente quelques résultats expérimentaux sur la phase normale de UCoGe et sur l'autre système de fermions lourds UBe13. / This thesis mainly discuss the upper critical field of the ferromagnetic superconductor UCoGe.Thermal conductivity and other experimental methods have been used to confirm the numerous particularbehaviors of Hc2 in UCoGe, previously observed in resistivity studies. These features, including the stronganisotropy and the anomalous curvatures, cannot be interpreted in terms of classical theories for Hc2.Instead, a phenomenon specific to the ferromagnetic superconductors - the field dependence of the pairinginteraction, needs to be considered. We show that this effect can be consistently analyzed with normalphase properties, and is quantitatively compared with existing theory. This leads to a net clarificationfor the case of H//c in UCoGe, and at the same timeexplains the different behavior of Hc2 in UCoGe and URhGe. These resultsstrongly support the magnetic origin of superconductivity in these systems. For H//b, we showconvergent experimental observations that suggest a possible change of the superconducting state inducedby the transverse magnetic field in UCoGe. Independent from the rest of the study, the last chapter presents someexperimental results on the normal phase of UCoGe and on the other heavy-fermion system UBe13.

Les circuits logiques "Rapid Single-Flux-Quantum" (RSFQ) à base de jonctions Josephson supraconductrices sont utilisés pour générer, traiter et transmettre des impulsions ultra-courtes dont l'aire quantifiée est celle du quantum de flux magnétique h/2e et correspond à 2.07 mV.ps. De tels circuits sont utilisés pour traiter le signal à très haute fréquence avec des fréquences d'horloge dans la gamme 10-120 GHz et une puissance consommée environ 100 à 1000 fois plus faible (incluant le coût énergétique du refroidissement à 4,2 K) que celle des meilleurs circuits semi-conducteurs équivalents. La logique RSFQ est une alternative intéressante pour les super-ordinateurs et offre des performances inégalées pour traiter les signaux micro-ondes à la volée. Une fois les signaux numérisés et traités à température cryogénique, le défi principal est de transférer à température ambiante les signaux numériques de faible tension (dans la gamme 200-1000µV) à des débits de 1 à 10 Gbps par voie, tout en limitant la charge thermique sur le système de réfrigération cryogénique, afin de construire un système performant à très haut débit numérique. Une solution à ce verrou est de transmettre les signaux par un système d'émission-réception sans fil avec la bande passante suffisante. Ce travail examine différents systèmes de transmission sans fil à courte distance, correspondant à la configuration physique entre les étages à températures cryogénique et ambiante, pour des taux de transmission de quelques Gbps. Il s'est construit sur quatre points cruciaux à résoudre :• le choix et l'étude du codage numérique approprié pour être utilisé comme support de transmission en bande de base des signaux sans utiliser de modulation analogique, comme les codages Polar Return-to-Zero et Manchester ;• l'étude et la sélection d'antennes ultra large bande avec une attention particulière portée sur les antennes Vivaldi antipodales et les antennes monopôles pour satisfaire aux contraintes cryogéniques ;• l'étude du taux d'erreur du système de transmission. Deux méthodes ont été développées pour récupérer les signaux numériques et minimiser le taux d'erreur ;• la comparaison entre simulations et mesures afin d'évaluer la performance du système global. / Rapid Single-Flux-Quantum (RSFQ) logic circuits based on superconducting Josephson junctions are using to generate, process and transmit very short quantized pulses whose area is the quantum of magnetic flux h/2e and corresponds to 2.07 mV.ps. Such circuits are used to process signals at very high speed with clock frequencies in the 10-120 GHz range and a power consumption about 100 to 1000 times lower that their best available semiconductor counterparts (including the cost of cooling down to 4,2K). RSFQ logic is an interesting alternative for supercomputers and offers unsurpassed performances for processing microwave signals on the fly. Once digital signals are processed at cryogenic temperature the key challenge is to transfer at room temperature the low-voltage output digital signals (about 200-1000µV) at high rates of about 1-10Gbps per channel, by limiting the thermal burden on the cryogenic system, in order to build high performance high throughput systems.A solution is to transmit the signals with a wireless emitting-receiving antenna set with a suitable bandwidth. This work examines several wireless baseband transmission systems in a short distance configuration, associated to the distance between the cryogenic and room temperature stages, for data rates in the range of a few Gbps. It elaborates on four crucial issues :• the choice and study of the proper line codes to be used for baseband transmission of digital signals without the need for analogue modulations, such as Polar Return-to-Zero and Manchester encodings ;• the study and selection of ultra-wide bandwidth antennas with a focus on small size Antipodal Vivaldi Antennas and monopole antennas to meet cryogenic constraints ;• the study of the Bit Error Rate (BER) of the transmitting system. Two methods were developed to recover the digital output signals and minimize the BER.• the comparison between simulations and measurements to assess the performance of the overall system.

Cette thèse expérimentale explore les propriétés du point critique de la phase pseudogap dans le diagramme de phase des cuprates supraconducteurs. Dans une première partie, j’expose un état de l’art sur les connaissances du diagramme de phases température-dopage (T-p) de ces systèmes. Des études récentes montrent une chute importante de la densité de porteurs électroniques au voisinage du point critique suggérant une reconstruction de la surface Fermi. Pour comprendre la nature exacte de la transition de phases liée à cette reconstruction, j’ai réalisé des mesures complémentaires de transport thermique et de chaleur spécifique sous champ magnétique intense sur les familles La1.8-xSrxEu0.2CuO4 et La1.6-xSrxNd0.4CuO4.Dans une deuxième partie, après une introduction théorique sur la chaleur spécifique et le transport thermique, je détaille comment ces deux grandeurs ont été mesurées. En particulier, une technique originale de mesures de la chaleur spécifique a été mise au point pour combiner haute résolution et précision absolue en champ magnétique intense et basse température. Différents modèles thermiques et électroniques ont été développés pour comprendre et analyser les mesures et ont permis d’optimiser les différents montages de chaleur spécifique selon les gammes de température.Dans une troisième partie, je présente l’ensemble des résultats obtenus en transport thermique et chaleur spécifique. Le transport thermique confirme la chute de la densité de porteur dans l’état normal (sans supraconductivité) des cuprates déjà observée en transport électrique sous champ intense. Par ailleurs, j ‘ai montré que cette chute existe également au sein de la phase supraconductrice (à champ magnétique nul), montrant qu’elle n’est influencée ni par la présence de la supraconductivité ni par le champ magnétique. Dans l’état normal, la loi de Wiedemann-Franz est respectée prouvant le caractère métallique de la phase pseudogap.La chaleur spécifique électronique montre un comportement non classique à proximité du point critique. Ce comportement anormal est caractérisé par une dépendance logarithmique en fonction de la température au dopage critique p* correspondant à la chute du nombre de porteurs. De plus, ces mesures suggèrent une divergence de la masse effective à p* en fonction du dopage. Ces deux observations sont la signature d’un point critique quantique localisé à T = 0 et p = p* dont l’origine est discutée dans la dernière partie. Les différentes classes d’universalités possibles sont discutées et une comparaison avec d’autres composés (fermions lourds, pnictures) possédant un point critique quantique est présentée. / This experimental PhD thesis explores the properties of the pseudogap critical point in the phase diagram of superconducting cuprates. In a first part, I present a state of the art on the knowledge of the temperature-doping (T-p) phase diagram of these systems. Recent studies show a dramatic drop in the electronic carrier density near the critical point, suggesting a Fermi surface reconstruction. To understand the exact nature of the phase transition related to this reconstruction, I performed complementary high magnetic field measurements of thermal transport and specific heat on La1.8-xSrxEu0.2CuO4 and La1.6-xSrxNd0.4CuO4 cuprates.In a second part, after a theoretical introduction on specific heat and thermal transport, I detail how these two quantities were measured. In particular, an original technique for measuring specific heat has been developed to combine high resolution and absolute accuracy in high magnetic field and low temperature. Different thermal and electronic models have been developed to understand and analyze the measurements in order to optimize the different set-ups according to the temperature range.In a third part, I present the results obtained in thermal transport and specific heat. Thermal transport confirms the drop in carrier density in the normal state (without superconductivity) of cuprates, already observed in high magnetic field electrical transport. Moreover, this drop also exists within the superconducting phase (in zero magnetic field), showing that it is neither influenced by the presence of superconductivity nor by the magnetic field. In the normal state, the Wiedemann-Franz low is satisfied, proving the metallic character of the pseudogap phase.Electronic specific heat shows non-classical behavior in the vicinity of the critical point. This abnormal behavior is characterized by a logarithmic dependence as a function of temperature at the critical doping p *, corresponding to the drop in the carrier density. Moreover, these measurements suggest a divergence of the effective mass at p * as a function of doping. These two observations are the signature of a quantum critical point located at T = 0 and p = p *, whose origin is discussed in the last part. I discuss the possible universality classes, and I compare with others compounds (heavy fermions, pnictides) which present a quantum critical point.

Cette thèse montre de nouveaux résultats sur les supraconducteurs ferromagnétiques UCoGe et URhGe et sur l’ordre caché dans URu2Si2. Le diagramme de phase pression température d’UCoGe a été étudié jusqu’à 10.5 GPa. L’ordre ferromagnétique subsiste jusqu’à la pression critique pc≈1 GPa et la supraconductivité non conventionnelle jusqu’à p = 4 GPa. Les fluctuations magnétiques responsables de la supraconductivité peuvent être réduites par l’application d’un champ magnétique. Les surfaces de Fermi d’UCoGe et d’URhGe ont été mesurées grace aux oscillations quantiques. Quatre poches ont été détectées dans UCoGe, elles subissent une succession de transition de Lifshitz de la surface de Fermi sous champ magnétique. Les poches détectés évoluent continument avec la pression jusqu’à 2.5 GPa, sans montrer de reconstruction de la surface de Fermi à la pression critique pc. Dans URhGe, trois poches lourdes de la surface de Fermi ont aussi été découvertes. Enfin dans la phase d’ordre caché d’URu2Si2, les oscillations quantiques ont révélé une forte anisotropie du facteur gyromagnétique g pour deux poches de la surface de Fermi, qui est comparable à l’anisotropie macroscopique. Cette dernière a été étudiée à partir du champcritique supérieur de la supraconductivité. / This thesis is concentrated on the ferromagnetic superconductors UCoGe and URhGe andon the hidden order state in URu2Si2. In the first part the pressure temperature phase diagram of UCoGe was studied up to 10.5 GPa. Ferromagnetism vanishes at the critical pressure pc≈1 GPa. Unconventional superconductivity and non Fermi liquid behavior can be observed in a broad pressure range around pc. The superconducting upper critical field properties were explained by the suppression of the magnetic fluctuations under field. In the second part the Fermi surfaces of UCoGe and URhGe were investigated by quantum oscillations. In UCoGe four Fermi surface pockets were observed. Under magnetic field successive Lifshitz transitions of the Fermi surface have been detected. The observed Fermi surface pockets in UCoGe evolve smoothly with pressure up to 2.5 GPa and do not show any Fermi surface reconstruction at the critical pressure pc. In URhGe, three heavy Fermi surface pockets were detected by quantum oscillations. In the last part the quantum oscillation study in the hidden order state of URu2Si2 shows a strong g factor anisotropy for two Fermi surface pockets, which is compared to the macroscopic g factor anisotropy extractedfrom the upper critical field study.

Ma thèse de doctorat traite de l'étude théorique des phénomènes thermoélectriques qui se produisent dans des nanostructures supraconductrices qui sont l'objet de plusieurs lignes de recherche de la physique de la matière condensée. Nous nous focalisons sur quatre dispositifs basés sur les supraconducteurs et de minces barrières isolantes où le transport de la charge et de la chaleur est gouverné par l'effet tunnel quantique. Nous commençons par analyser une jonction métal Normal-Isolant-Supraconducteur (N-I-S). En principe, aucun courant à une particule ne peut s'écouler dans ce circuit quand le voltage de polarisation est en dessous du gap d'énergie de S. Pourtant, un courant de fuite en dessous du gap est observé dans la courbe caractéristique courant-voltage (I-V) expérimental de ce dispositif, même à très basses températures. Nous montrons que l'absorption de photons de l'environnement électromagnétique à haute température connecté à la jonction est une origine possible du processus de tunnel à un électron en dessous du gap. Nous considérons une jonction N-I-S connectée à l'environnement soit directement soit indirectement au moyen d'une ligne de transmission résistif à basse température. Nous analysons analytiquement et numériquement le courant en dessous du gap dans ces deux circuits. Ensuite nous considérons un transistor hybride à un électron (SET) constitué d'une île de métal normal N contrôlée avec une tension de grille et connectée, au moyen de deux jonctions à effet tunnel, à deux fils supraconducteurs S polarisés en tension (S-I-N-I-S). Lorsque l'on fait varier le voltage de N correctement dans le temps, un courant contrôlable à un électron s'écoule entre les deux supraconducteurs. En principe, la réflexion d'Andreev, c'est-à-dire l'effet tunnel à deux électrons de N à S, peut être interdite. Expérimentalement, ce processus à deux particules contribue aussi au courant total à travers le SET. Nous montrons que l'échange de photons entre ce dispositif et l'environnement électromagnétique où il est disposé rend la réflexion d'Andreev énergétiquement possible. De plus, nous discutons comment cet effet limite la précision du processus de tunnel à un électron nécessaire pour les applications métrologiques. Ensuite nous nous focalisons sur les caractéristiques thermodynamiques des jonctions supraconductrices à effet tunnel. Nous discutons d'abord des capacités de refroidissement électronique des dispositifs à double jonction S1-I-N-I-S1 et S2-I-S1-I-S2, où les supraconducteurs S2 et S1 ont un gap d'énergie différent. Après nous étudions le design et le fonctionnement d'un nanoréfrigérateur électronique à cascade basé sur une combinaison de ces deux structures. Nous montrons numériquement que une île de métal normal peut être réfrigérée au dessous de 100 mK à partir d'une température de 500 mK. Nous discutons ensuite de la réalisation pratique et des limitations d'un tel dispositif. Enfin, nous considérons la dynamique d'une jonction à sauts de phase quantique (QPSJ) connectée à une source de micro-ondes. En ce qui concerne une jonction Josephson ordinaire, une QPSJ peut montrer des marches de Shapiro duals, c'est-à-dire des plateaux de courant bien définis situés à des multiples entiers de la fréquence des micro-ondes dans la courbe caractéristique I-V. Aucune observation expérimentale n'a abouti jusqu'à maintenant. Les fluctuations thermiques et quantiques peuvent nettement étaler la courbe I-V. Pour comprendre ces effets, nous déterminons la caractéristique I-V d'une QPSJ polarisée en courant, irradiée avec des micro-ondes et connectée à un environnement résistif et inductif. Nous montrons que l'effet de ces fluctuations est gouverné par la résistance de l'environnement et par le rapport entre l'énergie de phase-slip et l'énergie inductive. Nos résultats sont importants pour les expériences qui visent à l'observation des marches de Shapiro duals dans les QPSJ pour la définition du courant quantique standard. / The aim of my Ph.D. thesis is to study theoretically the thermoelectric phenomena occurring in some superconducting nanostructures which are the object of various research lines in condensed matter physics. Specifically, we focus on four different devices based on superconductors and insulating tunnel barriers where both charge and heat transport are governed by the quantum tunneling effect. We start by considering a voltage-biased Normal metal-Insulator-Superconductor (N-I-S) tunnel junction. No single-particle current is expected to flow in this circuit when the applied voltage is below the superconducting energy gap of S. However, in real experiments, a subgap leakage current is observed in the current-voltage (I-V) characteristic of this device, even at very low temperatures. We show that the absorption of photons from the high-temperature electromagnetic environment connected to the junction is a possible origin of the single-particle tunneling below the gap. We first consider a N-I-S junction directly coupled to the environment. Then we focus on a circuit where a low-temperature lossy transmission line is inserted between them. For both these circuits, we analyze analytically and numerically the subgap leakage current. We find, in particular, that it is exponentially suppressed as the length and the resistance per unit length of the line are increased. Then, we go beyond the single N-I-S junction considering a hybrid single-electron transistor (SET) constituted by a gate-controlled normal-metal island (N) connected to two voltage-biased superconducting leads (S) by means of two tunnel junctions (S-I-N-I-S). A controlled single-electron current flows between the two superconductors by properly changing in time the gate potential of N. In principle, the Andreev reflection, i.e., the tunneling of two electrons from N to S can be ideally suppressed when the charging energy of N is larger than the energy gap of S. Actually, in real experiments, this two-particle tunneling process also contributes to the total current through the SET. We show that the exchange of photons between the S-I-N-I-S device and the high-temperature electromagnetic environment where it is embedded makes the Andreev reflection energetically possible. We discuss how this effect limits the single-electron tunneling accuracy needed for metrological applications. Next, we focus on the thermodynamical features of the superconductor-based tunnel junctions. We first consider the well-known electronic cooling capabilities of the S1-I-N-I-S1 and S2-I-S1-I-S2 double-junction devices, where S2 and S1 are superconductors with different energy gaps. Then, we study the design and operation of an electronic nanorefrigerator based on a combination of these two structures, i.e., a cascade cooler. We show numerically that a normal-metal island can be cooled down to about 100 mK starting from a bath temperature of 500 mK. We discuss the practical implementation, potential performance and limitations of such a device. Finally, we consider the dynamics of a quantum phase-slip junction (QPSJ) connected to a microwave source. With respect to an ordinary Josephson junction, a QPSJ can sustain dual Shapiro steps, consisting of well-defined current plateaus at multiple integers of the microwave frequency in the I-V characteristic. Their experimental observation has been elusive up to now. We argue that thermal and quantum fluctuations can smear the I-V curve considerably. To understand these effects, we determine the I-V characteristic of a current-biased QPSJ under microwave irradiation and connected to an inductive and resistive environment. We find that the effect of these fluctuations is governed by the resistance of the environment and by the ratio of the phase-slip energy and the inductive energy. Our results are of interest for experiments aimed at the observation of dual Shapiro steps in QPSJ devices for the definition of the quantum current standard.

Les récents progrès des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) rendent ces matériaux très prometteurs pour les applications de grande envergure. Ils montrent des propriétés stupéfiantes, particulièrement à très basse température où ils sont capables de transporter des courants extrêmement élevés. Ces conducteurs sont construits sur un substrat en alliage de nickel qui leurs permettent de supporter des efforts mécaniques considérables. Pour ces raisons, les SHTC sont à présent au cœur de nombreux projets pour bâtir une nouvelle génération d’aimants produisant des champs intenses. Ce travail est mené dans le cadre du projet Nougat dont l’objectif est la conception d’un insert générant 10 T à l’intérieur d’un aimant plus grand de 20 T. Malgré leurs remarquables propriétés, les conducteurs SHTC montrent d’importantes inhomogénéités de performance ce qui, ajouté à leur forte capacité calorifique, peut provoquer des échauffements très localisés. La transition locale du matériau vers un état dissipatif est difficile à détecter notamment à cause de la lente propagation de l’évènement. Le signal de transition risque donc d’être noyé dans le bruit de mesure et être à l’origine de dommages sévères voir irréversibles du conducteur. Pour répondre à ce problème, des électro-aimants sont fabriqués en remplaçant l’isolation électrique par un ruban métallique. Ces aimants sont appelées Bobines Métal-Isolée (BMI). Dans cette configuration et dans le cas spécifique d’une inhomogénéité sur le conducteur, le courant court-circuite le défaut en passant sur la spire suivante ce qui permet d’empêcher la destruction du bobinage. Cependant, dans ce type de bobinage, la stabilité et la linéarité du champ magnétique généré peut être un problème et les dynamiques lentes de ce type de bobine les empêchent de prétendre à être utilisé pour certaines applications. Pour des raisons pratiques, le prototype final du projet Nougat sera construit avec un bobinage métalliquement isolé mais le travail mené ici se concentre sur les bobines électriquement isolées, plus particulièrement l’étude de la transition dans le bobinage afin d’identifier des possibilités de protection fiables. Quelques résultats d’échantillons BMI sont cependant présentés pour comparaison. Dans un premier temps, les contraintes générales de conception de l’insert NOUGAT sont définies, principalement les exigences pour le conducteur et les calculs préliminaires de performance. Cette étude souligne le besoin de caractériser le conducteur SHTC sous haut champ et à basse température, dans des conditions similaires à celles du fonctionnement final du prototype d’insert. Dans un second temps, cette caractérisation expérimentale d’échantillons courts est implémentée dans un modèle pour simuler le comportement de bobines pour la construction d’aimants. L’objectif de ce modèle est d’étudier le départ de transition et sa propagation dans le bobinage. Une des particularités du modèle est la simulation de l’entièreté du bobinage dans le but de prendre en compte les inhomogénéités de performance du conducteur, dont les mesures en continu sont fournies à 77 K en champ propre par les constructeurs. Le dernier axe de ce travail est l’étude de plusieurs échantillons bobinés pour permettre notamment la comparaison entre bobinage isolé électriquement et métalliquement. Leurs comportements électrique, mécanique et thermique sont examinés ainsi que les problèmes de couplage dus à la présence d’un aimant extérieur. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs préliminaires ainsi qu’aux simulations de modèle. Un protocole expérimental est également proposé pour évaluer les performances d’une bobine sans risque et est testé avec succès. / Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.

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.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.