Le principe d'un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) est le stockage d'énergie dans l'induction magnétique créé par une bobine court-circuitée. Dans ce travail, les possibilités offertes par les SMES en matériau supraconducteur haute température critique sont étudiées pour l'application source impulsionnelle. L'étude est plus particulièrement orientée vers l'alimentation de lanceurs électromagnétiques, pour laquelle l'utilisation de SMES est comparée à l'alimentation conventionnelle par banc de condensateurs. Dans ce cadre, de nouveaux concepts de SMES adaptés à la charge sont proposés, permettant des gains conséquents en terme de rendement énergétique global. En parallèle, la faisabilité pratique d'une alimentation de lanceur par SMES est envisagée par la réalisation d'un démonstrateur. Celui-ci est une évolution d'un dispositif existant testé avec succès en 2007. La réalisation de ce démonstrateur a permis de valider des solutions technologiques concernant notamment le refroidissement et la tenue diélectrique d'un SMES hTc de forte puissance. Ce travail est soutenu par la DGA (Délégation Générale pour l'Armement).

Nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions Josephson à haute température critique réalisées par implantation ionique. Ces jonctions ont été caractérisées électriquement et modélisées par une simulation des équations quasi-classiques d'Usadel. Après développement d'un circuit de couplage dans les gammes 4-8 GHz et dans la gamme des quelques centaines de GHz, des mesures de mélange micro-onde ont été réalisées. Les résultats ont fait apparaître un terme non-linéaire d'amplitude importante absent des équations du modèle RSJ (« resistively-shunted junctions »). Une théorique basée sur la non-linéarité de la résistance normale des jonctions fabriquées par irradiation a été formulée et comparée avec les expériences. Elle permet d'ouvrir des perspectives intéressantes concernant les applications de détection micro-onde de ce type de jonctions Josephson.

Ferromagnétisme et supraconductivité conventionnelle sont deux phases antagonistes dont la compétition peut facilement être étudiée dans les structures hybrides S/F. En particulier, une supraconductivité triplet odd-frequency peut être induite dans une couche ferromagnétique en régime diffusif.Dans une première partie, on étudie les courants qui circulent à l'équilibre dans de telles jonctions hybrides S/F. On prédit l'existence d'un courant triplet longue portée dans une bicouche ferromagnétique d'aimantation non homogène. La relation courant phase a la particularité d'être superharmonique. Ceci peut être interprété comme un effet Josephson entre un supraconducteur conventionelle et un supraconducteur triplet artificiellement induit à l'extrémité de la bicouche ferromagnétique. La compétition entre supraconductivité singulet et triplet peut aussi être observée dans le courant critique de certaines jonctions hybrides : le courant circulant entre deux reservoirs triplets au travers d'une couche supraconductrice conventionnelle peut présenter un maximum à température finie.Dans une seconde partie, on explore la combinaison de la supraconductivité et du ferromagnétisme avec en perspective la génération de courants de spin pour la spintronique. La resonance ferromagnetique (RFM) est un mécanisme de pompage de spin qui permet de générer des courants de spin sans appliquer de tension. Grâce à des effets d'interface, les signatures d'un courant de spin induit par RFM ont déjà été mesurées à température ambiante au bord d'un métal normal attaché à une couche ferromagnétique sous RFM. On prédit que l'effet survit à basse température quand le métal normal devient supraconducteur. / While ferromagnetism and conventional superconductivity appear as antagonist phases of nature, the proximity effect in hybrid S/F structures offers a unique opportunity to study their interplay. In particular, spin-triplet odd-frequency superconducting correlations may be induced in a diffusive ferromagnet.In a first part, we study the equilibrium current that may flow in hybrid S/F Josephson junctions. We exhibit signatures of odd-frequency triplet correlations. In particular, we predict the existence of a long range triplet current through a non-collinear bilayer ferromagnet with a peculiar superharmonic current phase relation. This can be viewed as the Josephson effect between a conventional superconductor and an effective triplet superconductor generated at the end of the bilayer ferromagnet. Then, we study the competition between triplet and singlet superconductivity in the temperature dependence of the critical current. Namely, the critical current flowing between two effective triplet reservoirs through a conventional superconducting layer may display a maximum at finite temperature.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / The epitaxial growth condition and the superconducting properties of nanostructured devices made of rhenium (superconducting below T=1.7 K) on sapphire were explored. Epitaxial growth of rhenium thin films onto a single crystal α-Al2O3(001) substrate was realised using molecular beam epitaxy. The cleanness of the substrate was verified using XPS, and the growth of rhenium was monitored using RHEED. The orientations of the two crystals are (0001)Al2O3//(0001)Re and <2110>Al2O3//<0110>Re, which was confirmed using X-ray diffraction. The in-plane misfit between the lattices is -0.43% at room temperature, which allows us to estimate the critical thickness of rhenium to be between 10 nm and 15 nm.For deposition, rhenium was heated using an electron beam. Substrates were heated during growth using either a Joule-heated W filament located behind the sample or electron bombardment. Generally deposition temperatures of 800◦C and 900◦C gave reproducible results.The effect of deposition temperature was studied on samples that had the same thickness but were deposited at different temperatures. Three thickness groups were selected: 25 nm, 50 nm and 100 nm. Every sample was dominated by the (001) epitaxial orientation. Orientations (110), (100), (101) were present, but their intensities were small and decreased with increasing deposition temperature. AFM imaging was used to observe the morphology of the films. The 25 nm thick films were decorated with grains. The diameter of the grains (∼ 50 nm) did not vary significantly on the 25 nm thick sample, however, they became more uniform with increasing deposition temperature, and the surface became smoother. On the 50 nm and 100 nm thick films spirals and holes can be observed. Diameter of spirals on the 50 nm thick film increased from 100 nm to 500 nm when the temperature of the deposition was increased from 800◦C to 900◦C. XRD rocking curves measured on all samples got narrower with increasing deposition temperatures, indicating lower mosaicity of the (001) crystals. High-resolution θ-2θ scans evidenced a disorder in the 50 nm thick film, corresponding to strain values in the range of 0.01. Deposition temperature of 1000◦C lead to the dewetting of a 50 nm thick sample, islands with atomically flat surfaces were formed.The frequently observed spirals are most likely the result of screw dislocations. The origin of the holes that accompany the spirals is a dewetting process that starts when the thickness of the film reaches ~10 nm. We quantified the temperature evolution of the film during growth taking into account emission, reflection and transmission between all surfaces. This thermal model confirmed that the temperature of the film increases as the thickness of the rhenium film grows. The dewetting was studied using Mullins’ theory of thermal grooving. A surface diffusion coefficient of 4E−12 cm2/s was obtained, which is consistent with the observed dimensions of the surface topography.Wires with widths ranging from 100 nm to 3 μm and SQUIDs were fabricated from the rhenium films. Transport measurements confirmed that the lithography process does not affect the superconducting properties of rhenium. Critical temperatures between 1.43 K and 1.96 K were measured. We could correlate the superconducting transition temperature with the topography and the crystallinity of the films. Mean free path of electrons, and the superconducting coherence length were obtained, for two of the films both mean free path and effective coherence length were over 100 nm. These two films were in the clean limit, but the fabricated wires were in the dirty limit.On one film SQUIDs of 1 um diameter with 50 nm and 20 nm wide nanobridges acting as Josephson junctions were fabricated. The SQUIDs were cooled down using a dilution refrigerator. Critical current oscillations were measured. The flux noise values obtained were as low as 2.6E−5 Φ0/Hz1/2.

Les nano-structures sont des systèmes physiques de premier intérêt pour les études de base et pour les applications, car elles montrent des effets quantiques comme le confinement, la discrétisation énergétique, la cohérence... Le comportement quantique des nano-dispositifs peut être cependant fortement influencé par le désordre, les effets thermiques et hors-équilibre. Dans cette Thèse, nous montrons, par exemple, comment la dissipation affecte le transport électronique dans les dispositifs supraconducteurs soumis aux fréquences micro-ondes.En utilisant un setup cryogénique AFM/STM fait maison, on peut étudier différents types de nano-structures. En premier, nous nous occupons de la réalisation d'un transistor à électron unique avec une sonde locale. Les nano-particules métalliques sont bien connues pour leur comportement comme boîtes quantiques zéro-dimensionnelles (QD), elles montrent du confinement quantique et des effets de charge, que l’on retrouve aussi dans nos mesures de microscopie à sonde locale à basse température. Nous démontrons comment un nouveau procédé de nano-fabrication peut être mis en œuvre avec l'introduction d' une électrode de grille suffisamment mince et sans-fuite, ce qui pourra fournir un réglage de précision des propriétés de la boîte quantique et permettre l'exploration résolue spatialement des phénomènes quantiques dans différents régimes de couplage. En deuxième, nous étudions le graphène épitaxial sur SiC comme un matériau 2D très prometteur pour l'électronique. En particulier, les nano-rubans de graphène obtenus par croissance épitaxiale sur des parois inclinées (GNRs) sont des nano-structures d'intérêt fondamental qui peuvent fournir un accès direct et contrôlable au graphène neutre. À cause du confinement quantique, ces systèmes peuvent montrer du transport balistique exceptionnel à température ambiante. Nous réalisons une technique novatrice de potentiométrie à sonde locale qui nous permet une résolution spatiale à l'échelle du nm et une résolution en tension à l'échelle du µV. Le potentiel locale et la résistance locale mesurés sur un dispositif unique basé sur des nano-rubans de graphène nous donnent des indications claires de transport non-diffusif.La physique explorée, les méthodes ainsi que les technique développées dans cette Thèse peuvent donc fournir des nouvelles visions aux nombreux (et assez divers) sujets en vogue. / Nanostructures are physical systems of paramount interest for both fundamental studies and applications, since they display quantum effects such as confinement, energy discretization, coherence…The quantum behavior of nano-devices can however be strongly influenced by disorder, thermal and non-equilibrium effects. In this Thesis, we show, for instance, how dissipation deeply affects the electron transport in superconducting nano-devices at microwave frequencies.By using a home-made cryogenic AFM/STM setup, we are able to investigate different kinds of nanostructures. First, we address the realization of a Single Electron Transistor with a Scanning Probe. Metallic nanoparticles are well known for their behavior as 0D-Quantum Dots (QD), and they display quantum confinement and charging effects, which are evidenced in our low-temperature SPM measurements as well. We demonstrate how a novel nanofabrication process can be implemented with the addition of gate electrodes sufficiently thin and leakage-proof, which in the future can provide a fine-tuning of the QD's properties and allow spatially-resolved exploration of quantum phenomena in a variety of different coupling regimes. Second, we study epitaxial graphene on SiC as a very promising 2D material for electronics. In particular, epitaxial sidewalls graphene nanoribbons (GNRs) are nanostructures of fundamental interest which can provide direct and controllable access to charge neutral graphene. Due to quantum confinement, these systems can display exceptional ballistic transport at room temperature. We implemented an innovative Scanning Tunneling Potentiometry technique allowing for nm-scale spatial resolution and μ V-scale voltage resolution. Measured local potential and resistance of single GNRs devices provide clear indication of non-diffusive transport.The physics investigated and the methods and the techniques developed in this Thesis can thus provide a new insight on several (and quite diverse) on-trend topics.

Dans ce manuscrit de thèse, nous revisitons d'abord la physique des états de Yu-Shiba-Rusinov, en nous concentrant sur leur polarisation en spin. Nous commençons par montrer théoriquement que nous pouvons extraire beaucoup d'informations sur le supraconducteur hôte, en analysant la densité locale d'états électroniques liée à la présence d'impuretés magnétiques. Tout d'abord, nous démontrons que le couplage spin-orbite peut être lu directement et sans ambiguïté par la spectroscopie par effet tunnel résolu en spin dans les systèmes bidimensionnels et unidimensionnels, qu’ils soient supraconducteurs ou métalliques. Nous analysons les oscillations induites par les impuretés dans la densité d'états électroniques. En particulier, nous nous concentrons sur la transformation de Fourier (TF) des oscillations de Friedel et nous notons que les caractéristiques à haute intensité apparaissent pour un vecteur d'onde donné par deux fois la longueur inverse du spin-orbite. Ensuite, nous montrons qu'il est possible de déterminer le mécanisme d’appariement dominant, qu’il soit en ondes s ou en ondes p, dans les supraconducteurs non conventionnels en analysant la structure spectrale résolue en spin des états liés de Yu-Shiba-Rusinov. De manière frappante, nous démontrons qu'une analyse minutieuse de la densité d'états électroniques polarisée en spin ne permet pas seulement de caractériser sans équivoque le degré d’appariement de type triplet, mais également son orientation, a.k.a. le vecteur d. Enfin, nous proposons et discutons deux approches différentes d'ingénierie et de contrôle des phases topologiques à l’aide d’impuretés scalaires et magnétiques. Nous commençons par fournir une théorie microscopique des réseaux d'impuretés scalaires sur les supraconducteurs chiraux. Nous montrons que pour un supraconducteur topologique de type chiral, les impuretés scalaires donnent lieu à une hiérarchie complexe de phases non triviales distinctes avec des nombres de Chern élevés. Deuxièmement, nous proposons et étudions théoriquement une nouvelle plate-forme prometteuse que nous appelons «la chaîne dynamique de Shiba», c'est-à-dire une chaîne d'impuretés magnétiques classiques dans un supraconducteur en ondes s avec des spins qui précessent. Nous montrons que cette approche peut être utilisée non seulement pour créer une phase supraconductrice topologique, mais surtout pour contrôler les transitions de phase topologiques au moyen de la dynamique de la texture de la magnétisation. Ce manuscrit est organisé comme suit. Dans la première partie, les informations d'introduction essentielles sur la supraconductivité, les oscillations de Friedel et les états de Yu-Shiba-Rusinov sont fournies. La deuxième partie est consacrée à la polarisation en spin des états Yu-Shiba-Rusinov et aux propriétés qui pourraient être extraites au moyen de la microscopie par effet tunnel résolu en spin. Dans la dernière partie, deux configurations proposées pour l'ingénierie de phases topologiques, basées sur les états induits par les impuretés, sont présentées, suivies de conclusions, d’un bref résumé des réalisations de cette thèse et enfin d’une discussion de possibles directions futures. / In this manuscript we first revisit the physics of Yu-Shiba-Rusinov subgap states, focusing on their spin polarisation. We start by showing theoretically that we can extract a considerable amount of information about the host superconductor, by analysing spin-polarised local density of states related to the presence of magnetic impurities. First, we demonstrate that the spin-orbit coupling in two-dimensional and one-dimensional systems, both superconducting and metallic, can be read-off directly and unambiguously via spin-resolved STM. We analyse the impurity-induced oscillations in the local density of states. In particular, we focus on the Fourier transform (FT) of the Friedel oscillations and we note that high-intensity FT features appear at a wave vector given by twice the inverse spin-orbit length. Second, in unconventional superconductors with both s-wave and p-wave pairing, by analysing the spin-resolved spectral structure of the Yu-Shiba-Rusinov states it is possible to determine the dominating pairing mechanism. Most strikingly, we demonstrate that a careful analysis of spin-polarised density of states allows not only to unambiguously characterise the degree of triplet pairing, but also to define the orientation of the triplet pairing vector, also known as the d-vector.Finally, we discuss two different ways of engineering and controlling topological phases with both scalar and magnetic impurities. We start with providing a microscopic theory of scalar impurity structures on chiral superconductors. We show that given a non-trivial chiral superconductor, the scalar impurities give rise to a complex hierarchy of distinct non-trivial phases with high Chern numbers. Second, we propose and study theoretically a new promising platform that we call 'dynamical Shiba chain', i.e. a chain of classical magnetic impurities in an s-wave superconductor with precessing spins. We have shown that it can be employed not only for engineering a topological superconducting phase, but most remarkably for controlling topological phase transitions by means of magnetisation texture dynamics.This manuscript is organised as follows. In the first part, the essential introductory information on superconductivity, Friedel oscillations and Yu-Shiba-Rusinov states is provided. The second part is dedicated to spin polarisation of Yu-Shiba-Rusinov states and the properties that could be extracted by means of spin-resolved STM measurements. In the last part, two setups proposed for topological phase engineering based on impurity-induced states are presented, followed by conclusions with a brief summary of the thesis achievements and further directions to pursue.

Cette thèse se décompose en deux parties.Dans la première, nous nous intéressons au premier champ critique, Hc1, du titanate de strontium, que nous mesurons à l’aide d’un réseau de microsondes de Hall taillées dans un gaz bidimensionnel. La valeur du premier champ critique nous permet alors d’évaluer la densité superfluide à six différents dopages couvrant l’ensemble du dôme supraconducteur. À bas dopage, nous trouvons que celle-ci correspond à la densité de porteurs dans l’état normal tandis qu’au-delà du dopage optimal, celle-ci chute drastiquement. En plaçant nos résultats dans le contexte de la loi de Homes, nous voyons que cette chute s’explique par l’entrée dans la limite sale. Un fit multibande de Hc1(T), dans ce contexte semble également indiquer que la supraconductivité émerge de la bande la plus basse et est seulement induite dans les deux autres bandes.Dans la seconde partie, nous regardons l’évolution de la densité de porteurs, n, du cuprate Nd-LSCO. Nous mesurons ainsi six échantillons de dopages proches du point critique pseudogap, p*, via trois sondes de transport : effet Hall, résistivité et effet Seebeck. Nous trouvons que n chute de 1+p à p à l’entrée dans la phase pseudogap. En comparant les différentes sondes, nous montrons que cette chute est due à une reconstruction de la surface de Fermi et qu’il existe sûrement des poches d’électrons et de trous juste en dessous de p*. Ceci est en accord, entre autres, avec un scénario antiferromagnétique. Finalement, nous trouvons que la mobilité est inchangée à l’entrée dans la phase pseudogap et que les mesures de transports semblent insensibles à la divergence de la masse effective vue par chaleur spécifique. / This thesis consists of two parts.The first one is about the lower critical field of strontium titanate, measured thanks to an array of Hall micro-probes tailored in a 2D electron gas. The value of the lower critical field allows us to quantify superfluid density at six different dopings spreading all along the superconducting dome. At low doping, we find that it follows the normal state carrier density while it dramatically falls above optimal doping. Analyzing our results in the context of the Homes law, we understand that this drop is due to the entering into the dirty limit. A multiband fit Hc1(T) in this context seems to indicate that superconductivity is born in the lowest band and only induced in the two others.In the second part, we focus on the carrier density, n, of the cuprate Nd-LSCO. We measure six samples with doping close to the pseudogap critical point p*, thanks to three different transport probes : Hall effect, resistivity and Seebeck effect. We find that entering the pseudogap phase induces a drop in n from 1+p to p. The comparison of the different probes shows that this drop is due to a Fermi surface reconstruction and that both holes and electrons pockets may exist just under p*. This observation is consistent with an antiferromagnetic scenario. Finally, we find that mobility is not affected by the pseudogap and that transport measurements seems insensitive to the diverging effective mass as observed by specific heat.

La proximité omniprésente de l’ordre magnétique et supraconducteur dans les supraconducteurs non conventionnels implique l’importance de comprendre le magnétisme dans ces matériaux. Dans ce contexte, cette thèse porte sur l’étude du magnétisme dans trois supraconducteurs non conventionnels. Les excitations magnétiques dans le système d’oxychlorure de cuivre de l’élément léger Ca2CuO2Cl2 ont été étudiées en fonction du dopage et de la température en utilisant principalement la diffusion inélastique résonante aux rayons X. L’effet de la pression sur le magnétisme dans epsilon-fer et le beta-FeSe a été étudié en utilisant la spectroscopie d’émission des rayons X et la diffraction des neutrons sur poudre. / The ubiquitous proximity of magnetic and superconducting order in unconventional superconductors implies the importance of understanding magnetism in these materials. In this context, this thesis concerns the study of magnetism in three unconventional superconductors. The magnetic excitations in the light element copper oxychloride system Ca2CuO2Cl2 were studied as a function of doping and temperature using primarily resonant inelastic x-ray scattering. The effect of pressure on magnetism in epsilon-iron and beta-FeSe was studied using x-ray emission spectroscopy and neutron powder diffraction.

La transition métal-isolant (TMI) induite par le dopage et la supraconductivité ont été étudiées dans le diamant monocristallin fortement dopé au bore (propriétés structurales, approche en loi d'échelle pour la TMI, substitution isotopique, structure de bande vs effet Hall, mode de vibration des dimères de bore) et des matériaux voisins. La supraconductivité a été découverte pour le silicium monocristallin fortement dopé au bore (préparé par la méthode GILD), la TMI dans le cas du carbure de silicium 4H fortement dopé à l'aluminium (préparé par la méthode VLS). L'étude de la TMI et du magnétotransport dans le diamant nanocristallin fortement dopé au bore a montré l'importance de la granularité de ce système.

Nous présentons une étude expérimentale et théorique sur la nucléation et l'évolution de la supraconductivité au voisinage d'un microtrou dans une couche mince. Sous champ magnétique la température critique d'une couche perforée est plus élevée que celle d'une couche sans trou et montre deux types d'oscillations quan tiques.