Dans une première partie, nous développons la théorie analytique des effets de Haas-van Alphen (oscillations d'aimantation) et Shubnikov-de Haas (oscillations de magnétorésistance) dans les systèmes électroniques quasi-bidimensionnels, qui sont constitués de couches très bonnes conductrices avec une faible dispersion des quasi-particules entre les plans. Nous montrons que l'application d'un champ magnétique perpendiculairement aux couches a pour effet de réduire la dimensionnalité apparente du système. A fort champ magnétique, le comportement des oscillations d'aimantation est proche de celui d'un gaz d'électrons bidimensionnel. Nous étudions en détail l'influence des oscillations du potentiel chimique sur la forme des oscillations de Haas-van Alphen en présence d'une ou de plusieurs bandes d'états au niveau de Fermi. Nous dérivons également une expression pour les oscillations d'aimantation dans l'état mixte supraconducteur. Nous calculons enfin les oscillations de la magnétorésistance longitudinale dans le cadre de la théorie du transport quantique pour un modèle d'impuretés ponctuelles. A fort champ magnétique nous trouvons des oscillations géantes avec un comportement thermiquement activé des maxima de résistance.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous étudions les propriétés de l'état mixte dans le supraconducteur non-conventionnel UPt3 pour un champ magnétique parallèle à l'axe hexagonal du cristal principalement dans le cadre des modèles théoriques d'un état supraconducteur à deux composantes couplé avec un champ briseur de symétrie. Nous examinons la structure du réseau de vortex dans la phase A de UPt3 à partir de considérations de symétrie et de l'approximation locale de London, et montrons que seul l'état supraconducteur de symétrie E2u peut rendre compte des observations expérimentales. Nous mettons également en évidence que la transition entre les phases mixtes A et B est plutôt un crossover qu'une transition de phase du second ordre à cause de la présence de termes de gradients de mélange dans l'expression de l'énergie libre de Ginzburg-Landau. Enfin, nous démontrons que la dépendance de la pente du second champ critique au niveau de la température critique en fonction du taux d'impuretés n'est pas sensible à la symétrie de l'état supraconducteur.

Dans la première partie, nous présentons les résultats de l'étude du supraconducteur sans inversion de symétrie LaRhSi3 par spectroscopie muonique. En champ nul, nous n'avons pas détecté de champ interne. Ceci indique que la fonction d'onde de l'état supraconducteur n'est pas dominée par l'état triplet. Les mesures en champ transverse de 35G présentent une transition en accord avec la transition de phase attendue sous le champ critique Hc1. Nous avons répété ces mesures pour un champ entre Hc1 et Hc2, 150G. Le spectre obtenu pour ces mesures conserve l'asymétrie et relaxe rapidement à basse température tel que prédit pour un supraconducteur dans la phase d'Abrikosov. Néanmoins, les relaxations produites par ce balayage en température présentent une transition à près de 2 fois la température critique attendue. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous donnons l'interprétation des résultats de la diffraction neutronique inélastique par l'étude des champs électriques cristallins. Ces mesures ont été effectuées sur des aimants frustrés SrHo2O4 et SrDy2O4 sous la forme de poudre. L'étude des niveaux produits par les champs cristallins par la méthode des opérateurs de Stevens indique une perte du moment cinétique dans les deux matériaux. Pour le SrDy2O4, l'état fondamental serait constitué de quatre états dégénérés quasi accidentellement qui portent un moment magnétique total non-nul. Toute fois, nos mesures de susceptibilité magnétique ne montrent aucun ordre au-dessus de 50mK. Pour le SrHo2O4, le fondamental est formé d'une paire accidentelle. Nous obtenons un moment magnétique de 6.94(8)$\mu_B$ ce qui s'accorde avec les données expérimentales. / In the first part of this thesis, we present our muon spectroscopy results of the non-centrosymmetric superconductor LaRhSi3. Zero magnetic field measurements showed no internal field, suggesting at most a very small triplet component in the superconducting wave function. A temperature scan taken in 35G transverse-field geometry showed a phase transition at Hc1. The asymmetry of the muon relaxation spectrum measured at 20mK and field of 150G, which is between the lower and upper critical fields, shows a faster relaxation rate compared to the spectrum obtained at 4K, a behaviour expected in the presence of vortices in the type II superconductor. However, the temperature dependence of the relaxation rate begins to increase all the way to a temperature twice Tc of LaRhSi3 in a field of 150G. In the second part of this document, we present the interpretation of inelastic neutron scattering by crystalline electric fields. These measurements were carried out on powder samples of frustrated quantum magnets SrHo2O4 and SrDy2O4. Using Stevens operators method, we determined the level scheme du to crystalline electric field effects using a point charge model and fitted it to the experimental data. For the SrDy2O4 we found a ground state that appears to be composed of four quasi-accidental degenerate states that carry a non zero magnetic moment even though susceptibility measurements did not indicate magnetic order above 50mK. For the SrHo2O4, the ground state is a pair with a 6.98(8)$\mu_B$ magnetic moment. This lat value fots with experimental data.

Mes travaux de recherche sont liés à l'analyse asymptotique, l'approximation numérique et la théorie spectrale de problèmes elliptiques. J'allie les résultats théoriques et les simulations numériques pour préciser le comportement des solutions : la théorie permettant de proposer des méthodes numériques plus performantes et de prévoir certaines difficultés numériques, les simulations illustrant parfois des comportements plus fins que ceux démontrés jusque-là ou suggérant de nouvelles conjectures. Ce document se découpe en quatre chapitres, chacun correspondant à un thème de recherche. Le premier thème de recherche que je vais aborder concerne l'analyse mathématique de la supraconductivité qui était le sujet de ma thèse. Cette thématique a fait l'objet de collaborations avec F. Alouges, M. Dauge, S. Fournais, B. Helffer, D.~Martin, N. Popoff, N. Raymond et G. Vial. Notre objectif est de comprendre l'influence de la géométrie du matériau sur l'apparition de la supraconductivité. La première étape consiste à étudier le spectre de l'opérateur de Schrödinger avec champ magnétique et paramètre semi-classique dans les domaines à coins. Nous avons établi un développement asymptotique des modes propres et montré que les vecteurs propres avaient une structure double échelle, ce qui rend les simulations numériques très délicates. Nous avons proposé une approche basée sur la méthode d'éléments finis nodaux de haut degré et mis en évidence l'effet tunnel pour des domaines symétriques. Ces résultats ont ensuite permis d'étudier les minimiseurs de la fonctionnelle de Ginzburg-Landau et d'établir la localisation du paramètre d'ordre qui rend compte de la densité des électrons supraconducteurs, lorsqu'on abaisse progressivement le champ magnétique appliqué. Très peu d'études avaient été réalisées pour les domaines à coins. Nous en avons maintenant une compréhension assez précise en dimension 2. Récemment, nous avons commencé l'étude en dimension 3 dans le cadre de la thèse de N. Popoff, avec M. Dauge. La deuxième partie de ce document présente un modèle simplifié pour le transport quantique dans des diodes à effet tunnel résonant. Elle résulte de collaborations avec A. Faraj, F. Nier et Y. Patel. Ce dernier a réalisé une analyse asymptotique fine de systèmes de Schrödinger-Poisson stationnaires, non linéaires uni-dimensionnels dans un régime hors-équilibre. Nous avons proposé une adaptation numérique de cette analyse afin de déterminer rapidement des diagrammes courant-tension et de bifurcation et montré la pertinence de ce modèle réduit en le comparant à un modèle 1D de Schrödinger-Poisson avec traitement numérique complet des états résonnants. Dans le cadre du projet ANR jeunes chercheurs n° JCJC06-139561 Macadam, je me suis intéressée à l'analyse multi-échelle et numérique de problèmes elliptiques perturbés, en collaboration avec D. Brancherie, M. Dambrine, S. Tordeux, F. Hérau et G. Vial. Ce projet consiste à étudier l'influence de petites perturbations géométriques sur la solution de problèmes elliptiques. Les cas d'une inclusion isolée ou de plusieurs bien séparées ont été largement étudiés. Nous considérons plus précisément le cas où la distance entre deux inclusions tend vers zéro mais reste grande par rapport à leur taille caractéristique. Nous donnons un développement asymptotique multi-échelle complet de la solution de l'équation de Laplace dans la situation de deux inclusions. Nous présentons également quelques simulations numériques basées sur une méthode de superposition multi-échelle de la solution non perturbée et d'un profil (solution normalisée de l'équation de Laplace dans le domaine extérieur obtenu par blow-up de la perturbation). Nous étendons ces techniques aux équations de l'élasticité linéaire afin de prédire le comportement à rupture de certains matériaux présentant des micro-défauts. Nous avons également proposé des méthodes pour calculer effectivement les profils intervenant dans le développement asymptotique. Ceci a soulevé des questions mathématiques liées à la perte de coercivité provenant de conditions de Ventcel dégénérées. Le dernier chapitre propose quelques résultats sur les partitions minimales, en collaboration avec B. Helffer, T. Hoffmann-Ostenhof, C. Léna et G. Vial. Nous souhaitons comprendre le lien entre la $k$-partition minimale, pour laquelle la plus grande première valeur propre du Laplacien-Dirichlet sur les $k$ sous-domaines est minimale parmi les $k$-partitions, et les ensembles nodaux des vecteurs propres du Laplacien avec condition de Dirichlet. Nous nous sommes focalisés sur le cas $k=3$ pour lequel on ne connaît pas, en général, de partition optimale même pour des géométries très simples telles que le carré ou le disque. En se restreignant aux configurations symétriques, nous utilisons la méthode d'éléments finis pour exhiber des candidats aux 3-partitions minimales symétriques du disque, du carré ou d'autres géométries. Cette étude numérique nous a conduits à des problèmes d'isospectralité que nous avons résolus en utilisant le Hamiltonien de Aharonov-Bohm. L'introduction de cet opérateur pour résoudre une question théorique a ouvert une nouvelle piste numérique qui consiste à calculer les modes propres par une méthode d'éléments finis sur un revêtement à deux feuillets et d'étudier le comportement des lignes nodales en fonction du point singulier. Cela nous a permis de dégager de nouveaux candidats aux partitions minimales.

Le Coated Conductor est un empilement de couches tampon sur un substrat, il est composé d'un substrat métallique, de couches tampon, d'une couche d'YBCO et d'une couche protectrice. Développer de bons substrats métalliques, simplifier l'architecture des couches tampon et trouver des méthodes de fabrication d'YBCO économiques sont les sujets essentiels de ce domaine. On a développé un nouveau substrat bimétallique Cu-Ni par dépôt électrochimique d'une couche de Ni sur un ruban de cuivre texturé et on discute comment déposer un film de La2Zr2O7 (LZO), de même texture, sur un substrat métallique par un processus chimique en solution (CSD). La fabrication de rubans de Cu texturé par un procédé de laminage-recristallisation est présentée en premier, puis on s'intéresse au dépôt électrochimique du Ni sur ces rubans. La stabilité thermique de la texture et les propriétés magnétiques de ces substrats Cu-Ni est discutée. Le dépôt d'une couche tampon de LZO texturée sur ces substrats par le procédé CSD confirme leur intérêt potentiel pour les Coated Conductors. Le dépôt de couches de LZO sur divers substrats métalliques, la préparation de précurseurs et des substrats, la croissance épitaxiale de couches tampon de LZO sont discutés en détail. On montre que l'acetylacétonate dissout dans l'acide propionique est une bonne solution. Une couche de S de structure c(2x2) à la surface du substrat permet le contrôle de l'orientation initiale des couches de LZO. Le carbone résiduel issu de la synthèse de LZO est un facteur inhibant la croissance des grains de LZO mais son gradient sous la surface est utile. La maitrise de l'ensemble de ces facteurs permet la formation de couches de haute qualité.

Divers aspects de la radiométrie à substitution électrique sont abordés : la bolométrie résistive (bilan énergétique et modèle électrothermique), le bruit excédentaire d'un film mince d'YBCO dans la transition de phase et la régulation de température à haute résolution. L'électronique faible bruit avec porte-échantillon optimisé est dédiée à la thermométrie résistive et au contrôle de température avec perturbations calibrées de puissance de chauffage et corrélation de deux moniteurs de température observateurs indépendants. Des expériences en boucle ouvertes à 273K (thermomètres platine) et en boucle fermée à 90K (thermomètres YBCO) sont réalisées. Celles-ci donnent une dérive thermique de 0,1E-6K/s et des variations contrôlées de température de 30E-6Kp. Une résolution en température de 2,8E-6K est mesurée pour 0,83mA, une bande passante de 1Hz et 400s de mesure, et serait améliorée d'un facteur 700 pour 5mA. Un seuil de détection de 6pW est estimé pour le radiomètre (puissance incidente maximale de 1mW, 5mA et 250s).

We have studied by STM, SQUID, X-ray reflectivity, X-ray diffraction, optical absorption and XAS Fe(phen)2(NCS)2 and Fe{[3,5-dimethylpyrazolyl]3BH}2 samples deposited by thermal evaporation on Cu(100), Co(100) and SiO2 substrates, and compared with results on powder samples. We have confirmed the existence of the soft X-ray induced excited spin state trapping (SOXIESST), and investigated its properties, in particular dynamic aspects. The effect is sensitive to the intensity and the structure of the applied X-ray beam, and is non-resonant. We suggest that its efficiency is also governed by metal-ligand charge transfer states (MLCT). The study of single molecules has revealed that they could be switched by voltage pulses, and by this way building memristive devices, but only if the influence of the substrate is sufficiently reduced. We have then investigated thin films with the help from a simple thermodynamic model, and evidenced that the cooperativity was reduced and the transition temperature is modified (higher for Fe-phen, and lower for Fe-pyrz). Finally, we use these results to build multilayer vertical devices Au/Fe-phen/Au, and its electrical properties depends, according to our preliminary results, on the external stimuli (temperature, magnetic field). Notably, they present a "diode" effect at the spin transition.

I studied organic semiconductor/ferromagnet interfaces by characterizing them by spin-polarized electron scattering and photoemission spectroscopy experiments. In the first part, a completely unexpected behaviour of the spin-dependent electron reflection properties of these interfaces is observed. In fact, sub-monolayer coverage of the organic molecules makes the electron reflection amplitude independent of the spin, i.e. both the reflectivity and the reflection phase become independent of the spin orientation of the incident electrons. Although I am not able at the moment to identify the cause of this phenomenon, I show that it is a very general phenomenon which is independent of the energy of the primary electrons, the choice of the ferromagnetic substrate, the choice of the organic molecule, and of the orientation of the initial spin polarization. It is not due to a change of the surface magnetization, a depolarization of the primary electrons, or a direct interaction of the molecules with the ferromagnetic substrate. Moreover, theory does not predict so far the experimental results and further research is required to unveil the physics behind these observations. In the second part of my thesis, spin-resolved photoemission experiments have been performed at the synchrotron SOLEIL. The main result is the observation of a highly spin-polarized molecule-induced electronic state close to the Fermi level. Measurements as a function of the organic layer thickness allow us to determine the interfacial character of this electronic state. Finally, these results are compared with theoretical calculations performed at the institute.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration dans le réseau électrique du limiteur supraconducteur de courant (SCFCL). Un modèle du ruban supraconducteur ont été développé et validé grâce à une comparaison avec des tests expérimentaux. Premièrement, ce modèle a permis le dimensionnement du SCFCL du projet Eoccoflow (projet européen). Dans un deuxième temps, le modèle de SCFCL est intégré dans différents types de réseau. D'une part, l'intégration du SCFCL dans les réseaux haute tension continu maillés rend vraisemblable la protection de tels réseaux. D'autre part, grâce au SCFCL de nouvelles architectures du réseau de distribution sont proposées permettant l'intégration massive de génération distribuée. Cette thèse se clot sur le dimensionnement et les tests d'un SCFCL pour un réseau à taille réduite. / This PhD deals with superconducting fault current limiter (SCFCL) network integration. A model of a superconducting tape had been developed and validated in comparison with experimental quench tests. This SCFCL model allowed us to design the SCFCL of the european project Eccoflow. Using this SCFCL model, SCFCLs are integrated in various types of networks. On one hand, SCFCL benefits are first studied in case of meshed HVDC networks. Indeed, the SCFCL makes realistic the protection of such networks. On the other hand, thanks to the SCFCL some new distribution network topologies are suggested in order to increase the distributed generation integration capacity. This PhD ends with the design and the test of a SCFCL in a downsize scale network.

Nous présentons des études expérimentales et théoriques de disiliciures alcalino-terreux, le disilane (Si2H6) et du carbone à haute pression. Nous étudions les disiliciures et en particulier le cas d’une phase plane de BaSI2 qui a une structure hexagonale avec des liaisons sp3 entre les atomes de silicium. Cet environnement électronique conduit à un gaufrage de feuilles du silicium. Nous démontrons alors une amélioration de la température de transition supraconductrice de 6 à 8.9 K lorsque les couches de silicium s’aplanissent dans cette structure. Des calculs ab initio basés sur DFT ont guidé la recherche expérimentale et permettent d’expliquer comment les propriétés électroniques et des phonons sont fortement affectés par les fluctuations du flambage des plans de silicium. Nous avons aussi étudié les phases cristallines de disilane à très haute pression et une nouvelle phase métallique est proposé en utilisant les méthodes de prédiction de structure cristalline. Les températures de transition calculées donnant un supraconducteur autour de 20 K à 100 GPa. Ces valeurs sont significativement plus faibles comparées à celles avancées dans la littérature. Finalement, nous présentons des études de structures de carbone à haute pression à travers une recherche de structure systématique. Nous avons trouvé une nouvelle forme allotropique du carbone avec une symétrie Cmmm que nous appelons Z-carbone. Cette phase est prévue pour être plus stable que le graphite pour des pressions supérieures à 10 GPa. Des expériences et simulation de rayon-X et spectre Raman sugèrent l’existence de Z-carbone dans des micro-domaines de graphite sous pression / We present experimental and theoretical studies of sp3 materials, alkaline-earth-metal (AEM) disilicides, disilane (Si2H6) and carbon at high pressure. First, we study the AEM disilicides and in particular the case of a layered phase of BaSi2 which has an hexagonal structure with sp3 bonding of the silicon atoms. This electronic environment leads to a natural corrugated Si-sheets. Extensive ab initio calculations based on DFT guided the experimental research and permit explain how electronic and phonon properties are strongly affected by changes in the buckling of the silicon plans. We demonstrate experimentally and theoretically an enhancement of superconducting transition temperatures from 6 to 8.9 K when silicon planes flatten out in this structure. Second, we investigated the crystal phases of disilane at the megabar range of pressure. A novel metallic phase of disilane is proposed by using crystal structure prediction methods. The calculated transition temperatures yielding a superconducting Tc of around 20 K at 100 GPa and decreasing to 13 K at 220 GPa. These values are significantly smaller than previously predicted Tc’s and put serious drawbacks in the possibility of high-Tc superconductivity based on silicon-hydrogen systems. Third, we studied the sp3-carbon structures at high pressure through a systematic structure search. We found a new allotrope of carbon with Cmmm symmetry which we refer to as Z-carbon. This phase is predicted to be more stable than graphite for pressures above 10 GPa and is formed by sp3-bonds. Experimental and simulated XRD, Raman spectra suggest the existence of Z-carbon in micro-domains of graphite under pressure

Les hétérostructures de taille nanométrique comprenant des matériaux supraconducteurs (S) en contact avec des matériaux métalliques (N) ou ferromagnétiques (F) présentent des propriétés surprenantes. L'effet de proximité dans les structures F/S/F se manifeste par l'effet vanne de spin. Dans les jonctions S/F/S, on voit l'apparition d'une transition de phase 0-p. Ces propriétés dépendent des paramètres internes du ferromagnétiques. Dans la première partie, nous étudions l'influence d'un décalage énergétique et d'une différence de masse effective pour expliquer l'effet de vanne de spin inverse qui se manifeste dans certaines hétérostructures F/S/F. On étudie la transition de phase 0-p dans le cas de décalage énergétique et d'anisotropie des surfaces de Fermi.La seconde partie est consacré à l'étude de l'effet paramagnétique sur le diagramme (H,T) des bicouches S/N et S/S. On demontre qu'il se forme une phase de supraconductivité induite par champ magnétique à fort champ magnétique et faibles températures. Calculée en présence d'un phase supraconductrice inhomogène de type Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO), on s'interesse également à l'influence des impuretés sur cette nouvelle phase supraconductrice à fort champ magnétique.La troisième partie est dévolue à l'étude des multicouches supraconducteur/métal normal(N). Le but de cette partie est d'étudier l'influence du nombre de couche et de décalage d'énergie sur la température critique, la densité d'état des multicouches S/N/.../N épaisses et de l'effet Josephson dans les multicouches S/N/.../N/S. / The atomic-scaled heterostructures with superconducting and ferromagnetic materials exhibit astonishing properties. For example, the proximity effect in the F/S/F sandwiches leads to the spin-valve effect. In the S/F/S junctions, one can observe 0-p phase transiton. These effects depend on the ferromagnetic properties.In the first part, we study the influence of energy shift and effective mass difference to explain the inverse spin valve effect. We also study the 0-p phase diagram and its dependence on the energy shifts and anisotropic sprectra in S/F/S junctions.The second part is devoted to the study of paramagnetic effet on the (H,T) phase diagram of the S/N and S/S bilayers. We demonstrate the formation of a superconducting field induced phase for high magnetic fields and low temperature. Calculated in presence of the superconducting inhomogeneous Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO) state, we study the influence of the impurities on this new superconducting phase.The last part deals with the study of superconducting-normal metal(N) multilayers. We calculate the influence of the number of layers and energy shift on the density of state, the thermodynamical properties of the S/N/.../N thick multilayer and the Josephson current in the S/N/.../N/S thick junctions.